Условие устойчивости работы энергетического реактора на мощности

С понятием устойчивости встречаются едва ли не в любой области человеческой любознательности, особенно – в технических её областях.

Например, устойчивость корабля (в морской терминологии именуемая остойчивостью): остойчивость корабля – это его способность плавать в прямом ненаклонённом положении, сопротивляться действию внешних сил, стремящихся вывести корабль из этого положения, и возвращаться вновь к этому положению после прекращения действия возмущающих сил.

Представьте себе стоящее на якоре судно: при отсутствии возмущающих сил (например, при отсутствии дующего в борт ветра) оно стоит прямо, без крена. Подул слабый ветерок – судно накренилось на небольшой угол в направлении действия силы ветра и осталось в этом положении, сопротивляясь кренящему моменту. Ветер стал дуть сильнее – судно накренилось на больший угол, вновь сохранив устойчивое наклонённое положение (правильная конструкция позволяет судну создавать при крене восстанавливающий момент, равный по величине кренящему моменту и компенсирующий его, благодаря чему судно сохраняет устойчивое наклонённое положение при любых углах крена и не опрокидывается).

Аналогичным свойством обладает и правильно спроектированный реактор. Ему тоже присуща способность длительно устойчиво работать в критическом режиме (на постоянном уровне мощности) при отсутствии возмущений реактивности. Ему тоже свойственно при возмущении по реактивности переходить в состояние критичности на новом уровне мощности и возвращаться в состояние критичности на исходном уровне мощности после прекращения действия возмущения.

Устойчивость энергетического реактора – это его способность при случайных возмущениях реактивности постоянной величины переходить в критическое состояние на новом уровне мощности, а после снятия возмущения – возвращаться в критическое состояние на исходном уровне мощности.

Рассмотрим, какие процессы происходят в реакторе после воздействия на него случайных возмущений реактивности постоянной величины, и за счёт чего обеспечивается столь важное для нас свойство его устойчивости.

Возьмём для рассмотрения любой конкретный реактор, характеризуемый определённой кривой ТЭР (например, кривой III типа). Допустим, что такой реактора разогрет до номинальной средней температуры и работает в критическом режиме (k_э = 1, r = 0) на небольшом уровне мощности N_p0, и в некоторый момент он получает случайное возмущающее воздействие положительной реактивности r(t) = idem = r* постоянной величины.

Сообщение реактору r* > 0, разумеется, делает изначально критический реактор надкритическим, то есть его мощность начинает расти. При постоянном расходе охлаждающего активную зону теплоносителя в силу законов теплопередачи с ростом мощности начинает расти средняя температура теплоносителя в реакторе.

r(t)

r*

Dr_t r_S(t) = r* - Dr_t

0 t

N_p(t)

N_p1

N_p0

0 t

t_т(t)

t_т Dr_t = r*

t_т1

Dr_t

t_т0 t_т0

0 t

r_t(t_т)

Рис.10.2. Переходные процессы изменений реактивности, тепловой мощности и средней температуры

теплоносителя в реакторе с отрицательным ТКР после возмущения положительной реактивностью r*.

*) Расположенная в правом нижнем углу кривая ТЭР ради более наглядной согласованности с графиком переходного процесса изменений средней температуры теплоносителя повёрнута под углом 90^о.

По мере роста мощности и средней температуры растёт величина отрицательного температурного изменения реактивности реактора, которая по мере своего увеличения всё более и более уменьшает суммарную величину положительной реактивности, сообщённой реактору:

r_S = r* - Dr_t.

Следовательно, в процессе роста мощности и средней температуры когда-то должен наступить такой момент, когда отрицательные температурные потери реактивности Dr_t.сравняются по абсолютной величине с величиной положительной реактивности r*, первоначально сообщённой реактору, и величина суммарной воздействующей на реактор реактивности стане равной нулю.То есть реактор станет критичным на достигнутом к этому моменту уровне мощности, и дальнейший рост мощности и связанный с ним рост средней температуры теплоносителя прекратятся.

Таким образом, первый признак устойчивости реактора, упомянутый в её определении, выполнен, и из проделанных рассуждений следует, что этим свойством реальный реактор обязан тому, что в процессе роста его мощности и средней температуры в нём вырабатывается отрицательная реактивность температурного происхождения, которая постепенно «съедает» величину положительного возмущения сообщённой реактору реактивности r*.

А теперь посмотрим, как обстоит дело с выполнением второго признака устойчивости, а именно – с возвращением реактора на первоначальный уровень мощности после снятия величины положительного возмущения r*.

Теперь, когда реактор критичен на мощности N_p1 (то есть его реактивность равна нулю), снять положительную реактивность r* - это то же самое, что сообщить реактору отрицательную реактивность такой же величины. И вряд ли стоит рисовать систему графиков, подобную изображённым на рис.10.2, чтобы сообразить, что все переходные процессы изменений реактивности, мощности и средней температуры будут происходить в обратной последовательности. Сообщение первоначально критичному на мощности N_p1 отрицательной реактивности (-r*) делает реактор подкритическим, в результате чего он начинает снижать нейтронную и тепловую мощность. Снижение мощности при постоянном расходе теплоносителя приведёт к уменьшению средней температуры теплоносителя, что, в свою очередь, приведёт к температурному высвобождению положительной реактивности, которая, алгебраически складываясь с отрицательной реактивностью (-r*), приводит к всё большему и большему уменьшению абсолютной величины суммарной реактивности r_S, которое неминуемо закончится тем, что последняя упадёт до нуля (при возрастании Dr_t до |-r*|), и это случится именно в тот момент, когда мощность реактора и средняя температура теплоносителя в нём снизятся до исходных значений (N_p0 и t_т0 соответственно).

Теперь вернёмся к условию устойчивости реактора. Для приведенных рассуждений была взята кривая ТЭР реального реактора III типа, но с таким же успехом можно было бы взять кривую ТЭР I или II типа. Для кривых ТЭР всех трёх типов характерным является то, что все они имеют в зоне рабочих средних температур теплоносителя убывающий характер.

А если бы было по-иному? Если бы кривая ТЭР имела в этой зоне восходящий вид?

- При сообщении первоначально критическому реактору положительного возмущения r* реактор, становясь надкритическим, увеличивает мощность и среднюю температуру теплоносителя. С ростом температуры при возрастающем характере кривой ТЭР начинает высвобождаться температурная положительная реактивность Dr_t, которая, добавляясь к величине r*, увеличивает суммарную величину воздействующей на реактор положительной реактивности. Реактор начинает увеличивать мощность и среднюю температуру всё более и более возрастающим темпом, что приведёт к ещё большему темпу высвобождения положительной температурной реактивности, а последняя – к ещё большему темпу роста мощности и средней температуры… Чем это может без вмешательства человека закончиться – нетрудно себе представить: активная зона от перегрева твэлов будет разрушена. Реактор с такой кривой ТЭР, конечно же, не будет устойчивым. Приводя три характерных для энергетических ВВР кривых ТЭР, мы не делали замечаний о том, что кривая ТЭР принципиально может иметь и чисто восходящий характер. Потому, что, как теперь должно быть ясно, реактор с такой температурной характеристикой попросту не имеет право на существование.

Следовательно:

Условием устойчивости энергетического реактора является падающий характер кривой ТЭР в зоне рабочих средних температур или (выражаясь более профессионально) – отрицательность величины ТКР в этой зоне.

Конечно, обеспечить отрицательность и оптимальную величину ТКР реактора в течение всей кампании – задача конструкторов-расчётчиков активной зоны. Удел эксплуатационников – следить в течение всей кампании за тем, чтобы величина отрицательного ТКР не вышла за определённые пределы. Потому, что даже отрицательность величины ТКР в зоне рабочих средних температур не даёт гарантий обеспечения практической устойчивости работы реактора, которая определяется не только знаком ТКР (отрицательность ТКР – это только необходимое условие устойчивости), но и его абсолютной величиной.

Величина ТКР не может быть слишком малой. Какой смысл говорить о принципиальной устойчивости реактора, который при умеренном положительном возмущении r* = 0.15% прекратит увеличение мощности лишь тогда, когда она достигнет 200% от номинальной, а средняя температура теплоносителя вырастет выше 350^оС? Такой реактор без внешнего вмешательства в его работу (со стороны оператора или системы автоматического регулирования мощности – безразлично) опасен почти так же, как и реактор с положительным температурным коэффициентом реактивности. Поэтому малый по абсолютной величине отрицательный ТКР явно недостаточен для обеспечения практической устойчивости реактора.

Предположим далее, что удалось создать реактор с очень большим по абсолютной величине отрицательным ТКР в зоне рабочих температур. В этом случае увеличение средней температуры даже на 2 – 3 ^оС сопряжено с появлением большой температурной отрицательной реактивности, а, значит, даже для небольшого повышения мощности реактора потребуется затрачивать для компенсации этих потерь реактивности большие величины оперативного запаса реактивности реактора. Значит, и большой отрицательный ТКР – не хороший фактор, сковывающий маневренные свойства реактора. Но и это ещё – полбеды: в определённых условиях большой отрицательный ТКР может стать источником ядерной опасности. Достаточно представить себе ситуацию, связанную с резким охлаждением активной зоны (например, за счёт «заброса» в реактор относительно холодного теплоносителя): в результате резкого (даже небольшого по величине) падения средней температуры в активной зоне в этом случае будет практически без запаздывания высвобождена большая величина положительной реактивности, причём в течение столь малого промежутка времени, что введением подвижных поглотителей в активную зону скомпенсировать эту реактивность можно, попросту говоря, не успеть.

Следовательно, абсолютная величина отрицательного ТКР в зоне рабочих температур должна быть не малой и не большой, она должна быть оптимальной для данного типа реактора с учётом оперативных возможностей его органов СУЗ, требующейся для практики использования РУ маневренности, располагаемого оперативного запаса реактивности и некоторых других факторов.

Ещё раз подчеркнём то, о чём не имеет права забывать оператор РУ: обеспеченный в начале кампании отрицательный ТКР изменяет свою величину в процессе кампании. Значит, для того, чтобы пользоваться в расчётах достоверными данными, необходимо с должной регулярностью проводить физические измерения и уточнять температурные характеристики реактора.

Наконец, несмотря на обеспеченный расчётчиками отрицательный ТКР, для того, чтобы не выйти за пределы устойчивости, следует ограничивать величины разовых введений положительных реактивностей. Реактор – не ванька-встанька, способный подняться в вертикальное положение после толчка любой силы; чем меньшие по величине толчки положительных реактивностей он испытывает, тем лучше для него во всех отношениях. И, в первую очередь, - в отношении устойчивости его работы.