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

22

диффузии нейтронов, для получения значительной эффективности

потребовалось бы большое развитие поверхности регуляторов.

В то хе время в реакторе о двумя сортами каосет ооновной вклад

в реактивность дают каосеты с сильнообогащенным ураном,и их удаление из активной зоны должно иметь большую зффективнооть.

Естественно, что такая схема внесла и свои недостатки:

необходимость перемещения каосет, работающих в напряженном теп­ ловом и гидродинамическом режиме, и увеличение потребной выоотн

корпуса реактора.

Функции исполнительных органов автоматических регуляторов

выполняли поглощающие отерхни.

Поглощающие вытеснители компенсационных каооет были приме­ нены для предотвращения перенапряжения окружающих данную ячей­ ку тепловыделяющих элементов и увеличение эффективности компен­

сационного органа. Допуокалось, чтобы кааоеты, иопользуемые только для аварийной защиты, не имели внтеонителей.

Давление первичного теплоносителя было увеличено до 100 ата,

подогрев в активной зоне увеличен о 10 до 20° (температура на входе 250°С ,на выходе 270°С) при соответствующем уменьшении

оО

расхода о 51,5.10° до 27.10 т/час. Максимальная температура поверхности твэл была принята 300°С, и соответствующие требова­ ния были предъявлены к коррозионной отойкооти оболочек.

В период до ноября 1955 года было проведено дальнейшее уточнение характеристик и параметров ВВЭР.

Оставаясь в рамках принятых ранее ограничений по максималь­ ным тепловым потокам и температурам на поверхности тепловыделяю­ щих элементов,были исследованы и намечены пути выравнивания нейтронного поля по оечению активной зоны путем неравномерного

23

распределения "обогащенных" насеет среди "естественных".

Таким образом была сформулирована в основных чертах структура

"гетерогенной" активной зоны (активной зоны с разнородным

обогащением топлива). Одновременно был уточнен масштаб влияния диаметра топливных элементов на нейтронно-физические свойства

Был принят диаметр твэл с естественным ураном 11,6 мм (диаметр оердечника 10 мм, шаг решетки в кассете 15 мм) и диаметр твэл

с обогащенным ураном 8,6 мм (диаметр сердечника 7,2 мм, шаг ре­

шетки в кассете 12,9 мм). В результате загрузка урана в актив­ ную зону была уменьшена до 41 тонны, размеры активной зоны сок­

кассете могли разместиться 91 "естественный" твэл или 127 "обогащенных". Число кассет было уменьшено до 308.

Кроме того,была проведена оптимизация размножающей решетки

о учетом глубокого выгорания, и проект был ориентирован на вы­ горание 6 кг/т с достижением в последующем 10 кг/т.

При рабочем давлении в первом контуре 100 ата были уточне­

изготовления на заводе и перевозки готового корпуса по железным дорогам.

В это же время была уточнена важная особенность теплового режима "гетерогенной" активной зоны: мощность "обогащенной"

24

кассеты в 2 раза превышает мощность естественной кассеты,в поэ­ тому предельные теплотехнические возможности реактора опреде­ ляются кассетами с обогащенным ураном. Эта особенность опреде­ лила последующие трудности развития проекта и во многом предо­ пределила направления этого развития.

Любопытно отметить, что в результате первого интенсивного

периода оптимизации характеристик ВВЭР в течение 1955 года не претерпели изменения по существу только три характеристики:

материал оболочек - циркониевый сплав, температура первичного теплоносителя на входе в реактор-250°С, параметры пара перед турбиной - насыщенный пар 29 ата.

Дальнейшие усилия (1956 год) были направлены на исследова­

ния и разработку системы регулирования реактора и изучение дина­ мических овойств реакторной установки в обычных эксплуатационных режимах! при аварийных нарукениих теплоотвода.Были продвинуты ме­ тоды расчета активной зоны с "кустовой гетерогенностью". В ходе

конструктивных и технологических разработок были определены

окончательныегеометрические характеристики активнойвоны:349 шести­ гранных каооет размером под ключ 144 ммиз толщиной стенки 2 мм,

расположенных с шагом 147 мм; 37 органов регулирования, из них

6 органов аварийной защиты.

Тепловыделяющие элементы претерпели дальнейшее уменьшение

диаметра: естественные двуокисные элементы - сердечник 9,7 мм,

наружный диаметр 11,3 м, шаг решетки в кассете 14,3 мм; обога­ щенные металлокерамические элементы - сердечник 6,4мм, наружный диаметр 8 мм, шаг решетки в каосете 12,1 мм.

В этот же период была окончательно установлена проектная мощность реактора (760 Мвт тепловых) и АЭС (210 Мвт эл.).

25

Расчетные исследования этого этапа позволили достаточно

надежно оценить ожидаемое значение температурного коэффициента реактивности (порядка Ю ~ 4/°С) и установить важность этой ха­ рактеристики для динамичеокой устойчивости системы. В это время было показано, что динамическое поведение реактора определяется свойствами всей реакторной установки и в первую очередь суммар­ ной теплоемкостью Есех нонтуров, участвующих в передаче тепла

от активной зоны к пару второго контура. Была показана возмож­

ность саморегулирования реактора и намечены возможные принципы регулирования мощности реакторной установки по нагрузке поддер­ жанием оредней температуры воды в первом контуре.

Изучение условий теплоотвода в режимах с обесточениеы цир­

куляционных насосов первого контура четко указало на то, что для безопасного протекания процесса важно, чтобы насосный аг­ регат обладал большим маховым моментом вращающихся частей.

Рассматривающийся в то время в проекте насос завода "Экономайзер1

обладал требуемыми характеристиками, но изучавшийся переход на

беопротечные насосы оставлял открытым вопрос о необходимой на­ дежности источников электропитания главных насосов. Следует за­ метить, что на этом этапе проектирования принималось движение воды в активной зоне сверху вниз.

К началу 1957 года были получены достаточно представитель­ ные результаты расчетного исследования "гетерогенной" активной зоны. Эти исследования показали целесообразность увеличения обогащения урана в "естественных" кассетах, т.е. переход в них от естественного урана к слабообогащенноыу (1-1,25?); при этом сокращалось количество быстро выгорающих обогащенных кассет и

26

заметно поднимался общий плутониевый коэффициент. С другой сто­ роны, оказалось весьма желательным уменьшить тепловую напряжен-

ность обогащенных кассет, а это можно было сделать, уменышш обогащение урана в них, например, до 10%. Дальнейшее повышение обогащения урана в "слабообогащенной" зоне приводило реактер уже к варианту "однородного" обогащения.

На текущей стадии обоснованный выбор варианта мог бы дать экономический анализ, опирающийся на кинетику выгорания разных вариантов активной зоны, соотношение цен урана, изготовления и переработки твэл. Однако в короткий орок это было оделать нель­ зя, поскольку выполнение уточненных расчетов выгорания " гетеро­ генных" вариантов активной зоны встретилось с определенными труд­ ностями.

Тем не менее наметившихся тенденций в развитии характери­ стик активной зоны с "разнородным" обогащением оказалось доста­ точно, чтобы изменить направление развития проекта ВВЭР и перей­ ти на вариант с однородным обогащением урана.

Ввозможности такого перехода проявилась прокламированная

ссамого начала гибкость структуры активной зоны, присущая реак­

торам водо-водяного типа. Это важное свойство позволило и в даль­ нейшем достаточно доступными средствами произвести ряд важных изменений и усовершенствований реактора.

С другой стороны, следует заметить, что сложившиеся в ходе разработки "гетерогенного" варианта констружтиетые решения, а

также физические и теплотехнические представления предопредели­ ли некоторые направления развития проекта, которые не учитывали

27

особенности варианта о однородный обогащением н не были для не­ го оптимальными (например, в системе управления реактивность!)

реактора). Более детальное изучение физики и теплофизики новой активной зоны потребовало в дальнейшем учесть ее особенности в проекте различных систем.

Переходом на "однородную" активную зону по существу завер­ шился второй период оптимизации характеристик ВВЭР.

При переходе на новый вариант активной зоны была показана достаточная достоверность и устойчивость предсказываемых пока­ зателей по выгоранию топлива. При использовании урана о обога­ щением 3 %можно ожидать глубины выгорания до 30 кг/т. Доста­ точно простые экономические оценки позволяли рассчитывать на удовлетворительные значения топиишой составляющей стоимости электроэнергии без учета и с учетом возврата плутония.

Емоменту перехода на новую активную зону был разработан

вобщих чертах режим частичных перегрузок топлива и принцип фор­

мирования первой загрузки из кассет со слабообогащенннм н есте­ ственным ураном.

Одновременно был выбран окончательный размер тепловыделяю­ щего элемента: наружный диаметр 10,2 >as, диаметр сердечника до

8,8 мм.

Дальнейиее развитие ВВЗР цроисходило в рямият варианта е

'однородным"обогащением и весь последующий днядня этого разви­ тия, приведенный в наотощей работе, относится именно к этому направлению водо-водяных энергетических реакторов.

28

Т.2. ПОВЬППКШТС МОЩНОСТИ И ЭКОНОМИЧНОСТИ АЭС о ВВЭР

Важнейшее значение первого реактора состоит в том, нтобы продемонстрировать правильность ( экономичность, безопасность,

технологичность, эксплуатационную простоту и т.д.) заложенных в нем научных и технических основ и проектно-конструктивного их осуществления. При этом жизненность и перспективность всего направления в первую очередь проявляется 5 том, что подтверж­ даются те характеристики, на которых базируются экономические показатели А Х и от дальнейшего совершенствования которых за­ висит улучшение этих экономических показателей.

В этом омноле полностью выполнил овое назначение первый блок Еововоронежской АХ .

Еа опыте дальнейшего развития ВВЭР можно проследить, какими путями в этих реакторах осуществлялось и осуществляется улучше­ ние их технико-экономических показателей.

1*2.1, удашаада .аджвдша

Наиболее важным фактором развития направления является увеличение единичной мощности энергетического блока. Увеличение единичной мощности важно по двум независимым причинам:

уменьшаются удельные капитальные затраты;

обеспечивается возможность выдержать необходи­ мый темп наращивания энергетических мощностей в стране в увязке

с возможным темпом роста строительной и производственной базы и численности эксплуатационного персонала.

Увеличение мощности блока обеспечивается увеличением теп­ ловой мощности реакторной установки и повышением термодинамической

29

эффективности паросилового цикла (к.п.д.).

Повышение к.п.д. Возможность повшения параметров первого

и второго контуров требуемого для повышения к.п.д. цикла в пер­ вую очередь определяется достигнутым уровнем технологии и подго­ товленностью производства. Это было четко продемонстрировано дву­ мя этапами повышения параметров цикла в АЭС с ВВЭР.

Давление насыщенного пара перед турбинами на всех этапах

развития ВВЭР находилось в пределах, освоенных турбостроитель­ ной промышленностью, и не ставило принципиально новых техноло­ гических проблем. В конструкторских разработках турбин насыщен­ ного пара для АЭС использовались хвостовые части турбин, уже раз­ работанных для обычной теплоэнергетики, подходящей мощности и с нужным перепадом давления. Турбины дополнялись промежуточными сепараторами пара или промежуточными сепараторами - перегрева­ телями, чтобы исключить в проточной части высокую влажность па­ ра (более 12$).

Напомним цифры по давлению острого пара и к.п.д. цикла:

первые ВВЭР (ВВЭР-1,2,3, т.е. реакторы 1-го блока НВ АЗС,

АЭС Райнсберг и 2-го блока НВ АЭС)- 29 ата, к.п.д. цикла брутто

27,6$ (в парогенераторе 32 ата, 236,3°С),

Возможное значение давления пара, поставляемого реакторной паропроизводительной установкой, определяется допустимым

30

значением температуры первичного теплоносителя и овязано с этой температурой через температурный напор в парогенераторе.

Допустимое значение температуры в первом контуре опреде­ ляется давлением первичного теплоносителя и зависит от мощнос­ ти реактора и характеристик воей системы теплоотвода, коннрет-

но-от допустимых запасов до температуры насыщения, и, следо­ вательно, от надежности системы циркуляции теплоноонтеля.

В этой цепи взаимосвязей целесообразно только повышение давле­ ния в первом контуре.

Увеличение температуры первого контура повышает темпера­ туру тепловыделяющих элементов и, что наиболее чувствительно для принятой конструкции твэл, температуру циркониевой оболоч­ ки. На первых этапах разработки ВВЭР ставилась цель удержать температуру поверхности элемента вине температуры насыщения,

чтобы избежать поверхностного кипения. Дальнейшее изучение по­ ведения твэл в условиях развитого поверхностного кипения подт­ вердило допустимость такого режима работы, и это обстоятельст­ во отало очень вахням фактором выбора рабочих параметров реак­ тора. В условиях поверхностного кипения максимальная темпера­ тура оболочки на 4~5°С превышает температуру насыщения и прак­ тически однозначно определяется рабочим давлением.

Таким образом рабочее давление ограничивается сверху до­ пустимой температурой оболочки твэл и, естественно, возможностью изготовления воего оборудования первого контура, в первую оче­ редь - корпуса реактора.

Практически проектная величина рабочего давления ВВЭР-1 100 ата определилась возможностями изготовления первого корпуса,

в ВВЭР-2 оборудование было принято однотипным, а в БВЭР-3

31

(2-й блок НВАЭС) при сохранении проекта корпуса давление было увеличено до 105 ата за счет отказа от нержавеющей наплавки.

Рабочее давление в ВВЭР-440 - 125 ата также было выбрано пре­ дельным исхода из возможностей изготовления. При этом макси­ мальная температура поверхности твэл в первом случае находит­ ся в районе 315°С, во втором случае - в районе 330°С, что ле­ жит ниже установленной предельной температуры для примененного

циркониевого сплава, которая равна 350°С. Для реактора ВВЭР-1000

рабочее давление 160 ата принято из условия применения для оболочек того же сплава с максимальной температурой 350°С.

Предельное давление по условиям изготовления корпуса также ока­ залось близким к этому значению (160—170 ата).

Достаточно однозначный выбор давления в первом контуре яв­

ляется примером проявления "абсолютного ограничения", в данном случае - технологического характера.

Оптимальность выбранного температурного напора в пароге­

нераторе определяется не только фактором стоимости поверхнос­ ти теплопередачи, которая растет с уменьшением температурного

напора, но и потребностью увеличения удельной мощности паро­ генераторов, т.е. увеличения паропроизводительности на едини­ цу теплопередающей поверхности, что важно для увеличения мощ­ ности единичного оборудования и уменьшения единиц этого обору­ дования в реакторной установке. Таким образом оба эти фактора работают против чрезмерного повышения давления пара. Кроме того,следует иметь в виду, что температурный напор на хо­