ЦИФРОВОЙ ПЕРИОДОМЕР-РЕАКТИМЕТР Российский патент 2018 года по МПК G21C17/14 G21C17/104 

Изобретение относится к области управления ядерными реакторами и может быть использовано в системах управления и защиты ядерных реакторов.

Уровень техники, характеристика аналогов

Правила эксплуатации ядерных реакторов [Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных станций НП-082-07] требуют выполнения непрерывного контроля текущих значений плотности нейтронного потока (мощности ядерного реактора), скорости изменения плотности нейтронного потока и реактивности, которая отражает относительную скорость изменения плотности нейтронного потока, обусловленную процессами на мгновенных нейтронах.

Современные системы контроля реактивности основаны на следующем из точечной модели кинетики ядерного реактора уравнении реактиметра, которое можно записать в виде [Юферов А.Г. Передаточные функции и коэффициенты чувствительности реактиметра. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика ядерных реакторов, 2007, №1.]

где r(t)=ρ(t)/Λ - реактивность в Λ-шкале, ρ - абсолютная реактивность, Λ - время генерации мгновенных нейтронов, t - время,

α(t)=v(t)/n(t) - обратный период (относительная скорость изменения мощности).

v - скорость изменения мощности,

n - мощность ядерного реактора,

I_зн - интеграл запаздывающих нейтронов.

Аналоговую или цифровую реализацию уравнения (1), выражающего баланс относительных вкладов процессов на мгновенных и запаздывающих нейтронах в темп изменения мощности, используют, в различных приближениях интеграла запаздывающих нейтронов, все известные конструкции реактиметров [Реактиметр ЦВР-9. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Э.091.6709.10, ГНЦ РФ - ФЭИ, 1996; Сарылов В.И. и др. Цифровые реактиметры. - Атомная техника за рубежом, 1979, №11, с. 19; Аксенов В.А. и др. Широкодиапазонный реактиметр для исследовательских реакторов и критических стендов. Атомная энергия. - М., 1990, т. 69, вып. 3, с. 150-153; Грачев А.В. и др. Цифровой реактиметр для ядерных реакторов. Атомная энергия. - М., 1986, т. 61, вып. 2, с. 110-113; Качалин В.А. и др. Измерения реактивности ядерного реактора. Атомная энергия. - М., 1983, т. 54, вып. 5, с. 365-367; SU 1069004 А, 23.01.1984; SU 1144534 А, 15.12.1985; US 05114665 А, 19.05.1992; RU 2140105 С1, 20.10.1999; RU 2096841 С1. 20.11.1997; GB 1282787 А, 26.07.1972; GB 1146554 А, 26.03.1969; US 4097330 А, 27.06.1978].

Скорость изменения плотности нейтронного потока традиционно характеризуется обратной величиной - периодом ядерного реактора

измерение которого выполняется периодомерами, реализующими определяющее соотношение (2) [Измеритель периода удвоения мощности ядерного реактора УЛИП-4. Описание типа средства измерений. Рег. №29616-05, ГНЦ РФ - ФЭИ, 2005; патент РФ №2190889. кл. G21С 17/14, 02.04.2001; а.с. СССР №776347 1981; а.с. СССР №805854, 1982: а.с. СССР №791077, 1982; а.с. СССР №550039, 1983; а.с. СССР №1056277, 1983].

Недостаток известных устройств состоит в том, что оператор должен отслеживать нейтронную динамику ядерного реактора по крайней мере по трем приборам - реактиметру, периодомеру и указателю уровня мощности. Это затрудняет оценку и прогноз состояния реактора.

Известно устройство, объединяющее определение реактивности и установившегося периода ядерного реактора, содержащее цифровой реактиметр, на вход которого подан сигнал с датчиков нейтронного потока, а цифровой выход соединен с вычислителем периода ядерного реактора по формуле обратных часов [патент РФ №2453005, кл. G21С 7/36, 08.11.10].

Недостатки известного устройства состоят в следующем.

1. Измеряется установившийся период ядерного реактора, тогда как, согласно Правилам IIII-082-07, для оперативного управления требуется контроль мгновенного значения периода.

2. Увеличение погрешности оценки периода, обусловленное привлечением дополнительных расчетных соотношений (формулы обратных часов).

3. В известном устройстве невозможно добиться заявляемого «сокращения времени установления измеряемого установившегося значения периода ядерного реактора», поскольку время установления (время стабилизации значения периода) является константой, обусловленной текущими физическими условиями (значением постоянной реактивности) в ядерном реакторе и может измениться только при изменении данных условий. Если под временем установления понимается время вычисления периода, то в известном устройстве оно суммирует время расчета реактивности по уравнению (1) и время расчета периода по формуле обратных часов, что заведомо больше, чем время расчет периода по определяющему соотношению (2).

4. Использованная в известном устройстве оценка периода по формуле обратных часов завышает значение периода, что недопустимо с точки зрения контроля безопасности ядерного реактора.

5. Из уравнений кинетики ядерного реактора следует, что входным сигналом реактиметра является скорость изменения мощности, то есть, как можно видеть из уравнения (1), расчет обратного периода α(t)=v(t)/n(t) или периода (2) заведомо должен предварять расчет реактивности. Поэтому оценивание периода по вычисленной реактивности является некорректным.

Характеристика прототипа

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для измерения реактивности ядерного реактора, содержащее аналого-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием аналогового сигнала в частоту импульсов, на вход которого подан аналоговый сигнал, а цифровой выход соединен с вычислителем реактивности, где для повышения точности измерения введены блок деления и частотно-импульсный измеритель периода ядерного реактора, вход которого соединен с частотным выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход - с входом делителя блока деления, вход делимого которого соединен с цифровым выходом аналого-цифрового преобразователя, выход блока деления соединен со вторым входом вычислителя реактивности [а.с. СССР №1069004 от 23.01.84].

Недостатками известного устройства являются использование операции деления, увеличивающей погрешность оценки реактивности, отсутствие выхода измерителя периода на показывающий прибор, невозможность сопоставления вкладов всех слагаемых балансного уравнения кинетики реактора (1).

Техническая задача

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы устранить указанные недостатки путем аппаратно-программного вычисления и отображения, в том числе на одном показывающем приборе, значений и графиков слагаемых уравнения реактиметра, приведенного к форме (1), в том числе путем введения блока вычисления обратного периода как входной величины реактиметра и отображения реактивности в Λ-шкале.

Технический результат

Технический результат заключается в упрощении алгоритмической и аппаратурной реализации реактиметров, в унификации реактиметров и периодомеров, позволяющей градуировать периодомеры в единицах реактивности, в уменьшении количества показывающих приборов в САУ ЯЭУ, в улучшении эргономики и эффективности САУ ЯЭУ, в обеспечении согласованности между текущими значениями периода и реактивности с точки зрения уставок системы безопасности для адекватного принятия решения о состоянии ЯЭУ и о тенденции его дальнейшего поведения.

Сущность изобретения

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения реактивности ядерного реактора, содержащем аналого-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием аналогового сигнала в частоту импульсов, на вход которого подан аналоговый сигнал, а цифровой выход соединен с первым входом вычислителя реактивности, где введен частотно-импульсный измеритель периода ядерного реактора, вход которого соединен с частотным выходом аналого-цифрового преобразователя, предлагается:

- установить перед аналого-цифровым преобразователем сглаживающий фильтр;

- установить выход частотно-импульсного измерителя периода на вход показывающего прибора;

- ввести блок-инвертор (вычислитель обратного периода), вход которого соединен с выходом измерителя периода ядерного реактора;

- установить выход блока-инвертора на вход показывающего прибора;

- ввести блок умножения, первый вход которого соединен с цифровым выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход - с выходом блока-инвертора, а выход - со вторым входом вычислителя реактивности;

- установить блок вычисления реактивности, использующий различные аппроксимации интеграла запаздывающих нейтронов, в частности,

выполняющий вычисления мгновенной реактивности по формуле

где α_j - доля j-й группы запаздывающих нейтронов,

λ_j - постоянная распада j-й группы запаздывающих нейтронов,

или, в частности, по формуле

- установить на вход показывающего прибора выход блока вычисления реактивности, выводящий интервальную оценку реактивности, в частности:

или, в частности:

- установить на вход показывающего прибора выход блока вычисления реактивности, выводящий произвольные сочетания значений и графиков слагаемых уравнения реактиметра (реактивности, обратного периода, интеграла запаздывающих нейтронов, отнесенного к мощности).

- установить на вход показывающего прибора выход блока вычисления реактивности, выводящий графики реактивности в абсолютной шкале:

Блок вычисления реактивности выполняет точечную и интервальную оценки реактивности по формулам (3-6), которые получены на основе применения к уравнению реактиметра (1) принципа динамического подобия предыстории, состоящего в том, что в рамках принятой модели динамики реактора предшествующее поведение реактора и его начальные условия можно выбирать любыми, если они приводят к наблюдаемому текущему состоянию, которое характеризуется мощностью ядерного реактора и скоростью ее изменения. Знания этих величин достаточно для оценки ближайшей тенденции в поведении реактора, то есть для принятия решения о выборе управляющих воздействий. И поскольку информация о предшествующих состояниях не требуется, то в зависимости от задачи время, прошедшее с момента выхода из стационарного состояния можно полагать любым, в частности равным нулю или бесконечности.

Если предшествующее поведение реактора, то есть ход мощности, аппроксимировать единственной экспонентой, принимая текущий мгновенный период в качестве установившегося периода, с которым мощность изменялась после вывода реактора из стационарного состояния, то в таком случае из уравнения (1) получается оценка текущей реактивности в форме (3), гарантированно принадлежащей интервалу (5). Нижней границе интервальной оценки реактивности (5) соответствует предположение нулевой длительности предыстории, верхней - бесконечной. При этом верхняя оценка завышается, что отвечает принципам обеспечения ядерной безопасности.

Если предполагать, что после выхода из стационарного состояния мощность изменялась линейно с постоянной скоростью, то для текущей реактивности получим оценку (4), гарантированно принадлежащую интервалу (6). Формулы (3) и (4) дают близкие оценки при значениях периода, типичных для нормальных условий эксплуатации реактора, когда обратный период существенно меньше постоянных распада предшественников запаздывающих нейтронов. Формула (3) отличается от уравнения обратных часов только наличием аддитивного члена, зависящего от времени. Этим слагаемым можно пренебречь, полагая, что мощность аппроксимировалась экспоненциальной зависимостью на продолжительном отрезке времени. Для типичной уставки по периоду удвоения Т₂>10 с можно пренебречь величиной а в знаменателе формулы (3), то есть использовать оценку (4). Кроме того, при характерных значениях времени генерации можно пренебречь первым слагаемым, то есть единицей.

Уравнения реактиметра в форме (3, 4) показывают, что входным сигналом реактиметра является обратный период. При измерении реактивности в Λ-шкале и при подходящей аппроксимации интеграла запаздывающих нейтронов реактивность и обратный период связаны только безразмерным нормировочным коэффициентом, возможно, переменным во времени, причем обратный период выступает как нижняя оценка для реактивности, измеряемой в Λ-шкале. Это позволяет упростить блок вычисления реактивности с сохранением адекватной оценки безопасности ядерного реактора, а также использовать для оценки реактивности соответствующим образом градуированный периодомер.

Перечень чертежей

Принципиальная схема периодомера-реактиметра представлена на фигуре 1, на которой приняты следующие обозначения: 1 - сглаживающий фильтр, 2 - аналого-цифровой преобразователь, 3 - частотно-импульсный измеритель периода ядерного реактора, 4 - показывающий прибор для отображения периода, 5 - вычислитель обратного периода, 6 - блок умножения, 7 - вычислитель реактивности, 8 - показывающий прибор для одновременного отображения реактивности, обратного периода и интеграла запаздывающих нейтронов, отнесенного к мощности.

На фигуре 2,а представлены графики реактивности, рассчитанной по формулам (3, 4) по отсчетам мощности, которые, в свою очередь, вычислялись как решение уравнения кинетики для реактивности, изменяющейся согласно графику на фигуре 2,b. Расчет по формулам (3, 4) качественно воспроизводит истинный ход реактивности. Этим подтверждается возможность применения формул (3, 4) в произвольном динамическом состоянии реактора для оперативной оценки реактивности по текущему значению периода (обратного периода).

На фигуре 3,а приведен соответствующий ход обратного периода, а на фигуре 3,b - временная зависимость скорости изменения мощности. Обратный период качественно воспроизводит ход реактивности в Λ-шкале, отличаясь только (переменной во времени) нормировкой. Обратный период является более консервативной величиной, сохраняя постоянство там, где реактивность продолжает изменяться. В частности, он описывается мгновенным скачком при быстром изменении реактивности и опережает реактивность при стремлении ее к нулю. Это обусловлено соотношением слагаемых уравнения реактиметра и не ограничивает применения обратного периода для характеристики текущего поведения реактора.

Примеры осуществления изобретения

Пример конкретного исполнения периодомера-реактиметра на программно-аппаратной платформе Симулинк показан на фигуре 4.

Цифровой периодомер-реактиметр содержит последовательно соединенные между собой сглаживающий фильтр 1, предназначенный для устранения аддитивного шума в аналоговом сигнале, аналого-цифровой преобразователь 2, предназначенный для преобразования аналогового сигнала в цифровой, частотно-импульсный измеритель 3, предназначенный для измерения периода, показывающий прибор 4, предназначенный для отображения значений периода, инвертор 5, предназначенный для вычисления обратного периода, блок умножения 6, предназначенный для вычисления скорости изменения мощности реактора, вычислитель реактивности 7, предназначенный для вычисления реактивности в различных приближениях по точечной модели, показывающий прибор 8, предназначенный для отображения значений обратного периода, реактивности и вклада интеграла запаздывающих нейтронов.

Пример конкретного исполнения периодомера-реактиметра на программно-аппаратной платформе LabView показан на фигуре 5. На фигуре 5а показана блочная структура периодомера-реактиметра из блоков LabView, а на фигуре 5b - лицевая панель прибора.

Изобретение относится к области управления ядерными реакторами и может быть использовано в системах управления и защиты ядерных реакторов. Периодомер-реактиметр содержит сглаживающий фильтр, аналого-цифровой преобразователь, измеритель периода с выходом на показывающий прибор, инвертор с выходом на второй показывающий прибор, блок умножения и вычислитель реактивности с выходом на второй показывающий прибор. Технический результат - упрощение алгоритмической и аппаратурной реализации реактиметров, унификация реактиметров и периодомеров, позволяющая градуировать периодомеры в единицах реактивности, уменьшение количества показывающих приборов в САУ ЯЭУ, улучшение эргономики и эффективности САУ ЯЭУ и обеспечение согласованности между текущими значениями периода и реактивности с точки зрения уставок системы безопасности для адекватного принятия решения о состоянии ЯЭУ. 5 ил.

Цифровой периодомер-реактиметр, содержащий аналого-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием аналогового сигнала в частоту импульсов, на вход которого подан аналоговый сигнал, а цифровой выход соединен с первым входом вычислителя реактивности, где введен частотно-импульсный измеритель периода ядерного реактора, вход которого соединен с частотным выходом аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что:

перед аналого-цифровым преобразователем установлен сглаживающий фильтр;

установлен выход частотно-импульсного измерителя периода на вход показывающего прибора;

введен блок-инвертор (вычислитель обратного периода), вход которого соединен с выходом измерителя периода ядерного реактора;

установлен выход блока-инвертора на вход показывающего прибора;

введен блок умножения, первый вход которого соединен с цифровым выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход - с выходом блока-инвертора, а выход - со вторым входом вычислителя реактивности;

установлен блок вычисления реактивности, использующий различные аппроксимации интеграла запаздывающих нейтронов, в частности выполняющий вычисления мгновенной реактивности по формулам

где r(t)=ρ(t)/Λ - реактивность в Λ-шкале, t - время,

ρ - абсолютная реактивность, Λ - время генерации мгновенных нейтронов.

α(t)=v(t)/n(t) - обратный период (относительная скорость изменения мощности).

n - мощность ядерного реактора, v - скорость изменения мощности,

α_j - доля j-й группы запаздывающих нейтронов,

λ_j - постоянная распада у j-й группы запаздывающих нейтронов;

- установлен на вход показывающего прибора выход блока вычисления реактивности, выводящий интервальную оценку реактивности по формулам:

установлен вывод на показывающий прибор произвольных сочетаний значений и графиков слагаемых уравнения реактиметра (реактивности, обратного периода, интеграла запаздывающих нейтронов, отнесенного к мощности);

установлен на вход показывающего прибора выход блока вычисления реактивности, выводящий графики реактивности в абсолютной шкале: