Файл: Сидоренко, В. А. Вопросы безопасной работы ВВЭР к 10-й годовщине пуска первого блока Нововоронежской атомной электростанции.pdf

82

1.4. ВНЕДРЕНИЕ "БОРНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ"

На первоначальных стадиях проекта ВВЭР (1958-1959гг.) в

качестве одного из желательных путей решения проблемы компен­ сации избыточной реактивности рассматривался вариант введения растворимых соединений поглощающих нейтроны элементов в тепло­ носитель первого контура. В первую очередь рассматривались сое­ динения бора: борная кислота, пентаборат натрия и т.п.

Основное, что привлекало в этом варианте - возможность обеспе­ чить минимальные искажения нейтронного поля системой компенса­ ции реактивности, осуществить так называемое "мягкое регулиро­ вание". Наряду с этим изучались и другие возможные варианты

"мягкого регулирования". Основных сдерживающих факторов было два: I) не было исследовано влияние борных соединений на корро­ зионные процессы е первом контуре, не были ясны и другие хими- ’вские процессы, связанные с введением и выведением бора, очист-

.кой боросодержащей воды от загрязнений и т.п.; 2) не были дос­ таточно ясны проблемы ядерной безопасности реактора, возникаю­ щие при использовании жидкого поглотителя, находящегося под вы­ соким давлением. Решающим фактором на этом этапе оказался пер­ вый - неясность химических процессов, что стимулировало начало исследований коррозионных и других химических процессов е борных растворах.

Несмотря на то что возможность осуществления "мягкого регулирования" всегда оставалась и остается основным достоинст­ вом использования борного раствора е теплоносителе первого контура, первые практические шаги в этом направлении в ВВЭР были предприняты для усиления компенсирующей способности сис­ темы управления реактивностью.

83

В связи с этим следует упомянуть вторую неосуществленную

попытку ввести бор в первичный теплоноситель. Потребность в таком решении была вызвана недостаточной эффективностью механи­ ческой системы компенсации реактивности и прежде Есего тем,

что малая эффективность стержней автоматических регуляторов резко снижала суммарную компенсирующую способность всей системы управления реактивностью (более подробно эта проблема обсуж­

дается во второй части настоящей работы). Можно было увеличить

компенсируемый запас реактивности введением бора. Решающим фак­ тором в отрицательном решении вопроса на этом этапе проекта оказался второй из названных выше факторов - опасения потери поглотителя нейтронов в случае аварийной течи теплоносителя из первого контура. Проблема увеличения компенсирующей способности системы регулирования была решена другим способом:использованием в качестве исполнительных органов автоматических регуляторов

компенсационных кассет с высокой эффективностью. В то же самое время был реализован другой путь решения возникшей проблемы -

путь уменьшения потрёбной эффективности внешних средств управ­

ления реактивностью для компенсации запаса на выгорание: была

исследована применительно к реакторам с периодической частичной перегрузкой топлива возможность использования выгорающих погло­ тителей. При заложенной в проект периодичности перегрузки

(три перегрузки за кампанию) использование выгорающих поглоти­ телей давало реальный эффект в уменьшении изменения реактивнос­

обогащении т о п л и е э (до 8)J). В качестве выгорающего поглотителя был использован бор,для его размещения в активных зонах ВВЭР-1

и ВВЭР-2 были выбраны циркониевые шестигранные чехлы кассет.

84

Требуемое количество бора в цирконии (0,06-0,08$, по веоу)не ухудшило существенным образом эксплуатационных свойств чехлов,

хотя и несколько затруднило их изготовление (из-за уменьшения пластичности сплага). Это средство уменьшения величины измене­ ния реактивности при выгорании (или эффективного расширения эксплуатационного диапазона механических средств компенсации реактивности) было использовано в различных формах и в других реакторах ВВЭР.

В проектах первых блоков ВВЭР раствор борной кислоты реаль­ но был использован в качестве дополнительного средства заглуше­ ния реактора на случай неисправности (застревания в верхнем по­ ложении) штатных органов компенсации реактивности. Особенности размножающей решетки ВВЭР (также обсуждающиеся во второй части работы) требовали для компенсации активной зоны в холодном сос­ тоянии опускания всех компенсационных кассет, и поэтому для обеспечения расхолаживания реактора в случае их застревания необ­ ходимо было вводить борный раствор в первый контур при повышен­ ной температуре и рабочем давлении. Однако коррозионных и хими­ ческих проблем здесь не возникало, поскольку взаимодействие обо­ рудования с горячим борным раствором могло происходить весьма короткое время. Надежность системы в соответствии с требованиями ядерной безопасности была обеспечена дублированием всех основных элементов оборудования и созданием двух независимых трубопровод­ ных линий, подающих концентрированный раствор в различные точки реактора.

Второй шаг внедрения борного регулирования в ВВЭР - исполь­ зование борного раствора для обеспечения подкритичности активной зоны в процессе перегрузки топлива.

85

Перегрузка всякого реактора, а особенно такого как ВВЭР,

является ядерно опасной операцией. Соотношение между подкритич­ ностью перегружаемой активной зоны и эффективностью (воздействием на реактивность) отдельных перегрузочных операций в первых ВВЭР

таково, что ошибочное искажение картограммы перегрузки (например,

группирование свежего топлива в одном районе активной зоны) или ошибочное извлечение поглотителя вместо топливной кассеты может вывести активную зону в надкритичное состояние. Заложенные в проекте первых реакторов меры обеспечения ядерной безопасности при перегрузке предусматривали устройство перегрузочной аварий­ ной защиты на открытом реакторе (ПАЗ) и осуществление операций перегрузки при взведенных трех кассетах аварийной защиты (АЗ).

При этом ввиду малого радиуса защитного действия ПАЗ перегрузка могла вестись лишь в районе активной зоны, непосредственно при­ мыкающем к взведенным кассетам АЗ. Осуществление перегрузки топлива в другой части зоны требовало перестановки конструкций ПАЗ и взведения других кассет АЗ. Контроль процесса осуществлял­ ся измерителями нейтронного потока (ПСКЗ-перегрузочная система контроля и защиты), опускаемыми в специальные каналы, устанав­ ливаемые на время перегрузки в непосредственней близости от края активной зоны (в "граненый пояс"). Необходимость организации аварийной защиты осложняло всю процедуру перегрузки, и в то же время эффективность аварийной защиты была малой и требовала до­ полнительных ограничений на перемещение элементов активной зоны перегрузочной машиной (предварительная разгрузка части кассет,

перемещение кассет шагами, влияние которых на изменение реактив­ ности заведомо меньше располагаемой эффективности ПАЗ).

Следует также подчеркнуть, что аппаратурное оформление сис­ темы ПСКЗ не обеспечило надежную работу этой системы в режиме

86

защиты из-за ее большой чувствительности к электрическим помехам.

Поэтому, начиная со второй перегрузки 1-го блока НВАЭС,

технология перегрузки была коренным образом изменена. Была вве­ дена перегрузка в глубоко подкритическом состоянии, перегрузоч­ ная аварийная защита была ликвидирована. Глубокая подкритичнооть

(порядка 0,1 при всех извлеченных поглотителях нейтронов) обес­ печивается созданием большой концентрации борной кислоты, которая периодически контролируется в ходе перегрузки . Контроль нейт­ ронного потока в процессе перегрузки сохранен е качестве допол­ нительной меры ядерной безопасности. Конструкция измерительной системы (ПСК - перегрузочная система контроля) выполнена анало­ гично первоначальным разработкам, в настоящее время внедряется;

более совершенная измерительная аппаратура, менее чувствительная к электрическим помехам.

Внедрение перегрузки при высокой концентрации борной кислоты сильно упростило и обезопасило эту операцию и было важным еще потому, что подтолкнуло использование борного раствора е других эксплуатационных режимах.

Следующим этапом внедрения борного регулирования явилось использование борного раствора для обеспечения требуемой подкри­ тичности активной зоны ВВЭР-I и 2 е предпусковом холодном состоя­ нии. 11о первоначальным проектным условиям необходимая (по требова­ ниям ядс-рной безопасности) предпусковая подкритичность обеспечи­ валась эффективностью механических органов регулирования и защиты.

Перенесение функций обеспечения подкритичности с механической

87

сиотемы на борную высвободило часть компенсирующей способности

(до 0,025) системы регулирования для увеличения запаса реактив­ ности на выгорание (при компенсации всех остальных эффектов).

При пуске реактора и разогреве контура борная кислота выводилась из теплонооителя, водно-химический режим не искажался. Эти меры позволили существенно увеличить интервал меаду перегрузками пер­ вого блока НВАЭС и постепенно повысить глубину выгорания в этом реакторе за счет увеличения обогащения загружаемого топлива. Полу­ ченные в разных рабочих периодах первого реактора эксплуатацион­ ные показатели приведены в таблице I.4-I.

При дальнейшем увеличении эффективной длительности периода

между перегрузками на борный раствор перекладывается компенсация температурного и других эффектов реактивности. Это означает, что

в определенном диапазоне эксплуатационных режимов (разогрев пер­ вого контура, выход на мощность) борная кислота в теплоносителе

остается единственным средством компенсации части избыточной ре­ активности, а это предъявляет к борной системе качественно новые требования по производительности , надежности и резервирова­ нию. К борной системе 1-го и 2-го блоковНВ АЭС такие

88

требования не предъявлялись и это, естественно, ограничивало возможный диапазон ее эксплуатационных функций,(это же относит­ ся к АЭС "Райнсберг").

Дальнейшее расширение режимов применения борного ревулиро-

вания на ВВЭР-I и ВВЭР-2 практически исключала предусмотренная проектом на этих блоках выпарная система очистки воды первого контура. Несмотря на это, благодаря летучести борной кислоты

(что позволяет Еернуть ее частично после выпарных аппаратов в контур) на этих реакторах (главным образом на ВВЭР-2) удалооь осуществить несколько экспериментальных режимов с длительным

(до месяца) использованием на мощности борной кислоты небольшой концентрации (до 0,1-0,2 г/кг). Одновременно была развернута программа лабораторных, стендовых и петлевых испытаний по отра­ ботке водно-химического режима при борном регулировании, кото­ рая была в основном завершена к моменту пуска 2-го блока НВАЭС

(1969 год).

При разработке реактора 2-го блока одновременно с увеличе­ нием тепловой мощности и глубины выгорания было обеспечено зна­ чительное повышение эффективности механической системы компен­ сации реактивности: вмеото 37 органов СУЗ было предусмотрено

73 органа. Эта система обеспечивала компенсацию всех эффектов реактивности, так что от оиотемы аварийного ввода бора тре-

бовалооь только заглушение реактора в случае застревания орга­ нов СУЗ (что и соответствовало возможностям этой системы, как отмечено вше).Для сокращения изменения реактивнооти при выгора­ нии были применены блокированные выгорающие поглотители е виде поглощающих элементов, равновеликих тепловыделяющим элементам и размещаемых в кассетах вместо отдельных твэл (борооодержаший сплав в циркониевой оболочке, по 6 штук в кассете).

89

С точки зрения ядерной безопасности не было никаких пре­

пятствий к использованию борной кислоты как дублирующего средст­

ва компенсации запаса реактивности на выгорание. Этому также способствовало изменение системы очистки .теплоносителя: е отли­ чие от первого блока на втором (также как и в последующих реак­ торах) была применена ионообменна система очистки в замкнутом контуре.

Все перечисленные обстоятельства позволили осуществить на

2-м блоке НВАЭС решающий этап внедрения борного регулирования в ВВЭР: на основании проведенных исследований были разработаны рекомендации по водно-химическому режиму при борном регулирова­ нии и способу его обеспечения,и реактор 2-го блока НВАЭС был

пущен сразу в опытную эксплуатацию в режиме борного регулирования на мощности.

Важность этого промышленного эксперимента обуславливалась

тем, что завершавшаяся к тому времени разработка реактороЕ НВЭР-440 Естала перед необходимостью дальнейшего (по сравнению

с активной зоной ВВЭР-3) удлинения кампании реактора (т.е. уве­ личение начального обогащения активной зоны) и уменьшения нерав­ номерности тепловыделения (для увеличения запасов до предельных

нием количества и эффективности механических органов СУЗ и даль­ нейшим развитием системы выгорающих поглотителей, нельзя было признать рациональным. Увеличение числа органов регулирования усложняет конструкцию реактора и его обслуживание, а также сни­ жает надежность эксплуатации. Применение выгорающих поглотителей

90

в виде поглощающих элементов сокращает загрузку топлива в актив­ ную зону и уменьшает поверхность теплообмена. Использование вы­ горающего поглотителя в виде присадки к цирконию в чехлах кас­ сет натолкнулось на технологическую трудность равномерного и конт­ ролируемого распределения бора в циркониевых листах.

Для обеспечения требуемой равномерности свойств активной зоны с выровненным полем тепловыделения нужна стабильность кон­ центрации бора в листах в рамках ±10% номинального значения. По­ мимо этого применение любого выгорающего поглотителя приводит к сокращению кампании и ухудшению топливной составляющей стоимости энергии.

Возможности уменьшения неравномерности тепловыделения в ак­ тивных зонах ВВЭР в рамках использования эффективных органов ре­ гулирования в виде компенсационных кассет практически были исчер­ паны при разработке активной зоны ВВЭР-3.

Для дальнейшего уменьшения неравномерности тепловыделения на первоначальной стадии разработки реактора ВВЭР-3 была пред­ принята попытка разработать органы СУЗ с двойным движением, кото­ рые бы совмещали достоинства высокой эффективности "нейтронных ловушек" (при компенсации больших запасов реактивности в холод­ ном реакторе) с умеренным искажением нейтронного поля обычными поглотителями тепловых нейтронов (при компенсации части запаса на выгорание и оперативных запасов реактишости и регулировании мощности реактора). В таком органе в исходном состоянии в актив­ ной зоне находится поглотитель - нейтронная ловушка? первым дви­ жением в водную полость шестигранного поглотителя вводится умень­ шенная в поперечном сечении топливная сборка; вторым движением из активной зоны извлекается расположенный вокруг этой оборки

91

шестигранный поглощающий чехол, который используется для управ­ ления реактором на мощности. Конструктивная сложность такого привода заставила приостановить эту разработку, так что дальней­ шее уменьшение неравномерности требовало удаления в рабочем ре­

жиме на номинальной мощности поглотителей компенсационных кассет из активной зоны, т.е. делало необходимым внедрение в новой серии реактороЕ борного регулирования на мощности.

Применительно к активной зоне ВВЭР-440 неравномерность расп­

ределения мощности по кассетам при использовании только механи­ ческой системы регулирования удается в лучшем случае сохранить

е рамках , определяемых коэффициентом 1,6; аналогичная вели­

чина в случае регулирования реактора раствором поглотителя состав­ ляет 1,35.

Реактор 2-го блока НВАЭС был очень удачным объектом для про­

ведения обсуждаемого промышленного эксперимента с борным регули­ рованием. Его конструкция и характеристики активной зоны позволя­ ли осуществление всех без ионлючения эксплуатационных режимов

без использования борного раствора ( в том числе и осуществление безопасной перегрузки, поскольку увеличенное количество органов СУЗ обеспечивало в заглушенном реакторе большую подкритичность,

и даже ошибочное извлечение поглотителя не приводило к опасности

выхода в надкритическое состояние). Таким образом,реактор давал

наглядный пример решения одних и тех же проблем различными сред­ ствами; без использования жидкостного регулирования и на его ос­ нове.