СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ СВИНЦОВО-ВИСМУТОВОГО БЫСТРОГО РЕАКТОРА И ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2016 года по МПК G21C17/22 G21C15/247 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к применяемым в атомной энергетике способам диагностики ядерных реакторов на быстрых нейтронах и диагностическим системам, и может найти применение в составе системы технологии свинцово-висмутового теплоносителя реакторной установки свинцово-висмутового быстрого реактора. Способ диагностики включен в автоматизированную систему управления технологическими процессами опытно-промышленного энергоблока.

Свинцово-висмутовые быстрые реакторы характеризуются использованием в качестве теплоносителя эвтектического свинцово-висмутового сплава, который является химически инертным по отношению к воздуху и воде, не выделяет водорода в процессе работы реактора, что полностью исключает возможность химических взрывов. Свинцово-висмутовый сплав способен удерживать продукты деления с уменьшением возможности утечек радиоактивных материалов в окружающую среду. Благодаря большой теплоемкости теплоносителя практически исключены аварии, связанные с кризисом теплообмена.

Быстрый реактор или реактор на быстрых нейтронах с использованием в качестве теплоносителя эвтектического сплава свинец-висмут обладает т.н. внутренне присущей или естественной безопасностью. А.И. Филином [А.И. Филин. Экспериментальные работы в подтверждение концепции быстрых реакторов со свинцовым теплоносителем. Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях. Министерство Российской Федерации по атомной энергии. ГНЦ РФ - ФЭИ им. А.И. Лейпунского. Тезисы докладов, г. Обнинск, 5-9 октября, 1998 г., с. 45] были отмечены следующие проблемы, возникающие при проектировании таких реакторов: проблемы нейтронной физики, теплогидравлики, коррозии, радиационной стойкости конструкционных материалов и технологии теплоносителя.

Заявляемое техническое решение призвано усовершенствовать технологию теплоносителя с точки зрения его диагностики и контроля.

Способ диагностики теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора является комплексом взаимосвязанных технических средств, обеспечивающим выполнение процедуры контроля за технологическими параметрами свинцово-висмутового теплоносителя.

Диагностическая система теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора является комплексом взаимосвязанных технических средств, обеспечивающим выполнение процедуры контроля за технологическими параметрами свинцово-висмутового теплоносителя.

Основными функциями заявляемой диагностической системы являются:

- автоматизированное обеспечение режимов работы технических средств, входящих в состав технологии свинцово-висмутового теплоносителя;

- обеспечение представления необходимой информации о технологических параметрах работы системы технологии теплоносителя эксплуатационному персоналу;

- диагностирование отдельных элементов технологии свинцово-висмутового теплоносителя.

Известен реактор на быстрых нейтронах по заявке РФ на изобретение №2011148238 с конвенционным приоритетом 27.04.2009 г., МПК-7: G21C 1/02, публикация РСТ №WO 2010/12602820101104, опубликованной 10.06.2013 г. Реактор на быстрых нейтронах содержит корпус ядерного реактора с активной зоной и теплоносителем, механизм поддержки активной зоны, перегородку, промежуточный теплообменник, насос для теплоносителя и нижний ресивер, сконструированный так, чтобы направлять теплоноситель, который был нагнетен насосом для теплоносителя, в активную зону, а также механизм направления теплоносителя.

Общие признаки данного аналога и заявляемого технического решения: наличие реактора на быстрых нейтронах.

Отличие заявляемого технического решения от данного аналога проявляется в том, что в заявляемом техническом решении раскрыты возможности эффективной диагностики и контроля за технологическими параметрами свинцово-висмутового теплоносителя.

Следующим аналогом, из формулы которого можно судить как о способе, так и об устройстве, является техническое решение по патенту РФ на полезную модель №114748 от 24.10.2011 г., МПК-7: F17D 5/00, опубликованному 10.04.2012 г. и защищающему автоматизированную систему диагностического обслуживания технологического оборудования промышленных агрегатов. Автоматизированная система диагностического обслуживания технологического оборудования промышленных агрегатов включает автоматизированное рабочее место, снабженное компьютером и устройством цветного мнемонического отображения текущего состояния технологического оборудования и соединенное с сервером и с по меньшей мере одной подсистемой, включающей по меньший мере один блок датчиков, установленных на диагностируемом технологическом оборудовании и соединенных через блоки усиления и согласования с блоками преобразования и обработки сигналов подсистемы, а компьютер автоматизированного рабочего места выполнен с возможностью опроса сервера и визуализации информации, переданной на сервер от блоков преобразования и обработки сигналов подсистемы. Автоматизированная система-аналог содержит одну или совокупность подсистем, выбранных из группы: подсистема вибрационного контроля и защиты, подсистема вибрационного мониторинга и диагностики, подсистема параметрической диагностики технологического оборудования, подсистема мониторинга напряженно-деформированного состояния технологического оборудования, подсистема экологического мониторинга и испытаний.

Общие признаки данного аналога и заявляемого технического решения: наличие автоматизированного рабочего места, снабженного компьютером с возможностью визуализации информации, а также системы измерительных устройств, подключенных в определенном порядке и осуществляющих способ диагностики.

Отличие заявляемого технического решения от прототипа заключается в том, что целеназначение данного аналога и заявляемого технического решения разные: аналог предназначен для диагностики газоперекачивающего агрегата, и техническое решение аналога направлено в основном на вибрационный контроль. В целом данный аналог, хотя в части системы и технологии автоматизации сходен с заявляемым техническим решением, но для конкретного применения в той же области, что и заявляемое техническое решение, приспособлен быть не может.

По способу наиболее близким аналогом (прототипом) является патент РФ на изобретение №2457558 от 25.04.2011 г., МПК-7: G21C 17/032, опубликованный 27.07.2012 г. и защищающий способ измерения расхода теплоносителя первого контура ядерного реактора, включающий внесение возмущения по нейтронному потоку в активной зоне реактора перемещением регулирующих стержней системы управления и защиты, контроль изменения во времени азотной активности теплоносителя в первом контуре реактора и последующий расчет расхода теплоносителя, причем возмущение по нейтронному потоку вносят перемещением стержней системы управления и защиты в режиме автоматического регулирования нейтронной мощности реактора, измерение расхода теплоносителя осуществляют в непрерывном режиме, а регистрацию изменения азотной активности теплоносителя ведут по нейтронной активности изотопа ¹⁷N.

Общие признаки прототипа и заявляемого технического решения: наличие процесса диагностики (измерения параметров теплоносителя) ядерного реактора.

Однако несмотря на упоминание диагностики в описании изобретения-прототипа, в нем в основном решена задача измерения расхода теплоносителя первого контура водо-водяного энергетического реактора, данное техническое решение не подходит для свинцово-висмутовых быстрых реакторов.

По диагностической системе наиболее близким аналогом (прототипом) является патент РФ на изобретение №2475871 от 14.02.2012 г., МПК-7: G21C 7/00, опубликованный 20.02.2013 г. и защищающий устройство защиты ядерного реактора на быстрых нейтронах атомной электростанции с системой защит, содержащее по крайней мере один стержень аварийной защиты для гашения цепной реакции при авариях различного вида, по крайней мере один механически соединенный с поворотной пробкой крыши корпуса реактора механизм горизонтального и вертикального перемещения стержня аварийной защиты с системой управления, расположенные на дне корпуса реактора направляющие элементы в виде посадочного гнезда для беспрепятственного перемещения вниз стержня аварийной защиты при возникновении аварии, причем в устройство дополнительно введены магнитопровод, якорь магнитопровода, катушка магнитопровода, коммутационный аппарат с приводом, источник питания, блок управления коммутационным аппаратом и демпферная пружина.

Общие признаки аналога и заявляемого технического решения: наличие системы управления и диагностики ядерного реактора на быстрых нейтронах.

Однако несмотря на упоминание устройства диагностики в описании изобретения-прототипа, в нем в основном решена задача создания устройства защиты ядерного реактора на быстрых нейтронах, которое, исходя из технологии, не может действовать в отрыве от диагностики, и тем не менее устройство диагностики в прототипе не раскрыто.

Цель разработки заявляемого технического решения - создание эффективного способа диагностики и диагностической системы теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора.

Техническая задача - разработка способа диагностики и диагностической системы, позволяющих выполнять процедуру контроля за технологическими параметрами свинцово-висмутового теплоносителя в соответствии с требованиями конструкторской и эксплуатационной документации на реакторную установку.

Сущность заявляемого технического решения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого им технического результата, который выражается в расширении технологических возможностей диагностики, а также в повышении эксплуатационной надежности и срока службы свинцово-висмутового быстрого реактора.

Сущность заявляемого технического решения - способа состоит в том, что способ диагностики теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора включает процесс измерения параметров теплоносителя, причем процедура контроля и управления включает измерение активности кислорода в свинцово-висмутовом теплоносителе в центральной буферной емкости реакторного моноблока, измерение активности кислорода в свинцово-висмутовом теплоносителе в периферийной буферной емкости реакторного моноблока, контрольное измерение активности кислорода в свинцово-висмутовом теплоносителе в «холодной» фазе резервным датчиком, который в основное время сохраняет свои параметры вне теплоносителя и погружается в свинцово-висмутовый теплоноситель только на время измерения, управление массообменным аппаратом для ввода растворенного кислорода в теплоноситель с целью обеспечения заданного кислородного режима теплоносителя, управление дожиганием и диспергатором газа для реализации водородной очистки теплоносителя.

Измерение активности кислорода в свинцово-висмутовом теплоносителе осуществляют путем измерения ЭДС каждого чувствительного элемента датчика активности кислорода, измерения температуры по термопаре датчика активности кислорода, преобразования ЭДС и температуры в единый параметр активности кислорода теплоносителя, а также контроль и отображение параметра активности кислорода в теплоносителе с сигнализацией по предупредительным уставкам. Осуществляют также управление погружением резервного датчика активности кислорода и определение его положения на время контрольного измерения или резервирования вышедшего из строя датчика активности кислорода, анализ показаний всех датчиков активности кислорода и сигнализация при обнаружении оборудования вышедшего из строя. Управление массообменным аппаратом осуществляют путем управления нагревательным элементом массообменного аппарата по заданной функции от показаний «горячего» или «холодного» датчика активности кислорода по выбору оператора с помощью плавной регулировки мощности нагревателя масообменного аппарата для обеспечения его безаварийной работы. Управление диспергатором газа включает контроль состояния нагревательного элемента и обеспечение сигнализации при выходе его из строя, управление частотой вращения ротора диспергатора газа, управление оборудованием газовой технологической петлей при технологическом обслуживании реактора, управление открытием/закрытием клапанов газовой технологической петли, измерение температуры газа, проходящего через газовый фильтр грубой и тонкой очистки, контроль перепада давления через газовый фильтр для определения степени загрязненности фильтра, включение/выключение побудителя расхода газа, управление режимом работы побудителя расхода газа, контроль расхода газовой среды побудителя расхода газа. Водородная очистка теплоносителя включает измерение температуры на входе и выходе дожигателя водорода, регулировку мощности нагревателя для обеспечения эффективной работы дожигателя водорода. Заявляемый способ дополнительно включает измерение температуры воды и пара в устройстве увлажнения газовой смеси, контроль уровня воды в баке увлажнителя, регулировку мощности нагревателей увлажнителя, контроль температуры датчиков содержания кислорода и водорода в газе, регулировку мощности нагревателей датчика содержания водорода в газе и датчика содержания кислорода в газе, измерение ЭДС на электродах датчика содержания водорода в газе и датчика содержания кислорода в газе.

Сущность заявляемого технического решения - диагностической системы состоит в том, что диагностическая система теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора включает устройство взаимодействия с оператором, снабженное компьютером, и систему измерительных устройств, причем диагностическая система содержит блок управления и отображения на базе промышленного компьютера с установленным на нем специальным программным обеспечением, устройство хранения в виде реализованной программно и/или аппаратно системы управления базами данных, устройство формирования цифровой линии связи RS-485, периферийный модуль, блок обработки и/или ввода аналоговых сигналов, группу устройств-преобразователей уровня, группу измерительных устройств, блок ввода дискретных сигналов, группу сигнальных устройств, блок вывода дискретных сигналов, группу исполнительных устройств, блок вывода аналоговых сигналов, группу устройств плавной регулировки, блок управления двигателями и группу исполнительных устройств. При этом группа измерительных устройств включает датчик активности кислорода, датчик температуры, датчик давления, датчик расхода, датчик уровня, датчик содержания кислорода в газе и датчик содержания водорода в газе. Группа сигнальных устройств включает концевые выключатели - сигнализаторы положения, сигнализаторы уровня, сигнализаторы контроля целостности цепи, датчик превышения перепада давлений. Группа исполнительных устройств включает капаны и силовые реле. Группа устройств плавной регулировки включает устройства управления регуляторами мощности. Блок управления двигателями включает частотные преобразователи и инверторы.

Сущность заявляемого технического решения проиллюстрирована чертежом структурной схемы диагностической системы теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора Фиг. 1, где:

АРМ - автоматизированное рабочее место;

СУБД - система управления базами данных;

ДАК - датчик активности кислорода;

ДСВГ - датчик содержания водорода в газе;

ДСКГ - датчик содержания кислорода в газе;

ПРГ - побудитель расхода газа.

Схемное решение Фиг. 1 иллюстрирует взаимосвязь узлов и элементов заявляемой диагностической системы в статике.

Функциональная схема заявляемой диагностической системы представлена на Фиг. 2, где:

ИДС - информационно-диагностическая система;

СВТ - свинцово-висмутовый теплоноситель;

ЭДС - электродвижущая сила.

Стрелками на Фиг. 2 показаны направления передачи и использования информации о результатах выполнения каждой функции. Схемное решение Фиг. 2 иллюстрирует способ диагностики теплоносителя и работу заявляемой системы в динамике. На примере работы диагностической системы теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора показаны следующие основные функции:

1. Взаимодействие с оператором. Осуществляется посредством автоматизированного рабочего места оператора. Пользователь дает системе базовые данные и настройки для начала работы. Пользователь получает информацию о текущей работе системы.

2. Накопление и обработка данных. Осуществляется посредством устройства накопления и обработки и устройства сбора данных - на базе промышленного компьютера и периферийного контроллера, соответственно. Функция обеспечивает конфигурационными данными все этапы и режимы работы системы. Собирается, обрабатывается и хранится вся информация от всех подсистем заявляемой диагностической системы.

3. Управление осуществляется посредством программы на устройстве накопления и обработки. Функция обеспечивает управление всеми процессами в соответствии с жесткой логикой безопасной работы. Управление осуществляется в полуавтоматическом виде. При желании пользователь может включить ручной режим.

4. Измерение технологических параметров.

5. Измерение сопутствующих параметров.

6. Контроль за сохранением рабочих условий аппаратуры диагностической системы.

7. Контроль за соблюдением технологии свинцово-висмутового теплоносителя.

8. Контроль за работоспособностью аппаратуры заявляемой диагностической системы.

9. Сигнализация нарушения регламентных условий.

10. Сигнализация нарушения работы оборудования системы технологии теплоносителя.

Технический результат применения заявляемого технического решения состоит в создании способа диагностики системы теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора и диагностической системы для осуществления способа, позволяющей проводить контроль параметров системы теплоносителя при расположении оборудования в необслуживаемых и полу-обслуживаемых помещениях реакторной установки, при этом средства обработки сигналов, управления и отображения находятся в общепромышленных помещениях, а информация выводится на блок щитового управления реакторной установки.

В уровне техники не обнаружено подобного сочетания технической и эксплуатационной эффективности, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критериям «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

Изобретение относится к способам диагностики ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Способ диагностики включает процесс измерения параметров теплоносителя, причем процедура контроля и управления включает измерение активности кислорода в свинцово-висмутовом теплоносителе в центральной буферной емкости реакторного моноблока, измерение активности кислорода в свинцово-висмутовом теплоносителе в периферийной буферной емкости реакторного моноблока, контрольное измерение активности кислорода в свинцово-висмутовом теплоносителе в «холодной» фазе резервным датчиком, который в основное время сохраняет свои параметры вне теплоносителя и погружается в свинцово-висмутовый теплоноситель только на время измерения. Способ также включает управление массообменным аппаратом для ввода растворенного кислорода в теплоноситель с целью обеспечения заданного кислородного режима теплоносителя, управление дожиганием и диспергатором газа для реализации водородной очистки теплоносителя. Технический результат - повышение эффективности диагностики теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ диагностики теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора включает процесс измерения параметров теплоносителя, отличающийся тем, что процедура контроля и управления включает измерение активности кислорода в свинцово-висмутовом теплоносителе в центральной буферной емкости реакторного моноблока, измерение активности кислорода в свинцово-висмутовом теплоносителе в периферийной буферной емкости реакторного моноблока, контрольное измерение активности кислорода в свинцово-висмутовом теплоносителе в «холодной» фазе резервным датчиком, который в основное время сохраняет свои параметры вне теплоносителя и погружается в свинцово-висмутовый теплоноситель только на время измерения, управление массообменным аппаратом для ввода растворенного кислорода в теплоноситель с целью обеспечения заданного кислородного режима теплоносителя, управление дожиганием и диспергатором газа для реализации водородной очистки теплоносителя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение активности кислорода в свинцово-висмутовом теплоносителе осуществляют путем измерения ЭДС каждого чувствительного элемента датчика активности кислорода, измерения температуры по термопаре датчика активности кислорода, преобразования ЭДС и температуры в единый параметр активности кислорода теплоносителя, а также контроль и отображение параметра активности кислорода в теплоносителе с сигнализацией по предупредительным уставкам.

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что осуществляют управление погружением резервного датчика активности кислорода и определение его положения на время контрольного измерения или резервирования вышедшего из строя датчика активности кислорода, проводят анализ показаний всех датчиков активности кислорода и обеспечивают сигнализацию при обнаружении оборудования, вышедшего из строя.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что управление массообменным аппаратом осуществляют путем управления нагревательным элементом массообменного аппарата по заданной функции от показаний «горячего» или «холодного» датчика активности кислорода по выбору оператора с помощью плавной регулировки мощности нагревателя масообменного аппарата для обеспечения его безаварийной работы.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что управление диспергатором газа осуществляют посредством контроля состояния нагревательного элемента и обеспечения сигнализации при выходе его из строя, а также управления частотой вращения ротора диспергатора газа, управления оборудованием газовой технологической петлей при технологическом обслуживании реактора, управления открытием/закрытием клапанов газовой технологической петли, измерения температуры газа, проходящего через газовый фильтр грубой и тонкой очистки, контроля перепада давления через газовый фильтр для определения степени загрязненности фильтра, включения/выключения побудителя расхода газа, управления режимом работы побудителя расхода газа, контроля расхода газовой среды побудителя расхода газа.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что водородную очистку теплоносителя производят путем измерения температуры на входе и выходе дожигателя водорода и регулировки мощности нагревателя для обеспечения эффективной работы дожигателя водорода.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что способ дополнительно включает измерение температуры воды и пара в устройстве увлажнения газовой смеси, контроль уровня воды в баке увлажнителя, регулировку мощности нагревателей увлажнителя, контроль температуры датчиков содержания кислорода и водорода в газе, регулировку мощности нагревателей датчика содержания водорода в газе и датчика содержания кислорода в газе, измерение ЭДС на электродах датчика содержания водорода в газе и датчика содержания кислорода в газе.

8. Диагностическая система теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора, включающая устройство взаимодействия с оператором, снабженное компьютером, и систему измерительных устройств, отличающаяся тем, что диагностическая система содержит блок управления и отображения на базе промышленного компьютера с установленным на нем программным обеспечением, устройство хранения в виде реализованной программно и/или аппаратно системы управления базами данных, периферийный модуль, блок обработки и/или ввода аналоговых сигналов, группу устройств-преобразователей уровня, группу измерительных устройств, блок ввода дискретных сигналов, группу сигнальных устройств, блок вывода дискретных сигналов, группу исполнительных устройств, блок вывода аналоговых сигналов, группу устройств плавной регулировки, блок управления двигателями и группу исполнительных устройств.

9. Диагностическая система теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора по п. 8, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство формирования цифровой линии связи RS-485.

10. Диагностическая система теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора по п. 8, отличающаяся тем, что группа измерительных устройств включает датчик активности кислорода, датчик температуры, датчик давления, датчик расхода, датчик уровня, датчик содержания кислорода в газе и датчик содержания водорода в газе.

11. Диагностическая система теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора по п. 8, отличающаяся тем, что группа сигнальных устройств включает концевые выключатели - сигнализаторы положения, сигнализаторы уровня, сигнализаторы контроля целостности цепи и датчик превышения перепада давлений.

12. Диагностическая система теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора по п. 8, отличающаяся тем, что группа исполнительных устройств включает клапаны и силовые реле.

13. Диагностическая система теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора по п. 8, отличающаяся тем, что группа устройств плавной регулировки включает устройства управления регуляторами мощности.

14. Диагностическая система теплоносителя свинцово-висмутового быстрого реактора по п. 8, отличающаяся тем, что блок управления двигателями включает частотные преобразователи и инверторы.