Рабочие Органы СУЗ и их функции.

Исполнительные органы суз.

Исполнительный механизм СУЗ - устройство, состоящее из привода СУЗ, рабочего органа СУЗ и соединительных элементов, предназначенное для изменения реактивности ядерного реактора.

Исполнительные органы СУЗ делятся на:

- аварийные (АЗ), уменьшающие реактивность (вводящие в ЯР отрицательную реактивность) при появлении аварийных сигналов;

- регулирующие (АР, РР), поддерживающие постоянным нейтронный поток Ф (а значит — и мощность);

- компенсирующие (КО, КР) – для компенсации отравления, выгорания, температурных эффектов) – для компенсации долговременных эффектов реактивности.

В большинстве случаев это стержни, вводимые в активную зону ЯР (сверху или снизу) из веществ, сильно поглощающих нейтроны (Cd, В, Dy и др.).

Их движение управляется механизмами (ШЭМ), срабатывающими по сигналу приборов.

Для компенсации выгорания могут использоваться выгорающие поглотители (B, Er, Gd и другие редкоземельные элементы), эффективность которых убывает при захвате ими нейтронов, или растворы поглощающего вещества в замедлителе.

Стабильности работы ЯР способствует отрицательный температурный коэффициент реактивности.

Если этот коэффициент положителен, то работа органов СУЗ существенно усложняется.

К исполнительным органам СУЗ предъявляется ряд требований, которые определяют особенности их конструктивного исполнения и их характеристики.

В соответствии с требованиями нормативной документации предусмотрены по меньшей мере две системы остановки реактора, каждая из которых способна независимо одна от другой обеспечивать перевод активной зоны реактора в подкритическое состояние и поддержание ее в этом состоянии с учетом принципа еденичного отказа или ошибки персонала.

Исполнительные механизмы (ИМ) СУЗ должны исключать самопроизвольное перемещение рабочих органов в сторону увеличения положительной реактивности при неисправности и исчезновении электропитания ИМ, а также при внешних и внутренних воздействиях.

ИМ СУЗ должны иметь измерительные преобразователи положения рабочих органов и концевые выключатели, срабатывающие непосредственно от рабочих органов.

При невозможности непосредственного контакта должна быть гарантирована правильность функционирования с возможностью эпизодической проверки.

Применяемые в ИМ СУЗ измерительные преобразователи положения рабочих органов СУЗ после отключения электропитания и его последующего включения должны обеспечивать получение достоверного указания положения рабочих органов СУЗ.

В ТУ на конкретный тип ИМ СУЗ должны быть установлены количественные значения следующих показателей:

- рабочей скорости перемещения рабочих органов с допустимыми отклонениями;

- времени введения рабочих органов системы AЗ в активную зону в аварийных ситуациях, либо скорости перемещения органов в режиме AЗ и времени разгона до этой скорости;

- времени от выдачи сигнала AЗ до начала движения рабочих органов (должно быть не более 0,5 с);

- погрешности измерения положения рабочих органов;

- рабочего хода рабочего органа.

Эти системы проектируются с соблюдением принципов разнообразия, независимости и резервирования.

По крайней мере одна из предусмотренных систем остановки реактора должна выполнять функцию аварийной защиты. Эта система обладает очень высоким быстродействием - около 3-4 с, чтобы перевести реактор в подкритическое состояние без нарушения пределов безопасной эксплуатации.

Системы должны быть достаточно эффективны, чтобы остановить цепную реакцию и гарантировать невозможность ее возобновления.

При срабатывании АЗ должны быть скомпенсированы положительные величины как оперативного запаса реактивности, так и эффектов реактивности при расхолаживании установки.

Система аварийной защиты относится к системам безопасности, поэтому предусматривается соответствующее резервирование.

Она не должна участвовать в оперативном управлении реактором.

Эффективость аварийной защиты должна быть очень высока. Она зависит от характеристик топливной загрузки (обогащение топлива) и глубины выгорания, изменяясь в ходе кампании.

В реакторе ВВЭР-1000 типового проекта с 61 кластером ОР СУЗ она изменяется в диапазоне (—8...—10) β_Эф (составляет не менее 6.8% δ к/к), в реакторах со 121 кластером ОР СУЗ (-12...-16) β_эф.

Для оперативного регулирования мощностью и реактивностью необходима специальная подсистема с невысокой эффективностью (по требованиям ПБЯ 0.7—1.0 β_Эф) и скоростью введения положительной реактивности не выше 0.070 β_Эф/с.

Эта подсистема, называемая ручным регулятором (РР), при работе в автоматическом режиме она выполняет функции автоматического регулятора (АР).

Поскольку требования к подсистемам аварийной защиты и РР/АР очень сильно отличаются по многим параметрам (быстродействие, эффективность и т.п.), то в разных реакторах они имеют paзное исполнение.

Борное регулирование реактивности реактора

В корпусных реакторах, к которым относится и реактор ВВЭР, для обеспечения длительной (300-450 суток) кампании требуется очень большой запас реактивности (на начало кампании запас более 30-40 βэф).

Для компенсации больших запасов медленно меняющейся реактивности в таких реакторах необходимо иметь специальную инерционную систему, которую обычно называют компенсирующей.

В качестве такой компенсирующем системы наибольшее распространение получила система регулирования реактивности с помощью поглощающей жидкости.

В реакторе ВВЭР в качестве жидкостной системы регулирования используется система регулирования с помощью борной кислоты.

Суть борного регулирования:

в циркулирующую в первом контуре воду добавляется опре­деленное количество борной кислоты.

Концентрация борной кислоты определяется скоростью и глубиной выгорания топлива в период между частичными перегрузками топлива.

После каждой частичной пере­грузки концентрация борной кислоты максимальна и рассчитана на компенсацию реактивности, обусловленной избытком топлива над критической массой.

К началу же очередной частичной перегрузки борная кислота практически полностью выводится из циркулирующей воды, и концентрация ее становится почти равной нулю.

Главным достоинством борного регулирования является то, что введение борной кислоты не искажает поля плотности потока нейтро­нов в активной зоне реактора, так как бор равномерно распределен в циркулирующей воде.

При этом механическая система компенсации реактивности (кластеры поглощающих стержней) предназначена только для компенсации температурного эффекта и отравления реак­тора и после выхода реактора на рабочий режим практически почти полно­стью выводится из активной зоны. Одновременно она выполняет и функции аварийной защиты.

При работе на мощности в зоне остаются только стержни, которые выполняют роль оперативного регулирования и суммарная эффективность которых сравнительно невелика (несколько меньше 1 β_эф), поэтому искажения профиля плотности потока нейтро­нов из-за перемещения механической системы регулирования сводят­ся к минимуму.

Борное регулирование обеспечивает глубокую подкритичность реактора в холодном состоянии и при перегрузке топлива при температуре теплоносителя 20-60°С, компенсирует мед­ленные изменения реактивности, связанные с выгоранием топлива, стационарным отравлением ксеноном и самарием, а также с нагревом и расхолаживанием реактора.

При работе на мощности в зоне остаются только стержни, которые выполняют роль оперативного регулирования и суммарная эффективность которых сравнительно невелика (несколько меньше 1 β_эф), поэтому искажения профиля плотности потока нейтро­нов из-за перемещения механической системы регулирования сводят­ся к минимуму.

Борное регулирование обеспечивает глубокую подкритичность реактора в холодном состоянии и при перегрузке топлива при температуре теплоносителя 20-60°С, компенсирует мед­ленные изменения реактивности, связанные с выгоранием топлива, стационарным отравлением ксеноном и самарием, а также с нагревом и расхолаживанием реактора.

При работе на мощности в зоне остаются только стержни, которые выполняют роль оперативного регулирования и суммарная эффективность которых сравнительно невелика (несколько меньше 1 β_эф), поэтому искажения профиля плотности потока нейтро­нов из-за перемещения механической системы регулирования сводят­ся к минимуму.

Борное регулирование обеспечивает глубокую подкритичность реактора в холодном состоянии и при перегрузке топлива при температуре теплоносителя 20-60°С, компенсирует мед­ленные изменения реактивности, связанные с выгоранием топлива, стационарным отравлением ксеноном и самарием, а также с нагревом и расхолаживанием реактора.

При работе на мощности в зоне остаются только стержни, которые выполняют роль оперативного регулирования и суммарная эффективность которых сравнительно невелика (несколько меньше 1 β_эф), поэтому искажения профиля плотности потока нейтро­нов из-за перемещения механической системы регулирования сводят­ся к минимуму.

Борное регулирование обеспечивает глубокую подкритичность реактора в холодном состоянии и при перегрузке топлива при температуре теплоносителя 20-60°С, компенсирует мед­ленные изменения реактивности, связанные с выгоранием топлива, стационарным отравлением ксеноном и самарием, а также с нагревом и расхолаживанием реактора.

Пример: В случае подпитки чистым дистиллятом изменение борной концентрации в 1-м контуре во времени можно рассчитать по формуле

где С₀ - концентрация кислоты в момент времени, равный нулю.

Изменение концентрации борной кислоты в 1-м контуре при введении чистого конденсата с различными расходами

Выгорающие поглотители.

В реакторах ВВЭР-1000 по мере усовершенствования технологии топлива применяется уран все более высокого обогащения (на сегодня уже около 5%) и весь увеличивающийся запас реактивности не может быть скомпенсирован только системой борного регулирования.

Иначе в воду надо вводить очень много кислоты, что при выбранных пара­метрах решетки влияет на условия ядерной безопасности.

Поэтому в активную зону помещается твердый неперемещаемый ВП.

Основным назначени­ем ВП являются:

частичная компенсация запаса реактивности на выгорание в на­чальный период кампании топлива;

полное выгорание ВП на заключительном периоде кампании топлива и, соответственно, полное освобождение оставшейся реактивности первичного и наработанного вторичного топлива;

выравнивание распределения энерговыделения как по радиусу активной зоны реактора в целом, так и по сечению отдельных ТВС.

Свое название выгорающие поглотители получили потому, что исходные нуклиды, используемые в качестве ВП и имеющие большие сечения поглощения, после захвата нейтронов превращаются в нук­лиды с небольшим сечением поглощения, что эквивалентно удалению поглотителя из активной зоны.

В идеале уменьшение концентрации ВП при работе реактора должно было бы происходить так, чтобы скорость высвобождения реактивности была равна скорости уменьшения начального запаса реактивности на выгорание и шлакование топлива с учетом воспроизводства.

Но иде­ального соответствия в водо-водяных реакторах достичь не удается, но все же положительный эффект от применения ВП весьма ощутим:

Кроме существенного снижения начальной стартовой концентрации борной кислоты и ограничения диапазона изменения ее концентраций, положительный эффект состоит еще и в том, что профилированное размещение ВП в активной зоне позволяет целенаправленно уменьшать неравномерность распределения плотности энерговыделе­ния в ТВС.

Характер изменения запаса реактивности ρ_зап в условиях применения ВП будет определяться соотношением скоростей выгорания ²³⁵U и ВП, а это соотношение скоростей во многом зависит от его способа размещения в активной зоне и свойств нуклидов, применяемых в качестве ВП.

Способы размещения выгорающих поглотителей:

Размещение ВП, при котором обеспечивается примерное равен­ство средних значений плотности потока нейтронов в ядерном топли­ве и в ВП (Ф_т = Фвп).

Такой выгорающий поглотитель называют гомогенным (ГВП) или неблокированным. Примером неблокированного размещения ВП является их гомогенное перемешивание с ядерным топливом (твэги), введение их в виде присадок в материал кожухов ТВС или оболочек твэл.

Блочное размещение ВП, при котором их наружные слои экра­нируют внутренние, вследствие чего происходит постепенное обгорание этих поглощающих блоков. Такие выгорающие поглотители на­зываются блокированными или самоэкранированными (СВП). Конструктивно они исполняются в виде отдельных абсолютно черных для нейтронов стержней, размещаемых внутри ТВС.

Гомогенные выгорающие поглотители

Если ВП равномерно распределен в топливе, то со­блюдается условие гомогенности размещения ГВП

Ф_ВП ≈ Ф₅ = Ф.

Из аналитического вида решения уравнений и требования полного выгорания ВП следует требование к нуклидам, используемым в качестве выгорающих поглотителей.

В качестве выгорающих поглотителей могут использо­ваться такие материалы, как бор (естественная смесь изотопов бора со средним сечением σ_а =767 б), кадмий.

Очень удобны и хорошо проявили себя в практической эксплуатации малых реакторов типа ВВЭР также естественная смесь изотопов гадолиния (7 изотопов с σ_а ~ 46 600 б), смесь изотопов эрбия (5 изотопов с σ_а = 10 000 б).

При гомогенном размещении ВП выгорает гораздо быстрее урана, поэтому в начале кампании положительная реактивность, высво­бождаемая сгоранием ГВП, гораздо больше, чем снижение реактивно­сти от выгорания урана.

В результате в балансе реактивности (в оперативном запасе реактивности), например, реактора типа ВВЭР может наблюдается характерная для ГВП картина - всплеск реактивности в начале кампании, называмый борным выбегом

При гомогенном размещении ВП выгорает гораздо быстрее урана, поэтому в начале кампании положительная реактивность, высво­бождаемая сгоранием ГВП, гораздо больше, чем снижение реактивно­сти от выгорания урана.

В результате в балансе реактивности (в оперативном запасе реактивности), например, реактора типа ВВЭР может наблюдается характерная для ГВП картина - всплеск реактивности в начале кампании, называмый борным выбегом.

При гомогенном размещении ВП выгорает гораздо быстрее урана, поэтому в начале кампании положительная реактивность, высво­бождаемая сгоранием ГВП, гораздо больше, чем снижение реактивно­сти от выгорания урана.

В результате в балансе реактивности (в оперативном запасе реактивности), например, реактора типа ВВЭР может наблюдается характерная для ГВП картина - всплеск реактивности в начале кампании, называмый борным выбегом.

При гомогенном размещении ВП выгорает гораздо быстрее урана, поэтому в начале кампании положительная реактивность, высво­бождаемая сгоранием ГВП, гораздо больше, чем снижение реактивно­сти от выгорания урана.

В результате в балансе реактивности (в оперативном запасе реактивности), например, реактора типа ВВЭР может наблюдается характерная для ГВП картина - всплеск реактивности в начале кампании, называмый борным выбегом.