Исследование диаметральных ксеноновых колебаний в активной зоне ВВЭР-1000 при вводе в эксплуатацию блока №3 Калининской АЭС

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В активной зоне ВВЭР-1000 из-за достаточно больших ее размеров характерно возникновение ксеноновых колебаний - периодических перераспределений мощности по объему активной зоны. Обусловлены данные колебания периодическими отклонениями от равновесного распределения йода, ксенона и плотности потока нейтронов в различных участках активной зоны. При достаточно большой амплитуде эти колебания могут привести к повышению предельно допустимых значений 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 являться причиной нарушения теплотехнической надежности твэлов, их разгерметизации.

Условно ксеноновые колебания можно разделить на аксиальные, диаметральные, азимутальные и радиальные. Последние, как показали результаты исследований на энергоблоке №3 Калининской АЭС, являются апериодическими.

Предметом настоящего рассмотрения являются диаметральные ксеноновые колебания, которые могут возникнуть, например, при извлечении из активной зоны упавшего (или погруженного) отдельного органа регулирования, находящегося в периферийной части активной зоны.

Исследования диаметральных ксеноновых колебаний в активной зоне ВВЭР-1000 были выполнены нами при вводе в эксплуатацию энергоблока №3 Калининской АЭС и выгорании первой топливной загрузки, полностью укомплектованной из альтернативных тепловыделяющих сборок (ТВСА), (33.0 - 34.7) эффективных суток (эфф.сут.).

Целью данных исследований являлось не только определение характеристик рассматриваемых колебаний (например, периода, постоянной времени затухания и т.п.), но и исследование влияния изменения распределения энерговыделения в объеме активной зоны на показания внезонных детекторов нейтронного потока (ионизационных камер (ИК) аппаратуры контроля нейтронного потока (АКНП)) и на мощность, отводимую от реактора отдельными петлями первого контура.

Результаты таких исследований важны для подтверждения безопасности и устойчивости эксплуатации блока в различных эксплуатационных режимах и для верификации расчетных кодов имитации топливных циклов.

теплоноситель ксеноновый разгерметизация

Рис. 1. Схема расположения ТВС, органов регулирования СУЗ и их распределения по группам в активной зоне ВВЭР-1000

В процессе исследований диаметральные ксеноновые колебания были возбуждены погружением на 4 часа из крайнего верхнего в крайнее нижнее положение органа регулирования (ОР) с координатами 05-38 из группы №6 системы управления и защиты (СУЗ) реактора. Этот орган регулирования находился напротив петли №3 первого контура (см. рис. 1). Положение остальных ОР не изменялось. Регулирующая (№10) группа ОР находилась в положении примерно 90 % от нижних концевых выключателей (НКВ), или 93.8 % от низа активной зоны, а остальные группы ОР - в крайнем верхнем положении (ВКВ). Мощность реактора в ходе исследований поддерживалась в диапазоне (70 - 72)% номинальной величины изменением концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура. Продолжительность исследования составила 64 часа.

В ходе исследований автоматический регулятор мощности (АРМ) был отключен. Положение ОР СУЗ не изменялось, за исключением интервала времени срабатывания устройства разгрузки и ограничения мощности (РОМ) реактора в ходе имевшего место при проведении исследований отключения циркуляционного насоса машзала. Циркуляционный насос машзала отключился практически в конце проведения эксперимента при стабильной работе реактора на уровне мощности примерно 72 % Nном (1ч9 группы ОР - на ВКВ, 10 группа ОР - 90 %). В результате работой устройства РОМ мощность реактора была снижена до 59 % Nном. Группа № 10 при этом была погружена до 62,29 %. Примерно через 4 часа было восстановлено положение 10 группы ОР СУЗ (Н10 = 90 %), а несколько раньше - тепловая мощность реактора (равная 70 % Nном). На основании анализа состояния активной зоны после срабатывания РОМ, а также в момент восстановления положения ОР СУЗ и мощности реактора было решено продолжить исследование диаметральных ксеноновых колебаний. Как будет показано ниже, срабатывание РОМ в данном случае не повлияло на ход диаметральных ксеноновых колебаний в активной зоне реактора.

Мощность реактора в процессе настоящего эксперимента поддерживалась на уровне (70 - 72) % Nном, за исключением описанного выше интервала времени. С целью поддержания мощности реактора в указанном интервале производился, при необходимости, кратковременный ввод в первый контур либо дистиллята (при снижении мощности реактора), либо борного концентрата (при повышении мощности реактора).

Рис. 2. Изменение относительных энерговыделений в кассетах с координатами 05-38 и 11-20

Основные результаты исследования распределения энерговыделения в объеме активной зоны представлены на рис. 2 - 4:

- на рис. 2 - зависимости от времени относительного энерговыделения (Кq) в кассете с координатами 05-38 (в которой погружался ОР СУЗ) и в диаметрально противоположной кассете с координатами 11-20;

- на рис. 3 - зависимости от времени Кq в кассетах с координатами 02-35, 04-33, 06-31 и 08-29, лежащих на оси проходящей через тепловыделяющие сборки (ТВС) с координатами 02-35 и 08-29, и расположенные в половине активной зоны, где погружался ОР СУЗ (условно обозначим - первой половине);

Рис. 3. Изменение относительных энерговыделений в кассетах с координатами 04-33, 02-35, 08-29 и 06-31

- на рис. 4 - зависимости от времени Кq в кассетах с координатами 11-20, 10-23, 09-26 и 08-29, расположенных на оси, соединяющей кассеты с координатами 08-29 и 11-20 (условно обозначим - второй половине активной зоны).

Рис. 4. Изменение относительных энерговыделений в кассетах с координатами 11-20, 09-2 6, 08-29 и 10-23

Из анализа изменения во времени относительного энерговыделения в кассетах активной зоны реактора следует:

- колебания относительного энерговыделения в ТВС, принадлежащих разным двум условным частям активной зоны, происходят в противофазе (см. рис. 2);

- при приближении ТВС к условной оси, проходящей через кассеты с координатами 02-23 и 14-35, амплитуда колебаний Кq уменьшается;

- амплитуда колебаний относительного энерговыделения в ТВС, лежащих на условной оси и в других кассетах по мере удаления от центра увеличивается (см. рис. 3, 4);

- амплитуда колебаний Кq в соседнем с условной осью ряду ТВС, находящемся в первой половине активной зоны, меньше амплитуды изменений Кq в симметричных им ТВС, расположенных во второй половине активной зоны;

- относительное энерговыделение в ТВС, лежащих на условной оси, после извлечения ОР 05-38 изменяется незначительно, однако по фазе совпадает с изменением Кq в ТВС второй половины активной зоны;

- срабатывание РОМ по отключению циркуляционного насоса машзала принципиально не повлияло на зависимость от времени относительного энерговыделения в ТВС.

На рис. 5 показаны зависимости от времени относительной мощности реактора по каналам измерения 2-го рабочего диапазона (РД-2) АКНП. Из данного рисунка (см. также рис. 1) видно, что на интервале времени после извлечения из активной зоны органа регулирования 05-38:

- относительная мощность по каналам измерения № 17, 22, находящимся вблизи первой половины активной зоны, и каналам измерения № 2, 7, расположенным вблизи второй половины активной зоны, изменяется в противофазе;

- относительная мощность по каналам измерения № 12 и № 27, расположенным практически на условной оси, практически не изменяется;

Рис. 5. Изменение относительных мощностей ИК в РД-2 АКНП 1 - канал №2; 2 - канал №12; 3 - канал №22; 4 - канал №7; 5 - канал №17; 6 - канал №27

- срабатывание РОМ при отключении циркуляционного насоса машзала не повлияло на зависимости Nрд2i/Nрд2, где i - номер канала измерения АКНП, а Nрд2 - средняя по всем каналам измерения мощность реактора в РД-2 АКНП.

Рис. 6. Изменение отношений мощностей ИК в РД-2 АКНП к тепловой мощности реактора 1 - канал №2; 2 - канал №12; 3 - канал №22; 4 - канал №7; 5 - канал №17; 6 - канал №27

На рис. 6 представлены зависимости от времени отношений мощности по каналам измерения в РД-2 АКНП к тепловой мощности реактора, определяемой по параметрам теплоносителя 1-го контура (N1к). Эти зависимости практически аналогичны зависимостям Nрд2i/Nрд2(), приведенным на рис. 5. Имеющие место «провалы» на зависимостях Nрд2i/N1к обусловлены срабатыванием РОМ при отключении циркуляционного насоса машзала.

Рис. 7. Изменение относительных подогревов теплоносителя в петлях в процессе диаметральных ксеноновых колебаний 1 - ДТ1/ДТ; 2 - ДТ2/ДТ; 3 - ДТ3/ДТ; 4 - ДТ4/ДТ

На рис. 7 приведены зависимости от времени относительных подогревов теплоносителя в петлях первого контура. Здесь Тi - подогрев теплоносителя в i-ой петле, Т - средний по всем четырем петлям подогрев теплоносителя. Из рисунка видно, что наиболее значительные колебания подогревов теплоносителя имеют место, как и следовало ожидать, в петлях № 3 и № 1 первого контура, менее значительные - в петле № 4 и практически незначительные - в петле № 2.

Вычисление характеристик «свободных» диаметральных ксеноновых колебаний (амплитуды А0, циклической частоты щ, периода Тхе = 2р/щ, постоянной времени затухания хе и индекса стабильности б = -1/хе) проводилось на основе аппроксимации результатов эксперимента следующей формулой:

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

где х() - соответственно один из параметров: Кq(), Nрд2i/Nрд2(), или Тi/Т();

А0 - амплитуда колебаний параметра х();

xст - стационарное значение параметра х;

ц0 - начальная фаза колебаний (при = 0);

- текущее время.

Основные результаты выполненной аппроксимации экспериментальных изменений во времени Кq() (в ТВС 11-20, 10-19, 05-38, 04-37), Nрд2i/Nрд2() (i = 2, 7, 17, 22) и Тi/Т() (i - 1, 3) зависимостью (1) представлены в таблице. В этой таблице указаны также значения параметров, в области изменения которых исследовались «свободные» (после извлечения в крайнее верхнее положение ОР СУЗ 05-38) диаметральные ксеноновые колебания:

Тэф - эффективное время работы первой топливной загрузки;

Nт - тепловая мощность реактора;

H10 - положение 10-ой группы ОР СУЗ в активной зоне;

Сбк - концентрация борной кислоты в реакторе;

Твх - температура теплоносителя на входе в реактор;

ДТ - подогрев теплоносителя в реакторе;

P1 - давление теплоносителя в первом контуре.

Табл. 1. Параметры «свободных» диаметральных ксеноновых колебаний

В процессе исследований диаметральных ксеноновых колебаний были зарегистрированы изменения нейтронно-физических и теплотехнических параметров реакторной установки в течение двух периодов данных колебаний. Определены характеристики колебаний по изменениям во времени относительных энерговыделений в ряде ТВСА, мощности реактора по данным отдельных каналов аппаратуры контроля нейтронного потока и подогревов теплоносителя в петлях первого контура. Установлено, в частности, что период «свободных» диаметральных ксеноновых колебаний равен (27.5 ± 0.5) ч, практически равен аналогичному периоду, определенному при вводе в эксплуатацию блока № 1 Ростовской АЭС, не зависит от типа параметра, по изменению которого он определялся, и составляет примерно три периода полураспада ксенона-135. Соответствующая расчетная величина Тхе, вычисленная по данным изменений Кq, приведенным в альбоме НФХ для аналогичного процесса, равна 27.5 ч. Что касается постоянной времени затухания диаметральных ксеноновых колебаний, то по данным изменения параметров, относящихся ко второй половине активной зоны (противоположной ее половине, в которой расположен ОР СУЗ 05-38), он получается несколько большим, чем по данным параметров, относящихся к первой ее половине. Особенно это проявляется на значениях хе, вычисляемых на основе изменений во времени Кq. Аналогичная картина для хе имеет место также при анализе расчетных данных.

Результаты исследований рекомендуются для использования в верификации расчетных кодов, применяющихся в обосновании безопасности эксплуатации атомных станций.

Размещено на Allbest.ru