Выговский Физические и конструкционные особенности ядерных 2011

¾три ГЦН работают нормально;

¾алгоритм работы системы защиты и управления реактора осуществляется в соответствии с проектными уставками и блокировками. Эффективность аварийной защиты принимается с учетом застревания одиночного стержня с максимальной эффективностью;

¾системы обеспечения первого и второго контуров (подпитка, работа сбросных устройств и т.д.) работают нормально. Отбор пара на турбогенератор происходит номинальным расходом.

Анализ режима заклинивания ГЦН проводится с использованием точечной кинетики. Активная зона представлена средним и максимально-теплонапряженным каналами. Срабатывание аварийной защиты происходит через одну секунду с момента заклинивания ГЦН. Задержка обусловлена временем формирования и прохождения сигнала в цепях аварийной защиты реактора.

Режим заклинивания ГЦН относится к аварийным режимам работы реакторной установки. В режимах заклинивания одного ГЦН из трех или двух работающих, увеличение температуры оболочки максимально-теплонапряженного твэл не превысит роста температуры оболочки при заклинивании одного из четырех работающих ГЦН. Это обстоятельство обусловлено меньшей начальной мощностью реактора.

Кроме того, соотношение «мощность реактора – расход теплоносителя» (как до аварии, так и в ходе ее) уменьшается по мере уменьшения начального числа работающих насосов – ГЦН, что благоприятно с точки зрения запаса до кризиса в переходном режиме.

Анализ режима заклинивания одного ГЦН из четырех, проведенный Главным конструктором, показывает, что в этой аварии

возможен кризис теплообмена и увеличение температуры оболочки твэл до 600 оС. Анализ результатов расчета показывает, что требование по максимальному проектному пределу повреждения твэл выполняется.

Для данного режима можно сказать то же самое, что для режи-

мов с изменением реактивности в предыдущем разделе. Вывод о достижении температуры 600 оС на поверхности оболочки твэл не вполне обоснован, так как в этом режиме не используется модель пространственной кинетики. При использовании пространственной

311

кинетики в составе моделей физических процессов в ЯЭУ из-за уплощения нейтронных полей в области наиболее теплонапряженных каналов и твэл температура оболочки достигает значений температур не выше 450 оС даже при самых консервативных приближениях и начальных данных. Кризис теплообмена в данной аварии возможен, но степень повреждения твэл на порядок меньше, чем утверждается в ТОБ для 3-го блока Калининской АЭС. На практических занятиях по изучению основных параметров безопасности внимательно исследуем данный режим на полномасштабном моделирующем комплексе, использующем модель пространственной кинетики.

3.5.2. Обесточивание одного ГЦН

Каждый главный циркуляционный насос первого контура получает электропитание от трансформатора. При потере электропитания от рабочего трансформатора происходит переключение на резервный трансформатор в течение двух секунд. За это непродолжительное время существенного нарушения циркуляции теплоносителя не происходит. Неисправности в системе резервного трансформатора могут привести к отключению ГЦН.

При отключении ГЦН регулятор ограничения мощности по каналам системы управления и защиты реактора обеспечивает снижение мощности реактора до уровня, соответствующего числу ГЦН, остающихся в работе.

Обесточивание одного из четырех работающих ГЦН вызывает уменьшение расхода теплоносителя через активную зону реактора и соответствующее уменьшение мощности реактора.

По сигналу отключения одного из четырех работающих ГЦН снижение мощности реактора осуществляется работой РОМ, который посредством введения со скоростью 2 см/с рабочей группы регулирования снижает мощность реактора до уровня оставшихся в работе ГЦН (0,7 Nном). Для исключения глубокого расхолаживания первого и второго контуров, расход пара на турбогенератор уменьшается до величины, соответствующей новому уровню мощности реактора из условия поддержания постоянного давления во втором контуре. После переходного процесса реакторная установка

312

продолжает работу на мощности реактора, соответствующей трем работающим насосам. Остальное оборудование и системы обеспечения первого и второго контуров работают нормально.

Критерием оценки надежного охлаждения активной зоны реактора в режимах с отключением различного числа ГЦН является значение минимального коэффициента до кризиса теплообмена не менее 1.0 с учетом разброса экспериментальных значений, составляющим 25 %.

Расчетный анализ режима с отключением одного ГЦН из четырех проводится, исходя из наихудших начальных условий и наиболее консервативных нейтронно-физических и теплофизических характеристик активной зоны, указанных в конце предыдущего раздела настоящей главы. Выводы данного анализа показывают, что теплотехническая надежность охлаждения активной зоны реактора обеспечивается.

Главный конструктор регулярно для каждого пускаемого блока проводит анализ теплотехнической надежности охлаждения активной зоны реактора в режиме отключения одного из четырех работающих ГЦН при условии непроектного полного или частичного отказа работы РОМ (запроектная ситуация): частичный отказ заключается в замедлении движения ОР СУЗ. В случае роста температуры теплоносителя на выходе из реактора срабатывает ПЗ-1, быстродействия которой, однако, недостаточно для исключения кризиса теплообмена в активной зоне. Для исключения кризиса теплообмена реализована аварийная защита по повышению температуры теплоносителя на выходе из реактора.

При обесточивании двух и более ГЦН в техническом проекте предусмотрено срабатывание аварийной защиты, достаточной для обеспечения надежного охлаждения активной зоны реактора.

При анализе проектного режима отключения одного ГЦН важно знать эффективность регулирующей группы. Ее значение принимается в соответствии с данными физических расчетов для пускаемой загрузки в конце кампании и уменьшенной на величину двойной погрешности расчета (величина погрешности берется из Аттестационного паспорта на программу физического расчета нейтроннофизических характеристик активной зоны).

313

Режим отключения одного из четырех ГЦН на номинальной мощности является определяющим режимом с точки зрения минимально допустимой эффективности регулирующей группы при существующих алгоритмах работы систем автоматического регулирования блока. В данном режиме РОМ приводит к погружению регулирующей группы в активную зону для ограничения мощности до 70 %. При этом погружение желательно не больше 50−60 % от высоты активной зоны, чтобы не сильно перекашивать распределение тепловыделений по объему зоны. Опыт эксплуатации энергоблоков с ВВЭР-1000 показывает, что имеет место расхождение расчетных и фактических данных по эффективности регулирующей группы и скорости разгрузки реактора. Для исключения срабатывания АЗ по превышению допустимых значений температур в «горячих» нитках ГЦК и исключения зависимости от неточности расчета характеристик регулирующей группы Главный конструктор в последнее время склоняется к следующему техническому решению для обеспечения безопасности для режима с отключением одного из четырех ГЦН на номинальной мощности. Разгрузка реактора происходит системой УРБ и последующей разгрузкой реактора с помощью РОМ. В качестве группы для УРБ используется первая группа (состоящая всего из трех ОР СУЗ и очень «легкая по весу реактивности»), РОМ воздействует на 10 группу (всего групп для современных проектов 10). В исходном состоянии 10 группа находится на высоте 80−90 % от низа активной зоны.

Коэффициенты неравномерности и профиль распределения энерговыделения по высоте активной зоны для расчета запаса до кризиса теплоотдачи выбираются как наиболее консервативные из двух вариантов:

¾максимальные проектные величины для исходного состоя-

ния;

¾максимальные величины по данным нейтронно-физических расчетов и самый неблагоприятный профиль тепловыделения по высоте реактора.

При сбросе группы ОР СУЗ имеет место увеличение неравномерности энерговыделения, что учитывается введением дополни-

тельного коэффициента Курб = 1.15 при использовании проектных значений коэффициентов неравномерности энерговыделения. При

314

проведении расчетов в исходные данные закладываются консервативные комбинации нейтронно-физических характеристик.

Проведенный в работе [21] анализ режима с отключением одного ГЦН из четырех с частичным отказом РОМ показывает следующее. При наиболее консервативных приближениях возможно наступление кризиса теплообмена на поверхности оболочки твэл при скорости разгрузки реактора менее значения, равного 0.25 % в секунду. В рассмотренных в работе [21] вариантах со срабатыванием системы УРБ в данном режиме при скорости разгрузки меньше 0.25 % в секунду обеспечивается надежное охлаждение активной зоны.

В работе [22] показано, что сброс группы УРБ и одновременная работа РОМ не увеличивает неравномерности энерговыделения сверх проектных пределов.

Однако предлагаемые меры по мнению многих специалистов избыточны, так как они приняты на основе методик, использующих модель точечной кинетики для нестационарных режимов. На практических занятиях по изучению основных параметров безопасности внимательно исследуем данный режим на полномасштабном моделирующем комплексе, использующем модель пространственной кинетики, и покажем избыточность предлагаемых мер.

3.5.3. Обесточивание всех ГЦН

Полная потеря принудительной циркуляции теплоносителя относится к маловероятным ситуациям и происходит только в случае, когда все рабочие трансформаторы выйдут из строя и не произойдет подключения к резервным. По факту отключения всех ГЦН срабатывает аварийная защита реактора.

Расчет режима обесточивания четырех из четырех работающих ГЦН выполнен при следующих условиях:

¾начальные параметры реакторной установки приняты с учетом отклонений от номинальных проектных значений;

¾отбор пара в турбину осуществляется номинальным расхо-

дом;

315

¾алгоритм работы системы управления и защиты реактора осуществляется в соответствии с проектными уставками и блокировками;

¾аварийная защита реактора срабатывает через 2–3 с после момента обесточивания ГЦН. Эффективность аварийной защиты принимается с учетом застревания одиночного стержня максимальной эффективности;

¾коэффициенты неравномерности тепловыделений по активной зоне реактора принимаются максимальными;

¾выбег ГЦН принят в соответствии с проектными характеристиками ГЦН с учетом снижения частоты в электросети до 49.0 Гц;

¾при повышении давления по второму контуру, БРУ-К обеспечивают снижение давления второго контура до нужного значения и поддержание его на этом уровне.

С точки зрения надежного охлаждения активной зоны, отключение четырех работающих ГЦН является определяющим режимом, поскольку в этом режиме имеет место максимальный начальный уровень мощности реактора и максимально уменьшающийся расход теплоносителя через активную зону.

При анализе учитываются консервативные значения возможных отклонений параметров и максимальные значения коэффициентов неравномерностей тепловыделений по объему активной зоны, которые имеют место во время эксплуатации реакторной установки.

Через 0.3 с с момента обесточивания всех ГЦН, что определяется задержкой на прохождение в электрических цепях, РОМ начинает снижать мощность реактора введением рабочей группы с проектной скоростью 2 см/с. Через 2–3 секунды с момента обесточивания происходит падение всех групп аварийной защиты. Параметры первого контура (мощность, давление и температура теплоносителя) снижаются. Давление второго контура уменьшается, вплоть до давления закрытия стопорных клапанов турбины, после чего поддержание давления второго контура обеспечивается работой БРУ-К.

Результаты анализа режима обесточивания всех ГЦН [23] показывают, что обеспечивается надежное охлаждение активной зоны реактора. Минимальное значение коэффициента запаса до кризиса

316

теплообмена достигается на 3 с процесса и составляет 1.03, что больше допустимого значения.

3.5.4. Обесточивание АЭС

Обесточивание станции может произойти в результате потери внешних источников электроэнергии и отключения генератора энергоблока. Причиной данной аварии могут быть нарушения устойчивости энергосистемы, короткие замыкания во внешней сети или в электрооборудовании станции. Полное исчезновение переменного тока на станции приводит к отключению основных потребителей собственных нужд (ГЦН, питательных насосов, подпиточных насосов первого контура, системы регулирования давления компенсатора, системы сброса пара второго контура и других систем). В этом случае АЭС переходит на аварийное энергоснабжение от дизельных генераторов.

Потеря электропитания систем станции отключает турбогенератор, в результате чего закрываются стопорные клапаны, отключается нормальная подпитка парогенераторов, запрещается сброс пара через сбросные клапаны турбины БРУ-К. Аварийные питательные насосы через две минуты после обесточивания АЭС подключаются к дизельным генераторам и обеспечивают подачу питательной воды в парогенераторы. Давление в парогенераторах возрастает до уставки на срабатывание БРУ-А, имеющих надежное электропитание (аккумуляторные батареи), затем до уставки на срабатывание ПК ПГ, срабатывающие от давления среды.

Расчет обесточивания выполняется при следующих условиях:

¾начальные параметры реакторной установки соответствуют номинальным значениям с учетом отклонений;

¾все работающие ГЦН имеют выбег, обеспечивающий в течение некоторого времени охлаждение активной зоны реактора. После остановки ГЦН охлаждение активной зоны происходит за счет естественной циркуляции теплоносителя;

¾алгоритм системы управления и защиты реактора протекает в соответствии с принятыми в проекте уставками и блокировками;

¾аварийная защита срабатывает через 1–3 с с момента обесточивания станции. Эффективность аварийной защиты принимается

317

с учетом застревания одиночного стержня максимальной эффективности;

¾вспомогательные питательные насосы подают воду из деаэраторов с температурой 164 °С;

¾аварийные питательные насосы (АПН) подают воду из баков обессоленной воды;

¾коэффициенты неравномерности тепловыделений по активной зоне принимаются максимальными.

Анализ результатов расчета показал, что в этом режиме вступают в действие предохранительные клапаны парогенераторов. Надежное охлаждение активной зоны реактора обеспечивается выбегом ГЦН и естественной циркуляцией теплоносителя. Срабатывание аварийной защиты реактора приводит к снижению параметров первого и второго контуров, в результате чего давление второго контура поддерживается постоянной работой БРУ-А, давление первого контура возрастает незначительно.

Условия охлаждения активной зоны реактора в режиме полного обесточивания АЭС будут не хуже, чем в режиме обесточивания всех ГЦН. В частности, минимальный запас до кризиса теплообмена значительно больше, чем в режиме обесточивания четырех ГЦН. Причиной этого является более раннее срабатывание аварийной защиты реактора в режиме обесточивания станции (1,3 с) по сравнению с режимом отключения всех ГЦН (2,3 с).

3.5.5. Ложный впрыск в КД от системы подпитки

Проектный режим ложного впрыска в компенсатор давления от штатной системы подпитки рассматривается при температуре впрыскиваемой воды равной 60 °С.

Настоящий режим возможен при маловероятной ситуации, когда отключена продувка первого контура и появился ложный сигнал на открытие арматуры на линии расхолаживания КД от подпиточных насосов. Анализ сочетания такого неблагоприятного режима с отключением различного числа ГЦН позволяет установить зависимость минимально допустимого давления контура от мощности реактора из условия надежного охлаждения активной зоны.

318

Анализ данного режима при наложении различных отказов показывает, что обеспечивается надежное охлаждение активной зоны реактора, причем с большим запасом.

3.6. Анализ радиационных последствий

Из всех рассмотренных аварийных режимов данной группы можно выделить один, требующий пристального внимания. Это режим с заклиниванием одного ГЦН. Последствия этой аварии приводят к максимальному повреждению оболочки твэл, хотя и в проектных пределах. Принимается, что происходит разгерметизация 10 % твэл (4400 твэл). Для данного режима и указанной доли разгерметизации была рассчитана радиационная обстановка на АЭС и за ее пределами.

Результаты расчета выброса радиоактивных веществ в вентиляционную трубу приводятся в табл. 3.13, а дозовые нагрузки на население приведены в табл. 3.14.

Анализ радиационной обстановки показывает, что максимальные дозовые нагрузки не превышают годового предела дозы для населения для нормального режима эксплуатации и составят:

¾1.6 мбэр/год по внешнему облучению (на тело) – 8 % от годового предела дозы (20 мбэр/год);

¾1.3 мбэр за период аварии, по внутреннему облучению (щитовидная железа), для критической группы населения (дети) – 2 % от годового предела дозы (60 мбэр/год).

Здесь приводятся дозовые нагрузки при повреждении твэл за счет окисления оболочки, глубина которой пропорциональна температуре наружной поверхности оболочки топлива. При увеличении глубины окисления оболочки повышается доля микротрещин и их размеры, и тем самым увеличивается выход радиоактивных осколков из топлива.

В следующем разделе при рассмотрении принципов консервативности в расчетном обосновании безопасности будет показано, что данная авария при выполнении всех консервативных положений, принимаемых для расчета, но при использовании трехмерной модели нейтронной кинетики в составе тепло-гидравлического кода, не приводит к таким последствиям, как утверждается в ТОБ

319

для 3-го блока Калининской АЭС. Если для расчетного анализа использовать полномасштабный моделирующий комплекс с моделью пространственной нейтронной кинетики активной зоны, то результаты анализа покажут гораздо меньший масштаб последствий, чем по данным ТОБ.

Таблица 3.13 Расчетные показатели радиационной обстановки на территории АЭС после аварии

с заклиниванием одного ГЦН на номинальной мощности

	№		Радионуклид		Активность, выброшенная в вент.
	п/п				трубу при аварии, Ки
1			Криптон-85	843,0
2			Криптон-85	1670,0
3			Криптон-87	43,6
4			Криптон-88	870,0
5			Криптон-89	2,3
6			Иод-131	0,0078
7			Иод-132	0,0076
8			Иод-133	0,027
9			Ксенон-133	22100,0
10			Иод-134	0,0065
11			Цезий-134	0,278
12			Иод-135	0,021
13			Ксенон-135	342,0
14			Цезий-137	0,174
15			Ксенон-138	17,1
16			Цезий-138	0,0375
17			Сумма	25900,0

Что касается режимов с нарушениями условий охлаждения со стороны второго контура, то эти режимы рассматриваться в настоящем пособии не будут, так как они не являются критичными для основных защитных барьеров ЯЭУ. Изложение материалов по аварийным режимам продолжится с описания режимов с нарушениями герметичности оборудования 2-го контура.

320