Для определения нейтронно-физических характеристик активной зоны реактора РБМК и оценки его безопасности на станциях проводятся эксперименты по измерению таких характеристик реактора как быстрый мощностной и паровой коэффициенты реактивности, коэффициент реактивности по температуре графита, изотермический коэффициент реактивности, весовые характеристики отдельных стержней и групп стержней. Результаты этих экспериментов важны для оценки состояния реактора. Кроме того, они могут быть использованы для валидации нейтронно-физических и теплогидравлических программ, использующихся для численного моделирования переходных процессов в активных зонах РБМК.
Обычно расчет нейтронно-физических характеристик активной зоны проводится по стационарным нейтронно-физическим программам (например [1]-[3]). В случае стационарных расчетов возможно существенное расхождение расчетной и экспериментальной величин. Это расхождение в значительной мере обусловлено методической ошибкой. По определению паровой и мощностной коэффициенты реактивности равны соответственно:
ДЛ, Ар, а&bdquo- =- и а,., =.
9 Ь<�р w AW.
Где Дрф и Apw — изменения реактивности, вызванные соответственно изменениями паросодержания и мощности. Причем подразумевается, что изменение мощности приводит, в свою очередь, только к изменению паросодержания и температуры топлива. Получение величин Арф, Аф, Ар№и AW в расчете достаточно ясная процедура. Другое дело, получение этих величин в измерениях. Любое возмущение в реакторе изменяет и множество других параметров, которые по определению считаются постоянными, и приводит к погрешностям определения нужных величин. Кроме того, понятия коэффициентов реактивности (аф, avv, ас) базируются на точечной модели реактора. Однако неоднородность внесенных в измерениях возмущений приводит к изменениям формы нейтронного поля, что также ведет к возникновению погрешностей. Этой ошибки можно избежать, если проводить прямое численное моделирование эксперимента по нестационарным программам. Возможность такого численного моделирования экспериментов появилась сравнительно недавно после появления вычислительной техники с достаточно высоким быстродействием. В диссертации приводятся результаты расчетного моделирования экспериментов по программе STEPAN/KOBRA [1]. На основании полученных результатов анализируются возможные причины расхождения экспериментальных и расчетных результатов.
Актуальность работы.
Реакторы РБМК составляют около половины атомной энергетики России. Их эксплуатация будет продолжаться в течение нескольких десятков лет. Одной из важных задач научного сопровождения РБМК является обеспечение их безопасности. Коэффициенты реактивности — существенные нейтронно-физические характеристики реактора, влияющие на его безопасность. Эти величины регулярно определяются экспериментально и расчетным путем. Экспериментально полученные величины коэффициентов реактивности используются для валидации нейтронно-физических и теплогидравлических программ.
Имеет место систематическое отклонение результатов стационарных расчетов от результатов, полученных в эксперименте. Определение причин этих систематических отклонений возможно с помощью расчетного моделирования экспериментов с использованием динамических программ. Прямое расчетное моделирование экспериментов позволяет оценить и объяснить методическую ошибку, получаемую при расчетах коэффициентов реактивности по стационарным версиям программ, используемых при разработке и обосновании мероприятий по совершенствованию активной зоны РБМК.
Корректное использование результатов измерений при валидации расчетных кодов предопределяет повышение точности расчетного предсказания характеристик реактора и качества обоснования мероприятий по повышению безопасности. Поэтому данная работа является актуальной.
Цели и задачи работы.
1. Анализ существующих методик проведения экспериментов по измерению парового, быстрого мощностного и графитового коэффициентов реактивности и выявление причин расхождения этих экспериментальных величин и величин, полученных из стационарного расчета.
2. Обеспечение корректного использования результатов измерений при валидации расчетных кодов.
3. Разработка новых методов измерений коэффициентов реактивности и обработки результатов измерений.
Результаты работы, выносимые на защиту.
1. Методика и результаты стационарных и динамических расчетов для анализа причин различия величин коэффициентов реактивности, получаемых в эксперименте и стационарном расчете.
2. Комплексный метод определения быстрого мощностного и графитового температурного коэффициентов реактивности.
3. Пассивный метод определения графитового коэффициента реактивности и эффекта ксенонового отравления.
4. Новая методика обработки результатов измерения парового коэффициента реактивности.
Методы исследования.
Стационарные и динамические расчеты проводились с использованием различных версий программы STEP AN.
Научная новизна.
Проанализированы методические расхождения в определении величин коэффициентов реактивности, полученных экспериментальным путем и из расчета по стационарной версии программы STEP AN: рассмотрено влияние пространственных эффектов на полученные экспериментальные значения коэффициентов реактивности.
— оценено влияние «медленных» обратных связей по температуре графита и концентрации ксенона-135 на результаты измерений парового (аф) и быстрого мощностного (aw) коэффициентов реактивности.
— дано расчетное обоснование «обратного хода» реактивности в процессе эксперимента по измерению аф.
Разработаны предложения по:
— комплексному методу определения быстрого мощностного и графитового температурного коэффициентов реактивности;
— пассивному методу определения графитового температурного коэффициента реактивности (ас);
— усовершенствованной методике обработки экспериментальных результатов для определения парового коэффициента реактивности, позволяющей практически полностью избавиться от зависимости результатов измерений от знака возмущения расхода питательной воды и снизить относительную погрешность определения величины парового коэффициента реактивности. Достоверность.
Достоверность представленных в диссертации результатов расчетов подтверждается хорошим совпадением с результатами экспериментов. В работе использовались различные версии программы STEP AN, которая аттестована в Госатомнадзоре с выдачей аттестационного паспорта.
Практическая значимость работы.
• Проведенный анализ методик измерения коэффициентов реактивности обеспечивает корректное использование результатов измерений при валидации программ нейтронно-теплогидравлического расчета, способствуя повышению качества расчетного прогнозирования при обосновании мероприятий по повышению безопасности РБМК.
• Объяснение «обратного хода» реактивности при измерениях аф дает лучшее понимание физики реактора.
• Разработанные новый способ обработки результатов измерений аф и пассивный метод измерения графитового коэффициента реактивности позволяют сократить время, затрачиваемое на измерения на АЭС. Решением Совета по ядерной безопасности ОАО «Концерн Энергоатом» данные разработки рекомендованы для включения в «Комплексную методику определения физических и динамических характеристик реакторов РБМК-1000».
Апробация работы.
Материалы, представленные в диссертации были доложены на следующих научных конференциях:
1. XII семинар по проблемам физики реакторов. «Волга — 2002» Москва, МИФИ, 2−6 сентября 2002 г.
2. IX Международная Конференция «Безопасность и подготовка кадров». Обнинск, 24−28 октября 2005 г.
3. Пятая Международная научно-техническая конференция «Безопасность, экономика и эффективность атомной энергетики МНТК 2006» Москва, Росэнергоатом, 19−21 апреля 2006.
4. Шестая Международная научно-техническая конференция «Безопасность, экономика и эффективность атомной энергетики МНТК 2008» Москва, Росэнергоатом, 21−23 мая 2008.
5. XV семинар по проблемам физики реакторов «Волга — 2008», Москва, МИФИ, 2−6 сентября 2008 г.
Личный вклад автора.
• Проведены динамические расчеты, моделирующие эксперименты по измерению коэффициентов реактивности РБМК.
• Выполнена оценка влияния различных факторов, не учитываемых в стационарных расчетах, на величины коэффициентов реактивности.
• Получено объяснение «обратного хода» реактивности при измерениях парового коэффициента реактивности.
• Разработаны новые методики экспериментального определения быстрого мощностного, парового и графитового температурного коэффициентов реактивности.
Выводы.
Согласно представленным в этом разделе результатам расчетов, при уменьшении температуры теплоносителя на входе в активную зону с 270 до 265 °C, величина аф увеличивается в пределах 0-Ю.1 р. Это вызвано изменением формы аксиального распределения Аф. При этом на эффект изменения аф оказывает влияние аксиальное распределение энерговыделения в активной зоне.
2.15. Численное моделирование эксперимента по измерению ас.
В настоящее время измерение графитового температурного коэффициента реактивности (ас) проводится методом перевода продувки реакторного пространства с азотной на азотно-гелиевую смесь. При этом меняется коэффициент теплопроводности зазоров между каналами и графитом и, как следствие, средняя температура графита. В измерениях фиксируется изменение состава газовой смеси, суммарного запаса реактивности, средней температуры графитового замедлителя. Последняя определяется с использованием показаний 8 штатных 3-зонных термопар, расположенных на стыках графитовых колонн в активной зоне реактора (правый верхний угол ячеек 3745, 15−37, 21−37, 31−37, 45−37, 55−37, 61−37, 37−31). Спаи трехзонных термопар находятся на уровнях около 0.5 м, 3.5 м, 6.1 м, от верхнего среза активной зоны реактора соответственно. Время изменения состава продувки составляет 6-^10 часов. При увеличении доли гелия в азотно-гелиевой смеси температура графита уменьшается и наоборот, при уменьшении доли гелия температура графита возрастает. Согласно [15] экспериментальная величина температурного графитового коэффициента реактивности определяется по формуле (2.15.1):
R2 + а) — i? j.
ТТ i2 11.
Где:
C = V 2J ! (2.15.1).
Ri, R2 — запасы реактивности в исходном и конечном состояниях в эквивалентных стержнях РР, рассчитанные по программе «Призма»;
Ть Т2 — температуры графита в исходном и конечном состояниях, рассчитанные по программе «Призма». Согласно методике эксперимента, расчет температуры графита проводится со взвешиванием с квадратом потока тепловых нейтронов: t — температура графита в расчетной нодеф — поток нейтронов в расчетной нодерррсредний «вес» одного стержня РР при расчете оперативного запаса реактивности (допускается использование среднего «веса» стержня через оценку запаса реактивности по расчетным кодам для достигнутого стационарного состояния) — а — поправка, учитывающая увеличение поглощения нейтронов в азоте по сравнению с гелием. Поправка, а принимается равной весу одного РР при замене смеси продувки с 90% гелия на чистый азот.
Для того, чтобы перевести величину ОЗР в стержнях в единицы реактивности, проводится эксперимент по взвешиванию стержней РР либо средний вес стержня рассчитывается. Величина (3Эфф также рассчитывается для данного состояния реактора. Расчет (Зэфф проводится с учетом вклада в деление 4.
23 5 238 239 изотопов: U — U — Pu — PiT [56]. Обычно эксперименты по измерению ас проводятся на пониженной мощности реактора 45-^-55% NH0M. На высоких уровнях мощности величина ас определяется только расчетным путем. Это вызвано тем, что при продувке реакторного пространства азотом температура в углах графитовых блоков не должна превышать 700 °C. Изменение реактивности в процессе эксперимента оценивается на основании изменения оперативного запаса реактивности (ОЗР) и оценки веса стержней. При этом необходимо учесть вклад в изменение реактивности, внесенный в результате уменьшения поглощения нейтронов в графитовой кладке при переводе продувки с азотной на азотно-гелиевую смесь. В некоторых случаях учитывается также реактивность, внесенная за счет изменения глубины выгорания топлива в процессе эксперимента.
Ниже приведены результаты моделирования экспериментов по измерению ас, проведенных на блоках Ленинградской, Смоленской и Курской АЭС. Описание состояний энергоблоков взяты из протоколов экспериментов [57] — [62]. Основные параметры и состав активных зон энергоблоков перед началом эксперимента приведены в таблице 2.15.1.
5.
Заключение
.
1. Показано, что для понимания причин расхождений результатов измерений коэффициентов реактивности и результатов их расчетов по стационарным программам необходимо расчетное моделирование процедур измерения коэффициентов реактивности с помощью динамической программы. При этом совпадение результатов «динамических» расчетов с экспериментом лучше, чем у результатов «стационарных» расчетов.
2. Проанализированы причины систематических расхождений величин коэффициентов реактивности, полученных экспериментально и в результате статических расчетов. Приводится оценка влияния различных факторов на результаты измерения. Можно сделать вывод, что статические и экспериментальные оценки коэффициентов реактивности принципиально отличаются. Это необходимо учитывать при использовании результатов статических расчетов.
3. Дано расчетное обоснование так называемого «обратного хода» реактивности при измерении аф. В результате проведенных расчетов показано, что этот эффект связан с неоднородностью свойств каналов со свежим и выгоревшим топливом и с разной величиной расхода теплоносителя в каналах с разной мощностью.
4. Предлагается пассивный метод определения графитового температурного коэффициента реактивности и эффекта ксенонового отравления, основанный на анализе изменения оперативного запаса реактивности в процессе перевода реактора с одного уровня мощности на другой. В отличие от штатного метода, этот пассивный метод может быть использован на любом уровне мощности (в том числе на номинальной мощности) и не требует проведения специального эксперимента, что дает возможность его использования в качестве дополнительного метода к уже существующему штатному методу определения графитового температурного коэффициента реактивности. Эффект ксенонового отравления РБМК до настоящего времени определяется только расчетным путем.
5. Изложена усовершенствованная методика определения парового коэффициента реактивности РБМК. Использование этой методики позволяет практически полностью избавиться от зависимости результатов измерения от знака вносимого возмущения. Это методика позволяет существенно (в разы) уменьшить дисперсию измеряемой величины парового коэффициента реактивности.
6. Предлагается комбинированный метод одновременного измерения быстрого мощностного и графитового температурного коэффициентов реактивности, использующий уравнение баланса реактивности. Этот метод позволяет исключить методическую ошибку штатного метода, связанную с тем, что реактор не достигает нового стационарного состояния к моменту окончания измерения (2030 секунд после перемещения стержней).
