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

Любая йодная яма охарактеризуется двумя параметрами - глубиной ( ρXe*) и временем наступления максимума (t*), зависящими от режимных параметров работы ре-

актора до останова. Глубина йодной ямы – это превышение максимального отравления реактора ксеноном после останова над отравлением его в момент останова.

ρXe(t)

t

0 t*

ρXeо

Глубина йодной ямы

ρXe*

Рис.19.7. График нестационарного переотравления реактора ксеноном после останова («йодная яма»).

Итак, характер изменения нестационарного переотравления реактора ксеноном после его останова имеет две качественных стадии: стадия роста отравления сверх отравления реактора на момент останова, завершающаяся достижением максимума отравления, и следующая за ней стадия разотравления реактора до нуля.

19.3.3. Факторы, определяющие характеристики йодных ям. И глубина йодной ямы, и время наступления её максимума для конкретного реактора определяются только уровнем стационарной мощности, на котором реактор работал до останова.

Действительно, чем выше уровень мощности реактора Np, тем выше стационарные концентрации йода и ксенона, и тем выше соотношение этих стационарных концентраций йода и ксенона (NJст/Nxeст) (см. формулу в п.19.3.1), и выше разница этих стационарных концентраций. А так как йодная яма возникает за счёт накопленного до останова йода, то с увеличением мощности реактора Np пропорционально ей увеличивается концентрация NJст, а, следовательно, будет увеличиваться и количество получаемого при распаде йода его продукта - ксенона-135, а значит - и глубина йодной ямы. Большее количество накопленного до останова йода, кроме того, требует большего времени для его распада, и поэтому время наступления максимума йодной ямы с ростом мощности, на которой реактор работал до останова, также увеличивается (от 1.5 ÷ 2 ч при Np = 10% Npном до 8.5 ÷ 9 ч при Npном).

Глубина йодной ямы зависит также от величины обогащения используемого в реакторе ядерного топлива: чем выше обогащение (x), тем выше величина концентрации N5, тем выше величина стационарной концентрации накапливаемого до останова йода, тем, следовательно, больше будет глубина йодной ямы после останова реактора.

Наконец, время полного разотравления реактора после его останова. Эта величина от мощности реактора до останова зависит очень слабо. Считается, что, независимо от уровня мощности, на котором реактор работал до останова, полное разотравление ре-

актора по ксенону наступает за трое суток стоянки реактора.

Практики-операторы реакторных установок для расчётов нестационарных переотравлений реактора после останова пользуются либо кривыми йодных ям, либо рас-

чётными таблицами нестационарных переотравлений реактора после останова.

Кривые йодных ям могут использоваться двух видов. В первом случае кривые йодных ям строятся в значениях абсолютных текущих потерь реактивности, причём каждая йодная яма начинается от уровня стационарного отравления реактора на мощности, на которой реактор работал до останова. Семейство из пяти йодных ям (соответствующих уровням мощности реактора до останова 20 - 40 - 60 - 80 и 100 % от номинальной) выглядит более предпочтительно для пользователя: пять кривых, берущих начало в разных точках, нигде не пересекаются друг с другом (рис.19.8а), отчего они хорошо различимы.

При втором способе отображения йодных ям все пять кривых имеют общее начало, то есть по оси ординат откладываются не абсолютные значения потерь реактивности от отравления, а разница между текущими значениями отравлений и стационарными значениями отравлений на соответствующих уровнях мощности реактора (рис.19.8б). Такой график немного менее удобен для глаза из-за множества пересечений кривых, однако, он позволяет сразу оценивать величины переотравлений реактора после останова.

ρxe(t)

t, ч

0

Рис.19.8. Два способа графического отображения йодных ям после останова реактора.

Другой способ практического учёта нестационарных переотравлений реактора после останова, используемый операторами, - табличный. Таблица составляется по такой форме:

19.3.4. Чем опасна йодная яма? То, что после останова реактор отравляется больше, чем он был отравлен ксеноном до останова, опасности не представляет. Но наступающий вслед за этим обратный процесс разотравления реактора может при некоторых условиях стать потенциальным источником ядерной опасности. Дело в том, что величины реактивности, высвобождаемые при разотравлении реактора - большие реактивности, составляющие несколько βэ. Поэтому, если после останова реактора в нём создана подкритичность, меньшая по величине той реактивности, которая может высвободиться в результате разотравления реактора, то это может привести к тому, что в один прекрасный момент после останова величина подкритичности снизится до нуля, реактор станет критическим, а затем и надкритическим, то есть может произойти самозапуск и даже разгон мощности реактора, что в условиях ослабленного контроля над остановленным реактором может привести к большим неприятностям.

Именно поэтому, как увидим далее, правила ядерной безопасности требуют, чтобы после останова реактора (если это не кратковременный останов) в воде первого контура создавалась избыточная концентрация борной кислоты, гарантирующая достаточно высокое значение подкритичности остановленного реактора (и вытекающую из этого гарантию невозможности самозапуска реактора вследствие его разотравления).

19.3.5. Чем может быть неприятна йодная яма после останова? Уже неодно-

кратно говорилось о том, что для обеспечения ядерной безопасности в работающем реакторе должен поддерживаться очень небольшой оперативный запас реактивности. В реакторах АЭС типа ВВЭР с борным регулированием это достигается за счёт поддержания в воде первого контура такого значения концентрации борной кислоты, при котором оперативный запас реактивности обеспечивается только одной частично опущенной в активную зону рабочей группой поглотителей СУЗ (в ВВЭР, как правило, это десятая группа), при этом остальные девять групп подвижных поглотителей СУЗ подняты на верхние концевики (то есть полностью извлечены из активной зоны реактора). Получающийся при этом оперативный запас реактивности мал по величине (в любом случае он меньше 0.6βэ, так как физический вес рабочей группы ОР СУЗ не превышает βэ), что вносит некоторые затруднения при маневрировании мощностью реактора, но зато гарантирует невозможность сообщения работающему реактору положительной реактивности величиной, равной или большей βэ.

Итак, оперативный запас реактивности работающего реактора, а, значит, и в момент его останова, - невелик и составляет, допустим, 0.3 ÷ 0.4 βэ. А теперь взглянем на конкретную цифру: глубина йодной ямы реактора ВВЭР-1000, которая после останова со 100%-ной мощности составляет -1.7%, а это значит, что в течение первых нескольких часов после останова весь оперативный запас реактивности будет «съеден», и если

попытаться пустить реактор (подъёмом рабочей группы до критического её положения) в течение времени, пока потери на отравление ксеноном не превышают величину оперативного запаса реактивности на момент останова реактора, то пуск реактора осуществить оказывается возможным (без дополнительного высвобождения оперативного запаса реактивности путём уменьшения концентрации борной кислоты в воде первого контура).

Время после останова реактора, в течение которого нестационарные потери реактивности сверх отравления на момент останова не превышают величины оперативного запаса реактивности реактора на момент останова, называется оперативным временем.

Следовательно, в течение оперативного времени в меру разворотливый оператор имеет возможность запустить реактор, выйти на мощность, расстрелять избыточный ксенон (сверх имевшегося в реакторе на момент останова) и продолжать работать дальше.

ρХе(t) tоп

t

0

tвс

ρзапоп

Рис.19.7. Иллюстрация к понятиям оперативного времени и времени вынужденной стоянки.

Но если в течение оперативного времени реактор запустить в силу тех или иных причин не удалось, остановленный реактор продолжает отравляться далее и, начиная с момента tоп, величина нестационарного ксенонового отравления будет превышать величину оперативного запаса реактивности реактора на момент останова: отравление реактора постепенно достигнет «дна» йодной ямы, затем реактор начнёт разотравляться, но потери на отравление ещё некоторое время будут превышать величину оперативного запаса реактивности на момент останова до тех пор, пока не снизятся до уровня последнего. В течение всего этого времени запуск реактора невозможен (по крайней мере, без специальных мер по увеличению оперативного запаса реактивности за счёт снижения концентрации борной кислоты в реакторе).

Время, в течение которого величина нестационарного отравления реактора ксеноном после останова превышает величину оперативного запаса реактивности реактора на момент останова, называют временем вынужденной стоянки реактора при заданном оперативном запасе реактивности.

Лишь по прошествии времени вынужденной стоянки (tвс) реактор разотравляется ровно настолько, что у него появляется положительный оперативный запас реактивности, который и даёт возможность запуска реактора.

В этом и заключаются все «неприятные» моменты, связанные с йодными ямами после останова реактора в условиях, когда величина оперативного запаса реактивности реактора с помощью борного регулирования поддерживается на безопасном (с точки

зрения ядерной безопасности) уровне.

19.4.Переотравления реактора ксеноном после изменения

уровня мощности

В принципе, конечный результат переотравления реактора ксеноном по прошествии достаточно длительного времени после перехода реактора с одного стационарного уровня мощности (Np1) на другой стационарный уровень мощности (Np2) мы с нашими знаниями отравления уже способны предсказать. Действительно: если реактор достаточно длительное время (более трёх суток) работал на постоянном уровне мощности Np1, то это означает, что к исходу третьих суток работы реактор был стационарно отравлен на этом уровне мощности. И если в этот момент реактор переводится на новый уровень мощности Np2 и работает на этом новом уровне мощности более трёх суток, то к исходу третьих суток работы реактор явно окажется стационарно отравленным на этом новом уровне мощности. Следовательно, для полной ясности о переходном процессе переотравления реактора ксеноном от одного стационарного уровня до другого, нам нужно ответить на вопрос: как и за счёт чего это происходит? Иначе говоря, нас интересует общая закономерность переходного процесса ρXe(t) именно в эти трое суток после перехода на новый уровень мощности.

А эта закономерность качественно зависит от того, на меньший или на более высокий уровень мощности переходит реактор.

19.4.1. Характер переотравления реактора после перехода на более низкий уро-

вень мощности. С переходом на более низкий уровень мощности (Ф1 → Ф2, Ф1 > Ф2) дифференциальное уравнение скорости изменения концентрации ксенона имеет вид:

где первые два слагаемых представляют собой скорость прибыли ксенона, а вторые два (отрицательные) - скорость убыли ксенона. И если концентрация йода в момент перехода на более низкий уровень мощности остаётся прежней (стационарной на исходном уровне мощности Np1), то скорость образования ксенона как непосредственного продукта деления (первое положительное слагаемое) - уменьшается во столько раз, во сколько новое значение плотности потока нейтронов Ф2 меньше старого значения Ф1; скорость выгорания ксенона σaXeNXe(t)Ф2 тоже уменьшается (и во столько же раз), но разница этих скоростей [γXeΣf5 - σaXeNXe(t)] Ф2 оказывается величиной положительной, поскольку в условиях стационарного отравления γXeΣf5 > σaXeNXeст всегда, что несложно проверить подстановкой конкретных цифр в это неравенство. Физически это означает, что, несмотря на уменьшение скорости расстрела ксенона нейтронами, скорость его образования в первый период времени после перехода на пониженный уровень мощности остаётся более высокой, чем скорость его убыли, то есть концентрация ксенона в этот начальный период времени будет расти.

Далее, по мере уменьшения скорости образования йода начинает всё более заметно уменьшаться скорость образования из него ксенона, из-за чего уменьшается сум-