Мерзликин Г.Я. Основы теории ядерных реакторов. Курс для эксплуатационного персонала АЭС

16

С(t), г/кг

12

8

4

Рис.22.2. Снижение концентрации борной кислоты в реакторе ВВЭР-1000 при расходах подпитки первого контура чистым дистиллатом (сверху вниз) – 10, 15, 20, 30, 50 т/час.

Пользуясь подобными графиками (а они обязательно входят в состав рабочей документации оператора РУ), можно решать два типа практических задач:

-по заданным величинам начальной концентрации борной кислоты С1 и массового расхода системы подпитки Gп рассчитывать величину концентрации борной кислоты С(t), которая будет иметь место через время t работы системы подпитки в таком режиме;

-по заданным величинам начальной и конечной концентраций борной кислоты в теплоносителе 1 контура определять время работы подпиточных средств с заданным расходом;

-по заданной пусковой концентрации борной кислоты и положению рабочей группы ОР СУЗ в момент пуска в заданный момент кампании определять величину допустимого расхода подпиточных средств при подпитке первого контура чистым дистиллатом, обеспечивающего безопасную величину скорости высвобождения положительной реактивности при пуске реактора.

*) О том, как решаются задачи последнего типа, будет сказано немного позднее.

22.3. Эффективность борной кислоты

Как и подвижные поглотители, эффективность борной кислоты принято оценивать двумя характеристиками, называемыми интегральной и дифференциальной

эффективностью борной кислоты.

Интегральной эффективностью борной кислоты при заданной её концентрации в первом контуре С называется величина положительной реактивности, теряемой реактором, при повышении концентрации борной кислоты в его теплоносителе от нуля до этой концентрации С.

Можно выразиться и «наоборот»: интегральная эффективность борной кислоты при текущем значении её концентрации С – есть величина положительной реактивности, высвобождаемой при полном удалении борной кислоты из теплоносителя первого контура РУ.

Интегральная эффективность борной кислоты обозначается символом ρс(С) и измеряется в единицах реактивности (а.е.р., проценты, доли βэ и др.).

В соответствии с определением очевидно, что интегральная эффективность борной кислоты при нулевой концентрации борной кислоты равна нулю; по смыслу этого определения можно понять, что интегральная эффективность борной кислоты

– величина принципиально отрицательная (: при повышении концентрации борной кислоты запас реактивности реактора только теряется).

Мерой эффекта повышения поглощающей способности активной зоны за счёт введения в неё борной кислоты аналогична по смыслу мерам других подобных эффектов реактивности реактора (отравления, шлакования, воспроизводства и др.)

и называется относительным поглощением тепловых нейтронов борной кислотой

(или просто бором, поскольку поглощающая способность борной кислоты более

уровне мощности, то величина произведения в знаменателе N5(t)Фт(t) = idem = N5oФто, то есть в любой момент кампании определяется произведением этих величин в начале кампании. Ядерная концентрация бора (NB) всегда пропорциональна молекулярной концентрации борной кислоты (N ) , которая, в свою оче-

редь, всегда пропорциональна массовой концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура (С). Следовательно, первая и последняя из трёх упомянутых величин всегда связаны между собой прямой пропорциональной зависимостью (NB(C) º C. где a - некоторый постоянный коэффициент пропорциональности).

Небольшой экскурс в химию. Массовая концентрация С, которая используется на АЭС для оценки степени насыщенности теплоносителя борной кислотой, - это

доля массы борной кислоты в единичной массе её водного раствора:

γ БК и γ Н2О - плотности борной кислоты и воды соответственно.

Выражение для массы раствора борной кислоты в воде, стоящее в знаменателе, можно выразить через среднюю величину плотности раствора (обозначим её

γТН), умноженную на общий объём раствора Vтн = VH*2O +VБК* , то есть:

Молекулярная концентрация борной кислоты в кристаллическом её виде может быть найдена по традиционной формуле через плотность её и число Авогадро:

N БК* = γ БК × N A , AБК

и эта величина будет равна ядерной концентрации бора в кристаллической борной кислоте (: в каждой молекуле Н3ВО3 содержится один атом бора, а, следовательно, и одно ядро бора):

реальной плотности теплоносителя γтн и величине принятой в расчётах массовой концентрации С:

Потери реактивности от введения в теплоноситель в реакторе бора (то есть величина интегральной эффективности борной кислоты) связаны с величиной qc(C) пропорциональной связью, причём, как и в других эффектах реактивности коэффициентом пропорциональности служит коэффициент использования тепловых

нейтронов в реакторе без борной кислоты:

Из (22.3.4) можно заключить, что величина интегральной эффективности борной кислоты изменяется пропорционально текущему значению концентрации её в воде первого контура. Это означает, что в процессе кампании с уменьшением С величина интегральной эффективности борной кислоты уменьшается во времени по линейному закону. На деле имеет место заметное отклонение от линейности, которое объясняется тем, что, во-первых, снижение концентрации Н3ВО3 в процессе кампании и выполняется как раз ровно настолько, насколько необходимо для поддержания величины θ, снижающейся за счёт выгорания и шлакования основного топлива. Вовторых, в процессе кампании изменяется (в сторону уменьшения) величина отношения

ФВ / Фтко , являющегося коэффициентом проигрыша в использовании тепловых нейтронов.

Дифференциальной эффективностью борной кислоты αс(С) при заданной её концентрации в воде 1 контура С называется изменение реактивности реактора при её увеличении сверх этой концентрации на 1 г/кг.

Как следует из определения, дифференциальная эффективность борной кислоты является логическим аналогом дифференциальной эффективности подвижных поглотителей, и называется она так потому, что представляет собой производную интегральной эффективности борной кислоты при рассматриваемой её концентрации С в контуре:

Следовательно, величина интегральной эффективности кислоты при данной её концентрации связана с дифференциальной эффективностью интегральной зависимостью:

Поскольку концентрацию борной кислоты принято измерять в г/кг, наиболее употребительной размерностью дифференциальной эффективности борной кислоты является %/г/кг.

При больших (> 10 г/кг) изменениях концентрации борной кислоты изменения реактивности, обусловленные изменением её концентрации, учитывая нелинейность зависимости ρс(С), должны находиться как разница интегральных эффективностей борной кислоты при конечной и начальной её концентрациях:

При относительно небольших изменениях концентрации борной кислоты (< 6 г/кг, что чаще всего и имеет место в эксплуатационной практике) нелинейностью зависимости ρс(С) можно пренебречь и находить изменение реактивности вследствие изменения концентрации борной кислоты по формуле:

можно считать приблизительно линейной, а, следовательно, величину дифференциальной эффективности кислоты αс – постоянной.

Дифференциальная эффективность борной кислоты αс, как и интегральная её эффективность, - величина принципиально отрицательная (: единичное увеличение

концентрации кислоты в воде контура всегда приводит к потере оперативного запаса реактивности). Поэтому знак изменений запаса реактивности реактора вследствие изменений концентрации кислоты в теплоносителе при расчёте по формуле (22.3.7) учитывается автоматически: если С2 > С1 (то есть имеет место увеличение концентрации кислоты в контуре), то величина Δρс получается отрицательной (запас реактивности реактора теряется); если же С2 < С1 (концентрация снижается), то величина Δρс получается положительной, что свидетельствует о высвобождении запаса реактивности.

Сказанное позволяет оператору РУ легко рассчитывать любые изменения запаса реактивности вследствие изменений концентрации борной кислоты при одном условии: величина дифференциальной эффективности борной кислоты в момент выполнения этих изменений достоверно известна.

12.4. Факторы, определяющие величину дифференциальной эффективности борной кислоты

Подстановка (22.3.4) в (22.3.5) с последующей операцией дифференцирования даёт следующее выражение для дифференциальной эффективности борной кислоты:

Из вида выражения (22.4.1) можно сделать следующие выводы:

а) Величина дифференциальной эффективности борной кислоты, в отличие от

интегральной эффективности, не зависит от абсолютной величины концентрации её в контуре (С). Действительно, в (22.4.1) в явном виде величина С отсутствует.

б) Величина αс существенно зависит от уровня мощности (Np), на котором работает реактор. Величина N5o ×Фто (вспомните:

N p = CN × N5 (t) ×Фт (t) = CN × N5o ×Фто ) пропорциональна уровню мощности реактора.

Следовательно, абсолютная величина дифференциальной эффективности борной кислоты при прочих равных условиях оказывается обратно пропорциональной величине мощности, на которой работает реактор. Чем больше уровень мощности реактора, тем (и во столько же раз) меньше абсолютное значение дифференциальной эффективности борной кислоты.

в) Величина дифференциальной эффективности борной кислоты изменяется в процессе кампании активной зоны реактора, а именно растёт с энерговыработкой реактора W (или с ростом степени выгорания ядерного топлива z). Допустите на минуту, что реактор в течение всей кампании работает на постоянном уровне мощ-

ности (то есть величина произведения N5 (t) ×Фт (t) = N5o ×Фто = idem ). Величина

коэффициента использования тепловых нейтронов в течение всей кампании поддерживается постоянной (несмотря на выгорание и шлакование ядерного топлива) за счёт удаления борной кислоты и выгорания выгорающего поглотителя (θо=θ(z)=idem). Но средняя величина плотности потока тепловых нейтронов в топливе твэлов Фт(z)=Фо/(1-z) для поддержания в процессе кампании постоянного уровня мощности всё же увеличивается, а вместе с ней приблизительно в той же степени увеличивается и величина средней плотности потока тепловых нейтронов

в замедлителе-теплоносителе (Фтн ) . Вот почему, несмотря на то, что величина произведения в знаменателе N5 (z) ×Фт (z) = N5o ×Фто = idem , величина дифференци-

альной эффективности борной кислоты αс(z) в процессе кампании растёт приблизительно пропорционально величине 1/(1-z).

г) Наконец, величина дифференциальной эффективности борной кислоты αс в любой момент кампании зависит от величины средней температуры теплоносителя. Дело здесь не только (и не столько) в том, что температура теплоносителя пропорциональна температуре нейтронов Тн, с возрастанием которой максвелловский спектр тепловых нейтронов ужестчается, вследствие чего снижаются величины эффективных сечений поглощения 235U и бора в теплоносителе. Величина их отношения:

Весткотта для сечения поглощения c ростом Тн уменьшается. С температурным возрастанием указанного отношения сечений абсолютная величина

αс возрастает.

Более того, рост температуры теплоносителя, как известно, приводит к некоторому ослаблению внешнего блок-эффекта (= к снижению относительного поглощения тепловых нейтронов в замедлителе), благодаря чему возрастает

величина коэффициента использования тепловых нейтронов θ, что также приводит к некоторому увеличению абсолютной величины αс.

Но с ростом температуры теплоносителя снижается его плотность, вследствие чего (см. ф.(22.4.1)) абсолютная величина αс уменьшается.

То есть в итоге происходит конкуренция двух положительных (ядерных) факторов против одного отрицательного (плотностного). Расчёт (и практика) показывают, что превалирующим из них в реакторах типа ВВЭР является плотностной фактор, то есть (по крайней мере, на заключительной стадии разогрева реактора) величина дифференциальной эффективности борной кислоты

снижается.

Учёт изменения реактивности ВВЭР за счёт ввода борной кислоты наиболее важен во время работы реактора на мощности. Этот ввод (или, наоборот, вывод) осуществляется всегда в конкретный момент кампании активной зоны (то есть в момент, когда известна величина энерговыработки W). Но точные значения величин дифференциальной эффективности борной кислоты обычно просчитываются лишь для некоторых моментов кампании: как правило, в начале и конце кампании, а также в моменты, когда величина энерговыработки имеет более или менее «круглые» значения – 50, 100, 150, 200, 250 э.с. , например:

Поэтому для повышения точности расчётов оператор должен прибегать к более или менее точному определению величины αс в данный момент кампании путём линейной интерполяции табличных значений. То есть, если, например, требуется найти αс в момент кампании W = 138 э.с., то из таблицы извлекаются крайние значения αс того интервала, в котором находится величина W (в данном случае при W = 100 э.с. и 150 э.с.), и производится линейная интерполяция по стандартной формуле:

Тема 23

РАСЧЁТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЯДЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

ВВЭР ПРИ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ

Ядерный реактор, как следует из всего рассмотренного ранее, является достаточно опасным инженерным сооружением. Именно поэтому оператору всякий раз, прежде чем браться за ключи управления, требуется представить, как реактор отзовётся на предпринимаемое воздействие и к чему может привести это воздействие. Разумеется, в процессе накопления управленческого опыта оператор приобретает некоторые навыки, позволяющие ему действовать без больших умственных нагрузок, почти автоматически, будучи уверенным при этом, что ничего серьёзного или опасного для реактора эти действия не повлекут.

Однако, безошибочность действий оператора, как принято считать, имеет свои пределы. Поэтому реакторная установка, которая принципиально менее сложна, чем самый обыкновенный двигатель внутреннего сгорания, оснащается превеликим множеством различных блокировок и защит, предотвращающих возможность из ошибки оператора возникнуть аварийной ситуации, могущей привести к тяжёлым последствиям.

23.1. Расчёт пусковой критической концентрации борной кислоты

Реакторная установка энергоблока АЭС с ВВЭР тем успешнее оправдывает своё назначение экономически, чем на более высоком уровне мощности непрерывно работает реактор в течение всей кампании. Это понятно: всякое понижение уровня мощности и, тем более, останов реактора на некоторое время влечёт за собой недовыработку отдаваемой в сеть электрической мощности. Поэтому останов энергоблока в процессе кампании – это всегда вынужденный останов (вследствие возникновения аварийной ситуации), и время стоянки реактора должно быть сокращено до минимума: как только причины останова реактора устраняются, реактор пускается вновь самым срочным порядком, чтобы энергоблок работал и выдавал электроэнергию.

Об этом упомянуто лишь для того, чтобы отметить как факт: стоянки реактора АЭС во время кампании, как правило, кратковременны (не более трёх суток), после чего всегда сразу следует пуск.

Пуск ВВЭР – операция приведения реактора из подкритического состояния в критическое путём снижения концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура от стояночного значения до величины, при которой реактор становится критическим. Эта величина и называется пусковой концентрацией борной кислоты.

Расчёт пусковой концентрации борной кислоты основывается на знании величины концентрации её в контуре в ближайший предшествующий по времени момент, когда реактор был последний раз критичен – в момент предшествующего пуску останова реактора. При этом подразумевается, что основные характеристики состояния реактора в момент останова известны. То есть известны:

Со, г/кг – концентрация борной кислоты в теплоносителе первого контура в момент останова;

Np, % Npном – уровень мощности, на котором работал последние трое суток перед остановом реактор;

W, э.с. – энерговыработка реактора в момент останова;

tто , оС – средняя температура теплоносителя в в реакторе в момент останова;

Но, % - положение рабочей группы ОР СУЗ в момент останова.

Кроме того, известны основные параметры состояния реактора в момент предстоящего пуска, а именно:

tтп , оС – средняя температура теплоносителя в реакторе в момент пуска;

τст , час – время стоянки реактора (от момента останова до момента пуска); Нп, % - положение рабочей группы ОР СУЗ в момент предстоящего пуска.

*) Относительно Нп уместно сразу отметить, что в соответствии с правилами, зафиксированными в Технологическом Регламенте по безопасной эксплуатации реакторной установки, при пуске рабочая группа устанавливается в положение её максимальной эффективности. Это положение изменяется в процессе кампании. Поэтому рекомендации ТРБЭ по пусковому положению рабочей группы для различных топливных загрузок ВВЭР даются в зависимости от периода кампании. Например, для 5-й топливной загрузки ВВЭР-1000 1-го энергоблока ХАЭС рекомендуется при энерговыработках W < 200 э.с. пусковое положение рабочей (10-й) группы Нп = 40% её хода от низа активной зоны, а при W ³ 200 э.с. – 60 %.

23.1.1. Теоретические основы расчёта. Поскольку в оба рассматриваемых момента (в момент останова и в момент пуска) реактор находится в критическом состоянии, то в обоих случаях его реактивность ρ = 0. И, следовательно, изменение реактивности за период времени между остановом и пуском Dr = 0.

Все происходящие за этот период времени изменения реактивности реактора обусловлены следующими физическими процессами:

а) Переотравлением реактора ксеноном. В момент останова реактор после длительной работы на постоянном уровне мощности Npo был стационарно отравлен ксеноном на этом уровне мощности. После останова реактора, как известно, начинается нестационарное его переотравление («йодная яма»), и, если время стоянки реактора до пуска не превышает трёх суток, полностью (до нуля) реактор разотравиться не успеет. В этом случае величина переотравления ΔρХе находится по графику йодной ямы после остано-

ва реактора с заданного уровня мощности N po по времени стоянки реактора τст.

Если же время стоянки реактора после останова превышает трое суток, то за это время он полностью разотравится, то есть изменение реактивности за счёт переотравления ксеноном в этом случае будет равно

и величина стационарного отравления ρXeст (N po ) в этом случае снимается с кривой стационарных отравлений реактора, действительной в заданный момент кампании.

б) Температурным изменением реактивности за счёт того, что средние температуры теплоносителя в реакторе в моменты останова и пуска не одинаковы (как правило, после останова реактор начинает расхолаживаться). Температурное изменение реактивности рассчитывается по формуле:

где αt, %/оС – температурный коэффициент реактивности теплоносителя, снимаемый с графика αt=f(W) для данного момента кампании W.

*) Заметим, что, поскольку величина температурного коэффициента реактивности теплоносителя в любой момент кампании – величина отрицательная, а tTп ≤ tTo , температурное изменение реактивности всегда получается величиной положительной.

в) Мощностным изменением реактивности, поскольку в момент останова реак-

тор был на уровне мощности N po , а в момент пуска он достигает критичности на нулевом уровне мощности. Величина мощностного изменения реактивности равна:

г) Изменением реактивности за счёт неодинакового положения рабочей группы

ОР СУЗ в моменты пуска и останова. Эта величина находится как разница интегральных эффективностей рабочей группы в моменты пуска и останова:

снимаемой с кривой интегральной эффективности рабочей группы ОР СУЗ для данного момента кампании.

*) Поскольку аксиальная составляющая нейтронного поля в реакторе изменяется в процессе кампании, - изменяется и кривая интегральной эффективности рабочей группы. Обычно в распоряжении оператора есть две расчётные кривые интегральной эффективности рабочей группы – на момент начала

кампании и на момент конца кампании. Поэтому для более точного расчёта величины Dρрг следует

прибегнуть к двойной линейной интерполяции: найти вначале точное значение ρпрг (W ) для данного момента кампании W:

где W, э.с. – текущее (данное) значение энерговыработки загрузки реактора; Wном, э.с. – номинальное (расчётное) значение энерговыработки загрузки;

(ρпрг )нк и (ρпрг )кк , % - значения интегральной эффективности рабочей группы ОР СУЗ в на-

чале и конце кампании, снимаемые с кривых интегральной эффективности рабочей группы соответственно для начала и конца кампании загрузки активной зоны.

Точно такая же операция проделывается и для величины ρорг (W ) :

после чего значения ρпрг (W ) и ρорг (W ) подставляются в формулу (23.4).

д) Изменением реактивности за счёт разницы концентраций борной кислоты в теплоносителе первого контура в моменты останова и пуска реактора. Эта величина находится по формуле:

где αс, %/г/кг – величина дифференциальной эффективности борной кислоты в рассматриваемый момент кампании, находимая имеющихся в распоряжении оператора таблиц или графиков зависимости этой величины от энерговыработки W;

Сп и Со, г/кг – величины концентраций борной кислоты при пуске и останове реактора соответственно.

е) Нестационарным переотравлением реактора самарием за время стоянки. Ес-

ли реактор после останова бездействует достаточно длительное время (более 5 суток), то он, как известно, попадает в «прометиевый провал», а если стоянка длится более 10 суток, - он достигает «дна прометиевого провала». Как уже отмечалось, этот случай совершенно нетипичен для практики эксплуатации реакторов АЭС, но всё же полностью его возможность не исключается. Для нахождения нестационарного переотравления реактора самарием за время длительной стоянки необходимо знать:

-средний уровень мощности, на котором реактор работал последние 10 суток перед остановом N 10p ,% N pном ;

-время стоянки реактора τст, час.

Величина переотравления в момент τст после останова находится по формуле:

поскольку глубина прометиевого провала линейно зависит от мощности реактора. Здесь (ρSmпп ) ном , % - глубина прометиевого провала после останова реактора с уровня

мощности 100% в рассматриваемый момент кампании. Эта величина не изменяется процессе кампании и для разных загрузок ВВЭР-1000 лежит в довольно узких пределах: от (-0.28) до (- 0.30) %. Конкретная цифра для своей установки известна каждому оператору, поскольку она является одной из характеристик реакторной установки.

*) Если время стоянки реактора составляет 1 сутки = 24 часа, то ΔρSm ≈ 0.27 ρSmпп , при времени

стоянки 2 суток DρSm » 0.46ρSmпп , а при 3 суточной стоянке DρSm » 0.60ρSmпп . То есть даже после ос-

танова реактора с полной мощности в течение первых трёх суток стоянки величины переотравления реактора самарием не превышают (- 0.18%), что при определении пусковой концентрации борной кислоты, как будет ясно далее, является пренебрежимо малой величиной. Вот почему, если время стоянки реактора не превышает 3 суток после останова, величина ΔρSm в расчётах обычно не учитывается.

Итак, с учётом последнего замечания

Выражение (23.11) недвусмысленно говорит о том, что алгебраическая сумма изменений реактивности от первых четырёх эффектов (переотравления ксеноном, температурного изменения реактивности, мощностного изменения реактивности и изменения реактивности за счёт неодинакового положения рабочей группы ОР СУЗ при останове и пуске реактора), проявляющихся за время стоянки реактора, должна быть компенсирована противоположным по знаку изменением реактивности за счёт изменения концентрации борной кислоты. Разрешая (23.11) относительно искомой Сп, имеем:

Dρ

Сп = Со - αсΣ (23.12)

23.1.2.Алгоритм расчёта пусковой концентрации борной кислоты. Исходя из сказанного в п.23.1.1, алгоритм расчёта пусковой концентрации борной кислоты при пуске реактора ВВЭР после не более чем трёхсуточной стоянки выглядит так.

1)Величина переотравления реактора ксеноном DρХе - снимается с графика йод-

ной ямы по величине среднего уровня мощности реактора N po , на котором он работал последние трое суток перед остановом, и времени стоянки реактора τст.

2)Изменение реактивности реактора в период стоянки за счёт изменения средней температуры теплоносителя в реакторе

Dρt = αt (tTп - tTo ) ,

где величина температурного коэффициента реактивности теплоносителя αt снимется с графика расчётной зависимости αt = f(W) для величины знерговыработки W, соответствующей моменту останова реактора.

3) Мощностное изменение реактивности реактора после останова реактора

DρN = -αN N Po ,

где величина αN , %/МВт снимается с графика расчётной зависимости αN = f (W ) по величине энерговыработки W на момент останова реактора. Величина мощности реактора в момент останова в формулу должна быть подставлена в МВт, а