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

Рис.2.2-14. Зависимость коэффициента неравномерности энерговыделения и глубины выгорания для стационарного режима ВВЭР-1000 от содержания бора в стержнях выгорающего

поглотителя.

169

тели будут располагаться в 12-ти трубочках кассетного пучка,

предназначенных для поглощающих элементов органов СУЗ.

В данном случае выгорающий поглотитель оказывается полез­ ным средством увеличения выгорания топлива (длительность кампа­ нии) из-за воздействия на неравномерность тепловыделения, в от­

личие от двух других случаев его применения в ВВЭР, когда он способствует увеличению компенсируемого запаса реактивности на выгорание (ВВЭР 1,2 и 3) и сохранению температурного коэффициен­ та реактивности в области отрицательных значений при борном ре­ гулировании (ВВЭР-440).

Одной из важных особенностей сильно уплощенного нейтронно­ го поля является его повышенная чувствительность к возможным из­

менениям размножающих свойств среды. Возмущения свойств чреваты

а

значительными отклонениями в распределении мощности, выходящими за рамки допустимых. В этой связи на первый план выступают пере­ ходные процессы на ксеноне-135, происходящие при изменениях мощно­ сти реактора, сопровождающихся перемещением стержней автоматичес­ кого регулирования и изменением пространственного распределения мощности.

Размеры реакторов ВВЭР (по сравнению с длиной миграции пейтронов) весьма велики , и поэтоглу в них могли оы создаться благоприятные условия для возникновения ксенонных колебаний мощ­ ности, особенно при уплощении нейтронного поля. Решающим стаби­ лизирующим фактором является большой отрицательный мощностной коэффициент реактивности, который эффективно уменьшает величину первичного возмущения свойств активной зоны от образования ксе­ нона-135 и существенно отодвигает границу неустойчивости, а также уменьшает возможные отклонения нейтронного поля в переходных про­ цессах.

170

В реакторе ЕВЭВ-440 проблемы ксенонных "качаний" мощно­ сти не возникает,так «як появляющиеся колебания носят аперио­ дический характер, а связанные с ними изменения неравномерно­ сти распределения мощности по радиусу и высоте активной зоны-

невелики.

Характерными размерами, определящими возможность появ­ ления ксенонных колебаний, являются радиус активной зоны и ее высота, причем "эффективный" раамер увеличивается с уплощением поля.

Напомним, что радиус активных зон всех реакторов ВВЭР

(кроме ВВЭР-2) составляет примерно 1,5 м, высота - 2,5 м (кроме ВВЭР-1000, у которого высота активной зоны - 3,5 м. Таким об­ разом,наиболее возможным является возникновение высотных ксенон­ ных колебаний и .практически ,только в реакторе ВВЭР-1000.

Баиболнпие деформации поля прггработе на номинальной мощ­ ности возникают в переходных процессах с умеренным снижением на­ грузки (до 40-50$) и последующим (через несколько часов) ее вос­ становлением до номинальной, причем в тех случаях, когда стерк-

ни регулирования занимают наиболее неблагоприятное положение по высоте активной зоны с точки зрения искажения распределения мощ­ ности. Примером такого искажения является режим, показанный на рис.2.2 - 15 . В целях уменьшения возмущений распределения мощ­ ности желательно в некоторых случаях путем иэяенения концентра­ ции борной кислоты привести стержни автоматического регулирова­ ния в крайнее нижнее положение и поддерживать их в этом положе­ нии в течение времени, пока реактор работает на пониженной мощ­ ности. Для обеспечения возможности выравнивания распределения мощности во всех режимах в проекте ВВЭР-1000 предусмотрены груп­ пы управляющих стержней половинной длины. Стратегия работы эти

172

стержней показана на рис.2.2 - 16 . Для выравнивания поля до­

статочно, чтобы уменьшение размножающих свойств активной зоны при введении этих стержней составляло 0,01 (при полной высоте их эффективность в единицах реактивности была бы 0,01). Целе­ сообразность такого способа подавления коенонных колебаний ха­ рактеризуется следующими цифрами: максимальный коэффициент вы­ сотной неравномерности поля для первой загрузки ВВЭР-1000 со -

ставляет 1,78; с использованием половинных стержней можно рас­ считывать добиться в переходных процессах значения этого коэффи­ циента не более 1,55; максимальное стационарное значение состав­ ляет 1,41. Следует подчеркнуть важность в этом процессе оптималь ного управления распределением мощности достаточно развитой си­ стемы внутриреакторных измерений, обеспеченной оперативной ма­ шинной обработкой результатов измерений, что и является состав­ ной частью системы управления ВВЭР-1000.

Рассмотренные выше неравномерности тепловыделения харак­ теризуют собой "макроподе", на которое накладывается "тонкая структура" - отклонения нейтронного поля и связанных с ним теп­ ловыделений от средних значений в данном районе. В ВВЭР имеет­ ся два основных источника "микронвравномерности", приводящие в некоторых случаях к очень существенным отклонениям тепловыделе­ ний от средних значений. Первый - связан с различием свойств от­ дельных топливных кассет, второй - с нарушениями монотонности решетки тепловыделяющих элементов и появлением различных водя­ ных полостей и областей с нониженным поглощением тепловых нейт­ ронов.

Первый источник характерен в первую очередь для активных зон с одинаковыми средними свойствами, какими являлись активные зоны ВВЭР-I и ВВЭР-2, (напомним, что мы огра -

Старям гртпдн АР (регуляторлоцкости)

Рис.2.2-16. Схема движения стержней управления ("У") для подавления простран­ ственных ксенонннх колебаний по высоте активной гоны.

174

ничиваемоя рассмотрением активных зон с "однородным" обогаще­ нием6 не рассматриваем активные зоны с "разнородным" обогаще­ нием) . Зоны с заданными средними свойствами формируются либо из кассет с различным выгоранием при одинаковом ючальном обо­ гащении - в стационарном режиме периодических перегрузок, ли­

бо из кассет с различным обогащением урана - в начальной загруз­ ке. Свежие кассеты или кассеты большего обогащения имеют мощ­ ность, превышающую среднюю в данном районе в первом приближе­ нии пропорционально превышению коэффициента мультипликации топ­ ливной решетт данной кассеты над средним значением, так как размеры кассет достаточно малы по сравнению с характерной дли­ ной, определяющей растечку замедляющихся нейтронов, и достаточ­ но велики по сравнению с .длиной диффузии тепловых нейтронов

(длина .диффузии в горячем состоянии около 2 см, диаметр кассе­ ты около 15 см). Например, для первой загрузки реактора ВВЭР-1

это превышение мощности составляло 13$. При строго зонной за­ грузке топлива обсуждаемый фактор неравномерности исчезает, раз­ личие свойств кассет в зонах формирует "макрополе". В то же вре­ мя в реакторах с уплощенным полем и зонной загрузкой широкое применение получил режим "движения топлива с рассеянием": актив­ ная зона разбивается на две концентрические области, свежее топ­ ливо загружается во внешнюю кольцевую область, а при последую­ щей перегрузке переставляется в отдельные ячейки центральной области ("плато") вперемежку с кассетами, переставленными в эту область в предыдущую перегрузку. Этот режим перегрузок позволя­ ет получить высокие глубины выгорания при низком коэффициенте неравномерности энерговыделения и обеспечивает при одинаковом времени пребывания всех кассет е активной зоне очень небольшой разброс по выгоранию выгружаемых кассет. При таком комплектова­

175

нии области плато его средние свойства формируются набором кас­ сет различных свойств,и максимальное тепловыделение в реакторе может приходиться на кассету этой области, обладащую более вы­ сокими размнокаицими свойствами. Применяемые в настоящее время методики расчета ВВЭР не выделяют этот фактор "микронеравномер­ ности",учитывают реальное размещение всех кассет в активной зо­ не и характеризуют результирующее распределение энерговыделения коэффициентом неравномерности распределения мощности по кассе­ там: численные значения этого коэффициента приводились выше.

Типичной для активных зон ВВЭР неоднородностью топливной решетки является водяной зазор между кассетами. Непосредственно конструктивный зазор мевду стенками кассет равен 3 мм, но нали­ чие циркониевого чехла вызывает дополнительное уплотнение пучка твэл. Это уменьшает реальный шаг решетки тепловыделяющих элемен­ тов по сравнению с эффективным, соответствующим проектному водо­ урановому отношению; в результате слой "избыточной" воды в райо­ не зазора доходит до 7 мм.

Неравномерность распределения мощности кассеты по отдель­ ным твэл из-за наличия водяного зазора определяется избыточным замедлением и относительно малым поглощением нейтронов в зазоре.

Дополнительную неравномерность может вносить отличие поглощающих свойств расположенных рядом кассет. Рис. 2.2-17 иллюстрирует проявление этого фактора на примере кассеты № 82,

одного из вариантов первой загрузки реактора ВВЭР-440. Кассета

82 окружена кассетами с различным обогащением урана, и на распре­ делении мощности кассеты по твэл сказывается также общий ход

"макрополя". Результирующий коэффициент неравномерности распре­ деления мощности по твэл в этой кассете составляет 1,22. Можно заметить, что наибольшая неравномерность возникает в углах нас-

177

сеты, поскольку вблизи углов образуются наиболнпие скопления "из­ быточной" воды. Расчетный анализ позволяет выявить наиболее "горя­ чие" точки реактора в различные моменты эксплуатации.

Размещение кассеты среди кассет того же обогащения в постоян­ ном макрополе дает максимальное значение обсуждаемой неравномерно­ сти 1,13.

Выгорание твэл болнпей мощности происходит быстрей и по мере выгорания кассеты неравномерность тепловыделения в ней должна сни­ жаться. Масштаб этого уменыпения можно видеть на примере указан­ ного выше размещения кассеты в постоянном макрополе: при достиже­ нии проектного выгорания 28-29 Мвт.сут/кг коэффициент неравно­ мерности снижается до 1,05.

Одним из возможных средств в снижении неравномерности тепло­ выделения,вызываемой зазором между кассетами,является профилирова­ ние свойств тепловыделяющих элементов в касоетегуменыпение обога­ щения урана или загрузки двуокиси урана в периферийных (и особен­ но угловых) твэл позволяет снизить максимум тепловыделения.

Применение твэл двух обогащений позволяет снизить коэффициент неравнойерности в кассете ВВЭР-440 для случая размещения ее среди однотипных кассет-на 1% (с 1,13 до 1,05).Однако эта мера усложняет технологию изготовления кассет(и,следовательно.удорожает их).Следу­ ет обратить внимание также на то,что уменьшение количества урана235 в крайних твэл проявляется кроме снижения тепловыделения так­ же в снижении захвата нейтронов и приводит в результате к подъему поля тепловых нейтронов в районе зазора.В этих условиях становят­ ся более опасными некоторые сочетания в размещении кассет по сосед­ ству друг с другом.например,при перестановке их в активной зоне пос­ ле очередного периода выгорания;должны тщательней анализироваться случаи неравномерного выгорания кассет,в результате которого стано-

178

вится небезразличным их последующее размещение в активной зоне.

В условиях ВВЭР-440 возможности достижения проектных показате­ лей активной зоны за счет других средств сделали нецелесообраз­ ным усложнение технологии изготовления и эксплуатации топливных кассет,обеспечивающее указанное выше уменьшение неравномерности,

и в результате эта мера не была реализована в активной зоне ВВЭР-440.

В проекте ВВЭР-1000 предусматривается профилирование овойств твэл по кассете.поскольку увеличение обогащения и размеров кассет ВВЭР-1000 приводит к увеличению неравномерности тепловыделения в ней: в кассете с обогащением 4,4$ при размещении ее в среде таких же коэффициент неравномерности распределения мощности по твэл составляет 1,22, а при соседстве с кассетой обогащения 3$- 1,29. Использование в твэл крайнего ряда и в угловых твэл сле­ дующего ряда урана с обогащением 3,6$ позволяет снизить этот коэффициент до 1,16. Меньшее число кассет в ВВЭР-1000 позволя­ ет предусмотреть более однозначный режим их перемещения в ак­ тивной зоне при перегрузках.

В настоящее время изучается другой освоенный способ вари­ ации количества урана-235 в тепловыделяющем элементе: снижение загрузки двуокиси урана за счет изготовления сердечника с осе­ вым отверстием желаемого диаметра.

При использовании в качестве выгорающих поглотителей стер» невых ПЭЛ может попутно решаться вопрос о некотором выравнивании^

поля тепловыделений в кассете за счет оптимального размещения

/

ПЭЛ в пучке тепловыделяющих? элементов. При этом приходится иметь в виду, что после выгорания бора ячейка с ПЭЛ становится источ­ ником тепловых нейтронов и поднимаетуровень тепловыделения в окружающих ее ячейках, в то время как свежий ПЭЛ снижает вокруг