Механическая система управления и защиты
Механическая система управления и защиты реактора предназначена для:
• поддержания критического состояния при работе на стационарной мощности и управления распределения энерговыделения в активной зоне;
• изменения мощности реактора;
• осуществления предупредительной и аварийной защиты реактора.
Действие механической системы управления и защиты реактора основано на использовании поглощающих стержней (ПС), включающих в свой состав от 12 до 18 поглощающих элементов (ПЭЛ), использующих в своем составе карбид бора (В4С). Число ПЭЛ на каждом приводе в активной зоне менялось от проекта к проекту.
Одним из первых проектов АЭС с ВВЭР-1000 был проект В-187. В этом проекте число органов СУЗ насчитывало 109, а число ПЭЛ в каждом органе – 12. Затем произошел переход от проекта В-187 на проекты малой серии: В-302 и В-338. В данных проектах предполагалось уменьшение числа органов регулирования и, соответственно, количества приводов СУЗ с 109 до 49. Однако из уточненных физических расчетов, позднее выполненных в ИАЭ им. И.В. Курчатова, следовало, что из-за недостаточной эффективности карбида бора (В4С), примененного в поглощающих элементах, требуется увеличение числа органов регулирования с 49 до 61 шт. После рассмотрения технического проекта реактора В-302 и дополнительного обоснования ИАЭ им. И.В. Курчатова возможности оставления для одного комплекта реактора 49 органов регулирования было принято решение оставить это количество приводов только для одного 1-го блока Южно-Украинской АЭС. Поэтому реакторная установка под индексом В-302 была использована только для 1-го блока ЮУАЭС.
Для проекта В-338 было принято решение об увеличении количества органов регулирования до 61. Реакторная установка В-338 использована на 2-м блоке Южно-Украинской АЭС и на первом и втором блоках Калининской АЭС. Установка В-338 по составу оборудования и компоновке полностью соответствует реакторной установке В-302, за исключением количества органов регулирования.
При уменьшении количества органов СУЗ для серийного реактора число поглощающих элементов в каждом органе было увеличено с 12 до 18 шт. (в проекте В-338 и в дальнейших проектах).
Механическая система СУЗ в настоящее время на действующих АЭС состоит из 61 поглощающего стержня. Каждый ПС объединяет по 18 поглощающих элементов, перемещаемых внутри ТВС в специальных каналах индивидуальными приводами. Все ПС разбиты на 10 групп. Размещение органов СУЗ по группам в активной зоне (для 3-го блока Калининской АЭС и 1-го блока Ростовской АЭС) показано на рис. 11.
Рис.11 Картограмма расположения органов СУЗ в активной зоне 3-го
блока Калининской АЭС и 1-го блока Ростовской АЭС
В проекте ЯЭУ В-392 предполагается использовать усовершенствованный реактор В-392 повышенной безопасности. В нем увеличена эффективность аварийной зашиты за счет изменения количества ОР СУЗ до 121 привода, что позволяет поддерживать реактор в подкритическом состоянии при расхолаживании до 100 °С без ввода борного раствора (раньше эта температура составляла величину порядка 200 °С). Данное решение было принято для устранения возможности образования локальной критической массы в реакторе ВВЭР-1000 при захолаживании одного из секторов активной зоны. О данном явлении (явлении повторной критичности) было рассказано. Модернизованный реактор повышенной безопасности предполагается использовать на 6-м энергоблоке Ново- Воронежской АЭС (НВАЭС). Результаты разработки проекта реакторной установки В-392 использованы в проекте РУ В-412 для АЭС «Куданкулам» в Индии. Примерное размещение 121 ОР СУЗ показано на рис. 12.
Помимо изменения числа приводов СУЗ в активной зоне была произведена модернизация самого поглощающего элемента.
На рис. 13 показаны схематически новая и старая конструкции поглощающего элемента (ПЭЛ).
В ходе эксплуатации ПС СУЗ на действующих российских АЭС выявились некоторые недостатки ПС. Главное, что они оказались слишком легкими по гравитационному весу и могли при больших расходах теплоносителя через зону при движении органов вверх просто всплывать, увеличивая скорость извлечения и нарушая эксплуатационные характеристики активной зоны по многим параметрам.
Рис. 12. Картограмма условного расположения 121 органа СУЗ по группам
в активной зоне ВВЭР-1000 повышенной безопасности
Другим недостатком настоящей конструкции ПС является хрупкость основного материала поглотителя – карбида бора (керамика),приводящим к тому, что при падении органов СУЗ, керамика начинает разрушаться и деформировать оболочку поглощающего элемента (ПЭЛ) изнутри. Последствия этого явления могут быть очень неприятными, так как деформация ПЭЛ приводит к застреванию поглощающего элемента в направляющей трубке и уменьшению эффективности органа СУЗ. Для устранения этих дефектов была проведена модернизация ПС СУЗ за счет утяжеления верхней части над активной части ПЭЛ и нижней части стержня с помощью более тяжелого и прочного материала титанита диспрозия (Dy2O3+TiO2).
Рис. 13 Схематическое изображение ПЭЛ старой и новой конструкции
Данное решение устраняет сразу два вышеуказанных эффекта:
1) утяжеляет вес стержня и повышает ударную вязкость материала,
2) улучшает скоростные характеристики органов СУЗ при падении (до 2.5-3 с вместо 4).
Новая конструкция успешно прошла испытания на КлнАЭС и сейчас внедряется на всех действующих и вновь строящихся АЭС, как в России, так и за рубежом.
В реакторах В-302, В-338, В-320 и последующих проектах применены шаговые электромагнитные приводы СУЗ (ШЭМ), разработанные в ОКБ «Гидропресс», в отличие от линейных шаговых приводов СУЗ (ЛШП), разработанных в СКБ Ижорского завода и используемых в реакторе В-187 на 5-м блоке НВАЭС. Первый комплект штатных приводов ШЭМ был изготовлен, испытан и поставлен ОКБ «Гидропресс» для 1-го блока Южно-Украинской АЭС.
Количество ПС СУЗ в группе и скорость перемещения органа СУЗ выбраны так, чтобы ее максимальная дифференциальная эффективность не превышала значения 0,035 βэфф/см и, соответственно, могло быть выполнено требование ПБЯ на скорость введения реактивности при извлечении группы (меньше 0,07 βэфф/с, где βэфф– эффективная доля запаздывающих нейтронов). К примеру, при использовании 61 органа СУЗ в активной зоне и разбиении всех органов на 10 групп шаг перемещения органа регулирования составляет 2 см. При использовании 121 органа СУЗ и 12 органов СУЗ в управляющих группах для выполнения требований ПБЯ необходимо уменьшить шаг перемещения до 1 см, при использовании 6 органов СУЗ в управляющей группе можно сохранить шаг перемещения 2 см.
При работе на мощности все группы находятся в своем крайнем верхнем положении вне активной зоны. Исключение составляет рабочая группа (№ 10 для действующих АЭС, при разбиении на 20 групп этой группой может быть группа с № 20). Она перемещается в верхней части активной зоны в диапазоне от 70 до 90 % извлечения по высоте активной зоны и служит для компенсации небольших изменений реактивности из-за колебаний температуры, концентрации бора, тепловой нагрузки и т.д.
Управление распределением энерговыделения в активной зоне при возникновении ксеноновых колебаний локальной мощности осуществляется с помощью специально предусмотренной для этих целей группы. Для 338 проекта этой группой является 5-я группа, для 320 проекта этой группой является 9-я группа с раздельным движением ПС в центральной ТВС. Управление заключается в поддержании неравномерности энерговыделений в установленных границах и в стабилизации формы поля энерговыделения при изменениях мощности реактора в соответствии с алгоритмом управления ксеноновыми переходными процессами, разработанным сотрудниками ИАЭ и опробованным в период пуско-наладочных работ первых энергоблоков с ВВЭР-1000.