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

179

себя тепловыделение. Оптимизация размещения ПЭЛ была, в част­

ности, проведена для опытных кассет повышенного обогащения (3,3%)

использованных в реакторе ВВЭР-I для увеличения длительности рабочего периода между перегрузками. Максимальный коэффициент

неравномерности по кассете удалось снизитьна 3%, при этом оп­ тимальным оказалось расположение ПЭЛ на месте углового твэл.

Такое размещение ПЭЛ для штатной загрузки повышенного обогаще­ ния с выгоранцими поглотителями (в частности, для активных зон

2-го и 3-го блоков НВ АЭС) нецелесообразно, так как неравномер­ ное размещение ПЭЛ в размножащей решетке уменьшает суммарную эффективность и увеличивает необходимое их количество; дополни­ тельное сокращение числа твэл ликвидирует выгоду от уменшения

неравномерности (при помещении ПЭЛ в углы шестигранных кассет и расположении этих кассет рядом в пределах кольцевой зоны по­ вышенного обогащения ПЭЛ оказываются размещенными группами по

3 штуки).

Компенсационная кассета в реакторах ВВЭР не только дефор­

мирует "макрополе" в активной зоне, но является также источни­ ком "микронеравнсмерности". Схематично конструкция компенсацион­

ной кассеты приведена на рис. 2.2-18 . Между топливной частью

кассеты и поглотителем (втулки бористой стали) имеется около

200 мм железоводной смеси с преобладанием воды. В районе концеви­ ков тепловыделявдих элементов область высотой около 50 мм содер­ жит водо-циркониевую смесь также с преобладанием воды. Нике расположена ооласть компенсационного ооъема твэл, высота которого доходит до 80 мм, практически не содержащая поглотителей (воде-

циркониевая смесь с газовыми полостями).Весь этот объем при про­ межуточном положении КК по высоте активней зоны является мощным источником тепловых нейтронов, которые увеличивают тепловыделе-

Рис.2.2-18. Схема конструкции компенсационной кассеты,

181

ние в смежных участках рабочих кассет и в концевых участках тепловыделяющих элементов топливной части КК. Характерный вид нейтронного поля в области переходного участка КК, полученного экспериментально на физическом стевде, показан на рис.2.2 - 19

Максимальная величина всплеска энерговыделения (относительно не­ возмущенного "макрополя") может достигать 1,8 - на границе топли­ ва в твэл топливной части КК и 1,26 - в твэл соседней рабочей кассеты. Наиболее простым и достаточно радикальным средством нейтрализации этого источника неравномерности, примененным во всех реакторах ВВЭР, начиная с 1-го блока, стало размещение в верхней части тепловыделяющих элементов топливной части КК (под герметизующей пробкой) столбиков (пробок) из нержавеющей стали высотой 10 см и диаметром , равным диаметру сердечников твэл.

Сечение захвата тепловых нейтронов в этой части кассеты близко к сечению захвата топливной решетки, но размножение нейтронов отсутствует. Достигаемое этим способом снижение всплесков тепло­ выделения характеризуется цифрами, полученными в эксперименте и приведенными ниже в таблице 2.2-3.

Цифры во второй колонке таблицы характеризуют возможное тепловыделение в случае смещения сердечника твэл в каком-либо элементе в верхнюю часть компенсационного объема.

Следует заметить, что всплеск тепловыделения в соседней кассете не распространяется практически далше крайнего ряда твэл. Анализ зависимости всплеска от температуры замедлителя по­ казывает, что при размерах полостей, характерных для конструк­ ции КК, увеличение температуры приводит к уменьшению всплеска тепловыделения.

Поле тепловых нейтронов (относительные единицы)

Рис.2.2-19. Распределение тепловых нейтронов по высоте в районе переходной части компенсационной кассеты.

183

ниях КК показывает, что местоположение максимального асимптоти­ ческого энерговыделения (по "макрополю") никогда но совпадает с положением "всплеска" в компенсационной кассете, и достигнутые значения "микронеравномерностей" являются вполне приемлемыми.

В первоначальной конструкции КК ВВЭР-1 для дополнительного снижения всплеска энергощделения в нержавеющие головки топлив­ ных частей КК вставлялись пластины из бористой стали; в дальней­ шем эта страховочная мера была признана излишней.

Весьма сильным источником "микронеравномерности" в ВВЭР является водяной отражатель. Хотя всплеск тепловыделения затра­ гивает только крайние ряды тепловыделяющих элементов, но абсолют­ ное его значение для отдельных твэл последнего ряда может дости­ гать 3,5 (по отношению к асимптотическому) и в реакторах с упло­ щенным полем абсолютный максимум тепловыделения может сместиться на

184

тепловыделяющие элементы, расположенные на границе с отражате­ лем (и в некоторых случаях эти твэл могут ограничивать допусти­ мую мощность реактора). Наличие достаточно больших концентраций бора в теплоносителе в начальный период работы между очередны­ ми перегрузками снижает величину всплеска у отражателя. Для того, чтобы полностью исключить этот фактор неравномерности в конструкцию всех реакторов ВВЭР введен нержавеющий "граненый пояс", обеспечивающий достаточное поглощение тепловых нейтронов вблизи границы крайнего ряда рабочих кассет. Рис. 2.2-20 ил­ люстрирует влияние борной кислоты в теплоносителе и граненого пояса толщиной 8 мм на тепловыделение крайних твэл активной зо­ ны реактора ВВЭР-440. Ухудшение отражателя, связанное с установ­ кой граненого пояса, приводит к сокращению кампании реактора

(глубины выгорания топлива) на 2%.

186

2.3. ТТРПИПШ НАЛИЕШТП ТКГЩООТВОДА

Специфичность проблемы отвода тепла в активной зоне ВВЭР определяется в первую очередь использованием низкотеплоцроводннх тепловыделяпцих элементов. Эта важная черта водо-водяных реак­ торов - применение спеченной двуокиси урана в качестве сердеч­ ников твэл - проявляется в проблемах безопасности двумя проти­ воположными сторонами: высокая рабочая температура двуокиси ура­ на, определяемая его низкой теплопроводностью, обуславливает большой отрицательный мощностной коэффициент реактивности, ко­ торый делает реактор безопасным по отношению к возможным повы­ шениям мощности, предотвращает опасные "разгоны"; с другой сто­ роны, высокая температура сердечника, превышающая допустимые рабочие температуры материала оболочки твэл, в случае наруше­ ния отвода тепла от поверхности элемента способствует разогре­ ву оболочки за счет большого количества запасенного тепла и за­ трудняет охлаждение реактора в различных аварийных условиях, свя­ занных либо с потерей теплоносителя, либо с нарушением его цир­ куляции . Проблема надежного теплоотвода в ВВЭРэто проблема двуокисных тепловыделяющих элементов. В настоящем разделе рас­ смотрим одну часть проблемы, связанную с обеспечением надежной циркуляции теплоносителя в реакторной установке.

Выше мы подчеркнули основную особенность теплового режи­ ма активной зоны, определяющую протекание нестационарных процес­ сов в реакторе при нарушениях в системе охлаждения: максималь­ ная рабочая температура сердечника из двуокиси урана находится на уровне 2000°С, температура оболочки - на уровне 350°С; тепло­ емкость сердечника превышает примерно в 4 раза теплоемкость

187

оболочки; если прекратить отвод тепла от оболочки, то даже в отсутствие дополнительного тепловыделения равновесная темпера3

тура установится на уровне 1600-1700°С, что приближается к тем­ пературе плавления циркония (около 1850°С). Предельная темпе­ ратура, при которой циркониевый сплав резко теряет механическую прочность, находится в диапазоне 600-800°С, так что опасными для сохранения оболочки твэл могут быть и более "мягкие" ава­ рийные процессы.

На рис. 2.5-1 показана характерная кривая изменения тем­ пературы оболочки твэл после скачкообразного снижения коэффици­ ента теплоотдачи с 20000 до 1500 ккал/м^,час.°С,

эквивалентного возникновению кризисных условий теплоотвода на поверхности твэл, при уменьшении тепловыделения в сердечнике,

соответствующем срабатыванию быстродействующей аварийной защиты реактора.

Видно, что рост температуры оболочки имеет довольно резкий характер, в то время как снижение ее до исходного значения про­ исходит медленно, с постоянной времени, характерной для двуокис-

ного сердечника (около 5 сек). Таким образом, возникший кризис теплоотвода может сохраниться даже после восстановления циркуля­ ции теплоносителя, затягивая соответственно время существования -

повышенной температуры оболочки.

Первый практический вывод, который следует из изучения этого процесса, можно сформулировать следующим образом: защита активной зоны от повреждений в случае возможного нарушения теп­ лоотвода, направленная по пути прекращения цепной реакции и умень пения тепловыделения - неэффективна. Это средство защиты имеет вспомогательный характер и служит для уменьшения масштаба возмож­ ного повреждения.

Ш

Тепловой потов (относит, единицы)

Начальное значение теплового потока 1,2 . 10^ %^ад м^час

2. - температура оболочки

Рис.2.3-1. Изменение теплового потока и температуры оболочки твэлВВЭР-1 После возникновения кризиса теплоотдачи.