СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕАКТИВНОСТИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2013 года по МПК G21C17/04 

Изобретение относится к области реакторных измерений и может быть использовано в системах контроля и управления ядерных реакторов.

В процессе пуска ядерного реактора, вывода его на минимально контролируемый уровень мощности, работе реактора на мощности, а также при нейтронно-физических измерениях, периодически проводимых во время кампании с целью определения текущих характеристик ядерного реактора, измеряется его реактивность в динамических режимах. С развитием цифровой техники среди большого количества способов измерения реактивности особое место заняли способы измерения реактивности с помощью цифровых реактиметров в связи с целым рядом их преимуществ, таких как быстродействие и возможность визуализации процессов в режиме «он-лайн». Одним из основных требований, предъявляемых к работе реактиметра является обеспечение измерения реактивности в максимально широком диапазоне мощности ядерного реактора, начиная от заглушенного состояния до 100% мощности. Это возможно только при использовании импульсно-токового режима работы реактиметра. Важным требованием, предъявляемым к работе реактиметра в данном режиме, является отсутствие срывов процесса вычисления реактивности из-за скачкообразного изменения сигнала с камеры деления при переходах из импульсного в токовый режим и обратно.

Известен способ измерения реактивности ядерного реактора с помощью цифрового реактиметра, описанный в [Сарыров В.Н., Воскресенский Ф.Ф., Горбунов А.П. Цифровые реактиметры. Атомная техника за рубежом. 1979 г. №11, с.19, рис.1]. При этом способе сигналы с камеры деления преобразуются в ток, затем по изменению тока во времени путем решения обращенного уравнения кинетики реактора производится вычисление реактивности, Недостатком этого способа является узкий динамический диапазон и низкая помехозащищенность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ измерения реактивности ядерного реактора, реализованный с помощью цифрового реактиметра [Патент №2193245, опубл. 20.11.2002, Бюл. №32], при котором сигналы с камеры деления преобразуются в физический параметр, затем по изменению во времени величины этого параметра, путем решения обращенного уравнения кинетики реактора, производится вычисление реактивности, причем при малых уровнях мощности ядерного реактора в качестве физического параметра используется скорость счета импульсов тока камеры деления, а при высоких уровнях - ток камеры деления. В этом способе по сравнению с аналогом расширен динамический диапазон реактиметра за счет использования импульсно-токового режима. Однако недостатком такого способа является возможность срыва вычисления реактивности из-за скачкообразного изменения сигнала с камеры деления в момент перехода из импульсного в токовый режим и обратно с сопутствующей потерей информации о состоянии ядерного реактора в этот момент.

Задачей изобретения является повышение надежности контроля состояния ядерного реактора.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого способа в цифровом реактиметре, заключается в существенном снижении вероятности срывов процесса вычисления реактивности из-за скачкообразного изменения сигнала с камеры деления при работе в импульсно-токовом режиме и, как следствие, в повышении надежности контроля состояния ядерного реактора.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения реактивности ядерного реактора, при котором сигналы с камеры деления преобразуют в физический параметр, затем по изменению во времени величины этого параметра, путем решения обращенного уравнения кинетики реактора, с помощью цифрового реактиметра производят вычисление реактивности, причем при малых уровнях мощности ядерного реактора в качестве физического параметра используют скорость счета импульсов тока камеры деления (импульсный режим работы реактиметра), а при высоких уровнях - ток камеры деления (токовый режим работы реактиметра), согласно изобретению сначала производят предварительную настройку реактиметра, заключающуюся в том, что при повторном пуске реактора, производимом после снижения его мощности до уровня N, соответствующего импульсному режиму работы реактиметра, при котором доля взаимных наложений импульсов незначительна, поочередно переключают реактиметр в импульсный и токовый режимы работы, измеряют соответствующие значения скорости счета импульсов тока камеры деления и тока камеры деления, затем вычисляют величину тока, определяемого нейтронами, по формуле

I_н=AFq,

где F - измеренная скорость счета импульсов тока камеры деления;

q - средний заряд в импульсе тока камеры деления;

А - нормировочный коэффициент,

и вводят частичную обратную компенсацию измеренного тока таким образом, чтобы на уровне мощности N обеспечивалось равенство измеренного тока току I_н, при этом частичную обратную компенсацию обеспечивают путем подачи противотока на токовый вход реактиметра одновременно с током камеры деления или посредством математического вычитания противотока из измеренного тока при обработке сигнала в цифровом канале реактиметра, далее вычисление реактивности в токовом режиме производят по скомпенсированному току.

В предлагаемом способе учитывается тот факт, что при работе реактиметра в импульсном режиме используется лишь часть заряда, образующегося в объеме камеры деления за счет ионизации газа при комплексном воздействии на него осколков деления радиатора, образующихся при взаимодействии с нейтронами, альфа-частиц и гамма-излучения реактора и конструкционных материалов. Это происходит по двум причинам, во-первых, быстродействующий усилитель импульсов тока (спектрометрический усилитель), входящий в состав реактиметра, собирает только «быструю» электронную составляющую заряда, которая не учитывает «медленную» ионную составляющую. Во-вторых, дискриминатором реактиметра, предназначенным для отсечки помех, вместе с помехами на входе спектрометрического усилителя отсекаются импульсы тока камеры деления с малой амплитудой. В то же время, в токовом режиме используется полный заряд, образующийся в объеме камеры деления за счет всех перечисленных факторов. Для того чтобы правильно вычислять реактивность в токовом режиме, необходимо использовать в расчетах только ту часть тока камеры деления, которая обусловлена нейтронным потоком ядерного реактора, в противном случае будет происходить срыв вычисления реактивности из-за скачкообразного изменения сигнала с камеры деления при переходе из импульсного в токовый режим и обратно ввиду того, что динамика изменения измеряемого параметра (которая и определяет, в конечном итоге, вычисляемую реактивность) в импульсном режиме будет определяться только нейтронным потоком, а в токовом режиме (в прототипе) еще и перечисленными выше факторами ионизации газа в камере деления. Для правильного учета тока камеры деления при вычислении реактивности в описываемом способе предлагается рассчитывать величину тока камеры деления, определяемого нейтронами, по формуле

I_н=AFq,

где F - измеренная скорость счета импульсов тока камеры деления

q - средний заряд в импульсе тока камеры деления;

А - нормировочный коэффициент, учитывающий неполный сбор заряда и его дискриминационную отсечку.

Способ осуществляется следующим образом.

Подают на импульсный и токовый входы цифрового реактиметра сигнал с камеры деления, расположенной вблизи активной зоны ядерного реактора. Снижают мощность работающего реактора до уровня, при котором в реактиметре обеспечивается реализация импульсного режима (τ_и*F<<1, где τ_и - длительность импульса тока камеры деления), при этом необходимо, чтобы доля взаимных наложений импульсов была незначительна. Например, при характерной длительности импульса тока камеры деления 150 нс и выбранной скорости счета 10⁵ имп./с вероятность взаимных наложений импульсов не превышает 2,8% в соответствии с формулой, приведенной в [В.Ф.Борисов и др. «Анализ выбросов пуассоновского случайного процесса». Вопросы атомной науки и техники, серия физика и техника ядерных реакторов, выпуск 5, с.28, 30 1988 г.]:

где P₁ - вероятность появления одиночного импульса;

P_н - вероятность появления наложенных импульсов.

При выбранной в соответствии со сказанным скорости счета рассчитывают величину тока, определяемого нейтронами, по формуле I_н=AFq, принимая предварительно величину нормировочного коэффициента на уровне А=2,2. Этим учитывается потеря половины заряда в импульсном режиме [В.П.Алферов и др. «Эксплуатационные характеристики ионизационной камеры деления КНК-15» Вопросы атомной науки и техники, серия физика и техника ядерных реакторов, контроль и управление, вып.5, 1984 г.] и, примерно, 20-процентная потеря заряда за счет отсечки дискриминатором импульсов малой амплитуды. Например, при загрузке 10⁵ имп./с и среднем заряде в импульсе 2*10^-13 К величина нейтронного тока составит 4,4*10^-8 А. Переключают реактиметр в токовый режим и измеряют величину тока камеры деления. Поскольку, как отмечалось ранее, камера деления собирает полный заряд, образующийся в ней за счет всех факторов ионизации, а не только заряд, определяемый нейтронным потоком, то измеряемый ток будет превышать рассчитанный ток I_н на некоторую величину и составит, например, 2*10^-7 А. Вычитают из измеренного тока рассчитанный ток I_н и получают значение тока ΔI=2*10^-7-0,44*10^-7=1,56*10^-7 А, подлежащее компенсации. Создают на входе токового (электрометрического) усилителя противоток Iпр, равный по величине току ΔI и обратный по знаку измеренному току (в рассматриваемом случае Iпр=-1,56*10^-7 А), либо вводят в цифровой реактиметр оцифрованное значение противотока Iпр и производят математическое вычитание противотока из измеренного тока. Далее, при работе реактиметра в токовом режиме производят вычисление реактивности по полученному скомпенсированному току. В случае, если при переходе из импульсного в токовый режим скачок реактивности не устраняется полностью, корректируют коэффициент А, добиваясь отсутствия этого скачка.

Таким образом, при реализации предложенного способа существенно повышается надежность контроля состояния ядерного реактора при его работе в динамическом режиме за счет исключения причин, приводящих к срыву процесса вычисления реактивности из-за скачкообразного изменения сигнала с камеры деления при переходах из импульсного в токовый режим и обратно.

В части, касающейся практической реализации компенсации малых токов, подходы к созданию маломощных источников тока с заданными выходными параметрами известны (см., например, В. С.Гутников Интегральная электроника в измерительных устройствах, 2-е издание, Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.70-74), что гарантирует возможность создания с их помощью противотоков с требуемыми характеристиками во внешнем измерительном устройстве (электрометрическом усилителе реактиметра). Альтернативный вариант компенсации посредством математического вычитания также не встречает технических трудностей, поскольку способы математической обработки цифровых кодов общеизвестны.

Изобретение относится к области реакторных измерений, а именно к способу измерения реактивности ядерного реактора, при котором сигналы с камеры деления преобразуют в физический параметр. По изменению во времени величины этого параметра, путем решения обращенного уравнения кинетики реактора, с помощью цифрового реактиметра производят вычисление реактивности. Производят предварительную настройку реактиметра. При повторном пуске реактора, производимом после снижения его мощности до уровня N, соответствующего импульсному режиму работы реактиметра, при котором доля взаимных наложений импульсов незначительна, поочередно переключают реактиметр в импульсный и токовый режимы работы. Измеряют соответствующие значения скорости счета импульсов тока и тока камеры деления. Затем вычисляют величину тока камеры делении, определяемого нейтронами, по формуле I_н=AFq, где F - измеренная скорость счета импульсов тока камеры деления; q - средний заряд в импульсе тока камеры деления; А - нормировочный коэффициент и вводят частичную обратную компенсацию измеренного тока таким образом, чтобы на уровне мощности N обеспечивалось равенство измеренного тока току камеры деления, определяемому нейтронами, при этом частичную обратную компенсацию обеспечивают путем подачи противотока на токовый вход реактиметра одновременно с током камеры деления или посредством математического вычитания противотока из измеренного тока при обработке сигнала в цифровом канале реактиметра, далее вычисление реактивности в токовом режиме производят по скомпенсированному току. Изобретение позволяет существенно повысить надежность контроля состояния ядерного реактора.

Способ измерения реактивности ядерного реактора, при котором сигналы с камеры деления преобразуют в физический параметр, затем по изменению во времени величины этого параметра путем решения обращенного уравнения кинетики реактора с помощью цифрового реактиметра производят вычисление реактивности, причем при малых уровнях мощности ядерного реактора в качестве физического параметра используют скорость счета импульсов тока камеры деления - импульсный режим работы реактиметра, а при высоких уровнях мощности ядерного реактора используют ток камеры деления - токовый режим работы реактиметра, отличающийся тем, что сначала производят предварительную настройку реактиметра, заключающуюся в том, что при повторном пуске реактора, производимом после снижения его мощности до уровня N, соответствующего импульсному режиму работы реактиметра, при котором доля взаимных наложений импульсов незначительна, поочередно переключают реактиметр в импульсный и токовый режимы работы, измеряют соответствующие значения скорости счета импульсов тока и тока камеры деления, затем вычисляют величину тока камеры делении, определяемого нейтронами, по формуле:
Iн=AFq,
где F - измеренная скорость счета импульсов тока камеры деления;
q - средний заряд в импульсе тока камеры деления;
А - нормировочный коэффициент,
и вводят частичную обратную компенсацию измеренного тока таким образом, чтобы на уровне мощности N обеспечивалось равенство измеренного тока току камеры деления, определяемому нейтронами, при этом частичную обратную компенсацию обеспечивают путем подачи противотока на токовый вход реактиметра одновременно с током камеры деления или посредством математического вычитания противотока из измеренного тока при обработке сигнала в цифровом канале реактиметра, далее вычисление реактивности в токовом режиме производят по скомпенсированному току.