Физические исследования ВВЭР - Эксперименты при перегрузках топлива

Такие нейтронно-физические характеристики активной зоны реактора ВВЭР, как запас и остаточная реактивность, эффективность поглощающих кассет и борной кислоты, коэффициенты реактивности (температурный и мощностной), отравление ксеноном по-разному зависят от загрузки и степени выгорания топлива, а также от рабочих параметров активной зоны: температуры, давления, концентрации борной кислоты в замедлителе. В процессе эксплуатации и перегрузок, вследствие выгорания в ходе кампании топлива и бора структура активной зоны постоянно меняется. Для обеспечения надежного и экономичного режима эксплуатации реактора должна быть точно известна зависимость нейтронно-физических характеристик от названных параметров активной зоны. На основании опыта эксплуатации АЭС с реакторами ВВЭР выбраны серии экспериментов и определена их последовательность, позволяющие исследовать эти зависимости [46].
Перед перегрузкой после снижения мощности до минимально контролируемого уровня на выгоревшей зоне измеряется эффект нестационарного отравления реактора 135Хе. При снижении мощности падает температура замедлителя; при этом высвобождается положительная реактивность, обусловленная отрицательным температурным эффектом, благодаря чему реактор даже при максимальной степени выгорания топлива может поддерживаться в околокритическом состоянии, необходимом для проведения экспериментов. Снижение температуры замедлителя до установления стационарного уровня, определяемого имеющейся в момент снижения мощности избыточной реактивностью зоны, должно осуществляться с максимально возможной скоростью. Для конца кампании эта температура остается на уровне 200° С. К настоящему времени на действующих реакторах ВВЭР уже получена информация о величине этого эффекта, однако рассматривать ее как исчерпывающую нельзя. Сведения, получаемые при измерениях, проводимых в начале и конце кампании, дают возможность выяснить влияние выгорания на эффект нестационарного отравления реактора.
При расхолаживании активной зоны реактора проводятся измерения температурных коэффициентов реактивности динамическим методом. После стабилизации температуры около 100° С проводится контроль, за симметрией выгорания топлива в активной зоне. Метод аналогичен используемому при физическом пуске реактора. Далее проводится контроль за состоянием топливных кассет (КТО) в целях обнаружения твэлов с негерметичными оболочками.
Мощные АЭС с реакторами ВВЭР работают в непрерывном режиме с плановыми остановками лишь на очередную перегрузку топлива. Станции имеют системы спецводоочистки, достаточную биологическую защиту, поэтому нарушение герметичности отдельных твэлов в кассетах хотя и имеет место, но не служит основанием для их остановки вследствие того, что циркуляция теплоносителя через кассету не нарушается. Разрушение оболочки твэла приводит к тому, что в теплоноситель в основном попадают летучие и растворимые продукты деления, а сама двуокись урана практически не размывается.
При остановках станций на перегрузку топлива проводится контроль за состоянием топливных кассет и последующая замена поврежденных. Метод контроля за герметичностью оболочек твэлов на остановленном реакторе основан на измерении удельной активности ¹³²I в пробе воды, взятой из кассеты [47]. Выбор для детектирования этого изотопа определялся такими качествами его и предшественника ¹³³Те, как сравнительно большие выход ¹³²Те при делении урана и скорость выделения из негерметичного твэла; периоды полураспада ¹³²Те 3,24 сут, позволяющие проводить измерения в сжатые сроки, и 2,3 ч у ¹³²I, что дает возможность за время ~10 мин получить достаточную активность пробы; высокая сорбционная способность ¹³²Tei, благодаря которой он оседает вблизи мест повреждения оболочки твэла; удобное для регистрации γ-излучение ¹³²I с энергиями 670 и 773 кэВ, испускаемое каскадно с выходами 100 и 86% соответственно.
Измерения проводятся при снятой крышке реактора на размещенных в активной зоне кассетах по следующей схеме: промывание кассеты чистой водой, заполнение ее также чистой водой вместо теплоносителя на время ~10 ч, затем отбор пробы и регистрация γ-активности ¹³²I в пробе по методу γ—γ-совпадений. Таким методом проводился контроль за состоянием кассет при перегрузках топлива на реакторах Нововоронежской, Кольской АЭС и АЭС в Райнсберге.
В реакторе ВВЭР для снижения расхода топлива при заданной глубине выгорания принят режим частичных перегрузок топлива в течение кампании. Обеспечению ядерной безопасности при проведении работ по перегрузке придается большое значение. Выбирается оптимальный принцип перегрузки, при использовании которого реактивность, вносимая в активную зону реактора единовременно, минимальна. Она обусловливается разностью размножающих свойств свежезагружаемой и выгоревшей кассет. Очевидно, что работы ведутся при постоянном контроле за физическим состоянием активной зоны.
Для повышения эффективности работы АЭС количество перегрузок и время, затрачиваемое на них, должно быть сокращено до минимума, а остановка станции должна использоваться также для планово-предупредительного ремонта оборудования. Для реактора ВВЭР-440 принят режим трех частичных перегрузок за кампанию, т. е. раз в год. Такой режим хотя и не является идеальным и наиболее экономичным для реактора ВВЭР, как режим непрерывной перегрузки топлива, однако оказывается достаточно экономичным.
Для всех реакторов ВВЭР выбран режим перегрузки с движением топлива по зоне, при котором топливные кассеты из центральной части активной зоны с сильновыгоревшим топливом извлекаются и заменяются периферийными со слабовыгоревшим топливом. В периферийную часть активной зоны устанавливаются свежие топливные кассеты. Режим перестановки топлива по зоне одинаков для всех перегрузок. Выбранный режим обеспечивает хорошее выравнивание энерговыделения по активной зоне. Перестановка топливных кассет по активной зоне дала возможность на реакторах первого поколения превзойти проектную глубину выгорания топлива на 25%, благодаря чему соответствующим образом снизилась топливная составляющая себестоимости электроэнергии.
Способ регулирования мощности реактора существенно влияет на компоновку загрузок активных зон. Благодаря использованию жидкостного борного регулирования удалось почти полностью вывести компенсирующие кассеты большой эффективности из активной зоны — рабочая группа поглотителей при работе реактора погружена менее чем наполовину. Это позволило существенно снизить максимальное значение объемного коэффициента неравномерности энерговыделения по активной зоне, значение которого превосходило 1,5 уже при мощности 50% номинальной во время исследований, проводимых при пуске II блока НВАЭС. Благодаря этому в реакторах ВВЭР-440 наблюдается более равномерное, чем в реакторе ВВЭР-210, содержание шлаков в топливных кассетах активной зоны.. Увеличение начального запаса реактивности на выгорание топлива, возможное при использовании жидкостного борного регулирования, продлило на 30% кампанию между перегрузками. Кроме того, наличие борной кислоты в активной зоне реактора существенно упростило процесс перегрузки топлива. Основное преимущество по сравнению с перегрузкой без борной кислоты — отказ от громоздкого и неудобного перегрузочного оборудования (системы ПАЗ—ПСКЗ) и высокая ядерная безопасность работ.
Очередной оптимальный вариант загрузки топлива определяется расчетом, причем основными исходными предпосылками можно считать [47] удаление из зоны кассет с наибольшим выгоранием при соблюдении сроков эксплуатации (3—4 года) в стационарном режиме; загрузку в активную зону такого количества свежего топлива, которое обеспечит необходимый запас реактивности до следующей перегрузки, и обеспечение необходимого коэффициента неравномерности энерговыделения в активной зоне и необходимой подкритичности зоны в холодном состоянии. Первое и последнее из рассматриваемых требований противоречивы, поэтому расчеты очередной загрузки зоны —  задача весьма трудоемкая.
На практике, однако, очень часто приходится отклоняться от определенного расчетом плана перегрузки топлива вследствие нарушения герметичности оболочек твэлов. Быстрая оценка влияния таких отступлений на ожидаемую величину запаса реактивности затруднена, поэтому достоверные сведения о запасе реактивности реактора после перегрузки получают экспериментально.
После окончания перегрузки топлива при закрытой крышке осуществляют физический пуск реактора с определением критической концентрации борной кислоты. На минимально контролируемом уровне мощности проводят эксперименты, цель которых — обеспечить наиболее рациональный режим эксплуатации реактора. На холодной активной зоне при температуре замедлителя 100°С определяется запас реактивности, эффективности, эффективность групп стержней регулирования и компенсации реактивности (дифференциальная и интегральная).
После перегрузок топлива и в процессе эксплуатации реактора физические свойства зоны постоянно меняются и существенно отличаются от свойств зоны со свежезагруженным топливом, на которой проводили исследования. Поэтому измерения эффективности органов регулирования необходимо периодически проводить также и на действующем реакторе. Дифференциальная эффективность стержней, кроме того, сильно зависит от неравномерности выгорания топлива (загрузки) по зоне. После перегрузки обязателен контроль симметрии размножающих и поглощающих свойств активной зоны, отклонения от которой могут возникнуть вследствие неплановой замены негерметичных кассет.
При разогреве теплоносителя определяются температурные эффекты и коэффициенты реактивности. Эти измерения дают возможность оценить влияние выгорания топлива на температурные коэффициенты реактивности. При выгорании топлива отрицательный температурный коэффициент увеличивается по сравнению со значением, полученным для свежезагруженной активной зоны вследствие увеличения макроскопического сечения шлаков.
Эксперименты желательно проводить при различной концентрации борной кислоты в замедлителе. При нагревании раствора борной кислоты высвобождается положительная реактивность, величина которой зависит от концентрации бора. Этот эффект вызван снижением объемной концентрации бора и может привести к неустойчивости реактора при разогреве, если превысит температурный эффект. Измерения дифференциальной эффективности борной кислоты дают возможность оценить влияние выгорания топлива на эту величину, что важно для исследований оптимизации загрузки топлива.
Измерения мощностного коэффициента реактивности при перегрузках топлива представляют большой интерес. Расчет мощностного эффекта реактивности на выгоревшем топливе, когда в твэлах накапливается значительное количество плутония, недостаточно точен. Погрешности расчета связаны с неопределенностью температуры топлива, поэтому экспериментальные данные о значении и зависимости мощностного коэффициента реактивности от выгорания топлива и режимов работы ядерной энергетической установки представляют интерес как для успешной эксплуатации АЭС, так и для введения соответствующих поправок в расчетные методы. Таким образом, при физическом пуске реактора после перегрузки топлива проводятся измерения, аналогичные измерениям при физическом пуске свежезагруженного реактора.