Немного о графите в переходных режимах.

РБМК относится к уран-графитовым реакторам, то есть, замедление нейтронов до тепловых энергий производится графитом – т.н. «тяжелым замедлителем».

Применение графита в качестве элемента конструкции реактора влечет за собой достаточно интересные теплофизические особенности УГР, которые обусловлены высокой аккумулирующей способностью графита, и его относительно высокой температурой при работе реактора на мощности.

Графит – это хорошо освоенный, технологичный материал, обладающий хорошими прочностными свойствами, высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Под действием нейтронного облучения эти свойства претерпевают серьезные изменения. Характер изменений качественно неизменен, количественно – зависит от условий эксплуатации – в основном от флюенса так называемых «повреждающих нейтронов» и температуры. Так, например теплопроводность от ~80 Вт/(м*К) (для необлученного графита) в течение нескольких первых лет работы снижается до ~20 Вт/(м*К), т.е. в 4 раза после чего длительное время (весь срок эксплуатации) находится на этом уровне (точнее – изменяется «незначительно»). Особенности изготовления графитовых изделий обуславливают анизотропию свойств.

В реакторах РБМК для изготовления графитовых блоков используется искусственный графит марки ГР-280. Теплопередача от блоков к теплоносителю осуществляется через разрезные втулки двух типов, высотой 20 мм , чередующихся по высоте канала, именуемых «кольцами твердого контакта» (КТК). Одни втулки посажены «в натяг» на канальную трубу, другие – на внутреннюю поверхность графитовых блоков. Образуемая система показана на Рис.???

Образуемая кольцами твердого контакта система обладает достаточно невысокими теплопередающими свойствами, достаточным, однако, для поддержания температуры графита на приемлемом уровне. Попытка изменения конструкции зоны КТК, направленная на улучшение теплопередачи от графита к теплоносителю, к сожалению, пока не увенчалась успехом.

Существенным для теплопередачи через зону КТК оказывается параметры газовой среды, заполняющей зазоры этой области. Приведенные исследования (на стадии проектирования РБМК) показали, что применение чистого азота влечет ухудшение теплопередачи через КТК, а следовательно – увеличивает температуру графитовых блоков. По этой причине графитовую кладку приходится вентилировать азотно-гелиевой смесью, обладающий существенно «лучшими» свойствами.

Как было отмечено выше одной из основных особенностей графита является его достаточно высокая теплоемкость, что вкупе с большим количеством графита формируют одно из основных свойств УРГ – высокую аккумулирующую способность графитовой кладки. Это выражается в большом количестве тепла, которое требуется отвести от кладки, чтобы изменить его температуру. Действительно, несложный расчет показывает, что для снижения температуры графитовых блоков ТК (1661 шт) в пределах 7-и метровой активной зоны, всего лишь на 1 С, требуется отвести более 1.5 ГДж (1.5 * 10^9 Дж) тепла. Поскольку в реакторах РБМК тепло, выделяющееся в графите отводится, в конечном счете, к теплоносителю (опустим каналы СУЗ), всякое изменение мощности реактора, например снижение, приводящее к изменению температуры графитовой кладки, будет сопровождаться стоком в теплоноситель дополнительного тепла. Другими словами, в процессе снижения мощности реактора, тепловая мощность будет превосходить нейтронную, снижаясь заметно медленнее.

В аварийных режимах, например вызванных обесточиванием собственных нужд, наличие аккумулированного тепла графитовой кладки заметно влияет на протекание процессов, оказывая влияние не только на основные параметры, зависящие от тепловой мощности реактора (давление и уровни воды в БС), но и на такие параметры, как расход теплоносителя в режиме естественной циркуляции. Последнее хорошо видно на Рис.2,2, на которых приведены расходы теплоносителя через ТК в режиме полного обесточивания собственных нужд энергоблока. На этих рисунках видно, что расходы через топливные каналы (ТК) определяются сначала выбегом циркуляционных насосов (ГЦН), после чего циркуляция осуществляется в режиме естественной циркуляции (ЕЦ) теплоносителя. При этом расход в ТК всегда положителен, а отсутствие колебаний говорит об устойчивости режима ЕЦ. Интерес представляет расход через каналы с дополнительным поглотителем (ДП). Видно, что в течение нескольких секунд расход становится отрицательным, что объясняется столбом воды в пароводяных коммуникациях каналов с ДП, которая, будучи «тяжелее» пароводяной смеси в ПВК каналов с топливом, начинает течь вниз, обуславливая отрицательный расход через ТК. Однако через некоторое время и в каналах с ДП начинается устойчивая циркуляция теплоносителя в положительном направлении. Причина – прогрев теплоносителя в каналах с ДП теплом, аккумулированном в графите.

Не менее интересно влияние графита на протекание аварий, сопровождающихся разогревом активной зоны реактора. Так на Рис.4,5 показан температурный режим оболочек топлива и канальных труб в аварии, вызванной разрывом опускной трубы, сопровождающимся отказом обратного клапана одного из РГК (называемого ниже «аварийным») и отказом другого оборудования. Этот режим после 1ого часа аварии сопровождается достаточно длительным «осушением» (на сама деле – дефицитом воды, она все-таки поступает) каналов активной зоны. Обращает на себя внимание характерный для таких режимов «излом» роста температуры твэлов, т.е. замедление роста температур твэлов. Это явление, как и относительно медленный рост температур до этого «излома» достаточно характерен для УГР, и объясняется стоком тепла в графитовую кладку реактора. Т.е. остаточное тепловыделение в твэле тратится и на разогрев графита, благодаря чему рост температуры твэлов заметно замедляется. При достижении температурами твэлов определенного значения становится эффективным дополнительный канал теплопередачи – тепловое излучение от разогретых твэл на трубу канала.

Таким образом, наличие теплоемкой графитовой кладки создает одно из замечательных свойств РБМК – тепловую инерционность.

Инерционность эта, очевидно, сказывается и на режимах набора нагрузки реактором и на частичное снижение мощности реактора, когда фактическая тепловая мощность длительное время отлична от мощности нейтронной, регистрируемой, например, датчиками СФКЭР. В первую очередь такое аккумулированное тепло будет оказывать влияние на те параметры которые определяются тепловой мощностью реактора – в быстром процессе снижения мощности – на величину снижения давления и уровня воды в БС, а так же на расходы питательной воды и пара, которые автоматические регуляторы устанавливают в соответствие с тепловой мощностью реактора. Естественно, что максимально влияние графита проявляется в режимах заглушения реактора, работающего на номинальном уровне мощности. Влияние это будет ощущаться в течение 0.5-1.5 часов – примерно за такое время происходит остывание графита до уровня температуры теплоносителя ~300 С.