Исследование режимов работы реакторных установок РБМК-1000 в подкритическом состоянии

Для того, чтобы контролировать состояние активной зоны в реакторе РБМК-1000, предусмотрена система физического контроля распределения энерговыделения (СФКРЭ). Согласно [5] СФКРЭ выполняет свои функции в полном объеме при мощности реактора 160 МВт (т) и более, то есть от 5% NT номНа уровнях мощности ниже 160 МВт (т) и на остановленном реакторе (NT НОм"0) непрерывный контроль плотности нейтронного потока осуществляется от сигналов боковых ионизационных камер (БИК), чувствительность которых составляет 10″ 7 имп/нейтрон. По результатам измерений [21] было определено, что плотность нейтронного потока в подкритическом реакторе РБМК-1000 составляет 106−107 нейтр/см2с. Таким образом, в подкритическом состоянии РУ при незначительных изменениях плотности нейтронного потока (например, извлечения одного регулирующего стержня), БИК, расположенная в отражателе, не может зафиксировать изменение щ плотности нейтронного потока. Поэтому для проведения измерений, связанных с внесением малых значений реактивности (от 0,0002%) в активную зону устанавливают четыре трехкамерные подвески РБМК-15 (сб.38). Сначала реактор выводят в критическое состояние, затем переводят в надкритическое, набирают требуемую плотность нейтронного потока ~ 4−1012 нейтр/см2 с, вновь переводят реактор в критическое состояние (р=0) и производят необходимые измерения.

8 апреля 1999 года при выводе реактора 4-го энергоблока Курской АЭС из режима «горячего останова» в критическое состояние произошло срабатывание быстродействующей аварийной защиты (БАЗ) по сигналу АЗСП (автоматическая защита по скорости нарастания мощности в пусковом диапазоне). Комиссия Госатомнадзора РФ отметила, что «срабатывание БАЗ АЗСП произошло из стабильного. состояния, когда никакого постепенного роста показаний мощности и реактивности штатными системами контроля зафиксировано не было». Приведенный в [4] анализ показывает, что извлечение стержня ручного регулирования (РР) в ячейке 32−15 из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение привело к вводу положительной реактивности +1,63 РэффВ результате реактор был выведен в надкритическое состояние с установившейся надкритичностью -0,32 рЭфф, недопустимо маленьким периодом нарастания мощности -15 с и сильным перекосом радиального энергораспределения kr~12,5. Наибольшая часть положительной реактивности (90%) была введена при извлечении стержня с 2-х метров до крайнего верхнего положения. За время извлечения стержня (47,5 с) мощность реактора возросла с 0,2 до 0,34 КВт. Уровень плотности потока нейтронов при этом оставался недопустимо низким. В момент срабатывания БАЗ мощность реактора составила 5,2 КВт. Таким образом, стержень 32−15, включенный в список «Порядка извлечения стержней» при выходе в критическое состояние являлся «аномально тяжелым».

С помощью моделирования вариантов различного внесения положительной реактивности из различных состояний реактора на нестационарной расчетной программе ТРОЙКА, POLARIS (ВНИИАЭС) и программе расчета последовательности извлечения стержней БОКР-МКУ (НИКИЭТ) были сделаны следующие основные выводы:

— при выводе в критическое состояние через несколько суток после останова штатными средствам измерений не удается скомпенсировать у-токи на уровне ~ 10″ 9А. В этом случае в системе контроля нейтронного потока при выходе в критическое состояние нет перекрытых рабочих диапазонов датчиков;

— с момента извлечения 32−15 (при подкритичности -0,1рЭфф) ДО ввода стержней БАЗ в активную зону увеличение мощности могло составить ~ до 90 МВт;

Таким образом, было показано, что существуют режимы работы РБМК-1000, в которых штатные средства измерения плотности нейтронного потока не обладают достаточной степенью чувствительности. Для того, чтобы обеспечить непрерывный контроль плотности нейтронного потока на остановленном реакторе и периода нарастания мощности при пуске реактора начата разработка и испытания системы контроля подкритичности. Исследование возможностей таких систем на стадии испытаний, создание методологического и программного обеспечения и выдача рекомендаций по внедрению в промышленную эксплуатации является целью данной диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В данной работе впервые решается задача измерения и контроля степени подкритичности остановленного реактора с помощью СВРК ПР — принципиально новой системы измерений. На Ленинградской АЭС определены места расположения датчиков системы внутриреакторного контроля подкритичности РУ РБМК-1000. Датчики рекомендовано устанавливать равномерно по активной зоне реактора. Решетка расположения датчиков, по возможности, должна захватывать так называемые «горячие районы» — полиячейки (4 на 4 и 9 на 9) с энерговыработками значительно меньшими, чем в среднем по реактору. Экспериментально было показано, что при равномерном извлечении стержней СКУЗ именно такие районы достигают критического состояния раньше всего реактора в целом, за счет большей концентрации делящегося материала U235. Таким образом, контроль районов реактора с меньшей подкритичностью значительно повышает ядерную безопасность канальных реакторов РБМК-1000.

Автором произведена оценка существующих методов и подходов определения подкритичности в зависимости от места установки датчиков нейтронного потока. Показано, что за конечную подкритичность реактора следует принимать не среднее значение от показаний всех датчиков, как того требуют современные методики обработки результатов, а минимальное из полученных значений подкритичности.

2. Расчетные и экспериментальные данные позволили разработать новую научно-обоснованную методику определения подкритичности реактора РБМК-1000 с использованием штатной операции по проверке эффективности отдельных стержней PP.

Сущность методики заключается в последовательном погружении и последующем извлечении стержней СКУЗ на реакторе в критическом состоянии. Исходя из отклика датчиков на сигнал ^ возмущения нейтронного потока в подкритическом реакторе активная зона условно разбивается на 8 квазиавтономных районов, со своими значениями кЭфф, материального параметра и подкритичностью. Внутриреакторными датчиками определяется вклад каждого стержня СКУЗ для каждой из квазиавтономных активных зон. В зависимости от удаленности стержня от места установки датчика нейтронного потока, показания датчиков описываются уравнением, из решения которого определяют подкритичность для каждой из зон. Минимальное из полученных значений необходимо принимать за подкритичность всего реактора в целом.

3. Анализ результатов измерений для подкритического реактора РБМК-1000 энергоблока № 1 показал, что при извлечении стержней СКУЗ, измеренная плотность нейтронного потока увеличивается в локальной области. Это зависит от:

— места расположения датчика. Максимальное расстояние от # датчика до источника возмущения нейтронного поля (например, при извлечении стержня РР), при котором регистрируется изменение плотности нейтронного потока в подкритическом реакторе достигает 40 эффективных радиусов;

— типа перемещаемого стержня СКУЗ. Для стержней 2477 изменение плотности потока ~ на 7% больше, чем для стержней 2091;

— выгорания стержня. При погружении «свежих» стержней СКУЗ изменение плотности нейтронного потока ~ на 10% больше, чем для стержней находящихся в активной зоне длительное время. Это связано с большей поглощающей способностью «свежих» стержней (меньшим выгоранием);

— энерговыработки ТВС, в которую устанавливается датчик. При установке в «свежую» ТВС (Е=0 МВт сут/ТВС) сигнал от датчика уменьшается на 10−15% по сравнению с «выгоревшей» ТВС (Е>2000 МВт-сут/ТВС);

— состава и загрузки активной зоны. При прочих равных условиях вносимая «локальная реактивность» в районах (полиячейках 4 на 4) с низкими энерговыработками (Еср<1100 МВт-сут/ТВС) в 1,5−1,8 раза больше, чем в аналогичных районах со средней энерговыработкой (Еср=1626 МВт-сут/ТВС).

4. Данные для подкритического реактора, полученные в результате мониторинга операций по проверке и настройке скоростей стержней СКУЗ, позволили выявить «засвеженные» районы активной зоны. В этих районах рекомендовано произвести перегрузки, чтобы выровнять распределение поля энерговыделения при работе на мощности. Этот способ дает возможность корректировать процесс перегрузок.

5. На основании измерений при проверке полного двойного хода стержней СКУЗ на энергоблоке № 1 Ленинградской АЭС были выявлены районы, в которых возмущения нейтронного потока в 2,5 раза превышают среднее значение для всего реактора (на блоке № 1 район вокруг стержня 2477.00.000−00 с координатой 32−61). Стержни РР, БАЗ и УСП в этом районе имели «аномально большой вес». Такие стержни было рекомендовано исключить из расчета «Порядка извлечения стержней при выводе реактора в критическое состояние». «Аномально большой вес» стержней для реактора в подкритическом состоянии связан с неравномерностью топливной загрузки активной зоны. Для своевременного устранения неравномерности топливной загрузки реактора РБМК-1000, приводящей к появлению стержней с большой эффективностью, автором предложено с помощью СВРК ПР периодически измерять плотность нейтронного потока при извлечении и погружении стержней СКУЗ. Это поможет выявить «горячие» и «холодные» районы в активной зоне, внести поправки в процесс перегрузок, скорректировать дальнейший вывод реактора в ф критическое состояние.

6. Проведенные расчеты и эксперименты впервые показали возможность контроля СВРК ПР изменения степени подкритичности реактора РБМК-1000 при перегрузке ТВС. Это позволяет повысить ядерную безопасность РУ РБМК-1000 при соблюдении требований ПБЯ РУ АС-89 в части ядерно-опасных работ. Впервые была получена зависимость изменения подкритичности реактора РБМК-1000 при перегрузке ТВС. Показан вклад одной ТВС в нейтронный поток подкритического реактора.

7. Сравнение результатов измерений СВРК ПР и данных штатного реактиметра, подключенного к четырем камерам КНК-53М (сб.38), говорит о достижении высокой точности в показаниях при экспериментах на реакторе в критическом состоянии.

При эксплуатации реактора в подкритическом состоянии с коэффициентом размножения кэфф>0)997 СВРК ПР позволяет # фиксировать изменение плотности нейтронного потока и периодов реактора при минимальном управляющем воздействии оператора. Это упрощает контроль за выводом реактора в критическое состояние и существенно повышает ядерную безопасность энергоблока в целом. С помощью СВРК ПР впервые показана возможность контролировать изменение подкритичности реактора при извлечении каждого стержня СКУЗ. Внедрение такой системы позволит обеспечить равномерный и монотонный вывод реактора в критическое состояние.

8. На основании полученных зависимостей скорости счета от положения стержней БАЗ для подкритического состояния РУ, выработаны рекомендации по дополнению «Комплексной методики определения физических и динамических характеристик реакторов щ РБМК-1000» РДЭО-0137−98. Предложено дополнить существующую методику оценки подкритичности методом ввода стержней БАЗ, и тем ф самым уменьшить погрешность. Впервые полученные автором значения относительных изменений плотностей нейтронного потока при погруженных и извлеченных стержнях БАЗ, для реактора РБМК-1000, находящегося в подкритическом состоянии, позволяют значительно увеличить точность в оценке подкритичности методом ввода стержней БАЗ. Кроме того, данные, полученные СВРК ПР, подтвердили неточность оценок, используемых программой «POLARIS» для расчета эффективности стержней БАЗ в подкритическом состоянии реактора № 1 Ленинградской АЭС.

9. С помощью прямых измерений с высокой точностью подтверждено смещение максимума плотности нейтронного потока кверху активной зоны подкритического реактора. По мнению автора, это смещение связано с ужесточением спектра нейтронов в верхней части активной зоны при прохождении пароводяной смеси, что приводит к увеличению наработки Ри239 в верхней части ТВС. В подкритическом состояния РУ влияние на плотность потока в нижней части активной зоны оказывают погруженные стержни УСП.

10. Впервые экспериментально доказано, что эффект опорожнения КО СУЗ может иметь различный знак в различных частях активной зоны. Это позволило внести корректировки в «Инструкцию по опорожнению каналов СУЗ и аварийного бака СУЗ реактора РБМК-1000 первой очереди ЛАЭС» (инв.№Р-644 арх. ПТО Ленинградской АЭС) и изменить процедуру опорожнения или заполнения КО СУЗ Ленинградской АЭС.

11. Анализ результатов измерений показал, что дальнейший перевод загрузки РБМК-1000 на уран-эрбиевое топливо с обогащением 2,8% и 3,0% при сохранении стратегии перегрузок Ленинградской АЭС приведет к еще большей неравномерности концентрации делящихся материалов по радиусу активной зоны. А при неизменной мощности реактора продолжится увеличение kr и возрастет линейная нагрузка на твэл. Для того, чтобы нивелировать эти негативные эффекты, связанные с экономически обоснованным переводом реактора РБМК-1000 на топливо с более высоким обогащением, необходимо изменить существующий подход к перегрузкам реактора. Также целесообразно производить периодический мониторинг состава активной зоны с помощью СВРК ПР. Это позволит своевременно выявлять и перегружать районы реактора с неравномерной загрузкой.

12. Анализ состояния подкритичной РУ РБМК-1000 естественным образом обусловливает начало разработки и создания комплексной системы управления и защиты подкритического реактора. Создание такой системы позволит контролировать текущее значение подкритичности и вносить управляющее воздействие на плотность нейтронного потока РУ, находящейся в подкритическом состоянии.