На главную
Физика - одна из самых удивительных наук! Физика столь интенсивно развивается, что даже лучшие педагоги сталкиваются с большими трудностями, когда им надо рассказать о современной науке. Данный ресурс поможет эффективно и интересно изучать физику. Учите физику!
   

Обучение и материалы
Физический справочник
Формулы по физике
Шпаргалки по физике
Энциклопедия
Репетиторы по физике
Работа для физиков
Быстрый устный счет
Виртуальные лабораторные
Опыты по физике
ЕГЭ онлайн
Онлайн тестирование
Ученые физики
Необъяснимые явления
Ваша реклама на сайте
Разное
Контакты
Спецкурс
Фейнмановские лекции

В мире больших скоростей

Введение в теорию относительности

Лекции по биофизике
Лекции по ядерной физике
Ускорение времени...
Лазеры
Нанотехнологии
Книги
полезное
Смешные анекдоты о физике
Готовые шпоры по физике
Физика в жизни
Ученые и деньги
Нобелевские лауреаты
Фото
Видео
Карта сайта
На заметку
Если вам понравился сайт, предлагаем разместить нашу кнопку
Кнопка сайта All-fizika.com
Компьютерные программы
по физике
Программы по физике


Физика и юмор
Физика и юмор


Онлайн тестирование
по физике
Онлайн тестирование по физике



-









10.2. Условие устойчивости энергетического реактора.

С понятием устойчивости встречаются едва ли не в любой области знаний, особенно - в технических областях человеческой любознательности.
Например, устойчивость корабля (в морской профессиональной терми­нологии называемая остойчивостью):
Остойчивость корабля - это его способность плавать в прямом нена­клоненном положении, сопротивляться действию внешних сил, стремящихся вывести корабль из этого положения, и возвращаться вновь к этому поло­жению после прекращения действия возмущающих сил.

Представьте себе стоящий на якоре корабль: при отсутствии действия возмущающих сил (при отсутствии дующего в борт ветра) он стоит прямо, без крена; подул слабый ветерок - корабль накренился на небольшой угол в направлении ветра и остался в этом положении, сопротивляясь креняще­му моменту; ветер стал дуть сильнее - корабль накренился больше, вновь сохранив устойчивое наклоненное положение (:хорошая конструкция позво­ляет кораблю создать восстанавливающий момент, противоположный  кренящему моменту от ветра и равный ему по величине); главное в этих ситуациях то, что корабль не теряет остойчивости (не опрокидывается); когда же возмущаю­щее внешнее воздействие снимается (ветер стих), - корабль снова прихо­дит в прямое ненаклоненное положение.
Аналогичным свойством обладает и хорошо спроектированный реактор: ему тоже присуща способность длительно работать в критическом режиме (на постоянной мощности) при отсутствии возмущений реактивности, удер­живаться в критическом состоянии на новом уровне мощности при возмуще­ниях по реактивности и возвращаться к критическому состоянию на старом уровне мощности после прекращения действия возмущений.

Устойчивостью энергетического реактора называется его способность при случайных возмущениях реактивности постоянной величины переходить в критическое состояние на новом уровне мощности, а после снятия возмущения - возвращаться к исходному критическому состояию на старом уровне мощности.

Рассмотрим, какие процессы происходят в реакторе при нанесении ему возмущения по реактивности постоянной величины, и за счёт чего обеспечивается свойство его устойчивости.
Возьмем для наших рассуждений любой конкретный реактор, характери­зуемый определенной кривой ТЭР, например, кривой 3-го типа. Представим себе, что он разогрет до номинальной средней температуры теплоносителя и работает на небольшом постоянном уровне мощности Npo в стационарном (= критическом) режиме, то есть у него kэ = 1, а ρ = 0.

Допустим, что такой реактор получает случайное возмущение по реак­тивности величиной ρ* (для определённости - положительного знака), кото­рое в дальнейшем не снимается, остается сообщенным реактору. Сообщение реактору ρ* > 0 делает реактор надкритическим, а это значит, что теп­ловая мощность реактора начинает расти (рис.10.2).

Маленькое изображение 

Рис.10.2.Переходные процессы изменений реактивности, мощности и сред­ней температуры теплоносителя при сообщении первоначально крити­ческому реактору положительного возмущения по реактивности.

 
*) Расположенная в правом нижнем углу кривая ТЭР реактора ради более наглядной согласованности с графиком (в) повернута под 90 градусов. С ростом тепловой мощности реактора при неизменной величине расхода теплоносителя через его активную зону начинает возрастать средняя тем­пература теплоносителя tт (рис.10.2в), что приводит к немедленному по­явлению температурного изменения реактивности отрицательного знака. По мере роста мощности и средней температуры теплоносителя абсолютная ве­личина отрицательного температурного изменения реактивности нарастает все более и более (рис.10.2г).

Таким образом, в любой момент времени на реактор воздействуют две реактивности разных знаков: ρ* - постоянная во времени сообщенного ре­актору положительного возмущения и Δρt(tт) - растущая с ростом средней температуры теплоносителя величина отрицательного температурного изме­нения реактивности, обусловленная ростом с температурой отрицательной величины температурного эффекта реактивности реактора. Реактору безразлично происхождение воздействующей на него реактивности, он подчиняется только суммарной величине  воздействующей на него реактивности, которая в данном случае в любой момент времени t с учётом разницы знаков будет равна :
 ρΣ(t) = ρ* - Δρt(t)

Следовательно, первоначально положительная величина ρΣ(tо) (равная ρ*) c ростом мощности и средней температуры теплоносителя будет непрерывно уменьшаться, из-за чего скорость нарастания мощности и средней темпе­ратуры теплоносителя будут также уменьшаться, и в конце-концов наста­нет такой момент, когда абсолютная величина |Δρt| отрицательного тем­пературного изменения реактивности реактора сравняется с величиной положительного возмущения ρ*, отчего суммарная величина реактивности ре­актора ρΣ cтанет равной нулю, т.е. реактор вновь станет критическим на достигнутом к этому моменту уровне мощности Np1 при достигнутой к этому моменту средней температуре теплоносителя tт1. Дальнейший рост мощ­ности и средней температуры теплоносителя поэтому прекратится, и режим работы реактора стабилизируется.

Сказанное кратко записывается в виде следующей схемы:

Маленькое изображение 

Если в этот момент снять первоначально сообщенное реактору поло­жительное возмущение реактивности ρ*, это равнозначно тому, что критическому (на мощности Np1) реактору сообщается отрицательное возмущение равной величины |-ρ*|, и процессы в реакторе пойдут в обрат­ном порядке: реактор становится подкритическим, его мощность начинает падать, а вместе с ней при постоянном расходе теплоносителя уменьшается средняя температура теплоносителя, из-за чего появляется все более нарастающая величина  положительного температурного изменения реактивности; первоначально отрицательная суммарная воздействующая на реактор реактивность увеличивается (или уменьшается по абсолютной величине), и когда нарастающее положительное температурное высвобождение реактивно­сти сравняется с абсолютной величиной |-ρ*|, реактор вновь станет кри­тичным на исходном уровне мощности Npo, а средняя температура теплоно­сителя в его активной зоне к этому моменту опустится до исходной вели­чины tто.

Теперь вернемся к условию устойчивости реактора. Для приведенных выше рассуждений была взята реальная кривая температурного эффекта ре­активности, для которой характерным является ее падающий характер при рабочих средних температурах теплоносителя.
А если бы было по-другому? Если бы кривая ТЭР в зоне рабочих сред­них температур имела восходящий характер?
- При сообщении реактору положительного возмущения по реактивности рост мощности и связанный с ним рост средней температуры теплоносителя приводил бы к высвобождению за счёт температурных изменений реактивно­сти не отрицательную, а положительную величину реактивности, которая, суммируясь с положительным возмущением ρ*, давала бы ещё большую вели­чину воздействующей на реактор суммарной положительной реактивности, приводя к ещё большей скорости разгона мощности реактора и к ещё боль­шему росту температуры теплоносителя,  который вызывал бы еще большее температурное высвобождение положительной реактивности, и т.д., до тех пор, пока активная зона (без вмешательства человека) не разрушится от большого перегрева твэлов реактора. Реактор с такой кривой ТЭР, конеч­но же, не будет устойчивым реактором.

Следовательно:
Условием устойчивости энергетического реактора является падающий характер его кривой ТЭР в зоне рабочих средних температур тепло- носителя, или (выражаясь теперь более профессионально) – отрица- тельность температурного коэффициента реактивности в этой зоне.

Вот почему, рассматривая формы кривых ТЭР, свойственные энергети­ческим реакторам, мы не брали в расчёт четвертый (к сожалению, возмож­ный!) тип кривой ТЭР: энергетический реактор с чисто восходящей кривой температурного эффекта реактивности просто не имеет право на существо­вание, поскольку он неустойчив.

Более того, даже реактор с отрицательным ТКР в зоне рабочих тем­ператур, будучи принципиально устойчивым, далеко не всегда обеспечива­ет нужную для дела практическую устойчивость: это зависит, во-первых, от величины отрицательного ТКР, а, во-вторых, от величины возмущающего воздействия ρ*. Какой смысл, к примеру, говорить о принципиальной устой­чивости реактора, который при возмущении ρ* = + 0.0015 (или + 0.15%) прекратит увеличение мощности лишь тогда, когда она достигнет 200% от но­минальной, а средняя температура теплоносителя вырастет выше 350оС ?! Такой реактор без внешнего вмешательства в его работу (со стороны опе­ратора или системы автоматического регулирования) так же сгорит, как и реактор с положительным ТКР.  Следовательно, малый по абсолютной вели­чине отрицательный ТКР явно недостаточен для обеспечения практической устойчивости реактора.

Ладно, предположим, что нам удалось создать реактор с большим по абсолютной величине отрицательным ТКР в зоне рабочих средних темпера­тур. В этом случае увеличение средней температуры даже на 2 - 3оС со­пряжено с появлением большой температурной отрицательной реактивности, и даже для небольшого увеличения мощности реактора требуется затрачи­вать для компенсации этой отрицательной реактивности большие величины оперативного запаса реактивности реактора. Значит, и большая абсолют­ная величина отрицательного ТКР - нехороший фактор, ограничивающий ма­невренные свойства реакторной установки.

Но и это ещё - полбеды: боль­шой отрицательный ТКР может в определенных обстоятельствах стать ис­точником ядерной опасности. Достаточно представить себе ситуацию, свя­занную с резким охлаждением активной зоны (обусловленным, например, резким увеличением отбора тепла в парогенераторе, или "забросом" отно­сительно холодной воды в активную зону реактора): в результате резкого снижения средней температуры активной зоны на несколько градусов при большом отрицательном ТКР в реакторе будет высвобождена большая вели­чина положительной реактивности, причём в течение такого малого проме­жутка времени, за который вводимые в активную зону органы СУЗ (имеющие ограниченную скорость перемещения) не сумеют скомпенсировать высвобож­даемую большую положительную реактивность, что может привести к неконтролируемому разгону мощности реактора.

Следовательно, абсолютная величина отрицательного ТКР в рабочей зо­не температур должна быть не большой и не малой, она должна быть опти­мальной для данного реактора с учётом оперативных возможностей его ор­ганов СУЗ, требующейся для практических целей маневренности реакторной установки, располагаемого оперативного запаса реактивности и некоторых других факторов.
И ещё раз стоит подчеркнуть то главное, о чём ни при каких обсто­ятельства не имеет права забывать оператор РУ: несмотря на обеспечива­емый конструкторами отрицательный ТКР самой оптимальной величины, воз­можности по обеспечению устойчивости реактора имеют свои ограниченые пределы. Реактор - не ванька-встанька, который способен подняться вер­тикально после толчка любой силы, поэтому одна из главных задач опера­тора РУ - в любых обстоятельствах работы реактора исключить толчки ре­актора большими возмущениями положительной реактивности. В том числе и реактивности, получаемой за счёт быстрых изменений температурного эф­фекта, поскольку последняя, как мы уже убедились, может иметь большую величину.



ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:


Социальные комментарии Cackle


 
 
© All-Физика, 2009-2016
При использовании материалов сайта ссылка на www.all-fizika.com обязательна.