§ 7.2. УПРАВЛЕНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ
Требования к регулированию
Среди требований, предъявляемых к регулирующим устройствам, различают требования, диктуемые эксплуатационными условиями, и требования, вытекающие из условий безопасности. Что касается эксплуатационных требований, то для снижения стоимости электроэнергии АЭС выгоднее всего эксплуатация при базисной нагрузке. С другой стороны, АЭС должны обладать известной степенью регулирования для возможности работы в энергосистеме. АЭС будут использовать также для регулирования частоты тока и нагрузки сети. Чтобы обеспечить такую работу, требуются: а) достаточная реактивность для компенсации эффекта ксенонового отравления; б) необходимые регулирующие устройства.
Типичными требованиями к АЭС с реакторами HTR являются:
- Область нагрузок от 100 до 40%.
- Нагрузка в этой области должна поддерживаться с погрешностью ±5% номинального значения при любых колебаниях частоты в сети.
- Скорость измерения нагрузки должна составлять около 8% в минуту (номинального значения).
Требования технической безопасности в общем плане заключаются в проведении соответствующих мер при отклонении определенных параметров. Кроме того, предусматривается специальное аварийное отключение АЭС.
Измеряемые параметры и приборы
Рассмотрим приборы, обеспечивающие в основном работу реактора и первого контура. Более подробное описание системы регулирования реактора и приборов можно найти, например, в [4, 5].
Плотность потока нейтронов определяется различными измерительными каналами с детекторами, расположенными в стенках бетонного корпуса вблизи активной зоны.
Измерения плотности потока нейтронов производятся в области от 102 до 1014 см-2 с-1, причем предусматривается несколько перекрываемых областей измерений. Показания детекторов нейтронов используются по принципу «два из трех», т. е. показания трех независимых друг от друга детекторов используются только при совпадении сигналов не менее чем от двух детекторов. Вскрытие и замена измерительных каналов возможны только при сбросе давления в контуре, поэтому предусматривается несколько таких каналов. Сигнал аварийной остановки реактора может вырабатываться по результатам измерения периода разгона реактора.
Температура газа должна измеряться очень надежно, так как она используется для контроля и регулирования реакторов HTR; к тому же от нее зависит температура перегретого пара. Следует избегать быстрого изменения температуры горячего газа и перегретого пара. Поэтому приборы для измерения и контроля температур должны иметь небольшую постоянную времени.
В качестве температурных датчиков хорошо зарекомендовали себя термоэлементы. Их безукоризненная работа особенно важна не только для нормальной эксплуатации АЭС, но также и для безопасности реакторов HTR. Необходимые условия резервирования привели к тому, что каждое измерительное устройство температуры горячего газа оснащено несколькими термоэлементами, размещенными в общем магазине, из которых по крайней мере два элемента находятся в газовом потоке. При значительном разбросе показаний термоэлементов одного магазина устанавливаются новые термоэлементы. Замер температуры горячего газа проводится непосредственно на входе в парогенератор. В местах измерения температуры холодного газа, которая также очень важна для контроля и регулирования реакторов HTR, ресурс термоэлементов значительно выше, и здесь отказались от магазина обменных термоэлементов. Вместо него предусмотрено несколько одновременно работающих термоэлементов.
Наряду с перечисленными измерительными устройствами для контроля температуры горячего и холодного газа внутри корпуса и в нем самом предусмотрено еще несколько термоэлементов для измерения температуры отдельных конструкций корпуса. Эти элементы служат для контроля расчетных температур в основном в течение первого года эксплуатации реактора.
Для наблюдений за возможными утечками в парогенераторе предусмотрены измерители влажности, которые должны определять содержание влаги до 10-7 по объему с возможно малой собственной постоянной времени (около 20 с). Дополнительно устанавливается и гигрометр. Кроме утечек, которые обычно невелики, в парогенераторах контролируются также другие многочисленные параметры, необходимые для регулирования и контроля. В основном это температура и давление пара. Давление теплоносителя измеряется с помощью специального преобразователя.
Контроль активности первого контура осуществляется в различных местах с помощью р-сцинтилляционных детекторов и детекторов γ-излучения.
Наконец, к приборному оснащению относится пусковой источник нейтронов, который для предотвращения его выгорания извлекается из активной зоны при пуске реактора.
Очень важным для измерительных и регулирующих устройств является их надежность. Частично это условие обеспечивается принципом «два из трех» при измерениях потоков нейтронов и в магазинах термоэлементов при измерениях температуры горячего газа [5].
Система аварийных включений
Система аварийных включений — одна из систем безопасности и одновременно дополнение к управляющей и регулирующей системам. Она вступает в действие, когда некоторые параметры реактора достигают предельных значений, дальнейшее превышение которых может причинить значительный ущерб населению, обслуживающему персоналу или самой установке.
К функциям, выполняемым системой аварийных включений, относятся (см. [11] к гл. 6):
- Аварийное отключение реактора.
- Остановка турбин.
- Снижение до минимума числа оборотов газодувок.
- Снижение до минимума расхода питательной воды.
Система вступает в действие от сигналов, которые формируются в результате изменения следующих параметров: 1) плотности потока нейтронов; 2) производной плотности потока нейтронов; 3) периода разгона реактора; 4) температуры газа на входе и выходе из активной зоны; 5) скорости изменения температуры горячего газа; 6) давления в первом контуре; 7) производной давления в первом контуре.
7.2.4. Регулирование АЭС с высокотемпературными реакторами
Важнейшая физическая характеристика для регулирования реакторов HTR — отрицательный температурный коэффициент реактивности. Он позволяет использовать в качестве управляющего сигнала при регулировании мощности реактора расход газа, который устанавливается изменением числа оборотов газодувок. Отрицательный температурный коэффициент реактивности позволяет всегда обеспечить соответствие мощности реактора и расхода теплоносителя, так что после перехода на новый уровень мощности сохраняется прежнее значение средней температуры активной зоны. Управляющим сигналом для регулирования мощности является давление свежего пара перед турбиной. С помощью этого сигнала координируются тепловые мощности реактора и турбины. Дополнительно к регулированию расхода теплоносителя для выравнивания изменения концентрации ксенона требуется также соответствующая программа движения поглощающих стержней.
Температура горячего газа определяет стойкость материалов парогенератора. Она регулируется с помощью поглощающих стержней при постоянном расходе теплоносителя. Изменением положения стержней в активную зону вводится положительная или отрицательная реактивность, что повышает или снижает температуру активной зоны и газа на выходе из нее. В качестве фактической величины для регулирования служит максимальное значение температуры газа, выбранное из нескольких замеров. В связи с термической нечувствительностью реакторов HTR допускаются относительно большие рассогласования температур, прежде чем регулятор вступит в действие. Температура холодного газа регулируется расходом питательной воды в соответствии с изменением мощности реактора.
Регулирование температуры свежего пара осуществляется впрыском воды на выходе из перегревателя.
На вопросах пуска и остановки реакторов HTR здесь нет необходимости останавливаться подробно. Продолжительность пуска АЭС определяется не активной зоной, а вторым контуром, в основном парогенератором.
Поглощающие стержни в качестве регулирующих и отключающих устройств
После рассмотрения динамики реакторов HTR необходимо еще раз остановиться на поглощающих стержнях — важнейших устройствах для регулирования систем первого контура.
Для того чтобы предотвратить большие перекосы мощности и температуры в активной зоне, поглощающие стержни в ней должны быть расположены по возможности равномерно и относительно часто. Например, в реакторе THTR-300 кратчайшее расстояние между поверхностями двух поглощающих стержней составляет около 60 см. Правда, необходимо иметь в виду, что некоторые стержни могут быть извлечены из реактора и находиться внизу вблизи нижнего отражателя.
Требования к скорости движения стержней в реакторах HTR весьма низкие в связи с большой тепловой инерционностью активной зоны. При регулировании стержни могут перемещаться со скоростью менее 1 см/с. Однако в случае быстрой (аварийной) остановки реактора скорость их перемещения должна быть увеличена до 30 см/с. Более быстрого введения поглотителей не требуется.
Одна из главных задач системы поглощающих стержней состоит в том, чтобы при необходимости отключить реактор в любом его состоянии и сделать его подкритическим. Очевидно, что это требование должно выполняться как при нормальной эксплуатации реактора, так и в аварийных ситуациях. Поэтому поглощающие стержни относятся к важнейшим устройствам безопасности.
Другая важная задача поглощающих стержней заключается в регулировании работы реактора. Сюда относится в первую очередь компенсация так называемого ксенонового отравления при быстрых изменениях нагрузки, т. е. сохранение эффективного коэффициента размножения нейтронов kэф равным 1, несмотря на изменение концентрации ксенона.
Поглощающие стержни должны также компенсировать изменение концентрации 233Ра в торий-урановом цикле и концентрации 239Np в уран-плутониевом цикле, причем влияние протактиния значительно сильнее, чем изменение концентрации нептуния.
К регулирующим функциям поглощающих стержней относится также компенсация выгорания топлива. Кроме того, они должны осуществлять выравнивание, например, распределения энерговыделения или температуры газа в активной зоне при постоянной мощности реактора и т. п.
Наконец, поглощающие стержни необходимы для подавления пространственных нестабильностей при колебаниях концентрации ксенона, которые, правда, могут иметь место только в больших реакторах.
Упомянутые требования по аварийному отключению и регулированию реактора должны выполняться системой поглощающих стержней даже при отказе отдельных стержней (например, при невозможности введения отдельных стержней в активную зону).
Функционально поглощающие стержни могут быть классифицированы следующим образом: а) аварийные; б) регулирующие; в) корректирующие. Для выполнения всех этих функций поглощающие стержни должны быть расположены в активной зоне по возможности чаще. Однако этому необходимо противопоставить по крайней мере три аргумента:
- Стоимость системы стержней должна быть по возможности минимальной.
- Наличие конструктивных проблем, связанных с бетонным корпусом.
- Наличие некоторых причин физического характера, поскольку введение поглотителя искажает распределение энерговыделения и температуры и нарушает равномерное выгорание топлива.
Исходя из этих соображений необходимо выполнить все требования при минимуме стержней в системе. Поэтому функциональное деление стержней на практике вообще не имеет места; в большинстве случаев одни и те же стержни одновременно выполняют все указанные функции.
Определение оптимального количества поглощающих стержней требует проведения обширных и относительно сложных теоретических исследований, тем более что эффективность стержней существенно зависит от их конфигурации.
Некоторые дополнительные возможности при создании системы поглощающих стержней связаны с варьированием степени «черноты» или «серости» поглотителей. Первый тип стержней поглощает практически все нейтроны, которые на него падают, а второй — частично. Такое определение относится только к тепловым нейтронам, для нейтронов высоких энергий «черных» стержней не бывает.
Основанием для применения «серых» стержней является то, что они меньше подвержены выгоранию под действием облучения и не так сильно искажают распределение нейтронов, хотя их использование и повышает общее число стержней. Применение таких стержней наиболее целесообразно, когда для компенсации избыточной реактивности они должны быть надолго введены в активную зону. Обстоятельные исследования по физике поглощающих стержней можно найти, например, в работе [6].
