СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОДКРИТИЧНОСТИ ОСТАНОВЛЕННОЙ ЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ БЕЗ ВЫХОДА В КРИТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
METHOD FOR SUBCRITICALITY DETERMINATION OF NUCLEAR POWER PLANTS STOPPED WITHOUT TRANSFER INTO EMERGENCY CONDITION

эфф
эфф
эфф
Изобретение относится к физике ядерных реакторов, а именно к обеспечению ядерной безопасности при эксплуатации ядерных реакторов и критических сборок, именуемых далее ядерные установки ЯУ. Эксплуатация ЯУ регламентируется рядом нормативных и руководящих документов, основой которых являются «Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных станций» ПБЯ РУ АС-89. Эти правила предписывают, в частности, оценку и контроль подкритичности остановленных реакторов атомных станций при проведении на них ядерно-опасных работ. Нормы и правила эксплуатации критических сборок изложены в документе НП-008-04 «Правила ядерной безопасности критических стендов». В нормативных документах указываются две контрольные величины эффективного коэффициента размножения k=0.98 и k=0.95, оценка которых должна быть обеспечена при эксплуатации остановленной ЯУ. Это означает, что необходим непрерывный мониторинг значений эффективного коэффициента размножения ЯУ: k≥0.98 или
эфф
k≥0.95, в зависимости от режима ее работы.
эфф
эфф
эфф
Известен способ оценки подкритичности (1-k) без выхода в критическое состояние, применяемый при физическом пуске ЯУ (Дж.Р.Кипин. Физические основы кинетики ядерных реакторов, стр.238, перевод с английского, Атомиздат, 1967 г.), заключающийся в измерениях скоростей счета детекторов, регистрирующих число нейтронов в стационарных состояниях ЯУ. Эти измерения проводят при отсутствии делящегося вещества в ЯУ, когда k=0, и при его загрузке вплоть до достижения величины k≈0.98. Подкритичность ЯУ после загрузки в нее очередного количества делящегося вещества оценивается по формуле
где v(m), v(0) - скорости счета детекторов, регистрирующих число нейтронов, излучаемых ЯУ, при наличии в ней делящегося вещества и в его отсутствии соответственно.
эфф
Параметр v(0) по своей физической сущности является результатом измерений Q - эффективной интенсивности внутреннего источника нейтронов ЯУ.
Следствием формулы (1) является более общее соотношение
эфф
эфф
эфф
i
Соотношение (2) позволяет вычислить подкритичность в любом j-м состоянии ЯУ по результатам измерений скорости счета детекторов v(j), если измерены (1-k) и v(i) в каком-то i-м состоянии ЯУ при неизменном значении Q. За время эксплуатации значение Q может измениться на несколько порядков, и это уменьшает достоверность оценки подкритичности до такой степени, что указанный способ измерений подкритичности на практике используется только в режимах физического пуска.
эфф
эфф
эфф
эфф
1
2
эфф
эфф
эфф
Известен способ определения интенсивности источника нейтронов Q, принятый в качестве прототипа (патент РФ №2231145). Этим способом вычисляют Q по результатам измерений скоростей счета детекторов нейтронов до, во время и после сброса стержней регулирования в ЯУ. Полученное значение Q в дальнейшем используют для вычисления подкритичности. При этом время ввода отрицательной реактивности не должно превышать 5 секунд, суммарная эффективность вводимых стержней должна быть больше 1%, и самое основное в исходном стационарном состоянии до сброса стержней должно выполняться условие 1>k>0.95. Эти практические рекомендации связаны с требованиями измерений разности [v(t)-v(t)] в формуле расчета Q с приемлемой погрешностью. Если эти рекомендации не выполняются, результат эксперимента может быть абсурден, в частности может оказаться, что измеренное значение k>1 по результатам измерений скоростей счета одного или нескольких детекторов. Общепринята практика, подтвержденная действующими правилами ядерной безопасности, принимать за истинное максимальное значение k из ряда измеренных с помощью нескольких детекторов.
До начала эксперимента неизвестно, выполняется ли основное условие измерений
эфф
эфф
Q способом-прототипом, и если оно не выполняется, то необходимо уменьшить степень подкритичности, например, перемещением стержней регулирования на их вывод. В любом случае это будет ядерно-опасная операция увеличения величины k, выполняемая в нарушении действующих правил ядерной безопасности, поскольку не обеспечен мониторинг подкритичности.
эфф
эфф
Технический результат, на которое направлено изобретение, - обеспечить оценку подкритичности во всех режимах остановленных ЯУ в соответствии с требованиями действующих в настоящее время российских нормативных и руководящих документов по ядерной безопасности в диапазоне k=(0,95÷0,99) без предварительного измерения Q, что повысит достоверность оценки подкритичности и повысит ядерную безопасность ЯУ.
T1
T1
T2
T2
Для этого предложен способ определения подкритичности остановленной ядерной установки ЯУ без выхода в критическое состояние, заключающийся в том, что измеряют во времени скорости счета v(t) от ЯУ детекторами нейтронов до, во время и после внесения возмущения потока нейтронов, излучаемого ЯУ, и рассчитывают подкритичность ЯУ, отличающийся тем, что измеряют S - числа отсчетов каждого детектора нейтронов в диапазоне (Т1÷Т2), где Т1- время окончания внесения возмущения потока нейтронов и Т2 - время окончания измерений скорости счета, измеряют средние скорости счета каждого детектора нейтронов v(0) в стационарном исходном состоянии ЯУ и v(T2) в стационарном конечном состоянии ЯУ, по измеренным v(0) и v(T2) каждого детектора рассчитывают из уравнений точечной кинетики скорость счета v(t) и массивы чисел отсчетов (C)j в диапазоне (Т1÷Т2) при варьировании k0j - эффективного коэффициента размножения в исходном состоянии ЯУ в диапазоне 0.99≥k0j≥0.95 и определяют подкритичность через искомое
эфф
T2
T2
T1
T1
k=k0j, при котором (C)j имеет наименьшее отклонение от S.
При этом количество детекторов нейтронов не менее двух.
эфф
эфф
За искомое k принимают максимальное значение k из ряда измеренных с помощью нескольких детекторов нейтронов.
Возмущение потока нейтронов, излучаемого ЯУ, осуществляют перемещением стержней регулирования ЯУ на ввод или вывод.
Скорости счета измеряют во времени с интервалом дискретности Δt не более 1 секунды до, во время и после введения возмущения потока нейтронов, излучаемого ЯУ.
Время перемещения стержней регулирования не более 10 секунд, а суммарная эффективность перемещенных стержней более 1%.
Скорости счета детекторов нейтронов в исходном состоянии ЯУ не менее 1000 отсчетов в секунду.
Суммарное время измерений скорости счета не менее 600 секунд.
При этом время перемещения стержней регулирования не более 10 секунд, суммарная эффективность перемещенных стержней более 1%.
Способ основан на том, что изменения во времени интенсивности излучения ЯУ в процессе перехода из одного фиксированного стационарного состояние в другое фиксированное стационарное зависят при прочих равных условиях только от одного параметра - исходной степени подкритичности. С учетом этого в процессе обработки экспериментальных данных варьируют значения эффективного коэффициента размножения в диапазоне от 0.95 до 0.99. Из точечных уравнений кинетики рассчитывают интенсивность излучения ЯУ в переходном процессе.
T1
T1
T2
T2
В расчетах используют результаты измерений интенсивности излучения ЯУ в стационарных состояниях. За искомое значение эффективного коэффициента размножения из ряда варьируемых выбирают то, при котором расчетные значения параметра (C) имеют наименьшее отклонение от измеренного значения S.
эфф
T2
T2
эфф
эфф
эфф
T1
T1
Экспериментальные детекторы в количестве более 2-х должны регистрировать нейтроны, излучаемые ЯУ. Число детекторов диктуется требованиями ПБЯ РУ АС-89. Исходное и конечное состояния ЯУ стационарные. Рекомендуются следующие условия реализации способа, исходя из достижения приемлемой погрешности измерений и оптимизации времени проведения эксперимента. Суммарное время измерений скоростей счета детекторов нейтронов в эксперименте 600 секунд, дискретность этих измерений Δt=1 секунда. Перемещение стержней регулирования производится спустя 30 секунд после начала измерений. Время перемещения стержней не более 10 секунд, изменение значения k вследствие возмущения более 1%, скорость счета детекторов нейтронов в исходном состоянии ЯУ не менее 1000 отсчетов в секунду. Рекомендуется вычислять средние значения скоростей счета v(0) и v(T2) по результатам измерений чисел отсчетов детекторов нейтронов в диапазонах (0-30) секунд и (570-600) секунд соответственно, а также вычислять числа отсчетов S каждого экспериментального детектора нейтронов в диапазоне (Т1-600) секунд, где Т1- момент останова стержней регулирования. Результаты эксперимента v(0), v(T2) и S используются для последующей обработки данных. Если не варьируются (зафиксированы) значения интенсивности излучения нейтронов ЯУ в стационарных состояниях до и после возмущения, то переходной процесс изменения во времени этой интенсивности при прочих равных условиях зависит от исходной степени подкритичности ЯУ, характером изменения k в процессе перемещения стержней регулирования можно, как показывает практика, пренебречь. В связи с этим примем, что значение k изменяется во время перемещения стержней регулирования по линейному закону в интервале (30, Т1). Тогда k как функция времени представляется в следующем виде:
Поскольку значения v(0) и v(T2) измерены, то из формулы (2) следует
эфф
При известных значениях функции k(t) и известных начальных условиях в результате численного решения уравнений точечной кинетики вычисляем v(t) - интенсивность излучения нейтронов ЯУ как функцию, заданную в дискретном виде на отрезке [0-600]секунд. В соответствии с разработанным алгоритмом задается ряд значений k0 по формуле
j
T2
j
T
T+1
i
T2
i
T2
T2
эфф
T2
эфф
эфф
T1
T1
T1
T1
Для каждого значения k0 в результате численного решения уравнений точечной кинетики находится v(t) (Дж.Р.Кипин. Физические основы кинетики ядерных реакторов, стр.299-300, перевод с английского, Атомиздат, 1967 г.) и значения параметра (C)=(v+v+..v....v)j, где слагаемое v равно значению функции v(t) при t=i секунд от начала измерений. Компьютерная программа из 101 расчетных значений параметра (C) выберет тот, который имеет наименьшее отличие по абсолютной величине от экспериментального значения параметра S, определит значение индекса j и искомое значение k0, рассчитанное по формуле (5). Эти значения k0 определяют по результатам измерений скоростей счета каждого детектора нейтронов. В соответствии с существующей практикой за итоговое значение k принимают максимальное значение из ряда измеренных с помощью нескольких детекторов. Если компьютерная программа по результатам измерений S не найдет значения k0 в диапазоне (0.99-0.95), то будет выдано сообщение k>0.99 или k>0.95.
эфф
эфф
В подтверждение возможности проведения оценок подкритичности в заявленном диапазоне значений k предложенным способом проведено численное моделирование эксперимента для случаев ввода и вывода стержней регулирования. Значения функции k(t) задавались в виде соотношения (3) при k0=0.97. Задавались также начало перемещения стержней регулирования 30 секунд, останов при Т1=35 секунд, k1=0.95 для моделирования ввода стержней регулирования и k1=0.99 для моделирования вывода.
эфф
Моделирование заключалось, во-первых, в формировании 2-х исходных массивов чисел, являющихся решением уравнений точечной кинетики при заданных значениях функции k(1) и имитирующих массив экспериментальных данных. Один массив чисел являлся имитацией перемещения стержней регулирования на ввод, другой - на вывод. Для большей общности в эти исходные массивы чисел вносились некоторые возмущения.
На фиг.1 и 4 представлены результаты вычислений функции v(t) в интервале (0,100) секунд до начала перемещения стержней регулирования, во время перемещения и после останова.
На фиг.2 и 5 представлены результаты этих же вычислений функции v(t) в интервале (35, 135) секунд, т.е. после останова стержней регулирования.
j
j
T2
T2
T2
T2
T1
T1
T1
T1
На фиг.1, 2, 4, 5 в виде точек представлены исходные массивы чисел. При реализации алгоритма обработки данных образуются 202 массива чисел, являвшихся результатами решений уравнений точечной кинетики. Для наглядности показаны в виде линий результаты вычислений только при значениях k0, равных 0.95, 0.97, 0.99, на фиг.1, 4 и при значениях k0, равных 0.95, 0.96, 0.97, 0.98, 0.99, на фиг.2, 5. Исходные массивы чисел были использованы для вычислений 2-х параметров S (на ввод или вывод.) В соответствии с алгоритмом обработки данных рассчитаны соответствующие параметры (С)j на ввод или вывод. Компьютерная программа из расчетных значений параметра (C) выбрала тот, который имеет наименьшее отличие по абсолютной величине от значения параметра S, определила значения индекса j=50 (в обоих вариантах моделирования, как на ввод, так и на вывод) и искомое значение k0=0.97, рассчитанное по формуле (5).
T1
T2
На фиг.3 и 6 представлены значения параметров (C) при вводе и выводе стержней регулирования соответственно как функции от k0.
эфф
эфф
j
j
эфф
Из представленного графического материала, в частности, следует, что по мере увеличения степени подкритичности ЯУ определение k способом-прототипом становится все более проблематичным. При этом определение k, соответствующего требованиям действующих нормативных и руководящих документов по ядерной безопасности, предложенным способом всегда возможно, поскольку всегда возможно в процессе обработки данных подобрать такое искомое значение k0, при котором экспериментальные данные наилучшим образом аппроксимируются расчетной функцией v(t) независимо от величины k в исходном состоянии ЯУ.