ГЛАВА ШЕСТАЯ
УПРАВЛЕНИЕ МОЩНОСТЬЮ ЯДЕРНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ
Как указывалось в гл. 3, для управления мощностью реактора необходимо изменять эффективный коэффициент размножения нейтронов k. В энергетических реакторах это может осуществляться либо добавлением (удалением) некоторого количества топлива в активную зону, либо введением (выведением) в зону специальных поглотителей нейтронов. В качестве поглотителей используются вещества, содержащие изотопы, интенсивно захватывающие нейтроны бор 10В, кадмий 113Cd, европий 151Еи или гафний 174Hf При этом добавление топлива в зону увеличивает коэффициент размножения k, а введение поглотителей уменьшает. Основным способом изменения количества топлива или поглотителя в зоне является механическое перемещение исполнительных органов, содержащих соответствующие вещества В реакторах типа ВВЭР кроме механических органов используется введение поглотителя добавлением борной кислоты (содержащей 10В) в теплоноситель первого контура. С точки зрения воздействия на реактивность оба эти способа эквивалентны. Но изменение концентрации бора из-за малой скорости его выведения из контура обычно применяется для компенсации медленных изменений реактивности в процессе кампании реактора. Оперативное (быстрое) регулирование мощности осуществляется механическим перемещением исполнительных органов.
В энергетических реакторах в качестве механических исполнительных органов используются стержни или пластины, содержащие поглотители нейтронов. Применяется также перемещение топливной сборки по высоте, благодаря чему можно вводить горючее в зону. Некоторые исполнительные органы выполнены комбинированными: они содержат как топливо, так и поглотитель. Перемещение такого органа одновременно увеличивает количество топлива в зоне и уменьшает количество поглотителя, что повышает эффективность воздействия на реактивность. Реактивность (изменение коэффициента размножения), которая вносится в реактор при перемещении исполнительного органа из одного крайнего положения в другое, называется эффективностью исполнительного органа Иногда эффективность также называют «весом» исполнительного органа. Термин «вес» не следует путать с силой тяжести.
Исполнительные органы обычно располагаются в реакторе вертикально, с тем чтобы при освобождении они могли перемещаться под действие силы тяжести. При таком движении топливо должно выводиться из зоны, а поглотитель вводиться, что приводит к уменьшению коэффициента размножения, например при аварийном обесточении приводов.
При движении исполнительного органа вдоль оси активной зоны реактивность, которая вносится при его перемещении на 1 см, неодинакова и зависит от распределения нейтронного потока в реакторе. Обычно быстрее всего изменяется реактивность при движении органа вблизи средней плоскости реактора, где поток максимален (рис. 6 1). Вблизи границы активной зоны эффективность перемещения стержня очень мала. Для сигнализации положения органа на нем устанавливаются путевые ПВ и конечные КВ выключатели. Обычно устанавливаются пять выключателей: нижние (НКВ и НПВ), верхние (ВПВ и ВКВ) и средний СПВ (рис. 6.1). Сигналы от выключателей используются и в системе автоматики.
Реактивность, вносимая исполнительным органом в единицу времени, называется его скоростной эффективностью р. Она может быть вычислена как
где v—максимальная скорость перемещения исполнительного органа.
Рис 61 Эффективность исполнительного органа реактора в зависимости от его положения в активной зоне
Очевидно, что при движении органа с постоянной скоростью его скоростная эффективность не постоянна и максимальна при движении вблизи средней плоскости реактора.
Усилие, необходимое для перемещения исполнительных органов, создается электромеханическим, пневматическим или гидравлическим приводом. Наибольшее распространение получили электромеханические приводы (см. §6.2). По назначению исполнительные органы реактора делятся на аварийные, компенсирующие и регулирующие.
Поглотители аварийных органов во время работы реактора находятся вне активной зоны и в случае появления аварийного сигнала вводятся в нее. Запас реактивности этих органов должен быть достаточен для надежного гашения цепной реакции. Компенсирующие органы при извлечении увеличивают реактивность, которая теряется в таких медленно протекающих процессах, как выгорание топлива и накопление продуктов деления Эти органы также компенсируют мощностные и температурные эффекты реактивности, возникающие при значительных изменениях мощности, например при пусках реактора.
Регулирующие органы используются для компенсации быстрых изменений реактивности и вывода реактора на требуемый уровень мощности. Следует отметить, что в некоторых типах реактора эти функции органов управления объединяются. Так, могут быть объединены функции компенсации и регулирования, а органы управления реакторов типа ВВЭР, как правило, выполняют все три функции.
Конструкции исполнительных органов могут быть самыми разнообразными и определяются конструкцией реактора. Они могут либо располагаться в «сухих» каналах, т. е. каналах, герметизированных относительно теплоносителя, либо перемещаться непосредственно в теплоносителе.
Рис 6 2 Устройство компенсирующей кассеты
Охлаждение исполнительного органа, расположенного в среде теплоносителя, осуществляется последним, а исполнительные органы, размещаемые в сухих каналах, как правило, охлаждаются газом под небольшим давлением Обычно для этой цели применяется гелий или азот.
Конструктивно вытеснение топлива организуется следующим образом: топливная кассета имеет насадку, выполненную из поглощающего материала (рис. 6.2). При перемещении такой кассеты часть топлива выводится за пределы активной зоны и замещается поглотителем нейтронов. Основным недостатком такой конструкции является большая масса (200—300 кг) и, следовательно, большое тяговое усилие привода, необходимо для перемещения такого органа.
Применение стержней разнообразных сечений (рис. 6.3), располагаемых между топливными кассетами или внутри топливной кассеты с поглощающей насадкой приводит к ухудшению распределения нейтронного поля внутри объема реактора, так как в местах их расположения нейтронный поток резко спадает. Лучшие результаты дает применение так называемых кластеров, т. е. достаточно тонких поглощающих элементов, располагаемых внутри топливных кассет и перемещаемых одним приводом (рис. 6.4). В случае достаточно большого числа кассет с кластерами неравномерность нейтронного поля реактора получается существенно меньшей, чем в случае использования стержней управления другого типа той же эффективности.
Рис 6 3 Расположение стержней управления в топливных кассетах
а — расположение поглощающего стержня между топливными кассетами шестигранного сечения, — расположение поглощающего стержня между топливными кассетами квадратного сечения, в — расположение поглощающего стержня внутри топливной кассеты, 1 — топливные кассеты, 2 — тепловыделяющие элементы. 3 — поглощающие стержни
В реакторах типа ВВЭР-440 применяются исполнительные органы унифицированного типа, выполняющие все три функции и изготавливаемые в виде топливных кассет с насадкой из поглощающего материала. В реакторах ВВЭР-1000 для целей управления используются кластеры. Как в том, так и в другом случае органы регулирования объединяются в группы, причем имеется возможность перемещать их индивидуально и фиксированными группами. Как правило, имеется возможность формировать произвольную группу органов управления.
В реакторах с графитовым замедлителем исполнительные органы обычно располагаются в сухих каналах, проходящих через замедлитель.
Рис 6 4 Топливная кассета с кластером
1 — топливная кассета, 2 — тепловыделяющие элементы, 3 — поглощающие стержни, 4 — дистанционирующая решётка
Кроме изменения общей мощности реактора на исполнительные органы возлагается также задача выравнивания пространственного распределения поля энерговыделения. Как известно, неравномерность энерговыделения приводит к местным перегревам тепловыделяющих элементов, а также к неравномерному выгоранию топлива по активной зоне, сокращает кампанию реактора, ухудшает коэффициент использования топлива. Это снижает безопасность реактора, ухудшает его экономические показатели работы, что, конечно, недопустимо. В связи с этим и возникает упомянутая выше задача. Различают выравнивание поля по радиусу реактора, при котором добиваются, чтобы неравномерность тепловыделения всех сборок по радиусу реактора была минимальной, и выравнивание поля по высоте, при котором добиваются минимальной неравномерности тепловыделения па высоте реактора.
Выравнивание тепловыделения по сечению производится теми же органами, что и изменение общей мощности реактора. При этом органы, содержащие поглотитель, вводятся в те части сечения реактора, где наблюдается превышение тепловыделения над средним.
Рис 6.5. Выравнивание поля тепловыделения в реакторе.
а — выравнивание поля по радиусу реактора, положение стержней до выравнивания, о — выравнивание поля по радиусу реактора, положение стержней после выравнивания, в — выравнивание поля по высоте при снижении мощности реактора, г — выравнивание поля по высоте при повышении мощности реактора, АЗ — активная зона, I—мощность 100% номинальной, II — т=0, мощность 50 номинальной, /// — t= 8 ч, мощность 50% номинальной, IV — =8 ч, мощность 100% номинальной, V — мощность 100% номинальной, выравнивание поля, VI — завершение процесса выравнивания, мощность 100% номинальной
На рис. 6 5,а, б показан пример такого выравнивания. Представлен ход тепловыделения в плоскости, проходящей через вертикальную ось реактора, и положение поглощающих стержней до выравнивания (а) и после него (б).
На рис. 6 5,а, б условно показано движение только двух стержней, в действительности такое выравнивание обычно производится движением большего числа стержней. Выравнивание по радиусу реактора может также производиться движением кассет, содержащих топливо.
Для сохранения общего коэффициента размножения постоянным в тех частях сечения, где наблюдается понижение тепловыделения по отношению к среднему, поглотители выводятся.
В реакторах типа ВВЭР наилучшее выравнивание поля по объему зоны достигается применением комбинированного метода—введением жидкого поглотителя (борной кислоты) и выведением за пределы активной зоны всех твердых поглотителей за исключением одной группы исполнительных органов, размещаемых, как правило, в центральной части зоны, т. е. там, где нейтронный поток максимален.
Выравнивание тепловыделения по высоте обычно производится с помощью укороченных стержней, длина поглощающей части которых составляет около 1/2 полной высоты активной зоны. При отсутствии перекосов поля по высоте , укороченные стержни находятся в крайнем верхнем положении (вне активной зоны).
Одной из основных причин неравномерности энерговыделения по высоте реактора являются пространственные колебания мощности, связанные с периодическим перераспределением по объему активной зоны концентрации 135Хе и наличием обратной связи между этой концентрацией и мощностью, — так называемые ксеноновые колебания Вероятность этих колебаний возрастает с увеличением размеров реактора, а также в случае возмущений в распределении мощности. При снижении мощности реактора, например, на 50% (рис. 6.5,в) путем введения в активную зону стержней управляющей группы 2 происходит искажение поля 1. Для его компенсации в нижнюю часть зоны вводят группу укороченных стержней 3. При подъеме мощности до номинальной произойдет «выпучивание» поля энерговыделения в верхней части активной зоны, которое компенсируется перемещением стержней 3 вверх (рис 6 5,г). Процесс управления завершается полным извлечением всех стержней за пределы активной зоны.
Конструкция исполнительных органов и их приводов должна удовлетворять требованиям ядерной безопасности, т. е. исключать возможность неконтролируемого разгона реактора. Все органы должны иметь указатели положения и конечные выключатели. Должна быть исключена возможность ввода положительной реактивности с помощью регулирующих или компенсирующих органов, если органы аварийной защиты не взведены (не находятся в верхнем положении). Скорость введения положительной реактивности исполнительным органом при его движении с максимальной скоростью не должна превышать 0,07 р с-1 (р— доля запаздывающих нейтронов, см. § 3 2). Если эффективность исполнительного органа превышает 0,7 р, то при ручном управлении им введение дополнительной реактивности должно 'быть шаговым с весом шага не более 0,3 р Шаговое движение означает, что при повороте ключа управления в положение «вверх» движение будет продолжаться только ограниченное время, после чего исполнительный орган автоматически остановится. Дальнейшее движение вверх может начаться только после того как оператор возвратит ключ в нейтральное положение, а затем снова повернет его в положение «вверх» Шаговое движение уменьшает вероятность ввода избыточной положительной реактивности из-за неправильных действий оператора.
При наличии в реакторе разнородных исполнительных органов должно быть организовано взаимодействие между регулирующими органами Наиболее просто такое взаимодействие реализуется с помощью путевых выключателей (рис. 6 1). Если в процессе работы (например, компенсации эффектов выгорания) регулирующий орган достигает верхнего путевого выключателя, ВПВ включает компенсирующий орган на движение вверх. Это вызывает небольшое увеличение мощности, которое воспринимается регулятором и заставляет двигаться регулирующий орган вниз. При достижении регулирующим органом среднего путевого выключателя СПВ движение компенсирующего органа прекращается. При достижении регулирующим органом НПВ операции производятся в обратном порядке. Таким образом, регулирующий орган все время находится в зоне наибольшей эффективности.
В реакторе БН-600 управление осуществляется следующими исполнительными органами: регулирующими стержнями (PC), компенсирующими пакетами (КП), центральным температурным компенсатором (ЦТК) и стержнями аварийной защиты (АЗ). PC, ЦТК и АЗ содержат поглотитель. Так как присутствие больших количеств поглотителя в реакторе на быстрых нейтронах снижает коэффициент воспроизводства горючего, при работе на мощности стержни АЗ и ЦТК должны быть выведены из зоны, а компенсация эффектов реактивности производится перемещением КП, содержащих горючее. Управление ЦТК и КП производится следующим образом. При достижении PC одного из путевых выключателей ПВ (верхнего или нижнего) производится автоматическое перемещение ЦТК (вверх или вниз)' до тех пор, пока PC не возвратится на средний ПВ. Если при подъеме мощности реактора ЦТК достигнет верхнего концевого выключателя, то управление от PC передается на блок группового управления КП, который осуществляет их последовательное перемещение до возвращения PC на средний ПВ. Если при подъеме мощности реактора ЦТК достигнет верхнего конечного выключателя, то управление от PC передается на блок группового управления КП, который осуществляет их последовательное перемещение до возвращения PC на средний ПВ.
В современных реакторах типа ВВЭР все исполнительные органы реактора унифицированы, т. е. выполняют все три функции управление одновременно. Поэтому там не возникает задачи взаимодействия различного типа исполнительных механизмов. Однако в этом случае возникает задача автоматической передачи управления от одной группы исполнительных механизмов к другой.
Это достигается, так же как и при организации взаимодействия между разнородными исполнительными механизмами, с использованием сигналов от верхних и нижних ПВ. Средние ПВ в этом случае отсутствуют. Регулирование осуществляется группами исполнительных механизмов, и передача управления происходит по групповому сигналу ВПВ или НПВ, который формируется до достижения тремя-четырьмя исполнительными механизмами, входящими в движущуюся группу, этих положений. В промежутке между ВПВ и В КВ или между НПВ и НКВ движутся две группы, в результате чего достигается равномерное введение эффективности при движении группы как в середине активной зоны, так и вблизи ее краев.
