СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА ВОДО-ВОДЯНОГО ТИПА В РЕЖИМЕ ПРОДЛЕНИЯ КАМПАНИИ Российский патент 1997 года по МПК G21D3/08 G21C7/00 

Изобретение относится к физике ядерных реакторов, а точнее к способам управления энергетических ядерных реакторов, и может найти применение преимущественно при эксплуатации реактора в составе ядерной энергетической установки АЭС.

Режимом продления кампании (РПК) называют этап эксплуатации реактора, следующий за момент исчерпания запаса реактивности. Эксплуатация реактора на номинальных параметрах, экономически наиболее эффективная, в режиме РПК невозможна. Однако, в целом, РПК может быть экономически целесообразен.

Возможность продления кампании реакторов водоводяного типа достигается обычно за счет использования мощностного и температурного эффектов реактивности.

Известен способ регулирования реактора в режиме РПК [1,2] при котором после исчерпания запаса реактивности на выгорание снижают мощность и/или температуру теплоносителя. Тем самым высвобождается дополнительный запас реактивности, что позволяет эксплуатировать реактор в течение нескольких суток.

Такой способ продления кампании вынуждает эксплуатировать энергетическое оборудование в течение продолжительного времени в режимах, отличных от штатных, что снижает КПД энергоблока, в составе которого работает реактор, и может отрицательно сказаться на работоспособности энергетического оборудования. Кроме того, требуются дополнительные эксплуатационные расходы на проведение режима (корректировка установок технологической защиты, обоснование и обеспечение безопасности).

Наиболее близок к изобретению способ регулирования реактора в режиме РПК /3/ с высвобождением дополнительного запаса реактивности за счет подавления отравления реактора ксеноном-135 в цикле (например, суточном) изменения мощности реактора (прототип).

В соответствии с прототипом каждый цикл изменения мощности в режиме РПК содержит последовательные временные интервалы: понижения мощности, поддержания реактора на пониженном уровне мощности, поддержания реактора на повышенном уровне мощности. При этом
после понижения мощности от исходного (для очередного цикла) уровня высвобождается некоторый запас реактивности за счет мощностного эффекта;
во время поддержания реактора на пониженном уровне мощности идет переотравление реактора ксеноном, однако к концу этого интервала еще остается запас реактивности, позволяющий начать увеличение мощности;
во время интервала повышения мощности ускоренно выжигается избыточный ксенон, накопившийся на втором интервале цикла, что позволяет вывести реактор на высокий уровень мощности (в частности, на исходный уровень), имея дополнительный запас реактивности, обеспечивающий работу реактора на четвертом интервале цикла;
во время работы реактора на повышенном уровне мощности продолжается выжигание ксенона, а затем расходуется запас реактивности, полученный в результате регулирования, так, что для дальнейшей работы реактора необходимо повторение цикла.

В случае, если продолжительность цикла 24 ч, работа реактора в РПК может соответствовать режиму слежения за нагрузкой.

В качестве повышенного уровня мощности в течение по крайней мере нескольких циклов может поддерживаться номинальный (N_ном) уровень мощности (100%). Пониженный уровень мощности может уменьшаться от цикла к циклу, достигая к концу режима некоторого минимально допустимого уровня. Разница в уровнях мощности должна обеспечить возможность проведения режима. В частности, предлагается пониженный уровень мощности в каждом последующем цикле устанавливать на 3% N_ном ниже предыдущего. Переход с повышенного уровня мощности на пониженный и обратно предлагается осуществлять либо "скачком", либо задавать фиксированную продолжительность интервалов повышения и понижения мощности. Например, предлагается цикл, в котором мощность понижается с постоянной скоростью в течение 3 ч, затем 6 ч поддерживается пониженный уровень мощности, 3 ч с постоянной скоростью мощность повышается и, наконец, в течение 12 ч реактор работает на повышенном уровне мощности).

Данный способ регулирования реактора в РПК позволяет эксплуатировать энергетическое оборудование в штатных режимах, не требует значительных дополнительных эксплуатационных расходов, не приводит к значительному снижению КПД энергоблока. Сокращается также время, необходимое для подготовки энергоблока в РПК, что может быть важно, если РПК проводится из-за экстренно возникшего дефицита электроэнергии в энергосистеме.

Однако сохраняется общий недостаток режимов РПК снижение коэффициента использования установленной мощности по сравнению с номинальным режимом работы. Причем в РПК с циклическим регулированием снижение этого коэффициента может быть большим, чем в РПК с пониженными параметрами.

Целью изобретения является повышение экономичности режима продления кампании за счет повышения коэффициента использования мощности ядерного реактора в вышеописанном режиме путем оптимизации регулирования реактора.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе регулирования реактора в режиме продления кампании, включающем разбиение регулирования на временные интервалы, снижение мощности на интервале 1 от исходного заданного уровня до пониженного заданного уровня, поддержание пониженного заданного уровня мощности на интервале 2, повышение мощности до повышенного уровня на интервале 3, поддержание повышенного заданного уровня на интервале 4, повторение интервалов 1 4 требуемое количество раз, мощность реактора на интервале 1 снижают с максимальной допустимой по условиям эксплуатации скоростью, в качестве пониженного уровня мощности на интервале 2 задают минимальный допустимый по условиям эксплуатации уровень мощности, достаточный для работы энергетического оборудования, повышение мощности на интервале 3 осуществляют в два этапа, на первом из которых мощность повышают с максимально допустимой по условиям эксплуатации скоростью, а на втором повышают мощность за счет выгорания ксенона при нулевом запасе реактивности реактора, продолжительность второго из интервалов регулирования определяют решением задачи оптимального управления.

В рамках точечной модели оптимизационная задача для РПК ставится следующим образом. В пространстве, фазовые переменные которого X₁ - X₄ удовлетворяют уравнениям

где λ₁, λ₂, γ₁, γ₂ постоянные распада и выходы при делении ядер горючего для йода-135 и ксенона-135 соответственно;
λ*ном

= λ₂+σΦ_ном эффективная постоянная распада ксенона-135 для номинального уровня мощности N_ном;
X₁, X₄ концентрации йода-135 и ксенона-135 соответственно нормированные на стационарные значения этих концентраций при N_ном;
X₃, X₄, U запас реактивности, мощность реактора и скорость изменения мощности (управление) соответственно нормированные на N_ном;
δ мощностной коэффициент реактивности;
e коэффициент выгорания;
r нормированная на N_ном максимальная величина стационарного отравления реактора ксеноном-135 при ограничениях:
g₁(X)=X₄-X_4max≅0;
g₂(X)=X_4min-X₄≅0;
g₃(X)= X_g≅0
где X_4min, X_4max, U_max предельно допустимые уровни мощности и скорости изменения мощности,
требуется найти такое оптимальное управление U(t), чтобы при переводе реактора из заданного начального состояния (для начала РПК (1,1,0,1)) в заданное конечное за заданное время T (продолжительность цикла регулирования) минимизировался функционал

В этом случае энерговыработка ΔQ за цикл регулирования будет максимальной. Начальное и конечное значение X₂ в цикле регулирования должны удовлетворять соотношению
X_2нач - X_2кон = εΔQ/ρ.
Решение задачи дает следующий оптимальный режим регулирования:
из исходного состояния мощность снижается со скоростью U_max до величины X_4min, продолжительность перехода определяется величинами X₄₀, U_max, X_4min;
значение X₄ поддерживается равным X_4min (движение по границе g₂(X)), продолжительность участка определяется векторами ;
мощность увеличивается со скоростью U_max до исчерпания запаса реактивности;
реактор поддерживается в состоянии X₃ 0 (движение по границе g₃(X)) при увеличении мощности до конечного заданного уровня X_4K;
реактор работает на мощности X_4K до конца цикла регулирования.

Таким образом, в изобретении новым по отношению к прототипу являются требования в каждом из циклов регулирования снижать мощность до минимально допустимого уровня, а при повышении мощности какую-то часть времени поддерживать реактор при нулевом запасе реактивности. Каждое из этих требований существенно, так как только их выполнение обеспечивает максимальную энерговыработку реактора.

РПК начинается при начальных значениях параметров X₁ 1; X₂ 1; X₃ 0; X₄ 1. Продолжительность одного цикла регулирования может быть 24 ч. В этом случае работа в РПК соответствует режиму слежения за нагрузкой. Момент начала регулирования выбирается так, чтобы интервал регулирования, в течение которого мощность реактора X_4min, приходится на ночной минимум нагрузки энергосистемы. Соответственно интервал регулирования с максимальной мощностью реактора X_4K будет приходиться на дневной максимум нагрузки энергосистемы.

На первых циклах регулирования в течение четвертого интервала реактор может работать на мощность N_ном (X_4K X_4max 1) при сокращении продолжительности этого интервала от цикла к циклу. Дальнейшая работа реактора в РПК будет осуществляться при снижении X_4K.

Может быть реализован вариант регулирования с продолжительностью интервала повышенной мощности не меньше заданной. В этом случае условием снижения X_4K в очередном цикле будет невозможность поддержания прежнего повышенного уровня мощности в течение интервала заданной продолжительности.

На фиг. 1 представлено изменение концентраций йода и ксенона в течение первого и части второго циклов регулирования; на фиг. 2 и 3 представлены соответствующие изменения запаса реактивности и мощности реактора.

Цифрами 1 4 отмечены моменты окончания временных интервалов в пределах цикла, на которые разбивается регулирование. Знаком 3а отмечены момент окончания увеличения мощности с максимальной скоростью на третьем интервале и переход на второй этап этого интервала.

Регулирование реактора по предлагаемому способу может быть реализовано следующим образом.

В исходном для каждого цикла регулирования состоянии запас реактивности равен нулю. При этом стержни регулирования выведены из реактора насколько это возможно по условиям эксплуатации. Жидкий поглотитель (если он используется для регулирования данного реактора) имеет минимально возможную концентрацию, которая остается неизменной в течение всего РПК.

На первом временном интервале мощность снижается. Стержни регулирования вводятся в активную зону для компенсации высвободившегося за счет снижения мощности запаса реактивности.

Во втором временном интервале при постоянной мощности реактора стержни частично выводятся из зоны, компенсируя уменьшение запаса реактивности из-за переотравления реактора ксеноном-135 и выгорания.

На первом этапе третьего временного интервала мощность повышается. Стержни регулирования выводятся в исходное для цикла регулирования положение и удерживаются в этом положении в течение второго этапа третьего временного интервала цикла регулирования. Работа реактора на этом этапе осуществляется при саморегулировании. Высвобождаемый при выгорании ксенона запас реактивности компенсируется уменьшением запаса за счет мощностного эффекта реактивности при увеличении мощности до повышенного заданного уровня.

На четвертом временном интервале поддерживается повышенный уровень мощности. Стержни регулирования сначала вводятся в активную зону, а к концу интервала возвращаются в исходное состояние, компенсируя изменение запаса реактивности из-за изменения концентрации ксенона и выгорания топлива.

Эффективность предлагаемого способа регулирования проверена численным расчетом.

Расчет проводится при следующих величинах параметров: λ*ном

0,186 1/ч; δ -1,62•10^-4 1/% N_ном; e -6,6•10^-6 1/ч; r-1,75•10^-2; U_max=5% N_{ном/мин}; X_4min= 0,1. Продолжительность цикла задавалась равной 24 ч.

Результаты расчета показывают, что в течение 20 циклов регулирования (20 суток) при X_4K 1(N_ном) продолжительность четвертого временного интервала (работа реактора при N_ном) сокращается от 18,6 ч в первом цикле до 7,96 ч в последнем. Энерговыработка за 20 суток составила 369N_ном ч при изменении коэффициента использования мощности от 0,988 в первом цикле до 0,54 в последнем.

С указанными выше параметрами рассчитывался также рассмотренный в прототипе режим регулирования со снижением в каждом цикле X_4min на постоянную величину DX₄ и с фиксированной продолжительностью временных интервалов 1 4 (соответственно 3-6-3-12 ч). Результаты расчета показывают, что режим может быть реализован при ΔX₄ 0,13 в течение семи суток с энерговыработкой 135N_ном ч (соответствующая величина по предлагаемому способу 153N_ном ч). Отношение коэффициента использования установленной мощности в предлагаемом способе к аналогичной величине в прототипе изменяется до 1,27 в седьмом.

Использование предлагаемого способа регулирования ядерного реактора в РПК обеспечивает по сравнению с прототипом повышение экономичности режима за счет повышения коэффициента использования мощности.

Сущность: способ базируется на решении задачи оптимального управления с получением в каждом цикле регулирования максимальной энерговыработки, что позволяет повысить экономичность режима продления кампании. В соответствии с решением оптимизационной задачи снижение мощности производят с максимально допустимой скоростью. Пониженный уровень мощности в каждом цикле режима является минимально допустимым по условиям эксплуатации и достаточным для работы энергетического оборудования. Повышение мощности осуществляют в два этапа, на первом из которых мощность увеличивают с максимально допустимой скоростью, а на втором этапе мощность повышают при нулевом запасе реактивности при саморегулировании реактора. На заключительном интервале цикла реактор работает на повышенном уровне мощности. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регулирования ядерного реактора водо-водяного типа в режиме продления кампании, включающий разбиение регулирования на временные интервалы, снижение мощности на интервале 1 от исходного заданного уровня до пониженного заданного уровня, поддержание пониженного заданного уровня мощности на интервале 2, повышение мощности до повышенного заданного уровня мощности на интервале 3, поддержание повышенного заданного уровня мощности на интервале 4 и повторение интервалов 1.4 требуемое количество раз, отличающийся тем, что мощность реактора на интервале 1 снижают с максимальной допустимой по условиям эксплуатации скоростью, в качестве пониженного уровня мощности на интервале 2 задают минимальный допустимый по условиям эксплуатации уровень мощности, достаточный для работы энергетического оборудования, повышение мощности на интервале 3 осуществляют в два этапа, на первом из которых мощность повышают с указанной максимальной скоростью, а на втором этапе повышают мощность при нулевом запасе реактивности реактора, при этом продолжительность интервала 2 определяют решением задачи оптимального управления. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что суммарную продолжительность интервалов 1.4 задают равной 24 ч. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что повышенный уровень мощности на интервале 4 задается равным 100% номинальной мощности реактора. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что повышенный уровень мощности на интервале 4 задается таким, чтобы обеспечить продолжительность интервала 4 не меньше заданной.