Процеси и действия, водещи до непреднамерено въвеждане на реактивност

16. Самопроизволно извеждане или изхвърляне на орган или органи за регулиране при пуск на реактора, при критичен реактор на нулева мощност или при работа на мощност

17. Самопроизволно падане на орган или органи за регулиране при пуск на реактора, при критичен реактор на нулева мощност или при работа на мощност

18. Непреднамерено намаляване на концентрацията на борна киселина в I контур

19. Планово или като последица от погрешни действия въвеждане в работа на неработещ циркулационен кръг. Включване на ГЦП. Разхлаждане на реактора

 

Всяка промяна на реактивността води до промяна в неутронната мощност на реактора. Процесите и действията, водещи до непреднамерено въвеждане на реактивност, включват:

·      Самопроизволно извеждане или изхвърляне на орган или органи за регулиране при пуск на реактора, при критичен реактор на нулева мощност или при работа на мощност.

·      Самопроизволно падане на орган или органи за регулиране при пуск на реактора, критичен реактор на нулева мощност или при работа на мощност.

·      Непреднамерено намаляване на концентрацията на борната киселина в I контур.

·      Планово или като последица от погрешни действия въвеждане в работа на неработещ циркулационен кръг. Включване на ГЦП. Разхлаждане на реактора

 

Последствията от събития с непреднамерено въвеждане на реактивност зависят от изходното състояние на реактора, от знака на въведената реактивност, от стойността на въведената реактивност и от скоростта на въвеждане на реактивност.

Изходните състояния на реактора могат да бъдат следните:

а) Критичен реактор на мощност;

б) Критичен реактор на нулева мощност (без ядрено греене, N << Nном);

в) Подкритичен реактор.

 

В състояние “критичен реактор на мощност”, ако въведената реактивност не излиза извън границата на управляемост, реакторът без външна намеса се стабилизира на по-високо или по-ниско ниво на мощността.

 

В състояние “критичен реактор нa нулева мощност” липсва стабилизиращата отрицателна обратна връзка по мощност.

 

Качествено процесите при скокообразно въвеждане на реактивност са показан на Фиг. 16.1. При скокообразна промяна на реактивността на реактор, работещ на мощност, реакторът се стабилизира на по-високо ниво при положителен скок на реактивност. "Внесената" положителна реактивност се компенсира от отрицателна реактивност от отрицателния мощностен ефект. При внесена отрицателна реактивност реакторът се стабилизира на по-ниско ниво на мощност поради освободена положителна реактивност от мощностния ефект. Тези процеси са показани с плътна линия.

При критичен реактор на нулева мощност при въвеждане на положителна реактивност ρ < βeff реакторът не се стабилизира, а се наблюдава положителен период. Ако няма външна намеса, стабилизация би могло да се очаква след време, при поява на забележимо ядрено греене и проявяване на отрицателната обратна връзка по мощност.

При критичен реактор на нулева мощност при въвеждане на отрицателна реактивност реакторът преминава в подкритично състояние и неутронната мощност се стабилизира на ниво , където S е интензитетът на емисия на неутрони от ядреното гориво в следствие на спонтанно делене на уран и трансурани, l е средното време на живот на едно поколение неутрони. Тези процеси са показани с пунктир.

Фигура 16.1. Поведение на критичен реактор на мощност (плътна линия) и критичен реактор на нулева мощност (пунктирна линия) при скокообразно въвеждане на положителна и отрицателна реактивност.

 

16. Самопроизволно извеждане или изхвърляне на орган или органи за регулиране при поддържане на нулева мощност или работа на мощност.

При събитие с извеждане или изхвърляне на ОР се достига най-високата възможна скорост на въвеждане на положителна реактивност.

Ако реакторът е на мощност, при самопроизволно извеждане или изхвърляне на ОР се достига стабилизация на по-високо ниво на мощност. Ако реакторът е на нулева мощност, при самопроизволно извеждане или изхвърляне на ОР се наблюдава положителен период и увеличение на неутронната мощност.

Голямата положителна реактивност на един орган за регулиране може да се избегне конструктивно – ОР да са конструирани така, че всеки един от тях да е с малка ефективност, което означава много на брой ОР. При ОР с дадена ефективност такива събития се избягват чрез технологичния регламент: забранява се реакторът да се намира в критично състояние и регулиращата група да е по-ниско от определена височина. При това положение ефективността на отделен орган за регулиране е ограничена до стойности осигуряващи управляемост на реактора.

В някои условия извеждането на ОР може да доведе до внасяне на около 1 βeff или значително повече реактивност, и то за много кратко време. Това може да се получи, ако  другите ОР са потопени в активната зона въз основа на ефекта на преразпределение на неутронния поток. При такова положение на ОР реакторът е дълбоко подкритичен според ТР. Достигане на критичност чрез водообмен се извършва след вдигане на ОР.

Пример 1: Самопроизволно извеждане или изхвърляне на ОР

a) Реакторът е на мощност 90% Nном. При самопроизволно изхвърляне на ОР е въведена положителна реактивност от 0.04 %. С колко MW (топлинни) ще се увеличи мощността, ако  = -5х10-4 %/MW (За ВВЕР-440 оценете с  = -1х10-3 %/MW)?

Въведената положителна реактивност от изхвърления орган за регулиране Δρ ще се компенсира от отрицателния мощностен ефект , където ΔN e промяната в мощността:

, или                                                                                                  16.1

 MW

При работа на АРМ въведената положителна реaктивност ще се компенсира с движение на работната група надолу:

б) Реакторът е на нулева мощност. При самопроизволно изхвърляне на ОР е въведена положителна реактивност от 0.04 %. С какъв асимптотичен период се увеличава неутронният поток, колко е мигновеният скок?

В състояние критичен реактор без обратни връзки в приближение за една усреднена група закъсняващи неутрони, при въвеждане на реактивност ρ поведението във времето на неутронният поток Φ е:

                                                      16.2

където:

τ е средното време на живот на ядрата предшественици на закъсняващи неутрони, τ = 1/λ, τ » 13 s, λ е усреднената константа на разпад на всички групи закъсняващи неутрони, l е средното време на живот на мигновените неутрони, за реактор ВВЕР l » 5х10-5 s.

Асимптотичният период при въвеждане на положителна реактивност е положителен и е равен на:

                                                                                                   16.3

При зададената стойност за ρ за асимптотичния период се получава:

                                                                              16.4

При въвеждане на положителна реактивност ρ < β за време, например около или по-малко от 1 s, втората експонента достига пренебрежимо малка стойност, първата експонента е приблизително 1. Веднага след въвеждане на положителната реактивност неутронния поток се изменя със скок:

,                                                                               16.5

При самопроизволно движение на или изхвърляне на група ОР, ако сумарната въведена реактивност е под 1 β (граница на управляемост на реактора) се достига до значителни промени на мощността при работа на мощност и къс период на увеличение на неутронната мощност при нулева мощност. Ако приемем, че в движението са участвали 7 ОР, то ρ = 7х0.04 % = 0.28%.

Тогава оценката е:

 MW при работа на мощност,                                                 16.6

 при работа на нулева мощност

 

В състояние критичен реактор на нулева мощност е необходимо да бъде осигуряван надежден контрол по неутронен поток за осъществяване на защита по период. Без контрол на неутронния поток са възможни т.н. пускови аварии при бързо въвеждане на положителна реактивност.

 

17. Самопроизволно падане на орган или органи за регулиране при пуск на реактора, при критичен реактор на нулева мощност или при работа на мощност.

Ако реакторът е на мощност при самопроизволно падане на ОР се достига стабилизация на по-ниско ниво на мощност.

Ако реакторът е на нулева мощност при самопроизволно падане на ОР се наблюдава отрицателен период и намаление на неутронната мощност. Реакторът преминава в подкритично състояние. Неутронната мощност спада до ниво, определено от собствения източник на неутрони и коефициента на размножение на подкритичния реактор.

Пример 2: Самопроизволно падане на ОР

a) Реакторът е на мощност 90% Nном. При самопроизволно падане на ОР е въведена отрицателна реактивност от -0.04 %. С колко MW ще се намали мощността, ако  = ‑5х10-4 %/MW?

Въведената отрицателна реактивност от падналия орган за регулиране Δρ ще се компенсира от мощностния ефект , където ΔN e промяната в мощността:

,                                                                                                          17.1

или

 MW

За реактор ВВЕР-440 падането на сборка горивна касета/поглъщаща наставка води до образуване на голям воден обем в активната зона. Наличието на вода води до повишаване на мощността в съседните 6 касети и с голяма вероятност до масовото им разхерметизиране, ако операторът не забележи падането на сборката.

б) Реакторът е на нулева мощност. При самопроизволно падане на ОР е въведена отрицателна реактивност от -0.04 %. С какъв асимптотичен период намалява неутронният поток, колко е мигновеният скок, на какво ниво на неутронния поток се установява?

При самопроизволно падане на ОР при реактор на нулева мощност реакторът преминава в подкритично състояние.

Асимптотичния период при въвеждане на отрицателна реактивност е отрицателен и при зададената стойност на ρ за асимптотичния период се получава:

                                                                        17.2

При въвеждане на отрицателна реактивност ρ < β за време, например около или по-малко от 1 s, втората експонента достига пренебрежимо малка стойност, първата експонента е приблизително 1. Веднага след въвеждане на отрицателната реактивност неутронният поток се изменя със скок:

,                                                                           17.3

При критичен реактор на нулева мощност при въвеждане на отрицателна реактивност реакторът преминава в подкритично състояние. Неутронната мощност се стабилизира на ниво , където S е емисията на неутрони за единица време от ядреното гориво в следствие на спонтанно делене на уран и трансурани, l е средното време на живот на едно поколение неутрони с отчитане на закъсняващите неутрони, l » τβ » 0.1 s. Емисията на неутрони от спонтанното делене на уран (свежо гориво) и трансурани (натрупани в работило гориво) нормирани за един тон метал е приблизително 1.6х104 n/s.t (свежо) и ~2х108 n/s.t (работило гориво, дълбочина на изгаряне 30 MWd/kgU, отстояване няколко месеца).

При Keff = 1-0.0004 = 0.9996 и работило гориво, нивото, на което се установява броят неутрони излъчени за 1 s от един тон ядрено гориво в реактора е  = 5х1010 n/s.t.

Ако реакторът е в подкритично състояние при падане на ОР, реакторът ще премине в по-дълбока подкритичност.

Например при подкритичност –1 %, работило гориво, дълбочина на изгаряне 30 MWd/kgU, отстояване няколко месеца, първото ниво на неутронна мощност е  = 2х109 n/s.t. При падане на ОР новото ниво на неутронна мощност е  = 1.9х109 n/s.t.

За случаите, описани в раздели 16 и 17, разглежданията са направени без да се отчита работата на АРМ или сработване на защита.

 

18. Непреднамерено намаляване на концентрацията на борната киселина в I контур.

Намаляването на концентрацията на борната киселина може да се случи а) при работа на мощност, б) в състояние критичен реактор на нулева мощност с принудителна циркулация, и в) в състояние на реактора в режим на естествена циркулация, включително отворен за презареждане.

При намаление на концентрацията на борната киселина при работа на мощност, реакторът ще повиши мощността си и ще се стабилизира на по-високо ниво на мощност, ако липсва реакция от оператора или АРМ. Ако автоматичния регулатор на мощността е включен, ще се наблюдава спускане на регулиращата група и поддържане на мощността.

Съществено е обстоятелството, че поради работата на ГЦП няма локални обеми в I контур с по-ниска концентрация на борна киселина, топлоносителят е хомогенизиран.

 

18.1 Намаляване на концентрацията на борната киселина при работа на мощност и в състояние критичен реактор на нулева мощност

Пример 3: Въвеждане на чист кондензат

a) Реакторът е на мощност 90% Nном. При въвеждане на чист кондензат концентрацията на борна киселина е намалена с DCB = -0.01 g/kg. С колко MW ще се увеличи мощността, ако  = -5х10-4 %/MW и  = -1.5 %/g.kg-1?

Ако АРМ работи, с колко ще се спусне регулиращата група, ако  = 2х10‑3 %/cm.

Въведената положителна реактивност от намаление на концентрацията на борна киселина ρ ще се компенсира от мощностния ефект , където ΔN e увеличението на мощността:

,  , или                                                                           18.1

,  MW

При работа на АРМ въведената положителна реaктивност от намалението на борната киселина ще се компенсира с движение на работната група надолу:

                                                                                                18.2

б) Реакторът е на нулева мощност. При въвеждане на чист кондензат концентрацията на борна  киселина е намалена с DCB = -0.01 g/kg. Какъв ще бъде периодът на реактора, ако  = -1.5 %/g.kg-1?

При намаляване на концентрацията на борна киселина се въвежда положителна реактивност и при нулева мощност се появява положителен период. Въведената положителна реактивност е

                                                                            18.3

 

18.2 Намаляване на концентрацията на борната киселина  в състояние на реактора в режим на естествена циркулация

При въвеждане на чист кондензат в режим на естествена циркулация не се извършва добро смесване на водата и е възможно преминаване през активната зона на вода с концентрация на борната киселина много ниска или почти нулева. При това е възможно в локален обем да възникне критично или надкритично състояние. Такава ситуация може да се получи при затворен реактор и при отворен за презареждане реактор.

 

Пример 4: Преминаване на чист кондензат през АЗ в режим на естествена циркулация

След презареждане коефициентът на размножение в студено състояние е 1.22. ОР са в АЗ. Нека разгледаме случай за ефективност на OР rСУЗ = -10 % (ефективността на ОР в студено състояние е по-ниска). Концентрацията на борната киселина е 12 g/kg,
 .

През реактора преминава “мехур” от чист кондензат. Какъв ще бъде ефектът от преминаването на чиста вода през зоната?

Описаният случай е възможно най-тежката ситуация от въвеждане на чиста вода в I контур. Ако размерите на “мехура” от чист кондензат са ³ 1 m, то в тази зона може да се достигне критичност или дори надкритичност.

Реактивността на реактора при наличие на борна киселина в проценти е:

                                  18.4

Без борна киселина реактивността на реактора е:

                                                                  18.5

Единствените ефекти, които ще ограничат нарастването на неутронния поток, са отрицателният температурен ефект на горивото и в по-късна фаза кипенето на водата. Възможни са повреди на горивото.

 

19. Планово или като последица от погрешни действия въвеждане в работа на неработещ циркулационен кръг. Включване на ГЦП

 

19.1. Планово или като последица от погрешни действия въвеждане в работа на неработещ циркулационен кръг при ВВЕР-440.

Поради наличието на главни запорни задвижки при ВВЕР-440 е възможно да се изолират един или повече кръга. При това изолиране е възможно да се измени температурата в кръга. Възможно е също така след време концентрацията на борната киселина да се различава от концентрацията в действуващите кръгове. Например, ако след изолирането се намали мощността на реактора, концентрацията в действуващите кръгове ще бъде увеличена, в изолирания кръг ще остане по-ниска.

Ако планово или като последица от погрешни действия се въведе неработещ кръг, е възможно да се въведе реактивност по два канала – по температура и по концентрация на борна киселина.

 

Пример 5: Въвеждане на неработещ кръг

Изолиран е кръг. Температурата в кръга се е понижила с 10 °С спрямо средната температура на I контур. Концентрацията на борната киселина е същата както в I контур. Реакторът е на 50 %Nном, разглеждаме по-тежкия случай за края на кампанията, когато коефициентът на реактивност по температура е най-голям, r/Т = -5х10-2 %/оС. Нека обемът на изолирания кръг е 1/10 от обема на I контур. Какви ще бъдат последствията?

При въвеждане на изолирания кръг температурата в I контур ще се понижи с 1 oC. Ако АРМ не работи, реакторът ще се стабилизира на ново по-високо ниво на мощност, ако АРМ работи, ОР от 6-та група ще се спуснат надолу. Нека  = -1.2х10-3 %/MW,  = 2х10-3 %/cm.

а) АРМ не е включен:

, , или                                                                                19.1

б) АРМ е включен:

                                                                                                    19.2


 

19.2 Включване на ГЦП при ВВЕР-1000

При включване на изключена помпа на ВВЕР-1000 постъпва импулсно голямо количество вода и температурата на активната зона рязко намалява. Поради отрицателния температурен ефект мощността на реактора се увеличава, като мощността се ограничава само от мощностния ефект. Настъпва бърз преходен процес с резки промени на мощността и температурата на горивото. Поради два пъти по-големия коефициент на разширение на урановия двуокис отколкото на циркониевата обвивка, взаимодействието таблетка-обвивка става много интензивно при времена много по-къси от времето на релаксация на това взаимодействие. Моделирането на процеса показва, че ако мощността на реактора не бъде намалена преди включване на спряна главна циркулационна помпа, усилието отвътре достига стойности близки до усилията, които може да издържи циркониевата обвивка преди да се разкъса. За мощности над 30 %Nном вероятността за повреда на обвивката на ТОЕ е значителна. На Фиг. 19.1 е показано развитието във времето на усилието отвътре навън (взаимодействие таблетка-обвивка) при включване на ГЦП от начално състояние 40 %Nном - 1, и 30 %Nном - 2. Усилие от 200 MPa се счита за усилие, при което циркониевата обвивка се разкъсва.

Фигура 19.1. Развитие във времето на усилието отвътре навън (взаимодействие таблетка-обвивка) при включване на ГЦП от начално състояние 40 %Nном – 1, и 30 %Nном - 2. Усилие от 200 MPa се счита за критично усилие, при което циркониевата обвивка се разкъсва.

19.3. Разхлаждане на реактора

При спиране на реактора подкритичността се осигурява от спуснатите ОР и въвеждането на борна киселина съгласно наредба No.3, член 31:

“Поне една от предвидените независими системи за въздействие върху реактивността да осигурява преминаване от всяко състояние на нормална експлоатация в подкритично състояние и да поддържа това състояние като се вземе под внимание възможното освобождаване на реактивност при продължително разхлаждане
при всякакви нормални условия и отчитани изходни събития, в съответствие с принципа на единичния отказ в дадената система и при незадействане на един най-ефективен орган на реактивността.”

Нека при спиране на реактора всички органи за регулиране да са достигнали до долно положение. Нека допуснем невъвеждане на борна киселина (техническа или човешка грешка). При това реакторът се разхлажда. Възможно ли е да се достигне повторна критичност след като реакторът вече е бил приведен в подкритично състояние? Да възможно е.

Пример 6:

Нека приемем край на кампанията, когато ТКР е най-голям по абсолютна стойност. Ако разхлаждането става веднага след спирането може да не се отчита отравянето от Xe-135. Ако разхлаждaнeто става след 30 часа след спиранeто, положението допълнително се усложнява от разотравянето от Xe-135.

Нека приемем един усреднен температурен коефициент на реактивност в областта от около100 оС под средната температура на I контур при нормална експлоатация, r/Т = ‑4х10-2 %/оС. При спиране на реактора реактивността е:

                                                                                      19.3

където

 са бързопроявяващите се ефекти на реактивност,  е освободеният мощностен ефект,  е освободеният температурен ефект от намаление на температурата с 15-30 оС. При ВВЕР-1000 при спиране от 100 %Nном има и малък паров ефект.

Ако например , , , критичност ще настъпи при намаление на температурата с DТ:

                                                                 19.4

 = -137 оС

Повторна критичност ще настъпи след охлаждане до около 260 ‑ 137 = 123 оС.

Ако има намаление на температурата и пълно разотравяне от Xe-135, то уравнението за критичност ще има вида:

                                                       19.5

При освободена реактивност от Хе-135, rХе = 2.9 %, DТ = -65 оС.

 

ВЪПРОСИ И ЗАДАЧИ:

1.      Каква е основната разлика между състоянията “критичен реактор на мощност” и “критичен реактор на нулева мощност” по отношение на наличието на стабилизираща обратна връзка.

2.      Какво се наблюдава при критичен реактор на нулева мощност при въвеждане на положителна реактивност? Какво се наблюдава при критичен реактор на нулева мощност при въвеждане на отрицателна реактивност?

3.      Какво се наблюдава при реактор на мощност при въвеждане на положителна реактивност? Какво се наблюдава при реактор на мощност при въвеждане на отрицателна реактивност?

4.      Реакторът е на мощност 90% Nном. При самопроизволно изхвърляне на ОР е въведена положителна реактивност от 0.03. С колко MW ще се увеличи мощността, ако  = ‑4х10-4 %/MW?

5.      Реакторът е на нулева мощност. При самопроизволно изхвърляне на ОР е въведена положителна реактивност от 0.03 %. С какъв асимптотичен период се увеличава неутронният поток, колко е мигновеният скок?

6.      Какво се наблюдава при движение или изхвърляне на група ОР? Приемете стойностите от горната задача за 7 ОР.

7.       Какво се наблюдава при самопроизволно падане на орган или органи за регулиране при критичен реактор на нулева мощност? При работа на мощност?

8.      Реакторът е на мощност 90 %Nном. При самопроизволно падане на ОР е въведена отрицателна реактивност от -0.035 %. С колко MW ще се намали мощността, ако  = ‑4.5х10-4 %/MW?

9.       Реакторът е на нулева мощност. При самопроизволно падане на ОР е въведена отрицателна реактивност от -0.035 %. С какъв асимптотичен период намалява неутронният поток, колко е мигновеният скок, на какво ниво на неутронния поток се установява?

10.  Реакторът е на мощност 90 %Nном. При въвеждане на чист кондензат концентрацията на борна киселина е намалена с DCB = -0.005 g/kg. С колко MW ще се увеличи мощността, ако  = -4.5х10-4 %/MW и  = -1.6 %/g.kg-1?

11.  Реакторът е на нулева мощност. При въвеждане на чист кондензат концентрацията на борна киселина е намалена с DCB = -0.005 g/kg. Какъв ще бъде периодът на реактора, ако  = -1.6 %/g.kg-1?

12.  Каква е една от основните опасности при намаляване на концентрацията на борната киселина в състояние на реактора в режим на естествена циркулация?

13.  Какви ще бъдат ефектите при въвеждане на неработещ кръг с температура с 10 оС по-ниска спрямо средната температура на I контур? Концентрацията на борната киселина е същата както в I контур. Реакторът е на 50 %Nном, r/Т = -4х10-2 %/оС. Нека обемът на изолираният кръг е 1/10 от обема на I контур.

14.  Защо според ТР за 5 и 6 блок се изисква намаляване на мощността при включване на изключена ГЦП? Какви могат да бъдат последствията?

15.  Какво е това явление “повторна критичност”? Оценете температурата на повторна критичност при разхлаждане за ВВЕР-440 и ВВЕР-1000. Приемаме, че започва разхлаждане след 3 дни (разотровен реактор). Приемете усреднен температурен коефициент на реактивност в областта от около 100 оС под средната температура на I контур при нормална експлоатация, r/Т = -4.5х10-2 %/оС.