?

Log in

No account? Create an account

Sat, Jul. 22nd, 2017, 04:15 pm
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…


Sat, Jul. 22nd, 2017 03:07 pm (UTC)
2born

Здорово, спасибо большое! Эх, если бы у меня было время, я бы довел до ума свои записи по реакторам, а потом позвал бы вас в соавторы, и мы бы сделали замечательную книжку!..

Sat, Jul. 22nd, 2017 05:09 pm (UTC)
victor_chapaev

Соавтором быть хорошо, на это я согласен. Делать ничего не надо, а слава пополам:)) Да и соавтором с Вами быть, это не то, что соавтором а каком-нибудь юбилейном сборнике, в статье с названием вроде "успехов внедрения новых видов чего-то... где-то там в носу"... С Вами правда почетно.

Sat, Jul. 22nd, 2017 04:22 pm (UTC)
drew_fighter

Спасибо, интересно.

Sat, Jul. 22nd, 2017 04:23 pm (UTC)
Kpygjy Jgfj

Удивительно - стоило лишь напрочь скрыть топ-100 уродов, как нашёлся таки интересный материал. Думал, ЖЖ окончательно скатился в формат вк.
Спасибо.

Sat, Jul. 22nd, 2017 04:27 pm (UTC)
victor_chapaev

Это так совпало, вы отклбчили, а я в это время написал... Вот и...

Sat, Jul. 22nd, 2017 04:25 pm (UTC)
drew_fighter

А верно ли, как пишут некоторые, во время аварии на ЧАЭС вода в контуре реактора тоже закипела, однако реактор не заглох, а, напротив, пошел в разгон?

Sat, Jul. 22nd, 2017 04:31 pm (UTC)
victor_chapaev

На ЧАЭС там реакторы совсем другие. Там, когда вода закипает, реактивность растет. На ВВЭР вода есть замедлитель, хреновенький, но уж какой есть. И если она закипит, то замедлителя в зоне не остается. А в реакторе РБМК, что на ЧАЭС, замедлитель - твердый графит, которым заполнена вся активная зона. Он еще лучший замедлитель, чем вода. И когда вода выкипает, реактивност только растет и реактор, вот, взорвался...

Sat, Jul. 22nd, 2017 04:29 pm (UTC)
_luden_

Огромное спасибо за прекрасный рассказ :)

Тут, выше, про книгу писали - правильно писали.
Таким языком её поймут даже школьники.
Было бы здорово, если бы Вы её написали.

Sat, Jul. 22nd, 2017 04:35 pm (UTC)
victor_chapaev

Я бы не прочь...

Sat, Jul. 22nd, 2017 06:41 pm (UTC)
i_wrotbl

Безнадёжно далёк от этой тематики, как от балета, а тут аж жадно зачитался

Sat, Jul. 22nd, 2017 06:43 pm (UTC)
victor_chapaev

:)

Sat, Jul. 22nd, 2017 07:10 pm (UTC)
livejournal: Как управлять атомным реактором

User alex_bykov referenced to your post from Как управлять атомным реактором saying: [...] Оригинал взят у в Как управлять атомным реактором [...]

Sat, Jul. 22nd, 2017 09:14 pm (UTC)
maratmus

Отличный рассказ, ей-ей!

Sat, Jul. 22nd, 2017 09:57 pm (UTC)
gray_bird

А подскажите, почему в подобных рассказах используют то элементы, то сборки ТВЭЛ vs ТВС?

Sun, Jul. 23rd, 2017 04:28 am (UTC)
victor_chapaev

Ну, это слова такие. На самом деле ядерное топливо выглядит так: на заводе изготавливают много длинных тонких стержней с оболочкой из сплава циркония и керамическими таблетками окиси урана внутри. С торцов к этим стержням приварены циркониевые же заглушки. Эти стержни называют или твэлами, или топливными стержнями, или топливными элементами. В реактор помещается порядка пятидесяти семи тысяч таких стержней. Чтобы не возиться с каждым по отдельности, на заводе же их собирают в сборки по 312 штук. Они получаются шестигранными (у нас) либо квадратными (у Вестингауза). К этому пучку приделывают снизу хвостовик, а сверху - головку, за которую все это удобно таскать краном или прегрузочной машиной. Такая сборка называется или топливной сборкой или ТВС (тепловыделяющей сборкой) или кассетой. Вот. Термины просто разные.

Sun, Jul. 23rd, 2017 05:04 am (UTC)
johndlgr

Нейтроны - тема мутная. Никто их не видел, не щупал - кто его знает, может и нет на самом деле никаких нейтронов, выдумки одни. Вот 60 кгс/см2 и 88 тысяч т/час - это да, это внушает уважение. А давление воды в том контуре, который в реактор заходит, сколько? Выше ста атмосфер небось?

Sun, Jul. 23rd, 2017 05:41 am (UTC)
victor_chapaev

160
(no subject) - (Anonymous) - Expand

Sun, Jul. 23rd, 2017 08:07 am (UTC)
(Anonymous)

Спасибо за статью, правда, очень интересно!
Но вот на этом моменте "Коэффициент размножения, снизившийся было из-за увеличения температуры воды, начал расти." я забуксовал, не понял почему?

Sun, Jul. 23rd, 2017 01:56 pm (UTC)
victor_chapaev

Видимо, после предложения "Мощность начала снижаться, температура топлива пошла вниз, вероятность поглотить замедляющийся нейтрон стала меньше" следовало бы раз'яснить, что если поглощение нейтронов уменьшается, коэффициент размножения растет. Тогда дальше стало бы ясно

Sun, Jul. 23rd, 2017 09:11 am (UTC)
neusolga

С таким раскладом вы, вскоре, легко напишите *как управлять государством*♥

Sun, Jul. 23rd, 2017 01:57 pm (UTC)
victor_chapaev

Хе, как управлять реактором я знаю.

Mon, Jul. 24th, 2017 07:25 am (UTC)
bmpt: Неплохо бы под это дело завести отдельный тег в метках

типа ядрён_батон у alex-bykov

Mon, Jul. 24th, 2017 10:20 am (UTC)
victor_chapaev

Дело пойдет, заведем...

Mon, Jul. 24th, 2017 09:13 am (UTC)
the_arioch

а термины реально неудачные, стоит на несколько лет отвлечься от темы - забываются

понятно, что теперь уже фиг поменяешь, но жаль что они так выбрались когда-то

лучше бы вообще отказаться от приставки "за-" и называть типа мгновенные/отложенные и быстрые/медленные

потому что "за-....." предполагает целенаправленную дейтельность человека, как причину

Скажем, если в тумбочке ящик ЗАдвинутый - то скорее всего его человек задвинул. Если дверь ЗАпертая, то вряд ли она такой родилась, скорее подошли и заперли.

Mon, Jul. 24th, 2017 10:22 am (UTC)
victor_chapaev

Есть существительное "запаздывание", в нем целенаправленность действия почти не заметна. Если от него, то норм...

Sat, Aug. 5th, 2017 01:27 pm (UTC)
nucon: Замечания к части 1:

"На МКУ (минимально-контролируемом уровне) реактор критичен, то есть, коэффициент размножения нейтронов близок (очень близок) к единице..." и далее по тексту

Здесь я бы начал с другого. С того, что до того как стать управляемым, реактор проходит несколько стадий. От полностью заглушенного состояния, до выхода в критическое состояние и перехода на МКУ. С объяснением, что такое критическое состояние.

"Теперь понятно, что энергетический уровень мощности, это когда тепло от делений топлива заметно разогревает топливные стержни".

Энергетический уровень мощности, у нас это когда установка дает энергию. То есть примерно 10-15 %% и можно крутить ТГ.

"...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".

Здесь хорошо бы привести график, который мы называем “усы”.

"Вот! Это уже воздействие на топливо! Не требуется ли тут вмешательство оператора?"

Автор исправился ниже, конечно же, более горячая вода это воздействие на топливо, но опосредованно, через изменение замедляющей способности воды как замедлителя и в рассматриваемом случае не через теплообмен, хотя и через него тоже.

"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 же не все так просто как кажется. Есть целый ряд вопросов с аккумулированным теплом, с наложением процессов и даже с уровнем мощности. Но это уже высший пилотаж.

"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 правда? И выгорание месяцами не компенсируется?

"Это, конечно, приведет к заглушению реактора, ведь без воды-замедлителя он работать не может. Но раскаленное топливо без охлаждения непременно будет повреждено".

Не соглашусь. Конечно давление не участвует явно, но к примеру у нас есть такое понимание как “жесткость” контура. Особенно если установка работает с “плавающим”, изменяющимся давлением в первом. С учетом погрешности измерения давления, даже нескольких атмосфер бывает достаточно для изменения в процессе пузырькового кипения, а этот фактор куда существеннее чем изменение плотности замедлителя (воды) на несколько градусов.

И еще:


"...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".

Тоже не совсем верно. При 60 атмосферах пар может быть и более высокой температуры. И эта температура приближается к температуре выхода из АЗ. Но тут есть несколько “но”… И "номинальные", это скорее, в данном изложении “электрические“
Да, и еще..., регулирующие клапана и БЗК турбины, тоже не одно и тоже…




Edited at 2017-08-05 08:35 pm (UTC)