Исследование аксиальных ксеноновых колебаний в активной зоне ВВЭР-1000 и их влияния на величину критической концентрации борной кислоты в реакторе

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

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 (Т_эф) работы первой топливной загрузки (30.1 - 32.8) эффективных суток (эфф.сут) и в конце компании при Т_эф = (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) % N_ном (N_ном - 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 (дW) и концентрации борной кислоты в реакторе (С_бк), которая измерялась штатным прибором типа НАР-12;

1 - дW; 2 - С_бк

Рис. 1 Изменение во времени аксиального офсета и концентрации борной кислоты в реакторе при выгорании топливной загрузки (30.3 - 32.8) эфф.сут реактор топливный загрузка аксиальный

- на рис. 2 - положения 10 группы ОР СУЗ (Н₁₀) и мощности реактора (N_т), рассчитанной по параметрам теплоносителя первого контура;

1 - N_т; 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

- на рис. 3 - отношений мощности реактора в 1-ом рабочем диапазоне (РД-1) аппаратуры контроля нейтронного потока (АКНП) к тепловой мощности реактора N_рд1/N_т, отношений мощности реактора во 2-ом рабочем диапазоне (РД-2) АКНП к тепловой мощности реактора N_рд2/N_т и относительных подогревов теплоносителя в петлях первого контура DТ_i/DТ. Здесь DТ_i - подогрев теплоносителя в i-ой петле 1-го контура, а DТ - подогрев теплоносителя в реакторе.

1 - N_рд1/N_т; 2 - N_рд2/N_т; 3 - ДТ₁/ДТ; 4 - ДТ₂/ДТ; 5 - ДТ₃/ДТ; 6 - ДТ₄/ДТ

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

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).

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 дW().

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 ?Т_i/?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 дW) и в нижнюю ее часть (минимум дW) мощность реактора будет возрастать.

Вычисленные значения периода (Т_хе), постоянной времени затухания (_хе) и других характеристик «свободных» аксиальных ксеноновых колебаний на основе аппроксимации зависимостей дW() и N_рд1/N_т() формулой

х()=А0?ехр(-/хе)?sin(щt + ц0) + хст, (1)

приведены в таблице. В данной таблице указаны также и интервалы параметров, в области изменения которых исследовались эти «свободные» ксеноновые колебания. При этом:

Т_вх - температура теплоносителя на входе в реактор;

P₁ - давление теплоносителя в первом контуре.

В формуле (1) приняты обозначения:

х() - соответственно один из параметров: дW() или N_рд1/N_т();

А₀ - амплитуда колебаний параметра х();

щ - циклическая частота колебаний;

x_ст - стационарное значение параметра х;

ц₀ - начальная фаза колебаний (при = 0);

- текущее время.

Параметры «свободных» аксиальных ксеноновых колебаний

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 Т_хе 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 %N_ном до примерно 49 %N_ном. 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) %N_ном изменением содержания бора в теплоносителе 1-го контура.

1 - дW; 2 - С_бк

Рис. 4 Изменение во времени аксиального офсета и концентрации борной кислоты в реакторе при выгорании топливной загрузки (244.6 - 245.3) эфф.сут.

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 нейтронно-физических 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 концентрации борной кислоты в реакторе;

- положений 9 и 10 групп ОР СУЗ и мощности реактора, рассчитанной по параметрам теплоносителя первого контура;

- относительных величин N_рд1/N_т; N_рд2/N_т и DТ_i/DТ.

Согласно этим исследованиям, также как и в начале топливного цикла, изменения мощности реактора по данным ИК РД-1 АКНП происходит в противофазе относительно изменения аксиального офсета (рис. 4, 6). Не зависели от положения поля энерговыделения по высоте активной зоны и измеряемые 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).

1 - N_т; 2 - H₁₀; 3 - H₉

Рис. 5 Изменение во времени тепловой мощности реактора и положения 10 и 9 групп ОР СУЗ при выгорании топливной загрузки (244.6 - 245.3) эфф.сут

1 - N_рд1/N_т; 2 - N_рд2/N_т; 3 - ДТ₁/ДТ; 4 - ДТ₂/ДТ; 5 - ДТ₃/ДТ; 6 - ДТ₄/ДТ

Рис. 6 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 (244.6 - 245.3) эфф.сут

Рассматриваемые аксиальные ксеноновые колебания, как и предсказывалось имитационными расчетами, оказались расходящимися - с возрастающей амплитудой (рис. 4). Вычисленные по данным об изменении аксиального офсета значения характеристик ксеноновых колебаний, а также параметры, характеризующие состояние активной зоны, приведены в таблице. Согласно данной таблице Т_хе = (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 дW к его стационарной величине С_бк 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 дW 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.

Размещено на Allbest.ru