Введение к работе
Актуальность темы определяется необходимостью обеспечения и поддержания безопасности эксплуатации действующих АЭС с РУ РБМК. Безопасность пуска реактора является составной частью безопасности АЭС в целом, поэтому её обеспечение и повышение невозможно без расчётного анализа физических процессов, происходящих при пуске.
Пусковые режимы имеют следующие особенности в сравнении с режимами работы на энергетических и промежуточных уровнях мощности:
большой диапазон изменения реактивности, приводящий к значительным эффектам пространственного перераспределения нейтронного потока;
сильное влияние внешних источников нейтронов (ВИ) на распределение плотности нейтронного потока и проявление реактивностных возмущений в подкритическом состоянии реактора;
в широком диапазоне мощности практическое отсутствие обратных связей;
регулярные реактивностные возмущения из-за перемещений стержней СУЗ;
специфика системы контроля, не позволяющая на малой мощности в полной мере контролировать распределение плотности нейтронного потока внутри активной зоны.
Известно, что большие физические размеры и пространственная неравномерность свойств активной зоны РБМК могут приводить к возникновению значительной пространственной неравномерности плотности нейтронного потока. Исходя из особенностей пусковых режимов, можно увидеть, что условия для этого создаются именно при пуске реактора.
Так, большой диапазон реактивности и внешние источники нейтронов оказывают существенное влияние на динамику подкритического реактора при реактивностных возмущениях, в частности, извлечении стержней СУЗ. Отсюда следует необходимость анализа особенностей динамических свойств реактора при извлечении стержней в зависимости от их эффективности, подкритичности реактора и распределения интенсивности внешних источников нейтронов.
Другим примером сильного проявления «пространственных эффектов» является сброс стержней СУЗ при измерении подкритичности реактора. Так как при этом используется обратное решение уравнений «точечной» кинетики, то для корректности результатов измерения функция формы плотности нейтронного потока во время сброса должна оставаться неизменной. Исходя из этого, необходим анализ зависимости результатов измерения от деформации нейтронной плотности в процессе сброса стержней.
В настоящее время штатное обеспечение безопасности пуска РБМК в части численных расчётов состоит в поиске пусковой последовательности извлечения стержней СУЗ, выводящей реактор в критическое состояние с максимально равномерным распределением плотности нейтронного потока. Помимо такого поиска, для повышения надёжности расчётного обеспечения необходимо проводить прогнозные расчёты стержней максимальной эффективности в процессе вывода реактора в критическое состояние.
Расчётный анализ РБМК в пусковых режимах должен проводиться с помощью программ и методик, учитывающих специфику этих режимов. Создание и внедрение таких программ в практику исследовательских и штатных эксплуатационных расчётов позволит повысить надёжность расчётного обоснования безопасности эксплуатации РУ РБМК в целом.
Цель диссертационной работы:
Разработка программных средств моделирования пусковых режимов РБМК.
Проведение расчётного анализа пусковых режимов РБМК, в том числе:
расчёта поведения реактивности и диапазона её изменения при перемещениях одиночных стержней и групп стержней СУЗ в состояниях реактора с разной подкритичностью;
расчёта динамики реактора при перемещениях одиночных стержней и групп стержней СУЗ в состояниях с разной подкритичностью;
оценки источников погрешности при измерении подкритичности РБМК.
Анализ существующих регламентных требований к проведению пуска
реактора и ядерно-опасных работ на заглушённом реакторе, при
необходимости выработка предложений по их дополнению.
Научная новизна работы: Разработана и программно реализована новая итерационная методика расчёта 3D распределения выгорания топлива в РБМК, не требующая экспериментальных данных о высотном распределении энерговыделения.
Проведён расчётный анализ эффективности Ар стержней СУЗ в пусковых режимах РУ РБМК. Показан диапазон значений, принимаемых Др и минимальные наборы стержней, извлечение которых приводит к достижению критического состояния. Показано, что из-за наличия внешних источников нейтронов связь между эффективностью и функцией влияния стержней СУЗ в заглушённом состоянии реактора практически отсутствует.
Численно проанализирована функциональная зависимость эффективности стержней СУЗ Ap(Q(r),R) от распределения плотности нейтронного потока Q(r) в активной зоне и расстояния от отражателя R. Показана немонотонность и негладкость зависимости Ap(QnR) для конкретной активной зоны, где Qr - нейтронная плотность около стержня. На примере выборки из 15 пусковых состояний РУ РБМК показано, что связь между коэффициентом радиальной неравномерности Кг нейтронной плотности и максимальной эффективностью стержней является слабой как в -подкритическом, так и в критическом состоянии.
Проанализирована зависимость времени релаксации х плотности нейтронного потока Q(r) при извлечении стержней. СУЗ от исходной подкритичности р реактора, а также эффективности и взаимного расположения извлекаемых стержней. Показано, что в некоторых случаях т может достигать 10 минут.
Проанализированы источники погрешности экспериментального метода
определения подкритичности РБМК сбросом стержней СУЗ. Сделана их
количественная оценка.
Практическая ценность работы:
Внедрение разработанных методик и программных модулей в ПК DINA-РБМК увеличило точность и надёжность расчётов пусковых режимов РУ РБМК с его помощью.
Разработанные методики и программные модули также повысили точность и надёжность расчётов режимов номинальной и промежуточной мощности РУ с помощью ПК DINA-РБМК, и позволили применить комплекс для расчёта ядерного разогрева реактора.
ПК DINA-РБМК внедрён в опытную эксплуатацию на Смоленской и Курской АЭС и используется в НИКИЭТ для выполнения расчётов безопасности РБМК по тематике концерна «Росэнергоатом».
Расчётный анализ диапазона эффективности стержней СУЗ и дополнительных поглотителей на заглушённом реакторе РБМК подтвердил достаточность регламентных ограничений на их одновременное извлечение.
На защиту выносятся:
Методика расчётного моделирования поведения реактивности и пространственно-временного поведения плотности потока нейтронов в пусковых режимах РУ РБМК.
Алгоритмы и программные модули ПК DINA-РБМК с результатами их тестирования, включая:
алгоритм оптимальной передачи данных между модулями ПК;
модуль расчёта аксиального распределения выгорания топлива;
модуль двумерной коррекции выгорания;
модуль формирования интенсивности внешних источников нейтронов;
модуль расчёта концентрации пары Хе135-/135;
модуль имитации АИС «Кентавр» (мультиреактиметр и система детекторов);
модуль автоматизированного проведения пусковых расчётов;
модуль визуализации исходных данных и результатов расчётов.
Результаты расчётного анализа поведения реактивности и динамических
свойств РБМК при перемещениях стержней СУЗ в пусковых режимах.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов Численный анализ был проведён с помощью ПК DINA-РБМК, основанного на 3D динамической программе нейтронной кинетики DINA, созданной в 1993 г. За несколько лет эксплуатации для неё было проведено большое количество тестовых расчётов, как автономных, так и в составе связанных нейтронно-теплогидравлических программных комплексов. Результаты сравнивались с аналитическим решением, с экспериментальными данными и с результатами других программ. Тестирование показало, что при высокой скорости точность расчётов сравнима с аттестованными программами,
а в ряде случаев превосходит их за счёт современной численной схемы. Программа DINA принята в отраслевой фонд алгоритмов и программ (ОФАП) и находится на стадии подготовки к аттестации. Для моделирования пусковых режимов ПК DINA-РБМК был верифицирован на имеющейся экспериментальной базе по пускам блоков АЭС с РБМК. Личный вклад автора:
Адаптация программы DINA к расчётам нейтронной кинетики с ВИ.
Разработка и реализация алгоритма оптимальной передачи данных между программными модулями в ПК DINA-РБМК.
Участие в разработке и программная реализация модели расчёта поканальных высотных профилей выгорания топлива для РБМК.
Разработка и реализация программных модулей:
автоматизированного проведения пусковых расчётов;
двумерной коррекции выгорания; -^-^=- ...
формирования интенсивности внешних источников нейтронов;
расчёта концентрации парыХе135-?35
имитации АИС «Кентавр»;
визуализации исходных данных и результатов расчётов.
Верификационные расчёты для программы DINA и ПК DINA-РБМК.
Проведение расчётов и анализ полученных результатов.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались на семинарах и заседаниях НТС НИКИЭТ (2003 и 2004 г.г.), РНЦ КИ (2005 г.), ВНИИАЭС (2006 г.), МИФИ (2006 г.), ИАТЭ (2006 г.), а также на Ленинградской (2002 и 2003 г.г.), Курской (2003 г.) и Смоленской (2003 г.) АЭС. Верификация программы нейтронной кинетики DINA и сопутствующих модулей проводилась в рамках проектов TACIS, СЕА и Международного центра по ядерной безопасности (МЦЯБ) России и США (1997-1999 г.). Основные результаты работы были доложены на совместном заседании НТС «Математическое обеспечение и базы данных для расчёта реакторов и установок ядерного топливного цикла» секций «Физика ядерных реакторов и математическое обеспечение расчётов» и «Динамика, теплогидравлика и безопасность реакторов и АЭС» НТС «Ядерные реакторы и энергетика» Минатома России 13 мая 2004 г. по вопросу «Учёт пространственных эффектов при измерении реактивности на АЭС».
Основные результаты работы изложены в десяти печатных публикациях.
Структура и объём диссертации
Работа состоит из введения, обзора литературы, трёх глав, заключения и приложения. Диссертационная работа содержит 154 страницы, 94 рисунка и 21 таблицу.
