Зеленая энергия - популярно об экологии, химии, технологиях

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Home Библиотека Безопасность АЭС экология Анализ надежности систем безопасности атомного реактора

Анализ надежности систем безопасности атомного реактора

Термин аварийный переходный процесс применяется к состоянию реактора при значительном отклонении от нормального значения любого основного параметра реактора. В аварийные переходные процессы можно включить все ситуации, которые приводят к нарушению баланса между энерговыделением в топливе и отводом тепла от него.

Аварийные переходные процессы возникают вследствие ошибки оператора или отказа оборудования. Многие аварийные переходные процессы устраняются системой управления реактора, которая возвращает реактор в нормальное эксплуатационное состояние. Другие процессы могут оказаться вне сферы действия системы управления реактора, и тогда потребуется остановка реактора системой аварийной защиты во избежание повреждения твэлов или системы первого контура.

При анализе безопасности основное внимание уделяется неуправляемому увеличению мощности в активной зоне реактора (генерации тепла), уменьшению расхода теплоносителя (теплоотводу) и повышению давления в системе первого контура. Любая из этих ситуаций потенциально может быть результатом отказа или ошибки персонала, и все они представляют потенциальную опасность для активной зоны реактора и системы первого контура.

Отдельно рассматривают аварии с потерей теплоносителя, хотя и в этом случае в условиях нарушения системы первого контура задача сводится к обеспечению теплоотвода в условиях временной потери теплоносителя, чтобы сохранить или, по крайней мере, минимально повредить твэл — первый барьер безопасности и, таким образом, обеспечить контроль над большей частью радиоактивных продуктов, образовавшихся в активной зоне.

В настоящей главе рассматриваются контролируемые аварийные процессы, т.е. процессы, развивающиеся в условиях действия как внутренних свойств самоограничения и саморегулирования, так и действия защитных систем.

При анализе аварийных процессов, формулировании требований к защитным системам и вставкам необходимо иметь данные о допустимых значениях параметров, характеризующих состояние элементов активной зоны и оборудования систем теплопередающих контуров ЯЭУ, в первую очередь системы первого контура. Для твэлов — это температура топлива, температура оболочки, запас до кризиса теплоотдачи, температура физико-химических процессов, тепловой поток. Для контура — это давление, температура, запас до хрупкого разрушения, перепады давления и др. Предельно допустимые значения параметров устанавливаются на основе экспериментальных данных по поведению материалов, элементов, оборудования и систем.

Исходные события аварийных процессов

Рассмотрение исходных событий предполагает:

  • учет возможных состояний ЯЭУ в процессе эксплуатации;
  • анализ технически возможных нарушений в работе ЯЭУ, в том числе обусловленных ошибками персонала;
  • исследование зависимых от исходного события отказов оборудования и систем;
  • ранжирование исходных событий по частоте возникновения.

Рассматривая возможные состояния ЯЭУ, необходимо выделять: ввод установки в действие; работу на мощности; вывод из действия; проведение перегрузки топлива, технического обслуживания, проверок работоспособности и ремонта оборудования.

Указанные выше состояния могут детализироваться для раскрытия особенностей в решении вопросов безопасности. Так, при работе на мощности выделяются:

  1. моменты кампании активной зоны, поскольку от этого зависят эффекты реактивности активной зоны, эффективность рабочих органов системы управления и защиты (СУЗ), выгорание топлива;
  2. характерные уровни мощности, на которых работает реактор, так как от исходного уровня зависит мощность остаточных тепловыделений и соответственно эффективность систем аварийного отвода тепла. Значительно может различаться характер протекания аварий с непреднамеренным введением реактивности (например, извлечение рабочих органов СУЗ) в зависимости от исходного уровня мощности (и как следствие положения рабочих органов).

Характеристики внутренней безопасности реакторов

Перемещение поглотителей нейтронов вызывает изменения макроскопических сечений и плотности потока нейтронов в определенных областях активной зоны реактора. В результате этого начинают изменяться распределение     нейтронов  и мощность реактора, что приводит к изменению температуры активной зоны. Температурные изменения вызывают изменение плотности материалов и макроскопических сечений. Наряду с этим может меняться спектр нейтронов из-за изменения замедляющей способности среды. Наконец, размеры активной зоны и ее компонентов также изменяются при тепловом расширении. Все эти эффекты реактивности, зависящие от изменения мощности и температуры, образуют в реакторе систему обратных связей.

Модель реактора может быть описана тремя системами уравнений:

  • уравнениями нейтронной кинетики;
  • системой уравнений теплопереноса и гидродинамики, связывающих мощность реактора и изменение температуры в активной зоне;
  • уравнениями, связывающими изменение температуры с реактивностью.

Температурный коэффициент реактивности

Температурный коэффициент реактивности (dр/dТ), связывающий температурные изменения с реактивностью, учитывает мгновенные и запаздывающие эффекты. Первые зависят от мгновенного состояния топлива (определяются эффектом Доплера, искривлением твэлов и т.д.), тогда как запаздывающие эффекты в основном связаны с замедлителем или теплоносителем (температурой нейтронов, термическим расширением материала замедлителя и т. п.). При быстрых изменениях мощности влияние запаздывающих эффектов может быть незначительным, однако они могут быть преобладающими в квазистационарных ситуациях. Быстрая составляющая эффекта замедлителя обусловлена внутренним тепловыделением в замедлителе вследствие замедления нейтронов.

Температурный коэффициент реактивности, связанный с эффектом Доплера

Этот эффект обусловлен тем, что сечения взаимодействия с нейтронами зависят от температуры топлива и скоростей нейтрона и атомного ядра. При увеличении температуры топлива Ттопя уширение резонансных пиков приводит к изменению микроструктуры спектра  нейтронов в области  резонансных энергий.

В тепловом реакторе с характерным для него спектром нейтронов эффект Доплера можно оценивать как.

В энергетических реакторах эффект Доплера отрицателен, поскольку при относительно небольшом обогащении преобладающим является резонансное поглощение в 238U. Наличие эффекта Доплера в реакторе — это мгновенный отрицательный температурный коэффициент реактивности, который противодействует изменению мощности реактора и температуры топлива.

Запаздывающие эффекты обратной связи по реактивности возникают вследствие изменений температуры компонентов активной зоны, которые происходят в результате нарушения баланса между генерацией и отводом тепла. Так как тепло переносится с запаздыванием, то уравнение, связывающее мощность и запаздывающие обратные эффекты реактивности, учитывает временную зависимость этих процессов.

Коэффициенты реактивности замедлителя и теплоносителя

Основной вклад в температурный коэффициент реактивности замедлителя и теплоносителя в реакторах с водяным замедлителем вносит изменение их плотности. Увеличение температуры изменяет плотность теплоносителя и, следовательно, замедление нейтронов. Результатом уменьшения плотности замедлителя и соответствующего увеличения средней длины свободного пробега нейтронов и длины миграции являются увеличение утечки нейтронов из активной зоны и уменьшение поглощения нейтронов.

В современных реакторах с водой под давлением влияние всех этих факторов приводит к отрицательному температурному коэффициенту реактивности замедлителя, значение которого зависит от концентрации жидкого поглотителя в замедлителе и выгорания в активной зоне реактора. Следует обратить внимание на определенные особенности реакторов ВВЭР с использованием жидкого поглотителя в виде раствора борной кислоты. При большой концентрации поглотителя, характерной для периода после перегрузки, температурный коэффициент в реакторе ВВЭР может стать положительным. Это сказывается нежелательным образом на самоограничительные способности реактора и осложняет аварийные процессы. Поэтому необходимо уменьшить концентрацию борной кислоты в теплоносителе, компенсируя часть запаса реактивности стержнями с выгорающим поглотителем.

Пустотный коэффициент реактивности. Один из эффектов увеличения температуры связан с изменением реактивности вследствие образования полостей (пустот) в теплоносителе. Такие пустоты могут образовываться при нормальных рабочих условиях в реакторах с кипящей водой или при аварийных ситуациях в реакторах с водой под давлением и в реакторах на быстрых нейтронах. Влияние образования пустот аналогично влиянию уменьшения плотности теплоносителя, которое 'уже ранее рассматривалось, например, уменьшение скорости замедления нейтронов приводит к увеличению утечки и резонансного захвата, а уменьшение поглощения нейтронов, приводит к увеличению коэффициента использования тепловых нейтронов. Однако в рассматриваемом случае эти эффекты могут оказать более сильное воздействие на изменение реактивности из-за возможности более сильных изменений плотности.

Пустотный коэффициент определяется как изменение реактивности на 1% изменения объема пустот. Этот коэффициент отрицателен и относительно велик по абсолютному значению в реакторах с водой под давлением.

Пустотный коэффициент также важен для реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. Пустоты, образующиеся в жидком натриевом теплоносителе, вызывают три основных эффекта. Первый из них связан с увеличением средней энергии нейтронов в активной зоне из-за уменьшения плотности замедления. Это может приводить как к увеличению реактивности, так и к ее уменьшению из-за" изменения числа делений ядер тех нуклидов, которые имеют высокий порог деления, например 238U. Второй эффект, связанный с увеличением утечки из-за уменьшения плотности теплоносителя, отрицателен (приводит к уменьшению реактивности). Наконец, третий эффект, обусловленный поглощением нейтронов в натрии, всегда положителен. Знак полного коэффициента зависит и от конструкции, и отметки активной зоны. При соответствующем Выборе геометрии активной зоны всегда можно с уверенностью обеспечить отрицательный пустотный коэффициент (например, обеспечив высокую утечку нейтронов); можно также подавить пустотный коэффициент сконструировав реактор с сильным отрицательным допле-ровским коэффициентом.

Полный температурный коэффициент. Полный температурный коэффициент реактивности определяется комбинацией всех эффектов. Некоторые из этих эффектов достаточно трудно вычислить с необходимой точностью. Кроме того, при увеличении уровня мощности изменение температуры в различных частях реактора будет различным. Например, при переходе реактора из одного стационарного состояния в другое обычно температура топлива изменяется больше, чем температура замедлителя. Для того чтобы предсказать изменение реактивности реактора при внезапном изменении мощности, необходимо учитывать скорости нагрева его различных компонентов. Практически расчеты температурных коэффициентов обычно дополняются анализом соответствующих измерений, выполненных на прототипе этого реактора и в процессе его предпусковых испытаний.

Анализ абсолютных значений и знака всех составляющих полного температурного коэффициента должен проводиться для всего спектра эксплуатационных состояний реактора (различные уровни мощности, различная степень отравления и т.д.). Необходимо также отслеживать изменение указанных характеристик внутренней безопасности для различных этапов выгорания топлива, возможных изменений в топливном цикле и т. д.

Аварии с изменением реактивности

Для обеспечения безопасности должны быть проанализированы различные механизмы ввода- реактивности. Особое внимание при исследовании аварийного ввода реактивности должно уделяться оценке возможных перемещений материалов, обладающих большой ценностью по реактивности: материала регулирующих стержней, топлива и теплоносителя (замедлителя). Увеличение реактивности в условиях нормальной эксплуатации реактора осуществляется выведением регулирующих стержней активной зоны.

А как поведет себя реактор при нерегламентном или самопроизвольном выведении поглощающих стержней?

На возникновение и протекание аварийного процесса (сценарий аварии) могут оказать влияние механизмы ввода реактивности различного происхождения. Но все они приводят к изменениям физических свойств теплоносителя, замедлителя, топлива, конструкционных материалов, поглотителя и через нейтронно-физические эффекты определяют значение и знак изменения реактивности на разных этапах аварии. Ниже перечислены возможные механизмы ввода реактивности:

  • неконтролируемое извлечение из активной зоны регулирую-.щих стержней;
  • расплавление или разрушение органа воздействия на реактивность;
  • расплавление ТВС;
  • всплытие ТВС в потоке теплоносителя;
  • попадание в зону водородсодержащих веществ;
  • радиальное смещение ТВС;
  • образование пустот внутри натриевого теплоносителя (или исчезновение пустот), включая кипение или опорожнение;
  • изменение температуры теплоносителя или замедлителя;
  • перемещение ТВС и поглощающих стержней из-за внешних воздействий;
  • неконтролируемое изменение концентрации жидкого поглотителя.

Пусковые аварии

Авария, происходящая в остановленном реакторе при неожиданном увеличении реактивности, называется пусковой аварией. Подобная авария может случиться при быстром выведении регулирующего стержня (или группы стержней) из остановленного реактора (или работающего на минимальном уровне) в результате ошибочных действий оператора. При достаточно большой высвобожденной реактивности создается опасность неконтролируемого разгона реактора.

Для уменьшения вероятности нарушения режима пуска обычно реактивность вводят с заранее заданной и управляемой скоростью. Управляющие органы объединяют в предварительно выбранные группы, передвигаемые в определенном порядке. Так как в работе находится только одна группа, другие рабочие органы СУЗ не могут быть извлечены.

Предусматривается немедленное прекращение развития пусковой аварии остановкой реактора с помощью аварийной защиты.

Однако если по какой-либо причине аварийная остановка реактора не произойдет и авария получит дальнейшее развитие, то возможны тяжелые последствия.

В процессе переходного аварийного режима происходит увеличение мощности реактора, повышение температуры теплоносителя  и   ядерного  топлива.   Нарастание   мощности   прекратится только при выделении достаточной отрицательной реактивности за счет эффекта Доплера при разогреве топлива и температур- -ного эффекта при разогреве воды. В итоге при достаточно большой избыточной реактивности возможно расплавление оболочек и сердечников твэлов. Однако если первый контур остается герметичным, то выброс радиоактивных продуктов деления в помещение реакторной установки не произойдет.

Эффекты самоограничения. Рассмотрим приближенно процесс, происходящий при пусковой аварии. При отсутствии каких-либо защитных мер мощность реактора будет, очевидно, быстро возрастать по экспоненциальному закону вплоть до разрушения реактора. Если реактор обладает" хотя бы небольшим отрицательным температурным коэффициентом, то он в какой-то мере будет предохранен от разрушения, поскольку в конце концов температура реактора возрастет до такого значения, когда отрицательная реактивность, связанная с внутренними обратными связями, скомпенсирует нарастающую положительную реактивность от внешнего воздействия. Когда это произойдет, мощность реактора начнет уменьшаться и возникнет тенденция к установлению равновесия между нарастающей положительной реактивностью и отрицательной реактивностью, связанной с температурным коэффициентом.

С увеличением температурного коэффициента пиковое значение мощности во время пусковой аварии уменьшается.

Если влияние температурного коэффициента реактивности недостаточно, чтобы ограничить возрастание мощности и предупредить достижение опасного уровня при разгоне с любым возможным периодом, необходимо применять специальные меры защиты. Последним средством защиты является быстрая аварийная остановка, при которой в реактор как можно более быстро вводятся все стержни, снижающие реактивность. Как видно из рис. 4.2, при «внутренней» защите мощность реактора продолжает оставаться на некотором    уровне,   отвечающем равновесию между положительной и отрицательной реактивностью, в то время как при специальных «внешних» схемах аварийной защиты, вызывающих движение стержней, реактор в конце концов выключается

Аварии при извлечении поглотителей системы воздействия на реактивность

Авария может начаться при самопроизвольном выводе из активной зоны стационарно работающего реактора поглотителей одного или нескольких органов воздействия на реактивность. Авария аналогична пусковой, но последствия ее могут быть более тяжелыми, так как перед аварией реактор работает на номинальной мощности.

Если система аварийной защиты не обеспечит снижения мощности или аварийную остановку реактора, может произойти перегрев активной зоны и недопустимое повышение давления. Скорость нарастания мощности зависит от введенной реактивности и скорости извлечения поглотителей.

Кроме увеличения мощности, температуры, давления извлечение поглотителей приведет к возникновению перекосов распределения плотности нейтронного потока и, следовательно, к образованию районов локального перегрева топлива. Однако в реакторах типа ВВЭР благодаря большому отрицательному коэффициенту реактивности мощность в активной зоне нарастает постепенно, поэтому оператор может своевременно принять меры по глушению реактора. Как и в случае пусковой аварии, выброса радиоактивных элементов в помещение реакторной установки не произойдет даже в случае повреждения твэлов, если первый контур сохраняет свою герметичность.

Выброс органа при разрыве чехла СУЗ. К этому же типу аварии может быть отнесена авария с выбросом регулирующего стержня из активной зоны при разрыве чехловой трубы привода органа СУЗ. Последствия такой аварии более опасны, так как она сопровождается утечкой воды первого контура через разорвавшуюся чехловую трубу. Чтобы уменьшить вероятность такой аварии, обычно применяют специальные удерживающие устройства, которые препятствуют выбросу органа управления под действием возникающего при аварии перепада давления. Кроме того, ограничивают максимальную' эффективность органа управления.

Неконтролируемое изменение концентрации жидкого поглотителя. Опасный переходный аварийный режим может возникнуть при быстром выведении жидкого поглотителя при отсутствии должного контроля за его концентрацией. Аналогичный процесс может возникнуть при подключении к реактору, находящемуся в работе или в заглушённом состоянии (близком к критическому), петли с концентрацией борной кислоты меньшей, чем в реакторе. Последствия аварии те же, что и при извлечении твердых поглотителей из активной зоны.

Аварии, связанные с захолаживанием теплоносителя

Отрицательный коэффициент реактивности по температуре теплоносителя, являющийся одним из стабилизирующих факторов, приводит в то же время к возможности всплеска реактивности при внезапном увеличении расхода и захолаживании активной зоны. Особенно велик этот эффект для реакторов ВВЭР. Реактивность, равную рЭф, дает снижение температуры воды в активной зоне на 70° С. При этом в результате увеличения реактивности в активной зоне может наступить переходный режим, степень опасности которого определяется температурным коэффициентом, степенью переохлаждения теплоносителя на входе в реактор и расходом теплоносителя. Наиболее значим этот процесс при пуске остановленного ГЦН и вводе nejvm. Для исключения непредусмотренного введения «холодной» воды в активную зону и предотвращения повреждения твэлов обычно вводят блокировку, запрещающую включение главного циркуляционного насоса в работу, если разность температур воды в реакторе и петле недопустимо велика.

Введение «холодной» воды в реактор может произойти и при включении аварийных подпиточных средств. Однако этот случай практически не представляет опасности, так как расход «холодной» воды, как правило, достаточно мал и она поступает в активную зону лишь пройдя большой путь по первому контуру, смешиваясь с более горячей водой.

Изменение геометрии активной зоны

Изменение содержания топливных материалов в активной зоне может быть вызвано рядом причин. Одной из причин ввода реактивности может быть нарушение баланса гидродинамических усилий, действующих на ТВС, при котором сборки находятся в потоке теплоносителя выше своего нормального положения (всплывают), а затем падают в активную зону. Такое падение в принципе возможно также при перегрузке реактора. Если это происходит с одной ТВС, то реактор не становится мгновенно критичным, поскольку «вес» одной ТВС, как правило, меньше р3ф. При анализе событий, приводящих к перемещению топлива, большую роль играют специфические особенности реактора. Так, в реакторах на быстрых нейтронах даже небольшое смещение топлива может дать значительное изменение реактивности. Здесь сосредоточение делящегося материала в более компактную форму повышает эффективный коэффициент размножения /Сэф. Это может произойти, например, вследствие радиального перемещения ТВС при изменении режима течения теплоносителя или при внешнем ударном воздействии, а также вследствие расплавления и стекания топливного материала при нарушении теплоотвода в отдельных сборках и т. п.

В общем случае необходимо проанализировать возможность перехода активной зоны в более «выгодную» форму расположения топлива, или перемещения топлива относительно поглощающих стержней.

Попадание замедляющих сред в активную зону

Аварийный режим может быть инициирован попаданием сильно замедляющих водородсодержащих сред (масла, пара, воды) в активную зону с жестким спектром, обладающую. значительным положительным эффектом «дозамедления» нейтронов.

 

Интересно знать

Департамент энергетики США отобрал 37 исследовательских проектов в области хранения энергии, энергии биомассы, захвата диоксида углерода и ряда других направлений. Среди них - новые металловоздушные батареи на основе ионных жидкостей с плотностью энергии превышающей в 6-20 раз плотность энергии обычных литиевых аккумуляторов, а так же проект по получению бензина непосредственно из солнечного света и CO2 используя симбиоз двух микроорганизмов.

купить mobil 1 0w 40 5l mobil 1 0w 40 5l интернет магазин автомасел
 
Ущiльнення скла дверцят купить запчасть 6L3837471B Skoda Audi Volkswagen Seat
 
bitcoin mixer
 
myfreemp3juice