СПОСОБ ИМИТАЦИИ РЕАКТИВНОСТИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2009 года по МПК G06G7/54 

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

Известен способ имитации сигнала реактивности, реализованный в [патент РФ №2211485, бюл. №24, 2003 г.], при котором формируют аналоговый сигнал, соответствующий изменению во времени мощностного параметра реактора для заданной реактивности, и по нему формируют выходные сигналы имитатора.

Недостатком такого способа является то, что при его реализации, во-первых, имеет место весьма значительное время готовности имитатора к работе (до десяти минут) при переходе от одного режима к другому. Во-вторых, в процессе формирования выходного сигнала, соответствующего отрицательной реактивности, резко нарастает погрешность задания реактивности после третьей-четвертой декады изменения выходного сигнала («погрешность в дальнем поле»).

Известен способ имитации сигнала реактивности, реализованный в [патент РФ №2287853, бюл. №32, 2006 г.], включающий формирование первого массива данных, соответствующих изменению во времени мощностного параметра ядерного реактора для заданной реактивности, нормировку первого массива на заданное число, сохранение второго массива, полученного в результате нормировки, в устройстве памяти и формирование по значениям второго массива управляющего воздействия. В этом способе устранены недостатки, присущие аналогу, но его недостатком является то, что при его реализации требуется большой объем устройства памяти в блоке программного управления имитатора и большое время подготовки данных при программировании блока управления имитатора.

Задачей изобретения является создание способа имитации реактивности, позволяющего при его реализации в устройстве многократно сократить объем устройства памяти в блоке программного управления имитатора, что в свою очередь дает возможность упростить конструкцию имитатора, улучшить его массогабаритные характеристики, сократить время подготовки данных при программировании блока управления имитатора и снизить затраты на комплектующие при его изготовлении.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе имитации реактивности ядерного реактора, включающем формирование первого массива данных, соответствующих изменению во времени мощностного параметра реактора для заданной реактивности, нормировку первого массива на заданное число, сохранение второго массива, полученного в результате нормировки, в основном устройстве памяти и формирование управляющего воздействия с учетом пошаговой выборки значений второго массива из основного устройства памяти, в процессе пошаговой выборки значений второго массива из основного устройства памяти на первом шаге сохраняют первый элемент второго массива на время ∆t, равное периоду выборки, в дополнительном устройстве памяти, на каждом шаге, начиная со второго, заменяют сохраненный элемент в дополнительном устройстве памяти на предыдущий элемент второго массива и сохраняют его на время ∆t, на каждом шаге формируют первый аналоговый сигнал, величина которого задается текущим элементом массива основного устройства памяти, формируют второй аналоговый сигнал, величина которого задается сохраненным элементом массива дополнительного устройства памяти, интегрируют разность второго и первого аналоговых сигналов на интервале ∆t при условии равенства постоянной времени интегрирования периоду выборки и формируют выходной сигнал по полученному интегральному сигналу.

При создании изобретения авторами было доказано, что для сокращения объема устройства памяти в блоке программного управления имитатора при имитации реактивности достаточно скомпенсировать погрешность, возникающую при уменьшении количества данных и связанному с этим снижению частоты их выборки, за счет линеаризации выходного дискретно изменяющегося аналогового сигнала имитатора.

На Фиг.1 приведены графики, иллюстрирующие ступенчатую аппроксимацию мощностного сигнала ядерного реактора при различных частотах дискретизации, отличающихся в 5 раз. График на Фиг.1а соответствует пониженной частоте дискретизации, график на Фиг.1б соответствует повышенной частоте дискретизации. По осям абсцисс отложено время t в относительных единицах, по осям ординат отложены напряжения U_д, моделирующие мощностной сигнал в относительных единицах. Горизонтальными стрелками на графиках отмечен период обработки мощностного сигнала реактиметром. Вертикальными стрелками на графиках помечены интервалы δ₁, δ₂, δ₃ измерения реактиметром мощностного сигнала, соответствующие периоду Т_р для различных моментов времени. Буквами а и b, с и d, е и f, g и h обозначены точки на графиках с одинаковым временным интервалом Т_р между ними.

На Фиг.2 приведены графики изменения во времени относительной погрешности моделированиия реактивности заданной величины, равной - 0,1β, где β - эффективная доля запаздывающих нейтронов для шестигрупповой модели ядерного реактора. Графики Фиг.2а и 2б соответствуют моделированию реактивности по способу-прототипу при частотах дискретизации 10 Гц и 1 Гц соответственно. График Фиг.2в соответствует моделированию реактивности по предлагаемому способу при частоте дискретизации 1 Гц.

На Фиг.3 приведены графики, иллюстрирующие работу предлагаемого способа. На Фиг.3а приведен график изменения во времени мощностного сигнала ядерного реактора, соответствующего отрицательной реактивности, нормированного на число А. На Фиг.3б приведен график изменения во времени первого аналогового сигнала, сформированного при пошаговой выборке элементов из основного устройства памяти. На Фиг.3в приведены: обозначенный Uд график дискретного изменения во времени второго аналогового сигнала, сформированного по элементам дополнительного устройства памяти; обозначенный Uл линеаризованный график изменения мощностного сигнала, соответствующий предлагаемому способу. На Фиг.3г приведен график изменения во времени разности второго и первого аналоговых сигналов. Линеаризованный график Uл представляет собой результат интегрирования во времени разности второго и первого аналоговых сигналов. Горизонтальными стрелками на графике Фиг.3г помечены интервалы ∆t выборки из запоминающих устройств, которым соответствуют интервалы интегрирования разности второго и первого аналоговых сигналов. U₁, U₂, …, U_i, U_i+1 - дискретные уровни аналоговых сигналов. U_осн, U_доп - аналоговые сигналы, сформированные по основному и дополнительному устройствам памяти соответственно. ∆U - разность второго и первого аналоговых сигналов.

При работе предлагаемого способа имитации реактивности используется линеаризация ступенчатого изменения мощностного сигнала, определяемого пошаговой выборкой значений второго массива из основного устройства памяти при формировании управляющего воздействия, позволяющая минимизировать скачки реактивности, вызванные сокращением объема массива данных. Поясним это с помощью графиков фиг.1 и 2.

На графиках а) и б) Фиг.1 сопоставлены два дискретно изменяющихся сигнала, моделирующих непрерывный мощностной сигнал. Для наглядности частота дискретизации этих сигналов различается в 5 раз, соответственно впятеро отличается и объем устройства памяти для хранения информации об этом мощностном сигнале. Обработка мощностного сигнала реактиметром производится с неким периодом Т_р и не синхронизирована с мощностным сигналом. В связи с этим для случая, представленного на Фиг.1а, вычисление реактивности будет производиться либо по точкам а и b, различающимся на величину δ₁, либо по точкам с и d, различающимся на величину δ₂, в зависимости от интервала захвата реактиметром мощностных сигналов. В случае, представленном на Фиг.1б, характеризующемся впятеро большей частотой, аналогичные пары точек е, f и g, h дают значения δ₁ и δ₃. Отсюда видно, что

δ₂/δ₁>>δ₃/δ₁ и, следовательно, можно ожидать увеличения погрешности вычисления реактивности при снижении частоты выборки, эквивалентной сокращению объема устройства памяти. Это подтверждается вычислениями реактивности, проведенными нами с помощью виртуального реактиметра, выполненного в соответствии с [Р.Ш.Вахитов, Новый численный метод расчета реактивности по измерению плотности нейтронов, Атомная энергия, том 70, выпуск 2, 1991 год, стр.78-81].

Результаты этих вычислений представлены на Фиг.2. На вход реактиметра подавался ступенчатый мощностной сигнал, соответствующий реактивности -0,1β. В первом случае (Фиг.2а) частота дискретизации составляла 10 Гц, а во втором случае (Фиг.2б) - 1 Гц. Соответственно, отклонения вычисленных значений реактивности от заданной величины (определяемые погрешностями моделирования мощностного сигнала за счет его дискретизации) существенно возрастают при снижении частоты выборки, что не позволяет уменьшать объем устройства памяти в способе-прототипе.

Авторами было доказано, что такое уменьшение объема устройства памяти может быть произведено при выполнении ряда условий, обеспечивающих линеаризацию дискретно меняющегося мощностного сигнала. На Фиг.3 представлены графики дискретного и соответствующего ему линеаризованного сигнала. Из этих графиков видно, что с интервалом выборки ∆t на вход интегратора поступает разность напряжений U_i-U_i+1. Проведем анализ изменения выходного напряжения интегратора на интервале ∆t. Текущее значение этого напряжения составляет величину

где а - множитель, определяющий постоянную времени интегрирования τ.

Условием линеаризации на интервале, соответствующем периоду выборки, является такое требование, чтобы к концу интервала интегрирования текущее значение выходного напряжения разностного интегратора в точности достигло величины, соответствующей очередному дискретному значению второго массива:

U_i+1=a(U_i-U_i+1)∆t+U_i,

откуда легко найти множитель а, определяющий постоянную времени интегрирования τ:

.

Отсюда следует, что для линеаризации дискретно меняющегося процесса с неизменной частотой выборки необходимо подобрать в разностном интеграторе мощностного параметра постоянную времени интегрирования, равную периоду выборки: τ=∆t. В этом случае вместо ступенчатой аппроксимации мощностного сигнала, соответствующей способу-прототипу, будет иметь место линеаризованный сигнал, представляющий собой кусочно-линейную аппроксимацию реального мощностного сигнала.

С учетом сказанного, работа предложенного способа осуществляется следующим образом. Формируют первый массив данных, соответствующих изменению во времени мощностного параметра реактора для заданной реактивности. Нормируют первый массив на заданное число А путем умножения текущих значений на величину А/х₀, где х₀ - начальное значение мощностного параметра при моделировании отрицательной реактивности или конечное значение мощностного параметра при моделировании положительной реактивности и сохраняют полученный в результате такой нормировки второй массив в основном устройстве памяти. На практике в качестве нормирующего числа А может быть выбрано число, соответствующее максимальной разрядности используемого при реализации способа цифроаналогового имитатора. Производят пошаговую выборку значений второго массива из основного устройства памяти. При этом на первом шаге сохраняют первый элемент второго массива на время ∆t, равное периоду выборки, в дополнительном устройстве памяти. На практике дополнительное устройство памяти может представлять из себя буферный регистр с объемом, равным объему одного элемента массива. Далее, на каждом шаге, начиная со второго, заменяют сохраненный элемент в дополнительном устройстве памяти на предыдущий элемент второго массива и сохраняют его на время ∆t. На каждом шаге формируют первый аналоговый сигнал, величина которого задается текущим элементом второго массива, и второй аналоговый сигнал, величина которого задается сохраненным элементом массива дополнительного устройства памяти. Интегрируют разность второго и первого аналоговых сигналов на интервале ∆t, обеспечивая равенство постоянной времени интегрирования периоду выборки τ, и формируют выходной сигнал по полученному интегральному сигналу.

Для иллюстрации преимуществ предложенного способа по сравнению с прототипом, сопоставим их с помощью графиков на Фиг.2а и 2в, где представлены погрешности моделирования реактивности -0,1β ступенчатым мощностным сигналом с частотой дискретизации 10 Гц и моделирования этой же реактивности линеаризованным мощностным сигналом с исходной частотой ступенчатой дискретизации 1 Гц соответственно. Видно, что в случае линеаризованного сигнала, начиная с 10-ой секунды от начала моделирования, погрешность моделирования реактивности не превышает 1%, что практически соответствует аналогичной погрешности при моделировании ступенчатым мощностным сигналом с частотой 10 Гц. Это позволяет при использовании линеаризации ступенчатого мощностного сигнала на порядок снизить частоту выборки его дискретных значений (с 10 Гц до 1 Гц) и, соответственно, на порядок уменьшить объем устройства памяти в блоке программного управления имитатора.

Предложенный способ может быть реализован на той же аппаратной основе, что и способ-прототип.

Таким образом, авторами доказано, что имитация реактивности может быть осуществлена предложенным новым способом и при этом обеспечивается существенное сокращение объема устройства памяти имитатора со всеми вытекающими из этого преимуществами.

Изобретение относится к аналого-цифровой вычислительной технике и может использоваться для поверки приборов измерения реактивности ядерных реакторов. Техническим результатом является сокращение объема памяти, упрощение конструкции имитатора, улучшение его массогабаритных характеристик, сокращение времени подготовки данных при программировании блока управления имитатора и снижение затрат на комплектующие при его изготовлении. В процессе пошаговой выборки памяти на первом шаге сохраняют первый элемент второго массива на время Δt, равное периоду выборки, в дополнительном устройстве памяти. На каждом шаге, начиная со второго, заменяют сохраненный элемент в дополнительном устройстве памяти на предыдущий элемент второго массива и сохраняют его на время Δt. На каждом шаге формируют первый аналоговый сигнал, величина которого задается текущим элементом второго массива, и второй аналоговый сигнал, величина которого задается сохраненным элементом массива дополнительного устройства памяти. Интегрируют разность второго и первого аналоговых сигналов на интервале Δt при условии равенства постоянной времени интегрирования периоду выборки и формируют выходной сигнал по полученному интегральному сигналу. 3 ил.

Способ имитации реактивности ядерного реактора, включающий формирование первого массива данных, соответствующих изменению во времени мощностного параметра реактора для заданной реактивности, нормировку первого массива на заданное число, сохранение второго массива, полученного в результате нормировки, в основном устройстве памяти и формирование управляющего воздействия с учетом пошаговой выборки значений второго массива из основного устройства памяти, отличающийся тем, что в процессе пошаговой выборки значений второго массива из основного устройства памяти на первом шаге сохраняют первый элемент второго массива на время Δt, равное периоду выборки, в дополнительном устройстве памяти; на каждом шаге, начиная со второго, заменяют сохраненный элемент в дополнительном устройстве памяти на предыдущий элемент второго массива и сохраняют его на время Δt; на каждом шаге формируют первый аналоговый сигнал, величина которого задается текущим элементом массива основного устройства памяти; формируют второй аналоговый сигнал, величина которого задается сохраненным элементом массива дополнительного устройства памяти; интегрируют разность второго и первого аналоговых сигналов на интервале Δt при условии равенства постоянной времени интегрирования периоду выборки и формируют выходной сигнал по полученному интегральному сигналу.