Скользящее давление оказывает серьезное влияние также на эксплуатационные характеристики реакторов. Наиболее существенным фактором, влияющим на характеристики водо-водяных реакторов при переходе к скользящему давлению пара во втором контуре, является изменение средней температуры теплоносителя в первом контуре Τι. Водо-водяной реактор имеет отрицательный температурный коэффициент реактивности [24], т. е. его реактивность р и нейтронная мощность Nр увеличиваются с понижением температуры, если нет никаких воздействий на управляющие органы реактора. В свою очередь, средняя температура теплоносителя в первом контуре определяется балансом между подводом теплоты к теплоносителю в активной зоне реактора и ее отводом Q из первого контура во второй в парогенераторе, причем для горизонтальных парогенераторов
(4-21)
где F — суммарная площадь поверхности теплообмена парогенераторов; k — коэффициент теплопередачи; Ts — температура насыщения во втором контуре, однозначно определяемая давлением пара.
Для вертикальных парогенераторов, в которых имеется экономайзерный участок, в уравнение (4-21) должна вместо Ts войти средняя температура рабочего тела в парогенераторе ТII, меньшая Тs. С понижением давления р0 средняя температура ТII будет также снижаться, хотя в отличие от температуры насыщения Тs зависимость ТII=f(p0) будет в общем случае разной для различных типов парогенераторов.
Если понизить давление р0 во втором контуре, то в· соответствии с формулой (4-21) изменится значение Q, что нарушит тепловой баланс первого контура. Если при этом отсутствуют управляющие воздействия на реактор, то увеличение отвода теплоты из первого контура вызовет понижение средней температуры теплоносителя в нем ТI. Это выведет реактор в надкритический режим и будет увеличивать нейтронный поток в активной зоне до тех пор, пока не восстановится исходная температура теплоносителя. Совместным изменением в той или иной пропорции давления пара во втором контуре, перемещением управляющих стержней реактора и изменением концентрации растворенной в теплоносителе борной кислоты может быть реализован любой закон изменения мощности реактора. Это позволяет рассматривать изменение давления р0 во втором контуре как дополнительный способ управления реактором [49]. При этом следует иметь » виду, что влияние изменения давления на мощность реактора и турбины противоположно. Так, понижение давления р0 без использования других регулирующих воздействий увеличивает мощность реактора и уменьшает мощность турбины. Возникающее противоречие может быть разрешено двумя способами. Первый из них связан с повышением мощности турбины открытием ее регулирующих клапанов. Так реализуется рассмотренная выше программа регулирования с постоянной средней температурой теплоносителя в первом контуре. Поскольку давление р0 во втором контуре при этой программе изменяется в зависимости от режима работы (см. рис. 1-6, а), то эту программу можно рассматривать как разновидность скользящего давления в широком смысле этого понятия.
Второй способ разрешения отмеченного выше противоречия — уменьшение мощности реактора опусканием управляющих стержней или повышением концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура.
Рис. 4-13. Максимальная допустимая разгрузка реактора δN, ограничиваемая нестационарным ксеноновым отравлением в различные моменты рабочей кампании т
1— постоянное давление; 2 — скользящее давление
Таким путем реализуется программа регулирования с постоянным положением регулирующих клапанов турбины. Обычно теплоэнергетики, говоря о скользящем давлении пара, имеют в виду именно этот частный случай его применения. Та же общепринятая в теплоэнергетике терминология принята в данной книге. При такой программе регулирования понижение давления во втором контуре создает дополнительный оперативный запас реактивности. В некоторых практически важных эксплуатационных ситуациях он может быть весьма эффективно использован для повышения экономичности и улучшения маневренных свойств энергоблока.
Один из примеров этого — преодоление нестационарного ксенонового отравления реактора при его разгрузке в конце рабочей кампании. При снижении мощности, связанном с уменьшением нейтронного потока, уменьшается выгорание ксенона-135, а его образование в результате радиоактивного распада иода-135, в свою очередь образовавшегося еще при работе реактора с большой мощностью, остается на прежнем уровне. Так как период полураспада ксенона-135 (9,2 ч) больше периода полураспада иода-135 (6,7 ч), при снижении мощности происходит избыточное накопление ядер ксенона-135, являющихся сильным поглотителем нейтронов [24]. Если не принять специальных мер, то в результате этого процесса через несколько часов после снижения мощности реактивность реактора станет отрицательной, количество нейтронов каждого последующего поколения будет уменьшаться, что приведет к самопроизвольной остановке реактора. Поглощение нейтронов ядрами ксенона-135 и обусловленная этим отрицательная реактивность возрастают с увеличением глубины разгрузки. В связи с этим допустимость той или иной разгрузки блока определяется имеющимся оперативным запасом реактивности для компенсации нестационарного ксенонового отравления. В конце рабочей кампании, когда управляющие стержни выдвинуты из активной зоны, а концентрация борной кислоты в теплоносителе понижена, суммарного запаса реактивности оказывается недостаточно для преодоления ксенонового отравления. Это ограничивает разгрузку блока при постоянном давлении во втором контуре в течение последней трети расчетной рабочей кампании [41]. Если же снижение мощности производить при скользящем давлении, то увеличение за счет этого оперативного запаса реактивности позволяет допустить более глубокую разгрузку энергоблока [49] в этот период (рис. 4-13).
Создание за счет скользящего давления дополнительного оперативного запаса реактивности важно в заключительной части рабочей кампании. На протяжении же большей части расчетной рабочей кампании тот оперативный запас реактивности, который заключен в управляющих стержнях и борной кислоте, вполне достаточен для маневрирования, так что нет необходимости в его увеличении в этот период. В то же время применение скользящего давления связано с наибольшими изменениями температуры теплоносителя в первом контуре по сравнению с другими программами регулирования (см. рис. 1-6). Этот побочный эффект, неблагоприятный для первого контура, является определенным минусом рассматриваемой программы регулирования.
Поскольку, однако, работа при скользящем давлении позволяет повысить тепловую экономичность турбоустановки, заслуживает внимания регулирование расхода теплоносителя в первом контуре. Это может быть достигнуто, например, тиристорным регулированием скорости электродвигателей главных циркуляционных насосов в сочетании с поочередным отключением насосов. За счет изменения расхода теплоносителя в первом контуре принципиально возможна реализация одновременно различных программ регулирования первого и второго контуров энергоблока, в том числе скользящего давления пара ро во втором контуре в сочетании с неизменной средней или выходной температурой теплоносителя в первом контуре. Так как с понижением нагрузки в этом случае возрастает разность температур, то в соответствии с формулой (4-21) уменьшение передачи теплоты Q из первого контура во второй может происходить лишь за счет снижения коэффициента теплопередачи k. При уменьшении расхода в первом контуре пропорционально ему изменяются скорость теплоносителя w и число Рейнольдса Re = wd/v, где d — диаметр трубок парогенератора; v — кинематическая вязкость теплоносителя. Пропорционально Ren уменьшается коэффициент теплоотдачи от теплоносителя первого контура к металлу поверхностей теплообмена в парогенераторах, что приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи k. Это показывает принципиальную реализуемость независимых программ регулирования первого и второго контуров, особенно при переходе к вертикальным парогенераторам. Однако для выдачи практических рекомендаций безусловно нужны детальные исследования характеристик оборудования в таких малоизученных режимах.
Работа кипящих канальных реакторов с графитовым замедлителем при скользящем давлении исследована в значительно меньшей мере. Переход к скользящему давлению изменяет условия работы канальных реакторов в большей мере, чем водо-водяных. Это обусловлено тем, что снижение давления и температуры теплоносителя непосредственно в каналах реактора понижает температуру топлива и графита, плотность пара и увеличивает объемное паросодержание. Отмеченные факторы оказывают противоречивое влияние на нейтронно-физические характеристики реактора, изменяя его реактивность. Экспериментальными исследованиями, проведенными на блоке РБМК-1000 [49], установлено, что по отношению к возмущению давлением реактор обладает отрицательным коэффициентом реактивности др/др, что делает его при скользящем давлении устойчивым объектом регулирования [24]. Неравномерность нейтронного потока в активной зоне при скользящем давлении, как показали испытания [49], оказывается меньшей, чем на таких же уровнях мощности при постоянном давлении.
Увеличение оперативного запаса реактивности принципиально может быть использовано для преодоления ксенонового отравления, получения пиковой мощности, а в некоторых случаях (например, при длительной работе с неполной нагрузкой) для увеличения степени выгорания топлива и сокращения частоты его перегрузок, хотя значение этих факторов для канальных реакторов будет меньшим, чем для водо-водяных. Переход к скользящему давлению позволяет также уменьшить число находящихся в работе циркуляционных и питательных насосов, что сокращает затраты энергии на собственные нужды.
Для окончательного ответа на вопрос о перспективах применения скользящего давления для блоков с канальными реакторами необходимо продолжить эти первые исследования с целью выяснить, не меняется ли отмеченный выше эффект в процессе эксплуатации, проанализировать температурные режимы каналов реактора, барабана-сепаратора, а также условия работы контура многократной принудительной циркуляции.
