СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЯДЕРНЫМ РЕАКТОРОМ Российский патент 2002 года по МПК G21C7/36 

Изобретение относится к области управления ядерными реакторами.

Известны способы управления ядерным реактором, заключающиеся в автоматическом регулировании мощности и управлении распределением энерговыделения по активной зоне [Филипчук Е.В., Потапенко П.Т., Постников В.В. Управление нейтронным полем ядерного реактора. М.: Энергоиздат, 1981, стр. 98].

Недостатки известных способов заключаются в нарушении выполнения функций одной системы другой системой, ухудшении результата эффективности управления ядерным реактором, ухудшении точности регулирования мощности ядерного реактора и распределения энерговыделения. Кроме того, значение энерговыделения в реакторе не может служить достаточно полной характеристикой состояния активной зоны, так как является лишь частным случаем характеристики энергонапряженности основных элементов активной зоны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ управления ядерным реактором, заключающийся в регулировании мощности по сигналам датчиков мощности путем управления по каналу введения положительной реактивности и по каналу введения отрицательной реактивности, а также в определении по сигналам датчиков параметров ядерного реактора областей активной зоны с наименьшими и наибольшими энерговыделениями или запасами по энергонапряженности для управления распределением запаса по энергонапряженности по активной зоне рабочими органами изменения реактивности [Филипчук Е.В., Потапенко П.Т., Постников В.В. Управление нейтронным полем ядерного реактора, М.: Энергоиздат, 1981, с. 126].

Недостатки этого известного способа заключаются в ухудшении точности регулирования мощности ядерного реактора и управления распределением запаса по энергонапряженности или распределением энерговыделения, что сопровождается ухудшением равномерности выгорания топлива, уменьшением ресурса активной зоны и безопасности ядерного реактора. Объясняется это следующим.

При управлении рабочими органами по сумме сигналов внереакторных и внутриреакторных детекторов невозможно обеспечить одновременно хорошую точность регулирования мощности ядерного реактора и управления распределением запаса по энергонапряженности или распределением энерговыделения. Кроме того, значение энерговыделения в реакторе не может служить достаточно полной характеристикой состояния активной зоны, так как является лишь частным случаем характеристики энергонапряженности основных элементов активной зоны. Объясняется это следующим.

Масштабы сигналов внереакторного и внутризонного детекторов зависят от положения ближайших к ним рабочих органов, температуры теплоносителя и окружающих конструкций, поэтому сигналы детекторов не отражают тепловую мощность ядерного реактора. Регулирование тепловой мощности по сигналам детекторов будет соответствовать отбираемой мощности, тепловой нагрузке, если масштабы сигналов детекторов будут откорректированы по сигналам тепловой мощности или другим тепловым параметрам. Это позволит поддерживать постоянным масштаб сигналов внереакторных детекторов относительно тепловой мощности реактора независимо от состояния ядерного реактора, его параметров, положения рабочих органов. Сигналы внутриреакторных детекторов так корректировать нельзя, так как это исключит возможность управления распределением запаса по энергонапряженности или распределением энерговыделения по этим сигналам. Так как масштабы сигналов внутриреакторных детекторов не приведены в соответствие с тепловой мощностью реактора, то регулирование мощности и управление распределением запаса по энергонапряженности или распределением энерговыделения в локальных участках ядерного реактора по сигналам этих детекторов, а также по сумме внереакторных и внутриреакторных детекторов (так как масштабы сигналов этих детекторов не согласованы между собой) ведет к нарушению баланса между регулируемой и заданной тепловой мощностями. Следствием такого нарушения баланса может быть отклонение параметров ядерного реактора от заданных значений, излишнее включение приводов рабочего органа, увеличение неравномерности распределения запаса по энергонапряженности или распределения энерговыделения и, соответственно, выгорания топлива и увеличение термических напряжений в конструкциях реактора. Кроме того, управление распределением запаса по энергонапряженности должно осуществляться в рамках системы ограничений, налагаемых на регулируемый параметр и определяемых регламентными требованиями к основным показателям и характеристикам энергонапряженности основных элементов активной зоны. Такими ограничениями для реакторов c большими активными зонами могут являться предельно-допустимые значения мощности отдельной тепловыделяющей сборки и ее коэффициентов запаса до некоторых уровней, характеризуемых, например, нарушениями условий нормального теплообмена ("кризис" теплообмена), и/или условий допустимой линейной нагрузки по энергонапряженности, и/или условий допустимого температурного подогрева теплоносителя и т.д. Для этого могут понадобиться значения таких параметров ядерного реактора, как, например, температура и расход теплоносителя, давление. В канальных реакторах типа РБМК нарушение нормального теплообмена может произойти, например, при изменении расхода теплоносителя в одном из каналов. Таким образом, по значениям энерговыделения, определяемым по сигналам только внутриреакторных детекторов, нельзя полностью охарактеризовать состояние активной зоны по энергонапряженности.

Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении точности управления распределением запаса по энергонапряженности или распределением энерговыделения и регулирования мощности ядерного реактора, улучшении равномерности выгорания топлива, увеличении ресурса активной зоны, повышении безопасности ядерного реактора.

Поставленная задача решается тем, что в способе управления ядерным реактором, заключающемся в регулировании мощности по сигналам датчиков мощности путем управления по каналу введения положительной реактивности и по каналу введения отрицательной реактивности рабочими органами изменения реактивности, а также в определении по сигналам датчиков параметров ядерного реактора областей активной зоны с наименьшими и наибольшими энерговыделениями или запасами по энергонапряженности, дополнительно канал управления регулятора введением положительной реактивности подключают к приводу рабочего органа, наиболее сильно влияющего на изменение плотности потока нейтронов в области наименьшего энерговыделения или наибольшего запаса по энергонапряженности, а канал управления регулятора введением отрицательной реактивности подключают к приводу рабочего органа, наиболее сильно изменяющего плотность потока нейтронов в области наибольшего энерговыделения или наименьшего запаса по энергонапряженности.

Кроме того, в качестве датчиков параметров ядерного реактора могут использоваться любые датчики, сигналы которых характеризуют значение энерговыделения или запаса по энергонапряженности, например по энерговыделению - внутриреакторные детекторы или по температуре - температурные датчики.

Кроме того, если разность сигналов областей с наибольшим и наименьшим энерговыделением или запасом по энергонапряженности превысит заданное значение, то рабочим органом, наиболее сильно влияющим на плотность потока нейтронов в области наибольшего энерговыделения или наименьшего запаса по энергонапряженности, вводят отрицательную реактивность, пока разность между сигналами наибольшего и наименьшего энерговыделения или запаса по энергонапряженности не станет равной или меньше заданного значения.

Это позволяет управление распределением энерговыделения или запаса по энергонапряженности по активной зоне осуществлять в многопараметрическом пространстве, причем для каждого типа реактора иметь свой набор и свою систему приоритетов таких параметров.

Способ может быть реализован как в ручном, так и в автоматическом режиме управления.

Вариант реализации предлагаемого способа автоматического регулирования мощности и управления распределением запаса по энергонапряженности в активной зоне показан на фиг.1, где УВК мин. ЭВ - устройство выбора рабочего органа изменения реактивности в области с наибольшим энерговыделением или наименьшим запасом по энергонапряженности; УВК макс. ЭВ - устройство выбора рабочего органа в области с наименьшим энерговыделением или наибольшим запасом по энергонапряженности; БР - блок разности между максимальным и минимальным энерговыделением или запасом по энергонапряженности; БФ - блок формирования сигнала превышения разности между максимальным и минимальным энерговыделением или запасом по энергонапряженности над заданным значением Uy; КУ (+) ρ - канал управления изменением положительной реактивности автоматического регулятора мощности, АРМ; КУ (-) ρ - канал управления изменением отрицательной реактивности; 1КР - блок управления первым приводом рабочего органа компенсации и регулирования КР; nКР - блок управления n-ым приводом рабочего органа компенсации и регулирования КР; Ф СУ - формирователь сигнала управления автоматическим регулятором мощности АРМ; Nи - сигнал измеренной мощности; Ny - сигнал заданного уровня мощности; 1 - логическое устройство ИЛИ.

Сигналы датчиков параметров ядерного реактора поступают в УВК макс. ЭВ и УВК мин. ЭВ, где определяются области с максимальным и минимальным энерговыделением или запасом по энергонапряженности активной зоны, а также привод органа компенсации и регулирования, от 1КР до nКР, наиболее сильно влияющего на изменение энерговыделения или энергонапряженности в соответствующей области. По сигналу максимального энерговыделения или минимального запаса по энергонапряженности подается сигнал разрешения включения привода КР в канале управления введением отрицательной реактивности автоматическим регулятором АРМ. Разрешение на включение привода КР в канале управления введением положительной реактивности осуществляется по сигналу минимального энерговыделения или максимального запаса по энергонапряженности. Если сигнал заданного уровня мощности Ny превысит сигнал измеренной мощности Nи, с формирователя сигнала управления ФСУ на автоматический регулятор АРМ поступит сигнал на увеличение мощности, то АРМ включит канал управления введением положительной реактивности. К этому каналу подключен привод КР компенсирующего органа в области наименьшего энерговыделения или наибольшего запаса по энергонапряженности. Введение положительной реактивности в этой области вызовет увеличение плотности нейтронного потока, увеличение энерговыделения, энергонапряженности, уменьшение запаса по энергонапряженности. Если в процессе увеличения мощности наименьшее энерговыделение или наибольший запас по энергонапряженности возникнет в другой области активной зоны, то включится другой, соответствующей этой области привод КР, увеличивая плотность нейтронного потока в этой области и т.д. до окончания работы АРМ. Если сигнал измеренной мощности Nи превысит сигнал заданного уровня мощности Ny, то по сигналу Ф СУ уменьшения мощности АРМ включит канал введения отрицательной реактивности, где подключен привод КР в области с наибольшим энерговыделением или наименьшим запасом по энергонапряженности. Введение отрицательной реактивности будет уменьшать плотность потока нейтронов, уменьшит энерговыделение или увеличит запас по энергонапряженности в этой области. Разность между максимальным и минимальным энерговыделением или запасом по энергонапряженности вычисляется в блоке разности БР. Значение разности из БР поступает в блок формирования БФ, где сравнивается с допустимым значением разности между максимальным и минимальным энерговыделением или запасом по энергонапряженности Uy. Сигнал превышения этой разницы через логическую схему ИЛИ включает привод КР области наибольшего энерговыделения или наименьшего запаса по энергонапряженности. Введение отрицательной реактивности будет производиться до тех пор, пока не исчезнет сигнал с выхода блока БФ, когда разность между максимальным и минимальным энерговыделением или запасом по энергонапряженности перестанет превышать допустимое значение Uy. Если в процессе введения отрицательной реактивности максимальное энерговыделения или минимальный запас по энергонапряженности возникнет в другой области, то подключится другой привод КР и т.д. Так как в процессе введения отрицательной реактивности мощность ядерного ректора уменьшается, то может появится сигнал на повышение уровня мощности. Автоматический регулятор мощности АРМ включит канал введения положительной реактивности, включится привод КР в области минимального энерговыделения или максимального запаса по энергонапряженности. Это ускорит процесс выравнивания распределения энерговыделения или запаса по энергонапряженности в активной зоне. Таким образом, во всех случаях в процессе регулирования уровня мощности автоматический регулятор действует в направлении выравнивания распределения энерговыделения или запаса по энергонапряженности в активной зоне.

Если регулирование распределения энерговыделения или запаса по энергонапряженности осуществляется в многопараметрическом пространстве, то есть, в рамках системы ограничений, налагаемых на запасы тепловыделяющих сборок по кризису теплообмена, по линейной нагрузке, по температурному подогреву теплоносителя и т.д., то на каждом шаге регулирования для каждой локальной области активной зоны, отнесенной к отдельному каналу введения реактивности, на основе сигналов соответствующих датчиков и с использованием результатов расчетов, производимых в устройствах выбора рабочего органа изменения реактивности в областях с наименьшим и наибольшим энерговыделением или запасом по энергонапряженности, УВК мин. ЭВ и УВК макс. ЭВ, определяется набор параметрических коэффициентов запаса. Управление распределением запаса по энергонапряженности, ориентированное на достижение минимума или максимума обобщенного параметра-ограничения, предполагает, что в системе используемых параметров-ограничений установлена иерархия приоритетов, в соответствии с которой каждому из этих параметров присвоен, например, свой относительный "вес", отражающий его значение в общей задаче обеспечения безопасности и эффективности управления конкретного ядерного реактора. Для каждой локальной области активной зоны формируется обобщенный параметр-ограничение, представляющий собой или наименьший из коэффициентов запаса данного набора или сумму параметров-ограничений, взятых с коэффициентами, пропорциональными "весам" этих параметров. Для областей с наименьшим значением обобщенного параметра-ограничения подается сигнал разрешения включения привода КР в канале управления введением отрицательной реактивности автоматическим регулятором АРМ, а для областей с наибольшим значением обобщенного параметра-ограничения - подается сигнал разрешения включения привода КР в канале управления введением положительной реактивности.

Если в качестве датчиков параметров ядерного реактора используются внутриреакторные детекторы, то предлагаемый способ позволяет одновременно с регулированием интегральной мощности реактора производить выравнивание запаса по энергонапряженности путем управления распределением энерговыделения в локальных участках реактора.

Если в качестве датчиков параметров ядерного реактора используются температурные датчики: термопары или термометры сопротивления, установленные на входе и выходе теплоносителя в отдельных каналах, - то предлагаемый способ позволяет одновременно с регулированием интегральной мощности реактора производить выравнивание запаса по энергонапряженности путем выравнивания температуры теплоносителя в каналах реактора регулированием мощности в локальных участках реактора. Это значительно уменьшает влияние на качество регулирования инерционности измерительных температурных трактов, по сигналам которых только выбирается канал управления регулятора, а управляется регулятор по сигналам практически безинерционных нейтронных детекторов, что увеличивает быстродействие регулятора, улучшает качество переходных процессов.

Предложенный способ управления ядерным реактором позволяет одним регулятором осуществлять локальное и интегральное регулирование мощности реактора одновременно, что повышает качество регулирования, а также обеспечивает автоматизацию управления распределением энергонапряженности или энерговыделения по активной зоне, совмещая его с процессом автоматического регулирования мощности, что улучшает качество распределения энергонапряженности или энерговыделения по активной зоне и качество регулирования ядерного реактора, повышает равномерность выгорания топлива, увеличивает ресурс активной зоны, повышает безопасность ядерного реактора. При этом исключаются специальные регулирующие органы вместе с приводами, что позволяет получить экономический эффект.

Дополнительный положительный эффект при использовании предлагаемого способа заключается в следующем. Вместо регулирующих органов можно установить компенсирующие органы, что улучшит равномерность компенсации, или органы аварийной защиты, что повысит эффективность аварийной защиты, или дополнительное топливо, что увеличит мощность ядерного реактора. Одновременно появляется возможность унифицировать все привода рабочих органов. Все вместе позволяет упростить систему управления, повысить ее надежность.

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к способам управления ядерным реактором, и может быть использовано при регулировании мощности реактора атомной станции. Технический результат достигается регулированием мощности по сигналам датчиков мощности путем управления по каналу введения положительной реактивности и по каналу введения отрицательной реактивности рабочими органами изменения реактивности, а также в определении по сигналам датчиков ядерного реактора областей активной зоны с наименьшими и наибольшими энерговыделениями или запасами по энергонапряженности. По сигналам датчиков ядерного реактора определяются области активной зоны с наименьшими и наибольшими энерговыделениями или запасами по энергонапряженности. Канал управления регулятора введением положительной реактивности подключают к приводу рабочего органа, наиболее сильно влияющего на изменение плотности потока нейтронов в области наименьшего энерговыделения или наибольшего запаса по энергонапряженности, а канал управления регулятора введением отрицательной реактивности подключают к приводу рабочего органа, наиболее сильно изменяющего плотность потока нейтронов в области наибольшего энерговыделения или наименьшего запаса по энергонапряженности. Управление регуляторами осуществляют по сигналам датчиков мощности, например внереакторных нейтронных детекторов. Технический результат заключается в повышении точности управления распределением энерговыделения или запаса по энергонапряженности и регулирования мощности ядерного реактора, в улучшении равномерности выгорания топлива, увеличении ресурса активной зоны, в повышении безопасности ядерного реактора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления ядерным реактором, заключающийся в регулировании мощности по сигналам датчиков мощности путем управления по каналу введения положительной реактивности и по каналу введения отрицательной реактивности рабочими органами изменения реактивности, а также в определении по сигналам датчиков параметров ядерного реактора областей активной зоны с наименьшими и наибольшими энерговыделениями или запасами по энергонапряженности, отличающийся тем, что канал управления регулятора введением положительной реактивности подключают к приводу рабочего органа, наиболее сильно влияющего на изменение плотности потока нейтронов в области наименьшего энерговыделения или наибольшего запаса по энергонапряженности, а канал управления регулятора введением отрицательной реактивности подключают к приводу рабочего органа, наиболее сильно изменяющего плотность потока нейтронов в области наибольшего энерговыделения или наименьшего запаса по энергонапряженности. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчиков параметров ядерного реактора могут использоваться любые датчики, сигналы которых характеризуют значение энерговыделения или запаса по энергонапряженности, например по энерговыделению - внутриреакторные детекторы или по температуре - температурные датчики. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, если разность сигналов областей с наибольшим и наименьшим энерговыделением или запасом по энергонапряженности превысит заданное значение, то рабочим органом, наиболее сильно влияющим на плотность потока нейтронов в области наибольшего энерговыделения или наименьшего запаса по энергонапряженности, вводят отрицательную реактивность, пока разность между сигналами наибольшего и наименьшего энерговыделения или запаса по энергонапряженности не станет равной или меньше заданного значения.