ИМПУЛЬСНО-ТОКОВЫЙ ИМИТАТОР КИНЕТИКИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2006 года по МПК G06G7/48 

Изобретение относится к области аналоговой вычислительной техники и может быть использовано для поверки приборов измерения реактивности ядерных реакторов (реактиметров).

Известно устройство моделирования реактора [1], содержащее три последовательно соединенных интегратора, дополнительный интегратор, суммирующий усилитель, перемножитель и инвертирующий усилитель.

Недостатками устройства являются единственное значение задаваемой реактивности и воспроизведение реактивности в упрощенном виде: по одно-групповой модели учета запаздывающих нейтронов.

Известен имитатор кинетики ядерного реактора [2], содержащий измерительный усилитель, охваченный обратной связью, состоящей из шести RC-цепочек, инвертирующий усилитель, группу входных резисторов с ключами задания величины реактивности, резисторы формирования выходного тока с ключами выбора величины тока, коммутатор знака реактивности, преобразователь напряжение - частота, формирователь выходных импульсов и высоковольтный усилитель. В этом имитаторе устранены недостатки, связанные с одно-групповым упрощением модели учета запаздывающих нейтронов, и расширен диапазон значений задаваемых реактивностей.

Недостатком этого имитатора является высокая скорость введения моделируемой реактивности, что может приводить к срывам вычисления реактивности реактиметром при задании ее высоких абсолютных значений - (10-20)β и в ряде случаев делает полноценную поверку реактиметров невозможной.

Предлагаемым изобретением решается задача создания импульсно-токового имитатора кинетики ядерного реактора, позволяющего повысить достоверность поверки реактиметров в области высоких абсолютных значений моделируемой реактивности.

Технический результат, за счет которого достигается решение поставленной задачи, заключается в обеспечении поэтапного введения заданной реактивности, что облегчает условия работы поверяемого реактиметра, приближая временные характеристики моделируемой реактивности к соответствующим характеристикам в реальном ядерном реакторе, где скорость введения реактивности ограничивается скоростью перемещения управляющих решеток.

Технический результат достигается за счет того, что в известный импульсно-токовый имитатор кинетики ядерного реактора, содержащий последовательно включенные измерительный усилитель, охваченный обратной связью, состоящей из группы RC-цепочек, и инвертирующий усилитель, группу из N параллельно соединенных последовательных цепочек из входных резисторов и коммутирующих ключей, в которой объединенные концы входных резисторов соединены с входом измерительного усилителя, высоковольтный усилитель с входом, подключенным к выходу инвертирующего усилителя, группу параллельно соединенных последовательных цепочек из резисторов формирования выходного тока и ключей выбора величины тока, в каждой из которых начала объединены с выходом высоковольтного усилителя, а концы - с токовым выходом имитатора, коммутатор выбора знака реактивности, первый вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, а второй вход - с выходом инвертирующего усилителя, причем выход коммутатора подключен к объединенным выводам коммутирующих ключей, преобразователь напряжение - частота с входом, соединенным с выходом инвертирующего усилителя, и формирователь выходных импульсов, вход которого подключен к выходу преобразователя напряжение - частота, а выход является частотным выходом имитатора, дополнительно введены блок управления и N управляемых коммутаторов, каждый из которых подключен параллельно своему коммутирующему ключу, а управляющий вход каждого из управляемых коммутаторов подключен к своему управляющему выходу блока управления, выполненного с возможностью формирования N последовательных во времени сигналов, управляющих включением соответствующих N управляемых коммутаторов.

Признаки, отличающие предлагаемый имитатор кинетики от прототипа, - наличие N управляемых коммутаторов и блока управления. Каждый из управляемых коммутаторов подключен параллельно своему коммутирующему ключу, а управляющий вход каждого из управляемых коммутаторов подключен к своему управляющему выходу блока управления. Блок управления выполнен с возможностью формирования N последовательных во времени сигналов, управляющих включением соответствующих N управляемых коммутаторов.

Совокупность вышеперечисленных признаков позволяет обеспечить поэтапное введение заданной реактивности, приближая временные характеристики моделируемой реактивности к соответствующим характеристикам в реальном ядерном реакторе, где скорость введения реактивности ограничивается скоростью перемещения управляющих решеток.

На Фиг.1 приведена электрическая схема импульсно-токового имитатора кинетики ядерного реактора.

На Фиг.2 приведена диаграмма переключения управляемых коммутаторов при работе имитатора в соответствии с предложенным изобретением при количестве коммутирующих ключей в группе 1, равном N=6.

На Фиг.3 приведены графики изменения во времени мощностного сигнала и реактивности при имитации реактивности с помощью предложенного импульсно-токового имитатора.

Имитатор содержит группу 1 из N параллельно соединенных последовательных цепочек из входных резисторов и коммутирующих ключей, измерительный усилитель 2, охваченный обратной связью, состоящей из группы RC-цепочек, коммутатор 3 выбора знака реактивности, инвертирующий усилитель 4, высоковольтный усилитель 5, группу 6 параллельно соединенных последовательных цепочек из резисторов формирования выходного тока и ключей выбора величины тока, группу 7 из N управляемых коммутаторов, блок управления 8, преобразователь 9 напряжение - частота и формирователь 10 выходных импульсов.

Объединенные концы входных резисторов группы 1 соединены с входом измерительного усилителя 2. Вход высоковольтного усилителя 5 подключен к выходу инвертирующего усилителя 4, вход которого, в свою очередь, соединен с выходом измерительного усилителя 2. Выход высоковольтного усилителя 5 подключен к объединенным началам последовательных цепочек из резисторов формирования выходного тока и ключей выбора величины тока группы 6. Объединенные концы последовательных цепочек группы 6 подключены к токовому выходу имитатора. Первый вход коммутатора 3 соединен с выходом измерительного усилителя 2, а второй его вход - с выходом инвертирующего усилителя 4 и входом преобразователя 9. Выход коммутатора 3 подключен к объединенным выводам коммутирующих ключей группы 1. Выход преобразователя 9 соединен с входом формирователя 10, выход которого является частотным выходом имитатора. Каждый из N управляемых коммутаторов группы 7 подключен параллельно своему коммутирующему ключу группы 1, а управляющие входы управляемых коммутаторов группы 7 подключены к управляющим выходам блока управления 8.

На диаграмме Фиг.2 по осям абсцисс отложено время, а по осям ординат - управляющие сигналы на выходах П₁-П_N блока управления 8 на примере его шестиканального исполнения. Моменты времени t₁-t₆ соответствуют началу формирования управляющего сигнала на соответствующем управляемом коммутаторе. Вертикальными выносными пунктирными линиями ограничены интервалы времени τ, определяющие длительность включения управляемых коммутаторов. ΔТ - время, за которое вводится отрицательная реактивность.

На графике Фиг.3 по оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат - реактивность ρ в долях запаздывающих нейтронов β. Кривая 1 представляет изменение во времени мощностного сигнала при моделировании реактивности с помощью предложенного имитатора. Кривая 2 представляет соответствующее изменение во времени реактивности, вычисляемой реактиметром. Стрелками указано к каким осям относятся соответствующие кривые. Надпись ρ_уст=-20,17β определяет уровень установившегося значения реактивности.

Импульсно-токовый имитатор работает следующим образом. Возможны два режима работы предлагаемого имитатора. Первый режим реализуется при отключенном блоке управления 8 и полностью идентичен работе прототипа. А именно, при необходимости сформировать сигнал с положительной реактивностью коммутатор 3 устанавливается в положение "+" и при замыкании одного из ключей группы 1 входных резисторов начинается процесс увеличения выходного сигнала на усилителе 2 и инверторе 4. Скорость изменения выходного сигнала, величина которой определяется выбранным входным резистором, соответствует скорости изменения тока с детектора, установленного в ядерном реакторе. Сигнал с выхода инвертора 4 поступает на вход высоковольтного усилителя 5. На выходе высоковольтного усилителя 5 формируется сигнал с номинальным уровнем 100 В, который через один из выбранных ключей группы 6 резисторов формирования выходного тока поступает на токовый выход имитатора. При этом уровне выходного напряжения усилителя 5 выходное сопротивление имитатора в диапазоне рабочих значений токов имитатора 10^-9-10^-3 А составляет, соответственно, 100 ГОм-100 кОм, что близко к значениям выходного сопротивления реального детектора нейтронов. Отрицательное значение реактивности устанавливается путем переключения коммутатора 3 в положение "-". Начинается разряд конденсаторов в цепи обратной связи усилителя 2. Ток на токовом выходе имитатора уменьшается от номинального до минимального значения. Пропорционально изменению токового сигнала и одновременно с ним изменяется и сигнал на частотном выходе имитатора, реализуя тем самым импульсный канал поверки реактиметра. Первый режим работы имитатора используется, в основном, при малых абсолютных значениях величины моделируемой реактивности (0,1-5)β.

Второй режим работы имитатора реализуется при включенном блоке управления 8. В этом случае все коммутирующие ключи группы 1 разомкнуты, а блок управления 8, формируя управляющие сигналы на своих выходах П₁...П_i...П_N, обеспечивает последовательное во времени, поочередное подключение коммутаторов группы 7 к соответствующим коммутирующим ключам группы 1, причем моменты времени, в которые производится такое подключение, соответствуют выражению t_i=(i-1)τ, где i - номер управляемого коммутатора, t_i - момент времени, соответствующий началу формирования управляющего сигнала на i-ом управляемом коммутаторе, τ - длительность управляющих сигналов на i-ом управляемом коммутаторе (за исключением последнего коммутатора с номером N), определяющая продолжительность его включенного состояния, a i изменяется от 1 до N. Длительность управляющего сигнала на последнем коммутаторе с номером N определяется необходимой продолжительностью имитации заданного установившегося значения реактивности.

Длительность управляющих сигналов τ выбирается из условия τ≥ΔT/N, где ΔТ - минимальное время, за которое вводится отрицательная реактивность на ядерном реакторе при экстренном вводе в активную зону реактора управляющих решеток. В этом случае при подключении каждого из управляемых ключей группы 7 к соответствующему коммутирующему ключу группы 1 на выходах имитатора реализуется изменение мощностных сигналов (токового - на токовом выходе и импульсного - на частотном выходе), соответствующее величине реактивности, определяемой значением резистора из группы 1, подключенного в данный момент в цепь обратной связи измерительного усилителя 2 управляющим ключом из группы 7. Максимальная по абсолютной величине отрицательная реактивность вводится поэтапно, за время ΔT, что обеспечивает уверенное вычисление реактиметром величины вводимой реактивности. Диаграмма переключений управляемых коммутаторов для случая N=6 приведена на Фиг.2.

Рассмотрим приведенный на Фиг.3 график изменения реактивности, вычисляемой реактиметром, при поэтапном введении этой реактивности ступенями -0,5β; -1β; -2β; -9β; -20β с помощью предложенного импульсно-токового имитатора. Длительность управляющих сигналов на i-ом управляемом коммутаторе составляла для этого случая τ≥ΔT/N=3/6=0,5 сек. Из графика видно, что при введении отрицательной реактивности со значением -20β за время порядка 3 секунд обеспечивается достоверная поверка реактиметра, поскольку установившееся значение вычисляемой им реактивности составляет ρ_уст=-20,17β, что с точностью до 0,9% соответствует заданному имитатором максимальному (по абсолютной величине) значению реактивности -20β, определяемому величиной последнего по счету резистора группы 1, подключаемого управляемым коммутатором группы 7 в цепь обратной связи усилителя 2 под управлением блока управления 8. В то же время при поверке реактиметра с помощью имитатора-прототипа (соответствует первому режиму работы предложенного имитатора) ручное включение коммутирующего ключа из группы 1, определяющего задание реактивности -20β, может приводить к срыву вычисления этой реактивности из-за высокой скорости изменения мощностного сигнала на входе реактиметра.

Схемотехника блока управления 8 может быть представлена известными устройствами, например устройством, выполненным на базе распределителя импульсов (см. А.Л.Ланцов, Л.Н.Зворыкин, И.Ф.Осипов Цифровые устройства на комплементарных МДП интегральных микросхемах, стр.214, Москва, Радио и связь, 1983 г.).

В качестве преобразователя напряжение - частота может быть использована микросхема 1108 ПП1; измерительный усилитель, инвертор и высоковольтный усилитель могут быть выполнены на микросхемах 140УД17, 140УД24, в качестве резисторов формирования выходного тока могут быть использованы резисторы МРХ, МВСГ, а в качестве управляемого коммутатора - реле РЭС79.

Таким образом, предлагаемый имитатор может быть использован для поверки реактиметров, предназначенных для вычисления реактивности ядерных реакторов, обеспечивая при этом высокую степень достоверности такой поверки в области больших абсолютных значений отрицательной реактивности, соответствующих экстренному вводу в активную зону реактора управляющих решеток.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Б.Я.Коган. Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования. Москва. 1963 г., стр.426, рис.251.

2. Патент РФ №2211485, G 06 G 7/48, Бюл. №24, 2003 г.

Изобретение относится к области аналоговой вычислительной техники и может быть использовано для поверки приборов измерения реактивности ядерных реакторов. Техническим результатом является повышение достоверности имитации моделируемой среды ядерного реактора в области высоких абсолютных значений реактивности. Импульсно-токовый имитатор кинетики ядерного реактора содержит измерительный усилитель, охваченный обратной связью, и инвертирующий усилитель, группу из N цепочек из входных резисторов и коммутирующих ключей, высоковольтный усилитель, группу цепочек из резисторов формирования выходного тока и ключей выбора величины тока, коммутатор выбора знака реактивности, преобразователь напряжение - частота и формирователь выходных импульсов. Кроме того, имитатор содержит блок управления и N управляемых коммутаторов. 3 ил.

Импульсно-токовый имитатор кинетики ядерного реактора, содержащий последовательно включенные измерительный усилитель, охваченный обратной связью, состоящей из группы RC-цепочек, и инвертирующий усилитель, группу из N параллельно соединенных последовательных цепочек из входных резисторов и коммутирующих ключей, в которой объединенные концы входных резисторов соединены с входом измерительного усилителя, высоковольтный усилитель с входом, подключенным к выходу инвертирующего усилителя, группу параллельно соединенных последовательных цепочек из резисторов формирования выходного тока и ключей выбора величины тока, в каждой из которых начала объединены с выходом высоковольтного усилителя, а концы - с токовым выходом имитатора, коммутатор выбора знака реактивности, первый вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, а второй вход - с выходом инвертирующего усилителя, причем выход коммутатора подключен к объединенным выводам коммутирующих ключей, преобразователь напряжение-частота с входом, соединенным с выходом инвертирующего усилителя, и формирователь выходных импульсов, вход которого подключен к выходу преобразователя напряжение-частота, а выход является частотным выходом имитатора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены блок управления и N управляемых коммутаторов, каждый из которых подключен параллельно своему коммутирующему ключу, а управляющий вход каждого из управляемых коммутаторов подключен к своему управляющему выходу блока управления, выполненного с возможностью формирования N последовательных во времени сигналов, управляющих включением соответствующих N управляемых коммутаторов.