об устойчивости энергоблока с ввэр

ИССЛЕДОВАНИЕ АКСИАЛЬНЫХ КСЕНОНОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В
АКТИВНОЙ ЗОНЕ ВВЭР-1000 И ИХ ВЛИЯНИЯ НА ВЕЛИЧИНУ
КРИТИЧЕСКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ БОРНОЙ КИСЛОТЫ В РЕАКТОРЕ
В.А. Терешонок, В.В. Ивченков, В.А Питилимов
ВНИИАЭС, Москва, Россия
А.Н. Лупишко, В.А. Хватов, В.М. Чапаев
Калининская АЭС, Удомля, Россия
Ксеноновые колебания в активной зоне ВВЭР, обусловленные периодическими отклонениями от равновесного распределения йода, ксенона и плотности потока нейтронов в различных ее участках, условно можно разделить на аксиальные, диаметральные
и азимутальные. При этом аксиальные ксеноновые колебания являются наиболее распространенными и вызываются изменениями:
- положения группы органов регулирования (ОР) системы управления и защиты
(СУЗ) реактора при его постоянной мощности;
- мощности реактора при неизменном положении ОР СУЗ;
- одновременно положения группы ОР СУЗ и мощности реактора.
В зависимости от состояния активной зоны аксиальные ксеноновые колебания могут быть затухающими, незатухающими (с постоянной времени затухания хе, стремящейся к бесконечности) и расходящимися (с отрицательной величиной хе). При достаточно большой амплитуде эти колебания могут привести к повышению коэффициентов
неравномерности энерговыделения по объему активной зоны, а следовательно, к увеличению линейной нагрузки на тепловыделяющие элементы (твэлы) топливных кассет
и соответственно к снижению запаса до кризиса теплообмена. Последнее, в свою очередь, может явиться причиной нарушения теплотехнической надежности твэлов, их
разгерметизации.
На энергоблоке №3 в процессе ввода его в эксплуатацию аксиальные ксеноновые
колебания исследовались дважды – в начале компании при эффективном времени (Тэф)
работы первой топливной загрузки (30.1 – 32.8) эффективных суток (эфф.сут) и в конце
компании при Тэф = (244.6 – 245.3) эфф.сут.
Имитационные нейтронно-физические расчеты, выполненные П.В. Филимоновым
(Российский научный центр «Курчатовский институт») для исследуемой топливной загрузки активной зоны реактора, в начале компании давали затухающие, а в конце - расходящиеся (с возрастающей амплитудой) аксиальные ксеноновые колебания.
В начале компании возбуждение аксиальных ксеноновых колебаний было выполнено практически при неизменной мощности реактора погружением от 82.3 % до 60 %
от нижних концевых выключателей (НКВ) 10 группы ОР СУЗ. Затем данная группа ОР
была извлечена в положение примерно 90 % (93.8 % от низа активной зоны) и в дальнейшем не перемещалась. Группы ОР СУЗ №1 – 9 находились в крайнем верхнем положении (ВКВ). Поддержание постоянной мощности реактора в диапазоне (71 - 73)
% Nном (Nном – номинальная мощность, равная 3000 МВт) осуществлялась изменением
содержания бора в теплоносителе первого контура. Продолжительность эксперимента
составила примерно 91 час.
В процессе исследований был получен большой объем информации об изменениях
нейтронно-физических и теплотехнических параметров, регистрация которых осуществлялась с периодом 1 с системой внутриреакторного контроля (СВРК) и системой
верхнего блочного уровня (СВБУ). Ниже представлены зависимости от времени:
- на рис. 1 – аксиального офсета (δW) и концентрации борной кислоты в реакторе
(Сбк), которая измерялась штатным прибором типа НАР-12;
1
- на рис. 2 – положения
10 группы ОР СУЗ (Н10) и
мощности реактора (Nт), рассчитанной по параметрам
теплоносителя первого контура;
- на рис. 3 – отношений
мощности реактора в 1-ом
рабочем диапазоне (РД-1)
аппаратуры
контроля
нейтронного потока (АКНП)
к тепловой мощности реактора Nрд1/Nт, отношений
мощности реактора во 2-ом
рабочем диапазоне (РД-2)
АКНП к тепловой мощности
реактора Nрд2/Nт и относительных подогревов теплоносителя в петлях первого
контура Тi/Т. Здесь Тi –
подогрев теплоносителя в i-ой
петле 1-го контура, а Т – подогрев теплоносителя в реакторе.
Отметим, что в РД-1
мощность реактора измерялась по 6-ти каналам – данным шести ионизационных
камер (ИК), расположенных в
отдельных «сухих» каналах
биологической защиты по высоте напротив нижней половины активной хоны, а в РД-2
– по тем же 6-ти каналам на
основе комбинации двух ИК в
каждом канале, расположенных по высоте: одна – напротив нижней половины активной зоны, а другая – напротив
верхней ее половины.
Следует отметить, что по
сути рассматриваемые аксиальные ксеноновые колебания
являются
«свободными»,
начиная со времени достижения аксиальным офсетом своего стационарного значения
после извлечения 10 группы
ОР СУЗ в положение 90% от
НКВ (при  ≥ 6 ч на рис. 1 –
3).
1 – δW; 2 – Сбк
Рис. 1. Изменение во времени аксиального офсета и
концентрации борной кислоты в реакторе при
выгорании топливной загрузки (30.3 – 32.8) эфф.сут.
1 – Nт; 2 – H10
Рис. 2. Изменение во времени тепловой мощности реактора и
положения 10 группы ОР СУЗ при выгорании топливной
загрузки (30.3 – 32.8) эфф.сут.
1 – Nрд1/Nт; 2 – Nрд2/Nт; 3 – ΔТ1/ΔТ; 4 – ΔТ2/ΔТ; 5 – ΔТ3/ΔТ;
6 – ΔТ4/ΔТ
Рис. 3. Изменение во времени отношений мощности реактора
по данным РД-1 и РД-2 АКНП к тепловой мощности и
относительных подогревов в петлях при выгорании
топливной загрузки (30.3 – 32.8) эфф.сут.
2
Из рис. 1, 3 видно, в частности, что ксеноновые колебания в начале топливного
цикла являются затухающими. При этом, так как ИК РД-1 АКНП находились напротив
нижней половины активной зоы, изменения во времени мощности по их показаниям
были в противофазе зависимости δW().
Следует отметить также, сто «свободные» аксиальные ксеноновые колебания не
влияют на показания датчиков петлевого термоконтроля СВРК (согласно рис. 3 относительные подогревы теплоносителя в петлях первого контура Тi/Т() не изменяются). Не изменялась также мощность реактора в РД-2 АКНП (рис. 3), очевидно, из-за недостаточно большой амплитуды колебаний.
Из рис. 1 видно, что величина критической концентрации, вообще говоря, подвержена влиянию аксиального офсета: на интервале времени при  > 36 ч видно, что при
максимальных и минимальных значениях аксиального офсета С бк несколько превышает
свое значение, чем при его величинах, близких к стационарным. Последнее означает,
что при неизменной концентрации борной кислоты в 1-ом контуре в случаях смещения
поля энерговыделения вверению часть активной зоны (максимум δW) и в нижнюю ее
часть (минимум δW) мощность реактора будет возрастать.
Вычисленные значения периода (Тхе), постоянной времени затухания (хе) и других
характеристик «свободных» аксиальных ксеноновых колебаний на основе аппроксимации зависимостей δW() и Nрд1/Nт() формулой
х()=А0·ехр(-/хе)·sin(ωt + φ0) + хст ,
(1)
приведены в таблице. В данной таблице указаны также и интервалы параметров, в области изменения которых исследовались эти «свободные» ксеноновые колебания. При
этом:
Твх – температура теплоносителя на входе в реактор;
P1 – давление теплоносителя в первом контуре.
В формуле (1) приняты обозначения:
х() – соответственно один из параметров: δW() или Nрд1/Nт();
А0 – амплитуда колебаний параметра х();
ω – циклическая частота колебаний;
xст – стационарное значение параметра х;
φ0 – начальная фаза колебаний (при  = 0);
 – текущее время.
Параметры «свободных» аксиальных ксеноновых колебаний
Параметр
Tэф, эфф. сут.
отравление Xe-135
Nт, %Nном
H10, %
Cбк, г/кг
Твх, 0С
ΔТ, 0С
P1, МПа
A0, % (отн. ед.)
xст, % (отн. ед.)
Txe, ч
ω, ч-1
xe, ч
φ0, рад
Значения
30.3 – 32.8
отравлен
71.0 – 73.0
90.3
4.50 – 4.62
285.3 – 285.8
22.3 – 22.7
15.4 – 15.7
по аксиальному
по отношению
офсету
Nрд1/Nт
(17,7 ± 0,3) %
0,128 ± 0,003
-(2,51 ± 0,17) %
0,834 ± 0,017
27,9 ± 0,5
27,9 ± 0,5
0,225 ± 0,005
0,225 ± 0,005
30,1 ± 0,6
30,5 ± 0,6
0
π
3
244.6 – 245.3
отравлен
48.0 – 52.0
90.3
1.55 – 2.05
281.2 – 281.9
14.5 – 15.5
15.5 – 15.7
по аксиальному
офсету
(32.0 ± 2.0) %
(19 ± 1) %
34.0 ± 1.0
0,185 ± 0,010
-(35.5 ± 1.5)
0
Из таблицы видно, в частности, что период «свободных» аксиальных ксеноновых
колебаний для исследуемого состояния активной зоны равен (27.9 ± 0.5) ч. Постоянная
времени затухания, вычисленная на основании изменения во времени аксиального офсета, составляет (30.1 ± 0.6) ч. Результаты имитационных расчетов по программе
БИПР-7А для близкого к исследовавшемуся состоянию активной зоны давали 28.9 ч и
41.4 ч для Тхе и хе соответственно.
Практически в конце первой топливной компании аксиальные ксеноновые колебания были возбуждены следующим образом: погружением 10 группы ОР СУЗ от 90.3%
до 33.71% и 9 группы ОР от ВКВ до 83.43% (отсчет положений ОР СУЗ – от НКВ)
мощность реактора
за 43 минуты была снижена от 84 %Nном до примерно
49 %Nном. Затем за счет компенсации отравления реактора ксеноном-135 9 группа ОР
СУЗ была извлечена в крайнее верхнее положение, а затем 10 группа ОР – в положение
82.29%. Последующее извлечение 10 группы ОР СУЗ в исходное положение (90.3% от
НКВ) было выполнено за счет кратковременного ввода в 1-ый контур борного концентрата. В последующем положение ОР СУЗ не изменялось. Мощность реактора после ее
снижения и до конца исследований поддерживалась в диапазоне (48 – 52) %Nном изменением содержания бора в теплоносителе 1-го контура.
Уникальность данного эксперимента состояла в том, что он был выполнен впервые
да и еще практически в конце
компании. Зарегистрированная в его ходе информация об
изменении
нейтроннофизических и теплотехнических параметров была передана в РНЦ «Курчатовский
институт» и ОКБ «Гидропресс» для уточнения и верификации расчетных кодов.
Ниже на рис. 4 – 6 представлены зависимости от
времени соответственно:
- аксиального офсета и
1 – δW; 2 – Сбк
концентрации борной кислоРис. 4. Изменение во времени аксиального офсета и
ты в реакторе;
концентрации борной кислоты в реакторе при
выгорании топливной загрузки (244.6 – 245.3) эфф.сут.
- положений 9 и 10 групп
ОР СУЗ и мощности реактора, рассчитанной по параметрам теплоносителя первого
контура;
- относительных величин
Nрд1/Nт; Nрд2/Nт и Тi/Т.
Согласно этим исследованиям, также как и в начале
топливного цикла, изменения
мощности реактора по данным ИК РД-1 АКНП происходит в противофазе относительно изменения аксиально1 – Nт; 2 – H10; 3 – H9
го офсета (рис. 4, 6). Не завиРис. 5. Изменение во времени тепловой мощности реактора и
положения 10 и 9 групп ОР СУЗ при выгорании топливной
сели от положения поля энерзагрузки (244.6 – 245.3) эфф.сут.
говыделения по высоте активной зоны и измеряемые
4
СВРК подогревы теплоносителя
в петлях 1-го контура. Что касается мощности реактора в РД-2
АКНП, то достаточно сильная
деформация поля энерговыделения в активной зоне (аксиальный офсет изменялся от
плюс 64.9% до минус 55.5%)
привела к достаточно большому
ее отклонению от мощности,
измеряемой по теплотехническим параметрам (рис. 6).
Рассматриваемые аксиальные ксеноновые колебания, как
1 – Nрд1/Nт; 2 – Nрд2/Nт; 3 – ΔТ1/ΔТ; 4 – ΔТ2/ΔТ; 5 – ΔТ3/ΔТ;
и предсказывалось имитацион6 – ΔТ4/ΔТ
Рис. 6. Изменение во времени отношений мощности реактора
ными расчетами, оказались распо данным РД-1 и РД-2 АКНП к тепловой мощности и
ходящимися – с возрастающей
относительных подогревов в петлях при выгорании
амплитудой (рис. 4). Вычислентопливной загрузки (244.6 – 245.3) эфф.сут.
ные по данным об изменении
аксиального офсета значения характеристик ксеноновых колебаний, а также параметры, характеризующие состояние активной зоны, приведены в таблице. Согласно данной
таблице Тхе = (34.0±1.0) ч, а хе = -(35.5±1.5)ч. Таким образом, постоянная времени затухания колебаний имеет отрицательное значение.
Характер зависимости от времени критической концентрации борной кислоты в
реакторе (рис. 4) был обусловлен не только компенсацией реактивности из-за изменения концентрации ядер йода и ксенона вследствие снижения мощности, но и изменением аксиального офсета. Из рис. 4 видно, что для поддержания постоянной мощности
реактора при приближении аксиального офсета к его максимальному или минимальному значениям содержание бора в теплоносителе первого контура резко повышалось, а
при приближении δW к его стационарной величине Сбк уменьшалась. Связано это с
различной эффективностью борной кислоты в зависимости от преимущественного положения поля энерговыделения по высоте активной зоны. Верхние и нижние участки
активной зоны являются менее выгоревшими – более обогащенными ураном-235. Последнее является причиной более низкой эффективности борной кислоты при смещениях энерговыделения в верхнюю или нижнюю частит активной зоны.
Таким образом, в конце выгорания топливной загрузки в случае возникновения аксиальных ксеноновых колебаний при смещениях поля энерговыделения в верхнюю или
нижнюю части активной зоны мощность реактора будет увеличиваться. При работающем автоматическом регуляторе мощности (АРМ) реактора он в обоих отмеченных
выше случаях будет срабатывать «на меньше», т.е. будет погружать регулирующую
группу ОР СУЗ. При этом, в случае смещения поля энерговыделения в верхнюю часть
активной зоны действие АРМ должно приводить к снижению темпа роста аксиального
офсета. При возрастании энерговыделения в нижней части активной зоны действием
АРМ скорость снижения δW будет увеличиваться.
Итак, в конце компании для обеспечения устойчивости работы реакторной установки необходимо не допускать возникновения аксиальных ксеноновых колебаний и в
особенности с достаточно большой амплитудой.
5