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

118

Основой произведенной замены стала обсуждавшаяся в части I

настоящей работы оптимизация принципа работы автоматического ре­ гулятора реактора. В связи с хорошим саморегулированием реактора оптимальным оыл признан релейный принцип регулирования с постоян­ ной скоростью движения органа регулирования. В этих условиях за­ мена стержней АР на КК позволяла использовать для автоматическо­ го регулирования реактора компенсационные кассеты, имевшие по­ стоянную скорость перемещения 2,5 см/сек и обеспечивавшие при этой скорости скоростную эффективность, близкую к максимальному значению скоростной эффективности стержня АР из-за увеличения на порядок линейной эффективности (полная эффективность группы компенсационных кассет 0,01-0,02).

Не был ясным в то время вопрос обеспечения ядерной безопас­

ности реактора при работе в составе автоматического регулятора столь эффективных исполнительных органов. Специально проведен­ ные расчетные исследования показали, что саморегулирующие и са-

моограничиващие свойства активной зоны (отрицательный мощност-

ной и температурный коэффициенты реактивности) делают не чрез­ мерно опасными даже такие нарушения в схеме автоматического ре­ гулятора, которые приводят к непрерывному извлечению группы ком­ пенсационных кассет из активной гоны.

На рис.2.1-2 представлен процесс повышения мощности реакто­

ра от номинальной при непрерывном извлечении группы эффективно­ стью 0,024 со скоростью 2,5 см/сек. По достижении мощности 120$

на 12-ой секунде происходит срабатывание аварийной защиты реак­ тора.

Там же показано изменение нейтронной мощности реактора в случае неуправляемого движения группы со средней скоростной эффен-

-нейтронный поток

-тепловой поток от твэл к воде

Мощность (относительно номинальной)

Рис.2Л-2. Изменение мощности реактора при непрерывном извлечении регулирующей группы кассет

(пунктир - без срабатывания аварийной защиты).

120

л

тивностью 6.101/сек из критического состояния (мощность 10 вт).

Через 9,5 секунд в систему аварийной защиты поступит сигнал по периоду и по мощности; еще до срабатывания стержней аварийной защиты мощность реактора будет уменьшена за счет мощностного эф­ фекта реактивности. Средний тепловой поток на поверхности твэл в этом процессе к ю - й секунде достигнет 10# номинального зна­ чения и затем будет убывать.

Тем не менее отсутствие опыта работы со столь эффективными автоматическими регуляторами сделало необходимым введение допол­ нительных мер ядерной безопасности: максимальная скорость движе­ ния автоматического регулятора была уменьшена до 0,93 см/сек,

непрерывное движение вверх в автоматическом режиме было ограни­ чено интервалом 10 см, при выходе за пределы которого автомати­ ческий реьулятор выключался, и его последухщее включение в рабо­ ту требовало вмешательства оператора, который должен был убедить­ ся, что процесс регулирования не вышел за допустимые пределы.

Накопленный в последующем опыт эксплуатации ВВЭР подтвердил устойчивость работы реактора во всех режимах и дал возможность отказаться от этой страховочной меры.В последующих проектах ВВЭР ш вводятся ограничения на время работы регулятора "вверх"; сохра­ нение процесса в безопасных пределах обеспечивается ограничива­ ющими устройствами, контролирующими значения рабочих параметров реакторной установки (аварийная зашита 4-го рода - запрещение движения компенсационных кассет вверх).

Самостоятельными проблемами при использовании компенсационных кассет в режиме автоматического регулирования оказались вопросы обеспечения стабильной эффективности автоматических регуляторов и деформации нейтронного поля. Подробнее это будет обсуждено не­ сколько ниже.

121

Следупцим шагом в создании однородной решетки поглотителей СУЗ явилась замена, начиная с реактора второго блока НВ А Х ,

кассет АЗ на КК , сопровождающаяся полной универсализацией всех исполнительных органов СУЗ. Одной из важных причин для такого шага, помимо оорьбы с проявлениями "локальной критичности , яви­ лось стремление максимально сократить бесполезное поглощение нейтронов в активной зоне, улучшив тем самым топливный цикл, и

ликвидировать для этого циркониевые рассеиватели кассет АЗ.

Универсализация всех кассет регулирования прежде всего требо­ вала ооеспечения режима быстрого заглушения реактора, т.е. режима АЗ. Опасения повреждения тепловыделяюцих элементов при быстром выведении кассет аварийной защиты из активной зоны (свободное падение в потоке воды) привели в ходе проектирования ВВЭР-I к

замене топливных сборок в кассетах АЗ циркониевыми рассеивате­ лями. На новом этапе проектирования решений задачи облегчалось тем, что в режиме АЗ должны были работать все компенсационные кассеты, и необходимую скоростную эффективность нужно было обес­ печить при существенно болнией (на порядок величины) суммарной эффективности органов защиты. Это делало возможным сократить ско­ рость выведения кассет из зоны (увеличить время полного введения органов АЗ) на порядок, и таким путем обеспечить безусловную ра­ ботоспособность тепловыделяющих элементов в режимах аварийной за­ щиты.

Критерии ядерной безопасности рекомендуют, чтобы срабатыва­ ние аварийной защиты реакторов не было связано с внешними источ­ никами энергии и происходило под действием постоянно действующих сил, как,например, оила тяжести. Поэтому в качестве режима аварий­ ной защиты для универсальных КК был также выбран режим свободного

122

падения, но в конструкции механизмов управления и внутриреак-

торннх устройств были предусмотрены узлы ограничения ско -

роста и демпфирования в конце пути. Специально проведенные рас­ четные исследования аварийных процессов позволили установить же­ лательную скорость аварийного опускания кассет. Цри гарантиро­ ванном значении суммарной эффективности органов аварийной за­ щиты около 0,1 наиболее вероятные нарушения, требующие аварий­ ной остановки реактора, успешно нейтрализуются при скорости па­ дения КК 10 см/сек.

Средняя скоростная эффективность аварийной защиты, эквива­

лентная скоростной эффективности быстродействующих органов АЗ

ве проектной скорости аварийного опускания в новых приводах уни­ фицированных органов регулирования и защиты. В период отраоотки

конструкции приводов различные варианты конструкции обеспечивали разное“время разгона", т.е. время достижения установившейся ско­ рости опускания (от 0,5 до 10 секунд). Штатные приводы реакторов ВВЭР-440 обеспечивают выход на максимальную скорость за 0,5-0,7 се­ кунды.

Дальнейшее увеличение скоростной эффективности защиты полез­ но применительно в некоторым крупным нарушениям типа отключения оолнпого числа главных циркуляционных насосов (четырех или более из шеста работающих), так как при этом обеспечивается уменнпение общего количества остаточного тепла, выделяемого активной зоной в аварийном процессе. Масштаб этого уменьшения иллюстрируется данными, приведенными на рис2.1-3 . Такое повышение скоростной

Я^ И 8 к а-0,20; V= 2QcMfceK;

----- 2Z8k ~-0,2Q;V- iOсм/сек.

Рис.2.1-3. Уменьшение количестве тепла,выделяющегося в активной зоне после аварийной остановки реактора, при увеличении скоростной эффективности аварийной

защиты.

124

эффективности АЗ было реализовано лишь а реакторах с повышенной до 0,2 оощей компенсирующей способностью органов защиты (реак­ торы с 73 органами СУЗ, т.е. реакторы 2-го, 3-го и 4-го блоков НВ АЭС). Аналогичное повышение скоростной эффективности за счет увеличения скорости опускания компенсационных кассет не оправда­ но, поскольку при больших нарушениях эксплуатационного режима происходит вскипание теплоносителя в активной зоне, и вступает в действие отрицательный паровой эффект реактивности.

Следует обратить внимание на то, что внедрение полностью

однородной решетки универсальных органов СУЗ сопровождалось уве­ личением требуемой суммарной эффективности (увеличение выгорания

топлива между перегрузками) и изменением компоновки активной зо­

ны. Равномерное расположение топлива на первом реакторе ВВЭР бы­ ло заменено зонным уже на 2-м блоке НВ АЭС, в результате чего кассеты с высокими размножающими свойствами группировались вместе,

Это повышало опасность проявления локальной критичности и дела­ ло необходимым более тесное расположение поглотителей в актив­ ной зоне. В результате шаг решетки поглотителей в реакторе ВВЭР-3

был уменнпен с 389 мм до 294 мм, и количество КК увеличено с 37

до 73.

Даже при равномерном размещении органов компенсации реактивности в активной зоне иногда возникают области с пониженной компенса­ цией. Так, в реакторе ВВЭР-I в связи с конструктивными сложно­

стями расположения органов регулирования на краю активной зоны

количество топливных кассет, примыкающих к крайним КК, оказа­ лось больше, чем в центральной части активной зоны, в районе ре­ гулярной решетки КК, что можно видеть на рис. 2,1-1.

125

Характер нейтронного поля в такой активной зоне показан на рис,2.1-4,откуда видно,что нейтронное поле приподнято на краю,

и нейтронно-статистический вес этой части зоны повышен. Это при­ водит к тому, что снижается эффективность первых выводимых из активной зоны поглотителей, которыми должны быть по регламенту безопаоной эксплуатации реактора стержни АЗ; т.е. снижается на­ чальная эффективность АЗ. Второе следствие (как и при любом про­ явлении “локальной критичности") - снижение суммарной эффектив­ ности СУЗ. Создавшаяся проблема была специально исследована, а

возможным средством ее решения могло быть удаление 18 периферий­ ных рабочих кассет (замена их на поглощающие вставки), что допу­ скалось тепловыми условиями работы активной зоны. Одним из перво­ начальных решений было размещение на краю активной зоны "слоя"

кассет с естественным ураном.

Результаты расчета критического коэффициента размножения для двух вариантов реактора приведены ниже в таблице 2.1-5. Эф­ фективный радиус нормальной активной зоны составляет 150 см, а

уменьшенной на 18 кассет - 143 см.

Эффективность^ единицах реактивности )трех периферийных кассет АЗ в уменьшенной активной зоне будет 0,0096 вместо 0,0075

в активной гоне номинальных размеров, т.е. увеличится на 0,0021.

Правила ддерной безопасности требовали, чтобы минимальная эффек­ тивность аварийной защиты превышала долю запаздывающих нейтронов.

При несрабатывании одной из взведенных кассет (самой эффек­ тивной) эффективность не должна уменьшаться нике половины доли запаздывающих нейтронов. Следует обратить внимание на некоторую условность этих правил в реакторе, склонном к проявлению "локальт-

ной критичности": эффективность АЗ при последующих действиях с

127

органами регулирования, которые и могут явиться причиной сраба­ тывания аварийной защиты, сильно зависит от того, насколько уда­ лены в активной зоне эти органы от места расположения органов АЗ.

В уменыпенной активной зоне взвод периферийных кассет АЗ более надежно обеспечивает начальную аварийную защиту (пока без учета несрабатывания одной кассеты); остальные органы регу­ лирования могут быть использованы для компенсации рабочего за­ паса реактивности. Аналогичные цифры для центральных кассет АЗ

0,0126 вместо 0,0089 (Ъ.е. увеличение на 0,003”$. Начальная эффек тивность всех шести кассет АЗ при пуске возрастает на 0,058.

В холодном реакторе с полностью извлеченными поглотителя­ ми значение критического коэффициента размножения увеличится при уменыпении размеров активной зоны на 1,0339-1,0317=0,0022;

в то же время критический коэффициент размножения холодной ак­ тивной зоны с извлеченными только тремя периферийными поглоти­