Тенденции развития водо-водяного энергетического реактора

§ 10.7. Тенденции развития реакторов ВВЭР

Энергетические реакторы с водой под давлением прошли в своем развитии несколько этапов. Введенные в эксплуатацию в конце 50-х — начале 60-х годов ВВЭР имели небольшую мощность [150—200 МВт (эл.)] (рис. 10.15) и, как видно из табл. 10.5, по своей конструкции и выбранным параметрам сильно отличались друг от друга. В то же время еще не был накоплен опыт эксплуатации, позволяющий судить о целесооб­разности принятия тех или иных инженерных решений. Поэтому это были реакторы-прототипы, а не серийные.

Отсутствие опыта эксплуатации, а также физического профилирования и борного регулирования приводило к большим коэффициентам запаса до кризиса теплообмена и нерав-номерностям энерговыделения по активной зоне. Компенсация избыточной реактивности осуществлялась органами СУЗ, которые сильно искажали нейтронное поле, увеличивая тем самым неравномерность энерговыделения. Поэтому средние значения энергонапряженности твэлов были далеки от максимально возможных. Отсутствие опыта эксплуатации и уровень развития технологии изготовления твэлов не позволяли также допускать в реакторе большие глубины выгорания. В реакторах первого поколения глубина выгорания не превышала 10—12 МВт-сут/кг U.

В первых проектах ВВЭР КПД АЭС бы сравнительно низким (~28%), что определялось относительно низкими параметрами в первом (давление 10—12 МПа) и соответственно во втором (давление ~3 МПа) контурах. Выбор низкого рабочего давления теплоносителя в первом контуре ограничивался в основном достигнутым уровнем технологии производства, а также температурой оболочки твэла (недопустимость поверхностного кипения).

В дальнейшем основные показатели как реактора, так и АЭС улучшались (рис. 10.16). Увеличение давления в первом контуре до 15 — 16 МПа и уменьшение недогрева теплоносителя до температуры насыщения (Δt_s=15 — 25°С) позволили поднять давление пара во втором контуре до 5,5—6,5 МПа и, как следствие, увеличить η (КПД станции) до 32%. Вследствие уменьшения Δt_s в сильно нагруженных кассетах на выходе из активной зоны имеет место кипение недогретой до температуры насыщения воды (поверхностное кипение), а в отдельных режимах даже объемное кипение. Изучение поведения твэлов в условиях поверхностного кипения подтвердило допустимость такого режима работы.

Отказ от «тяжелых» поглотителей типа крестов и нейтронных ловушек и переход на борное регулирование, как основной вид компенсации избыточной реактивности, и разветвленную систему мелких поглотителей либо перемещающихся по высоте активной зоны (кластеры), либо стационарных (выгорающие поглотители), а также применение физического профилирования позволили существенно уменьшить все виды неравномерности энерговыделения в реакторе и довести коэффициент неравномерности по объему активной зоны до 2,7—2,9.

Детальное изучение процессов, происходящих в реакторе, позволило уменьшить разницу между рабочими и предельно допустимыми значениями параметров. На первых этапах разработки реакторов коэффициент запаса до кризиса теплообмена k₃* принимался по крайней мере равным 2,0.

·  Коэффициент запаса до кризиса k₃ есть коэффициент, на который следует умножить мощность кассеты, чтобы с учетом всех видов неравномерности энерговыделения и факторов неопределенности основных параметров был достигнут кризис теплообмена, т. е. k₃=N_кр /N_максN_кр—критическая мощность кассеты; N_макс — максимальная мощность кассеты.

Таблица 10.5. Основные характеристики корпусных энергетических реакторов с водой под давлением (типа ВВЭР)