Способ калибровки импульсного канала реактиметра Российский патент 2022 года по МПК G01T1/00 

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

В процессе эксплуатации ядерного реактора (ЯР) в соответствии с требованиями нормативных документов по обеспечению ядерной безопасности (ЯБ) требуется периодически выполнять нейтронно-физические измерения (НФИ), в том числе, для определения его реактивностных характеристик (эффективность органов регулирования, коэффициенты и эффекты реактивности). В настоящее время для вычисления реактивности ЯР используются цифровые реактиметры, обладающие достаточным быстродействием и представляющие возможность визуализации процессов в режиме реального времени. Одним из основных требований, предъявляемых к работе реактиметра, является обеспечение вычисления реактивности в максимально широком диапазоне мощности ЯР, что возможно достичь при использовании импульсно-токового режима его (реактиметра) работы.

Вычисление реактивности цифровыми реактиметрами выполняется по изменению во времени величины сигнала от ионизационной импульсно-токовой камеры деления (ИК), характеризующего нейтронную мощность ядерного реактора (считается, что в импульсном режиме скорость счета, а ток в токовом - пропорциональны плотности потока нейтронов (ППН) в месте расположения ИК), путем решения обращенного решения уравнений кинетики ЯР (ОРУК) [Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Экспериментальные методы физики реакторов: Учеб. пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1984. - 272 с.]. При этом одним из важных критериев оценки корректности работы реактиметра является отсутствие «срывов» процесса вычисления реактивности при переходах из импульсного в токовый режим и обратно, для чего должно быть обеспечено перекрытие между импульсным и токовым диапазонами.

Схемотехнические решения, реализуемые в импульсных каналах реактиметров, позволяют поднять верхнюю границу импульсного диапазона до значений скорости счета, равных (2-4)⋅10⁶ с^-1, что, например, для ИК КНК15-1 при величине среднего заряда в импульсе 1,5⋅10^-13 Кл, соответствует значению тока в токовом диапазоне, равному приблизительно 5,5⋅10^-7 А. Нижняя граница токового диапазона ограничена значениями (4-6)⋅10^-9 А, что соответствует значению скорости счета в импульсном диапазоне, равному приблизительно 5⋅10⁴ с^-1.

Таким образом, аппаратная часть реактиметров обеспечивает более 1-й декады перекрытия между импульсным и токовым диапазонами измерений: от 5⋅10⁴ с^-1 до (2-4)⋅10⁶ с^-1 в импульсном режиме и от (1-2)⋅10^-9 А до 5,5⋅10^-7 А в токовом.

Между тем, для работы реактиметра в импульсном режиме характерно нарушение линейности передаточной характеристики счетного канала при больших загрузках. Так, при скорости счета импульсов приблизительно (3-5)⋅10⁵ с^-1, в сигнале ИК появляются наложенные импульсы, доля которых увеличивается с ростом загрузки, что приводит к возникновению просчетов импульсов и, следовательно, существенному искажению линейности передаточной характеристики. Особенно это проявляется при проведении НФИ, в процессе которых происходит переключение режима работы реактиметра из импульсного в токовый и обратно (диапазон изменения скорости счета от 1⋅10⁶ с^-1 до 2⋅10⁶ с^-1), при этом наблюдаются «срывы» вычисления реактивности (см. Фиг. 1). В диапазоне от 0,1 до (1-3)⋅10⁵ с^-1 эффект наложения импульсов практически отсутствует.

Передаточная характеристика токового канала реактиметра, с относительной погрешностью не более 3-4%, линейна в диапазоне 10^-9-10^-3 А. Условия проведения НФИ на ЯР заметно сужают указанный диапазон до 10^-8-10^-3 А. В основном это связано с наличием в выходных сигналах ИК ложного выходного сигнала (темновой ток), присутствие которого нарушает линейность связи «нейтронный поток - ток камеры», поскольку обусловлен токами камеры от различного рода и происхождения ядерного излучения, интенсивность которого не пропорциональна нейтронному потоку. Ложный выходной сигнал, в основном, связан с бета- и гамма- активностью продуктов деления, накапливающихся в урановом радиаторе ИК в процессе облучения ИК нейтронами. В этой связи, в реальных условиях, токовый канал может надежно контролировать ППН в ЯР и вычислять реактивность с относительной погрешностью, указанной в эксплуатационной документации, в диапазоне 10^-8-10^-3 А.

Известен способ калибровки импульсного канала реактиметра [патент RU №2560531, опубл. 22.07.2015], включающий контроль ППН в активной зоне ЯР с помощью подключенной к счетному каналу реактиметра урановой камеры деления, регулировку счетного канала реактиметра в зависимости от вычисляемой реактиметром реактивности, стабилизацию мощности ЯР на фиксированном уровне, перемещение органа регулирования ЯР из одного положения в другое в направлении, соответствующем снижению ППН. Недостатком способа является то, что калибровка проводится только в импульсном режиме и не учитывает возможных нарушений вычисляемой реактивности при переходе из импульсного в токовый режим и обратно.

Известен способ калибровки импульсного канала реактиметра [патент RU №2653163, опубл. 07.05.2018], выбранный в качестве ближайшего аналога заявляемому изобретению, включающий контроль ППН в активной зоне ЯР с помощью подключенной к счетному и токовому каналам реактиметра урановой ИК, перемещение органа регулирования ЯР из одного положения в другое в направлении, соответствующем снижению ППН и регулировку импульсного канала реактиметра в импульсном режиме путем корректировки уровней дискриминации (второго и третьего) в области перехода реактиметра из токового в импульсный режим и обратно.

К недостаткам ближайшего аналога относятся следующее:

- неопределенность выбора уровней дискриминации, требует выполнения большого числа итераций по подбору 2-го и 3-го уровней дискриминации с целью получения заданных точностных характеристик линейности измерительного канала, что предполагает длительный по времени процесс калибровки;

- необходимость для реализации способа в создании и поддержании как специальных условий, так и режима работы ЯР, при которых осуществляется калибровка, делает всю процедуру калибровки импульсного канала реактиметра весьма дорогостоящей и не всегда осуществимой;

- калибровка осуществляется только в области переключения между токовым и импульсным диапазонами и не обеспечивает точность настройки реактиметра во всем диапазоне импульсного режима его работы.

Настоящее техническое решение позволяет расширить арсенал способов, предназначенных для калибровки счетного канала реактиметра, и направлено на создание способа, техническим результатом которого, при его реализации, будет существенное упрощение, повышение эффективности и точности калибровки импульсного канала реактиметра в импульсном диапазоне работы реактиметра от 0,1 с^-1 до (1-2)⋅10⁶ с^-1 за счет проведения калибровки непосредственно на ядерном реакторе в рамках проведения НФИ, без создания специальных условий.

Поставленная задача решается тем, что в способе калибровки счетного канала реактиметра включающем:

- контроль плотности потока нейтронов ядерного реактора (ЯР) с помощью подключенного к импульсному и токовому каналам реактиметра детектора, выполненного на основе урановой камеры деления (ИК),

- стабилизацию мощности реактора на фиксированном уровне, которому соответствует исходное критическое состоянии ЯР,

- перемещение органа регулирования (РО) ЯР из одного положения в другое, в соответствии с предлагаемым техническим решением калибровку выполняют в два этапа следующим образом:

для первого этапа калибровки используют эксперимент с разгоном ЯР, при проведении которого:

- в момент времени t₀, соответствующий исходному критическому состоянию ЯР, по показаниям импульсного и токового каналов реактиметра начинают контроль и регистрацию скорости счета импульсов и величины тока сигнала ИК,

- перемещение РО ЯР из одного положения в другое выполняют в направлении, соответствующем увеличению мощности ЯР, переводя его в надкритическое состояние, с установившимся периодом реактора,

- фиксируют момент времени t_к, когда ток ИК, по крайней мере, в 1,3-2 раза больше значения, при котором реактиметр переходит в токовый режим работы,

второй этап калибровки осуществляют в режиме постобработки результатов контроля скорости счета импульсов и величины тока сигнала ИК, при проведении которого:

- в интервале времени от t₀ до t_к по зарегистрированным значениям скорости счета импульсов и величины тока вычисляют значения реактивности по импульсному и токовому каналам соответственно,

- сравнивают вычисленные значения и определяют область, где значения реактивности, вычисленные по показаниям импульсного и токового каналов реактиметра, совпадают,

- в выбранной области фиксируют момент времени t₁, когда ток импульсной камеры в 3-5 раз меньше значения, при котором реактиметр переходит в токовый режим работы,

- затем, в интервале времени от t₁ до t_к значения реактивности, вычисленные по показаниям токового канала, принимают в качестве расчетных (или образцовых), и по ним в указанном временном интервале, вычисляют расчетные значения скорости счета Nрасч, которые затем используют для определения величины относительного отклонения показаний калибруемого импульсного канала от расчетного значения:

где ΔN(t_i) - значение величины относительного отклонения показаний калибруемого импульсного канала от расчетного значения в интервале времени от t₁ до t_К, t_j=t₁, t₁+i⋅dt, …, t_К; i=1, 2, …; dt - отсчеты времени;

N_изм(t_i) - показания калибруемого импульсного канала в диапазоне временной шкалы от t₁ до t_К, с-1,

N_pacч(t_i) - расчетное значение скорости счета в интервале времени от t₁ до t_К, с-1,

- после чего, полученные значения ΔN(t_i) аппроксимируют функцией зависимости величины относительных отклонений от показаний калибруемого импульсного канала в виде ΔN=ƒ_Δ(N_изм), которую в диапазоне скорости счета от N_изм(t₁) до N_изм(t_К) используют для корректировки показаний калибруемого импульсного канала по формуле:

где N_вых=ƒ(N_изм) - корректировочная характеристика просчетов импульсов;

ƒ_Δ(N_изм) - функция, определяющая величину просчетов импульсов при различных значениях загрузки измерительного канала N_ВХ в диапазоне скорости счета от N_изм(t₁) до N_изм(t_к), а в диапазоне скорости счета до N_изм(t₁)-N_вых=N_изм.

Вычисление значений реактивности по импульсному и токовому каналам в интервале времени от t₀ до t_к может быть выполнено путем решения обращенного решения уравнений кинетики ЯР, а для вычисления расчетных значений скорости счета Nрасч в интервале времени от t₀ до t_к, в частности, может быть использовано рекуррентное соотношение:

где t_j=t₀, t₀+j⋅dt, …, t_К; j=1, 2, …; dt - отсчеты времени;

λ_i - постоянная распада ядер-предшественников запаздывающих нейтронов i-й группы;

причем для моментов времени (t_j<t₁) принята нормировка:

для моментов времени (t_j≥t₁):

β - полная доля запаздывающих нейтронов; β_i - доля запаздывающих нейтронов i-й группы нейтронов;

N_изм(t_j) - скорость счета импульсного канала в момент t_j;

ρ (N_изм(t_j)) - реактивность, вычисленная на основе скорости счета N_изм(t_j) по импульсному каналу в момент t_j;

ρ (I(t_j)) - реактивность, вычисленная на основе регистрации тока I(t_j) по токовому каналу в момент t_j.

Кроме этого, для определения N_расч(t) для моментов времени (t_j≥t₁) принимают значения N_pacч(t_j) и реактивности ρ (N_pacч(t_j) полученные путем расчетного моделирования эксперимента с имитацией условий его проведения.

Признаки, отличающие предлагаемый способ от прототипа:

- для калибровки используют эксперимент с «разгоном» ЯР, при этом повторные эксперименты не требуются;

- в качестве расчетных значений скорости счета принимают значения скорости счета, вычисленные по соотношению (3) по расчетным значениям реактивности;

- в качестве расчетных значений реактивности могут быть приняты значения реактивности, вычисленные методом ОРУК по результатам измерения тока ИК токовым каналом реактиметра и(или) значения реактивности, полученные расчетным моделированием эксперимента с имитацией условий его проведения;

- подбор корректировочной характеристики осуществляется в режиме постобработки результатов измерения скорости счета импульсов и тока ИК, соответственно, счетным и токовым каналами реактиметра, полученных при контроле ППН в эксперименте с «разгоном» ЯР.

Представленная совокупность признаков обеспечивает достижение технического результата, а именно, позволяет эффективно и с высокой точностью проводить калибровку импульсного канала непосредственно на ЯР, существенно упрощает и сокращает по времени процесс калибровки счетного канала реактиметра.

Особенности настоящего изобретения поясняются ссылками на прилагаемую фигуру 2. На фигуре изображены:

фиг. 2а) - Реактивность, вычисленная счетным и токовым каналами реактиметра при перемещении органов управления в направлении увеличения мощности. Уменьшение реактивности, вычисленной по показаниям импульсного канала, вызвано увеличивающейся долей просчетов, обусловленных эффектом наложения импульсов при росте загрузки, превышающей 10⁵ с^-1;

фиг. 2б) - графическая иллюстрация, измеренной по сигналу ИК скорости счета, до калибровки «n(t) счет» и после «n(t) счет (расчет)»;

фиг. 2в) - графическая иллюстрация, измеренной по сигналу ИК величины силы тока детектора.

Калибровка импульсного канала реактиметра производится следующим образом.

Для практической реализации предлагаемого способа в качестве детектора может быть использована широкодиапазонная импульсно-токовая урановая камера деления КНК-15-1 и линейный импульсно-токовый измеритель «Фаворит», работающий в режиме реактиметра и выпускаемый ФГУП «НИТИ им. А.П. Александрова». Ионизационную импульсно-токовую камеру деления, контролирующую плотность потока нейтронов в ядерном реакторе, подключают к импульсному и токовому каналам реактиметра. Выводят реактор на уровень мощности, которому соответствует исходное критическое состоянии ЯР. В момент времени t₀, соответствующий исходному критическому состоянию ЯР, по показаниям импульсного и токового каналов реактиметра начинают контроль и регистрацию скорости счета импульсов и величины тока сигнала ИК. Перемещают орган регулирования ЯР, переводя его в надкритическое состояние, с установившимся периодом реактора. Фиксируют момент времени t_К, когда ток ИК, по крайней мере, в 1,3-2 раза больше значения, при котором реактиметр переходит в токовый режим работы t_И-_К (для указанной ИК и измерителя «Фаворит» моменту времени t_к соответствует ток детектора нейтронов приблизительно 2,4⋅10^-7 А). Далее, в интервале времени от t₀ до t_К по зарегистрированным значениям скорости счета импульсов и величины тока вычисляют значения реактивности по импульсному и токовому каналам соответственно и определяют область, где значения реактивности, вычисленные по показаниям импульсного и токового каналов реактиметра, совпадают. Показанная на фиг. 2б) и в) область, где определено совпадение вычисленной по показаниям импульсного и токового каналов реактивности (фиг. 2а)), соответствует диапазону измеренных скорости счета N=(1-3)⋅10^{5 с-1} и силы тока I=(3-5)⋅10^-8 А. В выбранной области фиксируют момент времени t₁, когда ток ИК в 3-5 раз меньше значения, при котором реактиметр переходит в токовый режим работы t_И-К (при использовании указанной ИК и измерителя «Фаворит» моменту времени t₁ соответствует ток детектора нейтронов приблизительно 4⋅10^-8 А). В интервале времени от t₁ до t_К значения реактивности, вычисленные по показаниям токового канала, принимаются в качестве расчетных (или образцовых), и далее, по образцовым значениям реактивности в указанном интервале времени по рекуррентному соотношению (3) вычисляются расчетные значения Nрасч, с использованием которых и Nизм по формуле (1) вычисляются ΔN(t_i). Полученные значения ΔN(t_i) в диапазоне времени от t₁ до t_К аппроксимируют функцией зависимости величины относительных отклонений от показаний калибруемого импульсного канала N_изм(t_i) в виде ΔN=ƒ_Δ(N_изм), которую затем, в диапазоне скорости счета от N_изм(t_i) до N_изм(t_К), используют для корректировки показаний калибруемого импульсного канала по формуле (2), а в диапазоне скорости счета до N_изм(t₁)-N_вых=N_изм.

При осуществлении способа калибровки для определения N_расч(t) для моментов времени (t_j≥t₁) также могут быть приняты значения N_расч(t_j) и реактивности ρ (N_расч(t_j)); полученные путем расчетного моделирования эксперимента с имитацией условий его проведения: моделируется изменение ППН в активной зоне ЯР и в месте расположения ИК.

Предлагаемый способ калибровки прошел успешную проверку расчетно-экспериментальным способом, при котором калибровка измерителя «Фаворит» была выполнена с использованием комплекса программ САПФИР_95&RC^©, имитирующего условия проведения эксперимента. Также способ калибровки прошел экспериментальную проверку при настройке измерителя «Фаворит» на действующем стенде ФГУП «НИТИ им. А.П. Александрова» в ходе серии однотипных экспериментов с участком «разгона». Полученная по результатам первого эксперимента корректировочная характеристика была прописана во внешнее программное обеспечение измерителя «Фаворит» и без изменений и дополнительных корректировок использовалась при контроле ППН во всех последующих экспериментах. В результате переход из импульсного в токовый режим работы реактиметра и обратно был обеспечен в режиме реального времени, при этом достигнут подтвержденный диапазон линейности передаточной характеристики счетного канала реактиметра от 0,1 до 9,81⋅10⁶ с^-1.

Предлагаемый способ калибровки подтвержден как расчетной, так и экспериментальной проверкой, его применение расширяет арсенал существующих способов калибровки импульсных каналов реактиметров, позволяет существенно упростить и сократить по времени процедуру калибровки, проводимую непосредственно на ЯР, при этом повышается ее эффективность и точность. Способ применим для широкого круга экспериментов с «разгоном».

Изобретение относится к области реакторных измерений и может быть использовано в системах управления, контроля и защиты ядерных установок. Технический результат - повышение эффективности и точности калибровки импульсного канала реактиметра в импульсном диапазоне работы реактиметра от 0,1 с^-1 до (1-2)⋅10⁶ с^-1 за счет выполнения калибровки непосредственно на ядерном реакторе при проведении нейтронно-физических измерений без создания специальных условий. Калибровку счетного канала реактиметра выполняют в два этапа. Для первого этапа калибровки используют эксперимент с разгоном ядерного реактора. Второй этап калибровки осуществляют в режиме постобработки результатов контроля скорости счета импульсов и величины тока сигнала импульсной камеры. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ калибровки импульсного канала реактиметра, включающий контроль плотности потока нейтронов ядерного реактора (ЯР) с помощью подключенного к импульсному и токовому каналам реактиметра детектора, выполненного на основе урановой камеры деления (ИК), стабилизацию мощности реактора на фиксированном уровне, которому соответствует исходное критическое состоянии ЯР, перемещение органа регулирования (РО) ЯР из одного положения в другое, отличающийся тем, что

для калибровки проводят эксперимент с разгоном ЯР, при проведении которого в момент времени t₀, соответствующий исходному критическому состоянию ЯР, по показаниям импульсного и токового каналов реактиметра начинают контроль и регистрацию скорости счета импульсов и величины тока сигнала ИК;

перемещение РО ЯР из одного положения в другое выполняют в направлении, соответствующем увеличению мощности ЯР, переводя его в надкритическое состояние с установившимся периодом реактора, и

фиксируют момент времени t_к, когда ток ИК, по крайней мере, в 1,3-2 раза больше значения, при котором реактиметр переходит в токовый режим работы,

далее выполняют постобработку результатов контроля скорости счета импульсов и величины тока сигнала ИК, для чего

в интервале времени от t₀ до t_К по зарегистрированным значениям скорости счета импульсов и величины тока вычисляют значения реактивности по импульсному и токовому каналам соответственно,

сравнивают вычисленные значения и выбирают область, где значения реактивности, вычисленные по показаниям импульсного и токового каналов реактиметра, совпадают,

затем в выбранной области фиксируют момент времени t₁, когда ток импульсной камеры в 3-5 раз меньше значения, при котором реактиметр переходит в токовый режим работы,

в интервале времени от t₁ до t_К значения реактивности, вычисленные по показаниям токового канала, принимают в качестве расчетных и по ним в указанном временном интервале вычисляют расчетные значения скорости счета Nрасч, которые затем используют для определения по формуле

величины относительного отклонения показаний калибруемого импульсного канала от расчетного значения в интервале времени от t₁ до t_К,

где t_i=t_1, t₁+i⋅dt, …, t_K; i=1, 2, …; dt - отсчеты времени;

N_изм(t_i) - показания калибруемого импульсного канала в диапазоне временной шкалы от t₁ до t_К, с-1,

N_pacч(t_i) - расчетное значение скорости счета в интервале времени от t₁ до t_К, с^-1,

после чего полученные значения ΔN(t_i) аппроксимируют функцией зависимости величины относительных отклонений от показаний калибруемого импульсного канала в виде ΔN=ƒ_Δ(N_изм), которую в диапазоне скорости счета от N_изм(t₁) до N_изм(t_К) используют для корректировки показаний калибруемого импульсного канала по формуле:

где N_вых=ƒ(N_изм) - корректировочная характеристика просчетов импульсов;

ƒ_Δ(N_изм) - функция, определяющая величину просчетов импульсов при различных значениях загрузки измерительного канала N_ВХ в диапазоне скорости счета от N_изм(t₁) до N_изм(t_к), а в диапазоне скорости счета до N_изм(t₁)-N_вых=N_изм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значения реактивности по импульсному и токовому каналам в интервале времени от t₀ до t_К вычисляют путем решения обращенного решения уравнений кинетики ЯР.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расчетные значения скорости счета N_расч в интервале времени от t₀ до t_К вычисляют по рекуррентному соотношению:

где t_j=t₀, t₀+j⋅dt, …, t_К; j=1, 2, …; dt - отсчеты времени;

λ_i - постоянная распада ядер-предшественников запаздывающих нейтронов i-й группы;

ϕ_i=1-E_i;

ψ_i=A_i-E_i;

причем для моментов времени (t_j<t₁) принята нормировка:

N_расч(t_j)=N_изм(t_j);

для моментов времени (t_j≥t₁):

β - полная доля запаздывающих нейтронов; β_i - доля запаздывающих нейтронов i-й группы нейтронов;

N_изм(t_j) - скорость счета импульсного канала в момент t_j;

ρ (N_изм(t_j)) - реактивность, вычисленная на основе скорости счета N_изм(t_j) по импульсному каналу в момент t_j;

ρ (I(t_j)) - реактивность, вычисленная на основе регистрации тока I(t_j) по токовому каналу в момент t_j.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для определения N_pacч(t) для моментов времени (t_j≥t₁) принимают значения N_pacч(t_j) и реактивности ρ (N_расч(t_j)), полученные путем расчетного моделирования эксперимента с имитацией условий его проведения.