СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА РАЗМНОЖЕНИЯ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ ПОДКРИТИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2001 года по МПК G21C17/108 G21C1/30 

Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к способам контроля технологической операции перегрузки поглощающих элементов активной зоны (сборок пэлов) ядерного реактора, находящегося в заглушенном состоянии и имеющего изотропную структуру.

Известен способ /1/, наиболее близкий по технической сущности к заявленному изобретению, взятый авторами за прототип, экспериментального определения распределения плотности нейтронов N₀(r) по радиусу реактора, находящегося в стационарном состоянии, в котором путем последовательного равновеликого извлечения и погружения стержня регулирования в активную зону по сигналам датчиков нейтронов (ДН) определяется отклик нейтронного поля на это перемещение и измеряется эффективность стержня (например, с помощью реактиметра - устройства, осуществляющего решение обращенного уравнения кинетики реактора в точечном приближении и имеющего на выходе сигнал-эквивалент реактивности, вносимой стержнем):

где k - коэффициент размножения до возмущения;
Δk - изменение коэффициента размножения после внесения возмущения, вызванное перемещением стержня регулирования;
- реактивность;
r - пространственная координата.

Например, система физического контроля распределений энерговыделения СФКРЭ(р) по радиусу реактора РБМК-1000 /2/ обеспечивает контроль относительных распределений энерговыделения в диапазоне мощностей реактора от 5 до 120%, а контроль превышения предельно допустимых уровней локального энерговыделения в диапазоне мощностей от 10 до 120%. Поэтому после каждой очередной перегрузки на заглушенном аппарате для проверки выполнения условий ядерной безопасности реактор выводится на минимально контролируемый уровень мощности для определения экстремумов поля энерговыделения.

К недостаткам, ограничивающим его практическую значимость и препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе:
- для измерений необходимо перевести реактор в ядерно-опасное критическое состояние, прервав все плановые работы с системой СУЗ;
- определение эффективности стержня-поглотителя производится с ненулевой методической погрешностью;
- полученное распределение плотности потока будет одномоментным, т.е. не будет соответствовать реальному распределению после первой же последующей перегрузки сборки пэлов.

Задачей изобретения является повышение практической значимости способа-прототипа и увеличение надежности контроля оперативным персоналом за состоянием подкритичности при перегрузках элементов активной зоны ядерного реактора во избежание появления неконтролируемых локальных возмущений коэффициента размножения.

Задача контроля распределения размножающих свойств во всем объеме активной зоны для гетерогенного физически большого реактора как объекта управления с пространственно распределенными физическими характеристиками особенно важна и наиболее остро встает при перегрузке сборок пэлов на заглушенном реакторе, когда контроль нейтронной мощности затруднен из-за низкого уровня плотности потока тепловых нейтронов (ППТН) и большого γ-фона. При извлечении сборки пэлов в таком реакторе характерно образование пика нейтронного потока, локализованного на конечной группе окружающих ее рабочих кассет. Если в результате ошибки технологического персонала вблизи такой локальной неоднородности нейтронного поля ("ловушки" нейтронов) будет начато извлечение еще одной сборки (образование интерферирующей двойной "ловушки" нейтронов), то при определенных неблагоприятных обстоятельствах в реакторе может образоваться зона с аномально высокими размножающими свойствами (повышенным энерговыделением) - локальный "котел" с коэффициентом размножения нейтронов K_∞ > 1. Следует отметить, что ошибка может быть "скрытой" от персонала управления реактором, т. е. когда в ячейку активной зоны загружают, не догадываясь об этом, сборку пэлов с поглощающими свойствами, отличными по какой-либо причине от свойств, указанных в картограмме загрузки.

Технический результат заключается в определении факта наличия-отсутствия локальной области активной зоны с аномальным значением коэффициента размножения, ее обнаружении и обеспечении возможности непрерывного контроля за ее "перемещением" по всему объему активной зоны реактора, т.е. в повышении ядерной безопасности в течение всего периода перегрузки остановленного аппарата.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе осуществляют последовательное равновеликое перемещение в активной зоне стержней-поглотителей (сборок пэлов, иных источников возмущения размножающих свойств) и определяют по сигналам ДН отклик нейтронного поля на эти перемещения. Особенность заключается в том, что эффективность стержня-поглотителя не измеряют. Подразумевается, что система датчиков нейтронов ("решетка" ДН) расположена в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси активной зоны, и может быть как внутризонной, так и внезонной. В последнем случае степень удаления плоскости размещения ДН должна быть такой, чтобы факт наличия локального возмущения в любой точке активной зоны регистрировался минимум двумя датчиками. Кроме того, число датчиков (определяется отношением площади активной зоны к площади минимальной зоны чувствительности датчика нейтронов к локальному возмущению) выбирают исходя из необходимости частичного перекрытия зон минимальной чувствительности ДН к локальному возмущению, определяемой экспериментально. Под зоной чувствительности ДН к локальному возмущению (определяется экспериментально) понимается круг с радиусом, равным расстоянию от ДН до центра локального возмущения, на котором относительное изменение показаний ДН еще значимо. В качестве критерия значимости и для определения факта наличия- отсутствия локальной неоднородности ППТН - локального возмущения коэффициента размножения в активной зоне используют статистический критерий применительно к интервальным средним значениям скоростей счета нейтронов (CCH) ДН. Для уменьшения дисперсии анализируемого сигнала ДН в качестве последнего принято не текущее значение скорости счета, а усредненное за m-точечный интервал - интервальное значение скорости счета. Для определения наиболее вероятной координаты локального возмущения (экстремума нейтронного поля) используют предварительно построенную регрессионную зависимость относительного изменения показаний датчиков от расстояния до центра возмущения, экспериментально полученную при равновеликом перемещении заранее заданных изначально одинаковых по своим поглощающим свойствам поглотителей в направлении уменьшения подкритичности. Задаваясь измеренным текущим значением относительного изменения показаний ДН, определяют искомую координату локального возмущения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными признакам заявленного изобретения. Определение прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский" уровень заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака, представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является то, что в предлагаемом способе не требуется переводить реактор в ядерно-опасное критическое состояние и вычислять эффективности поглотителей (как одиночных, так и их групп) в рамках принятых условно-действующих физических моделей. Кроме того, контроль локального возмущения коэффициента размножения по всему объему активной зоны осуществляется исключительно по первичной информации - индивидуальным изменениям CCH датчиков нейтронов, усредняемым за один и тот же интервал времени. Названный параметр можно контролировать вручную или с использованием ЭВМ непрерывно и в масштабе реального времени в течение всего периода остановки реактора.

Поясняющая способ иллюстрация представлена на чертеже, где ЛВ - локальное возмущение; ДН - датчик нейтронов; R - шаг решетки ДН (в данном случае треугольной) такой, что регрессионная кривая; - среднее по интервалу за время Δt значение CCH датчика нейтронов в состоянии с локальным возмущением; N_б - усредненные интервальные значения CCH; σ_б среднее квадратическое отклонение текущих интервальных значений N_t буфера; σ - среднее квадратическое отклонение полученных значений определяемое гетерогенностью загрузки активной зоны реактора; r^* - наиболее вероятный радиус окружности с центром в точке размещения датчика нейтронов, которая (окружность) содержит ЛВ; Δr^* интервал неопределенности координаты r^*, обусловленный гетерогенностью загрузки активной зоны реактора.

Достижение технического результата производится в следующей последовательности:
1. В исходном стабильном подкритическом состоянии (перемещение стержней СУЗ, сборок пэлов отсутствуют, ЛВ в активной зоне нет) вычисляются интервальные (усредненные за интервал Δt) значения скоростей счета (N_i) и их средние квадратические отклонения (σ_i) и их усредненные значения (N_б, σ_б ) за n-интервалов (время "покоя" t_п = n·Δt) каждого нейтронного датчика:

где N_б= {N_i; N₂;...N_n} σ_б = {σ₁;σ₂;...σ_n} -буферы интервальных значений скоростей счета и средних квадратических отклонений соответственно для каждого нейтронного датчика;
Δt = const - половина минимального времени нахождения "ловушки" в активной зоне реактора, определяемого как интервал среднего времени от начала извлечения сборки пэлов из зоны до их возвращения в зону ("времени жизни" локального возмущения);
n=const - число интервалов (емкость буфера).

Выбор величины интервала усреднения Δt производится на основании следующих соображений:
- для уменьшения дисперсии анализируемого сигнала - интервальной CCH необходимо иметь максимальное число отсчетов m текущей скорости счета в интервале Δt;
- ограничение сверху накладывается требованиями, определяемыми ядерной безопасностью - период определения подкритичности (T_ρ = Δt) при перегрузке не должен превышать Δt_max

где ρ_n - минимальное значение "нормальной" подкритичности;
ρ_min - минимальное значение подкритичности, считающееся безопасным;
Vmρ

2. Производится последовательное перемещение (извлечение с возвратом в исходное положение или иное равновеликое перемещение в направлении уменьшения подкритичности) однотипных (равных по поглощающим свойствам) источников возмущения размножающих свойств (стержней СУЗ, сборок пэлов) в предварительно выбранных ячейках активной зоны и по результатам полученных значений относительного изменения сигналов датчиков нейтронов строится регрессионная зависимость от расстояния до источника возмущения (см. чертеж):

где N_↑ - среднее значение CCH датчика нейтронов за время Δt в состоянии с локальным возмущением.

3. При проведении перегрузки факт присутствия локального возмущения в активной зоне реактора определяется по изменению усредненных (интервальных) значений скоростей счета ДН в соответствии со следующим критерием:
N_гр = t_гр·σ_б, (5)
где N_гр - граничное значение скорости счета;
t_гр - граничное значение квантильного множителя границы значимости для распределения интервальных скоростей счета, зависящее от вида распределения и от объема выборки анализируемых значений /3/;
согласно которому при превышении текущего интервального значения скорости счета N_t по любому нейтронному каналу усредненного буферного значения этого же канала N_б на величину t_гр·σ_б (т.е. N_t-N_б≥N_гр) делается положительный вывод о значимости возмущения, т.е. о присутствии локального возмущения в активной зоне реактора. В случае, если возмущение признается незначимым, то текущее интервальное значение скорости счета N_t заносится в буфер со сдвигом влево и удалением первого элемента буфера - интервального значения CCH, по принципу "последним зашел - последним вышел", чем достигается постоянное обновление буфера. Затем производится коррекция дрейфа значений N_б, σ_б по формуле (2). Описанная операция необходима для того, чтобы учесть вариацию нейтронного потока из-за дрейфа физических свойств активной зоны.

4. Координата локального возмущения определяется по регрессионной зависимости, задаваясь измеренным текущим значением относительного изменения показаний датчика нейтронов (см. чертеж). По регрессионной зависимости определяется наиболее вероятный радиус удаления r^* локального возмущения от датчика нейтронов. На чертеже зона наиболее вероятного местонахождения локального возмущения изображена в виде кольца, ограниченного радиусами r_min^*, r_max^*. Если число датчиков нейтронов, определивших текущее изменение скорости счета как значимое, больше или равно двум, то при использовании ЭВМ зона вероятного местонахождения ЛВ может быть обозначена на отображаемой дисплеем видеограмме активной зоны реактора как область пересечения нескольких окружностей (на чертеже выделено цветом). Кроме того, на чертеже указан уровень ″3σ″ (для нормального распределения интервальных скоростей счета t_гр = 3/4/) и соответствующее ему расстояние от ДН до ЛВ (радиус окружности с центром в точке размещения), на котором датчик еще может зарегистрировать возмущение как значимое.

Применение изобретения позволяет повысить надежность контроля и осуществить его непрерывность за изменениями размножающих свойств в режиме реального времени во всем физическом объеме активной зоны заглушенного реактора в течение перегрузок поглотителей, используя для этого конечное оптимальное количество датчиков нейтронов.

Источники информации
1. Галанин А. Д. Теория ядерных реакторов на тепловых нейтронах. М: Атомиздат, 1957, с. 151.

2. Доллежаль H.A., Емельянов И.Я. Канальный ядерный энергетический реактор. М.: Атомиздат, 1980, с. 109.

3. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1991, с. 156-160.

4. Уриг Р. Статистические методы в физике ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1974, с. 20-25.

Использование: при контроле технологической операции перегрузки поглощающих элементов активной зоны ядерного реактора, находящегося в заглушенном состоянии и имеющего изотропную структуру, для повышения ядерной безопасности в течение всего периода перегрузки. Сущность изобретения: способ включает последовательное равновеликое перемещение в активной зоне стержней-поглотителей и определение по сигналам датчиков нейтронов отклика нейтронного поля на эти перемещения, для определения факта наличия локального возмущения используют статистический критерий применительно к интервальным средним значениям скоростей счета нейтронов. По регрессионной зависимости, задава-+ясь измеренным текущим значением относительного изменения интервальных скоростей счета датчика нейтронов, определяют искомую координату локального возмущения. Число датчиков нейтронов выбирают исходя из необходимости частичного перекрытия зон минимальной чувствительности датчика нейтронов к локальному возмущению. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ экспериментального обнаружения локальных возмущений коэффициента размножения в активной зоне подкритического ядерного реактора, включающий последовательное равновеликое перемещение в активной зоне стержней-поглотителей и определение по сигналам датчиков нейтронов (ДН) отклика нейтронного поля на эти перемещения, отличающийся тем, что для определения факта наличия локального возмущения используют статистический критерий
N_t - N_б ≥ N_гр,
где N_t - текущее интервальное значение скорости счета нейтронов (ССН)ДН;
усредненное значение буфера N_б = {N₁;N₂;...N_n} интервальных значений ССН ДН;
N_гр = t_гр·σ_б - граничное значение ССН;
t_гр - граничное значение квантильного множителя границы значимости для распределения интервальных ССН, зависящее от вида распределения и от объема выборки анализируемых значений;
усредненное значение буфера σ_б = {σ₁;σ₂...σ_n} средних квадратических отклонений интервальных значений СССН ДН; применительно к интервальным средним значениям ССН, а для определения наиболее вероятной координаты локального возмущения предварительно строят регрессионную зависимость Δ_б(r) относительного изменения интервальных ССН датчиков от расстояния до центра возмущения размножающих свойств, вызванного равновеликим перемещением однотипных стержней-поглотителей в направлении уменьшения подкритичности

где N_↑ - среднее значение ССН ДН за время Δt в состоянии с локальным возмущением;
по которой, задаваясь измеренным текущим значением относительного изменения интервальных скоростей счета датчика нейтронов, и определяют искомую координату локального возмущения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что число датчиков нейтронов выбирают исходя из необходимости частичного перекрытия зон минимальной чувствительности датчика нейтронов к локальному возмущению.