Выговский Физические и конструкционные особенности ядерных 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

ФИЗИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ВВЭР

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2011

3

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Физические и конструкционные особенности ядерных энергетических установок (ЯЭУ) с водо-водяным энергетическим реактором (ВВЭР) являются важной и актуальной темой для изучения в вузах, в которых ведется подготовка специалистов для атомной отрасли и, в первую очередь, для атомной энергетики. Дело в том, что ближайшее будущее (10–20лет) атомной энергетики связано со строительством АЭС с ВВЭР, и в большой степени усилия проектных и эксплуатирующих организаций атомной отрасли будут направлены на совершенствование конструкции ЯЭУ с реакторами подобного типа и повышение безопасности оборудования данных установок. При этом перед учебными заведениями нашей страны встает серьезная и ответственная задача по подготовке кадров для реализации этих усилий. Можно надеяться на то, что настоящее учебное пособие внесет свой скромный вклад в решение этой задачи. Пособие предназначено для студентов старших курсов и аспирантов НИЯУ МИФИ и других вузов, имеющих учебные направления, связанные с подготовкой специалистов для атомной отрасли, а также будет полезно и для преподавателей, ведущих подготовку по данной специальности в этих вузах.

Тема, касающаяся физики и конструкции реактора ВВЭР, а тем более ЯЭУ в целом, довольно обширна и сложна. Поэтому нужно определиться с тем, на что сконцентрировать основное внимание обучаемых специалистов в данном пособии. Во-первых, предметом настоящего пособия является ЯЭУ с ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 и его модификации в рамках последующих проектов. Во-вторых, в настоящем пособии все вопросы физики и конструкции ЯЭУ с ВВЭР рассматриваются под углом зрения безопасности оборудования и его безопасной эксплуатации на АЭС. Часть внимания уделено вопросам экономичности современных ВВЭР. В первую очередь, рассмотрены те физические особенности ядерного реактора, которые обеспечивают самозащищенность оборудования и саморегулирование процессов в нем, т.е. наиболее главные, необходимые качества ядерного объекта. Следующим важным моментом в обеспечении безопасности ЯЭУ является сама конструкция установки. В пособии рассмотрены технические решения по конструкции,

5

направленные на предотвращение возможных аварийных ситуаций или на максимальное уменьшение масштаба их последствий. Довольно подробно рассказано об основных элементах ЯЭУ, об истории развития конструкции, о том, как конструкторская и исследовательская мысль в области реакторного строения нашла такие технические решения для ВВЭР, которые привели к его практической неуязвимости и повысили его конкурентоспособность на внешнем рынке.

Во многом содержание данного пособия опирается на сведения, взятые из проектных и эксплуатационных документов по реактору ВВЭР. В частности, многое взято из документов, посвященных техническому обоснованию безопасности АЭС с ВВЭР-1000 (ТОБ). В ТОБ содержатся сведения о критериях и принципах безопасности, даны классификация и описание систем оборудования, важных для безопасности. В этом же документе приведен анализ безопасности, включающий в себя расчет режимов с нарушениями нормальной эксплуатации и аварийных режимов и их последствий на состояние оборудования и окружающей местности, дано описание пределов безопасной эксплуатации. Однако данные сведения не содержат аргументации и объяснения по каждому пункту правил и требований, касающихся пределов нормальной эксплуатации, и не имеется детального описания физической сути аварийных процессов и их последствий для оборудования ЯЭУ с ВВЭР-1000. Еще необходимо отметить, что данные документы ориентированы на конкретный проект ВВЭР-1000, который может иметь свои конструкционные и эксплуатационные особенности, отличающие его от других проектов.

Поэтому задача настоящего учебного пособия, с одной стороны, заключается в том, чтобы дать обучаемым специалистам понимание того, как основные физические и конструкционные особенности ВВЭР обеспечивают защиту установки в различных аварийных ситуациях, и что обуславливает большую часть пределов нормальной эксплуатации, независимо от особенностей конкретного проекта. С другой стороны, в данном пособии рассказывается о том, какие физические особенности ВВЭР могут приводить к опасным ситуациям и какие решения необходимо принять для того, чтобы их избежать. Также в настоящем пособии указывается на уязвимые

6

места в конструкции действующих энергоблоков и даются сведения о том, какие технические решения реализуются на вновь строящихся АЭС с ВВЭР. Особое внимание обращено на решения по ЯЭУ с ВВЭР-1200 в рамках проекта АЭС-2006. В пособии дана информация о различных проектах, что дает представление об истории развитии ВВЭР и выявляет зримо тенденцию по повышению безопасности и экономичности эксплуатации его оборудования.

Базируясь на отечественных проектных и эксплуатационных документах, настоящее пособие использует и более специализированную литературу. К такой литературе следует отнести, в первую очередь, книги, входящие в сборник «Создание реакторных установок ВВЭР для АЭС», изданный главным конструктором ВВЭР1000 ОКБ «Гидропресс» в 2004 г. [2], [3], [4], [5], [6]. В сборнике ОКБ «Гидропресс» изложены наиболее полно вопросы проектирования, эксплуатации и безопасности РУ с ВВЭР-1000, но и в них содержание носит преимущественно обзорный характер и не дает читателю объяснения по многим техническим решениям и явлениям. Исключение из данного сборника, пожалуй, составляют две книги, посвященные экспериментальному и теплотехническому обоснованию теплотехнической надежности и ядерной и радиационной безопасности реактора ВВЭР ([4], [6]).

Конечно, в данном сборнике приведена подробная библиография по литературе и публикациям, посвященным реакторам ВВЭР1000, в которых освещены самые разнообразные проблемы и явления, характерные для данного типа реактора. Из этой литературы можно почерпнуть много полезной информации, но цельную картину о наиболее важных особенностях ЯЭУ с ВВЭР составить затруднительно. Наиболее близкой по духу и стилю изложения настоящему пособию можно считать книгу под названием «ВВЭР1000: Физические основы эксплуатации, ядерное топливо, безопасность» [7], выпущенную коллективом ведущих специалистов атомной отрасли в 2006 году.

К базовым источникам и документам по теме пособия следует отнести и хорошо известные книги: «Аварийные переходные процессы на АЭС с ВВЭР» [8], «Эксплуатационные режимы водоводяных реакторов ВВЭР» [9]. Они до сих пор являются настольными книгами для многих специалистов ВВЭР. Правда, в книге [9]

7

основное внимание уделяется режимам нормальной эксплуатации

иосновным физическим и конструкционным особенностям реакторов ВВЭР. О пределах нормальной эксплуатации здесь говорится довольно скупо. В книге [8] большое внимание уделено аварийным режимам и методам их расчета, но многие из описанных методов уже устарели, и нет выделения особо опасных для ВВЭР ситуаций

ирассмотрения их особенностей в зависимости от конкретного проекта РУ и типа топливной загрузки. Так же как и в [9], здесь очень немного говорится о пределах безопасной эксплуатации и факторах, их обуславливающих.

Впредлагаемых материалах главная задача – дать обучаемым специалистам сведения о физических и конструкционных особенностях ЯЭУ с ВВЭР, аргументацию основным критериям и принципам безопасности РУ с ВВЭР-1000, выделить основные пределы безопасной эксплуатации РУ и объяснить их первопричину. Далее выделить наиболее опасные аварийные ситуации, характерные для АЭС с ВВЭР-1000, которые действительно происходили или могут произойти в эксплуатационной практике, и дать объяснение, почему эти аварии являются опасными и как уменьшить последствия этих аварий. В настоящем пособии основное внимание уделяется раскрытию физического смысла каждого обсуждаемого предела безопасной эксплуатации. В нем рассказывается о различных физических явлениях, характерных именно для реактора ВВЭР-1000,

ио том, каким образом эти явления могут привести к ядерноопасным ситуациям. По нашему мнению, материалы настоящего пособия являются наиболее предметными и полезными для студентов различных специальностей во время преддипломной практики, решивших идти работать на предприятия, связанные с исследованием, проектированием и изготовлением оборудования ЯЭУ с ВВЭР. А также это пособие крайне полезно для повышения квалификации специалистов атомной отрасли в начале или продолжении их производственной деятельности, включая старший оперативный персонал АЭС с ВВЭР.

Нужно обратить внимание еще на одну особенность настоящего пособия. В нем сформулированы задания и упражнения, которые могут выполняться обучаемыми с использованием компьютерного анализатора режимов реакторного отделения АЭС с ВВЭР-1000, в

8

котором предусмотрена возможность демонстрации различных явлений, характерных для ВВЭР-1000, и имеется набор учебных задач для лабораторного практикума. Возможны моделирование разнообразных аварийных ситуаций, показ различных способов управления в переходных режимах, различных стратегий использования топлива. Также на анализаторе возможно изучение пределов нормальной эксплуатации, и чем их превышение грозит оборудованию РУ; моделирование аварий с множественными отказами оборудования с рассмотрением их последствий на целостность основных барьеров безопасности. Такое рассмотрение позволяет оценить всю глубину проработанности основного проектного принципа безопасности – самозащищенности и саморегулирования РУ.

При подготовке материалов для данного пособия неоценимую помощь оказали наши коллеги по научно-исследовательской лаборатории (НИЛ) «Тренажерные Системы Обучения» (ТСО) НИЯУ МИФИ В.А. Чернаков, С.А. Мищерин, В.Г. Зимин, В.П. Страшных, И.А. Галкин, С.И. Сидорова, а также сотрудники Калининской АЭС В.Ф. Бай и В.М. Чапаев. Большую помощь при написании пособия оказали консультации и советы со стороны заместителя заведующего кафедры №2 НИЯУ МИФИ С.А. Королёва. Авторы выражают большую благодарность всем

коллегам, оказавшим помощь и поддержку в работе над пособием. Отдельную благодарность хотелось бы выразить рецензентам нашей работы В.И. Савандеру и В.С. Харитонову за конструктивную критику и замечания, которые сделали пособие более точным в деталях и более стройным в изложении основной тематической линии.

9

Список сокращений

КК– коэффициент конверсии

10