СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОДКРИТИЧНОСТИ ОСТАНОВЛЕННОЙ ЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ БЕЗ ВЫХОДА В КРИТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ Российский патент 2009 года по МПК G21C17/104 

Изобретение относится к физике ядерных реакторов, а именно к обеспечению ядерной безопасности при эксплуатации ядерных реакторов и критических сборок, именуемых далее ядерные установки ЯУ. Эксплуатация ЯУ регламентируется рядом нормативных и руководящих документов, основой которых являются «Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных станций» ПБЯ РУ АС-89. Эти правила предписывают, в частности, оценку и контроль подкритичности остановленных реакторов атомных станций при проведении на них ядерно-опасных работ. Нормы и правила эксплуатации критических сборок изложены в документе НП-008-04 «Правила ядерной безопасности критических стендов». В нормативных документах указываются две контрольные величины эффективного коэффициента размножения k_эфф=0.98 и k_эфф=0.95, оценка которых должна быть обеспечена при эксплуатации остановленной ЯУ. Это означает, что необходим непрерывный мониторинг значений эффективного коэффициента размножения ЯУ: k_эфф≥0.98 или

k_эфф≥0.95, в зависимости от режима ее работы.

Известен способ оценки подкритичности (1-k_эфф) без выхода в критическое состояние, применяемый при физическом пуске ЯУ (Дж.Р.Кипин. Физические основы кинетики ядерных реакторов, стр.238, перевод с английского, Атомиздат, 1967 г.), заключающийся в измерениях скоростей счета детекторов, регистрирующих число нейтронов в стационарных состояниях ЯУ. Эти измерения проводят при отсутствии делящегося вещества в ЯУ, когда k_эфф=0, и при его загрузке вплоть до достижения величины k_эфф≈0.98. Подкритичность ЯУ после загрузки в нее очередного количества делящегося вещества оценивается по формуле

где v(m), v(0) - скорости счета детекторов, регистрирующих число нейтронов, излучаемых ЯУ, при наличии в ней делящегося вещества и в его отсутствии соответственно.

Параметр v(0) по своей физической сущности является результатом измерений Q_эфф - эффективной интенсивности внутреннего источника нейтронов ЯУ.

Следствием формулы (1) является более общее соотношение

Соотношение (2) позволяет вычислить подкритичность в любом j-м состоянии ЯУ по результатам измерений скорости счета детекторов v(j), если измерены (1-k_эфф)ⁱ и v(i) в каком-то i-м состоянии ЯУ при неизменном значении Q_эфф. За время эксплуатации значение Q_эфф может измениться на несколько порядков, и это уменьшает достоверность оценки подкритичности до такой степени, что указанный способ измерений подкритичности на практике используется только в режимах физического пуска.

Известен способ определения интенсивности источника нейтронов Q_эфф, принятый в качестве прототипа (патент РФ №2231145). Этим способом вычисляют Q_эфф по результатам измерений скоростей счета детекторов нейтронов до, во время и после сброса стержней регулирования в ЯУ. Полученное значение Q_эфф в дальнейшем используют для вычисления подкритичности. При этом время ввода отрицательной реактивности не должно превышать 5 секунд, суммарная эффективность вводимых стержней должна быть больше 1%, и самое основное в исходном стационарном состоянии до сброса стержней должно выполняться условие 1>k_эфф>0.95. Эти практические рекомендации связаны с требованиями измерений разности [v(t₁)-v(t₂)] в формуле расчета Q_эфф с приемлемой погрешностью. Если эти рекомендации не выполняются, результат эксперимента может быть абсурден, в частности может оказаться, что измеренное значение k_эфф>1 по результатам измерений скоростей счета одного или нескольких детекторов. Общепринята практика, подтвержденная действующими правилами ядерной безопасности, принимать за истинное максимальное значение k_эфф из ряда измеренных с помощью нескольких детекторов.

До начала эксперимента неизвестно, выполняется ли основное условие измерений

Q_эфф способом-прототипом, и если оно не выполняется, то необходимо уменьшить степень подкритичности, например, перемещением стержней регулирования на их вывод. В любом случае это будет ядерно-опасная операция увеличения величины k_эфф, выполняемая в нарушении действующих правил ядерной безопасности, поскольку не обеспечен мониторинг подкритичности.

Технический результат, на которое направлено изобретение, - обеспечить оценку подкритичности во всех режимах остановленных ЯУ в соответствии с требованиями действующих в настоящее время российских нормативных и руководящих документов по ядерной безопасности в диапазоне k_эфф=(0,95÷0,99) без предварительного измерения Q_эфф, что повысит достоверность оценки подкритичности и повысит ядерную безопасность ЯУ.

Для этого предложен способ определения подкритичности остановленной ядерной установки ЯУ без выхода в критическое состояние, заключающийся в том, что измеряют во времени скорости счета v(t) от ЯУ детекторами нейтронов до, во время и после внесения возмущения потока нейтронов, излучаемого ЯУ, и рассчитывают подкритичность ЯУ, отличающийся тем, что измеряют ^T1S_T2 - числа отсчетов каждого детектора нейтронов в диапазоне (Т1÷Т2), где Т1- время окончания внесения возмущения потока нейтронов и Т2 - время окончания измерений скорости счета, измеряют средние скорости счета каждого детектора нейтронов v(0) в стационарном исходном состоянии ЯУ и v(T2) в стационарном конечном состоянии ЯУ, по измеренным v(0) и v(T2) каждого детектора рассчитывают из уравнений точечной кинетики скорость счета v(t) и массивы чисел отсчетов (^T1C_T2)j в диапазоне (Т1÷Т2) при варьировании k0j - эффективного коэффициента размножения в исходном состоянии ЯУ в диапазоне 0.99≥k0j≥0.95 и определяют подкритичность через искомое

k_эфф=k0j, при котором (^T1C_T2)j имеет наименьшее отклонение от ^T1S_T2.

При этом количество детекторов нейтронов не менее двух.

За искомое k_эфф принимают максимальное значение k_эфф из ряда измеренных с помощью нескольких детекторов нейтронов.

Возмущение потока нейтронов, излучаемого ЯУ, осуществляют перемещением стержней регулирования ЯУ на ввод или вывод.

Скорости счета измеряют во времени с интервалом дискретности Δt не более 1 секунды до, во время и после введения возмущения потока нейтронов, излучаемого ЯУ.

Время перемещения стержней регулирования не более 10 секунд, а суммарная эффективность перемещенных стержней более 1%.

Скорости счета детекторов нейтронов в исходном состоянии ЯУ не менее 1000 отсчетов в секунду.

Суммарное время измерений скорости счета не менее 600 секунд.

При этом время перемещения стержней регулирования не более 10 секунд, суммарная эффективность перемещенных стержней более 1%.

Способ основан на том, что изменения во времени интенсивности излучения ЯУ в процессе перехода из одного фиксированного стационарного состояние в другое фиксированное стационарное зависят при прочих равных условиях только от одного параметра - исходной степени подкритичности. С учетом этого в процессе обработки экспериментальных данных варьируют значения эффективного коэффициента размножения в диапазоне от 0.95 до 0.99. Из точечных уравнений кинетики рассчитывают интенсивность излучения ЯУ в переходном процессе.

В расчетах используют результаты измерений интенсивности излучения ЯУ в стационарных состояниях. За искомое значение эффективного коэффициента размножения из ряда варьируемых выбирают то, при котором расчетные значения параметра (^T1C_T2) имеют наименьшее отклонение от измеренного значения ^T1S_T2.

Экспериментальные детекторы в количестве более 2-х должны регистрировать нейтроны, излучаемые ЯУ. Число детекторов диктуется требованиями ПБЯ РУ АС-89. Исходное и конечное состояния ЯУ стационарные. Рекомендуются следующие условия реализации способа, исходя из достижения приемлемой погрешности измерений и оптимизации времени проведения эксперимента. Суммарное время измерений скоростей счета детекторов нейтронов в эксперименте 600 секунд, дискретность этих измерений Δt=1 секунда. Перемещение стержней регулирования производится спустя 30 секунд после начала измерений. Время перемещения стержней не более 10 секунд, изменение значения k_эфф вследствие возмущения более 1%, скорость счета детекторов нейтронов в исходном состоянии ЯУ не менее 1000 отсчетов в секунду. Рекомендуется вычислять средние значения скоростей счета v(0) и v(T2) по результатам измерений чисел отсчетов детекторов нейтронов в диапазонах (0-30) секунд и (570-600) секунд соответственно, а также вычислять числа отсчетов ^T1S_T2 каждого экспериментального детектора нейтронов в диапазоне (Т1-600) секунд, где Т1- момент останова стержней регулирования. Результаты эксперимента v(0), v(T2) и ^T1S_T2 используются для последующей обработки данных. Если не варьируются (зафиксированы) значения интенсивности излучения нейтронов ЯУ в стационарных состояниях до и после возмущения, то переходной процесс изменения во времени этой интенсивности при прочих равных условиях зависит от исходной степени подкритичности ЯУ, характером изменения k_эфф в процессе перемещения стержней регулирования можно, как показывает практика, пренебречь. В связи с этим примем, что значение k_эфф изменяется во время перемещения стержней регулирования по линейному закону в интервале (30, Т1). Тогда k_эфф как функция времени представляется в следующем виде:

Поскольку значения v(0) и v(T2) измерены, то из формулы (2) следует

При известных значениях функции k_эфф(t) и известных начальных условиях в результате численного решения уравнений точечной кинетики вычисляем v(t) - интенсивность излучения нейтронов ЯУ как функцию, заданную в дискретном виде на отрезке [0-600]секунд. В соответствии с разработанным алгоритмом задается ряд значений k0 по формуле

Для каждого значения k0_j в результате численного решения уравнений точечной кинетики находится v(t) (Дж.Р.Кипин. Физические основы кинетики ядерных реакторов, стр.299-300, перевод с английского, Атомиздат, 1967 г.) и значения параметра (^T1C_T2)_j=(v_T+v_T+1+..v_i....v_T2)j, где слагаемое v_i равно значению функции v(t) при t=i секунд от начала измерений. Компьютерная программа из 101 расчетных значений параметра (^T1C_T2) выберет тот, который имеет наименьшее отличие по абсолютной величине от экспериментального значения параметра ^T1S_T2, определит значение индекса j и искомое значение k0, рассчитанное по формуле (5). Эти значения k0 определяют по результатам измерений скоростей счета каждого детектора нейтронов. В соответствии с существующей практикой за итоговое значение k_эфф принимают максимальное значение из ряда измеренных с помощью нескольких детекторов. Если компьютерная программа по результатам измерений ^T1S_T2 не найдет значения k0 в диапазоне (0.99-0.95), то будет выдано сообщение k_эфф>0.99 или k_эфф>0.95.

В подтверждение возможности проведения оценок подкритичности в заявленном диапазоне значений k_эфф предложенным способом проведено численное моделирование эксперимента для случаев ввода и вывода стержней регулирования. Значения функции k_эфф(t) задавались в виде соотношения (3) при k0=0.97. Задавались также начало перемещения стержней регулирования 30 секунд, останов при Т1=35 секунд, k1=0.95 для моделирования ввода стержней регулирования и k1=0.99 для моделирования вывода.

Моделирование заключалось, во-первых, в формировании 2-х исходных массивов чисел, являющихся решением уравнений точечной кинетики при заданных значениях функции k_эфф(1) и имитирующих массив экспериментальных данных. Один массив чисел являлся имитацией перемещения стержней регулирования на ввод, другой - на вывод. Для большей общности в эти исходные массивы чисел вносились некоторые возмущения.

На фиг.1 и 4 представлены результаты вычислений функции v(t) в интервале (0,100) секунд до начала перемещения стержней регулирования, во время перемещения и после останова.

На фиг.2 и 5 представлены результаты этих же вычислений функции v(t) в интервале (35, 135) секунд, т.е. после останова стержней регулирования.

На фиг.1, 2, 4, 5 в виде точек представлены исходные массивы чисел. При реализации алгоритма обработки данных образуются 202 массива чисел, являвшихся результатами решений уравнений точечной кинетики. Для наглядности показаны в виде линий результаты вычислений только при значениях k0_j, равных 0.95, 0.97, 0.99, на фиг.1, 4 и при значениях k0_j, равных 0.95, 0.96, 0.97, 0.98, 0.99, на фиг.2, 5. Исходные массивы чисел были использованы для вычислений 2-х параметров ^T1S_T2 (на ввод или вывод.) В соответствии с алгоритмом обработки данных рассчитаны соответствующие параметры (^T1С_T2)j на ввод или вывод. Компьютерная программа из расчетных значений параметра (^T1C_T2) выбрала тот, который имеет наименьшее отличие по абсолютной величине от значения параметра ^T1S_T2, определила значения индекса j=50 (в обоих вариантах моделирования, как на ввод, так и на вывод) и искомое значение k0=0.97, рассчитанное по формуле (5).

На фиг.3 и 6 представлены значения параметров (^T1C_T2) при вводе и выводе стержней регулирования соответственно как функции от k0.

Из представленного графического материала, в частности, следует, что по мере увеличения степени подкритичности ЯУ определение k_эфф способом-прототипом становится все более проблематичным. При этом определение k_эфф, соответствующего требованиям действующих нормативных и руководящих документов по ядерной безопасности, предложенным способом всегда возможно, поскольку всегда возможно в процессе обработки данных подобрать такое искомое значение k0_j, при котором экспериментальные данные наилучшим образом аппроксимируются расчетной функцией v(t)_j независимо от величины k_эфф в исходном состоянии ЯУ.

Изобретение относится к физике ядерных реакторов, а именно к обеспечению ядерной безопасности при эксплуатации ядерных установок (ЯУ) - ядерных реакторов и критических сборок ЯУ. Способ определения подкритичности остановленной ЯУ без выхода в критическое состояние заключается в том, что измеряют во времени скорости счета v(t) от ЯУ детекторами нейтронов до, во время и после внесения возмущения потока нейтронов, излучаемого ЯУ, и рассчитывают подкритичность ЯУ. Измеряют (^T1S_T2) - числа отсчетов каждого детектора нейтронов в диапазоне (Т1÷Т2), где Т1 - время окончания внесения возмущения потока нейтронов и Т2 - время окончания измерений скорости счета. Измеряют средние скорости счета каждого детектора нейтронов v(0) в стационарном исходном состоянии ЯУ и v(T2) в стационарном конечном состоянии ЯУ. По измеренным v(0) и v(T2) каждого детектора рассчитывают из уравнений точечной кинетики скорость счета v(t) и массивы чисел отсчетов (^T1C_T2)j в диапазоне (Т1÷Т2) при варьировании k0j - эффективного коэффициента размножения в исходном состоянии ЯУ в диапазоне от 0.99 до 0.95. Определяют подкритичность через искомое К_эфф=k0j, при котором (^T1C_T2)j имеет наименьшее отклонение от ^T1S_T2. Технический результат изобретения - обеспечить оценку подкритичности во всех режимах остановленных ЯУ, повысить достоверность оценки подкритичности и повысить ядерную безопасность ЯУ. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения подкритичности остановленной ядерной установки ЯУ без выхода в критическое состояние, заключающийся в том, что измеряют во времени скорости счета v(t) от ЯУ детекторами нейтронов до, во время и после внесения возмущения потока нейтронов, излучаемого ЯУ, и рассчитывают подкритичность ЯУ, отличающийся тем, что измеряют ^T1S_T2 - числа отсчетов каждого детектора нейтронов в диапазоне (Т1÷Т2), где Т1 - время окончания внесения возмущения потока нейтронов и Т2 - время окончания измерений скорости счета, измеряют средние скорости счета каждого детектора нейтронов v(0) в стационарном исходном состоянии ЯУ и v(T2) в стационарном конечном состоянии ЯУ, по измеренным v(0) и v(T2) каждого детектора рассчитывают из уравнений точечной кинетики скорость счета v(t) и массивы чисел отсчетов (^T1C_T2)j в диапазоне (Т1÷Т2) при варьировании k0j - эффективного коэффициента размножения в исходном состоянии ЯУ в диапазоне 0,99≥k0j≥0,95 и определяют подкритичность через искомое k_эфф=k0j, при котором (^T1С_T2)j имеет наименьшее отклонение от ^T1S_T2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество детекторов нейтронов не менее двух.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что за искомое k_эфф принимают максимальное значение k_эфф из ряда измеренных с помощью нескольких детекторов нейтронов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что возмущение потока нейтронов, излучаемого ЯУ, осуществляют перемещением стержней регулирования ЯУ на ввод или вывод.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорости счета измеряют во времени с интервалом дискретности Δt не более 1 с до, во время и после введения возмущения потока нейтронов, излучаемого ЯУ.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что время перемещения стержней регулирования не более 10 с, а суммарная эффективность перемещенных стержней более 1%.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорости счета детекторов нейтронов в исходном состоянии ЯУ не менее 1000 отсчетов в секунду.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что суммарное время измерений скорости счета не менее 600 с.