Как управлять атомным реактором
Как управлять атомным реактором
Очень обидно, когда люди путают мгновенные нейтроны с быстрыми, а запаздывающие с замедленными. С этим надо что-то делать, положить этому конец, в конце концов! А сколько басен ходит про то, как сложно управлять атомным реактором, что операторы ходят там, буквально, по ниточке, вот-вот реактор взорвется, если чуть недоглядеть. А то заглохнет совсем, пока оператор обед кушает…
Всё совсем не так! Может, это будет несколько постов. Про то, как же на самом деле управляют атомным реактором, и что с ним можно делать, а что нельзя.
Картинка наверху - для привлечения внимания. Что на ней изображено, будет ясно в дальнейшем. Но, по крайней мере, реактор ВВЭР-1000 в разрезе, показанный справа, вы, наверное, узнали. Графики и цветограммы слева имеют отношение к управлению реактором в разных режимах.
Начну, пожалуй, с конца. С управления реактором на энергетических уровнях мощности. Хотя обычно сначала рассказывают про то, как меняется поток нейтронов в реакторе на минимально контролируемом уровне мощности, а потом уж переходят к рассмотрению работы на тех самых энергетических уровнях. Но мой подход можно оправдать. Во-первых, на энергетическом уровне мощности реактор работает подавляющее большинство времени. А во-вторых, до управления реактором на мощности редко добираются интересующиеся, утомившись чтением более ранних разделов учебника.
Чем же отличаются эти уровни мощности - энергетический и минимально-контролируемый?
На МКУ (минимально-контролируемом уровне) реактор критичен, то есть, коэффициент размножения нейтронов близок (очень близок) к единице. То есть, сколько нейтронов рождается, столько и поглощается. Но количество делений ядер топлива настолько мало, что выделяемое при этом тепло не может сколь-нибудь заметно нагреть топливные стержни - это микроскопическое тепло тут же уносится потоком охлаждающего активную зону теплоносителя. Мощность реактора в этом случае приходится контролировать специальным диапазоном аппаратуры контроля нейтронного потока (АКНП), предназначенным для малых и сверхмалых мощностей. Рабочий же диапазон АКНП еще ничего не чувствует. В состоянии «на МКУ» реактор находится недолго, несколько часов или смен после пуска из подкритического состояния.
Теперь понятно, что энергетический уровень мощности, это когда тепло от делений топлива заметно разогревает топливные стержни. Давайте я буду называть их как положено - твэлы. Аббревиатура от слов «ТепоВыделяющие ЭЛементы». Так и короче, и ближе к нашему атомному сленгу. На энергетическом уровне мощности твэлы разогреваются несмотря на мощный (88 000 т/час) поток охлаждающей воды. Более того, сама охлаждающая вода начинает нагреваться, проходя через активную зону (не удивительно, ведь для этого все и затевается). Так как тепло выделяется в объеме твэла, а охлаждается он только с поверхности, его середина, состоящая из окиси обогащенного урана, оказывается горячее охлаждающей воды. Вот цифры для работы на номинальном уровне мощности: температура воды на входе в активную зону - 287 градусов, на выходе - 317, температура керамики в центре твэла (а окись урана - это ведь керамика) доходит до 1500 градусов. Таким образом, температура воды - одна песня, температура топлива - совсем другая.
В управлении реактором на мощности важную, если не определяющую, роль играет свойство саморегулируемости. Давайте посмотрим, как оно работает.
Вот у нас имеется реактор, который тем или иным способом выведен на номинальный уровень мощности. Топливо разогрето, в среднем, до 700 - 800 градусов, вода, имеющая температуру на входе 287 градусов, нагревается на 30 градусов и уносится в парогенераторы. Там проходя по трубкам трубчатки в объеме подпиточной воды, она отдает это тепло на ее испарение. В парогенераторе давление 60 атмосфер и вода там кипит при температуре 275 градусов. Выше этого температура в парогенераторе не поднимается, как в чайнике она не поднимается выше 100 градусов, пока он кипит. Пар идет по паропроводу через стопорно-регулирующие клапана на турбину, крутит ее, а она крутит генератор, который и выдает наши номинальные 1000 МВт.
В стационарном состоянии все эти параметры неизменны и постоянны. Представим теперь, что мощность на генераторе снизилась. Турбине уже не надо столько пара, сколько через нее шло раньше, стопорно-регулирующие клапаны прикрываются, уменьшая расход пара. Соответственно, его давление в паропроводе перед ними и в парогенераторах начинает расти. Температура кипения от этого повышается. Соответственно, и температура греющей воды из первого контура, до которой она охлаждается в парогенераторе, отдавая тепло на кипячение питательной воды, тоже увеличивается. И на вход в реактор поступает уже более горячая вода.
Вот! Это уже воздействие на топливо! Не требуется ли тут вмешательство оператора?
Посмотрим, как повлияет приход более горячей воды в реактор. Более горячая вода хуже замедляет нейтроны. А ведь наш реактор работает на тепловых, замедленных нейтронах! Плотность более горячей воды ниже, и нейтроны реже встречают ядра замедлителя. Этого достаточно, чтобы в твэлы стало попадать меньше тепловых нейтронов. Коэффициент размножения уменьшается. Реактор начинает глохнуть!
Но! При уменьшении скорости деления ядер урана уменьшается температура топлива в твэлах.
А более холодное топливо хуже поглощает замедляющиеся нейтроны - это те, которые родившись быстрыми, еще не успели замедлиться. Такой нейтрон в процессе замедления может пролететь сквозь твэл, и есть очень даже неплохая вероятность, что его там поглотит ядро урана-238. Которого в активной зоне очень много. Чем выше температура топлива, тем такая вероятность больше. Мощность начала снижаться, температура топлива пошла вниз, вероятность поглотить замедляющийся нейтрон стала меньше. Коэффициент размножения, снизившийся было из-за увеличения температуры воды, начал расти. К этому добавляется то, что при снижении мощности подогрев теплоносителя тоже уменьшается, правда не так быстро, как температура топлива. Средняя температура воды снижается. Все это ведет к тому, что снижение мощности прекращается.
То есть, уменьшение расхода пара автоматически, само собой, без вмешательства оператора, приводит к соответствующему уменьшению мощности реактора!
Кстати, звучит парадоксом, что когда в реактор приходит более горячая вода, температура топлива идет вниз. Контринтуитивно, не правда ли?
Таким образом, правильно загруженный водо-водяной реактор, работающий на мощности, не нуждается в мелочной опеке оператора. Также месяцами не приходит в действие автоматический регулятор мощности, который по сигналу АКНП (аппаратура контроля нейтронного потока, помним?) может путем погружения и извлечения регулирующих стержней менять мощность реактора. Реактор сам справляется с регулированием своей мощности!
Что ж, первый урок по управлению реактором - реактор на мощности не нуждается в управлении. В определенных, довольно широких пределах, он справляется с этим сам.
Где же положены пределы этому самоуправству?
Предположим, что расход пара снизился ОЧЕНЬ сильно. И температура кипения выросла тоже ОЧЕНЬ сильно. Тогда и температура воды на входе в активную зону вырастет ОЧЕНЬ сильно. Допустимо ли это? Нет. Давление в реакторе и первом контуре циркуляции регулируется совсем другим механизмом и не участвует в саморегулируемости. Поэтому при СЛИШКОМ сильном увеличении температуры в реакторе вода может закипеть. Это, конечно, приведет к заглушению реактора, ведь без воды-замедлителя он работать не может. Но раскаленное топливо без охлаждения непременно будет повреждено.
Для предотвращения этого имеются несколько уровней автоматических защит, и реактор обязательно будет заглушен автоматически, если его параметры приблизятся к этой опасной черте.
Так вот, задача оператора - не допустить приближения параметров - давлений и температур - к этому пределу. Например, температура воды на входе в зону ограничена сверху величиной 291 градус. Выше - опасно. Не смертельно, но опасно.
Предположим, турбогенератор снижает и снижает мощность. Расход пара уменьшается, температура на входе в зону растет, мощность реактора уменьшается. Все вроде бы хорошо. Но, рано или поздно, температура воды на входе в зону подберется к 291 градусу. Что делать оператору?
Вот тут в ход идут регулирующие стержни. Оператор недрогнувшей рукой берется за ключ управления и погружает управляющую группу стержней на 2 - 3 а то и на все 5 процентов. Что происходит в реакторе при этом?
В активной зоне стало больше поглотителей нейтронов! Коэффициент размножения снизился, причем существенно. Реактор начал «глохнуть». Количество делений в топливе стало уменьшаться, его температура снизилась. Снизился и подогрев теплоносителя на зоне. Вода стала холодней. И если мощность турбогенератора не поменялась, скоро мощность реактора восстановится при новой, более низкой температуре воды на входе. Чего и требовалось добиться от него оператору!
Тут возникает новая ситуация. Мощность реактора поддерживается автоматически за счет саморегулирования, оператор же управляет не мощностью, а другими параметрами, в данном случае, температурой воды на входе в зону.
Второй урок по управлению реактором - на мощности оператор управляет не мощностью, а параметрами реакторной установки, удерживая их в допустимых пределах.
Что делать если стержни управления уперлись в дно реактора? Хи-хи. Конечно, не в дно, а достигли нижнего допустимого предела. Тут выступает на сцену система борного регулирования. Она приводится в действие оператором вручную. Если надо внести в реактор отрицательную реактивность, оператор реакторной установки собирает достаточно мудреную схему, открывая одни и закрывая другие вентили и задвижки в системе продувки-подпитки первого контура, и в одну из петель циркуляции начинает поступать концентрированный раствор борной кислоты. Очень быстро он размешивается по всему объему воды (помним, что расход охлаждающей воды 88000 т/час) и стержни можно начинать извлекать. Так как расход подпитки-продувки невелик, концентрация борной кислоты в контуре растет достаточно медленно, так что оператор комфортно может извлечь управляющую группу стержней в нужное ему положение. После этого схема подпитки-продувки приводится в исходное положение, так чтобы концентрация кислоты в контуре не менялась.
Что же еще регулирует оператор, кроме температуры воду на входе в зону? Об этом в следующий раз…
Очень обидно, когда люди путают мгновенные нейтроны с быстрыми, а запаздывающие с замедленными. С этим надо что-то делать, положить этому конец, в конце концов! А сколько басен ходит про то, как сложно управлять атомным реактором, что операторы ходят там, буквально, по ниточке, вот-вот реактор взорвется, если чуть недоглядеть. А то заглохнет совсем, пока оператор обед кушает…
Всё совсем не так! Может, это будет несколько постов. Про то, как же на самом деле управляют атомным реактором, и что с ним можно делать, а что нельзя.
Картинка наверху - для привлечения внимания. Что на ней изображено, будет ясно в дальнейшем. Но, по крайней мере, реактор ВВЭР-1000 в разрезе, показанный справа, вы, наверное, узнали. Графики и цветограммы слева имеют отношение к управлению реактором в разных режимах.
Начну, пожалуй, с конца. С управления реактором на энергетических уровнях мощности. Хотя обычно сначала рассказывают про то, как меняется поток нейтронов в реакторе на минимально контролируемом уровне мощности, а потом уж переходят к рассмотрению работы на тех самых энергетических уровнях. Но мой подход можно оправдать. Во-первых, на энергетическом уровне мощности реактор работает подавляющее большинство времени. А во-вторых, до управления реактором на мощности редко добираются интересующиеся, утомившись чтением более ранних разделов учебника.
Чем же отличаются эти уровни мощности - энергетический и минимально-контролируемый?
На МКУ (минимально-контролируемом уровне) реактор критичен, то есть, коэффициент размножения нейтронов близок (очень близок) к единице. То есть, сколько нейтронов рождается, столько и поглощается. Но количество делений ядер топлива настолько мало, что выделяемое при этом тепло не может сколь-нибудь заметно нагреть топливные стержни - это микроскопическое тепло тут же уносится потоком охлаждающего активную зону теплоносителя. Мощность реактора в этом случае приходится контролировать специальным диапазоном аппаратуры контроля нейтронного потока (АКНП), предназначенным для малых и сверхмалых мощностей. Рабочий же диапазон АКНП еще ничего не чувствует. В состоянии «на МКУ» реактор находится недолго, несколько часов или смен после пуска из подкритического состояния.
Теперь понятно, что энергетический уровень мощности, это когда тепло от делений топлива заметно разогревает топливные стержни. Давайте я буду называть их как положено - твэлы. Аббревиатура от слов «ТепоВыделяющие ЭЛементы». Так и короче, и ближе к нашему атомному сленгу. На энергетическом уровне мощности твэлы разогреваются несмотря на мощный (88 000 т/час) поток охлаждающей воды. Более того, сама охлаждающая вода начинает нагреваться, проходя через активную зону (не удивительно, ведь для этого все и затевается). Так как тепло выделяется в объеме твэла, а охлаждается он только с поверхности, его середина, состоящая из окиси обогащенного урана, оказывается горячее охлаждающей воды. Вот цифры для работы на номинальном уровне мощности: температура воды на входе в активную зону - 287 градусов, на выходе - 317, температура керамики в центре твэла (а окись урана - это ведь керамика) доходит до 1500 градусов. Таким образом, температура воды - одна песня, температура топлива - совсем другая.
В управлении реактором на мощности важную, если не определяющую, роль играет свойство саморегулируемости. Давайте посмотрим, как оно работает.
Вот у нас имеется реактор, который тем или иным способом выведен на номинальный уровень мощности. Топливо разогрето, в среднем, до 700 - 800 градусов, вода, имеющая температуру на входе 287 градусов, нагревается на 30 градусов и уносится в парогенераторы. Там проходя по трубкам трубчатки в объеме подпиточной воды, она отдает это тепло на ее испарение. В парогенераторе давление 60 атмосфер и вода там кипит при температуре 275 градусов. Выше этого температура в парогенераторе не поднимается, как в чайнике она не поднимается выше 100 градусов, пока он кипит. Пар идет по паропроводу через стопорно-регулирующие клапана на турбину, крутит ее, а она крутит генератор, который и выдает наши номинальные 1000 МВт.
В стационарном состоянии все эти параметры неизменны и постоянны. Представим теперь, что мощность на генераторе снизилась. Турбине уже не надо столько пара, сколько через нее шло раньше, стопорно-регулирующие клапаны прикрываются, уменьшая расход пара. Соответственно, его давление в паропроводе перед ними и в парогенераторах начинает расти. Температура кипения от этого повышается. Соответственно, и температура греющей воды из первого контура, до которой она охлаждается в парогенераторе, отдавая тепло на кипячение питательной воды, тоже увеличивается. И на вход в реактор поступает уже более горячая вода.
Вот! Это уже воздействие на топливо! Не требуется ли тут вмешательство оператора?
Посмотрим, как повлияет приход более горячей воды в реактор. Более горячая вода хуже замедляет нейтроны. А ведь наш реактор работает на тепловых, замедленных нейтронах! Плотность более горячей воды ниже, и нейтроны реже встречают ядра замедлителя. Этого достаточно, чтобы в твэлы стало попадать меньше тепловых нейтронов. Коэффициент размножения уменьшается. Реактор начинает глохнуть!
Но! При уменьшении скорости деления ядер урана уменьшается температура топлива в твэлах.
А более холодное топливо хуже поглощает замедляющиеся нейтроны - это те, которые родившись быстрыми, еще не успели замедлиться. Такой нейтрон в процессе замедления может пролететь сквозь твэл, и есть очень даже неплохая вероятность, что его там поглотит ядро урана-238. Которого в активной зоне очень много. Чем выше температура топлива, тем такая вероятность больше. Мощность начала снижаться, температура топлива пошла вниз, вероятность поглотить замедляющийся нейтрон стала меньше. Коэффициент размножения, снизившийся было из-за увеличения температуры воды, начал расти. К этому добавляется то, что при снижении мощности подогрев теплоносителя тоже уменьшается, правда не так быстро, как температура топлива. Средняя температура воды снижается. Все это ведет к тому, что снижение мощности прекращается.
То есть, уменьшение расхода пара автоматически, само собой, без вмешательства оператора, приводит к соответствующему уменьшению мощности реактора!
Кстати, звучит парадоксом, что когда в реактор приходит более горячая вода, температура топлива идет вниз. Контринтуитивно, не правда ли?
Таким образом, правильно загруженный водо-водяной реактор, работающий на мощности, не нуждается в мелочной опеке оператора. Также месяцами не приходит в действие автоматический регулятор мощности, который по сигналу АКНП (аппаратура контроля нейтронного потока, помним?) может путем погружения и извлечения регулирующих стержней менять мощность реактора. Реактор сам справляется с регулированием своей мощности!
Что ж, первый урок по управлению реактором - реактор на мощности не нуждается в управлении. В определенных, довольно широких пределах, он справляется с этим сам.
Где же положены пределы этому самоуправству?
Предположим, что расход пара снизился ОЧЕНЬ сильно. И температура кипения выросла тоже ОЧЕНЬ сильно. Тогда и температура воды на входе в активную зону вырастет ОЧЕНЬ сильно. Допустимо ли это? Нет. Давление в реакторе и первом контуре циркуляции регулируется совсем другим механизмом и не участвует в саморегулируемости. Поэтому при СЛИШКОМ сильном увеличении температуры в реакторе вода может закипеть. Это, конечно, приведет к заглушению реактора, ведь без воды-замедлителя он работать не может. Но раскаленное топливо без охлаждения непременно будет повреждено.
Для предотвращения этого имеются несколько уровней автоматических защит, и реактор обязательно будет заглушен автоматически, если его параметры приблизятся к этой опасной черте.
Так вот, задача оператора - не допустить приближения параметров - давлений и температур - к этому пределу. Например, температура воды на входе в зону ограничена сверху величиной 291 градус. Выше - опасно. Не смертельно, но опасно.
Предположим, турбогенератор снижает и снижает мощность. Расход пара уменьшается, температура на входе в зону растет, мощность реактора уменьшается. Все вроде бы хорошо. Но, рано или поздно, температура воды на входе в зону подберется к 291 градусу. Что делать оператору?
Вот тут в ход идут регулирующие стержни. Оператор недрогнувшей рукой берется за ключ управления и погружает управляющую группу стержней на 2 - 3 а то и на все 5 процентов. Что происходит в реакторе при этом?
В активной зоне стало больше поглотителей нейтронов! Коэффициент размножения снизился, причем существенно. Реактор начал «глохнуть». Количество делений в топливе стало уменьшаться, его температура снизилась. Снизился и подогрев теплоносителя на зоне. Вода стала холодней. И если мощность турбогенератора не поменялась, скоро мощность реактора восстановится при новой, более низкой температуре воды на входе. Чего и требовалось добиться от него оператору!
Тут возникает новая ситуация. Мощность реактора поддерживается автоматически за счет саморегулирования, оператор же управляет не мощностью, а другими параметрами, в данном случае, температурой воды на входе в зону.
Второй урок по управлению реактором - на мощности оператор управляет не мощностью, а параметрами реакторной установки, удерживая их в допустимых пределах.
Что делать если стержни управления уперлись в дно реактора? Хи-хи. Конечно, не в дно, а достигли нижнего допустимого предела. Тут выступает на сцену система борного регулирования. Она приводится в действие оператором вручную. Если надо внести в реактор отрицательную реактивность, оператор реакторной установки собирает достаточно мудреную схему, открывая одни и закрывая другие вентили и задвижки в системе продувки-подпитки первого контура, и в одну из петель циркуляции начинает поступать концентрированный раствор борной кислоты. Очень быстро он размешивается по всему объему воды (помним, что расход охлаждающей воды 88000 т/час) и стержни можно начинать извлекать. Так как расход подпитки-продувки невелик, концентрация борной кислоты в контуре растет достаточно медленно, так что оператор комфортно может извлечь управляющую группу стержней в нужное ему положение. После этого схема подпитки-продувки приводится в исходное положение, так чтобы концентрация кислоты в контуре не менялась.
Что же еще регулирует оператор, кроме температуры воду на входе в зону? Об этом в следующий раз…