Рассмотрим некоторые критерии формирования начальной загрузки ВТГР. ЭУ с реакторами ВТГР (например, типа ВТГР-500) как часть ядерно-химических или ядерно-металлургических комплексов должны с начала эксплуатации работать на полной мощности для обеспечения выпуска основной продукции. Исключение составляет поэтапный пуск металлургического или химического комбината с соответствующим постепенным подъемом мощности реактора. Для сокращения номенклатуры твэлов в начальной загрузке целесообразно использовать твэлы, предусмотренные для работы в установившемся режиме.
Высокое содержание 235U в этих твэлах, обусловленное стремлением получить на выходе из активной зоны значительный энергосъем при использовании принципа ОПАЗ в режиме непрерывных перегрузок, вызывает определенные трудности при формировании начальной загрузки. Полная загрузка всех каналов активной зоны твэлами догрузки установившегося режима приводит к значительной избыточной реактивности, компенсация которой поглощающими стержнями системы СУЗ вряд ли целесообразна, так как требует существенного увеличения числа стержней и исполнительных механизмов, не используемых после выхода на режим установившихся перегрузок.
Реактивность начальной загрузки целесообразно компенсировать временными средствами, рассчитанными лишь на переходный режим работы реактора. Ими могут быть дополнительные (ДП) или выгорающие (ВП) поглотители. В реакторе ВТГР-500 с графитовой кладкой и нижней загрузкой твэлов оптимален режим с использованием ДП в виде сильно поглощающих («черных») графитовых шаров с бором, размещаемых в части каналов активной зоны, в промежутках между стержнями СУЗ. Сетка ДП повторяет сетку размещения стержней СУЗ, но со сдвигом на ~ 1/2 шага.
Формирование начальной загрузки с ДП имеет свои тонкости, связанные в основном с динамикой изменения распределения энерговыделения по высоте в переходном режиме. Сама по себе компенсация начальной реактивности с помощью ДП не представляет каких-либо затруднений. Однако место расположения ДП и направление их последующего движения из активной зоны должны обеспечить: во-первых, максимальную глубину выгорания в твэлах, выгружаемых в первую очередь, с возможно более быстрым увеличением глубины выгорания в последующих выгружаемых твэлах и, во-вторых, — распределение энерговыделения, позволяющее реактору работать на номинальной мощности в течение всего переходного режима без перегрева топлива, ведущего к выходу радиоактивных продуктов деления. Очевидно также, что начальное расположение ДП должно быть таким, чтобы при их движении из активной зоны реактивность возрастала. При использовании ДП переходный режим разбивается на две фазы: вначале выводятся ДП при неподвижных твэлах активной зоны; затем начинается непрерывная перегрузка твэлов. Условие правильного подбора ДП — обеспечение достаточно высокой дифференциальной скорости ввода реактивности в начале догрузки твэлов, зависящей от распределения по объему активной зоны глубины выгорания топлива в конце первой фазы.
Вывод ДП может быть по канальным или одновременным. В первом случае удаляются все поглощающие элементы из одного канала ДП при неподвижных ДП в остальных каналах. Одновременный вывод означает последовательный сдвиг ДП в каждом канале на один поглощающий элемент.
Поглощающие шары могут быть расположены только в части канала ДП, тогда остальное пространство заполняется твэлами (или графитовыми шарами). Если разность высот поглотителя в разных каналах ДП не более одного шара, то при одновременном перемещении всех ДП происходит резкая перестройка распределения потока тепловых нейтронов по высоте, что вызвано изменением геометрии и, следовательно, реактивности областей локальной критичности той части активной зоны, которая не занята ДП.
Рассмотрим возможность удовлетворения перечисленных условий в некоторых начальных загрузках реактора ВТГР-500 с графитовой кладкой и нижней загрузкой твэлов. Допустим, что поглощающие шары расположены в верхней части каналов ДП вплоть до верхнего края активной зоны. Нижняя часть каналов ДП занята твэлами. Начальное аксиальное распределение энерговыделения будет при этом близко к распределению в установившемся режиме с максимумом в нижней части реактора. Однако после выдвижения ДП вверх распределение изменится на обратное с максимумом энерговыделения в верхней части активной зоны из-за малой глубины выгорания топлива, и съем номинальной мощности станет невозможным. Кроме того, в этом случае для добавления реактивности выгружается большое количество твэлов с малой глубиной выгорания, которые удаляются в процессе догрузки от середины активной зоны, в то время как к центру приближаются более сильно выгоревшие твэлы из нижней части активной зоны. Вклад в реактивность свежих догружаемых твэлов будет небольшим вплоть до накопления локальной критической массы в нижней части реактора, и, таким образом, требуется значительная догрузка свежих твэлов. После этого вновь распределение энерговыделения по высоте принимает такой же вид, как в установившемся режиме, и на этот раз — окончательно.
Улучшить начальное расположение ДП по сравнению с разобранным случаем можно, смещая поглощающие части в каналах ДП ближе к середине активной зоны. Результирующее распределение энерговыделения по высоте реактора должно отвечать при этом следующему условию: при подборе ДП необходимо поднять энерговыделение в области твэлов, выгружаемых в первую очередь, до максимального значения, допустимого с точки зрения теплосъема. Эта мера направлена на увеличение глубины выгорания твэлов в верхней части реактора и предупреждение нежелательных явлений, рассмотренных выше. Однако небольшое смещение ДП вверх от указанного положения в сторону их выгрузки приводит к значительному падению энерговыделения в
верхней части реактора из-за уменьшения размера области активной зоны над ДП и снижения локального коэффициента размножения в этой части реактора с практически теми же последствиями, что и в предыдущем случае.
Принципиально новым решением является вывод ДП вниз, в направлении, противоположном перемещению гелия и твэлов. Поглощающая часть ДП располагается в нижней части активной зоны, при этом к концу удаления ДП происходит глубокое выгорание твэлов в верхней части реактора и аксиальное распределение глубины выгорания топлива в твэлах и энерговыделения оказывается близким к распределению в установившемся режиме. Последующая догрузка твэлов имеет высокую с точки зрения повышения реактивности дифференциальную эффективность.
Однако в процессе переходного режима рост энерговыделения в верхней части активной зоны становится чрезмерным и ограничивает мощность реактора. Данное затруднение можно преодолеть введением двух решеток ДП, располагаемых в смежных каналах и перемещаемых в противоположных направлениях. Вывод ДП осуществляется поочередным смещением поглотителя в каждом канале ДП на один поглощающий элемент при выгрузке одной решетки ДП вниз или путем догрузки твэлов в каналы ДП при выводе второй решетки вверх. Обе решетки при высоте активной зоны 5,5 м могут иметь высоту поглощающей части 2 м и располагаться в нижней и верхней частях активной зоны соответственно. Вывод верхней решетки ДП вверх производится первоочередно для повышения глубины выгорания твэлов верхней части активной зоны к моменту их выгрузки. При достижении в процессе вывода предельно допустимой температуры топлива вывод верхней решетки приостанавливается и выводится нижняя. Чередование вывода решеток позволяет обеспечить мощность, близкую к номинальной в течение всего переходного режима. Поскольку вывод верхней решетки осуществляется в первую очередь, аксиальное распределение глубины выгорания топлива после вывода всех ДП из активной зоны оказывается близким к оптимальному и дифференциальная эффективность догрузки твэлов в начале второй фазы переходного режима — высокой. Глубина выгорания твэлов, выгружаемых в первую очередь, составляет в ВТГР-500 при использовании двух решеток ДП 35 МВт-сут/кг U и увеличивается до 60 МВт-сут/кг U за первые 200 сут второй фазы переходного режима и до 82 МВт-сут/кг и за последующие 200 сут.
Отметим особенности начальных загрузок без избыточной реактивности— полных загрузок твэлами с пониженным содержанием делящихся нуклидов в топливе и неполных загрузок твэлами догрузки установившегося режима. Имитация установившегося режима набором твэлов с различным содержанием делящихся нуклидов требует разработки нескольких типов твэлов, используемых в реакторе ограниченное время с небольшим результирующим энергосъемом с единичной массы топлива в твэлах, выгружаемых в первую очередь. Полная загрузка всей активной зоны твэлами одного типа требует значительного (в 5— 7 раз) снижения содержания 235U по сравнению с твэлами догрузки установившегося режима. Недостаток этой начальной загрузки проявляется в переходном режиме при начале догрузки активной зоны твэлами, используемыми в установившемся режиме, и состоит в чрезмерно высоком росте энерговыделения в области локальной критичности, занятой догружаемыми твэлами, из-за резкого (в те же 5—7 раз) различия макроскопических сечений деления в твэлах. Работа на номинальной мощности в переходном режиме становится невозможной.
Неполная загрузка твэлами установившегося режима допустима, если возможна работа установки с параметрами (мощность и выходная температура гелия) ниже номинальных. Высота активной зоны и число твэлов в минимальной неполной загрузке в 5—6 раз меньше, чем в полной, и выбираются из условия обеспечения критичности реактора в рабочем состоянии. Увеличение удельной и общей мощности до приемлемого уровня требует существенного снижения температуры гелия. При номинальной выходной температуре мощность реактора ВТГР-500 с нижней загрузкой твэлов в графитовую кладку составляет лишь ~10% номинальной, что связано, в частности, с невыгодной для теплосъема формой аксиального распределения энерговыделения. Переходный режим работы в этом случае практически нельзя осуществить, так как удельная мощность и скорость выгорания малы.
Однако неполная загрузка заслуживает более детального рассмотрения, поскольку она позволяет облегчить работу предприятий-изготовителей твэлов и рассредоточить затраты на топливо при поэтапном пуске реактора. Неполные загрузки могут быть использованы на АЭС с ВТГР при работе парогенератора с параметрами гелия ниже номинальных в начальной стадии эксплуатации, а также в комбинированных установках для производства ВПТ и электроэнергии, допускающих поэтапный ввод мощностей технологической части установки. Вначале вырабатывается только электроэнергия при параметрах гелия ниже номинальных с постепенным повышением выходной температуры по мере догрузки активной зоны. После достижения номинальной температуры и достаточного уровня мощности подключается первая технологическая петля. В процессе дальнейшей догрузки активной зоны избыточная мощность используется на генерацию электроэнергии или на последовательное подключение остальных технологических петель.
При нижней подаче твэлов в активную зону реактора ВТГР-500 верхние твэлы неполной загрузки из-за влияния толстого слоя графитовой кладки в начальный момент времени облучаются высоким потоком тепловых нейтронов и проходят большой путь до выгрузки из активной зоны. В результате достигается достаточно высокая глубина выгорания в выгружаемых твэлах при оптимальной динамике переходного процесса, а именно при непрерывном повышении выходной температуры гелия и мощности и плавном установлении распределения энерговыделения установившегося режима. Снижению энерговыделения в верхней части реактора способствует довольно быстрая трансформация аксиального распределения потока тепловых нейтронов, связанная с выгоранием верхних твэлов (при загрузке снизу) и образованием локальной критической массы в нижней части зоны, в области свежих догружаемых твэлов.
