5. Как управляют реактором на малых уровнях мощности?

Итак, рассмотрены два случая развития кинетических процессов n(t) в “холодном” реакторе при сообщении ему положительной или отрицательной реактивности. Для чего был затеян весь этот (в общем-то, теоретический) разговор? Зачем он нужен оператору-эксплуатационнику?

Это совершенно необходимо для того, чтобы понять, как оператору следует поступать практически при управлении реактором и уметь предвидеть, как “отзовётся” реактор на то или иное воздействие со стороны оператора.

Конечно, этими двумя случаями вся кинетика реактора далеко не исчерпывается, но их в принципе уже достаточно, чтобы понять, как следует действовать оператору реакторной установки для увеличения или снижения мощности реактора.

Несмотря на то, что рассматривалась кинетика идеализированного, “холодного” реактора, выявленные закономерности вполне применимы к управлению реальным реактором на малых уровнях мощности, лежащих в пределах между МКУМ (минимально контролируемым уровнем мощности) и значениями (4 ¸ 5)% от номинального уровня мощности реактора.

12.5.1. Если требуется увеличить уровень мощности реактора, первоначально работавшего в критическом режиме на малом уровне мощности N_р1, оператор должен сообщить реактору некоторую величину положительной реактивности, для чего достаточно переместить из критического положения на некоторое расстояние вверх любой стержень-поглотитель (или группу поглотителей). Процедуры перемещения стержня-поглотителя и характер изменений мощности реактора после выполнения этих перемещений в диаграммном виде показаны на рис.12.5.

Сообщение реактору положительной величины реактивности на малом уровне мощности вызывает в реакторе вначале небольшой скачок мощности (реактор управляется введением небольших реактивностей), который затем плавно переходит в экспоненциальное нарастание мощности с установившимся периодом (участок (а) переходного процесса).

Если нам кажется, что процесс увеличения мощности реактора идёт недостаточно быстро, и желательно увеличить темп роста мощности, интуиция подсказывает, что для этого нужно увеличить значение реактивности реактора. Это достигается путём дополнительного перемещения поглотителей вверх из последнего их положения. В ответ на это возмущение реактивности реактор опять отзывается начальным скачком мощности вверх, переходящим в экспоненциальное нарастание мощности с новым (меньшим по величине) установившимся периодом, благодаря чему рост мощности реактора будет происходить по более крутой экспоненте (участок б).

Критическое положение стержня

(в)

N_p(t) (г) (д) N_p1 = idem

(б)

(а)

N_p0

0 t

Рис. 12.5. Основные операции, выполняемые с помощью подвижных стержней-поглотителей при подъёме мощности реактора, и переходные процессы N_р(t), которые следуют в реакторе в ответ на перемещения поглотителей. (Ради схематической простоты группа управляющих стержней-поглотителей показана как один стержень).

Ну-ну, не так быстро! - решаете вы, и опускаете поглотители в предыдущее (надкритическое) положение. Реактор на это снижение реактивности отзовётся начальным скачком мощности вниз, но так как поглотители вернулись в старое надкритическое положение, реактор после этого скачка вниз будет продолжать более медленный разгон мощности по той же старой экспоненте (участок в), по которой шло увеличение мощности на участке (а).

Но скорость увеличения мощности по сравнению с участком (а) на участке (в) стала большей (не забывайте, что экспоненциальный темп - это всё более и более нарастающий со временем темп), и (чтобы оградить себя от неприятностей) вы решаете ещё больше снизить темп нарастания мощности. Вы опускаете ещё ниже стержни-поглотители в активной зоне, оставляя их всё же выше критического положения: реактор немедленно отреагирует на это ваше действие скачком мощности вниз, завершающимся переходом на более пологую возрастающую экспоненту, соответствующую более малой величине введенной положительной реактивности. У вас появилось время понаблюдать, как медленно растёт мощность реактора, приближаясь к нужному вам уровню (участок (г)).

Наконец, мощность реактора достигает требуемого уровня. Хватит, стоп! - решаете вы и уверенным нажатием на ключ перемещения рабочей группы поглотителей возвращаете группу в исходное критическое положение. При этом величина мощности реактора небольшим скачком “дёргается” вниз и “замирает” на достигнутом к этому моменту уровне, или, выражаясь на операторском языке, стабилизируется на этом уровне: реактор вновь стал критичным на новом, более высоком, уровне мощности, его реактивность вновь стала равной нулю (участок (д)).

Так управляют подъёмом мощности реактора на небольших уровнях мощности, на которых любой реальный энергетический реактор ведёт себя в точности как идеальный “холодный” реактор.

Существенным моментом техники управления реактором при любом сообщении ему положительной реактивности является осторожность введения реактивности, являющаяся основной мерой обеспечения ядерной безопасности реакторной установки. Смысл её заключается в непрерывном слежении за нарастанием мощности реактора по приборам-измерителям нейтронной мощности и по приборам-периодомерам. Технологический регламент для любой ЯЭУ устанавливает ограничения по величине периода удвоения мощности. Например, для реакторов атомного ледокола “Арктика” минимальная допустимая величина периода удвоения мощности, разрешённая Технологической Инструкцией по управлению, составляет 30 с. Оператор может допустить введение положительной реактивности и большей величины, соответствующей периоду удвоения менее 30 с. В этом случае при снижении величины текущего значения периода удвоения менее 20 с на табло предупредительной сигнализации зажигается мигающий сигнал “Т < 20 с”, сопровождающийся прерывистым звуковым сигналом, предупреждающим оператора о необходимости быть осторожным и требующим уменьшить величину введенной положительной реактивности. Если и это предупреждение останется без внимания и величина периода удвоения мощности снизится ниже 15 с, - по сигналу недопустимо малого периода срабатывает автоматическая аварийная защита, и в активную зону реактора с максимальной скоростью вводятся все штатные поглотители СУЗ.

Аналогичные по содержанию технические меры обеспечения ядерной безопасности принимаются на любой реакторной установке; цифры конкретных ограничений по предупредительной сигнализации и аварийной защите у разных реакторов, конечно, разные. Но объективная суть их одна: побуждение оператора к уменьшению реактивности реактора, а в случае непринятия мер или ошибочных действий оператора - автоматическое введение в действие аварийной защиты, приводящее к останову реактора.

В реакторах типа ВВЭР-1000 ТРБЭ устанавливает допустимую величину периода удвоения мощности реактора при положительных реактивностях, равную 100 с.

2. Если требуется уменьшить уровень мощности реактора, действия оператора имеют ту же теоретическую подоплеку. Вначале стержень-поглотитель (или

Линия критического положения стержня

N_po

(б)

(а) (в)

N_p1(t) = idem

N_p1

0 t

Рис. 12.6. Основные операции со стержнями-поглотителями регулирующей группы при снижении

мощности реактора и изменения мощности реактора, вызываемые этими перемещениями.

группа поглотителей) опускается ниже критического положения, сообщая тем самым реактору некоторую величину отрицательной реактивности. Реактор на это возмущение по реактивности отзывается переходным процессом снижения мощности N_p(t) с характерными для него стадиями - начального скачка и последующего экспоненциального спада мощности с установившимся периодом, величины которых определяются значением сообщённой реактору отрицательной реактивности (стадия (а) на рис.12.6).

При необходимости увеличить скорость снижения мощности реактора оператор имеет возможность увеличить абсолютную величину отрицательной реактивности реактора, опустив группу регулирующих поглотителей ещё ниже: будет наблюдаться ещё один скачок мощности реактора вниз, переходящий затем в спад мощности по более крутой экспоненте (стадия б).

При снижении мощности реактора до намеченного уровня оператор поднимает регулирующую группу поглотителей до исходного (критического) их положения, снижая абсолютную величину реактивности реактора до нуля, то есть делая реактор критическим на достигнутом к этому моменту более низком уровне мощности (стадия (в)).

3. Автоматическая стабилизация мощности реактора. Ещё раз напомним, что всё сказанное о технике управления реактором строго справедливо только для “холодного” реактора. С некоторыми оговорками закономерности переходных процессов в их “чистом” виде можно наблюдать и в реальных реакторах АЭС на относительно малых уровнях мощности (в нехарактерных для энергетических реакторов режимах).

В реальных энергетических реакторах, отличающихся от “холодного” реактора наличием температурных эффектов реактивности, переходные процессы изменения мощности реактора при сообщении реактивности той или иной величины и знака имеют более сложный характер.

Анализу переходных процессов изменения тепловой мощности в энергетических режимах работы реактора будет посвящена отдельная тема.

Сейчас же хотелось бы сосредоточить внимание на том, что “холодный” реактор как объект регулирования является объектом неустойчивым: любое, даже самое малозаметное, возмущение по реактивности положительного или отрицательного знака заставляет такой реактор либо непрерывно увеличивать его мощность, либо неуклонно снижать её до полной остановки реактора. И если бы реальный энергетический реактор был лишён уже известного нам отрицательного температурного коэффициента реактивности, он был бы именно таким неустойчивым реактором. Вы сразу можете взять на заметку после сказанного, что реальный энергетический реактор на номинальной (100%-ной) мощности всегда более устойчив, чем на меньших уровнях мощности. Это - однозначно и должно быть понятно: чем меньше уровень тепловой мощности реактора, тем ближе по свойствам этот реактор к “холодному” (а, значит, неустойчивому) реактору. И работа оператора реакторной установки в таком случае была бы нудной пыткой, приковывающей к себе всё его внимание и заставляющей постоянно балансировать органами управления и думать только о том, как бы не заглушить реактор или, того хуже, не пустить его “вразнос”.

В связи с этим для конструкторов реактора есть, по крайней мере, две проблемы:

• во-первых, необходимость спроектировать реактор устойчивым в любых проектных режимах его эксплуатации в любой момент кампании, причём, устойчивым на базе внутренних свойств самого реактора, опираясь на присущие самому реактору внутренние отрицательные обратные связи, обеспечивающие процесс самоподдержания мощности реактора или, что то же, - поддержания нулевой реактивности реактора в условиях реального возникновения возмущений по реактивности;

• во-вторых, необходимость предусмотреть систему автоматического регулирования мощности реактора, освобождающую оператора от тягостных и многократно повторяющихся действий по поддержанию мощности реактора на требуемом уровне на тот случай, если в какой-то момент кампании эффективности внутренних отрицательных обратных связей окажется недостаточно для стабилизации мощности реактора.

Система автоматического регулирования (АР) обычно предусматривает одну или две группы специально выделенных для этой цели подвижных стержней-поглотителей, попеременно работающих в активной зоне. Каждый канал АР строится по принципу измерения величины разбаланса между фактическим и заданным уровнями мощности реактора, усиления сигнала этого разбаланса и направления его для воздействия на сервопривод группы АР таким образом, чтобы перемещением группы по высоте активной зоны свести разбаланс к нулю.

Принципиальная блок-схема канала АР приведена на рис.12.7.

Электрический сигнал в виде тока от детектора-измерителя нейтронной мощности реактора (группы ионизационных камер) поступает на вход усилителя канала АР (на схеме - УАР), где усиливается до нужных для операционного воздействия величин. В задающем устройстве (ЗУ) формируется токовый сигнал, пропорциональный задаваемой мощности реактора. С выходов УАР и ЗУ токовые сигналы подаются на вход суммирующего устройства (СУ), с выхода которого сигнал, пропорциональный разбалансу фактической и заданной мощностей реактора, подаётся на управляющую обмотку синхронного реверсивного электродвигателя, вращение которого с помощью механической передачи (редуктора и реечного механизма) преобразуется в поступательное перемещение группы управляющих стержней АР.

Ток от ИК º N_ф

УАР

Токовый сигнал º DN

СУ На сервопривод

АР

Сигнал º N_зад ЗУ

Рис. 12.7. Принципиальная схема построения канала автоматического поддержания мощности реактора.

Направление движения стержней АР определяется полярностью сигнала разбаланса. Если разница фактической и заданной мощности реактора DN = N_ф - N_зад положительна (то есть фактическая мощность превышает заданное её значение), то электродвигатель перемещает стержни вниз, сообщая реактору, тем самым, отрицательную реактивность, заставляющую реактор снижать уровень мощности до тех пор, пока он не уменьшится до заданной величины, результируя нулевую величину разбаланса DN, при которой перемещение стержней прекратится. Если первоначальный разбаланс DN оказывается величиной отрицательной, то есть фактическая мощность реактора ниже заданного уровня, привод перемещает стержни вверх, сообщая реактору положительную реактивность, приводящую к подъёму мощности реактора до заданной, после чего движение стержней останавливается.

По такому принципу строятся все токовые автоматические регуляторы мощности реакторов.