Стартовая >> Архив >> Генерация >> Реакторы-размножители на быстрых нейтронах

Аварийные режимы с повышением мощности реактора - Реакторы-размножители на быстрых нейтронах

Оглавление
Реакторы-размножители на быстрых нейтронах
Воспроизводство и роль быстрых реакторов-размножителей
Физические принципы воспроизводства
Роль воспроизводства в оценках энергетических ресурсов
Программы исследования быстрых реакторов
Принципы конструирования
Механическая конструкция и система теплопередачи
Выбор материалов и параметров активной зоны
Экономический анализ
Обращение с топливом
Выгорание топлива
Уравнения выгорания
Время удвоения
Численные результаты анализа топливного цикла реактора с жидкометаллическим теплоносителем
Конструкции твэла и сборки
Перестройка топлива
Выделение газа из топлива и длина газовой полости
Критерий повреждаемости и анализ прочности твэла
Конструкция тепловыделяющей сборки
Другие сборки
Поведение совокупности сборок
Факторы перегрева
Материалы активной зоны
Топливо на основе урана
Топливо, содержащее торий
Общее сравнение топлива
Оболочка и чехол
Материалы оболочки
Теплоноситель
Совместимость с оболочкой
Сравнение различных теплоносителей
Органы управления
Основное оборудование теплоотводящих контуров реакторов
Регулирование параметров технологической схемы АЭС
Основное оборудование натриевых контуров
Натриевые насосы
Парогенераторы
Нейтронная защита
Защита оборудования теплоотводящих контуров в реакторе петлевого типа
Система транспортировки тепловыделяющих сборок
Измерительные системы
Контроль герметичности оболочек твэлов, течей
Вспомогательные системы
Общие вопросы безопасности реакторов БН
Многоступенчатая защита как концепция безопасности
Развитие методов исследования аварийных режимов
Оценка риска и методы исследования аварийных режимов
Контролируемые переходные процессы
ффективность системы аварийной защиты АЭС
Некоторые параметры, характеризующие состояние реактора в аварийных режимах
Вопросы надежности
Надежность системы аварийного расхолаживания реактора
Распространение локальных повреждений твэлов
Переходные процессы в объеме активной зоны
Другие аварийные режимы
Неконтролируемые аварийные режимы
Уравнения сохранения
Аварийные режимы с повышением мощности реактора
Разрушение твэлов
Прочие факторы
Аварийный режим с ухудшением условий теплоотвода
Неконтролируемый аварийный режим, связанный с прекращением циркуляции теплоносителя
Нарушение герметичности трубопроводов
Переходная стадия
Переходная стадия - расчет
Разрушение активной зоны
Защитная оболочка
Процесс расширения топлива
Взаимодействие расплавленного топлива с теплоносителем
Взрыв паров
Деформация элементов конструкции реактора
Охлаждение реактора после аварии
Аварийная разгерметизация бака реактора
Натриевые пожары
Конструкции защитных оболочек и локализующих систем
Конструкция быстрых реакторов с газовым охлаждением
Системы реактора
Конструкция активной зоны
Конструкция твэла
Безопасность газоохлаждаемых быстрых реакторов
Контролируемые аварии
Неконтролируемые аварии
Защитное окружение быстрых реакторов с газовым охлаждением
Сравнение гомогенного и гетерогенного проектных вариантов быстрого реактора CRBRP
Ядерная энергетика и быстрые реакторы

Аварийные процессы с повышением мощности реактора на быстрых нейтронах могут быть вызваны увеличением реактивности в активной зоне. Рост реактивности может произойти на любом уровне мощности реактора: на номинальном, минимально возможном или даже в процессе выхода на минимальную мощность. Как указывалось в гл. 14, задачей системы защиты АЭС является предотвращение такой аварии. Следовательно, авария с повышением мощности возможна только в случае отказа системы защиты. Оценка безопасности АЭС с быстрыми реакторами требует анализа аварийных процессов подобного рода.
Ниже рассматриваются характерные особенности процессов с повышением мощности активной зоны, приводится пример расчета аварийного режима. В заключение обсуждается проблема предотвращения тяжелых последствий аварий.

А. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При анализе процесса роста реактивности на работающем реакторе БН с одновременным отказом аварийной защиты прежде всего возникает вопрос о поведении активной зоны в таких условиях. Происходит разогрев топлива, стальных оболочек и теплоносителя; доплеровский эффект и тепловое расширение активной зоны сдерживают рост мощности, однако наиболее теплонапряженные твэлы разрушаются, расплавленное топливо заполняет пространство между твэлами. В результате может произойти неуправляемый рост мощности реактора либо быстрая его остановка — это зависит от многих факторов: скорости ввода реактивности, количественного значения введенной реактивности, характеристик обратной связи реактивности по температуре, масштаба разрушения твэлов и расположения поврежденных участков по высоте активной зоны, от поведения расплавленного топлива и конечной конфигурации смеси топлива, металла оболочек и теплоносителя.

Программы расчета аварийного процесса на ЭВМ

Для расчета неконтролируемого аварийного процесса с повышением мощности существует несколько математических программ, которые включают в себя уравнения полей нейтронов и теплогидравлических процессов в активной зоне. Важным вопросом является расширение модели точечной кинетики 1см. уравнения (6.5), (6.6) для учета реактивностных эффектов обратной связи, таких как доплеровский и натриевый эффекты, а также эффекты изменения конфигурации активной зоны и перемещения расплавленных материалов1.
Вторым необходимым условием является возможность моделирования в расчетных программах переходных процессов в нескольких твэлах, расположенных в характерных точках активной зоны, с учетом вероятного несовпадения по времени и по месту разрушений твэлов и других событий аварийного процесса. Это несовпадение, которое может быть довольно значительным, объясняется местными отклонениями от номинальных значений глубины выгорания топлива, отношения выделяемой мощности к расходу теплоносителя, удельного энерговыделения топлива и параметров оболочки твэлов
Целью расчета является определение временных и пространственных координат разрушений твэлов и последующих событий, таких как перемещение расплавленного топлива, взаимодействие его с теплоносителем, выброс расплавленной массы за пределы активной зоны и последующее затвердевание. Для отдельных твэлов, характеризующих состояние одной или нескольких тепловыделяющих сборок, проводится подробный расчет теплогидравлических параметров. Группа тепловыделяющих сборок, характеризуемая поведением одного твэла, называется каналом.
В США существуют и разрабатываются новые программы расчета многоканальных систем, такие как SAS [6] и MELT [7]. В странах Западной Европы широко используются программы CAPRI [8] и FRAX 2 [9]. Появление многоканальных программ позволило учитывать несовпадение отдельных событий в аварийных процессах. Такой более реалистический подход показал, что результаты расчетов, проводимых ранее по упрощенной методике, значительно преувеличивали опасность рассматриваемых аварий.

1 В расчетах быстрых реакторов уравнения точечной кинетики могут использоваться только для тех стадий аварийных процессов, когда конфигурация активной зоны незначительно отличается от исходной, т. е. пока коэффициенты обратной связи реактивности в точности отражают изменения полей температуры и плотности вещества в объеме активной зоны. Такое допущение возможно, поскольку в быстрых реакторах по сравнению с тепловыми средняя длина свободного пробега нейтронов больше, что обеспечивает быструю стабилизацию поля нейтронов в активной зоне при прекращении возмущения по реактивности.

На рис. 15.5 приведена расчетная схема активной зоны реактора, а на рис. 15.6—результаты расчетов аварийного процесса.

Расчетная схема активной зоны

На рис. 15.5 изображена сетка активной зоны реактора FFTF с указанием значений глубины выгорания топлива и мощности для каждой тепловыделяющей сборки в начале четвертого цикла активной зоны1.

Рис. 15 5 Расчетная схема активной зоны реактора FFTF, разделенной на 20 каналов: а — расположение сборок в активной зоне; ЭС—экспериментальная сборка; ПС — периферийный стержень, ЛС —стержень аварийной защиты; ИС — сборка для испытаний материалов, б — глубина выгорания топлива в различных сборках, МВт-сут/кг; в — тепловыделение в сборках, МВт, г — схема разделения активной зоны на 20 каналов
Анализ переходных процессов в активном зоне можно осуществить с помощью уравнений, составленных для каждой тепловыделяющей сборки. Хотя возможности ЭВМ позволяют проводить такие подробные расчеты, в этом нет необходимости. Достаточная точность может быть получена, если активную зону разбить на группы (каналы), объединяющие несколько ТВС с аналогичными параметрами.
В рассматриваемой задаче тепловыделяющие сборкит группировались по значениям глубины выгорания и тепловыделения (за исключением поглощающих стержней, работающих в особом режиме дросселирования). В результате активная зона была разделена на 20 каналов.

Пример анализа переходного процесса

На рис. 15.6 показано изменение основных параметров реактора в аварийном процессе, причиной которого послужил ввод реактивности со скоростью 0,5 долл/с в активную зону на номинальном уровне мощности. На первом этапе процесса рост реактивности определяется только скоростью ввода.

1 Этот цикл подобен равновесному, о котором говорилось в § 7 2.


Рис. 15.6. Результаты расчетов аварийного режима с повышением мощности 20-канальной активной зоны [11]:
а — введенная реактивность; б — изменение реактивности за счет пустотного эффекта; в — влияние доплеровского эффекта реактивности; г — результирующее значение реактивности, д — изменение реактивности вследствие перемещения топлива, последовательность цифр в кружках (3, 5, 11, .... 4) означает последовательность разрушения каналов Количество тепловыделяющих сборок в каждом канале обозначено цифрой над кружком. Область изменения масштаба времени ограничена вертикальными линиями
Однако растущая температура топлива вызывает появление отрицательной реактивности за счет доплеровского эффекта, которая стремится скомпенсировать введенную реактивность. Температура топлива продолжает расти, и наступает момент, когда начинают разрушаться оболочки твэлов. На рисунке показана последовательность разрушения твэлов в различных каналах (указано число тепловыделяющих сборок в каждом канале). Большинство этих разрушений происходит значительно выше средней плоскости активной зоны в районе центральной оси. Расплавленное топливо движется вверх по центральным отверстиям твэлов и через трещины, образовавшиеся в оболочке, попадает в каналы теплоносителя. В результате такого перемещения топлива создается отрицательный эффект реактивности, приводящий к глубоко подкритическому состоянию реактора. При этом мощность реактора уменьшается, как показано на верхнем графике.
В рассматриваемом примере предполагалось, что расплавленное топливо, попадая в пространство между твэлами, передает большое количество тепла натрию, который вследствие этого интенсивно испаряется. Под действием паров натрия направление потока теплоносителя меняется на обратное, однако по мере снижения давления паров постепенно восстанавливается движение потока в нормальном направлении. При этом большая доля топливных частиц увлекается потоком и выносится из активной зоны. Это явление называется вымыванием топлива.
Поскольку при анализе гипотетических аварийных процессов, как правило, не известен механизм ввода избыточной реактивности, нет возможности задать значение добавки реактивности или скорости ввода. Следовательно, необходимо проводить вариантные расчеты, задаваясь широким диапазоном значений исходных параметров. Для рассматриваемого случая максимальное значение введенной реактивности принималось равным 4 долл. Именно за счет этой добавки реактивность из отрицательной области вновь приблизилась к нулевому значению.

Возможные варианты развития аварийного процесса

В приведенном примере рассмотрена конкретная последовательность событий аварийного процесса. Однако в реальных условиях авария может развиваться различными путями в зависимости от поведения исследуемой системы на определяющих этапах процесса.
На рис. 15.7 приведены вероятные цепочки событий, требующих специального рассмотрения. Определяющее влияние на ход аварийного процесса имеет прежде всего то, на каком участке твэлов происходит разгерметизация оболочек. В левой части схемы последовательность этапов аварии построена исходя из предположения (подтвержденного расчетными и экспериментальными данными) о том, что максимальное количество разрушений оболочек твэлов происходит значительно выше средней плоскости активной зоны.
Расплавленное топливо, попавшее через поврежденные оболочки в пространство между твэлами, может быть вынесено из активной зоны потоком теплоносителя или удержано в тепловыделяющей сборке, за счет чего каналы для прохода натрия могут перекрываться. Частичная блокировка каналов считается допустимой (если 90% свободного сечения перекрыто топливной массой, расход теплоносителя снизится лишь на 10%). В этом случае аварийный процесс можно остановить на ранней стадии и обеспечить необходимое расхолаживание активной зоны. Однако, если произойдет полное перекрытие каналов теплоносителя и расход натрия через активную зону прекратится, аварийный процесс будет прогрессировать (см. рис. 15.2).
В правой части схемы показано развитие аварийного процесса при условии, что разрушения оболочек твэлов происходят в основном в районе средней плоскости активной зоны. При этом расплавленное топливо, выливаясь из твэлов, скапливается в центре активной зоны, что приводит к росту реактивности. Хотя существует вероятность выброса топлива из активной зоны потоком натрия, скорость роста реактивности настолько велика, что этот выброс не сможет предотвратить увеличение энерговыделения в реакторе.

варианты развития аварийного процесса с повышением мощности активной зоны
Рис. 15.7. Возможные варианты развития аварийного процесса с повышением мощности активной зоны
Кроме того, поскольку расплавление топлива происходит быстро, свободное пространство ТВС может быть заполнено топливом за короткое время. Следовательно, единственно возможным путем прекращения цепной реакции в этом случае будет полное разрушение активной зоны за счет сил внутреннего давления.
Ниже рассматриваются параметры, определяющие ход аварийного процесса с повышением мощности активной зоны.



 
« Расчетная обеспеченность работы гидроэлектростанции   Режим системы охлаждения генераторов на теплофикационных энергоблоках 250 МВт »
электрические сети