Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Отравление реактора самарием ( Sm-149 ).
Другим нуклидом, обуславливающим отравление реактора, является Sm-149. При работе реактора его появление в активной зоне связано с радиоактивным распадом Pm-149 и происходит по следующей схеме: n, f b- b U235 ® Nd149 ® Pm149 ® Sm149 , где p=1, 13% 1, 73 ч 53, 08 ч
Sm-149 - стабильный нуклид. При поглощении нейтрона он превращается в изотоп Sm-150, который имеет небольшое сечение поглощения нейтронов и может быть отнесен к шлакам. Таким образом, концентрацию ядер Sm-149 в активной зоне определяют два процесса: образование при радиоактивном распаде и исчезновение ядер при радиационном захвате нейтронов. Поскольку Nd сравнительно быстро превращается в Pm, его не учитывают в динамике процесса отравления Sm. Снижение реактивности, обусловленное Sm-149 до равновесной концентрации, называют стационарным отравлением реактора самарием. Для ВВЭР-440 стационарное отравление этим нуклидом rстSm = 0, 82% (см. рис.3.6). Процесс стационарного отравления Sm-149 достаточно длительный, отравление достигается после работы в течение 30 эф.сут.(практически временем установления стационарной концентрации можно считать время, когда концентрация Pm будет отличаться от равновесной на 5-10%. Это соответствует 8-10 сут.). Скорость достижения стационарного отравления Sm существенно зависит от мощности (в то время как сама величина отравления не зависит от нее) (см. рис. 3.7). Время установления rSmст обратно пропорционально мощности, т.е. плотности потока нейтронов Ф. Останов реактора сопровождается нарушением динамического равновесия между скоростями образования Sm-149 из Pm-149 и убыли его за счет радиационного захвата нейтронов. Накопившийся за время работы реактора Pm-149 после останова полностью распадается, превращаясь в Sm-149. Таким образом, концентрация Sm-149 возрастает, а реактивность падает по экспоненциальному закону с периодом полураспада Pm-149. Характер изменения и временная зависимость реактивности аналогичны изменению реактивности при отравлении ксеноном, и по аналогии с йодной ямой имеется общепринятое название " прометиевый провал". На рис.3.8 отравление Sm-149 изображается семейством кривых. Кривые показывают изменение реактивности в предположении, что перед изменением мощности стационарное отравление реактора Sm-149 уже было достигнуто. Видно, что наибольшая глубина прометиевого провала (~ 0, 5% ) достигается при сбросе мощности со 100% N ном. до нуля, при этом полное превращение образовавшегося прометия в самарий происходит примерно за 10- 15 сут. после останова. С увеличением мощности реактора наблюдается самариевый выбег (увеличение реактивности), который вызван изменением скорости выжигания самария нейтронами и его накопления. Для ВВЭР-440 максимальный самариевый выбег равен 0, 25% и достигается ~ за 5 ч после подъема мощности реактора с нуля до 100% (предполагается, что реактор стоял 15 сут. и концентрация самария была постоянной). Следует также помнить, что т.к. Sm-149 в отличие от Xe-135 стабилен, то разотравления самарием не происходит, и он накапливается после остановки реактора. НФХ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ВВЭР-440.
В соответствии с требованиями нормативных документов по (16, 19) безопасности АЭС - ПБЯ и ОПБ-88 в любой момент топливного цикла для всех возможных значений параметров ЯЭУ должны быть известны: максимальный запас реактивности активной зоны; эффективность механических органов регулирования СУЗ; эффективность системы борного регулирования реактивности; значения температурного и мощностного коэффициентов реактивности; значения коэффициентов неравномерности энерговыделения. Все эти данные называются нейтронно-физическими характеристиками активной зоны (далее везде НФХ) и готовятся для каждого топливного цикла (загрузки) с применением специальных расчетных программ на ЭВМ. Описание НФХ дано на примере 5-й топливной загрузки блока 4 КАЭС (для других блоков значения аналогичных параметров активной зоны имеет тот же порядок). В пояснительной записке НФХ даны конструкционные и физические параметры активной зоны. Конструкционные параметры более подробно рассматриваются в главе 7. Здесь же рассмотрим физические параметры активной зоны. Максимальный запас реактивности (см. рис.4.4. график 1) в начале топливного цикла составляет 19, 3%. Этот запас реактивности компенсируется механическими ОР СУЗ и борной кислотой в теплоносителе, причем, состав активной зоны таков, что за счет кассет АРК компенсируется только 8, 6% реактивности (график 2). Борная же система регулирования не только компенсирует оставшийся запас реактивности, но и обеспечивает требуемую в ПБЯ подкритичность не менее 0, 01 в состоянии активной зоны с максимальным Кэф. (в рассматриваемом примере с НФХ 4 блока обеспечивается подкритичность топливной загрузки в " холодном" состоянии ЯР в 4% - см. рис. 4.4 график 3 на момент Т эф.=0сут). На начало кампании (рис.4.4.) эффективность борной системы регулирования составляет 23, 3%. Из этого же рисунка видно, что к концу топливного цикла, Тэф.=331 сут, подкритичность растет и достигает значения 13, 7%. Это объясняется снижением максимального запаса реактивности и незначительным ростом эффективности борной системы регулирования за счет увеличения борного эффекта реактивности (см. п.3.3.). Как видно из рис.4.4. и 4.5. полная эффективность механической и жидкостной системы (график 4) всегда больше, чем максимальный запас реактивности (график 1), что позволяет переводить и надежно удерживать ЯР в подкритическом состоянии в любой момент топливного цикла и при любой температуре теплоносителя 1 контура. Срабатывание АЗ-1 обеспечивает подкритичность топливной загрузки при рабочей температуре теплоносителя (разность в реактивности между графиками 5 и 1 рисунка 4.5): - на Тэф.=0 сут. - 7, 6%; - на Тэф.=331 сут. - 7, 9%. Эффективность АЗ-1 (7, 6%) несколько меньше полной эффективности органов СУЗ (8.6%), это следует из того, что при работе ЯР на мощности 6-я регулирующая группа АРК находится не на ВКВ, а в промежуточном положении (150-200см от низа активной зоны). Рост эффективности механических ОР СУЗ с 8, 6% в " холодном" состоянии (рис.4.4 при Тэф.=0 сут.) до 12, 2% при рабочей температуре теплоносителя (рис.4.5) объясняется следующим образом. Введение в активную зону поглощающих надставок АРК и соответственно выведение из нее топливных частей кассет можно представить как изменение геометрического параметра (В) активной зоны. Т.к. под эффективностью органов СУЗ понимается разность реактивностей (Dr) однородного реактора и реактора с органами СУЗ в активной зоне, задача нахождения эффективности ОР СУЗ сводится к определению геометрического параметра реактора с ОР СУЗ и без них:
M2 Dr =------•DВ2 (4.1), K¥ где DВ2 - изменение геометрического параметра активной зоны при введении в нее ОР СУЗ. Поскольку DВ2 слабо зависит от температуры, влияние ее на Dr проявляется через изменение М2 / К¥ . Величина М2 / К¥ монотонно и существенно возрастает с увеличением температуры (см. п.1.2), а значит, и монотонно возрастает эффективность ОР СУЗ. Т.е. как бы увеличивается объем активной зоны, откуда нейтроны стекаются на стержни ОР СУЗ. В приложениях к пояснительной записке НФХ приведены: - изменение основных расчетных нейтронно-физических характеристик активной зоны в данном топливном цикле; - изменение максимального запаса реактивности загрузки и эффективности СУЗ в топливном цикле; - графики определения пусковой концентрации жидкого поглотителя в теплоносителе после останова реактора; - изменение реактивности топливной загрузки в результате ее отравления Хе. На рис.4.1 представлены графики, показывающие: а) значение критической концентрации борной кислоты в любой момент топливного цикла; б) высоту регулирующей группы АРК при данном значении концентрации жидкого поглотителя. Из рисунка видно, что после полного выведения бора из теплоносителя дальнейшее поддержание РУ на номинальной мощности производится подъемом регулирующей группы АРК, что позволяет продлить кампанию реактора с 300 до 331 эф.суток. Положение 6-й регулирующей группы АРК на различных уровнях мощности оговорено в " Технологическом регламенте эксплуатации" и представлено на рис.2.2. Диапазон положения регулирующей группы АРК при работе ЯР на мощности - 150-200см установлен из необходимости выбора оптимального режима эксплуатации ЯР с удовлетворением двух условий: - снижение значений коэффициентов неравномерности энерговыделения в активной зоне(см. п.2.1); - обеспечение для регулирующей группы АРК максимально возможной дифференциальной эффективности. На рис.4.2 представлено изменение коэффициентов неравномерности энерговыделения в топливном цикле. Объяснение именно такого характера изменения коэффициентов было дано в разделе 2. Увеличение же коэффициентов неравномерности в конце топливного цикла (после 300 эф.сут.) вызвано извлечением регулирующей группы АРК для продления кампании реактора. В пояснительной записке НФХ приведены также максимальные значения коэффициентов неравномерности энерговыделения по активной зоне на номинальных параметрах: Кq = 1, 26; Кv = 1, 89; Кq • Кк = 1, 46 На практике коэффициенты неравномерности используются для проверки соответствия текущего состояния ЯР таблице допустимых режимов эксплуатации. Эта проверка осуществляется с применением методики, изложенной в разделе 5. Интегральная характеристика группы кассет АРК - это зависимость реактивности, которая выделяется (поглощается) группой АРК при ее перемещении, от местоположения этой группы по высоте активной зоны. На рис.4.3 представлены типовые интегральные характеристики 6-й регулирующей группы, эффективность которой существенно зависит от температуры теплоносителя, концентрации борной кислоты и выгорания топлива. Влияние температуры теплоносителя на эффективность ОР СУЗ уже рассматривалась в данном разделе (сравните графики N2 на рис.4.4 и 4.5). Увеличение (уменьшение) концентрации бора в теплоносителе приводит к увеличению (уменьшению) эффекта экранирования борной кислотой кассет АРК, а следовательно, уменьшению (увеличению) эффективности регулирующей группы АРК. Влияние выгорания топлива проявляется в ухудшении его размножающих свойств с течением топливного цикла, а значит, увеличением влияния на реактивность со стороны группы АРК, поглощающая способность которой остается неизменной. Рассмотрим, как используют на практике интегральные характеристики. Допустим, в начале топливного цикла в исходном состоянии 6-я группа АРК находилась на высоте 100 см от низа активной зоны (см.рис.4.3). Это означает, что группой в этом положении скомпенсировано 2, 16-0, 76=1, 4% реактивности (где 2, 16% - полная эффективность 6-й группы, а 0, 76% - эффективность группы при Н=100 см). При перемещении группы вверх от 100 до 150 см выделяется положительная реактивность, равная 1, 3 - 0, 76 = 0, 54% (1, 3% - эффективность группы при Н=150см). В дальнейшем это значение может быть использовано для расчета необходимого диапазона увеличения мощности или объема водообмена. Зависимость эффективности единицы длины перемещения группы АРК от положения ее в активной зоне, т.е. изменение реактивности при перемещении группы на единицу длины в различных по высоте положениях, называется дифференциальной характеристикой группы: dr / dH = ¦ (Н) Дифференциальные характеристики 6-й группы АРК на начало и конец топливного цикла приведены на рис.4.3. Если физический вес регулирующего стержня небольшой, то при погружении этого механического поглотителя в активную зону нейтронный поток по высоте практически не деформируется и дифференциальная характеристика имеет вид симметричной по высоте кривой. Группа АРК имеет большой физический вес и поэтому при ее погружении в активную зону нейтронное поле искажается, смещаясь вниз. С увеличением веса группы (т.е. интегральной эффективности) максимум на кривой дифференциальной эффективности увеличивается и смещается влево. Объяснение этому следующее. При промежуточном положении регулирующей группы активная зона делится на две части. В нижней части поглотителя нет и поэтому нейтронный поток там выше, чем в верхней части (он как бы " выжимается" сверху вниз). Чем больше интегральная эффективность группы, тем больше это различие (см. рис. 4.14). Поглотитель, вводимый в зону с большим потоком нейтронов, имеет соответственно большее влияние на реактивность. Смещение максимума дифференциальной эффективности с течением топливного цикла (рис.4.3) вправо объясняется более интенсивным выгоранием топлива внизу активной зоны из-за большего значения там нейтронного потока. В практике эксплуатации ВВЭР возникает необходимость работы только с интегральными характеристиками одной последней группы ОР СУЗ. В пояснительной записке НФХ даны значения мощностного, температурного и борного коэффициентов реактивности на начало и конец топливного цикла (см. табл. 4.1). Таблица 4.1.
Кроме табличного представления значений коэффициентов dr/dNБ; dr/dtН2О и dr/dCН3ВО3 в НФХ приводятся также графические зависимости этих коэффициентов от момента топливного цикла (см. рис. 4.6). Из рисунка видно, что все три коэффициента реактивности монотонно возрастают с течением цикла. Причем наибольший рост имеют мощностной и температурный (плотностной) коэффициенты. Рост dr/dt связан с уменьшением концентрации бора в первом контуре. Влияние бора на температурный эффект реактивности было подробно рассмотрено в разделе 3. Увеличение dr/dN объясняется тем, что ввиду выгорания ядер урана 235 увеличивается доля ядер урана 238. Как уже было рассмотрено ранее (см. разделы 1 и 3), ядра урана 238 являются ответственными за влияние на коэффициент (вероятность для нейтронов избежать резонансного поглощения на уране 238) и эффект Допплера. Т.е. к концу топливного цикла, ввиду возросшей доли в топливе ядер урана 238, растет влияние Допплер-эффекта, который, в свою очередь, увеличивает (по абсолютному значению) мощностной эффект реактивности. В НФХ приводятся графики (см. рис. 4.7.), которые позволяют определить критическую концентрацию жидкого поглотителя при фиксированном положении регулирующей группы АРК, определенной температуре теплоносителя 1 контура в любой момент топливного цикла. Эти кривые не учитывают отравления ЯР ксеноном, а значит, использовать их можно после стоянки реактора более 1, 5-2, 0 суток. Первоначально выбирается тот рисунок, на котором приведены графики, соответствующие реально установленной высоте регулирующей группы (в рассматриваемом примере Н=50 см). Затем на правой части рисунка по оси абсцисс откладывается значение эффективных суток, отработанных топливной загрузкой на момент останова, и проводится вертикальная прямая до пересечения с тремя кривыми, характеризующими изменение критической концентрации жидкого поглотителя при температуре теплоносителя 20, 200 и 285^С по топливному циклу. Из точек пересечения проводятся линии (на рис. обозначены стрелками) параллельные оси абсцисс до пересечения с соответствующими вертикальными пунктирными прямыми в левой части рисунка. Через полученные точки пересечения в левой части рисунка проводится плавная кривая, характеризующая зависимость критической концентрации жидкого поглотителя от температуры теплоносителя на рассматриваемый момент топливного цикла. Пусть требуется определить критическую концентрацию НзВОз на момент 100(300) эф.сут. при пусковой температуре теплоносителя в 280^С и положении регулирующей группы АРК 50 см (реактор находился в " холодном" состоянии 44 часа). Значение пусковой температуры 280^С откладывается влево по оси абсцисс, затем проводят вертикальную прямую и, определив точку пересечения этой прямой с ранее построенной плавной кривой, находят искомую величину пусковой концентрации. Она будет равна: СН3ВО3 (Т=100 эф.сут.)=5, 8 г/кг; СН3ВО3 (Т=300 эф.сут.)=1, 8 г/кг. При выходе на МКУ оператор должен помнить, что при определенных соотношениях средней температуры теплоносителя и положения регулирующей группы АРК может реализовываться режим, когда активная зона ЯР имеет положительный температурный коэффициент реактивности. Это значит, что в этой области РУ не обладает свойством саморегулируемости. В помощь оператору в НФХ даны рисунки (см. рис. 4.8 и 4.13), на которых отражена область, где в зависимости от положения регулирующей группы и Т^ 1 контура реализуется отрицательное значение температурного коэффициента реактивности. С помощью графиков 1, 2 и 3 на рис.4.13 оператор имеет возможность быстро оценить значение температурного коэф-та реактивности. Так, например, при Т1к.= 220^С и положении регулирующей группы АРК 50-120 см реализуется отрицательный коэффициент реактивности, при больших же значениях высоты группы ЯР находится в области положительного температурного коэффициента реактивности. В НФХ приводятся также графики стационарного (рис.4.10) и нестационарного (рис.4.11 и 4.12) отравления ЯР ксеноном. При составлении графиков нестационарного отравления ксеноном предполагалось, что перед изменением мощности ЯР длительное время (2-3 сут.) работал в стационарном режиме. В качестве начальной точки (Т=0 час) для всех кривых выбрано начало координат и для определения полного отравления реактора ксеноном нужно сместить все точки кривых в сторону отрицательных реактивностей на величину стационарного отравления. Если изменение мощности ЯР произошло до установления стационарного отравления, то для определения полного отравления нужно из кривой рис.4.9-4.10 определить отравление реактора ксеноном на данной мощности и по рис.4.11-4.12 определить интересующие параметры переходного процесса.
Задача 4.1. Реактор после пуска из разотравленного состояния работал на N=100%Nном. в течение 15 час. Чему равно отравление Хе через 6 час. после останова? Решение. Т.к. реактор работал на стационарном уровне мощности менее 40 часов, то сначала по кривой (соответствующей N=100%) на рис.4.9 определяется величина стационарного отравления ксеноном на момент 15 часов работы ЯР. Она равна: rXeст =-1, 80%. После этого по кривой (для N=0%) на рис.4.11 определяется величина нестационарного отравления ЯР через 6 часов после останова. Она равна: rXeнс = - 1.90% Итак, отравление ЯР ксеноном через 6 часов после останова будет равно: rXe =rXecт + rXeнс = -1, 8+(-1, 9)=-3, 7%.
Задача 4.2. Запас реактивности ЯР, работающего в течение последних 3-х суток на мощности 100%Nном., равен 0, 8%. До какого уровня можно снизить мощность, чтобы ЯР не попал в йодную яму? Решение. Для решения воспользуемся рис.4.11, где представлены параметры йодной ямы для различных вариантов снижения мощности. По кривым находим, что минимальный уровень снижения мощности ~ 50%Nном., для которого глубина йодной ямы составляет 0, 75%.
Задача 4.3. Реактор на 100%Nном. в данный момент кампании в разотравленном по ксенону и разогретом состоянии имеет запас реактивности 7%. Сколько времени сможет работать ЯР на мощности 100%, чтобы после останова йодная яма не была опасна? Темп выгорания топлива на 100%Nном. составляет 0, 035% эф. сут. Решение. После вывода ЯР на 100%Nном. и установления стационарного отравления запас реактивности уменьшится на 2, 52% (рис.4.9 кривая 100%). Йодная яма после остановки с этого уровня мощности равна -2, 1% (рис.4.11). Следовательно, на энерговыработку остается Dr=7%-2, 5%-2, 1%=2, 38%. При заданном темпе выгорания этот запас реактивности обеспечивает время работы: 2, 38/0, 035=68 эф.сут. В заключение данного раздела предлагается рассмотреть примеры расчета критической(пусковой) концентрации НзВОз в теплоносителе 1 контура и критического положения 6-й группы АРК. Если на остановленном реакторе производилось изменение концентрации борной кислоты по сравнению с исходной перед остановом, то критическая концентрация борной кислоты приближенно может быть определена по следующей формуле: Свкр=Св* - [dr/dN•DN+dr/dt•Dt+DrXe+(DrАРК*-DrАРК100)] / (dr/dCВ) (4.2), где СВ* - концентрация борной кислоты в 1 контуре перед оста новом в г/кг; dr/dCВ - дифференциальная эффективность борной кислоты в %/г/кг; dr/dN - мощностной коэффициент реактивности в %/МВт; DN - изменение тепловой мощности от исходной до 0 в МВт; dr/dt - температурный коэффициент реактивности в %/^С; Dt - изменение средней температуры в теплоносителе от исходной до ожидаемой к моменту выхода ЯР в критическое состояние в ^С; DrXe - изменение реактивности в переходном процессе на Хе к моменту выхода ЯР в критическое состояние, %; DrАРК* - исходная реактивность, которая компенсируется 6-й группой АРК в %; DrАРК100 - реактивность %, которую компенсирует 6-я группа АРК при минимально допустимой высоте ее положения, равной 100 см от низа активной зоны. Реактивность, компенсируемая 6-й группой АРК, определяется по интегральной характеристике для этой группы на данный момент топливного цикла (рис.4.3). Коэффициенты реактивности (мощностной, температурный, борный), отравление (разотравление) ксеноном определяются по НФХ для данной топливной загрузки активной зоны (рис.4.6, 4.9-4.12) в зависимости от времени работы реактора до останова, параметров ЯР до останова и к моменту выхода на МКУ. Если реактор остановлен, а концентрация борной кислоты в теплоносителе 1 контура не изменялась или была близка к 0, то выход на МКУ осуществляется с помощью 6-й группы АРК, критическое положение которой приближенно может быть определено по следующей формуле:
DrАРКкр. = rАРК* - (dr/dN•DN + dr/dt•Dt + DrXe) (4.3).
Задача 4.4. Определить критическую (пусковую) концентрацию борной кислоты при пуске через 2-е суток после останова. Исходное состояние ЯР перед остановом: - концентрация НзВОз 3, 1 г/кг; - средняя температура теплоносителя 1 контура 280^С; - мощность ЯР N=1375 МВт тепловых; - время работы ЯР перед остановом Т=140 эф.сут.; - положение 6-й группы АРК 175 см от низа акт. зоны. Параметры ЯР, ожидаемые к моменту выхода в критическое состояние: - средняя температура теплоносителя 1 контура 190^С; - положение 6-й группы АРК 100 см. По НФХ 5-й топливной загрузки блока 4 КАЭС находим: dr/ dN=0, 138Е-2%/МВт; dr/dt =-0, 028%/^С; dr/dCВ =-1, 55%/г/кг; DrXe =+1, 8%;
DrАРК* =1, 58%; rАРК100 =0, 76%, следовательно: 0, 138Е-2•1471-[-0, 028•(280-190)]+1, 8-(1, 58-0, 76) СВкр. = 3, 1 - --------------------------------------------------------------- = -1, 55 = 3, 1+3, 57=6, 67 г/кг, таким образом: критическая (пусковая) концентрация НзВОз в 1 контуре: СВкр. = 6, 67 г/кг.
Задача 4.5. Определить критическое (пусковое) положение 6-й группы АРК при пуске через 1 час после останова. При расчетах использовать НФХ 15-й топливной загрузки блока 1 КАЭС. Исходное состояние ЯР перед остановом: - средняя температура теплоносителя 1 контура 285^С; - мощность ЯР 1375 МВт тепловых; - время работы ЯР перед остановом 270 эф.сут.; - положение 6-й группы АРК 200 см от низа акт. зоны; - концентрация НзВОз в теплоносителе 0, 1 г/кг. Параметры ЯР, ожидаемые к моменту выхода в критическое состояние: - средняя температура теплоносителя 1 контура 270^С. По НФХ определяем: dr/dN=1, 96Е-3%/МВт; dr/dt=-6, 86Е-2%/^С;
DrXe =-0, 46%; rАРК* =1, 71%, следовательно:
DrАРКкр. = 1, 71-[1, 96Е-3 • 1375 + (-6, 86Е-2)• 15 + (-0, 46)]= 1, 71 - 1, 21 = 0, 5%.
По интегральной характеристике для 6-й группы АРК на рассматриваемый момент топливного цикла определяем, что критическое (пусковое) положение этой группы находится в интервале 80-85 см.
ТАБЛИЦА ДОПУСТИМЫХ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ РУ.
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-04-13; Просмотров: 1438; Нарушение авторского права страницы