СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ НЕЙТРОННОГО ПОТОКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
METHOD FOR DENSITY CONTROL OF NUCLEAR REACTOR NEUTRON FLUX

Изобретение относится к области исследования и контроля работы ядерных реакторных установок различного типа, а именно к исследованию и контролю нейтронного излучения в присутствии гамма-излучения, и могут быть использованы в системах управления и защиты ядерных реакторов, критической сборки и других источников нейтронов.
При эксплуатации ядерных реакторов в качестве параметра, характеризующего мощность реактора, используется плотность нейтронного потока, измеряемая, в частности, с помощью импульсно-токовых ионизационных камер деления (ИКД). Достоверность получаемой с их помощью информации зависит от того, насколько качественно удается отфильтровать отклики процессов, сопровождающих деление ядерного горючего в реакторе, приводящие к появлению фонового выходного тока ИКД, вызванного гамма-фоном работающего реактора, и ложного выходного тока ИКД, вызванного, в основном, током камеры от ее облучения активными продуктами деления, которые накапливаются в ураносодержащей рабочей секции камеры (радиаторе) в процессе облучения ее нейтронами при работе реактора.
Известен способ контроля плотности нейтронного потока, реализованный с использованием ИКД промышленного изготовления КНТ54-1 [Дмитриев А.Б., Малышев Е.К. Нейтронные ионизационные камеры для реакторной техники, М.: Атомиздат, 1975], при котором с помощью двух электродов ИКД формируют ток, вызванный ионизацией рабочего газа ИКД осколками деления материала радиатора ИКД под воздействием нейтронного потока реактора, и регистрируют его с помощью внешнего измерительного устройства.
Недостатком этого способа, при его реализации в устройстве, является узкий динамический диапазон работы из-за наличия фонового тока, вызванного облучением рабочего газа ИКД гамма-излучением реактора, и ложного выходного тока, вызванного облучением рабочего газа ИКД активными продуктами радиатора ИКД и активированными конструкционными материалами ИКД.
Известен способ контроля плотности нейтронного потока, выбранный в качестве прототипа и реализованный с использованием ИКД промышленного изготовления КНК-15-1 [Белозеров В.Г., Щетинин О.И. Широкодиапазонная камера деления для СУЗ ядерных реакторов. Атомная энергия, 1979, т.47, вып.4, с.271-272], при котором с помощью основных электродов формируют прямой ток ИКД, вызванный ионизацией рабочего газа осколками деления материала радиатора ИКД под воздействием нейтронного потока реактора и облучением рабочего газа ИКД гамма-излучением реактора, активными продуктами радиатора ИКД и активированными конструкционными материалами ИКД, а с помощью дополнительных электродов формируют в ИКД противоток, обратный по направлению прямому току и равный по величине части прямого тока, формируемой основными электродами ИКД под воздействием гамма-излучения реактора и конструкционных материалов ИКД, суммируют токи основных и дополнительных электродов и регистрируют их во внешнем измерительном устройстве.
В этом способе скомпенсирована та часть выходного тока ИКД, которая связана с гамма-излучением реактора и конструкционных материалов ИКД, но остается нескомпенсированным ложный выходной ток ИКД, формирующийся в результате активации радиатора ИКД в процессе работы реактора и последующего облучения рабочего газа ИКД его излучением, что сокращает динамический диапазон устройств контроля реактора, удлиняет интервал времени перед повторным пуском реактора на время ожидания снижения ложного выходного тока ИКД до допустимого уровня.
Перед авторами стояла задача минимизировать вклад ложного выходного тока ИКД в суммарный выходной сигнал, регистрируемый измерительным устройством при сохранении компенсации гамма-излучения реактора и обеспечить возможность оперативной подстройки параметров компенсации ложного выходного тока.
Предложенный авторами способ контроля плотности нейтронного потока ядерного реактора позволяет при его реализации расширить динамический диапазон системы контроля реактора, что служит предпосылкой к усилению безопасности его эксплуатации, и свести к минимуму время после остановки реактора, в течение которого повторный пуск реактора недопустим по причине неадекватной работы аппаратуры контроля при малой загрузке.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе контроля плотности нейтронного потока ядерного реактора, включающем формирование выходного тока ИКД в виде суммы прямого тока ИКД, возникающего за счет ионизации газоразрядного промежутка между основными электродами ИКД осколками деления материала радиатора ИКД, обусловленными нейтронным потоком реактора, а также за счет ионизации гамма-излучением реактора и излучением конструкционных материалов и активных продуктов радиатора ИКД, и противотока, возникающего за счет ионизации газоразрядного промежутка между дополнительными электродами ИКД гамма-излучением реактора и излучением конструкционных материалов, обратного по направлению прямому току ИКД и равного по величине части прямого тока, формируемой основными электродами ИКД под воздействием гамма-излучения реактора и конструкционных материалов ИКД, согласно изобретению формируют дополнительный противоток на входе размещенного за пределами ИКД измерительного устройства, причем на первом этапе формируют базу данных ложного выходного тока ионизационной камеры, содержащую зависимости ложного выходного тока от времени после останова реактора, при этом указанные зависимости учитывают плотность нейтронного потока и продолжительность работы реактора перед остановом. На втором этапе, непосредственно перед повторным пуском реактора, выбирают из сформированной базы данных временную зависимость изменения ложного выходного тока с учетом флюенса и времени стоянки реактора после останова. На основе указанной зависимости формируют на входе измерительного устройства в момент повторного пуска реактора дополнительный противоток, суммируют его с выходным током ИКД и регистрируют суммарный сигнал.
ЛВС
ПТ
1
ЛВС
ПТ
1
ЛВС
ПТ
1
На Фиг. приведены графики изменения во времени тока ложного выходного сигнала (ЛВС) ИКД (I, верхний квадрант графика) и противотока (I, нижний квадрант графика), формируемого в измерителе. По оси ординат отложен ток, по оси абсцисс отложено время, начиная с момента останова реактора (время стоянки). Через t обозначен момент времени повторного пуска реактора. Вертикальной пунктирной стрелкой показаны точки на кривых I и I, соответствующие моменту времени t, горизонтальными пунктирными стрелками показаны на оси ординат значения токов I и I, соответствующие моменту времени t.
Работа предложенного способа осуществляется следующим образом.
ЛВС
ЛВС
ЛВС
ЛВС
ЛВС
ЛВС
1
1
ЛВС
ЛВС
ПТ
ЛВС
ЛВС
ПТ
-7
-7
6
-13
-7
На первом этапе формируют экспериментальную базу данных ложного выходного тока ионизационной камеры, содержащую зависимости I(t) (где t - время после останова реактора) для различных условий работы реактора перед остановом, таких как плотность нейтронного потока и продолжительность работы реактора. При этом записывают I(t) после останова реактора, проработавшего заданное (известное) время на заданном (известном) уровне мощности. В процессе эксплуатации реактора формируют базу данных, состоящую из семейства зависимостей I(t), каждая из которых соответствует конкретным условиям работы реактора перед его остановом, и сохраняют эту информацию на внешнем носителе. На втором этапе, перед включением реактора, выбирают из сформированной базы данных I(t) такую зависимость, которая наиболее близко соответствует условиям работы реактора перед его последним остановом. Возьмем, в качестве примера, приведенную на Фиг. (верхний квадрант) зависимость I(t) камеры КНК-15-1 после облучения на реакторе (см. Газоразрядные детекторы для контроля ядерных реакторов. Е.К.Малышев и др., М.: Энергоатомиздат, 1991 г., стр.51). Далее, с учетом времени стоянки реактора, выбирают участок зависимости I(t), начало которого соответствует по времени ожидаемому моменту повторного пуска реактора t. На Фиг. - это участок, соответствующий времени t≥t. Как видно, начальное значение I на этом участке составляет 2·10А, что примерно на порядок выше максимально допустимого значения I для ИКД КНК-15-1. На входе измерительного устройства, подключенного к электродам ИКД, при пуске реактора формируют противоток I(t), направленный навстречу току I(t), что на Фиг. соответствует зеркальному отображению I(t) относительно оси абсцисс в нижнем квадранте. Таким образом, при пуске реактора через полчаса после останова будет создан противоток I(t), с начальным значением 2·10А, который обеспечит динамическую компенсацию ложного выходного тока ИКД. Необходимо пояснить, что импульсный диапазон работы камеры КНК-15-1 при настройке аппаратуры контроля ограничивают сверху величиной порядка (1-2)·10 имп/сек для исключения взаимного наложения выходных импульсов камеры, характерная длительность которых составляет величину порядка 100 нс. Величина заряда, передаваемого камерой КНК-15-1 в единичном импульсе, составляет 10 К и, с учетом этих обстоятельств, переход в токовый режим происходит при (1-2)·10 A, что определяется известной связью между параметрами, определяемой законом Кулона:
q=i/N, где
q - заряд, переносимый единичным импульсом тока ИКД;
i - среднее значение выходного тока ИКД;
N - скорость счета импульсов ИКД.
-7
-7
-6
2
ЛВС
Как видно из вышесказанного, при работе по способу-прототипу величина полезного сигнала при переходе в токовый режим ((1-2)·10 А) сопоставима с величиной ЛВС (1,5·10 А, см. Фиг. в момент t=t) и ошибка в определении мощности реактора в момент перехода из импульсного в токовый режим в процессе ее подъема после повторного пуска реактора составит в этом случае (100-200)%, что приведет к срабатыванию автоматической защиты по периоду реактора. Пуск реактора в этих условиях можно осуществлять для прототипа либо «вслепую», до того момента, пока ток ИКД, определяемый нейтронным потоком, не превысит токовый ЛВС активированного реактора, что недопустимо с точки зрения безопасности эксплуатации реактора, либо только через несколько суток после останова, когда ложный выходной ток ИКД спадет на один-два порядка. При использовании предложенного способа повторный пуск реактора может быть произведен в любой требуемый момент времени после останова реактора. Следует отметить, что наиболее важным с точки зрения расширения диапазона контроля мощности является пусковой интервал времени при небольших уровнях мощности реактора, начиная с минимально контролируемого уровня, когда плотность нейтронного потока невелика. В этих условиях не происходит заметного изменения активности радиатора ИКД при работе реактора ввиду малых величин нейтронного потока (≈10 от уровня, соответствующего номинальной мощности реактора), а следовательно, отсутствует влияние на величину I накопления активности радиатора на пусковом интервале.
Подходы к созданию маломощных источников тока, управляемых по заданному алгоритму, известны (см., например, В.С.Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах, 2-е издание, Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.70-74), что гарантирует возможность создания с их помощью противотоков с требуемыми амплитудно-временными характеристиками во внешнем измерительном устройстве.