- О возможностях использования критического стенда реактора в программе петлевых испытаний электрогенерирующих сборок
Рис. 4.23. Диаграмма распределения температур по высоте петлевого канала (термопары 3—10 измеряли температуру несущей трубки ЭГС)
На многих исследовательских реакторах, где проводятся или проводились петлевые испытания ЭГС, имеется критический стенд (критстенд) этого реактора, который с успехом может быть использовании в программе петлевых испытаний. Задачами специальных работ на критстенде могут быть:
анализ условий испытаний ЭГС по спектру нейтронов и распределению тепловыделения внутри топливных сердечников испытываемой ЭГС;
исследования по обеспечению требуемых условий реакторных испытаний ЭГС, моделирующих реальные условия эксплуатации ТРП, в том числе по профилю тепловыделения и спектру нейтронов;
определение вклада реактивности, вносимой в реактор испытательными устройствами (ПК) и ЭГС;
изучение трансформации нейтронных полей активной зоны реактора за счет внесения в нее ПК или других испытательных устройств;
обоснование безопасных условий испытаний.
Рис. 4.24 Относительное распределение тепловыделения по радиусу топливного сердечника ЭГЭ ТРП "Топаз-2" (штриховая линия) и при испытаниях аналогичного ЭГЭ в исследовательском реакторе (сплошные линии) в зависимости от обогащения топлива по 235U
Рассмотрим возможности критстенда реактора на тепловых нейтронах типа ВВР для обеспечения требуемых нейтроннофизических характеристик испытываемой ЭГС проектируемого ТРП на промежуточных или тем более быстрых нейтронах, когда спектр нейтронов в исследовательской ячейке реактора на тепловых нейтронах существенно отличается от спектра в проектируемом ТРП Не учет этого различия может привести к существенным ошибкам в трактовке результатов испытаний [182]. В качестве характерного примера на рис. 4.24 приведены распределения относительного энерговыделения по радиусу топливного сердечника многоэлементной ЭГС ТРП типа «Топаз» и реализуемые при испытаниях в реакторе на тепловых нейтронах для разных значений обогащения топлива сердечника. На рис. 4.25 для этих распределений тепловыделения рассчитаны конфигурации ЦГП с 20-процентным свободным объемом при одинаковых тепловых мощностях и распределении температурного поля эмиттера. Видно, что работоспособное в составе ТРП ГОУ (рис. 4.25,а) оказывается заблокированным конденсатом диоксида урана при испытаниях в исследовательском реакторе этого же ЭГС с неизменным обогащением топлива (рис. 4.25,6). Это связано с тем, что в последнем случае слабое энерговыделение внутренних слоев топлива не позволяет компенсировать осевые растечки тепла по элементам конструкции ЭГС. Сопутствующее уменьшение максимальной температуры диоксида урана примерно на 150 К также снижает полезность реакторных испытаний. Из рисунка видно, что для моделирования условий работы сердечника при испытаниях в реакторе необходимо снижать обогащение топлива до уровня 20—50% реального значения, составляющего 90% в ТРП, что уменьшает степень представительности таких испытаний.
Более надежными будут испытания, когда моделируется не только уровень тепловыделения, но и спектр нейтронов в сердечниках испытываемой ЭГС. Это может быть реализовано при использовании специальных устройств для формирования спектра нейтронов в петлевой ячейке исследовательского реактора. Такие устройства могут быть принципиально двух типов: на основе поглощения тепловых нейтронов (рис. 4.26, 4.27) и на основе специального конвертора быстрых нейтронов (рис. 4.28), внутри которых могут проводиться испытания ЭГС.
Рис. 4.25. Расположение изотермической полости в сердечнике ЭГЭ с ГОУ для радиальных распределений тепловыделения по рис 4.24 для промежуточного спектра нейтронов ТРП с обогащением топлива по 235U 90% (а) и при испытаниях в тепловом спектре нейтронов исследовательского реактора при обогащении топлива по 235U 90 (б); 50 (в); 20% (г)
Рис. 4.26. Конструкционная схема секционированной камеры с поглотителем нейтронов 3Не (а) и ее расположение в центральной ячейке реактора ВВР-К (б):
1 — корпус; 2 — секции для 3Нс; 3 — трубопроводы для 3Нс; 4 — место установки петлевого канала с ЭГС, 5 — ТВС реактора, 6 — вытеснитель; 7 — гелиевая камера; РР — ручной регулятор; АЗ — стержень аварийной защиты; АР — стержень автоматического регулятора
До установки в реактор такие устройства, как правило, отрабатываются на критстенде реактора (183, 184).
В исследовательских реакторах с малой высотой активной зоны для выравнивания энерговыделения по высоте испытываемой ЭГС в корпусе петлевого канала могут быть установлены для поглощения нейтронов экраны, например, из кадмия. Выбор оптимального соотношения толщины и высоты экрана позволяет существенно выровнять профиль тепловыделения или приблизить его к требуемому. Так, для активной зоны высотой 600 мм для испытаний шестиэлементной ЭГС высотой 300 мм в результате вариантных исследований на критстенде реактора ВВР-К оптимальным оказался кадмиевый экран высотой 475 мм и толщиной 0,5 мм, который обеспечил практически полное выравнивание тепловыделения по высоте ЭГС (рис. 4.29).
Рассмотрим в качестве наиболее характерного примера использования критстенда отработку конструкции устройства автономного регулирования потока и спектра нейтронов для центрального канала реактора ВВР-К, принцип работы которого основан на использовании поглощающих экранов из изотопного газа 3Не (183, 185). Отработка выполнена в два этапа: исследования возможностей и безопасности создания такого устройства и отработка конструкции устройства, предназначенного для установки в центральный канал реактора ВВР-К.
Конструкционно первое устройство представляет собой три коаксиальных цилиндра из нержавеющей стали с толщиной стенок 2 мм, вваренных в общее днище и фланец. Наружный диаметр составляет 134 мм и высота — 680 мм. Высота рабочего участка с поглотителями нейтронов (3Не и кадмий) равна 580 мм. Внутренний цилиндр диаметром 102 мм служит для установки и фиксации петлевого канала или другого экспериментального устройства. Конструкция выполнена таким образом, чтобы при фиксированном диаметре канала реактора 140 мм полость для размещения испытательного устройства была максимальной. Газ 3Не подается в полость, образованную двумя коаксиальными цилиндрами с расстоянием между стенками 7 мм. Расстояние между стенками твердого поглотителя составляет 4 мм. Толщина газового зазора, равная 7 мм, выбрана из конструкционных соображений, а также исходя из располагаемого диапазона рабочего давления 3Не, при котором средний свободный пробег нейтронов тепловых энергий соизмерим с размерами рабочей камеры. Рабочая камера связана с баллоном для 3Не и сбросным резервуаром системой трубопроводов с запорными вентилями и манометрами.
Экспериментальная сборка моделировала шестиэлементную ЭГС в виде шести вертикально расположенных моделей твэлов высотой 30 мм, набранных из таблеток 235U диаметром 9 мм. Модели твэлов дистанцировались между собой вкладышами из алюминия высотой 40 мм. Вся сборка высотой 380 мм помещалась в графитовую втулку.
Рис. 4.27. Испытанный в реакторе макет петлевого канала с топливно-эмиттерным узлом с встроенным в петлевой канал автономным регулятором тепловыделения на основе пары активированный уголь — кадмий: 1, 2, 5 — цилиндры, 3 — термонейтронный датчик, 4 — перегородка; 6 — макет топливно-эмиттерного узла; 7, 12 — калориметры интегрального теплового потока; 8, 10 — датчики прямой зарядки, 9 — распределитель; 11 — участок активной зоны реактора; 13, 14 — электронагреватели; 15 — кадмиевый термостат, 16 — корпус
Рис. 4.28. Схема испытанного в критической сборке реактора канала-конвертора с размножающим нейтроны экраном
1 — сборка макетов ЭГС; 2 — конверторная зона; 3 — конверторный твэл
Рис. 4.29. Экспериментальное распределение плотности объемного тепловыделения по высоте (а) и диаметру (б) макета шестиэлементной ЭГС с диаметром сердечника 9 и высотой 40 мм с обогащением по 23SU, равным 90%:
1 — без кадмиевого экрана; 2 — с кадмиевым экраном
При проведении описанных выше экспериментов измерялись следующие характеристики:
- плотность деления 235U в экспериментальном канале (внутри устройства) камерой деления КНТ-31 при отсутствии моделей твэлов;
- полное энерговыделение в модели твэлов калориметрическим методом с помощью встроенных высокочувствительных микрокалориметров [186];
- микрораспределения энерговыделения по радиусу и высоте твэлов методом авторадиографии детекторов;
- абсолютные значения потоков тепловых и быстрых нейтронов на поверхности твэлов, причем для измерения потока нейтронов в тепловой области использовались детекторы из 197Au и 63Сu; измерялось также распределение кадмиевого отношения по высоте сборки;
- относительные распределения потоков тепловых и быстрых нейтронов в активной зоне и в рабочей полости;
- реактивность, вносимая устройством регулирования и экспериментальной сборкой.
Результаты экспериментов показали, что устройство позволяет плавно изменять мощность тепловыделяющей сборки, в том числе ЭГС, более чем в 2 раза при изменении давления гелия от 0 до 11 атм при постоянной мощности реактора. С ростом давления газа в системе не только происходит падение энерговыделения, но и существенно выравнивается поле тепловыделения. Показано, что поток тепловых нейтронов в сборке твэлов может быть уменьшен почти в 20 раз, т. е. может быть обеспечен достаточно «жесткий» спектр нейтронов в месте расположения сборки твэлов. В то же время в области энергий выше 1 МэВ поток и спектр нейтронов при введении поглотителя изменяются незначительно. Отметим, что возмущение, вызванное поглотителями и экспериментальной сборкой, распространяется на области, прилегающие к центральному каналу, что приводит к заметному перераспределению потока нейтронов по активной зоне. Измеренный отрицательный вклад в запас реактивности активной зоны, вызванный введением в рабочую камеру газа 3Не под давлением 11 атм, составил 2% от dΚ/Κ. Эксперимент продемонстрировал, что использование такого устройства не мешает нормальному функционированию реактора.
На основе полученью положительных результатов была сконструирована и отработана на критстенде секционированная по высоте камера, отличающаяся от предыдущей тем, что кольцевая полость для газообразного поглотителя нейтронов была разделена по высоте на семь изолированных одна от другой секций с автономной системой газообеспечения (см. рис. 4.26). Это позволило поддерживать в секциях разное давление и тем самым регулировать поток и спектр нейтронов по высоте ЭГС. Полость твердого поглотителя (кадмия) отсутствовала, благодаря чему была увеличена толщина кольцевой полости для газообразного поглотителя до 12 мм. Высота рабочего участка с газообразным поглотителем составляла 580 мм. Число и размеры секций были выбраны из условий ядерной безопасности эксперимента («вес» одной секции при максимальном давлении не превышал 0,7β — доли запаздывающих нейтронов) и степени тщательности регулирования профиля потока нейтронов и энерговыделения по высоте ЭГС. Секции рабочей камеры соединены с помощью системы трубопроводов и вентилей с коллектором, а через него — с баллоном под давлением, содержащим 3Не. Секции соединялись также со сбросным резервуаром. При установке камеры в центральный канал реактора с внутренней и внешней сторон были предусмотрены зазоры шириной 3 мм для протока теплоносителя активной зоны.
На рис. 4.30 приведен полученный профиль энерговыделения по высоте модели семиэлементной ЭГС. Видно, что профиль энерговыделения и по высоте ЭГС и по энерговыделению в отдельных ЭГЭ можно плавно регулировать в широких пределах.
В частности, ровный профиль энерговыделения по высоте сборки можно сформировать и поддерживать его таким при разных абсолютных значениях энерговыделения (кривые 5 и 6).
Рис. 4.30. Результаты регулирования распределения тепловыделения по высоте (а) и радиусу (6) макета семиэлементной ЭГС изменением давления 3Не в секционированной камере при толщине слоя 3He равной 1,2 см:
Меры безопасности. При проведении экспериментов на критстенде были приняты следующие меры безопасности [185, 187]:
- вся система в течение длительного времени испытана под давлением, в 2,5 раза превышающем рабочее;
- газ в рабочей камере постоянно сообщается с баллоном, содержащим газ под давлением 70 атм, посредством редуктора, и в случае появления течи будет происходить редуцирование газа из баллона (вместимость рабочей камеры равна 1,4 л, баллона — 0,75 л);
- при постоянной работе критсборки в режиме авторегулирования стержень АР находился всегда в состоянии 90-процентного погружения по реактивности. В случае появления утечки газа из системы будет происходить 100-процентное погружение АР и срабатывание аварийной защиты;
- уставки всех каналов АЗ устанавливались на минимальный порог срабатывания.
При проведении эксперимента со вторым типом сборки, который в дальнейшем в течении длительного времени использовался в активной зоне реактора при проведении петлевых испытаний ЭГС по программе создания ТРП на быстрых нейтронах, были введены следующие дополнительные меры безопасности:
- отрицательная реактивность, вносимая любой одной секцией, не превышала 0,7β — доли запаздывающих нейтронов;
- после заполнения секций газом последние отсекались от коллектора запорными вентилями, таким образом исключалась возможность одновременной утечки гелия из всех секций в случае разрыва основного трубопровода.
