Температурный эффект реактивности реактора

Температурным эффектом реактивности реактора при рассматриваемой средней температуре теплоносителя в активной зоне называется величина изменения реактивности реактора при его разогреве от 20^оС до этой температуры. Из определения ТЭР сразу следует, что при средней температуре теплоносителя в активной зоне 20^оС величина температурного эффекта равна нулю. Этой условностью сразу договоримся определять начало отсчёта величины температурного эффекта.

Поскольку в определении речь идёт об изменении реактивности реактора, величина ТЭР (как и всякая реактивность) обозначается символом _t c нижним индексом «t», позволяющим отличать температурный эффект от реактивности любого другого происхождения (например, от реактивности, появляющейся вследствие перемещения органов СУЗ реактора, или изменений реактивности вследствие переотравления реактора ксеноном и т. п.). Почему _t, а не _t, раз в определении речь идёт об изменении реактивности? — Именно потому, что если _t(20^oС) = 0, то [21].

_t = _t(t) — _t(20^oC) = _t(t).

Поскольку из определения ТЭР можно заключить, что величина температурного эффекта — изменяющаяся с температурой величина, нелишне указать в обозначении, какой именно величине температуры соответствует рассматриваемый температурный эффект реактивности, то есть полное обозначение ТЭР, исключающее какую-либо неопределённость восприятия этой величины, должно быть строго математическим — _t(t).

Наконец, поскольку ТЭР есть изменение реактивности реактора, то и измеряется он в принятых единицах реактивности — а.е.р. (долях от единицы) или в процентах.

В определении ТЭР зафиксировано, что аргументом для функции _t(t) принята средняя температура теплоносителя. Почему именно теплоносителя? Не очень глубокие размышления на этот счёт приводят к заключению, что это явно неверно. Хотя бы потому, что температурное поле в гетерогенной активной зоне энергетического ВВЭР очень неоднородно: в топливе твэлов температура выше, чем в оболочках твэлов, а в оболочках твэлов — выше, чем в ядре потока омывающего твэлы теплоносителя. Кроме того, в разных ТВС в силу неравномерности тепловыделения в них, а также в силу действия законов теплопередачи, даже в стационарном режиме температуры в различных материалах распределены по-разному и в различных пределах. А так как каждый материал активной зоны по-своему «отзывается» даже на одинаковые изменения температуры (то есть изменяет свои ядерные и плотностные свойства), это означает, что каждый материал активной зоны даже при одинаковых изменениях температуры вносит в общий температурный эффект реактивности свою лепту температурного изменения реактивности, отличающуюся по величине от вкладов в ТЭР реактора других материалов.

При имеющем место в реальных энергетических реакторах неодинаковом разогреве топлива, замедлителя, теплоносителя и других материалов активной зоны вклад каждого материала в общий температурный эффект реактивности реактора тем более неодинаков и даже неоднозначен. Поэтому одно лишь изменение средней температуры теплоносителя не может быть ответственно за полное температурное изменение реактивности всего реактора. Понятно, что температурный эффект реактивности реактора должен определяться некоторой среднеэффективной величиной температуры активной зоны, в которой бы учитывались «весовые коэффициенты» температурных изменений реактивности от каждого из материалов, а также неодинаковость разогрева каждого материала активной зоны.

Для нахождения такой температуры потребовалось бы решить задачу чрезвычайной сложности, более объёмную, чем теплотехнический и нейтронно-физический расчёты всего реактора. Вот почему в качестве определяющей величину ТЭР температуры вынужденно принята средняя температура теплоносителя. Кроме того, преимущество этой температуры перед средними температурами любых других материалов активной зоны заключается в том, что именно она в наибольшей степени определяет величину температуры нейтронов в активной зоне ВВЭР, следовательно, именно она определяет температурные изменения поглощающих свойств всех материалов активной зоны по отношению к тепловым нейтронам.

Наконец, немаловажным является то, что величина средней температуры теплоносителя — наиболее легко контролируемая величина. Несколько термопар, поставленных для измерения температуры теплоносителя на входе и выходе из активной зоны, дают после усреднения результатов измерений более или менее точное представление о величинах входной и выходной температур теплоносителя, а их средняя арифметическая величина [21]:

(3.3.1.1).

— даёт достаточно точное представление о среднеэффективной температуре теплоносителя в активной зоне. И хотя от входа к выходу теплоноситель по длине каждой ТВС увеличивает свою температуру не линейно, из-за свойственной энергетическим реакторам относительно небольшой разницы выходной и входной температур (35^оС) упомянутое среднеарифметическое значение температуры теплоносителя отличается от средневзвешенного (среднеинтегрального) его значения на очень малую величину.

Измерение средней температуры теплоносителя представляет собой гораздо более простую техническую задачу, чем, скажем, измерение даже локальной температуры топлива внутри твэла (для чего потребовалось бы сверлить отверстие в герметичной оболочке твэла для вывода электрического сигнала от микротермопары внутри твэла).

Более того, приняв в качестве аргумента для функции ТЭР среднюю температуру теплоносителя, мы получаем возможность (по крайней мере, с приемлемой погрешностью) экспериментально измерять величину составляющей общего температурного эффекта реактивности, которая определяется только средней температурой теплоносителя (для этого нужно достаточно медленно и равномерно разогревать работающий на минимально контролируемом уровне мощности реактор от постороннего источника тепла с тем, чтобы средняя температура топлива в процессе разогрева незначительно отличалась от средней температуры теплоносителя).

Если эксплуатировать ВВЭР от минимально контролируемой до полной мощности при постоянном расходе теплоносителя, появляется возможность экспериментально измерить величины температурного эффекта реактивности реактора при его медленном или ступенчатом разогреве собственным теплом (путём медленного увеличения мощности реактора, обеспечивающего малую — не более 10^оС/ч — скорость разогрева, при которой нестационарный режим разогрева реактора можно с известной степенью точности считать квазистационарным). При этом измеренная экспериментально зависимость _t(t_т) будет однозначной (по крайней мере, на данный момент кампании), поскольку изменение среднеэффективной температуры топлива на разных уровнях мощности в процессе разогрева реактора будет в силу закономерностей теплопередачи от топлива к теплоносителю однозначно связано с изменением средней температуры теплоносителя.

Аналитическая зависимость величины температурного эффекта реактивности реактора от средней температуры теплоносителя _t(t_т) является очень сложной функцией. Поэтому использование аналитического выражения _t(t_т) (допуская, что его можно получить в более или менее годном для использования виде) для оператора реакторной установки было бы неудобным: чем сложнее формула, которая его описывает, тем более громоздкие расчёты приходилось бы вести для решения принципиально очень простой задачи о температурном изменении реактивности реактора.

Но оператору подобного рода задачи решать всё же надо, и надо решать их быстро и, желательно, без громоздких вычислений. Поэтому для практического использования эту зависимость выражают не в аналитической, а в графической форме. Пусть график функции не даёт идеальной точности, но он более нагляден и с практически необходимой точностью нужные задачи позволяет решать буквально в считанные секунды.

График функции _t(t_т) обычно коротко называют кривой температурного эффекта реактора. Хорошо и в удобном масштабе вычерченная (по результатам последних физических измерений) кривая ТЭР позволяет быстро снять величины ТЭР при нужных температурах и сосчитать температурное изменение реактивности реактора при конкретном изменении средней температуры теплоносителя от t_т1 до t_т2 [21]:

(3.3.1.2).

независимо от того, идёт ли речь о разогреве реактора (t_т2 t_т1) или о его расхолаживании (t_т2 t_т1). Следуя формуле (3.3.1.2), мы никогда не ошибёмся в знаке температурного изменения реактивности реактора: положительная величина _t означает, что при изменении средней температуры теплоносителя t_т = t_т2 — t_т1 имеет место высвобождение положительной реактивности, а при _t 0 — наоборот — потеря реактивности за счёт изменения средней температуры теплоносителя в активной зоне.

Энергетическим реакторам свойственны кривые ТЭР трёх качественных типов (или форм), показанных на рис. 3.3.1 [21].

Рисунок 3.3.1 — Три типа кривых ТЭР, свойственных реальным энергетическим реакторам

Кривая ТЭР первого типа отличается восходящим до максимума характером с последующим снижением величины ТЭР, но вся она лежит в положительном квадранте величин ТЭР.

Кривая второго типа также имеет немонотонный характер изменения ТЭР; максимум её лежит в области меньших температур; но на убывающем участке она падает до нуля, а затем переходит в отрицательную область изменения величин ТЭР.

Кривая третьего типа имеет монотонный, чисто убывающий характер и целиком располагается в отрицательном квадранте величин ТЭР.

Величины температурного эффекта, как следует из рис. 3.3.1, могут быть положительными, отрицательными и даже принимать нулевые значения при некоторых (отличных от 20^оС) средних температурах теплоносителя.

Любой энергетический реактор предназначен для работы на мощности при определённой расчётной средней температуре теплоносителя, при которой вся вырабатываемая в стационарном режиме тепловая мощность реактора сбалансирована величинами мощности, отводимой теплоносителем, и рассеиваемой в окружающую реактор среду. Эту температуру называют номинальной средней температурой теплоносителя. Небольшой (как правило, не более 5^оС около номинальной температуры) интервал, в пределах которого изменяются величины средних температур теплоносителя в нестационарных (переходных) режимах работы реактора, называют зоной рабочих средних температур.

Температурный интервал от 20^оС до наименьшего из значений рабочих средних температур кратко называют зоной разогрева.

Таким образом, для того, чтобы после пуска реактора на минимально контролируемый уровень мощности (МКУМ) окончательно привести его в рабочее состояние (или, как говорят, — ввести его в энергетический режим), его разогревают с ограниченной скоростью путём медленного подъёма его мощности до тех пор, пока средняя температура теплоносителя не достигнет своего рабочего значения. При дальнейшей работе в стационарных режимах величина средней температуры теплоносителя поддерживается постоянной в силу естественных теплообменных и рассеивающих свойств активной зоны реактора, а в переходных режимах — ещё и корректируется средствами автоматики регулирования реактора. Однако, точно выдержать неизменной величину средней температуры в переходных режимах (режимах изменения уровня мощности реактора) не удаётся; именно в таких режимах величина средней температуры теплоносителя отклоняется от своего номинального значения в пределах нескольких градусов. Разница наибольшего и наименьшего значений температур при этом и ограничивает упомянутую выше зону рабочих средних температур.

Величину температурного эффекта реактивности при номинальной средней температуре теплоносителя называют полным ТЭР реактора.

Величина полного температурного эффекта у энергетических реакторов может быть как положительной (кривая I типа), так и отрицательной (кривые II и III типов). Абсолютные величины полных ТЭР могут достигать 23%, а это (как предстоит убедиться далее) — очень большие изменения реактивности, проявление которых может создать ядерно-опасные ситуации.