Особенности регулирующих стержней управления, их характеристики

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА ЛЕКЦИЯ №2 «Внутренние контуры обратных связей по температуре и отравлению. Особенности регулирующих стержней управления, их характеристики.» Лектор: доцент ОЯТЦ ИЯТШ Бадретдинов Т.Х. 2020 План лекции 2.1 Изменение реактивности в нестационарных режимах. 2.1.1 Температурный эффект реактивности. 2.1.2 Отравление реактора. 2.2 Особенности регулирующих стержней управления, их характеристики. 2 3 2.1 Изменение реактивности в нестационарных режимах При работе реактора на мощности и изменении температуры топлива происходит изменение эффективного коэффициента размножения. Это изменение вызвано следующими причинами: o изменением изотопного состава топлива; o изменением ядерных сечений, связанных с изменением температуры ядер и температуры нейтронного газа; o изменением плотности веществ в реакторе; o изменением геометрических характеристик реактора. Изменение изотопного состава топлива происходит во времени сравнительно медленно и приводит к медленному изменению реактивности (процессы отравления – 149Sm, 135Xe и шлакования). Изменение температуры приводит к быстрому изменению реактивности (температурный эффект реактивности). Таким образом, реактор можно представить как динамическую систему с обратными связями. 4 2.1 Изменение реактивности в нестационарных режимах Drвн Dr Drос реактор «нулевой» мощности N температурный эффект реактивности отравление Drвн – внешняя реактивность; Drос – реактивность обратной связи. 2.1.1 Температурный коэффициент реактивности Коэффициент размножения изменяется при изменении температуры реактора по следующим причинам: ▪ в связи с изменением ядерных свойств и допплер-эффектом; ▪ в связи с изменением плотности материалов реактора. Изменение микроскопических сечений ядер при изменении температуры происходит из-за так называемого допплер-эффекта. Допплер-эффект заключается в увеличении относительной скорости ядер и нейтронов при повышении температуры топлива, а также средней скорости замедленных нейтронов, которая в реакторах на тепловых нейтронах определяется температурой замедлителя. В реакторах на тепловых нейтронах допплер-эффект отрицателен (это связано с увеличением захвата нейтронов в 238U. Зависимость σc от E для 238U Уширение резонансного пика 77р 5 Ядерный температурный эффект реактивности — это изменение реактивности при разогреве или расхолаживании реактора в заданном интервале температур, обусловленное температурными изменениями микроскопических сечений компонентов активной зоны при условии постоянства плотности этих компонентов. Плотностный температурный эффект реактивности — это изменение реактивности при разогреве или расхолаживании реактора в заданном интервале температур, обусловленное температурными изменениями плотности компонентов активной зоны при условии постоянства микроскопических сечений этих компонентов и размеров активной зоны. Плотность вещества также изменяется при изменении давления (барометрический эффект реактивности). Повышение температуры ведет к увеличению длины диффузии L и возраста нейтронов, что увеличивает утечку нейтронов в процессах замедления и диффузии. С изменением температуры изменяются свойства отражателя, размеры элементов активной зоны, что также приводит к изменению коэффициента реактивности. 6 2.1.1 Температурный коэффициент реактивности Таким образом, поведение реактора в переходных режимах определяется частными температурными коэффициентами реактивности по топливу, теплоносителю, замедлителю и отражателю. В связи с этим вводятся понятия: ❖ температурный коэффициент по топливу (горючему) KГ – характеризует изменение реактивности при изменении средней температуры топлива на 1 С; ❖ температурный коэффициент реактивности по теплоносителю KT – характеризует изменение реактивности при изменении температуры теплоносителя на 1 С; ❖ температурный коэффициент реактивности по замедлителю KЗ – характеризует изменение реактивности при изменении средней температуры замедлителя на 1 С; ❖ температурный коэффициент реактивности по отражателю KОТ – характеризует изменение реактивности при изменении температуры отражателя на 1 С. Величина KОТ обычно мала и ей пренебрегают. Общее изменении реактивности можно представить в виде суммы: Dr = K Г DtГ + KT DtT + K З DtЗ , (2.1) ΔtГ, ΔtT, ΔtЗ – отклонение температур горючего, теплоносителя и замедлителя от соответствующих температур в номинальном стационарном режиме. 7 8 2.1.1 Температурный коэффициент реактивности Для установившегося режима можно принять: tГ = tT .ВХ. + KГQ,  tT = tT .ВХ. + KT Q, t = t  З T .ВХ. + KЗQ, (2.2) где tT.ВХ. – температура теплоносителя на входе в реактор; Q – тепловая мощность реактора. Для номинального режима уравнение (2.2) запишется в виде: t Г = t T .ВХ. + K Г Q,  t T = t T .ВХ. + KT Q,  t З = t T .ВХ. + K З Q, С учетом Dt Г = tГ − t Г , DtT = tT − t T , DtЗ = tЗ − t З ( ) ( (2.3) подставим (2.2) и (2.3) в (2.1) ) Dr = KQ Q − Q + KT .ВХ. tT .ВХ. − t T .ВХ. , (2.4) 2.1.1 Температурный коэффициент реактивности ( ) ( ) Dr = KQ Q − Q + KT .ВХ. tT .ВХ. − t T .ВХ. , (2.4) где KT.ВХ. – температурный коэффициент реактивности, численно равен изменению реактивности реактора при равномерном разогреве на 1 C (выражается 1/ C); KQ – мощностной коэффициент реактивности, численно равен изменению реактивности при увеличении мощности на единицу при постоянной входной температуре теплоносителя (1 / МВт или 1 / %). Для реакторов ВВЭР суммарный коэффициент реактивности находится в пределах (24)10-4 1/C, для уран-графитовых реакторов – на уровне (0,30,6)10-4 1/C. Зависимость ТКР в ВВЭР – 440 от температуры воды при различных концентрациях борной кислоты С. 9 2.1.2 Отравление реактора 10 При работе и остановке реактора изотопный состав топлива изменяется. Изменение состава топлива сводится к следующим процессам: Выгорание – процесс уменьшения концентрации первоначально загруженного в активную зону топлива (например, 235U). Воспроизводство – процесс образования вторичных делящихся веществ (например, 239Pu). Шлакование – процесс накопления в топливе стабильных и долгоживущих нуклидов, участвующих в непроизводительном захвате нейтронов. Отравление – процесс накопление в топливе короткоживущих нуклидов, также участвующих в непроизводительном захвате нейтронов. Процессы выгорания, воспроизводства и шлакования являются медленными, поэтому их необходимо учитывать в грубости системы. Процесс отравления находится в одних временных рамках с управлением. 2.1.2 Отравление реактора Практически отравление топлива обусловлено накоплением сечение захвата нейтронов. 135Xe, 11 имеющего большое Различия в поглощении нейтронов ксеноном-135 в тепловом, быстром и промежуточном реакторах. Схема образования и убыли йода и ксенона и её упрощение. 12 Приведенный процесс образования 135Xe может быть описан следующим уравнением: (2.5) dJ =  J Ф −  J J, dt T  J - выход йода на одно деление. (2.6) Полученная система двух дифференциальных уравнений называется СДУ отравления реактора ксеноном 13 14 2.1.2 Отравление реактора Различают равновесное (стационарное) и максимальное отравление (йодная яма). Состояние реактора, при котором концентрация называется стационарным отравлением. 135Xe не изменяется во времени, (2.7) (2.8) Из (2.7) и (2.8) можно определить концентрации 135J и 135Xe: (2.9) (2.10) 15 2.1.2 Отравление реактора Подставив (2.9) в (2.8), получим (2.11) 5% «Йодная яма» Йодная яма - это нестационарное переотравление реактора ксеноном сверх отравления его на момент останова, обусловленное превышением темпа распада йода, накопленного до момента останова, над темпом распада ксенона. уравнения (2.5) и (2.6) преобразуются к виду: dXe =  J J −  Xe Xe, dt dJ = − J J. dt (2.12) (2.13) Качественная картина изменений концентраций йода и ксенона после останова реактора График нестационарного переотравления реактора ксеноном после останова («йодная яма»). Любая йодная яма охарактеризуется двумя параметрами - глубиной (ΔρXe*) и временем наступления максимума (t*), зависящими от режимных параметров работы реактора до останова. Глубина йодной ямы – это превышение максимального отравления реактора ксеноном после останова над отравлением его в момент останова. 16 2.1.2 Отравление реактора Качественный характер изменения мощности и реактивности при отравлении реактора 17 18 2.2 Особенности регулирующих стержней управления, их характеристики Стержни, предназначенные для аварийной остановки реактора, называют стержнями аварийной защиты (стержни АЗ). Стержни, служащие для грубой регулировки мощности с пульта оператора, называют стержнями ручной регулировки (стержни РР) или компенсирующими. Стержни, с помощью которых производится точная регулировка мощности в автоматическом режиме, без участия оператора, называют регулирующими (стержни АР). K −1 =  K  K −1 =  K эфф изб ост Для управления реактором наиболее важными вопросами, касающимися стержней СУЗ, являются следующие: • суммарная эффективность (вес) каждого стержня ρ ст; • зависимость интегральной эффективности стержня от места погружения (радиуса) г; • зависимость дифференциальной и интегральной эффективности стержня от глубины погружения; • эффекты интерференции стержней; • изменение эффективности стержней при выгорании топлива. 19 Действие перемещаемого по высоте активной зоны стержня-поглотителя всегда комплексно. Положение стержня-поглотителя по высоте активной зоны характеризуется отстоянием его нижнего конца от плоскости нижнего торца активной зоны (Н). 20 2.2 Особенности регулирующих стержней управления, их характеристики 21 Интегральной эффективностью подвижного поглотителя в рассматриваемом его положении по высоте активной зоны (Н) называется величина положительной реактивности, сообщаемой реактору при подъёме этого поглотителя от НКВ до этого положения Н. Дифференциальной эффективностью подвижного поглотителя в рассматриваемом положении Н по высоте активной зоны называется величина положительной реактивности, высвобождаемой при подъёме его от заданного положения Н на единицу длины. 22 Интерференция подвижных стержней-поглотителей Интерференция поглотителей – это явление взаимного влияния различных поглотителей на характеристики друг друга. 1 — активная эона; 2 — центральный стержень; 3 — близко расположенный стержень; 4 — удаленный стержень; 5 — невозмущенная плотность потока; 6 — плотность потока нейтронов, возмущенного введением центрального стержня 23 Для совокупности перемещающихся стержней имеют место следующие соотношения: · существует определенное расстояние между двумя соседними стержнями, которое обеспечивает их максимальную эффективность; это расстояние выдерживают при проектировании решетки каналов реактора; · если расстояние между стержнями превышает эту определенную величину, то их общая эффективность становится больше суммы эффективностей стержней (так называемая положительная интерференция); · если стержни расположены очень близко друг к другу, то их общая эффективность будет меньше суммы эффективностей каждого (отрицательная интерференция). 24 Требования ПБЯ. 1. Для АЗ. Каждый реактор должен иметь минимум две независимые, основанные на разных принципах, системы гашения ЦР, каждая из которых должна быть в состоянии заглушить реактор и удерживать его в подкритическом состоянии не менее -1% К с учетом всех возможных эффектов реактивности. Введение реактивности. 2.1. Введение отрицательной реактивности не ограничивается. 2.2. Положительная реактивность, суммарно вносимая органом регулирования ОР (без промежуточной пошаговой фиксации), должна быть не более 0.7 βeff. 2.3. Если требование 2.2. не выполняется, то ввод положительной реактивности должен быть с «шагом» не более 0.3 βeff.; между шагами должна производиться принудительная механическая фиксация ОР и выдержка по времени, достаточная для затухания переходных процессов (20-100сек). 2.4 Скорость ввода положительной реактивности ОР в любом случае должна быть не более 0.07 βeff /сек. 25 Специальные требования (ПБЯ) предъявляют к аппаратуре и приборам: 1) в работе должно быть не менее трех независимых каналов контроля нейтронной мощности; 2) в работе должно быть не менее трех независимых каналов контроля скорости нарастания мощности (периода); 3). если в работе менее 3 каналов контроля мощности и периода, то должен быть выработан сигнал АЗ; 4). логика СУЗ и АЗ работает по мажоритарной схеме 2 из 3; 5). диапазоны контроля мощности (ДИ, ДП, ДЭ) должны перекрываться между собой не менее чем на порядок. 26