Выговский Физические и конструкционные особенности ядерных 2011

				Таблица 2.1
		Предельные расчетные параметры корпуса реактора
		Наименование параметра		Численное значение
		Давление расчетное рабочее, МПа		17,6 (180 атм.)
		Температура расчетная, °С	350
		Скорость разогрева, °С / ч	20
		Скорость нормального расхолаживания, °С/ч	30
		(разрешено 70 циклов)
		Скорость ускоренного расхолаживания, °С/ч	60
		(разрешено 30 циклов)
		Максимальный расчетный флюенс быстрых	5.7×10 9
		нейтронов энергией более 0,5 МэВ, нейтро-
		нов/см2

Корпус во многом определяет жизненный цикл всего энергоблока, так как при потере прочностных свойств корпуса ЯЭУ не может выполнять свои функции. Необходима замена корпуса и внутрикорпусных устройств, а это – заметная доля в стоимости всего оборудования ЯЭУ. Таким образом, срок службы корпуса реактора является важнейшей характеристикой экономичности ЯЭУ. Срок службы корпуса в основном определяется величиной флюенса быстрых нейтронов с энергией выше 0.5 МэВ. Нейтроны с энергией выше 0.5 МэВ приводят к повышению хрупкости металла корпуса и ухудшению его прочностных свойств. Степень ухудшения прочностных свойств прямо пропорциональна флюенсу быстрых нейтронов. Поэтому возникает задача по уменьшению величины данного флюенса нейтронов на корпус. Одним из эффективных способов этого уменьшения является размещение в активной зоне ТВС с выгоревшим топливом на периферии зоны. При размещении ТВС, простоявших в зоне 2 или 3 года, можно снизить флюенс нейтронов в 2-3 раза. Такая схема загрузки топлива в активную зону носит название «IN-IN-OUT» и «IN-IN-IN-OUT». Во второй главе уже было рассказано о данной схеме загрузки топлива и ее преимуществах. При переходе на такие схемы загрузки топлива цифры, отвечающие за количество циклов расхолаживания в табл. 2.6, увеличатся соответственно с 70 до 140 и с 30 до 60.

141

2.4. Внутрикорпусные устройства – ВКУ

Внутрикорпусные устройства (ВКУ) предназначены для:

•размещения комплекта ТВС в активной зоне реактора, закрепления каждой ТВС, удержания ее от всплытия;

•организации потока теплоносителя в реакторе, обеспечения нормального охлаждения ТВС с целью получения проектных характеристик активной зоны;

•размещения органов регулирования, защиты их от воздействия потока теплоносителя и обеспечения нормального их перемещения;

•предохранения ТВС и органов регулирования от разрушения

вслучае возникновения аварийных ситуаций и землетрясений;

•размещения каналов под датчики ВРК;

•ослабления нейтронного потока, падающего на корпус реак-

тора.

ВКУ относятся к устройствам нормальной эксплуатации и первой категории сейсмостойкости. Срок службы ВКУ – 30 лет. Максимальное значение флюенса быстрых нейтронов с энергией более 0,5 МэВ, набираемое за 30 лет эксплуатации, не должно превышать предельных значений. Предельные значения флюенса помещены в табл. 2.7:

Таблица 2.2 Предельные значения флюенса быстрых нейтронов на устройства ВКУ

	Наименование параметра:			Численное
	Максимальный флюенс быстрых			значение
	нейтронов c энергией более 0.5 МэВ,нейтр./см2
	На корпус		5,7×10 9
	На выгородку		4,5*1022
	На шахту		6,0*1021
	На БЗТ		6,5*1019

В состав ВКУ входит внутрикорпусная шахта, выгородка и блок защитных труб (БЗТ). Внутрикорпусная шахта закреплена в корпусе реактора. Внутри шахты на уровне активной зоны размещена выгородка, которая предназначена для:

• минимизации протечек теплоносителя мимо активной зоны;

142

• уменьшения флюенса быстрых нейтронов на корпус реакто-

ра;

• общего уменьшения потерь нейтронов за пределами зоны. ТВС установлены внутри выгородки на опорные трубы шахты. Блок (БЗТ), поджимаемый крышкой верхнего блока, опирается на подпружиненные головки ТВС. Внутрикорпусная шахта представляет собой вертикальный полый цилиндр с перфорированным эллиптическим днищем и опорными трубами, на которые устанавли-

ваются ТВС активной зоны.

Выгородка представляет собой кольцевой цилиндр, состоящий из колец, скрепленных между собой шпильками и зафиксированных плане друг относительно друга штифтами. Кольца выгородки имеют сквозные продольные каналы, а на наружной поверхности – кольцевые проточки для улучшения охлаждения металла выгородки. На торцевой поверхности верхнего кольца предусмотрены места под установку сборок с «лучевыми» образцами-свидетелями корпусной стали (для измерения флюенса быстрых нейтронов на корпус). Габариты выгородки: диаметр выгородки – примерно 3.5 м, высота – примерно 4.1 м, масса – около 35 т. На рис. 2.9 схематично показана часть поперечного сечения выгородки.

Рис. 2.9. Схематическое изображение фрагмента гранёной выгородки ВВЭР-1000 (проект 320)

Несколько слов об одном из функциональных назначений граненой выгородки – отражателе нейтронов. Для наилучшего отражения нейтронов каналы охлаждения металла в самой выгородке целесообразно размещать как можно дальше от периферии активной зоны. Это объясняется тем, что каналы охлаждения являются ловушками нейтронов, и если они размещаются близко к периферии зоны, то они существенно увеличивают потерю отраженных

143

нейтронов в граненой выгородке. Если эти каналы отодвинуть подальше от края зоны, то сталь выгородки становится хорошим отражателем быстрых нейтронов. Однако сильно отодвигать каналы охлаждения от края зоны нельзя из-за большой тепловой нагрузки на выгородку. Поэтому возникает задача по оптимизации размещения каналов охлаждения в граненой выгородке, которая была успешно решена для серийного ВВЭР-1000 (проект 320). При этом желательно, чтобы водяной зазор между краем зоны и граненой выгородки был как можно меньше. Такая рекомендация объясняется тем, что при наличии водяного зазора порядка 1 см в периферийных топливных элементах наблюдается заметный всплеск тепловых нейтронов, что может приводить к возрастанию неравномерности энерговыделения по активной зоне и превышать предельно разрешенные значения. Но устранить зазор невозможно, так как при изготовлении выгородки существуют допуски, которые снизить невозможно, так как в противном случае активная зона может и не поместиться внутри выгородки. Расчетные и стендовые испытания показали, что водяной зазор от 5 до 7 мм не приводит к заметному всплеску тепловых нейтронов и превышает заводские допуски на изготовление.

2.5. Блок защитных труб (БЗТ)

БЗТ представляет собой сварную металлоконструкцию, состоящую из трех плит, связанных между собой обечайками, защитными трубами и трубами системы ВРК. В защитные трубы установлены направляющие каркасы, в которых перемещаются органы регулирования. В трубах системы ВРК закреплены каналы, через которые сборки каналов нейтронных измерений (КНИ) вводятся в ТВС и установлены термоэлектрические преобразователи. Трубы закреплены в плитах БЗТ. Опорная плита сопрягается с головками ТВС, а через ее перфорацию выходит теплоноситель в межтрубное пространство БЗТ. Установка БЗТ в реакторе в заданном положении обеспечивает точную фиксацию головок ТВС по высоте и в плане в активной зоне, а также заданное усилие поджатия ТВС, гарантирующее «невсплываемость» ТВС в нормальных и переходных ре-

144

жимах; возможность свободных осевых и радиальных термических расширений БЗТ относительно шахты и крышки реактора.

2.6. Верхний блок

Блок верхний (ВБ) предназначен для уплотнения главного разъема реактора, размещения приводов СУЗ, уплотнения выводов системы внутриреакторного контроля (СВРК), удержания от всплытия блока защитных труб (БЗТ), кассет и шахты реактора.

2.7. Каналы нейтронного измерения

Сборки каналов нейтронного измерения (КНИ) предназначены для внутриреакторного контроля распределения плотности потока нейтронов по высоте и радиусу активной зоны реактора при работе реактора в диапазоне мощности 10–100 % номинального значения мощности. Сборка КНИ представляет собой сборку датчиков нейтронного измерения, установленную в защитный чехол

(рис. 2.10).

Рис. 2.10. Схематическое изображение фрагмента сборки КНИ-ДПЗ

145

Рис. 2.11. Схематическое изображение сборки КНИ

На реакторе устанавливается 64 канала нейтронных измерительных. Канал нейтронный измерительный включает в себя (рис. 2.10 и 2.11):

•чехол КНИ;

•7 нейтронно-чувствительных датчиков;

•фоновый датчик;

•присоединительное устройство для подключения линий связи канала к наружному кабелю.

146

Чехол КНИ представляет собой (в пределах внутреннего объема реактора) трубу из стали 08Х18Н10Т диаметром 7,5×0,9 мм, внутри которой размещаются нейтронно-чувствительные датчики. Чехол обеспечивает герметичность детекторной части и рассчитан на давление окружающей среды 180 кгс/см2 и температуру 350 °С. Фоновый датчик предназначен для компенсации дополнительных сигналов, связанных с взаимодействием излучения с конструкционными материалами датчика и линией связи, находящимися непосредственно в активной зоне реактора. Фоновый датчик выполнен аналогично линии связи основного датчика. Присоединительное устройство предназначено для соединения и разъединения электрических цепей датчиков и вторичной линии связи.

Защитный чехол обеспечивает размещение детекторной части КНИ внутри реактора, защищает детекторы от воздействия потока теплоносителя и герметизирует вывод сборки КНИ через крышку ВБ. Сборка КНИ располагается в центральной трубке ТВС (в новых усовершенствованных ТВС, предназначенных для Бушерской АЭС в Иране, для АЭС, строящихся в Китае и т.д., измерительный канал размещается не в центральной трубке, так как в центральной трубке размещается поглощающий элемент) и направляющем канале БЗТ; в верхней части на КНИ установлен электрический разъем с кабелем, через который передается сигнал от детекторов (датчики прямой зарядки из родия – ДПЗ) к измерительному комплексу. Суммарное значение токов детекторов, входящих в один КНИ, обеспечивает измерение среднего значения плотности потока нейтронов (энерговыделения) в ТВС, где установлена сборка КНИ.

Для исключения из суммарного тока в КНИ составляющей от гамма-фона служит датчик Д-8, показанный на рис. 2.11. Он служит для регистрации только гамма-излучения.

Схема преобразования потока тепловых нейтронов в ток показана на рис. 2.12. Таким образом, захваченный родием нейтрон превращает через некоторое время изотоп родия в другой химический элемент с испусканием (рис. 2.12) электрона, и ток, образованный этими электронами, в КНИ прямо пропоционален числу поглощений тепловых нейтронов в родие в единицу времени. Однако число этих поглощений вовсе не дает точного представления о числе делений в топливе в данной ТВС на данной

147

высоте, где расположены ДПЗ, которое и нужно знать для контроля локального энерговыделения в активной зоне. Первая трудность в установлении связи между числом делений в топливе и числом поглощений тепловых нейтронов в родие заключается в следующем.

Зависисмость микросечения поглощения нейтронов от энергии нейтрона в уране и плутонии по всему спектру не совпадает с зависисмостью микросечения родия. Возникает спектральный коэффициент перехода от измеренного тока, который прямо пропорционален числу поглощений тепловых нейтронов в родии в единицу времени, к числу делений и энерговыделению в объеме активной зоны.

Вторая трудность заключается в том, что измерение тока происходит в зоне локально от тепловых нейтронов нескольких твэл (обычно рассматриваются 6 твэл, окружающих датчик).

Рис. 2.12. Схема преобразования потока тепловых нейтронов в ток детектора прямой зарядки (ДПЗ)

Поэтому нужно знать пространственный коэффициент перехода от от числа делений в 6-и твэл, окружающий ДПЗ, к среднему числу делений по всему поперечному сечению ТВС. Ниже в главе, посященной измерениям и расчетному сопровождению эксплуатации на АЭС с ВВЭР, подробней познакомимся с тем, как преодолеваются указанные трудности.

148

Показания 64×7 ДПЗ в сборках КНИ дают представительную информацию о распределении плотности потока нейтронов по высоте и радиусу активной зоны реактора. Используя значения токов в каждом ДПЗ и коэффициенты перехода к среднему числу делений в объеме активной зоны, где располагаются датчики, можно определить значения средней нейтронной мощности (Σfφ) в объемах, определяемых площадью ТВС и длиной нейтронного датчика. Картограмма расположения КНИ по ТВС в плане реактора показана на рис. 2.13. Данная картограмма приведена на координатной сетке, принятой на АЭС для определения местоположения ТВС в активной зоне. В принципе размещение КНИ может быть иным, но должно быть таковым, чтобы отобразить минимум все значения энерговыделения в секторе активной зоны 120°.

				Картограмма расположения КНИ
01						56	63		0	0	31		23
02				0	11		0	60	0	25		0	42			0
03			0	0		40	0		0	0		0	7		0	0
04			0	58	0		5	52	0	17		37		0	28		0
05		0	0	0		50	0		0	45		0	20		0	0	0
06	0		29	0	0		0	36	0		0	48		0		0	57	0
07	0	0	0	21		14	0		0	33		0	13		49	0	0	0
08	43		8	0	0		3	2	0		1	35		0		0	39	10
09	0	0	0	18		46	0		0	34		0	16		54	0	0	0
10	0		26	0	0		0	4	0		0	47		0		0	62	0
11		0	0	0		53	0		0	15		0	19		0	0	0
12			0	61	0	38		51	0	22		6		0	27		0
13			0	0		41	0		0	0		0	9		0	0
14				0	12		0	59	0	30		0	44			0
15						55	0	32		64		0	24
	16	18	20	22		24	26		28	30		32	34		36	38	40	42
	Рис. 2.13. Картограмма расположения КНИ в активной зоне

149

	01								*****		*****		2.58		2.39		*****		*****
									*****		*****		314.0		310.8		*****		*****
	02					*****		*****		0.00		*****		0.00		*****		0.00		*****		*****
						***** ***** 322.6 ***** 323.0										*****		322.1		*****		*****
	03				2.24		0.00		*****		0.00		0.00		0.00		0.00		*****		0.00		2.30
					310.0		322.3		*****		322.0		318.3		318.0		321.7		*****		322.4		310.6
	04			*****		*****		0.00		*****		*****		0.00		*****		*****		0.00		*****		*****
				***** ***** 321.8 ***** ***** 319.0												*****		*****		321.8		*****		*****
	05		2.58		0.00		0.00		*****		0.00		2.74		*****		0.00		3.25		0.00		0.00		2.39
			314.0		323.1		318.0		*****		317.4		314.0		*****		317.3		322.4		318.1		322.9		310.7
	06	*****		*****		0.00		0.00		2.70		*****		0.00		3.35		*****		0.00		0.00		3.17		*****
		*****		*****		318.3		319.0		313.6		*****		320.5		321.6		*****		318.8		317.8		319.4		*****
	07	0.96	0.00		0.00		*****		*****		0.00		2.98		*****		0.00		2.70		*****		0.00		0.00		1.04
		296.2 322.5 321.9 ***** ***** 320.6											313.7 ***** 320.5 313.5 ***** 321.6 322.1 296.9
	08	*****		*****		2.98		0.00		3.35		*****		0.00		*****		*****		0.00		2.98		3.03		*****
		***** ***** 316.1 317.3 321.6 *****												323.5		*****		*****		317.3		316.1		317.4		*****
	09	1.04	0.00		0.00		*****		*****		0.00		2.98		*****		0.00		2.74		*****		0.00		0.00		0.96
		296.9 322.2 321.6 ***** ***** 320.5											313.7 ***** 320.6 314.0 ***** 322.0 322.5 296.2
	10	*****		*****		0.00		0.00		2.75		*****		0.00		3.34		*****		0.00		0.00		3.19		*****
		*****		***** 317.8 318.8 313.8 *****										320.6		321.7		*****		319.0		318.3		320.3		*****
	11		2.39		0.00		0.00		*****		0.00		2.70		*****		0.00		*****		0.00		0.00		2.58
			310.7 322.9 318.1 ***** 317.3										313.5 ***** 317.4 ***** 318.1 323.1 314.0
	12			*****		*****		0.00		2.98		*****		0.00		*****		*****		0.00		*****		*****
				*****		***** 321.8 316.0 ***** 319.0										*****		*****		321.8		*****		*****
	13				2.30		0.00		*****		0.00		0.00		0.00		0.00		*****		0.00		2.24
					310.6		322.4		*****		321.6		317.9 318.2 322.0 ***** 322.3 310.0
	14					*****		*****		0.00		*****		0.00		*****		0.00		*****		*****
						*****		*****		322.1		*****		323.0		*****		322.6		*****		*****
	15								*****		2.25		*****		*****		2.29		*****
									*****		309.8		*****		*****		310.8		*****
		16	18		20		22		24		26		28			30		32	34			36		38		40	42
	Рис. 2.14. Картограмма расположения температурных датчиков и их показаний
								на выходе из активной зоны

Применяя трехмерную расчетную модель активной зоны и специальные математические приемы, можно восстановить достоверные значения нейтронной мощности во всех 163×7 расчетных объемах. Высота каждого расчетного объема совпадает с высотным размером ДПЗ (примерно 200 мм).

Помимо датчиков контроля нейтронного потока в системе ВРК используются температурные датчики контроля по активной зоне. Картограмма расположения температурных датчиков для измерения температуры теплоносителя на выходе из ТВС показана на рис. 2.14. Данная картограмма приведена на той же координатной сетке, что и картограмма расположения КНИ.

150