Предложения использовать отрицательные температурный и мощностной эффекты реактивности в водо-водяных реакторах для удлинения кампании выдвигаются в литературе начиная с начала 70-х годов в нашей стране [49, 59, 69] и за рубежом [2]. В дальнейшем такие разработки были расширены и внедрены на КолАЭС и НВАЭС [49, 69]. Эффективность такой работы реакторов типа ВВЭР следует считать теоретически и экспериментально доказанной.
В [2] кроме технико-экономических оценок увеличения кампании реактора важное место занимает анализ возможности и устойчивости работы АЭС в подобных режимах. Так, для ВВЭР-440 такие режимы при увеличении кампании возможны в случае непрерывного или ступенчатого уменьшения нагрузки со скользящим давлением, а также ступенчатого уменьшения нагрузки с постоянным давлением в ПГ. При эксплуатации с постоянным давлением в ПГ и непрерывным уменьшением нагрузки устойчивая работа в режиме продления кампании возможна только вблизи уровня номинальной мощности. В [2] предпринята попытка теоретически «устранить» существенный недостаток удлинения кампании блока — работу с постоянно понижающейся мощностью. Предложенный способ синусоидального изменения мощности с периодом от 20 до 30 ч позволяет в дневное время иметь большую нагрузку, чем в ночное. Это обеспечивает при многоставочных тарифах дополнительный выигрыш для энергосистемы при расчетах с потребителями. Такой закон изменения мощности испытывался в режиме удлинения кампании реактора на АЭС «Райнсберг» и «Грайсвальд» (ГДР).
В отечественных работах [49, 69] было показано, что при продлении кампании к существенно большему высвобождению реактивности (при концентрации бора в активной зоне близкой к нулю) приводит использование температурного эффекта или сочетание его с мощностным. Для приведения в соответствие уменьшающейся пропускной способности головной части турбины при снижении давления во втором контуре и тепловой мощности реактора, снижающейся в меньшей мере, были разработаны схемы байпасирования и отключения ПВД.
В режимах продления кампании обычно рассматриваются различные ситуации в энергосистеме. Наиболее характерными из них являются: наличие острого дефицита мощности к моменту плановой перегрузки топлива и возможность остановки энергоблока на перегрузку без ощутимых негативных последствий.
В этих случаях определение экономического эффекта в системе должно вестись с учетом реальных затрат на выработку на замещаемой станции.
Вместе с тем определение оптимальной длительности работы в режимах с продлением кампании — задача, некоторые аспекты которой остаются еще недостаточно выясненными [101].
Во-первых, сюда необходимо отнести оценку дополнительного выгорания части топлива, остающейся в активной зоне на следующий за перегрузкой цикл, и расчет подпитки. При переработке отработавшего топлива важна также оценка уменьшения стоимости выгружаемых твэлов вследствие снижения интегрального коэффициента накопления 239Ри и 241Ри при выгорании выше расчетного.
Во-вторых, важны методы учета системного эффекта от работы блоков в режиме продленной кампании с пониженной мощностью. Например, часто рассматриваются ситуации с острым дефицитом резерва мощности в этот период. По-видимому, следует учитывать также разовую или систематически повторяющуюся необходимость такого продления. В последнем случае (рис. 7.11) может наблюдаться ощутимая изменяемость по годам эффективной годовой кампании блока Тэф и, очевидно, необходимо оценивать среднее значение этой величины.
В-третьих, необходима оценка снижения надежности отпуска энергии энергоблоком в режимах с продлением кампании. Основная причина этого — увеличенная опасность попадания реактора в иодную яму (с большим временем восстановления). При работе на мощностном эффекте реактивности становятся недопустимыми даже небольшие снижения нагрузки из-за частичных отказов и неполадок. Кроме того, при этом общий ущерб определяется недоотпуском не только электроэнергии, но и тепла, поскольку мощные турбины АЭС обеспечивают тепловую нагрузку до 500 МВт из нерегулируемых отборов.
Рис. 7.11. График выработки электроэнергии по годам при повторяющихся обычной (а) и продленной (б) кампаниях
Рис. 7.12. Снижение интегрального коэффициента накопления плутония (кривая 1) и коэффициента суммарного содержания плутония и урана-235 (кривая 2) по мере продления кампании топлива
После продленной кампании в очередную перегрузку топлива для обеспечения очередного периода работы необходимо
большую часть кассет (чем после работы без продления) заменить новыми, либо оставить то же их число, но более высокого обогащения.
Предварительную оценку топливных затрат, связанных с продлением, проведем по типовым графикам выгорания U и накопления 239Pu и 241Pu в кассетах первой, второй и третьей загрузок для стационарного топливного цикла (см. рис. 3.2). Обогащение топлива подпитки для всех кассет условно усреднено.
В ряде случаев в энергосистеме важно продлить кампанию энергоблока хотя бы на часть времени работы при постоянной электрической мощности. Решению этого вопроса посвящены исследования ЛПИ по продлению кампании в условиях отключения ПВД и байпасирования ступеней ЦВД [49].
Можно предложить иной способ поддержания неизменной мощности в начальной фазе продления кампании. Ранее было показано, что в условиях поддержания заданного и неизменного DNBR при снижающейся в процессе выгорания неравномерности энерговыделения можно обеспечить повышение тепловой мощности реактора. Второй путь практической реализации эффекта выравнивания полей в ходе выгорания — плавное повышение средней температуры теплоносителя в первом контуре.
Начиная с момента достижения нулевого запаса реактивности, продление кампании можно было бы осуществлять реализацией только отрицательного температурного эффекта. При этом снижение температуры в первый период (до номинального значения) не сопровождалось бы снижением мощности.
Расчеты показали, что одновременно за счет экономии тепла можно было бы добиться дополнительного продления кампании от 3 до 5 эф. сут.
В энергосистемах с несколькими параллельно работающими энергоблоками возникает задача поиска рационального распределения во времени остановок реакторов для перегрузок топлива и оптимального продления τκ для каждого из них. При этом должно выполняться условие прохождения осенне-зимних максимумов нагрузки и достижения максимального общего эффекта от удлинения кампаний реакторов.
Необходимы дальнейшие разработки универсальной и простой методики для обоснования целесообразности и оптимальности продления кампании в разных конкретных ситуациях в энергосистеме, которой можно пользоваться на АЭС. Температурный и мощностной эффекты реактивности могут быть использованы в практике эксплуатации энергоблоков АЭС с ВВЭР не только для продления кампании и увеличения глубины выгорания топлива. Существует возможность компенсации нестационарного ксенонового отравления в течение значительной части кампании посредством отрицательного температурного эффекта реактивности.
Рис. 7.16. Использование температурного эффекта реактивности совместно с борной системой для увеличения регулировочного диапазона ВВЭР во время топливного цикла
При этом на систему борного регулирования возлагается задача компенсации только медленных эффектов выгорания. Необходимая производительность борной системы регулирования и ее стоимость снижаются, упрощается баковое хозяйство. Вторая составляющая эффекта заключается в повышенных возможностях преодоления эффектов ксенонового отравления.
В ходе кампании увеличиваются возможности использования температурного эффекта реактивности, что позволяет улучшить и выровнять маневренные способности ВВЭР во времени путем изменения средней температуры теплоносителя.
Мощностной эффект реактивности, связанный с изменением температуры топлива, в конечный период кампании примерно в 5 — 6 раз ниже, чем растущий в течение кампании температурный эффект, и не оказывает существенного влияния на ход процесса продления кампании.
Об использовании в США температурного регулирования для повышения маневренности АЭС с PWR уже говорилось (см. § 1.2).
Повышение маневренности при таком комбинированном способе регулирования показано на рис. 7.16.
Здесь кривая 1 характеризует возможности только системы борного регулирования для компенсации отравления в процессах любых изменений нагрузки. Изменения температуры теплоносителя в этом случае не предусматриваются. Кривые 2' и 3` показывают возможность компенсации ксенонового отравления только изменением температуры теплоносителя на Δt2 и Δt3 соответственно (причем Δί1<Δί2).
Линейная зависимость значений компенсации нестационарного отравления от момента кампании обусловлена характером изменения в ходе выгорания температурного эффекта реактивности.
Совместное использование системы борного регулирования и температурного эффекта при снижении температуры (алгебраическое суммирование кривой 1 и кривых 2' и 3') позволяет расширить область, где возможна компенсация ксеноновых процессов (кривые 2 и 3).
Необходимы дополнительные исследования этого способа регулирования с учетом всего комплекса факторов, включая безопасность переходных режимов.
