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

Разрушение активной зоны - 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

Как указывалось в § 13.3, расчетная оценка количества энергии, выделяющейся в быстром реакторе при неконтролируемом аварийном росте реактивности, является составной частью анализа безопасности каждого реактора с жидкометаллическим теплоносителем. Впервые такая оценка была сделана в 1956 г. Бете и Тайтом, которые в приближенной форме рассчитали максимальное значение выделяемой энергии при условии, что прекращение цепной реакции в расплавленной активной зоне происходит за счет ее разрушения под действием сил внутреннего давления. Несмотря на множество упрощающих допущений, принятых в расчете, полученные результаты явились основой для детальных исследований аварийных процессов. В данном параграфе приводится описание современной методики расчета процесса разрушения. Затем коротко описывается работа Бете-Тайта и обсуждаются наиболее интересные результаты проведенных до настоящего времени исследований.

Рис. 15.21 Блок-схема расчетной модели процесса разрушения активной зоны:
1 — уравнения кинетики реактора; 2 — уравнение энергии; 3 — уравнение состояния; 4 — уравнение движения составляющих активной зоны
На рис. 15.21 показана блок-схема расчетной модели процесса разрушения активной зоны быстрого реактора. Если происходит значительное увеличение реактивности ρ' в активной зоне, то под действием нарастающего тепловыделения температура топлива увеличивается*. Рост температуры топлива приводит к отрицательному доплеровскому эффекту реактивности, вследствие чего темп нарастания мощности уменьшается. В какой-то момент давление внутри активной зоны, увеличивающееся благодаря парообразованию при высокой температуре, станет настолько большим, что активная зона начнет разрушаться. Поскольку при этом объем активной зоны увеличивается, плотность вещества уменьшается, что приведет к уменьшению реактивности; причем незначительное расширение активной зоны вызывает резкое уменьшение реактивности. Реактор становится глубоко подкритичным, так что любая внешняя добавка реактивности не повлияет на дальнейшее развитие процесса. Таким образом, стадия разрушения завершается.
Результаты расчетов нескольких вариантов, проведенных на основе представленной модели, показали реальную возможность математического моделирования процесса разрушения активной зоны. Экспериментальные исследования на реакторе SEFOR подтвердили правильность описания кинетики обратной связи за счет доплеровского эффекта для активной зоны с оксидным топливом (см §6.6). Стрэттон [74] и Джексон [75] исследовали результаты эксперимента, в котором реактор KIWI-TNT малой мощности с замедлителем из графита, расположенный в пустыне штата Невада, выводился в критическое состояние на мгновенных нейтронах. Исследования показали хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных.

Вещества, участвующие в процессе разрушения активной зоны

При анализе аварийного процесса, кроме топлива, необходимо учитывать три других вещества, которые при увеличении температуры и давления способствуют разрушению активной зоны: натрий, газообразные продукты деления и сталь. Наличие натрия в активной зоне ограничивает возможность испарения топлива, следовательно, система сохраняет жесткость. В этом случае давление расплавленного топлива передается непосредственно жидкому натрию, что приводит к быстрому разрушению активной зоны [81].
По мнению некоторых специалистов, газообразные продукты деления, выделяемые расплавленным топливом, будут иметь более высокое давление по сравнению с топливом. Под действием этого давления активная зона может быть разрушена раньше, чем начнется испарение топлива. Прекращение аварии на более ранней стадии способствовало бы уменьшению опасных последствий, однако данный вопрос еще недостаточно изучен.
Температура плавления стальных конструкций меньше, чем топлива, и оба компонента хорошо смешиваются. Если нагревание стали происходит достаточно интенсивно, ее пары могут разрушить активную зону до того, как произойдет испарение топлива. Однако этот вопрос также требует исследования.

В. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

Первые программы, по которым рассчитывался процесс разрушения активной зоны, были одномерными (WEAK [82], МАХ [83], PAD [84]). Появление двухмерных программ, таких как MARS [85], VENUS [86, 87], POOL [88], KADIS [89], открыло новые возможности в исследованиях аварийных процессов. Почти все программы составлены на основе уравнений точечной кинетики и теории возмущений, за исключением программы PAD, которая использует метод решения нестационарного кинетического уравнения, удобный для анализа длительных процессов, происходящих после прекращения цепной реакции деления в активной зоне. Одна из модификаций программы VENUS, двухмерная программа пространственно- временной кинетики, позволяет проводить нейтронно-физические расчеты с высокой точностью. Серия программ SIMMER [71] предназначена для двухмерных расчетов кинетики реактора в процессе разрушения и на последующих стадиях.
Программа VENUS представляет собой расчетный инструмент для параметрического исследования процесса разрушения активной зоны. На рис. 15.24—15.27 представлены результаты расчета по программе VENUS аварийного процесса в активной зоне объемом около 1000 л, в которой отсутствует натрий (мягкая система).


Рис. 15.24. Изменение реактивности в аварийном режиме (ввод реактивности со скоростью 50 долл/с в активную зону при отсутствии натрия):
1 — результирующее значение реактивности; 2 — изменение реактивности в процессе разрушения активной зоны, 3 - доплеровский эффект

Рис. 15.25. Изменение мощности реактора в аварийном режиме ввода реактивности со скоростью 50 долл/с в активную зону при отсутствии натрия («мягкая система»)

Рис. 15.26. Исходная конфигурация активной зоны:
1 — внутренняя зона; 2 — внешняя зона; 3 — боковой отражатель; 4 — верхний торцевой отражатель, 5 — нижний торцевой отражатель

Рис. 15.27. Изменение конфигурации активной зоны при отсутствии натрия в аварийном процессе ввода реактивности со скоростью 50 долл/с (к моменту прекращения цепной реакции деления).
1 — внутренняя зона; 2 — внешняя зона; 3 — боковой отражатель; 4 — верхний торцевой отражатель; 5 — нижний торцевой отражатель

Скорость линейного ввода реактивности принята равной 50 долл/с. Координатная сетка Лагранжа показывает значительную деформацию активной зоны в момент достижения максимального уровня мощности, однако эта деформация согласуется с положениями теории возмущений. Представляет интерес характер изменения реактивности. Уменьшение реактивности за счет отрицательного доплеровского коэффициента происходит одновременно с увеличением мощности. Разрушение активной зоны, происходящее позднее, также приводит к уменьшению реактивности, на этот раз — к очень быстрому.

Г. МОДЕЛЬ АВАРИЙНОГО ПРОЦЕССА, ПРЕДЛОЖЕННАЯ БЕТЕ И ТАЙТОМ

Поскольку первые расчеты, проведенные в аналитической форме Бете и Тайтом, имели целью ориентировочно оценить максимально возможное количество энергии, выделяемое при разрушении активной зоны, был принят ряд упрощающих допущений:

  1. использовались уравнения точечной кинетики;
  2. применялись методы теории возмущений (при незначительном перемещении элементов активной зоны);
  3. запаздывающие нейтроны не учитывались;
  4. не учитывался доплеровский эффект;
  5. использовалось приближение нулевого времени жизни мгновенных нейтронов;
  6. принималась сферическая система координат;
  7. активная зона рассматривалась как абсолютно гомогенная;
  8. плотность топлива считалась постоянной.

Справедливость третьего допущения была показана в отдельном анализе переходных процессов, определяемых мгновенными нейтронами.
Доплеровский эффект не учитывался, так как в большинстве реакторов первого поколения в США использовалось металлическое топливо (характеризуемое незначительным доплеровским коэффициентом). Использование сферической системы координат было продиктовано стремлением упростить технику расчета.
Основные особенности расчетных исследований, проведенных Бете и Тайтом, освещены в книгах Томсона и Бекерли [91], Виртца [92] и Льюиса [931 и здесь не рассматриваются. Однако целесообразно проанализировать конечные результаты расчетов, в частности для того, чтобы понять, почему доплеровский коэффициент, который имеет существенно большее значение о современных быстрых реакторах, способствует уменьшению количества выделяемой энергии. В соответствии с расчетной моделью Бете—Тэйта ввод реактивности происходит по линейному закону до того момента, когда плотность энерговыделения достигает порогового значения. Затем следует быстрый рост внутреннего давления, что приводит к разрушению активной зоны. Когда отрицательная реактивность компенсирует начальную положительную реактивность, переходный процесс прекращается. По данным, приведенным Льюсом [93], зависимость энерговыделения активной зоны, Дж/м3, за время переходного процесса от основных параметров можно представить в двух вариантах:

(15.24)
(15.25)

где ρ' — добавочная реактивность, характеризующая надкритические условия на мгновенных нейтронах; А — радиус активной зоны; а — скорость линейного ввода реактивности; Л — время генерации нейтронов.
Из формул видно, что удельное энерговыделение определяется суммарной реактивностью, введенной до момента разрушения активной зоны, и скоростью ее ввода. Кроме того, энерговыделение резко возрастает с увеличением объема активной зоны, что представляет серьезную проблему для быстрых реакторов (однако существуют факторы, способствующие уменьшению мощности реактора, например, доплеровский эффект). Рассматриваются другие варианты уравнения (15.25), предполагающие меньшее влияние параметров а и Л на тепловыделение активной зоны (см., например, [94]). Тем не менее рассмотренные выше формулы получили наиболее широкое распространение благодаря их подтверждению экспериментальными данными.
Из уравнения (15.25) следует, что при изменении реактивности за счет разрушения активной зоны энерговыделение увеличивается с уменьшением Л. Качественно другая картина имеет место при действии мгновенной отрицательной обратной связи (доплеровский эффект). Как показано в работе [92], в этом случае плотность энерговыделения пропорциональна величине (а۸)1/2. Изменение вида функции е — f(۸) объясняется тем, что обратная связь по реактивности, обусловленная разрушением активной зоны, действует с запаздыванием из-за инерционности процесса разрушения. Как показано в примечании к уравнению (15.19), вторая производная р'р прямо пропорциональна градиенту давления, который, в свою очередь, пропорционален плотности энерговыделения; поэтому суммарное значение р’р изменяется медленнее, чем энерговыделение. Это видно на рис. 15.24 и 15.25. Таким образом, если прекращение аварийного процесса вызвано введением отрицательной реактивности при разрушении активной зоны, выделяется большое количество тепловой энергии благодаря малому времени генерации нейтронов. Напротив, при действии мгновенной отрицательной обратной связи малое время генерации нейтронов способствует быстрому прекращению реакции деления в активной зоне.

Усовершенствование расчетной модели аварии Бете—Тайта. Модель аварии, предложенная Бете и Тайтом, в первоначальном варианте дала возможность исследовать в общем виде аварийный процесс разрушения активной зоны; на ее основе были проведены количественные оценки характеристик аварийных режимов реактора. Как видно из уравнения (15.25), удельное энерговыделение, рассчитанное по этой модели, быстро растет с увеличением объема активной зоны. Для реакторов небольшой мощности (EBR-2, «Энрико Ферми»), существовавших в то время, когда была разработана модель, количество выделяемой энергии, соответствующее предельной расчетной оценке, не превышало допустимых значений (даже при высокой скорости ввода реактивности). Однако расчеты, проведенные по этой методике применительно к реакторам с активной зоной большого объема, показали, что энерговыделение достигает опасных значений. В связи с этим возникла необходимость повышения точности расчетной модели за счет введения ранее не учитываемых факторов. Затем в целях усовершенствования модели было введено численное интегрирование уравнений, приведенных в данном параграфе, с учетом всех составляющих обратной связи по реактивности.
Основные уточнения коснулись уравнения состояния и коэффициентов, учитывающих доплеровский эффект. Поскольку тепловыделение в реакторе прекращается в результате разрушения активной зоны, необходимо учитывать факторы, способствующие росту внутреннего давления.


Рис. 15.28. Типичная зависимость количества энергии, выделяемой при разрушении активной зоны быстрого реактора-размножителя, от значения доплеровской постоянной. Исходное состояние активной зоны — холодное: температура топлива 300 К, мощность 0,54 МВт. Сплошная линия — скорость ввода реактивности 100 долл/с; штриховая линия — 50 долл/с

Рис. 15.29. Изменение мощности со временем для двух значений доплеровской постоянной: —0,0045 (сплошная линия) и —0,005 (штриховая линия). Начальная мощность 0,54 МВт, скорость ввода реактивности 100 долл/с

Рис. 15. 30. Кривые роста температуры для двух значений доплеровской постоянной: —0,0045 (сплошная линия) и —0,005 (штриховая линия). Начальная мощность 0,54 МВт, скорость ввода реактивности 100 долл/с

Рис. 15.31. Результирующие кривые изменения реактивности для двух значений доплеровской постоянной: —0,0045 (сплошная линяя) и —0,005 (штриховая линия). Начальная мощность 0,54 МВт, скорость ввода реактивности 100 долл/с:
1 — полное значение реактивности; 2 — эффект расширения активной зоны

Первые уточняющие поправки в методику Бете—Тайта были введены Николсоном [95]. Уравнения состояния, используемые в современных вариантах методики, были рассмотрены выше, в п. Б.
Мейер и Вулф первыми убедительно доказали, что благодаря доплеровскому эффекту энерговыделение при аварии на реакторах большой мощности значительно ниже уровня верхней предельной опенки. Характерная зависимость выделяемой энергии* от доплеровской постоянной представлена на рис. 15.28 для двух значений скорости ввода реактивности. Как показано на рисунке, коленообразный характер кривой наблюдается в окрестности Tdk/dT = —0,002; с уменьшением доплеровской константы ниже этого значения (по модулю) происходит резкий рост выделяемой энергии. Тем самым обнаруживается дополнительный важный аспект роли доплеровского эффекта в безопасности реактора с жидкометаллическим теплоносителем.
На кривых рис. 15.28 видны резко выраженные осцилляции. Для их объяснения рассмотрим аварийный процесс, вызванный линейным вводом реактивности со скоростью 100 долл/с при двух значениях доплеровской постоянной: —0,0045 и —0,005. Из рисунка видно, что во втором случае полное количество выделенной энергии больше. На рис. 15.29 показаны кривые, характеризующие изменение мощности реактора в аварийном режиме. Видно, что первый максимум мощности для Ко = —0,0045 больше, чем для варианта Ко —0,005, что объясняется различным действием доплеровского эффекта. Температура топлива, как показано на рис. 15.30, увеличивается незначительно (предполагается, что начальная температура активной зоны равна комнатной, т. е. мощность реактора равна нулю), и давление внутри топливной массы мало. Вследствие ввода реактивности (с постоянной скоростью 100 долл/с) в некоторый момент наступает критичность на мгновенных нейтронах (рис. 15.31), и возникает второй всплеск мощности. Максимум второго пика на рисунке также имеет большее значение для Kd = —0,0045. Рост температуры на этот раз будет более заметным. Процесс повторяется до тех пор, пока в результате разогрева топлива внутреннее давление не достигнет значения, при котором происходит разрушение активной зоны. При Ко - 0,0045 это состояние наступает после четырех импульсов мощности, а при Kd —0,005 — после пяти импульсов. Именно поэтому во втором случае полное количество выделенной энергии больше, чем в первом, несмотря на больший (по модулю) доплеровский коэффициент. Если константа К незначительно превышает значение —0,005, пяти импульсов мощности достаточно для доведения температуры и давления топлива до предельных значений, при которых происходит разрушение активной зоны. Дальнейшее уменьшение количества выделяемой энергии с ростом модуля доплеровского коэффициента потребует увеличения необходимого количества импульсов мощности.
Несмотря на то, что сложная форма кривых, представленных на рис. 15.28, определяется в какой-то мере точностью расчетов, общий характер зависимости убедительно показывает, что количество выделяемой энергии при разрушении активной зоны может быть значительно уменьшено, если модуль доплеровского коэффициента достаточно велик.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ

  1. Дайте краткую характеристику каждой из семи стадий неконтролируемого аварийного процесса на реакторе БН, описанных в § 15.2.

* На рисунке приводятся значения энергии, выделенной в течение аварийного процесса.

  1. Возьмите одно уравнение сохранения в системе Эйлера и покажите, что перевод его в систему Лагранжа может быть сделан с помощью следующего соотношения:

  1. Какие физические процессы описываются каждым членом уравнения количества движения (15.2а) и уравнения энергии (15.3а)?
  2. Что начинается раньше: плавление топлива или кипение натрия:
  3. в аварийном процессе с повышением мощности; 2) в аварийном процессе с ухудшением теплоотвода?
  4. а) Какое значение имеет большое число каналов, включенных в состав модели аварийного процесса с повышением мощности?

б)           В какой точке по высоте активной зоны наиболее вероятно разрушение твэла в случае аварии с повышением мощности?
в)           Что такое «вымывание топлива» из активной зоны?

  1. а) На каком участке по высоте активной зоны начинается кипение натрия в аварийном процессе с ухудшением теплоотвода?

б)           Где пары натрия остаются в течение нескольких десятых секунды после начала кипения?
в)           При каких условиях происходит испарение жидкостной пленки, захват жидкости потоком пара, образование волн на поверхности пленки?

  1. а) Что такое переходная стадия гипотетической аварии разрушения активной зоны?

б)           Каким образом может произойти закупоривание проходного сечения активной зоны на переходной стадии аварийного процесса?
в)           Дайте описание различных моделей процесса затвердевания расплавленного топлива.
г)           Что такое «открытая» и «закрытая» активная зона применительно к условиям переходной стадии?
д)           Какое значение имеет характер кипения в активной зоне в переходной стадии аварии?

  1. а) Если активная зона находится в состоянии, близком к разрушению, какие отрицательные эффекты реактивности воздействуют на ход аварийного процесса?

б)           Какие события могут послужить причиной введения положительной реактивности, которая приводит к разрушению активной зоны?
в)           На рис. 15.24 показано, что результирующее значение реактивности колеблется около 1 долл, в течение длительного времени. Объясните причину этого.
г)           Почему скорость ввода реактивности за счет натриевого пустотного эффекта можно принять постоянной во время разрушения активной зоны?

  1. а) Благодаря чему расчет реактивности, обусловленной разрушением активной зоны, достаточно точно можно провести на основе теории возмущений?

б)           Каковы возможные причины роста давления внутри активной зоны, приводящего к ее разрушению?
в)           В чем разница между «жесткой» и «мягкой» системой применительно к активной зоне в процессе разрушения?



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