Белозеров В.И., Жук М.М., Кузина Ю.А., Терновых М.Ю. Физика и эксплуатационные режимы реактора ВВЭР-1000

проводников при наличии разности температур между холодным и горячим спаями проводника. При измерении температуры с помощью ТП её горячий спай помещают в точку измерения, а в разрыв холодного спая включают измерительный прибор. Поскольку тер- мо-ЭДС зависит от разности температур холодного и горячего спая, для получения абсолютного значения температуры необходимо внести поправку на температуру холодного спая (так называемая компенсация температуры холодного спая). ТП изготавливают из термопарного кабеля КТМС, представляющего собой хромелевый и алюмелевый провода, помещённые в оболочку с порошком окиси магния. Со стороны горячего спая провода сваривают друг с другом и с оболочкой. Со стороны холодного спая кабель заделывают специальным герметиком, чтобы обеспечить герметичность ТП в целом.

	Для измерения температуры теплоносителя
	внутри корпуса реактора применяют термопа-
	ры типа ТХА-2076, конструкция которой по-
	казана на рис. 8.13. Тепловая инерция ТП не
	более 20 с. Средний срок службы – не менее 6
	лет, средний ресурс – не менее 25 000 ч. По-
	грешность измерения ТП обусловлена сле-
	дующими факторами: разбросом градуиро-
	вочной характеристики вследствие несовер-
	шенства технологии её изготовления; влияни-
	ем распределения температуры по длине ТП;
	неточностью компенсации температуры хо-
	лодного спая ТП; погрешностью измеритель-
	ной аппаратуры; γ-разогревом горячего спая и
	влиянием эмиссионного тока в проводах ТП.
	Кроме того, в процессе эксплуатации внутри-
	реакторных ТП под воздействием радиацион-
Рис 8.13. Конструкция
термопары:	ного облучения происходит медленное изме-
1 – кабель КТМС,	нение градуировочной характеристики ТП,
2 – чехол,	связанное с радиационными превращениями
3 – наконечник,	элементов, входящих в состав электродов ТП.
4 – горячий спай ТП
	Температуру теплоносителя на выходе из

ТВС и в петлях первого контура Tтпj по сигналам термопар рассчитывают по следующим формулам:

261

T	= −[sign(U	хсj	+U	ТПj	−7,5)](U	хсj	+U	ТПj	−7,5)2 ×
ТПj									(8.16.1)
	×0,0937 + 25,03(Uхсj +UТПj ) −
							3,46 +		Tj ,

где UТПj – сигнал от j-й ТП, мВ; Uxcj – ЭДС холодного спая j-й ТП, мВ; Т – индивидуальная поправка термопары,°С.

Uxcj вычисляют по формуле

Uxcj = 6,5625 10-6Т2хсj + 0,040425Txсj + 0,013125, (8.16.2)

где Тхсj – температура холодного спая j-й ТП, введенного в i-ю коробку компенсации.

Температуру Тхсj рассчитывают по сигналу Ui от термосопро-

тивления в i-й коробке компенсации по формуле
Tхсj = = A −	A2	− BU	j	+	T ,	(8. 16.2)
	4				i

где А и В – константы; Тi индивидуальная поправка термометра сопротивления в i-й коробке компенсации.

Измерение температуры с помощью термосопротивления основано на свойстве проводников менять своё сопротивление прямо пропорционально с изменением температуры. Линейная зависимость электрического сопротивления от температуры удобна тем, что позволяет использовать более простые схемы измерения и создавать более простые вторичные приборы. Термометрический чувствительный элемент термосопротивления изготовлен из платиновой проволоки и представляет собой спираль, помещённую в каналы керамического каркаса. Термометрический чувствительный элемент ТС припаян к серебряным или никелевым выводам. Пакет ТС помещается в защитную арматуру, изготовленную из стали 09Х18Н10Т, устойчивую к межкристаллитной коррозии.

Имульсно-токовая камера деления КНК-15. Блоки детекти-

рования (БД) в АКНП конструктивно выполнены идентично и отличаются размерами детекторов. Ионизационная камера размещается внутри герметичного корпуса (К) из нержавеющей стали. Для снижения влияния воздействия электромагнитных помех на выходы электродов камеры размещаются в цилиндрическом экране, являющемся продолжением ионизационной камеры; соединение экрана и корпуса камеры выполнено с помощью сварки. Для компенсации разброса длины детектора, отдельных узлов и повышения

262

виброустойчивости используется специальный компенсационно – амортизирующий узел. На наружную поверхность корпуса БД по всей длине нанесено терморадиационностойкое изолирующее покрытие, предотвращающее возможность электрического контакта корпуса со стенками канала.

Импульсно-токовая камера деления КНК-15 предназначена для регистрации тепловых нейтронов на фоне интенсивного гаммаизлучения. Максимальный поток нейтронов, который может регистрировать камера 5 1010 нейтр./см2с. Допустимая мощность дозы гамма-излучения в месте расположения камеры в импульсном режиме 106 Р/ч, в токовом 107 Р/ч.

Чувствительность камеры к тепловым нейтронам в импульсном режиме составляет 0,5 имп/нейтр/см2. Чувствительность камеры к тепловым нейтронам в токовом режиме составляет 1,8 10-13 А/нейтр./(см2с). Ток камеры пропорционален нейтронному потоку до 3.103 А при рабочем напряжении 400 ±50 В.

Камера КНК-15 трёхэлектродная. Электродная система собрана из 89 пластин (П): 23 пластины покрыты ураном-235 (2 пластины – верхняя и нижняя, покрыты с одной стороны, а 21 пластина – с двух сторон), образуют положительный высоковольтный электрод; 44 пластины, покрытые ураном с одной стороны, образуют собирающий электрод; 22 пластины без покрытия, образуют отрицательный высоковольтный электрод.

Электродная система состоит из двух объёмов: рабочего и компенсирующего. Общая площадь покрытия пластин 1000 см2.

Пластины электродов крепятся на стойках, которые установлены на опорных керамических изоляторах, в верхнем и нижнем фланцах. Фланцы герметично соединены с корпусом арго-но- дуговой сваркой. Выводы электродов «+», «–» и «0» проходят через герметичные металло-керамические изоляторы. Камера наполнена смесью газов: 96 % аргона, 2 % азота и 2 % гелия-4 до давления 2,5 атм. Принципиальная схема включения камеры в измерительную цепь в импульсном и токовом режимах показана на рис. 8.14.

При облучении камеры нейтронами возникает реакция деления ядер урана-235, которая сопровождается вылетом в межэлектродное пространство сильноионизирующих осколков. Движение элек-

263

Рис. 8.15. Расходомерная шайба

тронов в межэлектродном пространстве создаёт импульс тока. Количество импульсов пропорционально нейтронному потоку.

а б

Рис. 8.14. Принципиальная схема включения камеры KHK-15 при работе в импульсном (а) и токовом (б) режимах

При включении камеры по схеме рис. 8.14, б регистрируется средний ток, вызванный движением ионов в камере. Ионизационный ток в цепи собирающего электрода камеры равен разности токов, вызванных излучением в рабочем и компенсирующем объёмах. После камер сигналы поступают в блоки усиления и преобразования, а далее в устройства накопления и обработки (УНО).

Расходомерные шайбы. Расходомерные шайбы служат для создания местного перепада давления в движущемся по трубопроводу потоке и применяются в комплекте с дифманометрами для измерения расхода жидкости, газа или пара. Расходомерная шайба представляет собой тонкий диск с цилиндрическим отверстием, имеющим со стороны входа потока острую кромку, а со стороны выхода – конус

(рис. 8.15).

При протекании измеряемой среды через отверстие меньшего диаметра, чем внутренний диаметр трубопровода, происходит увеличение средней скорости потока, что в свою очередь

приводит к уменьшению статического давления, то есть, перед диафрагмой будет давление P, равное статическому, а после диафрагмы P1, причём Р > Р1.

264

Разность между давлениями Р = Р – Р1 называется перепадом давлений, служит мерой расхода и измеряется посредством датчика типа «Сапфир». Расход среды пропорционален квадратному корню из Р, поэтому после датчика типа «Сапфир» сигнал поступает на блок извлечения корня (БИК).

Нейтронный анализатор раствора НАР-12 или НАР-12М (концентратомер). Концентратомер предназначен для измерения концентрации изотопа бор-10 (борной кислоты) в теплоносителе на АЭС с реакторами ВВЭР. Принцип действия концентратомера основан на нейтронно-абсорбционном методе анализа. Измерение производится непрерывно, результаты анализа представляются в виде нормированного аналогового сигнала, величина которого

прямо пропорциональна концентрации
изотопа бор-10.
На рис. 8.16 приведена схема распо-
ложения навесного НАР.
Концентратомеры бывают навесные и
погружные.
Нейтроны, испускаемые плутоний-
берилиевым источником, попадают в
анализируемый раствор борной кислоты,
где происходит их замедление при взаи-
модействии с ядрами водорода и погло-
щение ядрами изотопа бор-10. Часть за-
медленных нейтронов отражается из рас-
твора и попадает в чувствительный объ-				Рис. 8.16. Расположение
ём гелиевого счётчика СИ-19Н, распо-				навесного НАР:
ложенного в блоке детектирования ней-				1 – трубопровод;
тронов	БДИН-3М,	входящим	в состав	2 – изотопный источник
датчика. Количество нейтронов, попа-				нейтронов;
				3 – два блока детектирования
дающих	в объём	счётчика	СИ-19Н,

уменьшается с увеличением концентрации изотопа бор-10 в растворе.

Датчик контроля энерговыделения. Для измерения распреде-

ления энерговыделения по объёму активной зоны в системе ВРК используются детекторы прямой зарядки (ДПЗ) с эмиттером из родия.

265

По сравнению с другими типами нейтронно-чувствительных детекторов ДПЗ обладают следующими преимуществами:

-малые габариты позволяют разместить в реакторе большое количество детекторов, необходимое для получения детальной картины распределения энерговыделения по объёму активной зоны;

-ДПЗ не требуют внешнего источника питания, имеют достаточно высокую надёжность, их чувствительность мало меняется в процессе эксплуатации, и эти изменения можно скорректировать расчётным путём;

-ДПЗ просты по конструкции, технологичны при изготовлении, имеют хорошую воспроизводимость параметров (разброс чувствительности не более 1%).

Наряду с этим ДПЗ присущи и некоторые недостатки: небольшой выходной сигнал – в реакторах ВВЭР-1000 на номинальной мощности их выходной ток составляет единицы микроампер; сравнительно большая постоянная времени (порядка 1 минуты); зависимость чувствительности ДПЗ от различных параметров, характеризующих состояние активной зоны (выгорание, обогащение ближайших твэлов, концентрация борной кислоты, температура теплоносителя и т.д.), и от выгорания эмиттера ДПЗ.

В 64 тепловыделяющие сборки без ОР СУЗ при сборке ВКУ реактора выдвигаются из БЗТ в центральные трубки ТВС каналы нейтронного измерения (КНИ). Каждый КНИ представляет собой герметичную трубку из нержавеющей стали (чехол) диаметром 7,5±0,15 мм с детекторами (датчиками) потока нейтронов. Каждый датчик представляет собой кусок проволоки из родия диаметром 0,5 мм длиной 250 мм, заключенный в трубочку электроизоляции.

В датчике использован принцип прямого преобразования энергии потока нейтронов в электрический ток. При взаимодействии

нейтронов с родием 10345 Rh образуется изотоп 10445 Rh, который затем

распадается с испусканием бета-частиц. Материал и толщина изолирующей трубки на родиевой проволоке подобраны так, что бетачастицы пролетают сквозь нее и создают этим электрический ток, пропорциональный плотности потока нейтронов на этот датчик. Период полураспада родия (44 с) позволяет достаточно оперативно получать информацию о распределении плотности потока нейтронов. По кабелю выходной сигнал ДПЗ выводится за пределы реак-

266

тора. Радиоактивное превращение родия осуществляется по формулам

103	σ=12 б		104m	T1/ 2 =4,4 мин	104	β,T1/ 2 =44 c	104
45 Rh(n, γ) →			45 Rh → 45 Rh → 46 Pd ,
		γ)	σ=140 б		β,T1/ 2 =44 c		(8.16.4)
	103			104		104	(8.16.5)
	45 Rh(n,		→ 45 Rh → 46 Pd .

Этот активационный компонент составляет основную часть (до 90 %) выходного сигнала ДПЗ. Он имеет две основные составляющие, соответствующие периодам полураспада, приведённым в формулах.

Кроме того, часть выходного сигнала ДПЗ обусловлена электронами, образующимися на эмиттере под воздействием гаммаизлучения в результате фотоэффекта и комптон-эффекта. Мгновенный компонент, вызванный гамма-квантами, составляет 7–8 % активационной составляющей. Существенно, что этот компонент практически безынерционен.

Третья составляющая сигнала ДПЗ обусловлена током, образующимся в линии связи при воздействии на неё внутриреакторных излучений. Этот так называемый фоновый компонент пропорционален длине линии связи, находящейся в активной зоне. Её доля может доходить до 10% общего выходного сигнала. Чтобы скомпенсировать её влияние, в кабеле предусмотрена фоновая жила, вырабатывающая фоновый ток, который в измерительной аппаратуре должен быть вычтен из тока основной жилы.

По высоте чехла КНИ расположены 7 датчиков (каждый длиной 250 мм, расстояние между их центрами 437,5 мм) и фоновый датчик. Фоновый датчик выполнен аналогично линии связи основного датчика.

Каналы КНИ имеют герметичные выводы кабелей через специальные фланцы на крышке реактора. Срок службы КНИ составляет несколько кампаний (до четырёх), за это время показания датчиков уменьшаются на 15–25 % из-за выгорания родия в потоке нейтронов. Поэтому для обработки показаний датчиков КНИ применен автономный вычислительный комплекс из ЭВМ со специальным программным обеспечением.

С помощью расчетных методов осуществляется пересчет токов ДПЗ в энерговыделение тех ТВС, в которых расположены датчики, и «восстановление» энерговыделения в ТВС, где датчики отсутствуют.

267

Результирующая погрешность определения
линейного энерговыделения с помощью ро-
диевого ДПЗ складывается из следующих ос-
новных составляющих: погрешности опреде-
ления коэффициента перехода от сигнала
эмиттера к энерговыделению (4 %); неиден-
тичности чувствительности ДПЗ (1 %); по-
грешности учёта фонового тока линии связи
(до 2 %); погрешности термотоков (1 %); по-
грешности измерения сигнала ДПЗ (1 %).
Среднеквадратичная погрешность составляет
примерно 5 %.
На рис. 8.17 приведена конструкция КНИ.
КНИ состоит из защитной арматуры, детек-
торной части, миниатюрного разъёма. Арма-
тура предназначена для защиты ДПЗ от меха-
нических воздействий и от контакта ДПЗ с
теплоносителем 1-го контура. В состав детек-
торной части входят семь детекторов, равно-
мерно размещённых с шагом 437,5 мм, за-
	Рис. 8.17. Конструкция
щитный экран, узел уплотнения и семь линий	КНИ-5Б:
связи. Защитный экран предназначен для	1 – разъём;
	2 – семь линий связи;
уменьшения фонового тока, возникающего в	3 – узел уплотнения;
линии связи под воздействием β-излучения	4 – защитная арматура;
эмиттеров ДПЗ. Чувствительность детектора	5 – детекторная часть;
(начальная) 3,0 10-24 А/нейтр./(м2с). С этой	6 – защитный экран;
целью все семь детекторов располагают по	7 – детектор ДПЗ-1М

одну сторону экрана, а их линии связи – по другую. Узел уплотнения расположен в верхней части КНИ и предназначен для обеспечения герметичности 1-го контура при появлении течи в защитной арматуре.

8.17. Нейтронно-физические программы, используемые на АЭС

Созданный в НИЦ КИ комплекс программ КАСКАД (рис. 8.18) предназначен для проведения нейтрон-но-физических расчетов активных зон реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 и для формирования

268

соответствующего набора выходных данных в автоматическом режиме.

Рис. 8.18. Внешний вид графической оболочки Каскад

Винтегрированной среде комплекса имеется множество функций, позволяющих максимально облегчить работу пользователя, начиная с момента подготовки и хранения данных и оканчивая анализом результатов расчетов по входящим в комплекс программам, включая возможности последующего использования результатов в документах.

Всостав комплекса КАСКАД включены следующие основные расчетные модули:

-программа БИПР-7А, предназначенная для выполнения крупносеточного трехмерного расчета активной зоны ВВЭР;

-программа ПЕРМАК-А, предназначенная для выполнения мелкосеточных (потвэльных) малогрупповых двумерных диффузионных расчетов как в одном, так и в нескольких поперечных сечениях активных зон ВВЭР;

269

-библиотеки коэффициентов аппроксимации (БКА);

-ХИПИ-А – система хранения и поиска информации, обеспечивает взаимодействие программ, входящих в комплекс;

-программа ТЕПЛО, предназначенная для расчета теплофизических характеристик топлива, теплоносителя и оболочек твэлов, а также минимального запаса до кризиса теплообмена;

-программа ALBUM, обеспечивающая обработку и графическую выдачу различных результатов;

-программа KSK – модуль графического пользовательского интерфейса, представляет собой систему интерактивного управления процессами подготовки данных, проведения расчетов и просмотра результатов нейтронно-физических расчетов, осуществляемых комплексом КАСКАД;

-программа ПРОРОК, обеспечивающая возможность формирования стационарных и переходных топливных загрузок в интерактивном режиме с использованием блока автоматической оптимизации.

Комплекс программ снабжен библиотеками нейтроннофизических констант для всех видов топлива, находящегося в эксплуатации. Библиотеки констант для программ БИПР7-А и ПЕР- МАК-А сформированы при помощи программы ТВС-М.

Программа БИПР-7А предназначена для выполнения нейтрон- но-физических расчетов топливных загрузок реакторов типа ВВЭР.

Впрограмме используется двухгрупповое диффузионное приближение на трехмерной гексогональной в плане сетке, узлы которой в плане совпадают с центрами ТВС. Уравнения баланса нейтронов использует 7 узлов в поперечном сечении ТВС (в центре и по углам), и два узла в вертикальном направлении: выше и ниже центрального узла. Учет перетечек тепловых нейтронов между ТВС выполняется в приближении двух полупространств. Расчет коэффициентов реактивности и параметров точечной кинетики производится по теории возмущений в одногрупповом приближении.

Трехмерная редкосеточная программа БИПР-7А предназначена для проведения нейтронно-физических расчетов активных зон реакторов типа ВВЭР. Программа БИПР-7А проводит расчет: трехмерных полей глубин выгорания топлива; температур и плотности теплоносителя; энерговыделения и потоков нейтронов; эффектов пространственного распределения изотопов Xe-135, Sm-149 и Pm-

270