СПОСОБ КОНТРОЛЯ РЕАКТИВНОСТИ В ПОДКРИТИЧЕСКОЙ СБОРКЕ Российский патент 2003 года по МПК G21C17/104 G21C1/30 

Изобретение относится к области физики и техники реакторов, более конкретно к методам контроля и обеспечения безопасности подкритических сборок.

Известны проекты электроядерных бланкетных систем и установок, содержащих ускоритель заряженных частиц, предпочтительно протонов, канал для транспортировки заряженных частиц к мишени, узел мишени и размножающий бланкет, окружающий узел мишени. Бланкеты в разных решениях отличаются по материалу замедлителя, конструкции и содержат различные виды топлива от обогащенного урана [1] до расплавленных солей, содержащих торий [2] или непосредственно радиоактивные отходы [3].

Одной из проблем электроядерных систем является выбор запаса подкритичности и обеспечение необходимого нейтронного потока. При уменьшении запаса подкритичности, что является очевидным путем для повышения мощности и, следовательно, нейтронного потока, снижается уровень безопасности. Это происходит потому, что совокупность возможных реактивностных аварий бланкета может дать положительный эффект реактивности, выводящий сборку в надкритический режим. В подкритических сборках это расценивается как серьезная авария. Для предотвращения аварий необходима система контроля реактивности.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности признаков является способ контроля подкритичности бланкета [4], включающий следующие процедуры. В серии предварительных экспериментов определяется связь эффективного коэффициента размножения нейтронов k_еff, а значит и запаса подкритичности (1-k_eff), с параметрами импульса тепловых нейтронов, являющегося реакцией бланкета (импульс-отклик) на короткий импульс ускорителя-драйвера. В частности, запас подкритичности определяет скорость спада импульса-отклика. Результатом этих экспериментов являются интерполяционные таблицы, позволяющие определять запас подкритичности по характерному времени спада или скорости спада импульса. На втором этапе способ предусматривает облучение нейтронопроизводящей мишени импульсным пучком заряженных частиц, измерение параметров спада импульса тепловых нейтронов, а затем сравнение скорости или характерного времени спада импульса-отклика с предварительно заготовленными интерполяционными таблицами и определение запаса подкритичности на момент импульса.

Недостатком этого решения является его функциональная ограниченность, поскольку о спаде импульса-отклика можно говорить только в случае заведомо подкритических систем, а значит на случай аварии, т.е. выхода в критику, этот способ должен дополняться, например, традиционной системой защиты по скорости нарастания мощности.

Целью предлагаемого технического решения является расширение функционального диапазона и повышение уровня безопасности электроядерной установки с импульсным драйвером.

Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля реактивности размножающего бланкета электроядерной установки с импульсным драйвером предварительно проводится анализ зависимости скорости нарастания импульса-отклика тепловых нейтронов от глубины подкритичности для данной сборки; в рабочем режиме по сигналу-триггеру драйвера запускается измерение скорости нарастания импульса-отклика, и в on-line режиме определяется глубина подкритичности или степень надкритичности бланкета, причем эта совокупность операций не превышает по длительности одной миллисекунды. Затем вырабатывается сигнал для систем защиты. В случае подкритичности бланкета включается система уточнения реактивности по спаду импульса-отклика. В случае надкритичности или при недопустимо малой глубине подкритичности вырабатывается сигнал, запускающий ввод органов защиты.

Причинно-следственная связь цели изобретения с введенными признаками изобретения.

Измерение зависимости скорости нарастания импульса-отклика от величины (1-k_еff) (подкритичности или надкритичности) и определение отличия реактивности бланкета от критического состояния по скорости нарастания импульса-отклика за время не более 1 миллисекунды позволяет принять решение о степени безопасности установки и выработать соответствующий сигнал для систем защиты. В случае подкритичности бланкета включается система уточнения реактивности по спаду импульса-отклика. В случае надкритичности или при недопустимо малой глубине подкритичности вырабатывается сигнал, запускающий ввод органов защиты.

В отличие от известных систем защиты по скорости в данном способе анализ реактивности проводится по мгновенным нейтронам. Процедура измерения и принятия решения практически за время жизни теплового нейтрона в активной зоне и создание условий для быстрого ввода органов аварийной защиты (A3) позволяет предотвратить переход бланкета в критическое состояние. Более того, наличие системы квазинепрерывного анализа реактивности и повышение надежности систем защиты позволяют создавать конструкции бланкетов с вариацией глубины подкритичности и повышать их эффективность как источников нейтронов.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где схематически показана структура системы, реализующая заявляемый способ.

Реализация способа (помимо предварительных исследований связи параметров импульса-отклика с реактивностью бланкета) включает:
- блок 1 генерации импульса триггера, совпадающего по времени с передним фронтом импульса заряженных частиц драйвера;
- блок 2 детекторов 3 нейтронов, работающих в импульсном и в токовом режимах, со временем накопления заряда порядка десяти микросекунд;
- процессор 4, обрабатывающий последовательность отсчетов и определяющий скорость нарастания и спада импульса-отклика тепловых нейтронов, а также вырабатывающий цифровой код, описывающий состояние бланкета (реактивность и скорость ее изменения);
- блок 5 генерации сигнала для срабатывания систем 6 диагностики или системы 7 аварийной защиты по сигналу процессора.

Способ реализуется следующим образом. Избранная конфигурация (решетка) бланкета исследуется экспериментально и расчетно для установления табличной или аналитической зависимости параметров импульса-отклика от реактивности бланкета. Этот этап может быть значительным по длительности и требует высокой точности измерений и расчетных программ-кодов. От этой точности зависит дальнейший режим работы бланкета, его эффективность как источника нейтронов и ядерная безопасность всего объекта. Результатом этапа является обратная зависимость, т. е. зависимость реактивности бланкета от параметров импульса-отклика. При этом возможен вариант, когда для разных зон бланкета указанные зависимости отличаются. Возможен также вариант, когда на модели разыгрываются различные сценарии аварий и устанавливается связь измерений параметров импульса-отклика с аварийной динамикой бланкета. Затем отработанные данные в виде таблиц и аналитических зависимостей для ускоренного счета вводятся в процессор. Система программируется с помощью средств ввода информации, которые отключаются в рабочий период. В период эксплуатации бланкета с импульсным ускорителем-драйвером сигнал-триггер от блока 1 запускает систему измерения параметров импульса-отклика в виде блоков 2, 3 и процессора 4, который за время, меньшее 1 миллисекунды, от срабатывания триггера выдает цифровой код, описывающий реактивность бланкета по разным группам детекторов и скорость изменения реактивности. В случае, если глубина подкритичности меньше заданной величины, блок 5 вырабатывает сигнал срабатывания аварийной защиты, по которому система 7 вводит органы защиты в бланкет. Если бланкет находится в безопасном состоянии, то на этапе спада импульса-отклика до следующего импульса драйвера проводится уточнение параметров и реактивности бланкета.

Экономическая эффективность предлагаемого способа определяется возможностью увеличить поток нейтронов в подкритических системах в 5-10 раз, повысить безопасность таких систем, создать условия для серийного строительства исследовательских подкритических источников нейтронов в исследовательских центрах, где выработан ресурс исследовательских реакторов, а создание более современных реакторов по тем или иным причинам не допускается.

Литература
1. L. Van Den Durpel et al. The ADONIS-project: an accelerator driven operated sub-critical system. The Eighth International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems. ICENES'96. June 24-28, 1996, Obninsk, Russia, Institute of Physics and Power Engineering. Proceedings, vol.2, 526-532.

2. С. Rubbia. CERN Concept of ADS. Feasibility and motivation for hybrid concepts for nuclear energy generation and transmutation. IAEA-TC-903.3 Proceedings of the International Atomic Energy Agency Technical Commitee Meeting. Madrid, Spain, 17-19 September 1997. 1998. Ciemat pp. 26-171.

3. T. Takizuka, T. Sasa, K, Tsujimoto. Hybrid System concepts for nuclear waste transmutation. Ibid.,345-356.

4. O.V. Shvedov, V.V. Vasiliev et al. Safety System for Subsritical Blanket driven by Pulsed Accelerator. The Eighth International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems. ICENES'96. June 24-28, 1996, Obninsk, Russia, Institute of Physics and Power Engineering. Proceedings, vol.2, 534-540.

Изобретение относится к области физики и техники реакторов, более конкретно к методам контроля и обеспечения безопасности подкритических сборок. Техническим результатом является расширение функционального диапазона и повышение уровня безопасности электроядерной установки с импульсным драйвером. Для достижения указанных целей предлагается более полный анализ импульса-отклика тепловых нейтронов бланкета электроядерной установки и установление зависимости формы переднего фронта (времени нарастания) импульса-отклика от реактивности бланкета, т.е. глубины подкритичности. В способ вводится быстрое измерение нарастания импульса-отклика, запускаемое от триггера ускорителя-драйвера. В режиме on-line по времени нарастания импульса отклика за время менее 1 мс определяется запас подкритичности или его отсутствие и вырабатывается сигнал для систем защиты и диагностики. 1 ил.

Способ контроля реактивности в подкритической сборке с импульсным ускорителем-драйвером и бланкетом, умножающим нейтроны с мишени, включающий предварительный анализ зависимости спада импульса-отклика тепловых нейтронов бланкета от реактивности, измерение параметров спада импульса-отклика и определение реактивности бланкета по времени спада, отличающийся тем, что предварительно проводится экспериментальный и расчетный анализ зависимости скорости нарастания импульса-отклика тепловых нейтронов бланкета от глубины подкритичности для данной сборки; в рабочем режиме по сигналу-триггеру драйвера запускается измерение скорости нарастания импульса-отклика, в on-line режиме определяется глубина подкритичности или степень надкритичности бланкета, причем эта совокупность операций не превышает по длительности 1 мс, и вырабатывается цифровой код, характеризующий отличие реактивности бланкета от критического состояния.