СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТЕРЖНЕЙ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2004 года по МПК G21C17/104 

Изобретение относится к физике ядерных реакторов и может быть использовано для измерения эффективности стержней регулирования реакторных установок (РУ) атомных станций, критсборок, исследовательских реакторов в случаях, когда по условиям эксплуатации РУ необходимо обеспечить метрологическую аттестацию этих измерений. Эффективность стержней регулирования определяется по изменениям реактивности РУ, которые происходят в результате их перемещения.

Известен способ измерений положительной реактивности (Дж.Р.Кипин. Физические основы кинетики ядерных реакторов, с.201. Перевод с английского. Атомиздат 1967 г.), заключающийся в измерении асимптотического периода роста нейтронной мощности F_(t). Обычно измеряют логарифмическую производную α _(t)=d(lnF_(t))/dt, которая достигает асимптотического значения, спустя некоторое время после выхода РУ в надкритическом состояние. По измеренному значению α _(t) из калибровочных таблиц определяют искомую реактивность. Нейтронную мощность РУ допустимо измерять в относительных единицах как скорость счета экспериментальных детекторов нейтронов, поскольку измерения проводятся при установившемся во времени пространственно-энергетическом распределении нейтронов по объему РУ. Погрешности измерений реактивности этим способом могут быть проанализированы без существенных затруднений, что обеспечит их метрологическую аттестацию. Недостатком этого способа измерения реактивности РУ является обязательное измерение в надкритической области и, следовательно, ограничения по измерениям реактивности до ~0,5$.

Известен способ определения вводимой реактивности, а следовательно, эффективности стержней (см., например, Казанский Ю.А. и др Экспериментальные методы физики реакторов, стр. 97, Энергоатомиздат, 1984 г. ) - прототип), заключающийся в том, что выводят РУ в стационарное состояние, вводят в РУ исследуемые стержни регулирования, измеряют поток нейтронов во времени до, во время и после ввода стержней, после чего из уравнений кинетики (1-7) находят реактивность .

Начальные условия

i=1-6

В уравнениях (1-7) использованы следующие обозначения

k_эф - эффективный коэффициент размножения,

t - время,

n_(t) - полное число нейтронов всех энергий, в объеме всего реактора,

l_(kэф) - время жизни мгновенных нейтронов,

C_i(t)- полное число осколков ядер деления, являющихся предшественниками запаздывающих нейтронов,

λ _i, β _i, β _эф - константы запаздывающих нейтронов,

Q_эф(t) - эффективная, суммарная интенсивность внешних источников нейтронов.

Считаются известными функция Q_эфр(t), l и константы запаздывающих нейтронов. Сущность измерений состоит в вычислении функций C_i(t) по результатам измерений функции n(t), далее из уравнения (1) вычисляется k_эф(t) и ρ _(t). Принято вычислять реактивность в долях β _эф;

Чтобы практически реализовать указанные вычисления, делают два существенных допущения:

1) время жизни мгновенных нейтронов l не является функцией от k_эф(t), а следовательно, не является функцией и от времени,

2) функцию n_(t) допустимо измерять в относительных единицах как скорость счета детектора нейтронов v(t), причем коэффициент пропорциональности ε между функциями n(t) и v(t) не изменяется во времени, т.е. выполняется следующее соотношение:

n_(t)·_ε=v(t)

где ε =Const - эффективность детектора нейтронов,

Принятие этих допущений технически упрощает задачу вычислений эффективности стержней регулирования, т.е., вводимой реактивности, но приводит к характерным методическим погрешностям. Источник методической погрешности в том, что значения l и ε после сброса стержней регулирования изменяются, так как изменяется пространственно-энергетическое распределение нейтронов по объему РУ. Вследствие этого результат измерений реактивности зависит от места расположения экспериментального детектора. Отличия в результатах измерений реактивности в зависимости от места расположения экспериментального детектора могут достигать ~ 20% от измеряемой величины. Расчет поправок на изменения l и ε задача, по сложности сравнимая с вычислениями собственно реактивности, а это, соответственно, усложняет метрологическую аттестацию измерений реактивности, и ставиться вопрос о целесообразности подобных измерений вообще.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является повышение точности определения эффективности стержней регулирования за счет минимизации характерных методических погрешностей в стационарном (критическом или подкритическом) состоянии РУ.

Достигается эта минимизация посредством измерений n_(t) при неизменном пространственно-энергетическом распределении нейтронов по объему РУ, при постоянных значениях l и ε . Вследствие этого результат измерений реактивности предлагаемым способом не зависит от места расположения экспериментального детектора, эффективность стержней регулирования определяется на основании только экспериментальных данных, без привлечения сложных расчетов изменений параметров l и ε .

Для этого предложен способ определения эффективности стержней регулирования реакторной установки (РУ), заключающийся в том, что выводят РУ в стационарное состояние, изменяют мощность РУ путем ввода исследуемых стержней регулирования, измеряют полное число нейтронов РУ как скорость счета детектором нейтронов во времени и вычисляют эффективность стержней регулирования, при этом после прихода вводимых стержней в конечное положение измеряют число отсчетов I детектора нейтронов за интервал времени (τ ₁, τ ₂), равный 50÷ 100 секунд, и v_{(τ 2)} - скорость счета детектора в момент τ ₂, вычисляют число J=I/v(τ ₂) и, имея калибровочную кривую ρ _$=f(J* ), полученную в результате решений уравнений кинетики для ряда значений ρ _$ при заданном времени сброса исследуемых стержней регулирования, определяют эффективность стержней регулирования.

При этом ввод стержней осуществляют за время, не более 2-3 секунд. Время ввода стержней регулирования δ t≤ (2-3) секунд и интервал измерений n_(t) в течение 50÷ 100 секунд являются оптимальными для обеспечения приемлемых случайных погрешностей измерений I и v_{(τ 2)}.

На фиг. 1 приведена калибровочная кривая ρ _$=f(J* ), устанавливающая количественную связь между числом J и эффективностью стержня регулирования ρ _$, сброшенного из критического состояния РУ за 3 секунды Диапазон эффективности стержня регулирования (0,5-10)$, t₁=0, t₂=100 секунд.

На фиг. 2 приведены результаты измерений ln[V* _i] после сброса группы стержней из критического состояния критсборки РБМК. Кривая 1 - эксперимент №1, кривая 2 - эксперимент №2, кривая 3 - эксперимент №3, кривая 4 -эксперимент №4, где V* _i=v_i/v₁₀₀.

На фиг. 3 приведены результаты измерений ln[V* _i] после сброса группы стержней из критического состояния критсборки РБМК в экспериментах с №5 по №7.

Способ осуществляется следующим образом

Выводят РУ в стационарное состояние, изменяют мощность РУ путем ввода исследуемых стержней регулирования за время δ t≤ (2-3) секунд, измеряют число отсчетов детектора нейтронов за интервал времени (τ ₁,τ ₂), равный 50÷ 100 секунд, и v_{(τ 2)} - скорость счета детектора в момент τ ₂

где I - число отсчетов детектора нейтронов за интервал времени (τ ₁,τ ₂),

τ ₁ и τ ₂ - моменты времени после сброса стержней регулирования.

Рассчитывают число , являющееся мерой реактивности РУ после сброса стержней регулирования По измеренному значению J из калибровочной кривой ρ _$=f(J* ) определяют искомую реактивность ρ _$, 1 кривую получают расчетным путем следующим образом:

- задают начальное значение реактивности, соответствующее исходному состоянию РУ до сброса стержней регулирования, например ρ _$(0)=0,

- задают ряд значений ρ _$i, например -0.001, -0.002,... -10 итого 10000 чисел,

- задают δ t - время изменения реактивности от ρ _$(0) до ρ _$i, значение δ t должно соответствовать действительному времени сброса исследуемых стержней регулирования,

- задают моменты времени после сброса стержней регулирования τ ₁ и τ ₂,

- вычисляют значения функции n(t) в результате решения уравнений кинетики для заданных значений ρ _$ и δ t,

- определяют значения чисел

Покажем возможность измерении ρ _$ указанным способом.

Известно, что новое пространственно-энергетическое распределение нейтронов после возмущения устанавливается в течение "нескольких времен жизни мгновенных нейтронов" (см Дж.Р.Кипин. Физические основы кинетики ядерных реакторов, стр. 176. Перевод с английского, Атомиздат, 1967 г.). Т.е. перестройка поля заканчивается практически одновременно с приходом сброшенных стержней регулирования в конечные положения, и этот факт подтвержден во многих экспериментах (см., например, Казанский Ю.А. и др. Экспериментальные методы физики реакторов, стр. 100, Энергоатомиздат, 1984 г.). Из этого факта следует, что логарифмическая производная α _(t) после сброса стержней регулирования однозначно характеризует степень подкритичности реактора - ρ _$ и что n_(t) можно измерять в относительных единицах как скорость счета v_(t) экспериментального детектора нейтронов.

В отличие от измерений ρ _$ надкритической области в подкритическом реакторе α _(t) не достигает асимптотического значения. Поэтому в качестве меры подкритичности целесообразно выбрать определенный интеграл

Соответствие между измеренным числом J и искомым значением ρ _$ устанавливается по калибровочной кривой ρ _$=f(J).

Для отработки предложенного способа измерений эффективности стержней регулирования на критстенде "РБМК" была проведена серия из 7^ми экспериментов. Значения функции n_(t) измерялись с интервалом дискретности Δ t=0,09 секунд как скорости счета v_i, где v_i - результат измерений n(t) в моменты времени t_i=i· Δ t, i=1,2,3,... 100 Измерялись скорости счета по трем экспериментальным детекторам и по сумме скоростей счета этих детекторов нейтронов. В серии сбрасывались одиночные (эксперименты 1 и 3) или группы (эксперименты 2, 4-7) стержней регулирования из критического состояния критсборки в 7^ми вариантах В экспериментах 4-7 сбрасывалась одна и та же группа стержней, но с разной высоты Результаты измерений V* _i≡ v_i/v₁₀₀ приведены на фигурах 2-3, результаты обработки этих данных приведены в таблице.

Указаны стандартные абсолютные погрешности искомых параметров. Количественная связь между измеренными числами J и эффективностью исследуемых стержней регулирования ρ _$, сброшенных из критического состояния РУ за 3 секунды, устанавливалась с помощью калибровочной кривой ρ _$=f(J* ), приведенной на фиг.1.

На фиг.2 приведены результаты измерений ln[V* _i] в экспериментах с №1 по №3. На фиг.3 приведены результаты измерений ln[V* _i] в экспериментах с №5 по №7. Из фиг.2-3 следует, что результаты измерений V* _i по трем каналам согласуются между собой в пределах экспериментальных погрешностей независимо от места расположения детекторов нейтронов, от эффективности и места расположения стержней регулирования в критсборке. Соответственно и результаты измерений J и ρ _$ в серии из 7^ми экспериментов, приведенные в таблице, согласуются между собой пределах случайных экспериментальных погрешностей.

Этим способом наиболее эффективно можно измерять реактивность (по абсолютной величине) до 1%. При измерениях более глубоких уровней подкритичности повышаются требования к точности измерений J вследствие того, что при глубокой подкритичности

Таким образом, изобретение позволит измерить важную для управления РУ величину - эффективность стержней регулирования без введения расчетных поправок на изменение l и ε , т. к. при определении эффективности стержней регулирования используются результаты измерений числа отсчетов детектора при неизменном пространственно-энергетическом распределении нейтронов по объему РУ.

Изобретение относится к физике ядерных реакторов и может быть использовано для измерения эффективности стержней регулирования реакторных установок (РУ) атомных станций, критсборок, исследовательских реакторов в случаях, когда по условиям эксплуатации РУ необходимо обеспечить метрологическую аттестацию этих измерений. Эффективность стержней регулирования определяется по изменениям реактивности РУ, которые происходят в результате их перемещения. Технический результат изобретения - повышение точности определения эффективности стержней регулирования за счет минимизации характерных методических погрешностей в стационарном состоянии РУ. Способ заключается в том, что выводят РУ в стационарное состояние, изменяют мощность РУ путем ввода исследуемых стержней регулирования, измеряют полное число нейтронов РУ как скорость счета детектором нейтронов во времени и вычисляют эффективность стержней регулирования. После прихода вводимых стержней регулирования в конечное положение измеряют число отсчетов I детектора нейтронов за интервал времени (τ₁, τ₂), равный 50-100 сек, и V(τ₂) - скорость счета детектора в момент τ₂, вычисляют число J=I/V(τ₂) и, имея калибровочную кривую ρ_$=f(J^*), полученную в результате решения уравнений кинетики для ряда значений ρ_$ при заданном времени сброса исследуемых стержней регулирования, определяют эффективность стержней регулирования. При этом ввод стержней осуществляют за время не более 2-3 секунд. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Способ определения эффективности стержней регулирования реакторной установки (РУ), заключающийся в том, что выводят РУ в стационарное состояние, изменяют мощность РУ путем перемещения исследуемых стержней регулирования, измеряют поток нейтронов детектором нейтронов, отличающийся тем, что эффективность определяют с помощью калибровочной кривой ρ_$=f(J*), полученной в результате решения уравнений кинетики для ряда значений ρ_$ при заданном времени сброса исследуемых стержней регулирования, измерения числа J=I/V(τ₂), где I - число отсчетов детектора нейтронов за интервал времени (τ₁, τ₂), равный 50÷100 с, после прихода вводимых стержней в конечное положение; V(τ₂)- скорость счета детектора в момент τ₂.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ввод стержней осуществляют за время не более 2-3 с.