Как управлять атомным реактором - 2
И, резко-решительно, вторая серия.
Оригинал взят у victor_chapaev в Как управлять атомным реактором - 2
Как управлять атомным реактором - 2
Любое управление подразумевает наличие цели, которую стремиться достигнуть управляющий. Какой может быть цель управления атомным реактором? Например, хорошая, годная цель - добиться, чтобы реактор стабильно и устойчиво работал на максимально допустимой мощности. Как может показаться после чтения предыдущего поста, для этого оператору вообще ничего не надо делать.
И действительно, день, два реактор без вмешательства оператора будет работать устойчиво и стабильно, выдавая постоянную мощность, которую требует от него автоматический регулятор турбины. Но мы забыли, что ядерное топливо в реакторе выгорает. Что же произойдет, когда часть ядерного топлива, предназначенного к сжиганию в текущей кампании, сгорит?
Количество делящегося урана 235 в активной зоне немного уменьшится. Немного увеличится количество осколков деления, которые представляют собой ядра химических элементов, лежащих примерно в середине таблицы Менделеева - всяких изотопов стронция, бария, йода, самария и иже с ними. Эта мутная смесь изотопов, практически каждый из которых радиоактивен, называется «шлаками». А шлаки хорошо поглощают нейтроны, ничего не давая взамен. Вот эти два процесса - уменьшение делящихся изотопов и накопление шлаков - приводят к тому, что коэффициент размножения слегка уменьшается и становится чуть меньше единицы.
Дальше следует уже рассмотренная нами цепочка событий, только с обратным знаком. При уменьшении коэффициента размножения мощность начинает уменьшаться. При этом снижается подогрев теплоносителя в активной зоне - из реактора в парогенератор поступает чуть менее горячая вода. Она испаряет чуть меньше питательной воды. Регулятор турбины «видит», что пара не хватает, и слегка приоткрывает стопорно-регулирующие клапаны на паропроводе. Турбина довольна, ей снова хватает пара. Но давление его в парогенераторе слегка уменьшается. Что дальше? Точно! Снижается температура кипения, вода первого контура охлаждается чуть сильнее и приходит в реактор уже чуть холоднее.
А холодная вода, как мы уже знаем, лучше замедляет нейтроны, чем горячая, и коэффициент размножения возвращается к единице. Более того, действие этих обратных связей возвращает мощность реактора к исходной, опять же за счет снижения температуры воды на входе в активную зону.
Таким образом, выгорание топлива в реакторе приводит… нет, не к снижению мощности, а к уменьшению температуры воды на входе в реактор. Понятно, что так не может продолжаться до бесконечности. Рано или поздно, начальник смены блока скажет оператору-ВИУРу «А не пора ли нам подпитаться чистым?».
В прошлом посте мы видели, как оператор собирает схему для ввода в первый контур крепкого раствора борной кислоты. Она добавлялась, чтобы снизить размножающие свойства активной зоны. И делалось это для того, чтобы тут же, немедленно их восстановить, извлекая группу регулирующих стержней с предельного наинизшего положения.
Для повышения размножающих свойств используется чистая вода - на сленге атомщиков «чистый конденсат». Если им разбавить воду в первом контуре, концентрация борной кислоты уменьшится, содержащийся в ней изотоп бора-10 станет меньше поглощать нейтроны и коэффициент размножения вырастет. Опять сработают обратные связи, регулятор турбины прижмет клапана, и температура на входе в реактор восстановится.
Сказано - сделано. Оператор собирает похожую схему, оперируя набором задвижек и вентилей системы подпитки-продувки, и из специального бака в контур начинает поступать чистая вода. Она разбавляет борную кислоту в контуре, и… входная температура воды растет (я думаю, цепочку событий, которые приводят к этому, читатель уже может восстановить сам). Восстановив температуру, оператор снова переходит к замкнутому режиму работы системы подпитки-продувки, так чтобы вода из контура не уходила (продувка) и не добавлялась (подпитка), а просто часть ее отбиралась на систему спецводоочистки и возвращалась обратно. Теперь можно еще на пару дней забыть о необходимости заботиться о параметрах реактора.
И этот мой рассказ не художественное преувеличение, или гипербола. Были, были времена, когда раз выйдя на номинальный уровень мощности, реакторы так и работали на нем до конца кампании, почти год. И были операторы, которым за все время работы ни разу не доводилось пускать или останавливать реактор. Ну вот не попадали эти операции на их смены…
Но отвлечемся от счастливой судьбы начальника смены блока и оператора реактора, которую им обеспечили хитроумные конструкторы реакторной установки, а рассмотрим процесс саморегулирования с теоретической точки зрения.
Мы видели, что изменения параметров активной зоны часто приводят к изменению коэффициента размножения нейтронов в реакторе. Действительно, стоит уменьшиться мощности, и снижается температура топлива, уран-238 меньше поглощает замедляющихся нейтронов, и коэффициент размножения растет. Или вырастет температура охлаждающей воды - и тут же ухудшается замедление нейтронов, и коэффициент размножения падает. Ну, или наоборот: мощность вверх - коэффициент вниз, температура вниз - коэффициент вверх.
То же происходит и при изменении, например, давления в реакторе. Вода хоть и считается жидкостью несжимаемой, но это все же преувеличение. При росте давления она все-таки становится чуть плотнее и начинает лучше замедлять нейтроны. Поэтому при росте давления в первом контуре коэффициент размножения чуть-чуть, очень мало, но растет. Плохо, короче, вода сжимается.
Изменение каждого параметра можно выразить в соответствующих единицах измерения. Мощность - в мегаваттах, температуру - в градусах, давление - в, прости господи, мегапаскалях. (Вот раньше измеряли в атмосферах, хорошо было). Нас, как физиков, интересует, насколько изменится коэффициент размножения реактора при изменении каждого параметра на одну единицу измерения - мегаватт, градус или мегапаскаль. Точное число! Тогда мы можем рассчитать вносимые возмущения и определить, насколько, например, изменится температура при таком-то изменении мощности. Ну, или наоборот.
А почему мы можем это рассчитать? Потому что у реактора на энергетическом уровне мощности коэффициент размножения всегда стремится к единице. И любое внесенное возмущение по одному параметру всегда компенсируется обратным по знаку изменением другого (или других).
Кстати, к таким параметрам, влияющим на коэффициент размножения, очень рекомендуется отнести положение стержней регулирующей группы (измеряемое в сантиметрах от конца стержня до низа активной зоны) и концентрацию борной кислоты в реакторе. Они очень, очень сильно воздействуют на коэффициент размножения. И чаще всего возникает вопрос, каким перемещение регулирующей группы стержней можно скомпенсировать такое-то изменение температуры. Или сколько вкачать раствора борной кислоты, чтобы снизить мощность до…
Вот эти точные числа, говорящие нам, как изменяется коэффициент размножения реактора при изменении какого-то параметра на одну единицу, называются коэффициентами реактивности. Есть несколько устаревший, но вполне годный до сих пор, способ обозначения этих коэффициентов. Он подойдет для нас. Коэффициент реактивности обозначают гр. буквой альфа с индексом, указывающим на параметр, к которому он относится. Вот так:
αT - коэффициент по изменению температуры воды (T);
αW - коэффициент по изменению тепловой мощности реактора (W);
αP - коэффициент по изменению давления воды (P);
αH - коэффициент по изменению положения стержней регулирующей группы (Hсуз);
αC - коэффициент по изменению концентрации борной кислоты в воде первого контура (Cбор);
В физике главное - ввести обозначения. Дальше все просто, формулы сами посыплются как из рога изобилия. Если коэффициент реактивности по температуре воды равен αT, то, значит, его воздействие на коэффициент размножения выразится формулой
αT ∙ΔT
где, понятное дело, ΔT означает величину изменения температуры. Если она растет, то ΔT положительное, если снижается - отрицательное.
Если это воздействие температуры было скомпенсировано изменением мощности ΔW, то выходит, что
αT ∙ΔT + αW ∙ΔW = 0.
Одно воздействие плюс другое воздействие дает нулевое изменение коэффициента размножения.
Ну, и наконец, если изменились все параметры, то все равно один из них, за которым мы не очень тщательно следили, изменится так, что вся сумма будет нулевой. Это называют уравнением баланса реактивностей.
αT ∙ΔT + αW ∙ΔW + αP ∙ΔP + αH ∙ΔHсуз + αС ∙ΔСбор = 0.
Конечно, концентрация бора или положение группы сами по себе не изменятся - они задаются руками оператора. А вот остальные… Изменения давления можно не рассматривать, уж больно мал коэффициент реактивности при нем. А вот изменения мощности будут компенсироваться изменениями температуры при неизменной концентрации кислоты и положении регулирующей группы стержней. И наоборот, мощность будет сама собой меняться, следуя в фарватере изменения температуры. Это мы уже видели.
Если мы не меняем ни мощность, ни температуру, но хотим изменить положение регулирующей группы, нам надо соответствующим образом изменить концентрацию бора.
Просто, не правда ли?
Точные значения всех этих коэффициентов пропечатаны в специальном документе, который лежит на блочном щите управления и называется «Альбом нейтронно-физических характеристик». Оператор может в любой момент открыть его, найти нужное значение, выполнить, да хоть бы и в уме, необходимые умножения и сложения, и все, можно управлять реактором! Никаких систем дифференциальных уравнений не надо в уме решать :)
Ну вот, теперь и вы это знаете. Управлять реактором просто!
О сложном в следующий раз…
Оригинал взят у victor_chapaev в Как управлять атомным реактором - 2
Как управлять атомным реактором - 2
Любое управление подразумевает наличие цели, которую стремиться достигнуть управляющий. Какой может быть цель управления атомным реактором? Например, хорошая, годная цель - добиться, чтобы реактор стабильно и устойчиво работал на максимально допустимой мощности. Как может показаться после чтения предыдущего поста, для этого оператору вообще ничего не надо делать.
И действительно, день, два реактор без вмешательства оператора будет работать устойчиво и стабильно, выдавая постоянную мощность, которую требует от него автоматический регулятор турбины. Но мы забыли, что ядерное топливо в реакторе выгорает. Что же произойдет, когда часть ядерного топлива, предназначенного к сжиганию в текущей кампании, сгорит?
Количество делящегося урана 235 в активной зоне немного уменьшится. Немного увеличится количество осколков деления, которые представляют собой ядра химических элементов, лежащих примерно в середине таблицы Менделеева - всяких изотопов стронция, бария, йода, самария и иже с ними. Эта мутная смесь изотопов, практически каждый из которых радиоактивен, называется «шлаками». А шлаки хорошо поглощают нейтроны, ничего не давая взамен. Вот эти два процесса - уменьшение делящихся изотопов и накопление шлаков - приводят к тому, что коэффициент размножения слегка уменьшается и становится чуть меньше единицы.
Дальше следует уже рассмотренная нами цепочка событий, только с обратным знаком. При уменьшении коэффициента размножения мощность начинает уменьшаться. При этом снижается подогрев теплоносителя в активной зоне - из реактора в парогенератор поступает чуть менее горячая вода. Она испаряет чуть меньше питательной воды. Регулятор турбины «видит», что пара не хватает, и слегка приоткрывает стопорно-регулирующие клапаны на паропроводе. Турбина довольна, ей снова хватает пара. Но давление его в парогенераторе слегка уменьшается. Что дальше? Точно! Снижается температура кипения, вода первого контура охлаждается чуть сильнее и приходит в реактор уже чуть холоднее.
А холодная вода, как мы уже знаем, лучше замедляет нейтроны, чем горячая, и коэффициент размножения возвращается к единице. Более того, действие этих обратных связей возвращает мощность реактора к исходной, опять же за счет снижения температуры воды на входе в активную зону.
Таким образом, выгорание топлива в реакторе приводит… нет, не к снижению мощности, а к уменьшению температуры воды на входе в реактор. Понятно, что так не может продолжаться до бесконечности. Рано или поздно, начальник смены блока скажет оператору-ВИУРу «А не пора ли нам подпитаться чистым?».
В прошлом посте мы видели, как оператор собирает схему для ввода в первый контур крепкого раствора борной кислоты. Она добавлялась, чтобы снизить размножающие свойства активной зоны. И делалось это для того, чтобы тут же, немедленно их восстановить, извлекая группу регулирующих стержней с предельного наинизшего положения.
Для повышения размножающих свойств используется чистая вода - на сленге атомщиков «чистый конденсат». Если им разбавить воду в первом контуре, концентрация борной кислоты уменьшится, содержащийся в ней изотоп бора-10 станет меньше поглощать нейтроны и коэффициент размножения вырастет. Опять сработают обратные связи, регулятор турбины прижмет клапана, и температура на входе в реактор восстановится.
Сказано - сделано. Оператор собирает похожую схему, оперируя набором задвижек и вентилей системы подпитки-продувки, и из специального бака в контур начинает поступать чистая вода. Она разбавляет борную кислоту в контуре, и… входная температура воды растет (я думаю, цепочку событий, которые приводят к этому, читатель уже может восстановить сам). Восстановив температуру, оператор снова переходит к замкнутому режиму работы системы подпитки-продувки, так чтобы вода из контура не уходила (продувка) и не добавлялась (подпитка), а просто часть ее отбиралась на систему спецводоочистки и возвращалась обратно. Теперь можно еще на пару дней забыть о необходимости заботиться о параметрах реактора.
И этот мой рассказ не художественное преувеличение, или гипербола. Были, были времена, когда раз выйдя на номинальный уровень мощности, реакторы так и работали на нем до конца кампании, почти год. И были операторы, которым за все время работы ни разу не доводилось пускать или останавливать реактор. Ну вот не попадали эти операции на их смены…
Но отвлечемся от счастливой судьбы начальника смены блока и оператора реактора, которую им обеспечили хитроумные конструкторы реакторной установки, а рассмотрим процесс саморегулирования с теоретической точки зрения.
Мы видели, что изменения параметров активной зоны часто приводят к изменению коэффициента размножения нейтронов в реакторе. Действительно, стоит уменьшиться мощности, и снижается температура топлива, уран-238 меньше поглощает замедляющихся нейтронов, и коэффициент размножения растет. Или вырастет температура охлаждающей воды - и тут же ухудшается замедление нейтронов, и коэффициент размножения падает. Ну, или наоборот: мощность вверх - коэффициент вниз, температура вниз - коэффициент вверх.
То же происходит и при изменении, например, давления в реакторе. Вода хоть и считается жидкостью несжимаемой, но это все же преувеличение. При росте давления она все-таки становится чуть плотнее и начинает лучше замедлять нейтроны. Поэтому при росте давления в первом контуре коэффициент размножения чуть-чуть, очень мало, но растет. Плохо, короче, вода сжимается.
Изменение каждого параметра можно выразить в соответствующих единицах измерения. Мощность - в мегаваттах, температуру - в градусах, давление - в, прости господи, мегапаскалях. (Вот раньше измеряли в атмосферах, хорошо было). Нас, как физиков, интересует, насколько изменится коэффициент размножения реактора при изменении каждого параметра на одну единицу измерения - мегаватт, градус или мегапаскаль. Точное число! Тогда мы можем рассчитать вносимые возмущения и определить, насколько, например, изменится температура при таком-то изменении мощности. Ну, или наоборот.
А почему мы можем это рассчитать? Потому что у реактора на энергетическом уровне мощности коэффициент размножения всегда стремится к единице. И любое внесенное возмущение по одному параметру всегда компенсируется обратным по знаку изменением другого (или других).
Кстати, к таким параметрам, влияющим на коэффициент размножения, очень рекомендуется отнести положение стержней регулирующей группы (измеряемое в сантиметрах от конца стержня до низа активной зоны) и концентрацию борной кислоты в реакторе. Они очень, очень сильно воздействуют на коэффициент размножения. И чаще всего возникает вопрос, каким перемещение регулирующей группы стержней можно скомпенсировать такое-то изменение температуры. Или сколько вкачать раствора борной кислоты, чтобы снизить мощность до…
Вот эти точные числа, говорящие нам, как изменяется коэффициент размножения реактора при изменении какого-то параметра на одну единицу, называются коэффициентами реактивности. Есть несколько устаревший, но вполне годный до сих пор, способ обозначения этих коэффициентов. Он подойдет для нас. Коэффициент реактивности обозначают гр. буквой альфа с индексом, указывающим на параметр, к которому он относится. Вот так:
αT - коэффициент по изменению температуры воды (T);
αW - коэффициент по изменению тепловой мощности реактора (W);
αP - коэффициент по изменению давления воды (P);
αH - коэффициент по изменению положения стержней регулирующей группы (Hсуз);
αC - коэффициент по изменению концентрации борной кислоты в воде первого контура (Cбор);
В физике главное - ввести обозначения. Дальше все просто, формулы сами посыплются как из рога изобилия. Если коэффициент реактивности по температуре воды равен αT, то, значит, его воздействие на коэффициент размножения выразится формулой
αT ∙ΔT
где, понятное дело, ΔT означает величину изменения температуры. Если она растет, то ΔT положительное, если снижается - отрицательное.
Если это воздействие температуры было скомпенсировано изменением мощности ΔW, то выходит, что
αT ∙ΔT + αW ∙ΔW = 0.
Одно воздействие плюс другое воздействие дает нулевое изменение коэффициента размножения.
Ну, и наконец, если изменились все параметры, то все равно один из них, за которым мы не очень тщательно следили, изменится так, что вся сумма будет нулевой. Это называют уравнением баланса реактивностей.
αT ∙ΔT + αW ∙ΔW + αP ∙ΔP + αH ∙ΔHсуз + αС ∙ΔСбор = 0.
Конечно, концентрация бора или положение группы сами по себе не изменятся - они задаются руками оператора. А вот остальные… Изменения давления можно не рассматривать, уж больно мал коэффициент реактивности при нем. А вот изменения мощности будут компенсироваться изменениями температуры при неизменной концентрации кислоты и положении регулирующей группы стержней. И наоборот, мощность будет сама собой меняться, следуя в фарватере изменения температуры. Это мы уже видели.
Если мы не меняем ни мощность, ни температуру, но хотим изменить положение регулирующей группы, нам надо соответствующим образом изменить концентрацию бора.
Просто, не правда ли?
Точные значения всех этих коэффициентов пропечатаны в специальном документе, который лежит на блочном щите управления и называется «Альбом нейтронно-физических характеристик». Оператор может в любой момент открыть его, найти нужное значение, выполнить, да хоть бы и в уме, необходимые умножения и сложения, и все, можно управлять реактором! Никаких систем дифференциальных уравнений не надо в уме решать :)
Ну вот, теперь и вы это знаете. Управлять реактором просто!
О сложном в следующий раз…