СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО УЧЕТА ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЭФФЕКТА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ КРИТИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2004 года по МПК G21C1/30 

Изобретение относится к физике ядерных реакторов, а именно к измерениям эффективности поглощающих элементов активной зоны (сборок пэлов, стержней СУЗ и т.п.) ядерного реактора, находящегося в критическом состоянии и имеющего изотропную структуру.

Далее по тексту авторами для названия поглотителей используется стандартизованный термин "сборка пэлов" (ГОСТ 23082-78).

Среди множества методов измерения реактивности в настоящее время наиболее распространенными на практике являются методы, основанные на анализе временного поведения средней скорости счета детекторов и использующие аналитические зависимости между потоком нейтронов и реактивностью реактора в приближении точечной кинетики. Точечная модель предполагает, что нейтрон "рождается" и "умирает" в одной точке, и строго справедлива при независимости плотности потока нейтронов от пространственной координаты и при малых возмущениях поля [1]. Так как свойства реального ядерного реактора выходят за рамки точечного приближения, то в результатах измерений реактивности, основанных на точечной модели, всегда присутствует систематическая погрешность, обусловленная неадекватностью точечной модели. А именно измеренная эффективность сборки пэлов зависит от пространственного взаиморасположения детекторов нейтронов (ДН) и сборки пэлов, а также от скорости и времени после окончания ее перемещения.

Вышеперечисленные, эффекты, получившие название "пространственные эффекты", обусловлены несохранением во времени пространственно-энергетического распределения нейтронов в реакторе при возмущениях формы нейтронного поля. Особенно пространственный эффект значителен в физически больших реакторах (типа РБМК) и при измерениях большой отрицательной реактивности (более 0,1 β_эфф).

Среди методов названного класса особо следует выделить широко распространенный метод, основанный на обращенном решении уравнения кинетики реактора в точечном приближении [2], который нашел свое техническое воплощение в реактиметре - аналоговом или цифровом устройстве, имеющем на выходе сигнал - эквивалент реактивности, вносимой поглотителем. Суть метода заключается в том, что с помощью выбранного алгоритма по регистрируемому изменению мощности реактора (изменению нейтронного потока) решают, относительно реактивности, уравнения кинетики и находят искомое значение. При определенных начальных условиях и ограничениях метод переходит в другие, частные методы измерения реактивности: метод асимптотического периода, метод сброса стержня и т.д.

Известно много способов учета пространственного эффекта [3-5]. В [3] предлагается использовать интегральный сигнал нейтронной мощности от достаточного количества внутризонных ДН, равномерно распределенных по всему объему активной зоны, и учитывать время установления новой формы нейтронного поля после внесения возмущения, но не приводится ни методики определения оптимального количества ДН, ни схемы их размещения, что снижает практическую ценность предлагаемого способа. В [4] предлагается решать уравнения кинетики для каждого конкретного случая, внеся в него в явном виде эффективность ДН ε(r,t) (определяется расчетным путем или экспериментально), как функцию координаты и времени, что делает процесс определения реактивности громоздким и скорее лабораторным, чем общеупотребительным.

Среди способов-аналогов можно выделить способ [5], в котором для учета пространственного эффекта предварительно измеряют некоррелированную с нейтронами делений составляющую в показаниях измерительных каналов в реакторе с отсутствующим ядерным топливом, которая вычитается из значений мощности реактора при решении уравнений точечной кинетики относительно реактивности. Главным недостатком способа-аналога является то, что для его реализации необходимо иметь первоначально незагруженный топливом реактор.

В качестве прототипа предлагаемого способа авторами выбран наиболее близкий по технической сущности к заявленному изобретению способ [6], в котором для количественного учета деформации потока нейтронов вводят коэффициент формы К_ф (относительное изменение нейтронного потока, регистрируемого ДН, при перемещении сборки пэлов), который получают с помощью двумерного физического расчета двух стационарных состояний - исходного (до внесения реактивности) и конечного (после внесения реактивности). При этом постулируется независимость эффективности ДН ε от изменения спектра нейтронов. Поправочный коэффициент на показания реактиметра определяют как отношение расчетной введенной реактивности к полученной из решения обращенных уравнений кинетики с учетом К_ф.

К недостаткам, ограничивающим практическую значимость способа-прототипа и препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе:
- за истинную реактивность принимается рассчитываемое значение реактивности, которое содержит методическую погрешность, обусловленную неадекватностью физической модели, лежащей в основе расчета, реальному реактору;
- для нахождения поправочного коэффициента результата измерения необходимо дважды выполнить двумерный физический расчет активной зоны реактора;
- коррекция результата измерения производится значительно позже его получения, что снижает его практическую ценность, а именно - оперативность.

Задачей изобретения является повышение практической значимости способа-прототипа, уменьшение погрешности измерения и упрощение алгоритмов учета пространственных эффектов.

Технический результат заключается в оперативной коррекции результатов измерения эффективности сборок пэлов, находящихся в зоне пространственного эффекта ДН.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе осуществляют перемещение в активной зоне сборки пэлов, определение относительного изменения нейтронного потока, регистрируемого ДН, и вычисление по выбранному алгоритму, основанному на точечной модели кинетики, значения реактивности. Особенность заключается в том, что предварительно экспериментально определяют радиус зоны пространственного эффекта (r_зпэ) вокруг ДН для существующей геометрии размещения детекторов в активной зоне. Зону пространственного эффекта (в проекции на плоскость) условно представляют в виде круга, одинакового для всех ДН системы контроля. Для этого в активной зоне равновелико перемещают однотипные (равные по поглощающим свойствам) сборки пэлов и строят регрессионную кривую относительного изменения значения эффективности Δρ_Σ сборки пэлов, определенного по показаниям всех ДН, от значения эффективности Δρ₁ сборки пэлов, определенного по показаниям одного ДН, как функцию расстояния r между сборкой-поглотителем и этим ДН, по которой и определяют искомое значение r_зпэ.
Эффективность сборки пэлов с учетом пространственного эффекта находят в виде суммы двух слагаемых:
- эффективности, определяемой по показаниям наиболее удаленных ДН, находящихся вне зоны пространственного эффекта (r>r_зпэ);
- и эффективности, определяемой по показаниям ДН, находящихся в зоне пространственного эффекта (r≤r_зпэ), но не содержащей пространственную добавку в результате измерения;
взятыми в долях, пропорциональных числу детекторов каждой названной группы.

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 позволило 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 проводить сложных расчетов (многомерных диффузионных или вероятностных), а коррекции подвергается результат измерения эффективности сборки пэлов, расположенной в зоне пространственного эффекта (определяется экспериментально) одного (нескольких) ДН.

Поясняющие способ иллюстрации представлены на фиг.1, 2. На фиг.1 показано определение размера зоны пространственного эффекта по регрессионной кривой результатов измерений, где обозначены: - регрессионная кривая; r - расстояние от ДН до сборки пэлов (в шагах решетки тепловыделяющей сборки (ТВС)); r_зпэ - радиус зоны пространственного эффекта ДН.

На фиг. 2 показана структура зоны пространственного эффекта вокруг k-го ДН для частного случая правильной квадратной решетки ДН в (вне) активной зоне реактора со стороной R, равной r_зпэ, где цветом обозначены подзоны А, Б, В, расположенные внутри которых сборки пэлов при перемещении оказывают влияние сразу на два, три и четыре ДН соответственно.

Достижение технического результата производится в следующей последовательности:
1. Предварительно экспериментально определяется размер зоны пространственного эффекта (зоны деформации пространственно-энергетического распределения нейтронов) около ДН при перемещении сборок пэлов.

При этом считается, что проекция зоны пространственного эффекта на плоскость представляет круг с центром в точке расположения ДН, размер которого (радиус круга) постоянен для данной загрузки активной зоны и существующей регулярной решетки размещения ДН, а сборки пэлов имеют одинаковые поглощающие свойства (однотипны).

Радиус зоны пространственного эффекта r_зпэ определяют экспериментально следующим образом:
- последовательно измеряют (например, с помощью метода ОРУК) эффективности ΔρiΣ

всех сборок пэлов по суммарному сигналу от всех включенных ДН системы нейтронного контроля;
- при одном включенном ДН измеряют эффективность Δρi1 каждой сборки пэлов и рассчитывают относительное отклонение значения эффективности сборки, определенного по всем детекторам, от значения эффективности сборки, определенного по одному ДН

- строят регрессионную зависимость (фиг.1) относительного отклонения значения эффективности сборки пэлов как функцию расстояния r между сборкой и одним ДН.

Регрессионная кривая может быть также получена по совокупности измерений при поочередно включаемом каждом ДН путем усреднения для одинаковых расстояний r.

Радиус зоны пространственного эффекта r_зпэ определяется как значение абсциссы точки перегиба регрессионной кривой
2. Вокруг каждого ДН обозначают зону пространственного эффекта с радиусом, равным r_зпэ, выраженным в шагах решетки ТВС, так что вся активная зона оказывается поделенной на зоны пространственного эффекта вокруг детекторов.

3. Для измеряемой сборки пэлов определяют количество n детекторов, которые будут находиться в деформированном перемещением этой сборкой нейтронном поле. В общем случае, в зависимости от числа ДН (шага решетки ДН), отношения размеров решетки сборок пэлов и r_зпэ сборка пэлов будет при перемещении избыточно деформировать нейтронное поле вокруг одного, двух (например, как в подзоне А, фиг. 2) или даже нескольких ДН, т.е. зоны пространственного эффекта одного ДН могут пересекаться с зоной другого ДН.

4. Искомая эффективность сборки пэлов измеряется при ее перемещении дважды:
- один раз - только по показаниям ДН, находящихся в зоне пространственного эффекта (ближних, для которых r≤r_зпэ);
- второй раз - только по показаниям ДН, находящихся вне зоны пространственного эффекта (удаленных, для которых r>r_зпэ).

Эффективность сборки пэлов Δρ_z, с учетом поправки на пространственный эффект, определяется по выражению

где n - число ДН, находящихся в зоне пространственного эффекта применительно к измеряемой сборке пэлов;
k - общее число ДН системы нейтронного контроля;
Δρ_n,Δρ_Σ-n - эффективности сборки пэлов, определенные по показаниям ДН, находящихся в зоне пространственного эффекта, и по показаниям ДН, находящихся вне зоны пространственного эффекта соответственно.

При использовании цифрового реактиметра с памятью результат может быть получен в режиме реального времени путем параллельного (или повторного) расчета по показаниям только ближних и удаленных групп ДН системы контроля, включенных программно.

Применение изобретения позволяет повысить оперативность определения эффективностей отдельных сборок пэлов, суммарной эффективности органов регулирования и защиты, других важных с точки зрения ядерной безопасности параметров (в т. ч. глубину подкритичности, коэффициент неравномерности поля энерговыделения и т. д. ) и уменьшить погрешность измерений, обусловленную пространственными эффектами.

Источники информации
1. Глесстон С., Эдлунд М. Основы теории ядерных реакторов. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1954.

2. Бриккер И.Н. Обращенное решение уравнений кинетики ядерного реактора. - Атомная энергия, 1966, т. 21, вып.1, с.9-13.

3. Ефанов А.И., Лаврухин B.C. Вопросы измерения реактивности на больших реакторах. - Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика и техника ядерных реакторов, 1979, вып.3(7), с.17-27.

4. Казанский Ю.А., Матвеенко И.П., Тютюнников П.Л., Шокодько А.Г. К учету пространственных эффектов при измерении реактивности методом обращенного решения уравнений кинетики. - Атомная энергия, 1981, т. 51, вып.6, с.387-389.

5. Пат. 2088983 РФ, 6 G 21 C 17/00, 17/10. Способ определения реактивности реактора, находящегося в подкритическом состоянии/ А.Г. Матков, Ю.Д. Макаренков (РФ); Физико-энергетический институт (РФ). - 94017381/25; заявл. 18.05.94; опубл. 27.08.97; 9 с.: ил.

6. Акимов И. С. Учет пространственных эффектов при измерении эффективности стержней СУЗ реакторов Билибинской АЭС. - Атомная энергия, 1999, т. 86, вып.3, с.167-171.

Способ экспериментального учета пространственного эффекта при измерении активности поглотителей в активной зоне критического ядерного реактора предназначен для использования в области физики ядерных реакторов. Способ включает в себя первоначальное определение радиуса зоны пространственного эффекта вокруг детекторов нейтронов. Предварительно строится регрессионная зависимость относительного изменения значения эффективности каждой сборки-поглотителя от значения эффективности сборки-поглотителя. Обеспечивается уменьшение погрешности измерения и упрощение алгоритмов учета пространственных эффектов. 2 ил.

Способ экспериментального учета пространственного эффекта при измерении эффективности поглотителей в активной зоне критического ядерного реактора, включающий перемещение в активной зоне сборки поглотителей, определение относительного изменения нейтронного потока, регистрируемого детекторами нейтронов (ДН), и вычисление по выбранному алгоритму, основанному на точечной модели кинетики, значения реактивности, отличающийся тем, что первоначально определяют радиус зоны пространственного эффекта r_зпэ вокруг ДН для существующей геометрии размещения ДН в активной зоне, для чего предварительно строят регрессионную зависимость Δρ (r) относительного изменения значения эффективности каждой сборки-поглотителя, определенного по всем ДН, от значения эффективности сборки-поглотителя, определенного по одному ДН, как функцию расстояния r между сборкой-поглотителем и ДН, усредненную для одинаковых расстояний по всем поочередно включаемым ДН, вызванного равновеликим перемещением однотипных сборок-поглотителей

где - эффективность i-й сборки-поглотителя по суммарному сигналу от всех включенных ДН системы нейтронного контроля;

- эффективность i-й сборки-поглотителя, определенная по сигналу одного ДН;

r - расстояние от одного ДН до сборки-поглотителя, по которой определяют искомое значение r_зпэ как абсциссу точки перегиба регрессионной кривой, а для определения эффективности сборки-поглотителя Δρ_z, используют формулу

где n - число ДН, находящихся в зоне пространственного эффекта применительно к измеряемой сборке-поглотителю;

k - общее число ДН системы нейтронного контроля;

Δρ_n, ΔρΣ_-n - эффективности сборки-поглотителя, определенные по показаниям ДН, находящихся в зоне пространственного эффекта, и по показаниям ДН, находящихся вне зоны пространственного эффекта соответственно.