Выговский Физические и конструкционные особенности ядерных 2011
.pdfактивной зоны, дж/кг; E |
= |
∫R CpTfuel (r)rdr |
, R – радиус топливной |
||||
0 |
|
||||||
|
πR2 |
||||||
|
dTfuel |
|
твэл |
|
|
|
|
таблетки; |
|
– темп изменения температуры топлива, град/ч |
|||||
dt |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
(<30–50); Δρtot |
– реактивность, вносимая со знаком минус в актив- |
||||||
ную зону всеми ОР СУЗ на МКУ; |
Δρone – реактивность, вносимая |
||||||
со знаком плюс одним самым ценным ОР СУЗ на МКУ при его
извлечении из активной зоны; |
∂ρ |
– комбинированный коэф- |
|
∂T |
|||
|
|
||
|
H2O |
|
фициент реактивности по температуре теплоносителя на МКУ;
|
∂ρ |
|
– коэффициент реактивности по мощности при сохране- |
||||
|
|
||||||
|
∂N |
|
|||||
|
|
Tav =const |
∂ρ |
|
– коэффи- |
||
|
|
|
|||||
нии средней температуры в зоне постоянной; |
|
||||||
|
|||||||
∂N |
|||||||
|
|
|
|
|
Tin =const |
||
|
|
|
|
|
|||
циент реактивности по мощности при сохранении температуры на входе в зону постоянной.
Первый параметр характеризует теплофизическое состояние основного барьера безопасности – оболочки твэл. При превышении значения температуры, равного 350 °С, начинается поверхностное кипение теплоносителя, что служит первым предупреждающим сигналом. Как правило, поверхностное кипение происходит в режиме пузырькового кипения и не является опасным для теплофизического состояния твэл. С точки зрения прочностных свойств оболочки твэл, дело обстоит не так благополучно, так как при кипении на поверхности оболочки есть уже пар, в котором появляются свободные радикалы и начинается взаимодействие циркония с ними, в результате чего начинается окисление оболочки. Скорость реакции окисления и глубина окисления оболочки при таких температурах невелика даже при длительном окислении. Тем не менее оболочка начинает терять свои прочностные характеристики, и нужно оценивать глубину окисления оболочки твэл и количество таких топливных элементов. Данный параметр не является измеряемым параметром на АЭС.
261
Вторым предупреждающим сигналом является значение температуры, равное 450 °С, при которой начинается интенсивное окисление циркония, так как при таких значениях в паре уже гораздо больше кислородных радикалов, с которыми может вступать в химическую реакцию цирконий, и скорость этой реакции существенно выше.
Третьим предупреждающим сигналом является значение температуры, равное 700 °С, при которой начинается паро-циркониевая реакция, что приводит к ускоренной деградации прочностных свойств оболочки. И, наконец, при температуре выше 1000 °С начинается цепная эндотермическая паро-циркониевая реакция, приводящая к быстрому разрушению оболочки.
Второй параметр характеризует теплофизическое и термомеханическое состояния топлива. При значении температуры большей 3000 °С для свежего топлива и 2800 °С для облученного топлива начинается плавление топливной таблетки. При более низких значениях температуры топлива (2200–2500 °С) начинается структурная перестройка двуокиси урана, при которой ухудшаются термомеханические свойства материала. Обычно работоспособность топлива в твэл обосновывается по значениям линейной тепловой нагрузки на поверхности оболочки, которые имеют однозначную корреляцию с температурой топлива. Поэтому о термомеханическом состоянии топлива лучше судить по значениям линейных тепловых нагрузок на твэл, а о полной деградации топлива по значению температуры в центре топливной таблетки. Данный параметр не является измеряемым параметром на АЭС.
Третий параметр определяет запас до кризиса теплообмена на поверхности оболочки топлива. Кризис теплообмена выражается в резком падении теплоотдачи на оболочке топлива, где происходит образование паровой пленки на поверхности. Это может произойти при больших тепловых потоках при достижении температуры оболочки значений, равных температуре кипения теплоносителя и выше. Коэффициент запаса до кризиса должен быть больше 1, а если принять неточности в расчете критического теплового потока, то больше 1.1. Данный параметр не является измеряемым параметром на АЭС.
262
Четвертый параметр по своему значению перекликается со вторым параметром, но он более наблюдаем и контролируем, чем температура топлива. Предельными значениями данного параметра в зависимости от выгорания являются величины 250–450 Вт/см. Чем больше выгорание топлива, тем ниже предельные значения линейных нагрузок на твэл. Подробней об этой зависимости будет рассказано ниже. Данный параметр не является полностью измеряемым параметром на АЭС. Он получается из математической обработки результатов измерений токов в нейтронных датчиках: ДПЗ – в 64 ТВС и в 7 местоположениях по высоте активной зоны.
Пятый параметр характеризует накопленное в топливе теплосодержание за время импульсного возрастания нейтронной мощности (интегральной или локальной) и важен для аварий с выбросом одного или нескольких ОР СУЗ, когда происходит быстрое возрастание локальной мощности в твэл. Теплосодержание не должно превышать за время нейтронной вспышки величин 840 и 963 Дж/кг для облученного и свежего топлива соответственно.
Шестой параметр характеризует скорость изменения температуры топлива в твэл во времени в различных переходных режимах (в реактивностных авариях, сопровождающихся «нейтронной вспышкой» – разгоном нейтронной мощности в активной зоне на мгновенных нейтронах, быстрым расхолаживанием реактора при срабатывании аварийных систем). Данный параметр определяет величину термического напряжения топлива. При медленных изменениях мощности без появления кипения об этой величине можно судить по скорости изменения температуры теплоносителя. Обычно превышение значения данного параметра сигнализирует о частичном внутреннем повреждении материала, что не может быть определено на АЭС. В этом случае работоспособность твэл проверяется заранее в результате стендовых испытаний топлива на циклических импульсных нагрузках и последующей разделке твэл и его спектроскопической диагностике. Эти испытания определяют допустимое число циклических нагрузок с превышением разрешенных пределов. Если циклические нагрузки вызваны быстрым снижением мощности, которое возникает при срабатывании аварийных систем, то этот случай просто пополняет статистику и увеличивает число циклических нагрузок. Если это число превышает
263
допустимую величину, то вся зона должна быть выгружена и пройти специальный контроль на предмет выявления возможных дефектов в ТВС. Если произошла серьезная авария с увеличением нейтронной мощности и превышением предельных значений пятого параметра безопасности, то выгрузка всех ТВС становится обязательной даже при одной такой аварии.
Седьмой параметр определяет полный «вес» АЗ на МКУ в начале кампании, который вносит в баланс реактивности отрицательный вклад и определяет защищенность активной зоны при быстром вводе всех ОР СУЗ на всю высоту активной зоны в аварийных режимах для максимально быстрого снижения нейтронной мощности реактора до нуля. Величина данного параметра по модулю на мощности становится больше по сравнению с величиной, полученной на МКУ. Эта величина по модулю также повышается с увеличением выгорания топлива и становится больше по сравнению с величиной, полученной на МКУ в начале кампании. Этот факт имеет простое физическое объяснение и подтверждается многочисленными расчетами. Таким образом, если определяется полный «вес» всех ОР СУЗ на МКУ в начале кампании, то его величиной можно с некоторым запасом надежно пользоваться в расчетах различных режимов на мощности и в другие моменты кампании, сопровождающиеся падением всех ОР СУЗ в активную зону. Полный «вес» ОР СУЗ на МКУ в начале кампании является измеряемой величиной. Измеряется данный параметр с помощью БИК, входящих в систему АКНП. Полученные значения этого параметра по модулю всегда несколько ниже действительных величин, что связано с особенностями измерений и конструкции активной зоны. Данный факт позволяет надежно использовать измеренное значение «веса» АЗ для оценки ядерной и теплотехнической безопасности активной зоны в расчетах динамических режимов с частичным нарушением нормальной эксплуатации и аварийных режимов для данной топливной загрузки в произвольные моменты кампании.
Восьмой параметр определяет «вес» отдельного ОР СУЗ (самого ценного по вносимой реактивности в полную реактивность АЗ, выбирается расчетным путем) при его зависании вне активной зоны. Данное измеренное значение по модулю иногда бывает больше действительного значения «веса» отдельного ОР, а иногда – мень-
264
ше. Данное соотношение зависит от местоположения зависшего ОР СУЗ по отношению к остальным ОР СУЗ и положению БИК. В данном случае возникает вопрос выбора «веса» АЗ при единичном зависании ОР СУЗ из расчетного и измеренного «весов» АЗ. Подробней об этом об этом будет рассказано также в 5-й главе.
Девятая группа параметров определяет интегральный и дифференциальный «веса» рабочей группы ОР СУЗ на МКУ в начале кампании, который (как и полный «вес» АЗ) всегда меньше действительного значения в произвольный момент кампании на мощности. Данная группа параметров является измеряемой величиной и важна для работы автоматического регулятора мощности (АРМ) при управлении реактором на мощности.
Десятый параметр определяет самозащищенность активной зоны при повышении мощности реактора за счет обратных связей по плотности теплоносителя и температуре топлива. По требованиям ПБЯ-89 коэффициент реактивности по температуре теплоносителя должен быть всегда отрицателен для произвольной топливной загрузки в произвольный момент кампании и на любом уровне мощности. При отрицательности данного коэффициента на МКУ в начале кампании при рабочем положении ОР СУЗ коэффициент реактивности по температуре теплоносителя на мощности и произвольные моменты кампании заведомо отрицателен. Однако при расхолаживании 1-го контура до температур 30-50 °С данный коэффициент может стать положительным при больших значениях концентрации борной кислоты (причины этого явления были объяснены во 2-й главе) при рабочем положении ОР СУЗ. По этой причине до начала расхолаживания все органы СУЗ погружают на полную высоту в активную зону. При погружении всех органов СУЗ критическая концентрация борной кислоты в теплоносителе становится меньше, и по этой причине коэффициент реактивности по температуре теплоносителя сдвигается в сторону отрицательных значений. Также поступают и во время пуска: все ОР СУЗ находятся в погруженном состоянии до завершения разогрева 1-го контура за счет тепла ГЦН до температуры теплоносителя, равной 279–280 °С, при которой температурный коэффициент реактивности становится отрицательным при всех извлеченных ОР СУЗ.
Одиннадцатый и двенадцатый параметры определяют также самозащищённость активной зоны при повышении мощности реактора за счет обратных связей по плотности теплоносителя и темпе-
265
ратуре топлива. Значения данных параметров измеряется на мощности (от 70 до 100 % номинального значения). В большой степени эти параметры характеризуют величину доплеровского эффекта. Данный эффект всегда вносит отрицательную реактивность в баланс нейтронов в реакторе. Определение этой величины важно для подтверждения расчетного обоснования технической безопасности ЯЭУ. В случае больших рассогласований между результатами измерений и расчетными величинами, используемыми в ТОБ, уточняется проектная документация (только в том случае, если это рассогласование по знаку нарушает принцип консервативности, принятый в расчетном обосновании безопасности).
3.1.2.Определение предельных значений основных параметров безопасности
Если значения последних семи параметров безопасности измеряются и контролируются на АЭС, то первые пять параметров можно определить только расчетным путем. А эти параметры, в основном, и определяют теплотехническую надежность и безопасность активной зоны. Об определении именно этих параметров и пойдет речь дальше. Более того, пятый параметр из этого списка пока исключим из рассмотрения, так как он характеризует очень маловероятное событие и ещё более невероятную ситуацию, когда величина этого параметра превышает предельно допустимые значения.
Из всех этих параметров только один параметр хоть как-то связан с измеряемыми величинами на АЭС. Это линейная нагрузка нейтронной мощности на твэл. В местах расположения ДПЗ определяется ток, который прямо пропорционален суммарному поглощению тепловых нейтронов в родии по всей длине датчика. В настоящее время ДПЗ располагается в центральной трубке в ТВС. В последующем ДПЗ будет располагаться не в центральной трубке, а ближе к периферии ТВС.
Возникает задача определения средней по сечению ТВС нагрузки нейтронной мощности по всей длине ДПЗ. Для этого нужны коэффициенты связи между величиной суммарного поглощения тепловых нейтронов в месте расположения ДПЗ и средним числом делений по сечению ТВС. Часть из этих коэффициентов готовится на стадии подготовки библиотеки нейтронных микро сечений для
266
программ расчетного сопровождения эксплуатации, а часть определяется по программам сопровождения при реальном положении органов СУЗ и реальном графике тепловых нагрузок на активную зону. Зная эти коэффициенты, можно с определенной погрешностью по измерениям тока в ДПЗ рассчитать средние по длине ДПЗ линейные нагрузки на твэл в ТВС. В этом случае, если знать предельно допустимые значения средних тепловых нагрузок на твэл в ТВС, можно оперативно сравнивать расчетно-измеренные линейные нагрузки с предельно допустимыми значениями. И становится возможным оперативный контроль за локальной мощностью в активной зоне и состоянием топлива.
Как определить предельно допустимые значения линейных нагрузок на твэл в местах расположения ДПЗ? В результате стендовых испытаний топлива ВВЭР, проведенных в НИИАР на реакторе СМ-4 было обоснована предельная величина линейной нагрузки на твэл для реакторов ВВЭР-1000, равная 448 Вт/см для свежего топлива. Далее в результате исследований разработчика твэл была обоснована зависимость линейной нагрузки от глубины выгорания. Эта зависимость для различных типов ТВЭЛ приводится в табл. 3.1.
Таблица 3.1 Зависимость предельных значений тепловых потоков на твэл
(твэл, ТВЭГ, периферийный твэл) относительно максимально допустимого значения для свежего топлива от глубины выгорания
|
Глубина |
Коэффициент изменения предельных значений линейной |
||||
|
||||||
|
выгорания |
нагрузки на ТВЭЛ на участках расположения ДПЗ для |
||||
|
топлива, |
|
облученного топлива, о.е. |
|
||
|
МВт*сутки /кг |
ТВЭЛ |
|
ТВЭГ |
|
Периферийный |
|
|
|
|
|
|
ТВЭЛ |
0 |
1,000 |
|
0,555 |
|
1,000 |
|
5 |
0,949 |
|
1,000 |
|
0,949 |
|
15 |
0,848 |
|
1,000 |
|
0,848 |
|
20 |
0,804 |
|
0,958 |
|
0,804 |
|
35 |
0,725 |
|
0,861 |
|
0,725 |
|
40 |
0,692 |
|
0,833 |
|
0,692 |
|
65 |
0,580 |
|
0,708 |
|
0,580 |
|
70 |
0,569 |
|
0,708 |
|
0,569 |
|
В данной таблице периферийный элемент выделен потому, что механическая нагрузка на него гораздо выше, чем для твэл в регу-
267
лярной решетке. Топливный элемент с гадолинием (ТВЭГ) выделен из-за того, что в начальный момент облучения происходит сильное выгорание гадолиния и перестройка структуры топлива. Тепловая нагрузка на него должна быть в этот момент минимальной. После выгорания гадолиния и завершения перестройки топлива тепловая нагрузка может быть увеличена. При больших глубинах выгорания происходит существенная перестройка структуры топлива, распухание топливной таблетки, ее растрескивание и т.д. Все это приводит к ухудшению прочностных свойств топлива и снижению разрешенной тепловой нагрузки на твэл.
Абсолютное значение теплового потока с единицы длины твэл 448 Вт/см и его зависимость от глубины выгорания, показанная в табл. 3.1, определяют предельные значения, по которым судят о термомеханическом состоянии топлива в разные моменты кампании реактора. Помимо оценки термомеханического состояния топлива необходимо контролировать состояние оболочки топлива. Состояние оболочки во многом характеризуется температурой ее` наружной поверхности и коэффициентом запаса до кризиса теплоотдачи. Для нормальной эксплуатации температура оболочки должна быть не выше 350 °С, а коэффициент DNBR должен быть больше 1.1. При отсутствии перегрева оболочки твэл выше 350 °С кризис теплоотдачи крайне маловероятен. Поэтому при нормальной эксплуатации о состоянии оболочки можно судить, исключительно, по значению её температуры на поверхности. Подогрев оболочки во многом определяется высотным распределением локальной мощности в ТВС и локальным затеснением потока теплоносителя в ТВС. Наиболее неблагоприятная ситуация возникает тогда, когда происходит локальный перегрев топлива в верхней части активной зоны при подогреве теплоносителя в этой точке, практически, до максимальной величины. В этом случае наблюдается максимальный локальный подогрев оболочки топлива.
Сначала рассмотрим активную зону со свежим топливом. Возникает задача: определить предельную форму высотного распределения линейной нагрузки нейтронной мощности на твэл, которая не превышала бы 448 Вт/см и не приводила бы к подогреву оболочки твэл выше 350 °С. В предположениях слабого перемешивания теплоносителя внутри ТВС, и, зная конструкцию и состав ТВС,
268
ее гидравлические и тепловые характеристики, задача решается просто. Начальное приближение высотного распределения: постоянная величина по высоте, равная 448 Вт/см. Наиболее благоприятная ситуация для оболочки, когда распределение монотонно убывает с высотой активной зоны (в направлении потока теплоносителя). Это утверждение легко доказывается аналитически. Остается найти минимальную степень убывания линейной нагрузки на твэл, при которой по всей длине твэл температура оболочки не превысит 350 °С.
На рис. 3.1 показано графически решение данной задачи. Конечно, данное решение является не единственным, но достаточным для поставленной цели. Предельное распределение линейной нагрузки показано на рисунке сплошной кривой, но данная кривая характеризует поточечное распределение.
|
500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
450 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
400 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
350 |
|
|
|
Ql - предельное распределение |
|
|||||
м300 |
|
|
|
|
|||||||
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
250 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
Ql - начальное приближение |
|
|
|||||
В |
200 |
|
|
|
|
|
|||||
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
150 |
|
|
|
Ql - пробное распределение выше |
|
|||||
Q |
|
|
|
|
|||||||
|
100 |
|
|
|
предельного |
|
|
|
|
||
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
|
|
Высота реактора от низа зоны, о.е. от 355см |
|
||||||||
Рис. 3.1. Определение предельной зависимости линейной тепловой нагрузки на твэл от высоты реактора для свежего топлива в топливном элементе без гадолиния внутри ТВС
Если бы измерения производились поточечно по всей высоте активной зоны, то можно было бы использовать данную непрерывную зависимость как предельную зависимость для контроля за тепловыделением по объему зоны. Однако таких измерений не проводится, и предстоит перейти от поточечного предельного распределения к предельным значениям линейных нагрузок, усредненных по длине ДПЗ в местах их расположения. Только в этом
269
случае можно сравнивать восстановленные значения линейных нагрузок на твэл, полученных из токовых измерений, с предельными значениями, определяющими условия нормальной эксплуатации. Для того чтобы перейти от непрерывной зависимости предельных значений линейных нагрузок на твэл к усредненным значениям в местах расположения ДПЗ, необходимо найти максимальный коэффициент неравномерности локальной мощности по длине ДПЗ (200 мм) для каждой из семи ДПЗ.
В результате многочисленных расчетов при разном положении ОР СУЗ в ТВС и разном нестационарном отравлении ксеноном были определены максимальные коэффициенты неравномерности по длине ДПЗ для семи датчиков. Данный коэффициент составляет величину от 1.14 внизу активной зоны до 1.12 вверху. На рис. 3.2 показаны зависимости линейной нагрузки на твэл, усредненной по длине ДПЗ в местах их расположения и взятой из непрерывной зависимости, и предельной нагрузки, усредненной по длине ДПЗ и уменьшенной делением на вышеуказанные коэффициенты неравномерности. Найденные в семи точках по высоте реактора значения предельных тепловых нагрузок располагаются в табл. 3.2. В этой же таблице разместим значения предельных тепловых нагрузок на ТВЭГ и твэл на периферии ТВС.
Рис. 3.2. Зависимость предельной линейной тепловой нагрузки на твэл от высоты реактора для свежего топлива в местах расположения ДПЗ в топливном элементе без гадолиния внутри ТВС
270