Способ калибровки импульсного канала реактиметра
METHOD FOR CALIBRATION OF THE PULSE CHANNEL OF THE REACTIMETER

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.
6
-1
-13
-7
-9
4
-1
Схемотехнические решения, реализуемые в импульсных каналах реактиметров, позволяют поднять верхнюю границу импульсного диапазона до значений скорости счета, равных (2-4)⋅10 с, что, например, для ИК КНК15-1 при величине среднего заряда в импульсе 1,5⋅10 Кл, соответствует значению тока в токовом диапазоне, равному приблизительно 5,5⋅10 А. Нижняя граница токового диапазона ограничена значениями (4-6)⋅10 А, что соответствует значению скорости счета в импульсном диапазоне, равному приблизительно 5⋅10 с.
4
-1
6
-1
-9
-7
Таким образом, аппаратная часть реактиметров обеспечивает более 1-й декады перекрытия между импульсным и токовым диапазонами измерений: от 5⋅10 с до (2-4)⋅10 с в импульсном режиме и от (1-2)⋅10 А до 5,5⋅10 А в токовом.
5
-1
6
-1
6
-1
5
-1
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)⋅10 с, 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⋅10 с до 2⋅10 с), при этом наблюдаются «срывы» вычисления реактивности (см. Фиг. 1). В диапазоне от 0,1 до (1-3)⋅10 с эффект наложения импульсов практически отсутствует.
-9
-3
-8
-3
-8
-3
Передаточная характеристика токового канала реактиметра, с относительной погрешностью не более 3-4%, линейна в диапазоне 10-10 А. Условия проведения НФИ на ЯР заметно сужают указанный диапазон до 10-10 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 10-10 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.
-1
6
-1
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 до (1-2)⋅10 с 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:
0
- в момент времени t, 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,
к
- фиксируют момент времени t, 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:
0
к
- в интервале времени от t до t 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,
1
- в выбранной области фиксируют момент времени t, когда ток импульсной камеры в 3-5 раз меньше значения, при котором реактиметр переходит в токовый режим работы,
1
к
- затем, в интервале времени от t до t 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:
i
1
К
j
1
1
К
где ΔN(t) - значение величины относительного отклонения показаний калибруемого импульсного канала от расчетного значения в интервале времени от t до t, t=t, t+i⋅dt, …, t; i=1, 2, …; dt - отсчеты времени;
изм
i
1
К
N(t) - показания калибруемого импульсного канала в диапазоне временной шкалы от t до t, с-1,
pacч
i
1
К
N(t) - расчетное значение скорости счета в интервале времени от t до t, с-1,
i
Δ
изм
изм
1
изм
К
- после чего, полученные значения ΔN(t) аппроксимируют функцией зависимости величины относительных отклонений от показаний калибруемого импульсного канала в виде ΔN=ƒ(N), которую в диапазоне скорости счета от N(t) до N(t) используют для корректировки показаний калибруемого импульсного канала по формуле:
вых
изм
где N=ƒ(N) - корректировочная характеристика просчетов импульсов;
Δ
изм
ВХ
изм
1
изм
к
изм
1
вых
изм
ƒ(N) - функция, определяющая величину просчетов импульсов при различных значениях загрузки измерительного канала N в диапазоне скорости счета от N(t) до N(t), а в диапазоне скорости счета до N(t)-N=N.
0
к
0
к
Вычисление значений реактивности по импульсному и токовому каналам в интервале времени от t до t может быть выполнено путем решения обращенного решения уравнений кинетики ЯР, а для вычисления расчетных значений скорости счета Nрасч в интервале времени от t до t, в частности, может быть использовано рекуррентное соотношение:
j
0
0
К
где t=t, t+j⋅dt, …, t; j=1, 2, …; dt - отсчеты времени;
i
λ - постоянная распада ядер-предшественников запаздывающих нейтронов i-й группы;
j
1
причем для моментов времени (t<t) принята нормировка:
j
1
для моментов времени (t≥t):
i
β - полная доля запаздывающих нейтронов; β - доля запаздывающих нейтронов i-й группы нейтронов;
изм
j
j
N(t) - скорость счета импульсного канала в момент t;
изм
j
изм
j
j
ρ (N(t)) - реактивность, вычисленная на основе скорости счета N(t) по импульсному каналу в момент t;
j
j
j
ρ (I(t)) - реактивность, вычисленная на основе регистрации тока I(t) по токовому каналу в момент t.
расч
j
1
pacч
j
pacч
j
Кроме этого, для определения N(t) для моментов времени (t≥t) принимают значения N(t) и реактивности ρ (N(t) 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:
5
-1
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 10 с;
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.
0
К
И
К
к
0
К
1
И-К
1
1
К
i
i
1
К
изм
i
Δ
изм
изм
i
изм
К
изм
1
вых
изм
-7
5 с-1
-8
-8
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 t, 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, когда ток ИК, по крайней мере, в 1,3-2 раза больше значения, при котором реактиметр переходит в токовый режим работы t- (для указанной ИК и измерителя «Фаворит» моменту времени t соответствует ток детектора нейтронов приблизительно 2,4⋅10 А). Далее, в интервале времени от t до t 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 и силы тока I=(3-5)⋅10 А. В выбранной области фиксируют момент времени t, когда ток ИК в 3-5 раз меньше значения, при котором реактиметр переходит в токовый режим работы t (при использовании указанной ИК и измерителя «Фаворит» моменту времени t соответствует ток детектора нейтронов приблизительно 4⋅10 А). В интервале времени от t до t 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). Полученные значения ΔN(t) в диапазоне времени от t до t аппроксимируют функцией зависимости величины относительных отклонений от показаний калибруемого импульсного канала N(t) в виде ΔN=ƒ(N), которую затем, в диапазоне скорости счета от N(t) до N(t), используют для корректировки показаний калибруемого импульсного канала по формуле (2), а в диапазоне скорости счета до N(t)-N=N.
расч
j
1
расч
j
расч
j
При осуществлении способа калибровки для определения N(t) для моментов времени (t≥t) также могут быть приняты значения N(t) и реактивности ρ (N(t)); полученные путем расчетного моделирования эксперимента с имитацией условий его проведения: моделируется изменение ППН в активной зоне ЯР и в месте расположения ИК.
©
6
-1
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⋅10 с.
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».