Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Исходные предпосылки разработки 12
1.1 Обеспечение безопасности и линейное энерговыделение 12
1.2 Стационарные источники неравномерности энерговыделения в усовершенствованных активных зонах 20
1.3 Проектные пределы линейного энерговыделения 28
1.4 Запас линейного энерговыделения на регулирование 34
1.5 Методики анализа и алгоритмы гашения ксеноновых колебаний 36
1.6 Выводы к главе 1 46
Глава 2 Методика эксплуатационного предела 47
2.1 Исходные положения 47
2.2 Методика построения обобщенного проектного предела 48
2.3 Анализ обобщенного проектного предела для ВВЭР-1000 50
2.4 Методика оценки вклада увеличенных зазоров 55
2.5 Базовые измерения и исходные положения для оценки зазоров. 56
2.6 Оценка зазоров по результатам термомеханических расчетов.. 62
2.7 Влияние зазоров на увеличение линейного энерговыделения... 65
2.8 Инженерные коэффициенты 69
2.9 Определение эксплуатационного предела 73
2.10 Выводы к главе 2 75
Глава 3 Методика аналитического анализа аксиальных ксеноновых колебаний с учетом управления и результаты ее применения 76
3.1 Постановка и решение пространственной задачи 76
3.2 Решение уравнений нестационарного отравления 83
3.3 Интегральные соотношения управления 85
3.4 Результаты сравнения аналитических и трехмерных расчетов.. 86
3.5 Результаты применения аналитической методики
3.6 Выводы к главе 3 98
Глава 4 Формализованная методика управления офсетомв базовых условиях эксплуатации 100
4.1 Исходные требования управления 100
4.2 Определение базовых положений методики 100
4.3 Моделирование переходных режимов и их управления 113
4.4 Эксперименты на первом блоке Калининской АЭС 122
5.6 Выводы к главе 4 126
Глава 5 Автоматическое управление в режимах следования за нагрузкой 127
5.1 Исходные условия и техническая реализация 127
5.2 Формализация управления офсетом при слежении за нагрузкой 129
5.3 Расчетное моделирование 132
5.4 Выводы к главе 5 134
Заключение 135
Список литературы 137
- Стационарные источники неравномерности энерговыделения в усовершенствованных активных зонах
- Методика построения обобщенного проектного предела
- Решение уравнений нестационарного отравления
- Определение базовых положений методики
Введение к работе
Актуальность темы
В ежегодном Послании Федеральному Собранию от 10 мая 2006 года президентом РФ сформулирована перспективная энергетическая стратегия России, предусматривающая последовательное наращивание доли выработки электроэнергии на атомных станциях с доведением ее до уровня ведущих ядерных стран мира. Для реализации данной стратегии постановлением Правительства Российской Федерации № 605 от 6 октября 2006 года принята Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года» [1]. Программа сориентирована на действующее поколение реакторов и в первую очередь на использование ВВЭР-1000 с учетом их модернизации и улучшения. Модернизация рассчитана на повышение экономичности реакторов, которое в основном будет происходить по пути совершенствования топливного цикла за счет увеличения средней глубины выгорания вплоть до целевого значения -70 МВт*сут/кги и реализации длительных топливных загрузок, отвечающих повышению коэффициента использования установленной мощности (КИУМ). Кроме того, ближайшее развитие ядерной энергетики будет продолжено на базе нового разрабатываемого проекта АЭС-2006, в котором сохранена активная зона ВВЭР-1000, но предусмотрено повышение ее мощности на ~10% и изменение температурного режима для увеличения коэффициента полезного действия (КПД) реакторной установки. Наиболее остро для ВВЭР-1000 сегодня стоит задача обоснования его маневренной работы [2].
Реализация поставленных задач невозможна без обоснования безопасной эксплуатации ВВЭР-1000, важной составляющей которого является разработка методики определения эксплуатационного предела линейного энерговыделения для системы внутри реакторного контроля (СВРК). В ходе совершенствования активных зон в условиях достижения глубоких выгораний топлива были выявлены факторы, требующие своего нетрадиционного учета в методике для обеспечения эксплуатации ВВЭР-1000 на номинальной мощности. Это
Лист 5
увеличение зазоров между тепловыделяющими сборками (ТВС), вследствие их искривления, и введение проектных пределов линейного энерговыделения разных типов, вытекающих из обоснования прочности твэлов (ограничения по
максимальной величине и по скачкам).
і Резервом для совершенствования активных зон ВВЭР-1000 является
снижение запаса линейного энерговыделения на регулирование. Обеспечение
эксплуатационного предела в этом случае связывается с надежностью гашения
ксеноновых колебаний. Данная задача совмещается с задачей автоматического
управления полем энерговыделения в маневренных режимах следования за
нагрузкой, являющейся наиболее актуальной для ВВЭР-1000 и требующей еще
своего концептуального исследования. Основой для решения указанных задач
служит формализованная методика управления ксеноновых колебаний,
которую необходимо разрабатывать.
Цель работы
Разработать методику расчета эксплуатационного предела линейного энерговыделения для контроля усовершенствованных активных зон ВВЭР-1000 с высокими выгораниями топлива.
Разработать методику инженерного анализа аксиальных ксеноновых колебаний и способов их управления в активных зонах ВВЭР-1000 с использованием аналитического приближения для изучения формализованных алгоритмов управления.
3. Разработать формализованную методологию управления полем
энерговыделения в условиях ксеноновых колебаний и исследовать ее
применение в эксплуатационных режимах ВВЭР-1000, включая в маневренных
режимах следования за нагрузкой.
Научная новизна
1. Впервые разработан способ построения обобщенного проектного предела линейного энерговыделения, как часть методики определения
Лист 6
эксплуатационного предела, позволяющий проводить проверку эффективности использования частных проектных ограничений при контроле активной зоны.
Разработана методика расчета эксплуатационного предела линейного энерговыделения для усовершенствованных активных зон ВВЭР-1000 с учетом нетрадиционных источников неравномерности энерговыделения, выявленных в ходе освоения высоких выгораний топлива.
Впервые разработана аналитическая методика для инженерного анализа аксиальных ксеноновых колебаний и способов их управления в точечном приближении активной зоны ВВЭР-1000.
С помощью аналитической методики показаны преимущества контроля ксеноиовых колебаний с использованием токового офсета и офсет-мощностиой диаграммы, вместо применяемых сегодня потоковых величин.
Впервые концептуально разработана формализованная методология для автоматического управления полем энерговыделения в эксплуатационных режимах ВВЭР-1000, включая в маневренных режимах следования за нагрузкой.
Практическая ценность работы
1. Методика расчета эксплуатационного предела использовалась и
продолжает использоваться при внедрении и последующей эксплуатации
усовершенствованных активных зон ВВЭР-1000. Она является штатной
процедурой для энергоблоков с ВВЭР-1000 в России, Украине, Болгарии, Китае
и предусмотрена в проектах АЭС в Иране и Индии.
2. Аналитическая методика применена при разработке формализованного
алгоритма управления ксеноновыми колебаниями в эксплуатационных режимах
ВВЭР-1000. Она является самостоятельным инженерным инструментом для
качественных исследований ксеноновых процессов с учетом управления.
3. Основные рекомендации формализованного алгоритма управления
получили отражение в технических обоснованиях безопасности ВВЭР-1000,
технических условиях на топливо, регламентах эксплуатации.
Лист 7
4. Сформулированы подходы к практической реализации автоматического управления энергораспределением в эксплуатационных режимах ВВЭР-1000, включая режимы следования за нагрузкой.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендации
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена:
данными экспериментов и специальных измерений на энергоблоках АЭС с ВВЭР-1000;
аналитическим решением базовых уравнений переходного ксенонового процесса;
верифицированными проектными методами нейтронно-физического и термомеханического расчетов;
- методами статистической обработки данных измерений.
Личное участие автора
Личный вклад состоит:
- в разработке теоретической части всех методик и их обосновании;
в анализе и использовании данных измерений кривизны кассет на энергоблоках с ВВЭР-1000 и результатов сопровождающих термомеханических расчетов;
в руководстве экспериментами по управлению ксеноновых колебаний при освоении мощности на блоке 1 Калининской АЭС.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Способ построения обобщенного проектного предела линейного
энерговыделения на основе отдельных ограничений, вытекающих из
обоснования безопасности и результаты, его применения для активных зон
ВВЭР-1000 с глубокими выгораниями топлива.
2. Методика определения эксплуатационного предела линейного
энерговыделения для ВВЭР-1000.
3. Аналитическая методика инженерного анализа аксиальных ксеноновых
колебаний в ВВЭР-1000 и способов их управления.
Лист 8
4. Формализованная методология управления ксеноновых колебаний в эксплуатационных режимах ВВЭР-1000 и исследование ее применимости.
Апробация работы
Основные результаты работы представлялись на международных Симпозиумах специалистов ВМК по физике ВВЭР в 1986 г. /ГДР/, 1987 г. /СССР/, 1988г. /НРБ/, Симпозиуме AER в 2004г. /Финляндия/, международных Научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» под эгидой МАГАТЭ и Росатома в 2001, 2003 и 2005 гг., в периодических изданиях в сб. ВАНТ и ж. «Атомная энергия», а также в монографии, изданной в издательстве «Академ книга» в 2004г.
По теме диссертации опубликовано 12 научных работ и докладов, из них 5 - в рецензируемых изданиях.
Список работ, опубликованных но теме диссертации
1. Обоснование нейтрошю-физической и радиационной частей проектов
ВВЭР./А.К.Горохов, Ю.Г.Драгунов, Г.Л.Лунин и др. - М.:ИКЦ «Академкнига»,
2004.-496 с.
Основные итоги разработки и внедрения циркониевых топливных сборок на ВВЭР-1000. / С.Н. Кобелев, И.Н.Васнльченко, А.К.Горохов и др.// 2-я Всероссийская научно-техническая конференция. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. Тез. докл. - Подольск, 19-23 ноября, 2001. - с.73.
Учет отклонения межкассетных зазоров при обосновании безопасной эксплуатации реакторов ВВЭР-1000 / А.К.Горохов, А.В.Воронков, К.Б.Косоуров, Е.А.Цыганков, И.В. Носовский // 2-я Всероссийская научно-техническая конференция. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. - Подольск, 2001, т. 1, -с. 278-285.
Г.Л. Пономаренко, А.В.Воронков, А.К.Горохов. Вероятностный метод оценки влияния зазоров между ТВС на энерговыделение в активной зоне ВВЭР-1000. // Атомная энергия. - 2001. - т. 91, вып. 1. - с. 8-13.
Лист 9
5. А.К.Горохов. Методика аналитического анализа аксиальных
ксеноновых колебаний и режимов их подавления в реакторах ВВЭР-1000 и
некоторые результаты ее применения.// Вопросы атомной науки и техники.
Серия: Обеспечение безопасности АЭС. - 2006. - вып. 15.-е. 13-30.
6. А.К.Горохов. Ограничение аксиального офсета в реакторах ВВЭР-1000
при выполнении маневров мощности.// Вопросы атомной науки и техники.
Серия: Обеспечение безопасности АЭС. - 2006. - вып. 15. -с.31-44.
Расчетные исследования локальных энерговыделений и прочности твэлов в активной зоне ВВЭР-1000 в четырехгодичном топливном цикле. / А.К.Горохов, П.Е.Филимонов, В.И.Павлов, А.М.Павловичев, А.В.Медведев. // 2-я Всероссийской научно-технической конференции. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. - Подольск, 2001, т. 2. - с. 3-9.
Использование топлива ВВЭР-1000 в режимах маневрирования в современных топливных циклах. / А.К.Горохов, А.К.Подшибякин, Г.Л.Лунин, П.Е.Филимонов, А.В.Медведев, С.М.Богатырь, // 3-я Всероссийская научно-техническая конференция. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР.- Подольск, 2003, т 3.-е. 5-17.
Контроль линейной тепловой нагрузки в активной зоне ВВЭР-1000 с помощью офсет-мощностной диаграммы. / С.П.Аверьянова, Г.Л.Лушш, П.Е.Филимонов, А.К.Горохов, С.М.Богатырь // Атомная энергия. -2002. - т.93, вып.1. - с. 13-18.
10. Внедрение усовершенствованных алгоритмов управления
энерговыделением активной зоны ВВЭР-1000 на Хмельницкой АЭС. /
С.П.Аверьянова, Ю.М.Семченков, П.Е.Филимонов, А.К.Горохов,
В.Л.Молчанов, А.А.Коренной, В.П.Макеев. // Атомная энергия. -2005. - т.98,
вып.6. -С.414-421.
11. Требования к характеристикам маневренности АЭС и аспекты их
выполнения в новых проектах реакторных установок с ВВЭР. /
М.А.Подшибякин, Н.П.Коноплев, А.К.Горохов и др. // 4-я Международная
Лист 10
научно-техническая конференции. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. — Подольск, 2005. т.1. - с. 217-221.
12. Моделирование свободных ксеноновых колебаний в активной зоне реактора ВВЭР-1000 с использованием комплекса программ САПФИР_95&11С. / В.Г.Артемов, А.К.Горохов и др. // 4-я Международная научно-техническая конференции. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. -Подольск, 2005, т.6. -с. 179-184.
Разработка методики расчета эксплуатационного предела линейного энерговыделения в значительной мере связана с проблемой межкассетных зазоров в активной зоне. Решение этой проблемы для ВВЭР-1000, включавшее проведение массовых измерений на действующих энергоблоках и проведение сопровождающих термомеханических расчетов искривленных активных зон, явилось результатом творческих усилий большого коллектива сотрудников не только в ОКБ «Гидропресс», но и в ФГУ РНЦ КИ, ГНЦ РФ ФЭИ.
Автор благодарит их за творческое сотрудничество, как при решении проблемы зазоров, так и в целом за поддержку при подготовке данной работы.
Лист 11
Стационарные источники неравномерности энерговыделения в усовершенствованных активных зонах
В разрабатываемых и модернизируемых активных зонах основной акцент сделан на повышение эффективности топливного цикла за счет применения современных стратегий перегрузок топлива, улучшения нейтронно-физических свойств активной зоны, повышение надежности конструкций кассет и твэлов, а также на эксплуатацию с учетом повышения КИУМ. Экономический эффект достигается, как за счет экономии природного урана на изготовление кассет, так и снижения общей себестоимости выработки электроэнергии [9,18,19].
Конечной практической целью реализуемых в проектах ВВЭР-1000 мероприятий стало последовательное освоение все более глубоких выгораний топлива [2,9,7,20-22].
Начало совершенствованию активных зон было положено переходом «серийного» ВВЭР-1000 на эксплуатацию ТВС в режиме трехгодичной топливной кампании. В 1987 г. этот переход был практически завершен [23].
В трехгодичном цикле максимальное выгорание кассет было доведено до 44,5 МВт-сут/кти против ЗО МВт-сут/кгІІ при двухгодичной кампании и до 49 МВт-сут/кги в случае оставления части кассет на четвертый год работы [9,23].
Особенностью активных зон стало использование топливных сборок бесчехловой конструкции с несущим каркасом, образованным направляющими каналами (НК) для перемещения ОР СУЗ и дистанционирующими решетками (ДР). В первых модификациях кассет для обеспечения повышенной жесткости каркаса использовались НК и ДР из стали вместо циркония - традиционного реакторного материала с низким поглощением нейтронов. Кроме того, впервые были применены стержни с выгорающим поглотителем (СВП), размещаемые в НК, не занятых ОР СУЗ [23]. Потребность в СВП возникла из-за увеличения запаса реактивности на выгорание и необходимостью компенсации ее части для обеспечения внутренней саморегулируемости активной зоны во всем диапазоне ее критических состояний [9].
Трехгодичные загрузки проектировались исходя из размещения свежих кассет на периферии активной зоны и перемещения выгоревших кассет при перегрузках в среднюю часть активной зоны. При этом, как и в ВВЭР-440 в кассетах использовались твэлы с основным и профилирующими обогащениями топлива [9].
В связи с положительным опытом эксплуатации бесчехловых кассет в топливном цикле стали применяться более экономичные усовершенствованные тепловыделяющие сборки (УТВС) с ДР и НК из циркониевого сплава, к 2000 г. полностью заменившие «стальные» кассеты. Соответствующее уменьшение паразитного поглощения нейтронов позволило при одинаковой выработке энергии за кампанию снизить обогащение топлива подпитки с 4,4% до 3,7% и существенно снизить потребление природного урана на изготовление кассет. В целом в результате применения УТВС расход природного урана был снижен более, чем на 20% по сравнению с начальным этапом эксплуатации «серийных» кассет. С другой стороны понижение обогащения топлива привело к смягчению спектра нейтронов и, как результат, к необходимости увеличения количества выгорающего поглотителя, которое по заложенным возможностям не могло быть обеспечено с помощью СВП. В связи с этим СВП были заменены интегрированными с топливом гадолиниевыми выгорающими поглотителями, получившими название твэгов по аналогии с твэлами [9,23].
На базе УТВС комплектовались активные зоны для работы в трех годичном топливном цикле при оставлении части кассет на четвертый год эксплуатации [9,23,24]. УТВС применялись на энергоблоках Балаковской АЭС и энергоблоке Кч\ Ростовской АЭС. На сегодня они предусмотрены в проектах ВВЭР-1000 для зарубежных АЭС в Китае, Иране и Индии [9].
Таким образом, на начальном этапе совершенствования активных зон были введены новые источники неравномерности энерговыделения такие, как циркониевые НК, СВП и твэг. Их учет в дальнейшем был осуществлен непосредственно в методиках проектного и эксплуатационного нейтрошю-физического расчета активной зоны [7].
После достижения выгораний 36-40 МВт-сут/кти и более на энергоблоках АЭС с ВВЭР-1000 в России, Украине и Болгарии были зафиксированы случаи непроектного времени падения ОР СУЗ при срабатывании аварийной защиты, и имели случаи зависания отдельных ОР СУЗ по высоте активной зоне [25-29]. В ходе дальнейших исследований эти события были объяснены искривлением кассет в результате в основном чрезмерного осевого зажатия ТВС и снижения жесткости ТВС в условиях длительного облучения. Проблема падения ОР СУЗ и уменьшения искривления на начальном этапе частично была решена за счет доработка блока защитных труб (БЗТ), утяжеления штанг ОР СУЗ, а также в результате перехода на эксплуатацию ТВС-М с модернизированными, мягкими головками ТВС и затем перехода на эксплуатацию УТВС.
Следствием искривления явилось также и увеличение зазоров между ТВС относительно номинального значения. Увеличение количества замедлителя и соответственно доли тепловых нейтронов приводят в этом случае к повышению энерговыделения твэлов. Проблема зазоров ранее не ставилась и поэтому не рассматривалась в проектных обоснованиях безопасности. Отсюда ее можно отнести к новой проблеме, свойственной бесчехловым ТВС первого поколения при достижении критического среднего выгорания топлива в активной зоне.
Первая консервативная оценка увеличения энерговыделения твэлов была получена автором на основе данных термомеханического расчета искривления одиночной ТВС под действием осевого сжимающего усилия, выполненного специалистами РНЦ «Курчатовский институт». Эта оценка была подтверждена также и независимыми расчетами экспертов.
Методика построения обобщенного проектного предела
Ограничивающая кривая для скачков энерговыделения AQlnm3(B) (см. рис. 1.4) одинакова для твэлов и твэгов и зависит от локального выгорания. При этом скачки определены относительно значений линейного энерговыделения, формируемых при выгорании на номинальной мощности. То есть формально в процессе эксплуатации требуется периодический анализ всех твэлов и твэгов в активной зоне, в том числе по их высоте. Объем контроля, таким образом, существенно возрастает и становится неоправданным даже для современных вычислительных средств СВРК. Задача упростится если выделить обобщенный проектный предел, исключающий взаимную блокировку ограничений и поэтому не требующий текущего анализа тех областей ограничений, которые при эксплуатации в принципе не будут достигаться.
Обобщенный предел находится способом, названным как «фильтрация генерируемого потока линейного энерговыделения и его скачков». Суть способа заключается в следующем: 1) С помощью программ нейтронно-физического расчета ВВЭР-1000 для различных моментов топливной кампании моделируются эксплуатационные режимы с учетом переходных ксеноновых процессов, регламентных скоростей изменения мощности реактора, регламентной работы ОР СУЗ и борной системы. По данным расчетов образуются объемные поля точек линейного энерговыделения qi(z,B) m для твэлов и твэгов и поле точек на плоскости для их скачков Aq[(B)klm, где к - номер текущего момента топливной кампании, 1 — номер типового переходного режима на ксеноне, m - номер текущего момента времени переходного режима. - Проводится программный анализ сформированных полей с отбраковкой тех его точек, для которых не выполняются проектные пределы на линейное энерговыделение и скачки. Предполагается, что на практике такая отбраковка будет обеспечиваться применением соответствующих алгоритмов подавления ксеноновых колебаний или действием локальных защит; - Отфильтрованные объемные поля проецируются затем на плоскости (,,z)и {qt,B). Полученные контура проекций, а также контур на плоскости скачков (Мі,Щбудут представлять оптимальные или работающие пределы, с использованием которых может быть выбран обобщенный проектный предел, а также уточнены исходные пределы.
Данная методология имеет общий характер и может быть применена для исследования любого вида и количества пределов. Для генерации потока линейного энерговыделения рассматриваются характерные эксплуатационные режимы такие как, выход на мощность после перегрузки топлива, временные частичные и полные разгрузки реактора, в том числе с переводом его в горячее состояние, восстановление номинальной мощности после длительной работы на промежуточном уровне мощности и др.
Применение методики рассмотрено ниже на примере четырехгодичного топливного цикла, наиболее распространенного сегодня для ВВЭР-1000. Эксплуатационные режимы моделировались с учетом регламента их проведения с помощью комплекса БИПР-7Л[74]-ПЕРМАК-А[119]. Данные для различных моментов работы стационарной топливной загрузки суммировались, позволив, таким образом, охватить весь спектр выгораний топлива. Результаты фильтрации объемных полей данных для твэлов и твэгов в виде проекций расчетных точек на плоскости (qnz)u (qnB) представлены на рисунках 2.2-2.3. На плоскости выгорания (q,,B)проецируемые точки даны в виде запаса линейного энерговыделения до проектного предела. На плоскости высотной координаты (qt, z) точки даны непосредственно в величинах qi в сравнении с проектным пределом. Данные выделены по годам эксплуатации топлива в реакторе. На рисунке 2.4 приведено спроецированное поле скачков линейного энерговыделения в сравнении с предельной кривой. На рисунке 2.5 показаны отфильтрованные диапазоны отклонений офсета на номинальной мощности, соответствующие проектному пределу линейного энерговыделения. Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы: 1) При эксплуатации граничная поверхность линейного энерговыделения для твэгов принципиально не достигается и не нарушается граница скачков энерговыделения. Таким образом, обобщенная граница полностью описывается поверхностью для твэлов Ql (z,)me" (см. соотношение (2.1)); 2) Максимумы линейного энерговыделения соответствуют высотам —20% в нижней части и 80% в верхней части активной зоны (рис.2.3). В верхней точке проектный предел достигается на ниспадающем отрезке (В-С) кривой F(z)me}\ Достижение предела в нижней точке на отрезке (А-В) кривой F(z)me3J блокируется лимитной кривой для твэл G(B)meri при значениях выгорания в диапазоне примерно 10-30 МВт.сут/кги (рис.2.2). Полученный результат указывает на не оптимальность базового ограничения F(z)me3 1 по кривой (А-В-С) и целесообразности его замены на ограничение по кривой (D-E-C), где на отрезке (D-E) реализуется достигаемый максимум энерговыделения; 3) Переход к оптимальному проектному пределу по кривой (D-E-C) приводит к следующим важным следствиям: - Анализ текущих линейных энерговыделений в СВРК не требует учета ограничений по выгоранию и привлечения потвэльных расчетов выгорания. В этом случае мы возвращаемся к базовому, более простому контролю линейного энерговыделения по лимитной кривой, зависящей только от одной высотной координаты; - Для четырехгодичного топливного цикла ВВЭР-1000 можно отказаться от проектной нагрузки в 448 Вт/см, как принципиально не достигаемой при эксплуатации и перейти к нагрузке 405 Вт/см, соответствующей уровню (D-E). Выявленный резерв -10% позволяет при его использовании увеличить запасы безопасной эксплуатации и повысить лицензионные возможности проекта. С другой стороны появляются дополнительные возможности для обоснования безопасности при внедрении новых типов топлива и повышении мощности; 4) Косвенный контроль линейного энерговыделения на номинальной мощности внутри обобщенной границы QI (г,В)тюл может быть обеспечен также на основе отклонений аксиального офсета от стационарного значения. В приведенных расчетах предельные отклонения составили примерно ±(12-14)% (см. рис.2.5). С учетом различных дополнительных факторов неопределенности допустимые отклонения несколько меньше; 5) Обобщенные проектные границы линейного энерговыделения должны уточняться для новых топливных циклов, а их адекватность в очередных топливных загрузках проверяться, например, в эксплуатационных нейтронно физических расчетах с применением методологии «фильтрации».
Решение уравнений нестационарного отравления
Распределения концентрации йода и ксенона отвечают фундаментальной гармонике нейтронного потока и не зависят от времени переходного процесса.
Величину F с достаточной точностью можно определить через величину эффекта реактивности, соответствующую стационарному отравлению ксеноном Архе, и расчетную величину коэффициента размножения реактора к.
Полученные формулы могут быть рассчитаны с помощью стандартных вычислительных средств. Рассматриваемые ниже расчеты были выполнены с помощью программы XENON, написанной автором на языке FORTRAN-77.
Управление офсетом осуществляется вместе с компенсацией эффектов реактивности, выделяющихся при изменениях мощности и нестационарном отравлении ксеноном. Воздействия производятся за счет перемещения групп ОР СУЗ и работы системы борного регулирования.
Отсюда соотношения для ксенонового процесса дополняются уравнением баланса эффектов реактивности на к-тых интервалах времени: где Ару;Ар е;Аруз;АрьЕР - эффекты от изменения мощности (ANk), отравления ксеноном [АХе \ изменения положения групп ОР СУЗ (АНк) и изменения концентрации бора в теплоносителе (АСЬ ). В исследуемых областях эффекты описываются линейными зависимостями, в виде произведений отклонений параметров на коэффициенты реактивности по этим параметрам.
По отклонениям концентрации бора АСЬ могут быть восстановлены такие параметры управления борной системы как расходы подпитки и продувки. Пространственное управление применяется, в основном, на стационарных уровнях мощности после извлечения рабочей группы ОР в верхнюю половину активной зоны. Здесь производные реактивности и офсета по перемещению группы совпадают по знаку и близки к константам (см. рис. 3.9), что позволяет ввести для этой области понятие коэффициента реактивности по величине офсета {dpiди).
Таким образом, соотношения (3.17), (3.22), (3.25), (3.26) образуют полную систему соотношений для аналитического анализа аксиальных ксеноновых колебаний и их управления в точечной модели реактора с входными константами, определенными из трехмерных расчетов или экспериментов. Преимуществом данного похода является гибкость и оперативность настройки на анализ различных вариантов управления, а также наглядность анализа. Для численных расчетов автором была разработана программа XENON.
На рисунке 3.1 приведено сравнение данных пускового эксперимента на первом блоке Ростовской АЭС по возбуждению свободных аксиальных ксеноновых колебаний с результатами расчетного моделирования режима по формулам (3.17). Колебания были инициированы при выгорании около 30 эфф.сут. на мощности 72% путем погружения на 4 часа рабочей группы ОР СУЗ в активную зону до высоты 60%. Воздействие группой в расчетах задавалось смещением офсета в соответствии данными эксперимента. В качестве исходных данных использовались также экспериментальные значения индекса стабильности и периода колебаний.
Лист Режим рассмотрен в момент работы топливной загрузки, равный 90%. В данном примере ступеньки начального отклонения офсета около ±10% с длительностью по 4 часа задавались в БИПР-7А за счет изменения положения рабочей группы.
Приведенные сравнения указывают на достаточную представительность аналитического приближения, как для качественных, так и в ряде случаев, количественных исследований пространственного управления ксеноновыми колебаниями. Наибольшая точность расчетов (3.17) соответствует отклонениям офсета до -30-35%, где еще хорошо работает линейное приближение исходных уравнений (3.1) и (3.2). Данная область офсета отвечает задачам исследования.
На рисунке 3.3 сопоставлены расчеты нестационарного отравления ксеноном по программе БИПР-7А и формуле (3.22) при снижении мощности реактора с номинального уровня до различных промежуточных значений N. В расчетах принят форм-фактор, равный 0,9 при его возможных значениях 0,8-1.
Определение базовых положений методики
В исходном состоянии (на номинальной мощности при положении группы ОР СУЗ в рабочем положении) управляющие воздействия равны нулю, офсет находится на целевой прямой, а токовая разность концентрации ксенона соответствует его начальному значению. Из (4.1) следует, что если при изменениях мощности за счет управления ОР СУЗ офсет продолжает удерживаться на линии целевого значения, что соответствует сохранению
формы энергораспределения, то отклонения концентрации ксенона остаются неизменными и ксеноновые колебания не возникают. То есть линия целевого офсета становится осью равновесия для колебаний.
То есть (4.2) соответствует рабочим положениям группы ОР СУЗ, компенсирующим воздействие температурного источника (см. рис. 3.9-3.10) в зависимости от мощности. На рисунке 4.2 приведено сравнение диапазона регулирования рабочей группы ОР СУЗ, используемого сегодня в проекте ВВЭР-1000 и его рекомендованное расширение для выполнения (4.2).
Попутно отметим, что (4.2) описывает одну из возможных стратегий управления, оптимально удовлетворяющую исходным условиям № 1 и № 2. Возможность ее реализации, в частности, показана на рисунке 3.9. В этом режиме роль ОР СУЗ сведена к управлению офсетом, а поддержание критичности с учетом компенсации эффектов мощности и нестационарного отравления возложены на борную систему регулирования. Такое смещение акцента может быть принято для начального периода работы топливной загрузки. К концу работы загрузки оно становится неприемлемым из-за существенного возрастания отходов борного регулирования при снижении концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура.
Автоматическое управление в динамических режимах, заключается в наблюдении за контролируемыми параметрами и выполнении однотипных управляющих воздействий по достижении ими управляющих уставок. Данный принцип, например, заложен в работе автоматического регулятора мощности реактора (АРМ). Аналогично будем решать и задачу управления офсетом. Требуемые воздействия обеспечиваются перемещениями рабочей группы ОР СУЗ под управлением АРМ.
Выделим внутри области предельного отклонения ксенона (см. рис.4.1) зону с более низким уровнем возбуждения {зону нечувствительности). Границы зоны +AIO определим в качестве линий уставок, запускающих программы борного регулирования при их пересечении офсетом изнутри зоны. Пересечение положительной границы включает режим подачи конденсата (разбавления), приводящий к снижению концентрации борной кислоты в первом контуре. Вводимая реактивность компенсируется погружением рабочей группы под управлением АРМ. Аналогично пересечение отрицательной границы производит переключение на режим подачи концентрированного борного раствора (борирование), приводящий к повышению концентрации борной кислоты. Вводимая реактивность компенсируется под управлением АРМ извлечением рабочей группы. В обоих случаях инициируется движение группы в направлениях, обратных изменению офсета, которое ограничивает отклонение офсета в пределах зоны ±А10т, а соответствующее отклонение ксенона в пределах своей зоны AXe1H(N). Этот режим характерен для работы на постоянной мощности при положении группы в области оптимального воздействия на офсет. Согласно рис. 4.2, в этой области осуществляется и контроль границ перемещения группы. Схема та же, что и для офсета, то есть разбавление бора при достижении верхней границы и борирование при достижении нижней границы. Соответственно управляющие сигналы будут формироваться по достижении ближайшей границы.
Для изменений мощности в общем случае требуется нескольких групп. Поэтому в ходе их перемещений будут заведомо превышаться границы хотя и без превышения границ безопасности (см. рис.4.1), приводя к возбуждению ксеноновых колебаний. В силу инерционности возбуждения, отклонения концентраций ксенона в пределах условия (4.3) могут быть ограничены при своевременном снятии возбуждающего воздействия за счет извлечения групп за время AT с переводом рабочей группы в область оптимального офсета.
