СПОСОБ НАСТРОЙКИ ЦИФРОВЫХ РЕАКТИМЕТРОВ НА ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ РЕАКТОРА ПО СОСТАВУ ДЕЛЯЩИХСЯ ЭЛМЕНТОВ ТОПЛИВА Российский патент 2005 года по МПК G21C17/104 

Изобретение относится к контролю характеристик и параметров ядерной безопасности реакторных установок (РУ) атомных электростанций (АЭС) и, в частности, может быть использовано для настройки реактиметров, применяемых на АЭС с реакторами РБМК (реактор большой мощности канальный), на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива.

По мере выгорания топлива, а также в результате перехода на эксплуатацию тепловыделяющих сборок (ТВС) нового типа изменяется соотношение делящихся элементов в топливе. В свою очередь это вызывает изменение соотношения запаздывающих нейтронов (з.н.), генерируемых различными делящимися изотопами в топливе. Поскольку для каждого делящегося изотопа (U²³⁵, U²³⁸, Pu²³⁹, Pu²⁴¹) распределение генерируемых им з.н. по параметру генерации - λ _ik (i - номер группы з.н., k - номер изотопа) имеет свои особенности, а указанные распределения влияют на характер поведения реактивности реактора, то при определении реактивности необходима настройка цифрового реактиметра, направленная на учет реального соотношения делящихся элементов в реакторном топливе. Такая настройка позволяет минимизировать систематическую погрешность измерений, обусловленную неучетом детального соотношения различных групп з.н., генерируемых топливной загрузкой реактора.

Известен, взятый в качестве прототипа, способ настройки реактиметра, используемый в цифровом реактиметре ЦВР-9 ("Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Э.091.6709.10", инв. №13-177 389, 1996, ГНЦ РФ ФЭИ). В модели реактиметра ЦВР-9 из полного набора изотопов (U²³⁵, U²³⁸, Рu²³⁹, Рu²⁴¹), характеризующих реакторное топливо, учитывают только 2 изотопа - U²³⁵ и Рu²³⁹. Учет большего числа делящихся изотопов ограничен аппаратными возможностями реактиметра. Шкала настройки реактиметра ЦВР-9 прокалибрована, в единицах величины вклада Рu²³⁹ в генерацию з.н..

Способ настройка реактиметра-прототипа осуществляется следующим образом:

- в модуль постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) вводят дискретные наборы исходных данных. Отдельный набор представляет собой комплект из 12 значений параметра α _ik (i=1-6 - номер группы з.н., k=1-2 - номер изотопа), характеризующего соотношение различных групп з.н. в топливной загрузке реактора, описываемой композицией делящихся элементов топлива - U²³⁵+Рu²³⁹ (значения параметра α _ik - доли з.н. i-й группы, генерируемых при делении k-го изотопа, в полном числе з.н., генерируемых всеми делящимися изотопами, ). Наборы сформированы в зависимости от величины вклада Рu²³⁹ в генерацию з.н.;

- непосредственно перед выполнением физических измерений на РУ из данных системы централизованного контроля (СЦК) определяют величину среднего выгорания топлива;

- по заданной величине среднего выгорания топлива производят оценку величины вклада Рu²³⁹ в генерацию з.н. γ _k=β _kq_k/β , где β _k - константы з.н. (табличные данные), соответствующие доле з.н. в полном числе нейтронов, генерируемых при делении k-го изотопа; , q_k - доля нейтронов, генерируемых при делении k-гo изотопа в полном числе нейтронов, генерируемых всеми делящимися изотопами (значения величин q_k приведены в табл.1 из "Комплексной методики определения физических и динамических характеристик реакторов РБМК", РД ЭО 0137-98);

- устанавливают переключатель учета Рu²³⁹ (с дискретной шкалой в единицах параметра γ _k) в положение, наиболее близкое к реальному значению этого параметра, тем самым выбирают комплект значений величин ее α _ik, соответствующий текущей композиции делящихся изотопов топлива в активной зоне реактора.

Данный способ настройки реактиметра на текущее состояние активной зоны реактора по составу делящихся элементов топлива имеет ряд недостатков. Недостатками способа настройки реактиметра-прототипа являются:

1. Невысокая точность контроля параметров ядерной безопасности РУ (обусловленная значительной систематической погрешностью измерений реактивности), что не гарантирует обеспечение пределов и условий безопасной эксплуатации РУ.

2. Эффект нарастания систематической погрешности измерений реактивности по мере роста выгорания топлива.

3. Неконсервативный характер результатов измерений (переоценка) критических с точки зрения ядерной безопасности параметров реактора (например, подкритичности).

4. Сложность настройки прибора - требуется предварительная процедура оценки учета вклада Рu²³⁹ в генерацию з.н. для текущего состояния активной зоны реактора.

5. Масштаб шкалы (γ (Pu²³⁹)=0, 10, 20, 30 и 40%) выбран неудачно - большая ее часть соответствует нереальным на сегодняшний день величинам среднего выгорания топлива, превышающим 15 МВт· сут/кгU.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения точности контроля параметров ядерной безопасности РУ с реакторами РБМК-1000 за счет снижения (на два порядка по сравнению с прототипом) величины систематической погрешности измерений реактивности и упрощения процедуры настройки реактиметра на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе настройки цифрового реактиметра на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива в модуль ПЗУ реактиметра вводят наборы значений параметров, характеризующих соотношение делящихся элементов в топливе с заданным шагом по выгоранию; определяют текущую величину среднего выгорания топлива из данных СЦК РУ и выбирают соответствующие наборы значений указанных параметров изменением положения переключателя на задней панели реактиметра.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что используют наборы значений параметра α _i - доли з.н. i-й группы в генерации з.н., отвечающие полной композиции делящихся изотопов топлива заданного выгорания, и наборы значений параметра λ эффi

- эффективных постоянных генерации з.н. i-ой группы.

Кроме того, особенностью является то, что шкала настройки реактиметра прокалибрована в единицах среднего выгорания топлива в активной зоне реактора.

В предлагаемом способе используется иной по сравнению с прототипом подход для реализации настройки реактиметра на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива в условиях ограниченных аппаратных возможностей реактиметра. В прототипе приближенное описание полной композиции делящихся элементов реализуется за счет учета лишь части делящихся изотопов топлива - наиболее представительных (по величине вклада в генерацию нейтронов) или наиболее характерных с точки зрения учета особенностей распределения з.н. по параметру генерации λ _ik. В предлагаемом способе аналогичная проблема решается введением эффективных параметров задачи, соответствующих описанию полной композиции делящихся элементов одним эквивалентным элементом, в соответствие которому ставится спектр з.н., приближенно описывающий реальный спектр з.н. при сохранении разбиения з.н. на группы:

Соотношение между вкладами отдельных делящихся изотопов в генерацию нейтронов определяется, прежде всего, выгоранием топлива. Это соотношение влияет на поведение реактивности в переходных процессах, что отражается в характере поведения сигналов нейтронных датчиков. Определяется указанное соотношение значениями вышеупомянутого параметра q_k, однозначно связанного с параметром γ _k, характеризующим вклад отдельных изотопов в генерацию з.н. Поскольку параметры настройки реактиметра - α _ik связаны с γ _k соотношением α _ik=а_ikγ_{k, где аik - константы з.н. (табличные данные), соответствующие доле з.н. i-й группы в полном числе з.н., генерируемых при делении k-гo изотопа, то и α ik, а следовательно, и и , зависят только от выгорания топлива. Тип топлива (обогащение, наличие выгорающего поглотителя) вносит поправку второго порядка малости, что в особенности справедливо в отношении топлива с обогащением 2.4% и эрбиевых ТВС (ЭТВС) с обогащением 2.6 и 2.8% (см. представленную ниже табл.1).}

Отмеченный факт имеет принципиальное значение для технической реализации настройки реактиметров на текущее состояние активной зоны по составу делящихся элементов топлива - такая настройка сводится к настройке на текущее значение среднего выгорания топлива.

Таблица 1
Величины долевого вклада отдельных изотопов в генерацию нейтронов деления (q_k, %) для ячейки реактора РБМК при различной энерговыработке топлива с обогащением 2% и 2,4% и ЭТВС с обогащением 2,6 и 2,8%.Тип топливнойkИзотопыЭнерговыработка топлива, МВт-сут/кгЦ   051015202530ТВС, 2.0%1U-23595.4870.7155.9443.7933.9820.044.25 2Pu-239023.8535.6643.6049.7257.0365.88 3U-2384.524.654.995.496.086.837.81 4Pu-24100.793.437.1811.3216.1022.06ТВС, 2.4%1U-23595.9275.4962.5151.7341.5929.5915.19 2Pu-239019.7730.5338.0144.1151.2659.77 3U-2384.084.214.504.905.446.147.09 4Pu-24100.532.465.368.8713.0117.95ЭТВС, 1U-23595.7675.4462.5151.7541.6229.6215.222.6%2Pu-239019.7530.5338.0344.1651.3459.87 3U-2384.244.284.504.865.356.026.94 4Pu-24100.532.465.368.8713.0217.97ЭТВС, 1U-23595.6875.4062.4851.7441.6229.6315.242.8%2Pu-239019.7230.5138.0344.1851.3859.95 3U-2384.324.354.554.875.335.966.82 4Pu-24100.532.465.368.8713.0317.99

В результате практического применения предлагаемого способа повышается безопасность эксплуатации РУ вследствие повышения точности контроля и обеспечения консервативности оценок параметров и характеристик реактора, значительно упрощается процедура настройки реактиметра на текущее состояние реактора по выгоранию топлива.

Так, например (см. табл.2):

1. Снижается на два порядка по сравнению с прототипом систематическая погрешность измерений (сравни колонки 5 и 7 табл.2).

2. Достигается консервативная оценка (см. колонки 6 табл.2) параметров ядерной безопасности (результатов измерений), что гарантирует обеспечение пределов и условий безопасной эксплуатации РУ.

Данные табл.2 являются результатом опытно-расчетного моделирования измерений, включая моделирование нейтронного сигнала датчиков при введении в реактор "скачка" реактивности 5.0β _эфф. В качестве "опорной" модели при моделировании измерений реактивности рассматривалась модель с учетом полного набора делящихся элементов топлива (U²³⁵, U²³⁸, Рu²³⁹, Рu²⁴¹). Отличие результатов моделирования измерений при использовании других моделей от опорной модели (δ ) рассматривается в качестве оценки систематической погрешности измерений.

Таблица 2
Зависимость результатов измерений реактивности (β _эфф) от средней энерговыработки топлива реактора РБМК для прототипа и предлагаемого способаОпорная "эталонная" модель, полная композиция делящихся изотопов (U⁵+U⁸+Pu⁹+Pu⁴¹)Прототип, ограниченная композиция делящихся изотопов (U⁵+Pu⁹)Предлагаемый способ (α _i и λ _i^эфф) Результат sec; измеренийsec; , β _эффδ , %Результат sec; измеренийsec; , β _эффδ , %Результат sec; измеренийsec; , β _эффδ , %1234567о5,0000.05,2334,664,998-0,0455,0000.05,2815,624,997-0,06105,0000.05,3396,784,996-0,08155,0000.05,4138,264,995-0,10205,0000.05,50610,124,994-0,12

Предлагаемый способ настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора осуществляется следующим образом:

- в модуль ПЗУ реактиметра вводят дискретные наборы исходных данных.

Отдельный набор представляет собой комплект из 6 значений параметра α _i, характеризующего соотношение различных групп з.н. в топливной загрузке реактора, описываемой полной композицией делящихся элементов топлива, и комплект из 6 значений параметра λ эффi

, характеризующего групповые эффективные постоянные генерации з.н., соответствующие описанию композиции делящихся элементов одним эквивалентным элементом. Наборы сформированы в зависимости от величины среднего выгорания топлива в активной зоне реактора (см. табл.3, полученную опытно-расчетным путем);

- непосредственно перед выполнением физических измерений на РУ из данных СЦК определяют величину среднего выгорания топлива;

- устанавливают переключатель настройки реактиметра (с дискретной шкалой в единицах среднего выгорания топлива) в положение, наиболее близкое к реальному значению этого параметра, тем самым выбирают один из пяти комплектов значений величин α _i и λ ^эфф, соответствующий текущей композиции делящихся изотопов топлива в активной зоне реактора.

Таблица 3
Наборы значений параметра α _i и λ _i^эфф в предлагаемом способе настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топливаПоложение переключателя настройки реактиметра на текущее состояние реактораα _iλ _i^эфф“0”
(Р=0 МВтс/кг)0.033
0.219
0.196
0.395
0.115
0.0124
0.0305
0.111
0.301
1.14
3.01“1”
(Р=5 МВтс/кг)0.0309
0.2139
0.1934
0.3894
0.1272
0.0125
0.0307
0,1149
0.3086
1.1959
3.1749“2”
(Р=10 МВтс/кг)0.0304
0.2155
0.1933
0.3860
0.1299
0.0125
0.0307
0.1165
0.3116
1.2169
3.2125“3”
(Р=15 МВтс/кг)0.0294
0.2164
0.1926
0.3832
0.1338
0.0126
0.0307
0.1183
0.3153
1.2435
3.2565“4”
(Р=20 МВтс/кг)0.0281
0.2168
0.1915
0.3805
0.1389
0.0126
0.0308
0.1202
0.3196
1.2752
3.3114При Р=0 МВт-сут/кг (положение переключателя “0”) принято q⁽⁸⁾=0, а не q⁽⁸⁾=4.08% (см. табл.1). Причина заключается в том, что при этом положении переключателя стандартно производится поверка реактиметра с помощью имитатора кинетики реактора, в модели которого реализован 6-ти групповой набор констант з.н., соответствующий учету только U²³⁵.

В настоящее время предлагаемый способ готовится к внедрению в промышленную эксплуатацию на Смоленской АЭС.

Изобретение относится к контролю характеристик и параметров ядерной безопасности реакторных установок (РУ) атомных электростанций (АЭС) и, в частности, может быть использовано для настройки реактиметров, применяемых на АЭС с реакторами РБМК, на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива. Технический результат изобретения - повышение точности контроля параметров ядерной безопасности РУ с реакторами РБМК-1000 за счет снижения (на два порядка по сравнению с прототипом) величины систематической погрешности измерений реактивности и упрощения процедуры настройки реактиметра на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива. В способе настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива в модуль ПЗУ реактиметра вводят наборы значений параметров, характеризующих соотношение делящихся элементов в топливе с заданным шагом по выгоранию; определяют текущую величину среднего выгорания топлива из данных системы централизованного контроля РУ и выбирают соответствующие наборы значений указанных параметров изменением положения переключателя на задней панели реактиметра. Используют наборы значений параметра α_i - доли запаздывающих нейтронов (з.н.) i-й группы в генерации з.н., отвечающие полной композиции делящихся изотопов топлива заданного выгорания, и наборы значений параметра λэффi

- эффективных постоянных генерации з.н. i-й группы. Шкала настройки реактиметра прокалибрована в единицах среднего выгорания топлива в активной зоне реактора. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива, включающий ввод в модуль постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) реактиметра дискретных наборов значений параметров, характеризующих генерацию нейтронов в топливной загрузке реактора с известным средним выгоранием топлива, определение текущей величины среднего выгорания топлива из данных системы централизованного контроля (СЦК) реакторной установки (РУ) и выбор соответствующих наборов значений указанных параметров изменением положения переключателя на задней панели реактиметра, отличающийся тем, что используют наборы значений параметра α_i - доли запаздывающих нейтронов (з.н.) i-ой группы в генерации з.н., отвечающие полной композиции делящихся изотопов топлива заданного выгорания, и соответствующие наборы значений параметра λэффi

- эффективных постоянных генерации з.н. i-ой группы.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шкалу настройки реактиметра калибруют в единицах среднего выгорания топлива в реакторе.