книги из ГПНТБ / Сидоренко, В. А. Вопросы безопасной работы ВВЭР к 10-й годовщине пуска первого блока Нововоронежской атомной электростанции

3

В В Е Д Е Н И Е

30 оентября 1964 года был включен в сеть первый блок Ново­ воронежской АЭС о водо-водяннн энергетическим реактором, н этим событием началось промввленное использование ВВЭР в отечествен­ ной энергетике.

В предлагаемой работе делается попытка обобщения опыта ооздания водо-водяных энергетических реакторов для атомных элект­ ростанций в той чаота вопрооов, которые овяванн прежде всего о безопасностью осуществления процеоса деления урана для получе­ ния энергетического тепла.

Если огруппировать основные физические и технические пробле­ мы, решаемые при создании атомной электростанции, по целям, на которые направлено решение этих проблем, знявятоя три группы:

первая - это группа проблем, связанных с оптимальной орга­ низацией цепной реакции деления с точки зрения тошшвоиопользо-

вания, другими оловамн, - о оптимизацией топливного цикла;

вторая - группа проблем, связанных с оптимизацией процес­ са переработки ядерного тепла в электрическую энергию, т.е. о

оптимизацией теплооилового цикла;

третья группа проблем - обеспечение безопасности этих цроцеооов, т.е. обеспечение безопасности всего процеоса превра­ щения энергии деления в электричество.

Ограничив рассмотрение атомной отанции реактором или реак­ торной установкой, можно весь круг проблем разбить на две груп­ пы: тошшвоиспользования и безопасность.

Особое место в решении всей задачи, т.е. в достижении каж­ дой из этих целей, занимают фехнологичеокие проблемы.

4

Естественно, что все проблемы органически связаны меаоду собой, требуют комплексного решения и решаются одновременно на всех стадиях создания атомной электростанции по мере развития проекта и его реализации. Основной смысл комплексного решения -

в его оптимальности.

Такая комплексная оптимизация становится практически возмиж-

ной из-за того, что в общем комплексе обязательно существуют

"слабые связи", допускающие "частную оптимизацию", а также воз­ никают "абсолютные ограничения", являющиеся предельным проявле­ нием сильно влияющих факторов. Абсолютное ограничение появляется главным образом, тогда, когда выясняется или ацриорно принимает­ ся, что достижение желаемого параметра или применение рассмат­ риваемого конструкционного материала потребует таких затрат или,что может оказаться более решающим, такого времени для реализации,

что в совокупности не может быть оправдано ожидаемым выигрышем.

Успешное развитие проекта в большой степени зависит от пра­ вильной оценки "абсолютных ограничений", что в конечном счете определяет основные направления развития проекта и основные характерные признаки создаваемой установки, а также от своевре­ менного выявления сильных и слабых связей между различными фак­ торами, что определяет направления и организацию конкретных ис­ следований и характер принимаемых проектных решений. Ниже,в основ­ ных разделах работы, будет сделана попытка проиллюстрировать эти общие замечания.

Ооновное внимание и основные усилия автора были направлены на третью группу из названных проблем - вопросы безопасности в том широком смысле, в каком они определены выше.

5

Оптимизация теплового цикла не являлась таким фактором,

который бы был постоянно в центре внимания в процессе развития проекта. Развитие проблемы ВВЭР прошло через две последователь­ ные, технически подготовленные и экономически оправданные ступе­ ни повышения параметров второго и соответственно первого кон­ тура, обеспечивающие повышение термодинамической эффективности паросилового цикла. Каждое поколение ВВЭР формировалось на своем уровне термодинамических параметров цикла, который увязывался с другими теплофизическими и нейтронно-физическими характеристи­ ками реакторной установки.

Вопросы оптимизации топливоиспользования были постоянно в центре проводимых исследований, но затрагивались автором глав­ ным образом с той стороны, чтобы решение проблем безопасности реактора по возможности меньше вредило оптимальной организации топливного цикла.

Содержание проблем, возникающих в связи с обеспечением бе­ зопасности реактора и атомной станции, весьма разнообразно.

Ниже кратко излагается основное содержание этих проблем,

выявленное опытом создания АЭС с ВВЭР и преломленное в конкрет­ ных проектных решениях. Безусловно, такое расчленение проблемы безопасности АЭС характерно не только для ВВЭР, оно применимо практически для любых реакторных установок.

Безопасное ведение основного технологического псопесса.

Цепочка основного технологического процесса имеет ряд звеньев:

цепная реакция деления, тепловыделение в топливном (тепловыде­ ляющем) элементе, отвод выделившегося теплатеплоносителем, цир­ куляция теплоносителя в контуре высокого давления, ионизирующее излучение ядерного топлива и теплонооителя.

6

Ценная реакция деления управляется средствами воздействия на реактивность. Для безопасного ведения процесса эффективность средств управления долина соответствовать возникающим изменениям реактивности (эффектам реактивности) во всех нормальных состоя­ ниях и эксплуатационных рехныах; возможная скорость воздействия на реактивность должна соответствовать скорости ее изменения;

должно быть предотвращено неконтролируемое изменение реактивнос­ ти. В различных эксплуатационных состояниях реактора могут появ­ ляться специфические проблемы безопасности: например, при перег­ рузке топлива в остановленном реакторе основной проблемой яв­ ляется его надежное заглушение, создание достаточно большой под-

критичности, делящей невозможной цепную реакцию при всех опера­ циях по перегрузке топлива.

Тепловыделение в топливе должно соответствовать имеющемуся теплоотводу, чтобы не были превышены допустимые при длительной эксплуатации температуры топлива и конструкционных материалов.

Это обеспечивается поддержанием в безопасных пределах общей мощ­ ности активной зоны, выяснением и поддержанием допустимого расп­ ределения мощности по элементам активной зоны.

Теплоотвод должен соответствовать тепловыделению. Это оз­ начает, что температура теплоносителя, его фазовый состав и давление, расход теплоносителя, распределение расхода теплоно­ сителя по элементам реактора и изменение расхода во времени должны всегда оставаться в допустимых пределах, определяемых для всех эксплуатационных режимов.

7

д я м й и и й н температура теплоносителя в циркуляционном кон­ туре, скорость их изменения, скорость теплоносителя и характер течения долган быть всегда в строго определенных пределах, что­ бы обеспечить длитедьнув работоспособность циркуляционного кон­ тура, предотвратить недопустимые механические и температурные воздействия на конструкции и оборудование.

В зависимости от состава и интенсивности ионизирупцего из­ лучения топлива и теплоносителя в различных эксплуатационных ряжимят долина быть обеспечена различная защита конструкционных материалов (от радиационного повреждения, от чрезмерного тепло­ выделения и связанных с этим перегревов н температурных напря­ жений), радиационная защита эксплуатационного персонала.

Поддержание поопесоа в безотаеттнт ттеделах при

ущрегартряя п^рудования и ошибках ттегаоняля

По всем своим звеньям основной технологический процесс дол­ жен быть достаточно устойчив к возможным нарушениям в работе оборудования и другим отклонениям от нормы. В случае необходи­ мости должны быть разработаны и реализованы средства, обеспечн-

вапцие поддержание процесса в этих случаях в безопасных преде­ лах. Само понятие "безопасный предел" может иметь различный смысл при различных нарушениях, о чем подробнее будет сказано несколько позже.

Скорость уменьшения реактивности для экстренного уменьше­ ния мощности или для аварийного заглушения реактора должна быть достаточной, чтобы обеспечить требуемый характер уменьшения тепловыделения и надежное поддержание реактора в заданном сос­ тоянии требуемое время.

8

Отклонения общей мощности и ее распределения но реактору от нормальных долины надежно контролироваться и своевременно

ликвидироваться средствами управления реактивностью и аварийной защиты.

При ненормальных изменениях теплоотвода временные количест­

венные изменения температуры теплоносителя, топлива, конструк­ ционных материалов не долины приводить к качественным измене­ ниям, тпгиямцим на работоспособность конструкций. В частности,

не долины возникать кризисные условия теплоотвода на поверхности тепловыделяющих элементов. Это должно достигаться сочетанием средств поддержания безопасного уровня тепловыделения и требуе­ мой интенсивности теплоотвода.

щающие повреждение контура; пропускная способность предохрани­ тельных клапанов и других защитных устройств должна обеспечивать

безопасность установки при всех возможных нарушениях в ее

эксплуатации.

При возникновении неплотностей или разрывов в циркуляцион­

ном контуре возникают два ряда проблем: во-первых,должны быть предусмотрены средства и предприняты меры по поддержанию безо­ пасных параметров теплоносителя и достаточного теплоотвода от тепловыделяющих элементов; во-вторых,должны быть предусмотрены средства локализации выходящих вместе с теплоносителем радиоак­ тивных веществ, чтобы предотвратить радиационное воздействие на персонал и население.

Ненормальное увеличение радиационного воздействия тепло­ носителя может возникнуть при нарушении герметичности или пов­ реждении тепловыделяющих элементов. Проектом А Х должна быть

9

установлена предельная величина такого повреждения, в раинах которой еще может продолжаться нормальная эксплуатация. Все сред­ ства локализации, меры защиты персонала и населения (выбросы ра­ диоактивных веществ) должны учитывать возможные повышения актив­ ности теплоносителя.

йяшитя населения и окружавшей среды

Из всего технологического процесса должны быть выделены такие звенья, в которых при нормальной эксплуатации или при на­ рушениях и отклонениях от нормы возможно выделение радиоактив­ ных веществ за пределы АЭС в виде жидких или газообразных вы-

брооов.

Меры локализации радиоактивности и средства очистки выбро­ сов должны обеспечивать нормальную радиационную обстановку на местности и соблюдение предельных уровней облучения населения,

установленных действующими нормами.

1Тптйттиядр.няя оттяпиоптдь

Разрабатывая меры, позволяющие поддергивать процесс в без­ опасных пределах в случае повреждения оборудования или других нарушений нормальной эксплуатации, приходится решать вопрос о направленности этих мер и об определении понятия "безопасный предел" по отношению к каждощг конкретному нарушению. Безопас­ ным пределом развития нарушения могут быть: полная нейтрализа­ ция нарушения и сохранение установки в работе; предотвращение развития нарушения, перерастания его в более опасное поврежде­ ние или аварию, что может сопровождаться выводом всей установ­ ки из работы; предотвращение опасного воздействия на эксплуата­ ционный персонал; предотвращение опасного воздействия на насе­ ление иди загрязнения среды.