Спектральное регулирование - АЭС с ВВЭР

Оглавление
АЭС с ВВЭР
Режимы электропотребления
Маневренные возможности энергоблоков - активная зона реактора
Механическая система регулирования реактора
Температурное регулирование  энергоблоков
Конструкционные элементы энергоблоков
Регулировочные возможности турбины
Сравнительная эффективность АЭС в режимах регулирования нагрузки
Развитие и модернизация ВВЭР
Конструкция активной зоны и топливоиспользование ВВЭР
Открытый и замкнутый топливные циклы ВВЭР
Повышение коэффициента воспроизводства
Спектральное регулирование
Тесные топливные решетки
Дожигание топлива
Пути повышения безопасности
Концепции топливной составляющей затрат в ВВЭР
Учет наработки вторичного топлива
Методы поиска наивыгоднейших решений
Аккумулирование тепла на АЭС
Использование слабоперегретого пара
Выбор параметров пикового контура
Регулирование нагрузки снижением мощности
Деформация полей энерговыделения при изменении  мощности
Использование мощностного и температурного эффектов реактивности
Регулировочные возможности турбин
Турбины слабоперегретого пара - регулировочные возможности
Другие пути адаптации АЭС к переменным графикам нагрузок
Оптимизация параметров газовой турбины
Наивыгоднейшие параметры газоводяного подогревателя
Потребители-регуляторы
Внепиковое электротеплоснабжение
Список литературы

Поддержание размножающих характеристик топливных решеток в ходе выгорания может осуществляться смягчением спектра нейтронов путем увеличения в них количества замедлителя. На рис. 2.11 и 2.12 показаны изменения К и ω при выгорании топлива в решетках с постоянными значениями ω (рис. 2.11) и с К= 1 (рис. 2.12), которое поддерживается увеличением количества замедлителя в решетках. Поскольку при компенсации запаса реактивности в топливных решетках изменением спектра нейтронов вовлечение сырьевых изотопов в цикл максимально, то выгорание топлива будет происходить при максимальном КВ. Это приводит к значительному увеличению накопления плутония-239 и уменьшению скорости выгорания урана-235.


Рис. 2.12. Изменение изотопного состава топлива 3%-го обогащения для решеток с фиксированным и изменяемым при выгорании топлива (для поддержания Л^ = 1,0) водо-урановым отношением

Рис. 2.11. Изменение и ω при выгорании топлива разного обогащения в решетках с постоянным количеством замедлителя и постоянным значением = 1,0:

К концу выгорания в открытом топливном цикле при спектральной компенсации запаса реактивности возможно создание условий для наиболее полного выгорания как исходных делящихся, так и накопленных вторичных делящихся нуклидов. Это приводит к увеличению глубины выгорания топлива. Следует также отметить, что по мере накопления шлаков в топливе при спектральной компенсации эффектов реактивности происходит смягчение спектра нейтронов, что также способствует улучшению использования топлива, поскольку нейтроны поглощаются продуктами деления значительно сильнее в резонансной области энергии, чем в тепловой.
Эффекты реактивности могут быть компенсированы изменением спектра нейтронов не только для открытых топливных циклов, на примере которых рассмотрена такая компенсация, но также и для замкнутых циклов. При этом для подпитки реакторов возможно использование своего же плутония или плутония, полученного в реакторах ВВЭР и PWR. В этих условиях необходима оптимизация глубины выгорания топлива для обеспечения высоких технико-экономических характеристик топливоиспользования. С одной стороны, в ходе выгорания падает КВ, с другой, высокая стоимость переработки отработавшего топлива делает целесообразным достижение больших глубин выгорания. Следует отметить, что при работе в замкнутых топливных циклах для компенсации запаса реактивности на выгорание топлива требуется меньшее изменение водоуранового отношения, чем в открытых.
Помимо открытого топливного цикла с возможно полным выжиганием как первичных, так и вторичных делящихся нуклидов и замкнутого топливного цикла, определенный интерес представляет также использование реактора со спектральным регулированием в режиме конвертора.
Принципиально возможно спектральную компенсацию эффектов реактивности в реакторах типа ВВЭР осуществлять различными способами. Однако все они требуют определенных изменений конструкции активной зоны и реактора в целом.
Как было показано выше, для обеспечения режима поддержания К ~= 1,0 в ходе выгорания топлива требуются топливные решетки, позволяющие изменять водо-урановое отношение при эксплуатации. Однако прямое изменение шага размещения твэлов в реакторе с жестким дистанционированием по всей высоте активной зоны при выгорании топлива с учетом многочисленных требований, предъявляемых к ТВС энергетических реакторов, едва ли осуществимо.
Поскольку поддержание К= % 1 топливных решеток в течение всего времени выгорания топлива обусловливает и постоянство энерговыделения твэлов в процессе выгорания, то для обеспечения необходимого теплосъема топливная кассета должна иметь неизменное гидравлическое сопротивление.
Этим противоречивым требованиям удовлетворяют, например, решетки, состоящие из твэлов и трубок, диаметром примерно равным диаметру твэла. В трубках, выполняющих одновременно роль несущей конструкции топливной кассеты, размещаются вытеснители, извлекаемые по мере выгорания топлива. Очевидно, что увеличение диапазона изменения водо-уранового отношения в ТВС этой конструкции влечет за собой увеличение числа конструкционных элементов в активной зоне, которые также поглощают нейтроны.
Кроме того, уменьшение водо-уранового отношения в топливной решетке по сравнению с решетками существующих реакторов ВВЭР и PWR приводит к уменьшению проходного сечения таких кассет и, как следствие этого, к увеличению гидравлического сопротивления активной зоны, что при сохранении главных циркуляционных насосов приводит к уменьшению расхода теплоносителя через активную зону, увеличению его скорости, снижению мощности и КПД турбины и др. Эти характеристики делают затруднительными полную компенсацию исходного запаса реактивности на выгорание топлива и, изменение водо-уранового отношения в широком диапазоне.
В ряде работ показана возможность частичной компенсации запасов реактивности методом сдвига спектра с использованием вытеснителей при минимальных изменениях конструкции топливных кассет и реактора, что позволяет снизить расход естественного урана при работе в открытом топливном цикле примерно на 10%.
Использование сырьевых изотопов и, в частности, урана-238 в качестве вытеснителей позволяет существенно повысить эффективность органов регулирования. Это обусловливается тем, что введение таких регуляторов приводит к сдвигу спектра нейтронов в резонансную область энергий, в которой уран-238 хорошо поглощает нейтроны и одновременно снижает среднее обогащение топливных кассет. Увеличение эффективности регуляторов позволяет повысить исходное водо-урановое отношение топливных кассет, при котором компенсируются эффекты реактивности, и компенсировать запас реактивности на выгорание топлива в более узком диапазоне водо-урановых отношений. Это также уменьшает число конструкционных элементов в активной зоне.
Использование топливных кассет с ω = 1,2 - 1,6 приводит к значительно меньшему изменению исходных теплогидравлических характеристик активных зон, нежели в случае применения полых вытеснителей. При уменьшении водоуранового отношения примерно до 1,2, по-видимому, будет
возможно использовать ГЦН и ГЦК существующих реакторов ВВЭР и PWR без изменения высоты активной зоны реактора.
Так, в [117] рассматривается направление совершенствования PWR со спектральным регулированием, основанное на использовании в качестве регуляторов обедненного урана. Это позволяет в открытом топливном цикле достичь глубины выгорания топлива 45 МВт-сут/кг при обогащении топлива 3,25% (для достижения этой же глубины выгорания в существующих PWR требуется обогащение 4,2%) и снизить тем самым расход естественного урана на 25%, однако для этого требуется изменение водо-уранового отношения   в топливных кассетах в ходе выгорания с 1,65 до 1,98. При увеличении глубины выгорания до 60 МВт сут/кг появляется возможность уменьшить расход естественного урана примерно на 33%. В замкнутом же топливном цикле с использованием энергетического плутония (плутония, получаемого при переработке отработавшего топлива PWR) для получения глубины выгорания 45 МВт- сут/кг требуются исходное содержание делящихся изотопов 5,0%  и диапазон изменения водо-уранового отношения   1,10-1,36. Увеличение глубины выгорания топлива до 60 МВт-сут/кг требует повышения содержания делящихся изотопов до 6,0% и позволяет снизить общие затраты на топливо примерно на 30%. Как в открытом, так и в замкнутом циклах выгорание топлива происходит с КВ =0,9.
Реактор с такими параметрами позволяет обеспечить максимальную гибкость при использовании топлива в зависимости от многих условий, и прежде всего от стоимости урана и химической переработки отработавшего топлива путем перехода от открытого топливного цикла к замкнутому и обратно в ходе обычной перегрузки.
Для управления реактором со спектральным регулированием требуется увеличение числа приводов органов регулирования по сравнению с числом приводов существующих реакторов PWR. Наряду с электромеханическими приводами органов регулирования предполагается использовать гидравлические приводы, имеющие существенно меньшие размеры и позволяющие фиксировать органы регулирования только в крайних положениях: верхнем и нижнем. Эти гидравлические приводы используются для изменения водо-уранового отношения в топливных кассетах в ходе выгорания путем извлечения из них стержней с обедненным диоксидом урана. Функции же электромеханических органов регулирования аналогичны функциям электромеханических органов существующих реакторов PWR.
Компенсация эффектов реактивности изменением плотности теплоносителя позволила бы избежать дополнительных потерь нейтронов в конструкционных элементах активной зоны и усложнения системы регулирования реактором. Но полный диапазон изменения плотности теплоносителя, например, для реактора ВВЭР-1000 составляет от 1,0 до 0,714 г/см3, т. е. от холодного состояния до рабочих параметров реактора плотность теплоносителя изменяется менее чем в 1,5 раза. На практике же при работе на выбеге реактивности удается использовать лишь малую часть даже этого диапазона.
Для компенсации эффектов реактивности возможны также совместное использование вытеснителей и изменение температуры теплоносителя. Дискретность изменения водо-уранового отношения при перемещении вытеснителей может компенсироваться плотностью теплоносителя в узком температурном диапазоне. При достижении нижней границы заданного температурного диапазона извлекается такое число вытеснителей, чтобы температура теплоносителя при компенсации эффектов реактивности соответствовала верхней границе заданного температурного диапазона с повторением таких операций в ходе выгорания топлива.
При рассмотрении концепции реакторов со спектральным регулированием целесообразно также отметить способ компенсации эффектов реактивности изменением содержания тяжелой воды в теплоносителе.
В работе [120] предлагается изменение спектра нейтронов осуществлять механическим путем — изменением положения вытеснителей в активной зоне и изменением содержания тяжелой воды в теплоносителе [103].
Комбинированное спектральное регулирование предлагается осуществлять в течение одной топливной загрузки. В начале выгорания топлива устанавливают минимальные водо-урановые отношения в топливных кассетах путем введения вытеснителей и обеспечением состава теплоносителя (65% тяжелой воды и 35% обычной воды). По мере выгорания топлива вытеснители извлекаются. После полного извлечения всех вытеснителей активная зона продувается обычной водой для снижения содержания D2О в теплоносителе вплоть до полного вывода к концу выгорания топливной загрузки. Завершение топливного цикла наступает, когда улучшение состава тяжело-легководного замедлителя не приводит к вводу положительной реактивности.
Для обеспечения переменного содержания воды в активной зоне предполагается изменить конфигурацию квадратной топливной решетки тепловыделяющей кассеты с 17 х 17 до 19x19. Модифицированная таким образом кассета будет состоять из того же числа твэлов, т. е. площадь греющей поверхности сохраняется, а во всех высвободившихся позициях размещаются вытеснители. Эффективный цилиндрический радиус топливной ячейки при этом уменьшается от 0,71 до 0,638 см, а водо-урановое отношение уменьшается до 1,06.
Рассматриваются следующие случаи изменения водо-уранового отношения при выгорании топлива в процессе только «механического» сдвига спектра при постоянном составе замедлителя (65% тяжелой воды): от 1,06 до 1,67; от 1,06 до 2,0; от 1,06 до 3,0 [120].


Рис. 2.13. Изменение водо-уранового отношения и содержания тяжело-легководного замедлителя в ходе выгорания топлива (левая ось ординат — регулирование путем изменения водо-уранового отношения; правые — уменьшение количества тяжелой воды в теплоносителе): 1 — конечное ω=1,67; 2 — ω = 2,0; 3 — ω=3,0
Рис. 2.14. Зависимость Кэф от плотности теплоносителя в различные моменты кампании:
1 — начало выгорания топлива; 2 — начало вывода тяжелой воды; 3 — конец топливного цикла

Первый случай может быть реализован на действующих PWR, а Первый случай может быть второй и третий требуют увеличения диаметра корпуса реактора.
Для всех случаев принято одинаковое исходное обогащение топлива по урану 235, равное 4,0%, и равномерное распределение вытеснителей по кассетам.
Выгорание топлива рассчитывалось по программе WIMS-D с малыми временными шагами, с учетом стационарного отравления ксеноном-135, самарием-149 и другими нуклидами. В течение выгорания топлива поддерживалось среднее значение
Кэф=1,0
На рис. 2.13 (левая ось ординат) показана зависимость водо-уранового отношения от глубины выгорания топлива. Для перечисленных случаев глубины выгорания составляют 6,7,  11,3 и 25,1 МВт-сут/кг соответственно. На том же рисунке (правая ось ординат) показано влияние на дальнейшее выгорание изменения состава замедлителя. Конечное выгорание для всех трех случаев составляет 42,0, 49,0 и 55,0 МВт-сут/кг соответственно и достигается в цикле без промежуточных перегрузок топлива.
Продолжительность этого топливного цикла в эффективных сутках работы реактора на полной мощности равна для спектрального комбинированного регулирования соответственно 1095, 1251 и 1434 сут, в то время как аналогичный топливный цикл с компенсацией запаса реактивности поглотителями имеет длительности соответственно 829, 886 и 886 сут. Однако при сравнении использования топлива в рассматриваемом случае с режимом частичных перегрузок (три и четыре перегрузки за кампанию) показатели топливоиспользования оказываются даже хуже, чем в существующих PWR, кроме случая с высоким конечным водоурановым отношением (третий случай).
Вместе с тем энерговыработка для рассматриваемых случаев спектральной компенсации запаса реактивности выше, чем в PWR, работающих в режиме частичных перегрузок топлива.
В расчетах также должны отражаться затраты на регенерацию тяжелой воды после ее удаления из активной зоны, что требует дополнительного учета. В этой связи отметим, что одним из способов получения тяжелой воды является электролиз. Этот процесс, как известно, идет в 4 — 5 раз медленнее по дейтерию, что позволяет концентрировать тяжелую воду в электролите до нужных значений. При этом наряду с выравниванием графика нагрузки реактора и получением тяжелой воды вырабатывается водород и кислород. Возможно, что такой комплексный подход к внепиковому электролизу обычной воды и воды, поступающей из активной зоны на регенерацию с последующим ее накоплением и использованием в новую кампанию, позволит повысить экономическую эффективность ядерного энергоблока в целом.
Значительное внимание в [120] уделено вопросам безопасности PWR со спектральным сдвигом в авариях с потерей теплоносителя. При анализе использовались новые расчетные данные, полученные по плотностному коэффициенту реактивности. Расчеты охватывают всю область выгорания, включая следующие точки: начало цикла; конец сдвига спектра вытеснителями (65% тяжелой воды в теплоносителе); конец цикла. На рис. 2.14 показана зависимость эффективного коэффициента размножения при различных относительных содержаниях замедлителя d/d0 в зоне для третьего случая. Водо-урановое отношение при извлеченных вытеснителях равно 3,0. Значение d/d0 = 1,0 соответствует исходному расчетному состоянию активной зоны, d/d0 — 0,2 — опорожнению зоны на 80%.
Из рисунка следует, что плотностной коэффициент реактивности во всем диапазоне плотностей теплоносителя для любого момента кампании положителен, т. е. опорожнение активной зоны (вскипание теплоносителя) приводит к глушению реактора.
Спектральная компенсация эффектов реактивности позволяет решить технические противоречия, возникающие при разных стратегиях перегрузок. Загрузка топлива в центральные области активной зоны и перемещение его, по мере выгорания, к периферии с одновременным увеличением водо-уранового отношения в топливных кассетах обеспечивает, и требуемый режим изменения водо-уранового отношения в ходе выгорания, и минимальные неравномерности энерговыделения по активной зоне. Отметим, что использование топливных кассет, допускающих изменение водо-уранового отношения в режиме перегрузок топлива, принятом для существующих реакторов (т. е. на периферию), при обеспечении минимальных неравномерностей энерговыделения требует создания высокого значения исходного водо-уранового отношения и сводит этот режим перегрузок к случаю использования топливных кассет существующих реакторов.
Утечка нейтронов из активной зоны реактора, ухудшающая использование топлива, может быть направлена на накопление вторичных делящихся нуклидов. Переход к замкнутому топливному циклу делает целесообразным окружение активной зоны бланкетом из обедненного или естественного урана.



 
« Атомные электрические станции и их оборудование   Бетон в защите ядерных установок »
электрические сети