Экспериментальная информация о запасе реактивности вновь загруженного реактора и эффективности групп кассет АРК весьма важна для обеспечения рационального режима эксплуатации реактора. Запас реактивности определяет время работы реактора между перегрузками топлива. Так как в результате выгорания и перегрузок топлива физические свойства активной зоны постоянно меняются и отличаются от характеристик свежей активной зоны, необходимо периодически измерять эффективность трупп кассет АРК.
Измерение запаса реактивности свежей активной зоны при нормальных температуре и давлении замедлителя проводится при исследовании полномасштабных сборок из кассет вновь сооружаемых реакторов на критических стендах. Методы экспериментального определения запаса реактивности зависят от типа реактора, размеров активных зон, топливных кассет, поглотителей и т. п. Значение запаса реактивности зоны, получаемое в эксперименте, в общем случае может отличаться от истинного на 2—3% в зависимости от выбранного метода измерения.
При исследовании полномасштабных зон реакторов ВВЭР используется долив замедлителя, наиболее полно отвечающий требованиям ядерной безопасности при экспериментах с кассетами большого размера. Определяется критический уровень замедлителя hкр и зависимость дифференциальной реактивности dp/dh от hкр в около критическом состоянии. Для реактора ВВЭР существуют различные способы изменения критического уровня замедлителя, связанные с изменением состава активной зоны: изменение концентрации борной кислоты в замедлителе; изменение радиуса зоны; размещение тонких кадмиевых поглотителей в межкассетных зазорах; извлечение кассет с образованием водяных полостей или с заменой их поглотителями-ловушками; замена твэлов в кассетах поглотителями. Вносимые при этом возмущения в активную зону изменяют ее нейтроннофизические свойства: спектр, распределение нейтронов, коэффициент размножения, площадь миграции, — т. е. существует принципиальная возможность получения различной величины dp/dh и, следовательно, запаса реактивности в зависимости от способа изменения hкр.
Реактивность однородной сборки можно определить из одногруппового диффузионного уравнения критичности. В этом случае задача определения реактивности системы сводится к измерению зависимостей dp/dB2 = f(В2); dр/dh = f(hкр) для однородных и смешанных сборок. В ходе экспериментов для отработки методов определения запасов реактивности активных зон реакторов ВВЭР были исследованы однородные и неоднородные .зоны из топливных и поглощающих кассет, имеющие водяные полости, кадмиевые полосы, с различной концентрацией бора в замедлителе и т. п. Оказалось, что в пределах экспериментальной погрешности запас реактивности активных зон реакторов ВВЭР с равномерным чередованием кассет различного обогащения не зависит от способа его определения (имеется в виду изменение hкр).
При борном регулировании запас реактивности на выгорание топлива компенсируется введением борной кислоты и определяется ее концентрацией в замедлителе — критической концентрацией, при которой реактор находится в критическом состоянии при одной группе АРК, введенной приблизительно наполовину в активную зону для обеспечения оперативного запаса регулирования. В этом случае запас реактивности определяется в опытах с изменением концентрации борной кислоты в замедлителе. Наличие борной кислоты дает возможность менять реактивность активной зоны реактора в очень широких пределах и оценивать запас реактивности зоны с практически извлеченными полностью управляющими кассетами в холодном (~100°С) и горячем (~260°С) состояниях. Преимущество борной кислоты при этих измерениях заключается также в ее гомогенном распределении по зоне и в незначительном воздействии на эффективность АРК.
Обычно в экспериментах с изменением концентрации борной кислоты в активной зоне реактора измеряются дифференциальная и интегральная эффективности групп стержней регулирования, определяется ряд критических концентраций борной кислоты, соответствующих различным положениям управляющих стержней. Измерения проводятся при различной температуре в первом контуре (100, 200, 260° С) в период физического пуска станции на минимально контролируемом уровне мощности в квазистационарном состоянии реактора. Дифференциальная эффективность борной кислоты на действующем реакторе измеряется динамическим методом (см. п. 1.6).
Поддержание неизменными различных параметров в условиях АЭС — технологически трудная задача, и обычно имеет место отклонение их во время эксперимента от заданных величин; необходим постоянный и тщательный контроль за состоянием зоны. При измерениях проводится непрерывная во времени запись плотности потока нейтронов и реактивности, если используется реактиметр, а также влияющих прямо и косвенно на реактивность таких параметров реакторной установки, как температура и давление в первом контуре, положение и перемещение групп компенсирующих кассет, концентрация борной кислоты, расход подпиточной воды и уровень в компенсаторах объема [38]. Дифференциальные эффективности борной кислоты и групп АРК измеряются одновременно, причем значения их получаются взаимосвязанными.
В динамическом методе искомая дифференциальная реактивность получается по временным зависимостям одновременного изменения реактивности и концентрации борной кислоты:
(2.4)
где t — время.
При выведении или введении борной кислоты в замедлитель реактивность компенсируется скачкообразным перемещением групп АРК, причем они вводятся или выводятся в штатной наиболее рациональной последовательности (пронумерованы в порядке выведения) так, чтобы влияние интерференции групп АРК было одинаковым при исследованиях и при регулировании реактора.
Концентрация борной кислоты в замедлителе меняется медленно и непрерывно (см. рис. 1.5, б). При достижении некоторого отрицательного значения реактивности группа АРК выводится из реактора на δh, высвобождая положительную реактивность, контролируемую по реактиметру ПИР. Далее реактивность опять будет падать вследствие введения борной кислоты. Из требований ядерной безопасности и ограничений динамического метода колебания реактивности ограничиваются пределами от 0,1 βэф до —0,1 βэф. По наклонам участков изменения реактивности вследствие изменения концентрации борной кислоты определяется dp/dt и по формуле (2.4)—dp/dC. Нужно отметить, что изменение реактивности в течение 1,5 мин после перемещения поглотителей исключается из анализа, что связано с конечным временем формирования поля нейтронов вблизи поглотителей. Запись изменения концентрации борной кислоты во времени ведется параллельно.
При перемещении группы АРК на δ/h реактивность определяется экстраполяцией, как показано на рис. 1.5,б, для исключения переходных процессов. Из этих измерений определяется значение δρ/δh = δρ/δ/h.
По мере ввода борной кислоты компенсирующие группы последовательно выводятся из активной зоны. В результате получаем дифференциальную реактивность всех групп АРК в зависимости от их положения в активной зоне h и, складывая все δρ, находим интегральную эффективность отдельных и суммарную эффективность всех групп АРК. Аналогично определяется суммарная эффективность борной кислоты. Получаемая таким образом интегральная эффективность поглотителей несколько условна, так как определена при изменении концентрации бора в замедлителе, от которой в общем случае эффективность должна зависеть. Однако, так как в реакторах ВВЭР используются поглотители-ловушки, зависимость эта сравнительно слабая, и ее можно учесть, рассчитав поправку. Точность результатов измерений определяется в основном точностью измерения зависимости C(t), поскольку обычно штатное оборудование и системы действующего реактора мало приспособлены к экспериментам такого рода. Более точные результаты получаются при снижении концентрации борной кислоты, так как вывод ее из первого контура соответствует экспоненциальному закону,
В результате снижения концентрации борной кислоты от ее критического значения Скр до нуля также определяются dp/dh и dр/dС, а по сумме всех δρ — запас реактивности. По данным работ [20, 38, 41] можно сделать заключение о том, что dp/dC = const при концентрации борной кислоты до 15 г/л при одной и той же температуре и одном и том же обогащении топлива. В этом случае запас реактивности [см. формулу (2.3)]
По определенному таким образом запасу реактивности при разных температурах можно оценить температурный эффект реактивности в исследуемом интервале температур как разность
Эффективности групп АРК (интегральная и дифференциальная) с повышением температуры увеличиваются, причем чем больше эффективность стержня, тем относительное увеличение ее меньше. При изменении температуры от 100 до 260° С интегральная эффективность групп АРК увеличивается в 1,1—3,5 раза (соответственно третьей и пятой групп).
Интегральная эффективность групп кассет АРК или отдельных кассет измерялась также методом сброса. Из критического или надкритического состояния реактора, контролируемого по реактиметру ПИР, сбрасывается группа кассет АРК и фиксируется состояние реактора с отрицательной реактивностью. По разности измеренных реактивностей определяется эффективность группы. Таким способом может быть определена и суммарная эффективность всех групп кассет АРК.
При проведении этих измерений следует обратить особое внимание на расположение детектора нейтронов реактиметра: он должен быть расположен так, чтобы его показания были пропорциональны полной плотности потока нейтронов в реакторе как до, так и после сброса поглотителя [33]. Это требование вызвано тем, что использование пространственно-независимых уравнений кинетики подразумевает неизменность пространственного распределения плотности потока нейтронов, т. е. преобладание основной гармоники в течение эксперимента.
Особенность кассет АРК — их высокая поглощающая способность. Однако, как показали исследования [42], можно получить хорошие результаты методом сброса, если при обработке экспериментальных данных учитывать изменение пространственного распределения плотности потока нейтронов. Поправочный коэффициент может быть определен расчетным способом. Поправка существенно зависит от расположения детектора нейтронов, поэтому его следует устанавливать так, чтобы отличие поправочного коэффициента от единицы было минимальным. Кроме того, эффективность регистрации плотности потока нейтронов до и после сброса должна быть одинаковой. Полученные таким способом значения эффективности групп кассет АРК отличаются на 5—20% от значений, полученных при изменении концентрации борной кислоты [38].
Запас реактивности, определенный по критической концентрации для разных положений кассет АРК, меняется в пределах от 20 βэф до 27 βэф (15—20%) для разных реакторов ВВЭР-440. При содержании бора в чехлах он уменьшается (нижний предел). С увеличением температуры от 100 до 260° С запас реактивности уменьшается на 1—4 βэф (на 0,75—3% абсолютных или на 5—15% запаса реактивности). Такой запас достаточен при одной перегрузке топлива в год.
