Способ контроля технического состояния датчика прямого заряда системы внутриреакторного контроля ядерного реактора
METHOD FOR MONITORING THE TECHNICAL CONDITION OF THE DIRECT CHARGE SENSOR OF THE IN-REACTOR CONTROL SYSTEM OF A NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности, к системам внутриреакторного контроля ядерных реакторов, и предназначено для технического диагностирования датчиков прямого заряда (ДПЗ).
Известен способ контроля технического состояния ДПЗ, основанный на определении сопротивления изоляции измерительного кабеля системы регистрации выходного сигнала датчика, уменьшение которого до определенной величины приводит к тому, что датчик считается находящимся в технически неисправном (неработоспособном) состоянии [Мительман М. Г. и др. Детекторы для внутриреакторных измерений энерговыделения. М. Атомиздат, 1997 г.].
Сопротивление изоляции измерительного кабеля может определяться разными методами. Одним из них является метод, когда сопротивление тока утечки устанавливается с помощью измерительной схемы, включающей дополнительный источник напряжения с величиной ЭДС ~ 100 мВ. При этом рассматриваются два режима работы измерительной цепи, позволяющие определить сопротивление тока утечки [Система контроля для обнаружения состояний датчика. Пат. Российская Федерация 13281 / Грибов А. А. и др. Опубл. 27.03.00. Бюл. “Изобретения. Полезные модели”. №2 (часть II). С. 347-348].
Недостатком такого способа является отсутствие информации о техническом состоянии основного элемента ДПЗ - эмиттера датчика, который теряет свою генерирующую способность по мере выгорания ядер - источников  - частиц при облучении их в нейтронном поле ядерного реактора. Следствием этого является уменьшение выходного сигнала детектора в условиях одинакового нейтронного потока. Однако при измерении выходного тока датчика на основе данного метода непонятно, за счет изменения каких параметров измерительной цепи датчика, происходит уменьшение выходного сигнала: либо за счет уменьшения генерирующей способности эмиттера (уменьшения его чувствительности), либо за счет уменьшения сопротивления изоляции измерительного кабеля, вследствие чего происходит возрастание тока утечки.
Для устранения этого недостатка был предложен способ, выбранный авторами в качестве ближайшего аналога и представленный в работе авторов [Панкин А.М., Коровкин Н.В. Диагностические признаки при контроле технического состояния ДПЗ ядерного реактора // Атомная энергия, 2017, т. 122, вып. 4. С. 235-238].
При реализации указанного способа появляется возможность отслеживать изменение технического состояния самого датчика и после того, как генерирующая способность эмиттера приблизится к минимальному значению, датчик должен быть выведен из режима нормальной эксплуатации. Минимальное значение определяется на основе анализа соотношения между полезным сигналом датчика и шумовым сигналом, генерируемым в измерительной цепи.
Реализация способа выполняется в двух статических режимах работы измерительной цепи датчика, в которых получается измерительная информация, позволяющая определить два диагностических признаков электрической цепи ДПЗ: мощности источника электрического тока и проводимости изоляции измерительного кабеля датчика, формирующей ток утечки.
Для этого в штатном режиме работы датчика используется измерительная схема, представленная на фиг. 1.
0
6
3
4
5
6
0
На представленной схеме: ДПЗ в виде источника тока с параметрами J, R; C – емкость кабеля измерительной цепи; R – резистор, необходимый для обеспечения диагностического режима работы; R – нагрузочное сопротивление, через которое протекает измеряемый ток датчика; R – сопротивление изоляции кабеля измерительного канала; R – внутреннее сопротивление датчика; J – ток датчика на внутреннем участке цепи, обусловленный основными носителями заряда (-частицы).
Нумерация ветвей схемы измерительной цепи представлена в соответствии с принятым в теоретической технике подходом в предположении, что в дальнейшем в схеме будет введен еще один элемент в виде емкости кабеля измерительной цепи C (динамический режим), который в статических режимах не рассматривается.
R
4
На основе законов Кирхгофа и уравнений элементов цепи может быть записана система алгебраических уравнений (1), которая используется для определения расчетным путем тока , который протекает через нагрузочное сопротивление  и может быть измерен в процессе диагностирования:
;        ,                              (1)
3
5
6
где  - ток через резистор R,  - ток через сопротивление R,  - ток через сопротивление R,
3
4
5
0
- напряжение на резисторе R,  - напряжение на сопротивлении R,   - напряжение на сопротивлении R,  - напряжение на выводах источнике тока J.
После решения системы (1) выражение для измеряемого тока может быть представлено в виде:
.                                                 (2)
Введены величины:
Обозначим измеряемый в этом статическом режиме ток как , т.е. .
Для создания еще одного статического режима используем цепь, электрическая схема которой представлена на фиг. 2 и аналогичный вариант которой был использован в работе [Система контроля для обнаружения состояний датчика. Пат. Российская Федерация 13281 / Грибов А. А. и др. Опубл. 27.03.00. Бюл. “Изобретения. Полезные модели”. №2 (часть II). С. 347-348].
В соответствии со схемой, в цепь датчика в какой-то момент времени путем замыкания ключа  включается источник напряжения, имеющий ЭДС, равную  и внутреннее сопротивление .
R
4
После завершения переходного процесса, обусловленного наличием в цепи датчика реактивных элементов (паразитные емкости кабеля и, возможно, других дополнительных элементов цепи), в электрической цепи диагностического режима установится стационарный (статический) режим. При этом через нагрузочное сопротивление  потечет электрический ток , имеющий значение, отличное от того, которое было получено для случая схемы основного режима датчика. Это значение, также как и в основном режиме, должно быть измерено.
Для новой цепи системы алгебраических уравнений, аналогичные ранее представленным в виде (1), запишутся в виде (3):
;        .                              (3)
R
4
Также как и в случае системы (1), используем систему (3) для расчетного определения тока , который протекает через нагрузочное сопротивление  и может быть измерен. Расчетное значение определяется по формуле:
.                                  (4)
Обозначим измеряемый во втором статическом режиме ток как , т.е. .
Решение системы двух совместных уравнений (2) и (4) относительно неизвестных величин  и , как это выполнено в работе [Панкин А.М., Коровкин Н.В. Диагностические признаки при контроле технического состояния ДПЗ ядерного реактора // Атомная энергия, 2017, т. 122, вып. 4. С. 235-238], позволяет определить эти диагностические признаки в статическом режиме.
Недостатком ближайшего аналога является отсутствие возможности отслеживать изменение чувствительности датчика к нейтронному потоку во время кампании ядерного реактора, поскольку в течении этого времени величина нейтронного потока в месте расположения датчика может изменяться, а генерирующая способность эмиттера должна сравниваться при одинаковом нейтронном потоке.
Для устранения указанного недостатка в заявляемом способе предлагается одновременно с определением генерирующей способности эмиттера в момент проведения диагностических измерений определять (измерять или вычислять) величину нейтронного потока в месте расположения датчика. Помимо этого, на основе той же измерительной схемы, предлагается получать еще одну величину - оценку емкости измерительной цепи.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в предложении способа, позволяющего расширить круг диагностических признаков технического объекта в виде измерительной цепи детектора, включающей, помимо отдельных элементов схемы, и его основную часть - эмиттер - частиц. Основным диагностическим параметром детектора следует считать чувствительность датчика к потоку нейтронов в месте расположения датчика. Эту характеристику предлагается определять на основе генерирующей способности эмиттера .
R
C
R
E
R
4
4
4
Сущность способа контроля технического состояния датчика прямого заряда системы внутриреакторного контроля ядерного реактора заключается в том, что датчик включают в систему получения внутриреакторной информации по схеме замещения измерительной цепи датчика в диагностическом динамическом режиме (фиг. 3) при разомкнутом положении ключа ; измеряют величину тока через нагрузочный резистор , т.е. ; замыкают ключ , после чего в электрической цепи детектора начинается переходный процесс, обусловленный наличием электрической емкости кабеля измерительной цепи ; затем измеряют величину тока через нагрузочный резистор  как функцию времени, т.е. ; после завершения переходного процесса в электрической цепи детектора, вызванного включением дополнительного источника ЭДС , измеряют новое установившееся значение тока через нагрузочный резистор  , т.е. ; по измеренным значениям токов в статических режимах  и  на основе формул: ;
находят величины диагностических признаков  и , затем по измеренному значению в динамическом режиме тока , с учетом интервала дискретизации, по формулам:
C
Ф
Ф
находят величины   и  , которые затем используют для нахождения 3 -го диагностического признака измерительной цепи в виде емкости кабеля, затем измеряют или вычисляют величину нейтронного потока  на момент проведения диагностических измерений в месте нахождения датчика; по вычисленному значению генерирующей способности эмиттера  и величине нейтронного потока  находят значение чувствительности датчика , по значениям ,  оценивают значение тока утечки в штатном режиме работы датчика, определенное ранее полученной величиной , и, с учетом возможной погрешности измерения тока  через нагрузочный резистор схемы основной измерительной цепи, делают вывод о возможности дальнейшего использования датчика и при необходимости осуществляют его замену.
0
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого способа состоит в отслеживании уменьшения чувствительности детектора в процессе кампании ядерного реактора, что позволяет выводить датчик из эксплуатации при достижении минимально допустимого значения величины чувствительности датчика к потоку нейтронов. Следующий результат заключается в том, что определение емкости измерительной цепи позволяет отслеживать изменение нейтронного потока в переходных режимах работы ядерного реактора. В этих режимах величина J будет функцией от времени из-за изменения нейтронного потока, а величина выходного тока датчика ()  зависит от величины емкости измерительной цепи датчика. Таким образом, появляется возможность использования датчика в переходных режимах работы ядерного реактора, что в традиционных схемах использования активационных ДПЗ не рассматривалось.
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
- Эквивалентная электрическая схема замещения измерительной цепи датчика в основном статическом режиме (фиг. 1);
- Эквивалентная электрическая схема замещения измерительной цепи датчика в диагностическом статическом режиме (фиг. 2);
- Эквивалентная электрическая схема замещения измерительной цепи датчика в диагностическом динамическом режиме (фиг. 3);
R
E
4
- График зависимости тока через нагрузочное сопротивление  при включении и выключении дополнительного источника ЭДС (фиг. 4);
R
E
4
- График зависимости тока через нагрузочное сопротивление  в статических и динамических режимах при изменении полярности дополнительного источника ЭДС (фиг. 5);
- График зависимости между током нагрузки цепи и током эмиттера ДПЗ (фиг. 6).
Величина потока нейтронов должна быть известна в начале эксплуатации ДПЗ либо по результатам экспериментальных исследований, либо по выходному току нового (невыгоревшего) датчика по его заданной (номинальной) чувствительности. При проведении повторных диагностических измерений находится также относительное изменение величины потока нейтронов по сравнению с первоначальным значением на основе расчетных или экспериментальных результатов. Таким образом, в процессе эксплуатации датчика контролируется изменение его чувствительности, а также выполняется оценка запаса работоспособности датчика при его приближении к предельному состоянию, после чего эксплуатацию ДПЗ должна быть прекращена.
k
В предлагаемом методе рассматривается получение информации в статическом и динамическом режимах работы измерительной цепи ДПЗ. Это позволяет расширить круг определяемых диагностических параметров контролируемого детектора. В качестве динамического режима предлагается использовать переходный процесс в измерительной цепи датчика по схеме, представленной на фиг. 3, который получается при включении источника ЭДС замыканием ключа .
Экспериментальная информация, получаемая при включении и выключении дополнительного источника ЭДС, представлена на фиг.4 и фиг.5.
4
По измерительной информации, снимаемой с нагрузочного сопротивления R в динамическом режиме, предлагается определять емкость кабеля измерительной цепи C. При недопустимом изменении этой величины в процессе работы ядерного реактора может иметь место пробой изоляции измерительного кабеля и потеря работоспособности детектора нейтронов в виде ДПЗ.
Для определения величины C может быть записана система алгебраических и дифференциальных уравнений, полученная по аналогии с системами (1) и (3):
,                     (5)
где  - напряжение на емкости C,  - ток через емкость C.
C
В эту систему входит измеряемая как функция от времени в переходном процессе величина тока . Для нахождения величины  необходимо на основе системы (6) найти величины   и  .
(6)
Для этих величин были получены формулы:
,                  (7)
t
, t
, t
,...., t
, t
1
2
3
n
n
+1
где  - величина проводимости равная , а величина  находится по формуле . Остальные величины были определены выше. После этого величина емкости C находится по формуле , которая в случае проведения численных расчетов по результатам измерения тока  в моменты времени ,  т.е. получения  зависимости , записывается в виде выражения:
.                        (8)
Таким образом, на основе знания измеренных значений токовых величин и некоторых параметров измерительной цепи датчика в статическом и динамическом режимах могут быть идентифицированы структурные параметры электрической цепи, отнесенные к разряду диагностических признаков ДПЗ.
Контроль технического состояния объекта диагностирования. После того как получены численные значения диагностических признаков ДПЗ задача диагностирования решается на основе допускового контроля. При этом полученные значения сравниваются с предельно допустимыми значениями, определенными конструктором данного изделия для области работоспособных состояний. Так, например, для случая источника тока величина тока, проходящего по цепи нагрузки, должна быть заметной на фоне токов, обусловленных источниками помех.
Для определения допустимых значений параметров измерительной цепи ДПЗ предлагается использование расчетов по совместной системе уравнений (1), (3), (5). При этом может быть снят ряд ограничений, введенных ранее в традиционных методах контроля ДПЗ [Система контроля для обнаружения состояний датчика. Пат. Российская Федерация 13281 / Грибов А. А. и др. Опубл. 27.03.00. Бюл. “Изобретения. Полезные модели”. №2 (часть II). С. 347-348].
В качестве примера можно рассматривать изменение допустимых ограничений по параметру  сопротивления изоляции измерительной цепи. Проведенные расчеты по указанным системам уравнений показывают, что прежнее ограничение по параметру  () можно существенно изменить в сторону допустимого уменьшения этой величины, что значительно расширяет область работоспособности датчика.
R
J
4
0
Оставшееся ограничение для этого параметра будет связано лишь с требуемой точностью измерения величины полезного тока  через нагрузочное сопротивление . Объясняется это тем, что основным контролируемым параметром является величина тока , генерируемого эмиттером ДПЗ, которая не зависит (в отличие от тока ) от параметров схемы линии связи.
J
0
На фиг. 6 представлено отношение измеряемого тока  к величине тока в зависимости от сопротивления для тока утечки . Две представленные на графике кривые относятся к двум статическим режимам измерительной цепи датчика: штатному и диагностическому.
Определение нейтронного потока в месте нахождения датчика. Для нахождения чувствительности детектора к нейтронному потоку необходимо после нахождения токового сигнала определить величину нейтронного потока, при котором этот сигнал был получен. Для этого в активной зоне ядерного реактора проводятся измерения с использованием активационных индикаторов после, обработки которых определяется абсолютное значение нейтронного потока вблизи датчика. При этом чувствительность датчика определяется по формуле , где  - ток эмиттера датчика, - поток
нейтронов в месте расположения датчика.
Известно, что измерения абсолютных значений физических величин представляют достаточно трудоемкие процедуры, поэтому в данном способе предполагается расчетно-экспериментальное определение относительных значений нейтронного потока в предположении, что для начала кампании реактора известно абсолютное значение нейтронного потока в месте расположения датчика, которое может быть определено по заданной чувствительности датчика с невыгоревшим эмиттером.
Способ контроля технического состояния датчика реализуют в следующей последовательности:
1. Включают датчик в систему получения внутриреакторной информации по схеме, представленной на фиг. 3 при разомкнутом положении ключа ;
R
4
2. Измеряют величину тока через нагрузочный резистор  , т.е. ;
C
3. В схеме фиг. 3 замыкают ключ и в электрической цепи детектора начинается переходный процесс, обусловленный наличием электрической емкости кабеля измерительной цепи ;
R
4
4. Измеряют величину тока через нагрузочный резистор  как функцию времени, т.е. ;
E
R
4
5. После завершения переходного процесса в электрической цепи детектора, вызванного включением дополнительного источника ЭДС , измеряют новое установившееся значение тока через нагрузочный резистор  , т.е. ;
6. По измеренным значениям токов в статических режимах  и  на основе формул (2), (4) находят величины диагностических признаков  и  [Панкин А.М., Коровкин Н.В. Диагностические признаки при контроле технического состояния ДПЗ ядерного реактора // Атомная энергия, 2017, т. 122, вып. 4. С. 235-238];
C.
7. По измеренному значению в динамическом режиме тока , с учетом интервала дискретизации, по формулам (7) находят величины   и  , которые затем используют для нахождения 3 -го диагностического признака измерительной цепи в виде емкости кабеля
Ф
8. Измеряют или вычисляют величину нейтронного потока  на момент проведения диагностических измерений в месте нахождения датчика;
Ф
9. По вычисленному значению генерирующей способности эмиттера  и величине нейтронного потока  находят значение чувствительности датчика .
10. По значениям ,  оценивают значение тока утечки в штатном режиме работы датчика, определенное ранее полученной величиной , и делают вывод о возможности дальнейшего использования датчика (фиг. 4) с учетом возможной погрешности измерения тока  через нагрузочный резистор схемы основной измерительной цепи (фиг. 1).
6
2
На основе проведенных расчетов, представленных на фиг. 6, показано, что предлагаемый способ позволяет расширить диапазон использования измерительной цепи ДПЗ по измерению сопротивлению изоляции измерительного кабеля от величины ~ 10 Ом, рассматриваемой в традиционном методе контроля [Система контроля для обнаружения состояний датчика. Пат. Российская Федерация 13281 / Грибов А. А. и др. Опубл. 27.03.00. Бюл. “Изобретения. Полезные модели”. №2 (часть II). С. 347-348], до величины ~10 Ом. После дальнейшего уменьшения этой величины датчик выводится из режима нормальной эксплуатации из-за значительного повышения погрешности получения расчетно-экспериментальных величин по системам (2), (4), (5).
Пример реализации способа, основанного на динамическом режиме электрической цепи, представлен на фиг. 4 и фиг. 5, на которых представлены величины измеренных токов для нескольких датчиков ДПЗ, включаемых по схеме фиг. 3.