Как управлять атомным реактором - 4
Как управлять атомным реактором - 4
Когда я давным-давно учился на физика на рабочем месте, мои наставники различали три вида ксеноновых процессов. Про два из них мы уже говорили. Один из них - йодная яма - хоть и колоритен и впечатляющ, но проявляется только после остановки реактора. А мы с вами сейчас учимся управлять реактором на мощности. Поэтому для нас она не существенна.
Второй - стационарное отравление - действует как раз на мощности. Мои наставники понимали под стационарным отравлением постепенное накопление ксенона после выхода реактора на постоянный уровень мощности и установление его постоянной, стационарной (или равновесной) концентрации. Как же влияет этот процесс на управление реактором и что должен делать оператор в это время?
Да ничего особенного. Процесс этот медленный, занимает часы и сутки. Но масштабы его впечатляют. Отравление ксеноном компенсируют уменьшением концентрации борной кислоты в воде первого контура. Накапливающийся ксенон поглощает все больше и больше нейтронов, но оператор вводит в контур чистый конденсат, плотность ядер бора в воде снижается, и общее поглощение нейтронов остается на прежнем уровне. А значит, и коэффициент размножения остается таким же, как был до отравления.
Вот как выглядит этот процесс, будучи промоделирован штатной расчетной программой.
Краткий комментарий, для тех, кого этот график не впечатлил. Практически за двое суток из-за отравления концентрация борной кислоты снизилась с 11.2 до 8.8 г/кг (это такие единицы измерения), то есть на 2.4 грамма (так эти единицы обзывают на сленге). В дальнейшем, если реактор будет работать на постоянной мощности до самого конца кампании, эта концентрация снизится с 8.8 г/кг до 0, компенсируя выгорание топлива. Кампания эта будет длиться 500 суток. То есть за день будет выгорать, как у нас говорят, бора чуть менее двух сотых грамма. На самом деле выгорает уран 235, накапливаются шлаки, но оператор компенсирует это вводом чистой воды в контур, и со стороны кажется, что выгорает бор.
А ксенон за двое суток «сожрал» целых 2.4 грамма! Это же 120 дней работы реактора на полной мощности!
Вот такие могучие процессы происходят в первую пару суток работы реактора после подъема мощности. Операторам приходится быть внимательными - если после установления стационарной концентрации ксенона подпитываться чистым для компенсации выгорания можно понемногу раз в двое-трое суток, то в первые дни это надо делать несколько раз в смену, да еще и помногу.
Поэтому и положение управляющей группы стержней в это время меняется довольно сильно, хотя в остальное время она неизменно выставлена на максимально допустимой высоте в 92%. Вспомним, из-за чего это происходит, сделав небольшое повторение пройденного.
Итак, турбогенератор работает на постоянной мощности, регулятор обеспечивает его необходимым количеством пара, приоткрывая или призакрывая стопорно-регулирующие клапаны. Давление пара при этом или немного снижается, или подрастает, а вслед за ним снижается или подрастает температура кипения в парогенераторе. Это приводит к соответствующему изменению температуры воды на входе в реактор. Более холодная вода повышает коэффициент размножения нейтронов, а более горячая снижает. Тогда мощность реактора начинает или расти или снижаться, в зависимости от того, в какую сторону этот коэффициент отклонился от единицы, топливо соответственно меняет свою температуру и рост/уменьшение мощности прекращается.
Если коэффициент размножения по какой-нибудь причине, не зависящей от турбогенератора, снизится, то произойдет следующее: реактор начнет снижать мощность, топливо станет остывать - это само по себе остановит снижение мощности. Но и подогрев воды в активной зоне уменьшится. Это приведет к тому, что в парогенераторе станет вырабатываться меньше пара, регулятор турбины сильнее откроет клапана, расход пара на турбину увеличится, а давление его упадет. Температура кипения и температура воды на входе в реактор снизится, коэффициент реактивности вырастет, реактор восстановит мощность. Но уже при более низкой температуре воды на входе.
Отравление как раз уменьшает коэффициент размножения, поэтому вследствие всей этой цепочки взаимосвязанных событий, это приведет к тому, что вода на входе будет становиться все холоднее и холоднее. Способность регулирующего клапана открываться имеет предел сверху, и когда он будет достигнут, начнет снижаться мощность турбогенератора - пара просто элементарно не хватит для поддержания мощности.
Но до этого никто дело не доводит. Конечно, как мы уже знаем, оператор может поднять коэффициент размножения или путем извлечения управляющей группы стержней, или путем ввода в контур чистого конденсата - уменьшением концентрации борной кислоты. У регулирующих стержней тоже есть верхний предел извлечения, много ксенона ими не скомпенсируешь. Остается чистый. И его нужно много.
Чтобы не работать все время с включенной подпиткой чистым конденсатом, делают так. Собирают нужную схему системы подпитки-продувки и включают большой расход чистого конденсата. Коэффициент размножения сразу начинает расти, вслед за ним мощность, повышается выработка пара, регулятор … ну, понятно, что вырастает входная температура воды в реактор. Когда она увеличивается достаточно, оператор погружает управляющую группу, компенсируя воздействие чистого конденсата на коэффициент размножения.
Вспомним сложную формулу баланса реактивности.
αT ∙ΔT + αW ∙ΔW + αP ∙ΔP + αH ∙ΔHсуз + αС ∙ΔСбор = 0.
Мощность реактора поддерживает регулятор турбины за счет обратных связей - значит ΔW = 0. Температуру воды оператор хочет поддерживать постоянной - значит ΔT тоже = 0. Дельта Пэ мы не рассматриваем. Остается ΔСбор, которая отрицательна и постоянно уменьшается, и ΔHсуз, изменение которой должно привести сумму к нулю.
αH ∙ΔHсуз + αС ∙ΔСбор = 0.
Учитывая, что коэффициента αH положителен (извлекаем стержни - увеличиваем коэффициент размножения), а αС отрицателен (добавляем борную кислоту - снижаем коэффициент размножения), получаем, что компенсировать снижение концентрации борной кислоты надо погружением стержней. Тогда и мощность и температура останутся постоянными.
Так и делают. Качают чистый, пока стержни не уйдут вниз до 75 - 80% и после этого чистый отключают. Дальше поддерживают мощность (на самом деле температуру - мощность поддерживается обратными связями за счет ее снижения) извлечением группы, компенсируя отравление. Когда группа выходит на допустимые 90 - 92%, процесс повторяют. И так всю смену.
Перемещение группы несколько напряжно для оператора, ибо с этим связаны некоторые вещи, за которыми надо внимательно следить, и о которых я надеюсь рассказать позднее. Поэтому эти смены сразу после набора мощности достаточно хлопотны для оператора. И в этом виноват ксенон!
Через пару дней все успокаивается - ксенон получил свою плату в виде части запаса реактивности реактора и успокоился.
Так. Про саморегулируемость повторили, формулу баланса реактивности вспомнили. Теперь предлагаю вспомнить, что реактор не всегда работает на постоянном уровне мощности. Иногда, время от времени, мощность приходится изменять. Что же тут сложного? У нас есть саморегулируемость, если надо снизить мощность, пусть оператор турбины уменьшит мощность генератора, регулятор призакроет регулирующие клапана, и цепочка саморегулирования снизит мощность реактора насколько нужно. Оператору реактора только надо следить за температурой и вовремя ее понизить, погрузив группы управляющих стержней или подпитавшись борной кислотой.
Но ксенон тут как тут! Именно таких событий он и дожидается, замерев в сладкой дреме стационарного отравления. И настала пора рассказать о третьем ксеноновом процессе из тех трех, которые различали мои наставники. Этот процесс они называли нестационарным отравлением.
Что же происходит в аппарате с йодом и ксеноном, когда он снижает мощность? (Старые матерые атомщики аппаратом называют атомный реактор, традиция еще со времен Курчатова. А турбину - машиной. А турбинистов - машинистами). А примерно то же самое, что происходит во время йодной ямы, рано мы с ней простились.
Выжигание ксенона уменьшившимся нейтронным потоком резко снизилось, а его образование еще находится на прежнем уровне - йода еще не успело распасться много, хотя количество его начало медленно убывать, стремясь к новому, более низкому стационарному значению. Количество ксенона стало расти. Реактор как бы стремится продолжить снижение мощности. Чтобы этого не допустить, необходимо воздействовать на коэффициент размножения в сторону увеличения. И через некоторое время после опускания регулирующих стержней оператору приходится их извлекать. Если мощность снижена значительно, рано или поздно оператор обратится к начальнику смены блока: «Травимся, группы может не хватить». «Давай чистый» - только и ответит начальник смены…
Но на этом все не заканчивается. Пройдя пик, количество ксенона начнет убывать. Ведь его стационарная концентрация на новом, более низком уровне мощности меньше, чем была до снижения мощности. И реактор начинает разотравляться (не помню, говорил, что это термин?). Чтобы привести параметры - температуру на входе в реактор и давление в парогенераторах в норму - оператор опять погружает стержни управления, или качает в контур раствор борной кислоты.
Со стороны процесс нестационарного отравления выглядит как волнообразное изменение положения группы регулирующих стержней при практически неизменных значениях мощности и входной температуры. Сперва они резко погружаются, отрабатывая снижение мощности. После этого плавно, небольшими шагами идут вверх, компенсируя отравление. Часа через четыре (в отличие от восьми - девяти при йодной яме) они надолго застывают в верхнем положении - на час, полтора. Потом начинается медленное их движение вниз. И окончательно останавливаются часов через двадцать, двадцать пять, в положении более низком, чем были сразу после разгрузки (снижения мощности).
Если не верите, что все так, как я рассказал, вот вам секретная картинка с блока, с какого, не скажу.
Линии в верхней части, демонстрирующие ступенчатое снижение - мощности. Самая верхняя - электрическая, она в одном масштабе, ниже - пучок мощностей тепловых, определенных разными способами - они в другом масштабе. Жирной песочной линией показано положение регулирующей группы поглощающих стержней. Еще ниже - температура на входе в реактор по всем четырем петлям циркуляции первого контура. В самом низу - концентрация борной кислоты в теплоносителе, она очень мала и не меняется.
Видно, что разгрузка началась с резкого роста входной температуры - это оператор-машинист снизил мощность задатчиком, и заработали обратные связи. Оператор реактора опустил стержни, и температура снизилась. Через некоторое время после остановки группы в нижней точке, оказалось, что температура продолжает снижаться - реактор травится. Для ее восстановления оператор реактора двинул стержни вверх. В течение следующих двух часов температура продолжает снижение, но уже медленнее. В 13:00 оператор снова поднимает стержни, чтобы ее восстановить. Как я и говорил и писал, через 4 часа после снижения мощности нестационарное отравление достигает своего максимума и затем начинается разотравление. Это мы можем увидеть по тому, что входная температура долго не меняется, а потом начинает расти. В конце концов приходится снова погрузить стержни, чтобы угомонить ее рост. Тем не менее, рост, хоть и медленно, но продолжается, и затухает на новом, более высоком уровне, чем до разгрузки, через двадцать часов. Ну, прямо картинка для учебника.
Что же будет, если мы, снизив мощность, и проработав на ней достаточно долго, чтобы достичь стационарного отравления, снова ее поднимем, до максимально допустимой?
А будет все наоборот. Выжигание ксенона увеличится сразу, а увеличенное рождение появится нескоро. Количество ксенона начнет уменьшаться, коэффициент размножения нейтронов станет расти. Реактор будет подавать сигналы, что хочет набрать мощность еще! Температура на входе начнет расти из-за разотравления. Оператору придется снова погрузить извлеченные было стержни. Но через четыре часа, стержни придется снова извлекать - теперь реактор начал травиться. И извлечь их надо будет выше, чем они были сразу после увеличения мощности. Заранее надо озаботиться, чтобы этот запас был.
Особенно сложнопредсказуемыми становятся процессы отравления-разотравления, когда мощность приходится несколько раз менять в течение, например, суток. Тогда на нестационарное отравление от изменения мощности в прошлом накладывается новый процесс от изменения мощности сейчас. От величины изменения мощности зависят как сила (или, как говорят, глубина) отравления, так и его временные параметры - время наступления пика.
Просчитать это в голове невозможно. Да и рассчитать компьютерной программой можно только после окончания процессов, когда известны все моменты изменений мощности и их величины. Да и то, иногда результаты могут получиться с обратным знаком :) Неточно обсчитывает современная наука нестационарные ксеноновые процессы :( Поэтому оператору процесс приходится вести, как говорится, вслепую, реагируя де-факто на изменения параметров реакторной установки. Не забывая всегда обеспечивать запас хода стержней в обе стороны, когда уже трудно сказать, что ожидает впереди - отравление или разотравление реактора.
Тут то и оказывается важным, насколько оператор «дружен» с ксеноном, насколько понимает его шаловливую натуру. Один уверенно пробирается через лабиринт ксеноновых процессов, другому они просто отравляют жизнь…
Следующий раз мы вспомним о том, что реактор - это не математическая точка, к которой прикладываются разные параметры типа мощности, температуры и глубины отравления. Он большой, и параметры эти как-то распределены в его объеме. И за ними, этими распределениями, оператор тоже должен следить и ими управлять.
Но прежде хочу рассказать про еще один эффект, который может выдать на-гора ксенон. Как вы думаете, что будет с реактором, если снизить мощность и НЕ поддерживать ее постоянной, а поддерживать постоянной только входную температуру?
Вот оператор снизил мощность. Вот реактор начал травиться. Вот мы позволяем ему снизить мощность, НЕ поддерживая ее. Вот он травится из-за этого еще сильнее! И еще сильнее снижает мощность! Возникает положительная обратная связь, которая поддерживает начавшийся процесс. И тут можно легко заменить слово «снижает» на слово «повышает». То есть, если мы «толкнем» мощность вверх, начавшееся разотравление начнет повышать ее все сильнее и сильнее! Очевидно, что в этом процессе кроется потенциальная опасность. Конечно, медленный рост мощности не приведет к вселенскому взрыву - уставка срабатывания АЗ-1 всего на семь процентов выше текущей мощности. Но все-таки, все-таки…
На практике такие явления не наблюдаются, саморегулирование - это наше всё. Но иногда, при исследованиях первой загрузки нового энергоблока, такие эксперименты проводятся (под руководством научного руководителя). И результаты их подтверждают теоретические расчеты.
Вот таков ксенон.