Система автоматического управления Митенков Ф.М., Чирков В.А

теплоноситель и вода - замедлитель не изменяют агрегатного состояния. Поэтому для конкретности изложения в дальнейшем будут рассматри-

ваться двухконтурные паропроизводящие установки с водо-водяными реакторами.

На рис. 2.1 дана принципиальная схема -ЯЭУ с ППУ такого типа. Вода 1 - го контура нагревается в активной зоне 15 реактора 16 и по трубопроводам поступает в парогенератор 19, где отдает тепло рабочему телу.

Из парогенератора охлажденная вода 1-го контура подается насосом 14 на вход реактора. Часть теплоносителя отводится в специальный холодильник 17, откуда охлажденная вода направляется в ионообменный фильтр 18 и затем возвращается в первый контур.

Вода второго контура подается питательным насосом 9 в парогенератор, где, нагреваясь за счет тепла воды первого контура, превращается в пар. После сепарации, сушки или перегрева пар подается в турбину 7, откуда после срабатывания поступает в конденсатор 10.

Конденсатным насосом 11 вода из конденсатора подается на всасывание питательного насоса 9.

Часть пара может отбираться на внутренние нужды, например, в судовых установках для выработки электроэнергии судовой электростанцией 6. Для целей управления (согласование режимов работы ППУ и ПТУ некоторая часть пара может сбрасываться в конденсатор через дроссельно-увлажнительное устройство 8, минуя турбину.

Врассмотренной схеме на рис.2.1 предполагается использование прямоточного парогенератора. В случае парогенераторов других типов схема претерпевает соответствующие изменения. Например, при использовании парогенераторов с многократной принудительной циркуляцией, в которых объем теплоносителя второго контура незначительно изменяется при изменении мощности, схема ППУ изменяется так, как показано на рис. 2.2 (обозначения те же, что и на рис. 2.1 , кроме 20 - сепаратор, 21 - перегреватель). Кроме основных контуров (первого и второго) ППУ включает вспомогательный третий контур - контур охлаждения, который обеспечивает охлаждение оборудования ППУ и является, по существу, промежуточным между первым контуром и четвертым контуром технической воды (забортная вода в судовых ППУ).

Третий контур включает теплообменники первого - третьего 17 и третьего

-четвертого 3 контуров, насос 4, фильтр 5 и конструктивные элементы охлаждаемого оборудования ППУ.

Всостав 4-го контура входят насос 1, холодильник 3 и фильтр 2. Помимо перечисленного выше основного оборудования первого-четвертого контуров ППУ имеет целый ряд вспомогательных систем, в частности систему компенсации изменения объема теплоносителя 13, систему аварийного расхолаживания реактора

12 и др.

30

Система компенсации изменения объема теплоносителя может быть паровой или газовой. В первом случае постоянство давления в контуре достигается за счет частичного испарения воды или конденсации пара в компенсаторе объема.

Объем, занимаемый паром, может изменяться либо с помощью специальных электронагревателей и душирующей установки, либо за счет изменения весового паросодержания на выходе специальной группы кипящих каналов, как это предусмотрено в проекте "Вулкан".

В случае газовой системы компенсации ограниченное изменение давления в первом контуре при изменении режима работы ППУ обеспечивается соответствующим выбором газового объема компенсатора, подключенного к первому контура.

Аварийная система расхолаживания в части состава оборудовании определяется особенностями ППУ, но в любом случае имеет в своем составе теплообменники.

Для повышения надежности и живучести ППУ предусматривается резервирование наиболее ответственных систем и оборудования (в схемах рис. 2.1,

2.2не нашло отражения).

Вчастности, первый и второй контура выполняют в виде нескольких

31

петель.

Наличие большого числа систем, включающих разнообразное оборудование, приводит к необходимости введения в установку задвижек, клапанов с ручным, дистанционным или автоматическим управлением, обратных клапанов.

Очевидно, что без обеспечения согласования технологических процессов протекающих в оборудовании, эксплуатация ЯЭУ в проектных режимах была бы невозможна.

Некоторые виды оборудования ЯЭУ имеют в своем составе такие узлы или элементы, работоспособность которых сохраняется в определенных и довольно ограниченных пределах изменения параметров, характеризующих режим работы. Так, например, в реакторе такими элементами являются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ)

В реакторах с водяным охлаждением недопустимым является приближение к критической тепловой нагрузке из-за опасности пережога ТВЭ. Поэтому для каждого энергетического реактора устанавливается максимально допустимая мощность при прочих заданных условиях, превышение которой должно быть исключено.

Аналогичные ограничения имеют место по давлению в 1-ом контуре (ограничения сверху и снизу) и во 2 - контуре (ограничение сверху). Ограничения сверху определяются условиями прочности, а ограничение в 1-ом контуре снизу - необходимостью исключить вскипание теплоносителя.

У циркуляционных насосов могут иметь место ограничения по температуре подшипников, обмотки.

Во всех этих случаях в целях предупреждения развития той или иной аварийной ситуации необходимо своевременное и вполне определенное изменение режима работы установки.

Функции взаимного согласования в различных режимах работы всего оборудования, входящего в установку, обеспечения возможности плановых изменений режимов ее работы, предупреждения недопустимого развития аварийных ситуаций возлагаются на специальные системы регулирования, управления и защиты.

Среди всего многообразия оборудования ППУ необходимо выделить реактор и парогенераторы, в которых развиваются физические процессы, являющиеся определяющими для ППУ и в части требований, предъявляемых к системам регулирования, управления, защиты, и в части способов, методов их выполнения. Паротурбинная часть ЯЭУ с точки зрения задач управления не содержит каких-либо существенных особенностей, обусловленных наличием первичного ядерного источника энергии. Поэтому в дальнейшем при изложении курса ПТУ будет рассматриваться только как нагрузка. Остановимся несколько подробнее на реакторе и парогенераторе.

32

§ 2-2. Реактор.

Реактор является наиболее сложной частью паропроизводящей установки. В нем протекает большое число процессов различной физической природы, определяющих в той или иной мере режим работы реактора.

Действительно, в реакторе происходит деление ядер горючего с выделением энергии в различных формах, за счет которой нагреваются теплоноситель, замедлитель, отражатель и другие конструктивные элементы. Циркулирующий теплоноситель обеспечивает отвод и транспортировку тепла от реактора к парогенератору. Деление ядер приводит также к образованию т.н. "шлаков" и "ядов", которые изменяют физическое состояние реактора.

Изменение уровня мощности реактора, распределения энерговыделения, скорости циркуляции теплоносители сопровождается изменением температурного состояния элементов реактора, что в свою очередь влияет на физическое состояние реактора.

Следовательно, реактор является объектом управления со значительным числом обратных связей в реакторе (положительных и отрицательных), которые определяют его поведение в различных нестационарных режимах. Можно выделить следующие составные части реактора, существенные с точки зрения влияния на его динамический характеристики (см. рис. 2.3):

33

тепловыделяющие сборки (1), замедлитель (2), составляющие т.н. активную зону реактора; теплоноситель (3), отражатель - боковой (4) и торцевой (5); органы компенсации избыточной реактивности (6).

Кроме перечисленных элементов, неизбежно наличие конструкционных материалов.

Следует заметить, что динамические характеристики реактора в сильной степени зависят как от конкретных конструктивных решений отдельных элементов реактора, так и от свойств используемых материалов. Так, например, изменение соотношения ядерного топлива, замедлителя, теплоносителя может приводить к качественному изменению динамических характеристик реактора. Аналогичное влияние может оказывать и изменение материала ядерного топлива (например, замена металлического урана на UO2).

Существенно так же влияние характера циркуляции теплоносителя, скорости его протекания.

Например, реакторы с однозаходной и двухзаходной активными зонами при прочих одинаковых решениях могут иметь качественно различные переходные процессы.

Из сказанного следует, что изучение динамических характеристик реактора предполагает тщательный анализ влияния большого числа взаимозависимых факторов с учетом конкретного схемного и конструктивного исполнения.

§2-3. Парогенератор.

Впарогенераторе осуществляется передача тепла от теплоносителя первого контура к теплоносителю (рабочей среде) второго контура с генерацией пара требуемых параметров (расход, давление, температура). Совокупность физических процессов (гидродинамика, теплопередача, кипение, испарение и т.д.), определяющих получение пара достаточно сложна даже в статических режимах.

Впереходных (нестационарных) режимах сложность протекания указанных процессов возрастает.

При решении задачи управления теплообменом в парогенераторе необходимо учитывать:

влияние изменений в процессе теплообмена в парогенераторе на режим работы реактора (температура теплоносителя на входе в реактор непосредственно зависит от режима работы парогенератора);

влияние изменений в режиме работы реактора на производительность

ипараметры пара парогенератора (через изменения расхода и температуры теплоносителя первого контура на входе в парогенератор);

влияние изменений нагрузки со стороны паротурбинной части ЯЭУ на режим работы парогенератора.

Процесс генерирования пара в парогенераторе в сильной степени зависит

34

от схемы и особенностей конструкции парогенератора.

Известно большое число различных типов парогенераторов, которые могут быть использованы в ЯЭУ. Рассмотрим некоторые из них.

На рис. 2.4 приведены схемы парогенератора с естественной циркуляцией теплоносителя по второму контуру. Парогенератор по схеме 2.4 а) обеспечивает выработку сухого насыщенного пара, по схеме 2.4 6) и 2.4 в) - перегретого пара. Отличия в схемах 2.4 6) и 2.4 в) заключаются в том, что в первом 2.4 6) в перегреватель подается часть (небольшая) теплоносителя первого контура, а во второй - 2.4 в), весь расход теплоносителя последовательно проходит перегреватель, а затем испаритель.

По схеме 2.4 6) были спроектированы парогенераторы американского грузопассажирского судна "Саванна".

35

На рис. 2.5 изображены схемы парогенератора с многократной принудительной циркуляцией (МПЦ) по второму контуру. Легко видеть, что схемы с МПЦ отличаются от соответствующих схем парогенераторов с естественной циркуляцией по второму контуру только наличием насоса МПЦ, Конечно, конструктивные отличия парогенераторов, выполненных по этим схемам, существенны и имеют принципиальный характер. Парогенераторы с МПЦ нашли применение в ЯЭУ с газовым теплоносителем в первом контуре.

На рис. 2.6 приведены схемы прямоточного парогенератора, в котором сепаратор как конструктивный элемент отсутствует. В парогенераторе, выполненном по схеме 2.6 а), теплоноситель первого контура последовательно отдает тепло на перегревательном, испарительном и экономайзерном участках. Теплоноситель второго контура, проходя последовательно экономайзерный, испарительный и перегревательный участки, полностью превращается в перегретый пар (при отсутствии перегревательного участка на выходе парогенератора будет сухой насыщенный пар).

В парогенераторе 2.6 б) расход теплоносителя первого контура разделяется на две неравные части. Большая часть поступает последовательно в испарительную и экономайзерную части, а меньшая - в перегреватель.

Важной особенностью прямоточных парогенераторов является перераспределение участков парогенератора со стороны второго контура при изменении установившихся режимов.

При математическом моделировании процессов в парогенераторах различных типов задача сводится к описанию процессов (как функции времени) в первом и втором контурах на экономайзерном, испарительном и перегревательном участках, а также в сепараторе, с учетом граничных и начальных условий по обоим контурам.

36

ГЛАВА III

КИНЕТИКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА.

§ 3-1. Основные характеристики самоподдерживающейся реакции деления.

Источником тепловой энергии реактора, используемой в ядерных энергетических установках, является реакция делении ядер атомов делящихся изотопов.

Поэтому и в основе регулирования реактора лежат контролируемые способы воздействия на протекание указанной ядерной реакции в условиях реактора.

Однако в энергетических реакторах весьма существенное влияние на режимы их работы сказывают так же теплофизические процессы. Соответственно значительно влияние этих процессов и на регулирование реактора.

Как и в случае любого другого объекта регулирования, отыскание и обоснование эффективных способов воздействия на процессы, протекающие в реакторе, возможно только при условии знания в той или иной форме закономерностей, которым подчиняются определяющие процессы в реакторе.

С физической точки зрения протекание реакции деления ядерного горючего в реакторе может быть описано с помощью следующих величин (основных и производных).

Коэффициент размножения.

Эффективный коэффициент размножения в реакторе конечных размеров определяется как отношение

Реактивность.

По существу понятие реактивности является производным от коэффициента размножения. Однако оно получило очень широкое распространение в прикладных задачах и в известном смысле приобрело самостоятельность.

Необходимо сделать одно замечание, относящееся и к коэффициенту размножения, и к реактивности, которое чрезвычайно важно с точки зрения управления реактора: ни ф , ни ρ непосредственно не могут быть измерены, они определяются (вычисляются) косвенно через другие измеряемые величины.

Время жизни нейтронов деления.

Среднее время между двумя последовательными поколениями нейтронов деления называется временем жизни нейтронов деления и является одним из тех временных масштабов, которые характеризуют скорости протекания различных процессов в реакторе. Различают время жизни нейтронов деления в реакторе конечных и бесконечных размеров.

Если l - время жизни нейтронов деления в бесконечном реакторе, то в реакторе конечных (но достаточно больших) размеров того же компонентного состава время жизни нейтронов деления будет

реакторов, уменьшение времени жизни нейтронов за счет процесса “утечки” их из активной зоны.

Среднее время жизни нейтронов деления в реакторах различных типов

(по составу, размерам) может различаться на несколько порядков в интервале 10-3

— 10-8 сек.

Наибольшее время, жизни 10-3 - 10-4 сек. характерно для больших "тепловых" реакторов, наименьшее 10-7- 10-8 сек. для "быстрых" реакторов.

Конкретные вычисления показывают, что для данного реактора l и l* слабо зависят от его режима работы (в пределах 10% согласно [ ] ) и поэтому для большинства практических задач могут считаться постоянными характеристиками реактора.

Плотность и поток нейтронов.

Под плотностью нейтронов n понимают число нейтронов в единице

объема.

Общий поток нейтронов в этом случае определяется как

где - плотность нейтронов, отнесенная к единичному интервалу энергии в диапазоне E, E+1;

38

-скорость нейтронов с энергией E.

Водногрупповом приближении, когда предполагается, что все нейтроны имеют одинаковую энергию (скорость) - , поток нейтронов, очевидно, определяется выражением

(3.5)

И плотность, и поток нейтронов являются функцией пространственных координат.

Между плотностью нейтронов и мощностью реактора заданного состава и геометрии существует однозначная связь, которая при постоянной плотности нейтронов по объему активной зоны имеет вид:

(3.6)

где A - величина высвобождаемой энергии за один акт деления; V - объем активной зоны реактора;

- макроскопическое сечение деления при энергии E. При одногрупповом описании вместо (3.6) будем иметь:

Используя введенные выше понятия и предполагая, что в реакции деления участвуют только нейтроны деления для изменения во времени плотности нейтронов n(t) в реакторе получим:

где - число поколений нейтронов, сменяющихся за время dt. Выполнив интегрирование в интервале от 0 до t, будем иметь:

(3.9)

где - плотность нейтронов в начальный момент времени t = 0.

Из (3.9) следует, что при сделанных предположениях изменения плотности нейтронов в реакторе, а следовательно, и мощности происходит по экспоненциальному закону. Выражение

39