14. Пуск и остановка, плановые изменения мощности реактора.
Устойчивость работы реактора в стационарном режиме
Пуск и остановка АЭС проводится с ограничениями скоростей изменения мощности реактора и температуры теплоносителя в контурах. Подъем мощности от минимально контролируемого уровня до 1% номинальной обычно ведется с постоянным периодом, равным 60-100 с. Такой период, с одной стороны, обеспечивает безопасность, а с другой - позволяет экономить время пуска. Дальнейший подъем мощности ведется с постоянной и допустимой скоростью изменения температуры теплоносителя на выходе из реактора. Первоначально ограничения скорости изменения температуры теплоносителя в контурах заимствовались из обычной (неядерной) энергетики. Там допустимая скорость роста температуры при пусках во многих установках задавалась равной 60-70 °С/ч. Эта скорость получена из опыта. Она позволяет ограничить некоторым неопасным значением напряжения в элементах энергетических установок из-за термического расширения и перемещения трубопроводов, теплообменных аппаратов, неравномерного прогрева отдельных их деталей и участков. Более внимательный анализ показал, что такая скорость изменения температуры не всегда приемлема для ядерно-энергетической установки. Расчет и измерения нестационарного температурного поля корпуса реактора, промежуточных теплообменников, ПГ показали, что в некоторых режимах и диапазонах изменения температуры указанную скорость необходимо снижать до 10-20 °С/ч.
Ограничивающим параметром в твэлах чаще всего являются напряжения в их оболочках из-за механического взаимодействия с топливными сердечниками. Коэффициент температурного расширения топлива в 1,5 раза ниже температурного коэффициента расширения стали. Однако прирост средней температуры топлива при увеличении мощности реактора, например, в среднем сечении активной зоны на порядок больше прироста температуры оболочек. Поэтому в процессе пуска реактора зазор между топливом и оболочками в твэлах сокращается. Наиболее неблагоприятным является подъем мощности после достаточно длительной, по крайней мере в течение нескольких суток, работы реактора на пониженной мощности. При этом массоперенос топлива в твэлах приводит к быстрому сокращению зазора между сердечниками и оболочками вплоть до полного его исчезновения.
После этого подъем мощности, как уже говорилось, приводит к более быстрому термическому расширению сердечников твэлов по сравнению с оболочками и к возникновению больших растягивающих напряжений в последних. В этих условиях приходится ограничивать скорость подъема мощности, делать выдержки на промежуточных ее уровнях для обеспечения релаксации напряжений за счет ползучести сердечников и оболочек.
Наибольший опыт в исследовании таких режимов для оксидных твэлов накоплен в реакторах на тепловых нейтронах. Линейные нагрузки твэлов ВВЭР достаточно велики. В ВВЭР-1000 они достигают, например, 415 Вт/см, что уже близко к линейным нагрузкам твэлов быстрых реакторов. Поэтому опыт тепловых реакторов в известной мере можно использовать при оптимизации режимов работы твэлов быстрых реакторов. Допустимые скорости изменения мощности ВВЭР при участии их в регулировании суточного и недельного графиков нагрузки энергосистем составляют 3-4 %/мин.
На некоторых зарубежных АЭС с тепловыми реакторами для твэлов с оксидным топливом установлены ограничения скорости подъема мощности после длительной работы на пониженных ее уровнях до 3%/ч. Как видим, разница в возможных ограничениях скорости изменения мощности велика. Ее можно объяснить неодинаковыми исходными состояниями твэлов перед подъемом мощности и различиями их параметров. Этот опыт использован в разработке регламента пуска быстрых реакторов. Выбранные ограничения скорости подъема мощности проверяются в процессе эксплуатации.
При остановке реактора твэлы не требуют ограничения скорости снижения мощности, так как в этих режимах топливные сердечники сокращаются в размерах быстрее оболочек.
Подъем мощности реактора вначале ведется при постоянных и пониженных по отношению к номинальным расходам натрия в первом и втором контурах установки. После достижения номинального подогрева натрия в реакторе подъем мощности продолжается при одновременном увеличении расходов. Плановое снижение мощности реактора проводится также с ограничениями скорости изменения температуры теплоносителя в контурах, как и подъем. Разница в ограничениях для подъема мощности и остановки реактора обусловлена, как уже говорилось, неодинаковыми условиями работы твэлов, различиями термомеханических процессов в элементах установки.
Ограничения скорости пуска и перехода с одного уровня мощности на другой существуют для любой теплоэнергетической установки, в том числе и для турбин АЭС. Для турбины различают пуски, проводимые из холодного, неостывшего и горячего состояний. Время полного остывания паровых турбин АЭС обычно составляет около 100 ч. Если время ее остановки не превышает 5-10 ч, то последующий пуск проводится из горячего состояния, после остановки на 20-40 ч турбина находится в промежуточном, неостывшем состоянии.
Быстрые реакторы пока предназначаются для работы в базовом режиме. Поэтому турбины здесь пускаются чаще всего после перегрузки из холодного состояния. На БН-600 исключения составляют пуски турбин в отключившихся теплоотводящих петлях после кратковременного простоя.
Остановимся теперь на устойчивости работы реактора в стационарном режиме. Выше говорилось, что быстрый реактор очень прост и удобен в управлении как при автоматическом поддержании его параметров, так и в режимах саморегулирования и дистанционного управления. В значительной мере это обусловлено большим запасом его устойчивости по каналу реактивность-мощность. Под неустойчивостью понимают самопроизвольный рост мощности или колебания ее с возрастающей амплитудой после случайного исходного отклонения реактивности. При этом неуправляемый рост мощности без ее колебаний возможен тогда, когда в реактивности обратной связи, т.е. в температурных эффектах реактивности, возникающих после скачка мощности, есть достаточно большая положительная компонента, не подавляемая отрицательными составляющими. В этом случае реактивность обратной связи суммируется с исходным возмущением, что и вызывает ускоряющийся рост мощности реактора. Выше говорилось, что в температурных и мощностных эффектах реактивности большого быстрого реактора нет положительных составляющих, которые могли бы привести к такому виду неустойчивости.
При отрицательных температурных и мощностных эффектах реактивности возможен только другой вид неустойчивости - самопроизвольные колебания мощности с постепенно возрастающей амплитудой. Такие самопроизвольные колебания называют автоколебаниями. Они возникают тогда, когда реактивность обратной связи находится в противофазе, т.е. сдвинута по фазе на π относительно исходного возмущения по реактивности, причем амплитуда реактивности обратной связи равна исходному возмущению или превышает его. Автоколебания опасны, если частота и амплитуда их велики. Нужно сказать, что в реактивности обратной связи есть составляющие, откликающиеся на изменение мощности с различными временными и фазовыми сдвигами. Основные составляющие обусловлены быстрыми изменениями температур в активной зоне вслед за изменением мощности энерговыделения. При этом наиболее значительная в реакторе с оксидным топливом компонента, обусловленная эффектом Доплера, не может отставать по фазе от изменений мощности более чем на π/2. При любых частотах мощность отстает по фазе от реактивности также не более чем на π/2, а в диапазоне практически опасных частот колебаний почти совпадает по фазе с реактивностью. Следовательно, реактивность обратной связи в таких реакторах не может отставать по фазе от исходного возмущения на π, и поэтому автоколебания мощности в таком реакторе невозможны.
Низкочастотные колебания мощности с периодом 3-4 мин могут возникать в некоторых реакторах в режиме саморегулирования из-за компонент обратной связи по реактивности, проходящих через внешнюю систему теплоотвода и связанных с отклонениями температуры теплоносителя на входе в реактор. Возникновение этих колебаний поясняется на рис. 73. Пусть в реактор введена реактивность рв. Из-за этого мощность его после сравнительно кратковременного переходного процесса отклонится на а температура теплоносителя на выходе - на
После прохождения температурной волны через систему теплоотвода на вход в реактор придет возмущение
.
Из-за температурных эффектов оно вызовет отклонение реактивности.
Колебания затухают, если эти вторич ные изменения реактивности мень ше по амплитуде, чем исходные, т.е. если
В реакторах БН-350 и БН-600 это условие заведомо выполняется. В этом выражении Км, kt - мощностный эффект и температурный коэффициент реактивности соответственно; Δθ0 - подогрев теплоносителя в реакторе;
- отношение отклонения температуры теплоносителя на входе в реактор к отклонению выходной температуры. Оно зависит от характеристик системы теплоотвода. Обычно оно не превышает 0,3-0,4 на самых низких частотах.
Значение
очень быстро падает с ростом частоты из-за большой тепловой инерционности системы теплоотвода. Именно поэтому, если такие колебания и возможны, то на очень низких частотах - около 0,004 - 0,005 Гц. Они, конечно, не представляют какой-либо опасности, так как легко подавляются системой регулирования.
Нужно сказать, что система регулирования может успешно справляться с неустойчивостью и при положительных мощностном и температурном коэффициентах реактивности. Как уже говорилось, такие коэффициенты реактивности невозможны в большом энергетическом быстром реакторе. Поэтому сказанное можно относить только к исследовательскому реактору малого объема. При положительном мощностном эффекте автоматический пропорциональный нейтронный регулятор мощности обеспечивает устойчивость, если его скорость удовлетворяет условию
>
где
- рабочий ход и эффективность стержня регулятора;
-
зона пропорциональности регулятора; λ - средняя постоянная распада ядер-предшественников запаздывающих нейтронов; τ0 — постоянная времени, характерная для мощностного эффекта.
Оценки по этому соотношению показывают, что даже при умеренной скорости 50-100 мм/с автоматический регулятор обеспечивает устойчивость реактора при положительном эффекте реактивности, соизмеримом с 0.
