Анализ показаний аппаратуры нейтронного потока в режимах со срабатыванием ускоренной предупредительной защиты для реакторных установок с реактором ВВЭР-1000

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ показаний аппаратуры нейтронного потока в режимах со срабатыванием ускоренной предупредительной защиты для реакторных установок с реактором ВВЭР-1000

М.А. Быков, Г.В. Алехин, И.Г. Петкевич ОКБ «Гидропресс»

Аннотация

Ускоренная предупредительная защита (УПЗ) служит для быстрой разгрузки блока до уровня мощности 40-50%. Её работа состоит в быстром введении в активную зону реактора одной группы органов регулирования (ОР) системы управления и защиты (СУЗ). Сигнал на срабатывание УПЗ возникает в случае отказа в работе определённого оборудования (при отключении одного из двух турбопитательных насосов, при закрытии стопорных клапанов турбины, при обесточивании двух из четырёх главных циркуляционных насосов). Основная цель срабатывания УПЗ в рассмотренных режимах состоит в сохранении динамической устойчивости энергоблока при выполнении приемочных критериев, которые обеспечивают отсутствие повреждения твэлов.

При помощи программного комплекса (ПК) ТРАП-КС на примере переходного процесса с отключением одного ТПН для третьей топливной загрузки 2 блока Хмельницкой АЭС на момент кампании 270 эффективных суток анализируются причины срабатывания аварийной защиты по уменьшению периода разгона реактора, возможность используемых моделей правильно оценивать показания уровня нейтронного потока и периода реактора в АКНП-И.

реактор нейтронный поток аварийный

Введение

22 сентября 2007 года на втором энергоблоке Хмельницкой АЭС имел место сигнал об отказе одного из турбопитательных насосов (ТПН). По сигналу сработала система УПЗ. После ускоренной разгрузки блока температура топлива и теплоносителя резко уменьшились. И вследствие обратных связей по температуре топлива и температуре теплоносителя мощность реактора начала расти. При этом период разгона реактора, зафиксированный с помощью системы АКНП-И, внедренной на этом энергоблоке, составил величину менее 10 с, и сработала аварийная защита реактора (АЗ). В данной ситуации не было необходимости в срабатывании АЗ, т.к. кратковременный рост мощности реактора из-за влияния обратных связей не приводит к опасным последствиям для активной зоны реактора.

Для решения проблемы потребовалось смоделировать работу аппаратуры по измерению периода разгона, используемой в АКНП-И. Моделирование периодомера принято в соответствии с алгоритмом, представленным в работe [1], в которой также проведен расчетный анализ переходного процесса по коду DYN3D с использованием заданных постоянных граничных условий на активной зоне. Результаты расчета переходного процесса с отключением одного ТПН по ПК ТРАП-КС проведены с использованием полноконтурной схемы реакторной установки и сравниваются с результатами расчета по коду DYN3D.

1. Принятые допущения

В табл. 1-2 приведены принятые условные обозначения и сокращения.

Таблица 1 Принятые условные обозначения

Таблица 2 Принятые сокращения

При расчете используется следующая нодализационная схема активной зоны.

При расчете по ПК ТРАП-КС [2,3] активная зона реактора представляется многоканальной моделью, включающей 163 канала, характеризующих поведение всех ТВС активной зоны и 18 каналов протечек. Каналы активной зоны реактора разбиваются на 20 участков по высоте обогреваемой части твэлов, а твэлы в каждой ячейке - на 10 участков по радиусу. Кроме того, для всех каналов учитывается один необогреваемый входной и один необогреваемый выходной участок канала. В нейтронно-физическом расчете использовалась расчетная схема с шестью точками на кассету и метод коррекции коэффициентов диффузии (МККД). Периферийные кассеты окружены рядом шестигранных каналов (всего 54 канала), представляющих экран. Таким образом, 18 теплогидравлических каналов протечек являются 54 нейтронно-физическими каналами экрана.

Библиотека двухгрупповых нейтронно-физических констант и расчет выгорания проведен по комплексу программ САПФИР_95&RC_ВВЭР [4].

В качестве узловых значений параметров обратных связей НФХ для 2 блока Хмельницкой АЭС приняты следующие значения:

- плотность теплоносителя - 0,9654; 0,7816; 0,7144 и 0,4501 г/см³;

- температура топлива - 373, 543, 823 и 3123 К;

- концентрация бора в теплоносителе - 0; 0,5; 1,20; 2,0 г В/кг.

Каждая петля разбивалась на следующее количество расчетных объемов:

- горячий трубопровод - два расчетных объема;

- горячий коллектор ПГ - один расчетный объем;

- трубчатка ПГ - пять расчетных объемов;

- холодный коллектор ПГ - один расчетный объем;

- холодный трубопровод ГЦТ - пять расчетных объемов;

- соединительный трубопровод между КД и ГЦТ - три расчетных объема.

Исходное положение регулирующей группы консервативно выбрано 90% от низа активной зоны, а задержка на начало движения регулирующей группы консервативно принята 6 с после срабатывания УПЗ (принята исходя из получения максимальной скорости роста нейтронного потока из-за влияния обратных связей по топливу и теплоносителю). По данным работы [1] время падения группы УПЗ составило 1,6-1,8 с, в расчете принято 1,7 с.

Расчет режима со срабатыванием УПЗ для 2 блока Хмельницкой АЭС проведен в реалистичном приближении (отклонения по мощности реактора, расходу теплоносителя, температуре теплоносителя на входе в реактор не учитываются).

Кроме того, используются следующие допущения:

- ЭГСР турбины работает в режиме поддержания давления второго контура;

- отключение ТПН принято мгновенным за время 0,1 с;

- в исходном состоянии принято стационарное отравление реактора по ксенону, которое не изменяется в ходе переходного процесса;

- инерционность измерения плотности нейтронного потока в ионизационных камерах реактора консервативно не учитывается;

- падение группы УПЗ принято через 1 с после начала отключения ТПН;

- начало движения регулирующей 10-й группы ОР СУЗ в результате срабатывания РОМ после отключения одного ТПН при мощности реактора более 50% N_ном консервативно принято с задержкой 7 с после начала отключения ТПН и с задержкой 6с после начала движения группы УПЗ. К этому моменту времени увеличение мощности из-за наличия отрицательных обратных связей прекращается. В соответствии с [1] именно в первые 5 с после срабатывания УПЗ период разгона реактора снизился до значения менее чем 20 с.

Период разгона реактора в АКНП-И вычисляется через показания внезонных ионизационных камер (ИК). ИК расположены в биологической защите. Система АКНП-И состоит из двух комплектов, каждый из которых имеет 3 канала детектирования потока. Каждый канал содержит два детектора, расположенных по высоте в серединах нижней и верхней частей активной зоны. Для определения периода разгона и уровня нейтронного потока в АКНП-И используется суммарный сигнал верхней и нижней камер, причем весовой коэффициент для верхней камеры в 1,5 раза выше, чем для нижней. На рисунках 1-2 приведены картограмма расположения групп органов регулирования в активной зоне для 2 блока Хмельницкой АЭС и схема расположения ионизационных камер вокруг активной зоны. К комплекту № 1 АКНП относятся каналы № 17, 27 и 7, к комплекту № 2 - каналы № 22, 2 и 12 (рисунок 2).

Рис. 1. Картограмма расположения групп ОР СУЗ в активной зоне для 2 блока Хмельницкой АЭС

В соответствии с описанием алгоритма АКНП-И [1], используемого для 2-го блока Хмельницкой АЭС, период (размерность в секундах) в момент времени t₀ определяется по формуле:

Рис. 2. Схема расположения ионизационных камер вокруг активной

(1)

где N - девять значений суммарного количества импульсов за интервалы времени ?t от верхнего и нижнего устройств детектирования (в момент времени t₀ и восемь предыдущих с шагом дискриминации ?t,с).

Значение шага дискриминации выбирается в зависимости от текущей нейтронной мощности и периода разгона реактора. Показания детекторов записываются в устройствах накопления и обработки информации (УНО). Значение ?t в диапазоне мощности 25-75% от номинала для малых периодов в соответствии с [1] принято равным 0,15 с. Соответственно, интервал времени, на котором определяется период реактора, принят равным 0,15 8=1,2 с. Этот интервал времени называется временем задержки.

Поскольку описание нейтронного поля в трёх измерениях в области расположения детекторов затруднительно, в ПК ТРАП-КС расчёт уровня нейтронного потока в каналах ионизационных камер (ИК) производится по упрощённым формулам. В основу модели внезонного датчика нейтронного потока (ионизационные камеры) в программном комплексе ТРАП-КС положено соотношение для расчета ослабления плотности потока нейтронов в зависимости от толщины защиты r:

, (2)

где L - длина релаксации нейтронов, в общем случае зависящая от энергии нейтронов источника, толщины материала, компоновки и геометрии защиты, энергии детектируемых нейтронов и т.д.; C - константа.

Положение датчика, поперечными размерами которого пренебрегается, в плане активной зоны однозначно определяется его расстоянием от центра активной зоны (R), и углом , отсчитываемым по часовой стрелке от линии, идущей из центра активной зоны вертикально вверх относительно картограммы активной зоны. Предполагается, что датчик "видит" наружные ТВС, количество которых (КТ) задается в исходных данных модели. Задание для конкретного датчика величин R, и КТ с учетом указанных допущений определяет набор ТВС, участвующих в формировании сигнала этого датчика.

Эффективность датчика по высоте активной зоны характеризуется расстоянием низа и верха секций его детекторов (которых может быть несколько) от низа активной зоны.

Сигнал мощности W_c, формируемый внезонным датчиком нейтронного потока на заданном временном интервале, рассчитывается следующим образом:

, (3)

, (4)

где m - количество участков разбиения по высоте активной зоны; KT - количество ТВС, нейтронные потоки которых участвуют в формировании сигнала датчика; A_j - весовой коэффициент j-того участка по высоте активной зоны, зависящий от взаимного расположения участка высотного разбиения и секций детекторов датчика: 0 < A_j 1; E_i - коэффициент "видимости" датчиком i-той ТВС: принято, что E_i = 1; _ij - средняя плотность потока нейтронов быстрой группы на j_том участке по высоте i-ой ТВС; R_i - расстояние центра i-ой ТВС до датчика; L - длина релаксации для нейтронов быстрой группы; K_ИК - постоянный коэффициент поправки сигнала ионизационной камеры; C - константа, равная тепловой мощности в статическом состоянии перед расчетом динамического режима.

Таким образом, получаемый сигнал в каналах ИК пропорционален плотности потока быстрых нейтронов в ближайших ТВС, расположенных на периферии активной зоны.

При проведении расчета коэффициент K_ик принят равным 1. Сигнал в ИК определяется изменением потока быстрых нейтронов в ближайших трех периферийных ТВС, т.е. KT принято равным 3.

Среднее значение плотности потока нейтронов в каналах ИК в расчете определяется с использованием весовых коэффициентов для нижней и верхней камер (соответственно К_ик-ниж и К_{ик-верх}) из соотношения:

(5)

где - сигнал от нижней ИК; - сигнал от верхней ИК.

Как было отмечено выше, весовой коэффициент для верхней ИК принят в 1,5 раза больше, чем для нижней, т.е. =0,6 и =0,4.

2. Результаты расчетного анализа

В таблице 3 приведена хронологическая последовательность событий при отключении одного из двух турбопитательных насосов.

В таблице 4 приведены результаты расчета минимального достигнутого периода разгона реактора и момент времени его наступления.

Таблица 3 Последовательность событий, срабатывания систем и устройств. Отключение одного ТПН из двух работающих. 2 блок Хмельницкой АЭС

Таблица 4 Результаты расчёта минимального периода разгона реактора

На рисунках 3-10 приведены результаты расчета по ПК ТРАП-КС в сопоставлении с экспериментальными данными и данными расчета по коду DYN3D.

Результаты расчета изменения нейтронной мощности по ПК ТРАП-КС удовлетворительно совпадают с результатами расчета по коду DYN3D (рисунок 3), приведенными в [1]. Отклонения по нейтронной мощности в течение первых 7 с процесса находятся в пределах 1-2% Nном. После 7 с процесса эти отклонения начинают увеличиваться. Это связано с влиянием изменения положения регулирующей 10-й группы, учитываемой при расчете по ПК ТРАП-КС, и с влиянием изменения температуры теплоносителя на входе в реактор, которая начинает уменьшаться после 8 с процесса. Сопоставление результатов расчета и эксперимента по изменению плотности нейтронного потока первого комплекта в каналах АКНП-И (рисунок 3) показывает, что скорость роста нейтронного потока несколько выше, чем в эксперименте, т.е. консервативно с точки зрения возможности срабатывания АЗ по снижению периода разгона. Возможными причинами этого завышения являются неучет инерционности сигнала нейтронного потока в расчете, возможные отклонения в степени влияния обратных связей, недостаток экспериментальных данных по изменению положения органов регулирования от времени.

Рис. 3. Сопоставление результатов расчета и эксперимента: 1 - мощность реактора (ТРАП-КС); 2 - нейтронная мощность реактора (ТРАП-КС); 3 - нейтронная мощность реактора (DYN3D); 4 - показания каналов 1-6 АКНП (эксперимент)

Изменение показаний уровня нейтронного потока для нижней и верхней ИК приведено на рисунке 4. После срабатывания УПЗ и падения 2-й группы ОР СУЗ в верхней ИК происходит более быстрое снижение показаний, чем в нижней ИК. После окончания падения 2-й группы показания верхней и нижней ИК сравниваются. В дальнейшем скорость роста показаний в верхней ИК выше, чем в нижней, что связано с большим снижением температуры теплоносителя в верхней части активной зоны.

Рис. 4. Показания ИК. ТРАП-КС: 1 - нижняя ИК (комплект №1, канал №1); 2 - верхняя ИК (комплект №1, канал №1); 3 - нижняя ИК (комплект №1, канал №2); 4 - верхняя ИК (комплект №1, канал №2); 5 - нижняя ИК (комплект №1, канал №3); 6 - верхняя ИК (комплект №1, канал №3)

На рисунке 5 изображены графики периода реактора, полученные на основе расчётных и экспериментальных данных. Экспериментальный период получен непосредственно по показаниям АКНП-И по всем каналам и через токи детекторов. Эти периоды расходятся в момент времени t = 3 c на 1-2 с. Возможно, показания АКНП-И не вполне пропорциональны токам в детекторах, и в ходе обработки сигнал искажается.

Значение периода, зафиксированного с помощью АКНП-И, известно только в отдельные моменты времени (раз в секунду). Эти показания представлены в целочисленном виде. 5 устройств накопления информации зарегистрировали период 7 с, одно - период 8 с.

Рис. 5. Сопоставление результатов расчета периода реактора с данными испытания

Как ПК ТРАП-КС, так и код DYN3D занижают значение периода и опаздывают с его оценкой (по сравнению с периодом, определённым по токам детекторов). Это может говорить о некорректности или недостатке данных, полученных из эксперимента и внесённых во входные файлы программных комплексов. Например, время падения группы стержней УПЗ по данным эксперимента имеет значительный разброс от 1,58 до 1,8 с. При этом, как видно из экспериментального графика, мощность начинает расти уже через 1,3 с после начала движения группы. Можно сделать вывод, что либо время падения стержней определено неверно, либо закон падения нелинейный. В последнем случае стержни могут пройти за 1,3 с большую часть активной зоны и резко замедлиться внизу.

Для оценки возможных отклонений полученных по ПК ТРАП-КС по отношению к экспериментальным данным необходимо учесть возможные отклонения в пределах погрешности кодов эффектов реактивности, влияние работы регулятора ограничения мощности (РОМ), по воздействию которого движение регулирующей группы ОР СУЗ начинается сразу после срабатывания УПЗ и закон движения группы УПЗ. Кроме того, и начальное значение регулирующей группы, данные по которой в [1] не приведены, может оказать определенное влияние на ход переходного процесса.

Рис. 6. Влияние отклонений по изменению положения органов регулирования на период реактора

На рисунке 6 приведены результаты расчета периода реактора для разных исходных положений регулирующей группы без движения и с движением регулирующей группы сразу после начала падения УПЗ.

Результаты проведенного анализа показывают, что в этом случае расчётная величина минимального периода реактора составляет 7,8 с. Если принять погрешность измерения периода разгона 15%, то расчётное и экспериментальное значения периода сходятся в области погрешности.

На рисунке 8 приведены результаты расчета по изменению уровня нейтронного потока в аппаратуре АКНП-И для разных исходных положений регулирующей группы без движения и с движением регулирующей группы сразу после начала падения УПЗ. Результаты проведенного анализа показывают, что в случае работы РОМ при исходном положении регулирующей группы от низа активной зоны 90% расчётная величина скорости роста уровня нейтронного потока примерно соответствует данным эксперимента.

Рис. 7. Распределение неравномерностей энерговыделения (Kq) между ТВС. Срабатывание УПЗ. 2 блок Хмельницкой АЭС. t=0 c

Рис. 8. Влияние отклонений по изменению положения органов регулирования на показания уровня нейтронного потока в АКНП

Алгоритм АКНП-И по расчёту периода может быть также смоделирован через точный период с помощью введения постоянной времени для показаний детекторов. Точный период рассчитывается, исходя из формулы:

 (6)

где N - мощность по показаниям детекторов; T - период.

Данная формула следует из определения периода.

В процессе обработки «сырого» сигнала с детекторов (усилитель, преобразователь в дискретный сигнал) возникает задержка показаний. Оценку инерционности измерения можно провести с использованием постоянной времени измерения. Фильтрованный сигнал можно оценить, исходя из дифференциального уравнения:

(7)

где S_f - фильтрованный сигнал уровня потока нейтронов в АКНП; S_d - сигнал уровня потока нейтронов в АКНП; T_a - постоянная времени.

На рисунке 9 приводится точный период, а также период, рассчитанный с помощью постоянной времени T_a = 0,2 с и по алгоритму АКНП-И с шагом дискриминации 0,15 с.

Рис. 9. Сопоставление результатов расчета периода реактора по алгоритму АКНП-И и через постоянную времени

Из графика видно, что значение минимального периода по АКНП-И хорошо совпадает со значением точного минимального периода, и ещё лучше совпадает со значением периода, рассчитанным через постоянную времени. Но показания запаздывают на величину порядка половины времени задержки. В данном случае она равна 1,2 с. Таким образом, в аппаратуре АКНП-И для измерения периода реактора величина постоянной времени измерения небольшая.

Для предотвращения срабатывания АЗ в режиме УПЗ в алгоритме АКНП-И можно рассмотреть возможность увеличения времени дискриминации в алгоритме работы АКНП-И. На рисунке 10 представлены графики периодов реактора для различных времён задержки. При времени задержки 4,4 с период уже не опускается ниже 10 с.

Рис. 10. Зависимость регистрируемого периода реактора от времени задержки

Заключение

Результаты проведенного расчета показывают, что ПК ТРАП-КС позволяет воспроизводить изменение показаний в АКНП с удовлетворительной для инженерных расчетов точностью.

Список литературы

1. Y. Ovdiienko, A. Kuchin, V. Khalimonchuk. State Scietific and technical Centre on Nuclear and Radiation Safety (SSTC N&RC). Analysis of the scram actuation by period during WWER-1000 fast unloading. 18^th Symposium of AER on VVER Reactor Physics and Reactor Safety. Hungary, Eger, October 6-10, 2008.

2. М.А. Быков, С.И. Зайцев, Ю.В. Беляев, Г.В. Алёхин (ФГУП ОКБ «Гидропресс», Подольск, Россия), А.П. Егоров, В.И. Гусев (НИТИ им. Александрова, Сосновый Бор, Россия). Совершенствование программно-расчётного комплекса ТРАП-97. Учёт пространственных эффектов в реакторе. Теплоэнергетика №1, 2006 г.

3. М.А. Быков, С.И. Зайцев, Ю.В. Беляев, Г.В. Алёхин (ФГУП ОКБ «Гидропресс», Подольск, Россия), А.П. Егоров, В.И. Гусев (НИТИ им. Александрова, Сосновый Бор, Россия). Развитие комплекса ТРАП-97. Учёт пространственных эффектов в реакторе. Доклад на 4-ой международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». 23 мая - 26 мая 2005 г., Подольск.

4. G.V. Artyomov, A.V. Elshin, A.S. Ivanov et al. “Development of neutron-physics models of varies types of reactors on the basis of unified algorithms of applied code package SAPFIR”. Proceedings of the 10-th International Seminar on Reactor Physics, Moscow, 2-6 September, 1997.

Размещено на Allbest.ru