Материал: Мерзликин Г.Я. Основы теории ядерных реакторов. Курс для эксплуатационного персонала АЭС

также комплекс конструктивных, технических и организационных мер, гарантирующие исключение неуправляемого разгона мощности реактора вследствие сообщения ему больших положительных реактивностей.

Проблема обеспечения ядерной безопасности является (без преувеличения) самой важной проблемой эксплуатации ядерных энергетических установок. Она накладывает свой отпечаток на все стороны процесса эксплуатации реакторных установок: транспортировка и загрузка в активную зону реактора ядерного топлива, физический пуск реактора, эксплуатационные пуски, режимы работы реактора на мощности, останов реактора, перезарядка активной зоны и многое другое.

Различного рода требований по обеспечению ядерной безопасности довольно много, и с ними мы будем знакомиться постепенно, по мере изучения отдельных моментов теории и практики эксплуатации реакторов. Однако основное ограничение, на базе которого формулируется подавляющее большинство этих требований, проистекает из простой мысли:

Ни при каких обстоятельствах реактору не должна сообщаться положительная реактивность, близкая к величине эффективной доли запаздывающих нейтронов.

В связи со сказанным именно сейчас есть повод раз и навсегда определиться с тем, какую величину реактивности считать большой, а какую - малой.

Положительные реактивности, сравнимые по величине с эффективной долей выхода запаздывающих нейтронов в реакторе - большие реактивности. Реактивности, меньшие величины βэ по крайней мере на порядок - малые реактивности.

Всвязи с этим заметим, что величина реактивности реактора, численно равная эффективной доле выхода запаздывающих нейтронов в нём, может служить в качестве естественной и удобной единицы измерения реактивности для любых реакторов.

Вотечественной практике эта единица так и называлась: доля от βэ; и говорилось, например, что “ реактивность равна 0.15 βэ”. Американцы дали этой единице своё название - доллар, а сотой части этой единицы - цент. То есть по-американски упомянутая величина реактивности звучит как “0.15 доллара” ( или «15 центов») и пишется

кратко как “ ρ = 0.15$” или “ ρ = 15 с” ( не спутать бы cents с русским обозначением размерности секунды).

Эта единица измерения наиболее универсальна, так как позволяет единым образом оценивать степень эффективного воздействия на любой реактор, независимо от его размеров, мощности и величины ценности запаздывающих нейтронов в нём, при этом по самой цифре держа в уме степень отдалённости реактора от ядерно-опасного состояния.

12.4. Особенности переходных процессов при сообщении реактору малых и больших реактивностей

Малые реактивности. В соответствии с произведенной переоценкой малыми считаем реактивности, удовлетворяющие неравенству ρ << βэ.

Из взаимосвязи величин реактивности и периода реактора Т, выражаемой уравнением обратных часов

следует, что при малых реактивностях величина периода реактора большая, а это значит, что величина произведения λiT >> 1, то есть единицей в знаменателе под зна-

ком суммы можно попросту пренебречь. Кроме того, во много раз большая по сравнению со временем жизни мгновенных нейтронов l величина периода Т позволяет пренебречь и первым слагаемым правой части уравнения обратных часов (l/T ≈ 0). Поэтому уравнение обратных часов при малых реактивностях приобретает вырожденный вид:

практически постоянная величина, обратно пропорциональная величине сооб-

щённой реактору реактивности. То есть переходный процесс n(t) при малых реактивностях приближённо представляет собой одну экспоненту с практически постоянной величиной периода. А это значит, что переходные процессы при малых реактивностях протекают практически без стадии начального скачка. И это понятно: при малых реактивностях определяющую роль в характере переходных процессов n(t) играют запаздывающие нейтроны (в выражении (12.33) все постоянные величины являются характеристиками запаздывающих нейтронов). Иными словами, формально уравнение обратных часов в случае малых реактивностей вырождается в изначальную формулу для периода реактора, которая была введена при анализе элементарного уравнения кинетики реактора. Роль константы в формуле (12.34) играет величина среднего времени жизни одних только запаздывающих нейтронов.

Подставив в (12.34) значения физических констант и значения величин эффективных долей выхода запаздывающих нейтронов всех групп (применительно к реакторам больших размеров, к которым относятся практически все реакторы АЭС, βэi = βi), можно получить:

ρ ≈ 0.08335 ,

Т

а для маломощных реакторов с более умеренными размерами активных зон:

ρ ≈ 0.08335 χ

. (12.35)

Т

где χ - величина ценности запаздывающих нейтронов в реакторе.

12.4.2. Большие реактивности. При больших реактивностях (т. е. имеющих порядок величины эффективной доли выхода запаздывающих нейтронов в реакторе -βэ) период реактора Т, как мы уже убедились, мал. Причём уже при ρ = 0.7βэ он настолько мал, что величина произведения λiТ оказывается меньшей единицы более чем на два порядка, то есть этой величиной в уравнении обратных часов можно пренебречь:

Величина суммарной эффективной доли запаздывающих нейтронов βэ = 0.0064 при малых величинах реактивности оказывается очень малой сравнительно с величиной l/T, поэтому ею также можно пренебречь, то есть

Мы пришли к приближённому выражению взаимосвязи реактивности и периода реактора, в котором характеристики запаздывающих нейтронов (li и bэi) вследствие их малости словно бы отсутствуют. Единственная характеристика, которая связывает в этом случае величины реактивности и периода реактора, - время жизни мгновенных нейтронов ( l ). А это значит, что при сообщении реактору большой положительной реактивности переходный процесс n(t) обусловлен, главным образом, размножением на мгновенных нейтронах; запаздывающие нейтроны при r ³ bэ перестают играть свою сдерживающую роль в интенсивном развитии переходных процессов.

Экспоненциальный рост плотности нейтронов с очень малым периодом разгона внешне ничем не отличается от резкого (гигантского) скачка. Вот почему весь переходный процесс n(t) в реакторе при сообщении ему большой положительной реактивности представляет собой один большой скачок, совершающийся в течение очень малого промежутка времени, и обусловленный быстрым размножением на мгновенных нейтронах.

12.5. Как управляют реактором на малых уровнях мощности?

Итак, рассмотрены два случая развития кинетических процессов n(t) в “ холодном” реакторе при сообщении ему положительной или отрицательной реактивности. Для чего был затеян весь этот (в общем-то, теоретический) разговор? Зачем он нужен опера- тору-эксплуатационнику?

Это совершенно необходимо для того, чтобы понять, как оператору следует поступать практически при управлении реактором и уметь предвидеть, как “ отзовётся” реактор на то или иное воздействие со стороны оператора.

Конечно, этими двумя случаями вся кинетика реактора далеко не исчерпывается, но их в принципе уже достаточно, чтобы понять, как следует действовать оператору реакторной установки для увеличения или снижения мощности реактора.

Несмотря на то, что рассматривалась кинетика идеализированного, “ холодного” реактора, выявленные закономерности вполне применимы к управлению реальным реактором на малых уровнях мощности, лежащих в пределах между МКУМ (минимально контролируемым уровнем мощности) и значениями (4 ÷ 5)% от номинального уровня мощности реактора.

12.5.1. Если требуется увеличить уровень мощности реактора, первоначально работавшего в критическом режиме на малом уровне мощности Nр1, оператор должен сообщить реактору некоторую величину положительной реактивности, для чего достаточно переместить из критического положения на некоторое расстояние вверх любой стержень-поглотитель (или группу поглотителей). Процедуры перемещения стержняпоглотителя и характер изменений мощности реактора после выполнения этих перемещений в диаграммном виде показаны на рис.12.5.

Сообщение реактору положительной величины реактивности на малом уровне мощности вызывает в реакторе вначале небольшой скачок мощности (реактор управляется введением небольших реактивностей), который затем плавно переходит в экспоненциальное нарастание мощности с установившимся периодом (участок (а) переходного процесса).

Если нам кажется, что процесс увеличения мощности реактора идёт недостаточно быстро, и желательно увеличить темп роста мощности, интуиция подсказывает, что для этого нужно увеличить значение реактивности реактора. Это достигается путём дополнительного перемещения поглотителей вверх из последнего их положения. В ответ на это возмущение реактивности реактор опять отзывается начальным скачком мощности вверх, переходящим в экспоненциальное нарастание мощности с новым (меньшим по

ный “ холодный” реактор.

Существенным моментом техники управления реактором при любом сообщении ему положительной реактивности является осторожность введения реактивности, являющаяся основной мерой обеспечения ядерной безопасности реакторной установки. Смысл её заключается в непрерывном слежении за нарастанием мощности реактора по приборам-измерителям нейтронной мощности и по приборам-периодомерам. Технологический регламент для любой ЯЭУ устанавливает ограничения по величине периода удвоения мощности. Например, для реакторов атомного ледокола “ Арктика” минимальная допустимая величина периода удвоения мощности, разрешённая Технологической Инструкцией по управлению, составляет 30 с. Оператор может допустить введение положительной реактивности и большей величины, соответствующей периоду удвоения менее 30 с. В этом случае при снижении величины текущего значения периода удвоения менее 20 с на табло предупредительной сигнализации зажигается мигающий сигнал “ Т < 20 с”, сопровождающийся прерывистым звуковым сигналом, предупреждающим оператора о необходимости быть осторожным и требующим уменьшить величину введенной положительной реактивности. Если и это предупреждение останется без внимания и величина периода удвоения мощности снизится ниже 15 с, - по сигналу недопустимо малого периода срабатывает автоматическая аварийная защита, и в активную зону реактора с максимальной скоростью вводятся все штатные поглотители СУЗ.

Аналогичные по содержанию технические меры обеспечения ядерной безопасности принимаются на любой реакторной установке; цифры конкретных ограничений по предупредительной сигнализации и аварийной защите у разных реакторов, конечно, разные. Но объективная суть их одна: побуждение оператора к уменьшению реактивности реактора, а в случае непринятия мер или ошибочных действий оператора - автоматическое введение в действие аварийной защиты, приводящее к останову реактора.

В реакторах типа ВВЭР-1000 ТРБЭ устанавливает допустимую величину периода удвоения мощности реактора при положительных реактивностях, равную 100 с.

12.5.2. Если требуется уменьшить уровень мощности реактора, действия оператора имеют ту же теоретическую подоплеку. Вначале стержень-поглотитель (или

Линия критического положения стержня

Npo

(б)

Np1(t) = idem

Np1

0 t

Рис. 12.6. Основные операции со стержнями-поглотителями регулирующей группы при снижении мощности реактора и изменения мощности реактора, вызываемые этими перемещениями.