УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА ПО ПРЕВЫШЕНИЮ МОЩНОСТИ
DEVICE FOR PROTECTION OF THE NUCLEAR REACTOR AGAINST OVERPOWERING

Изобретение относится к ядерной технике, в частности, к области контроля функционирования и защиты ядерных установок. Оно может быть использовано в составе системы управления и зашиты (СУЗ) ядерного реактора для контроля мощности и аварийной защиты по превышению мощности с фиксированными уставками в режимах ручного и автоматического регулирований мощности.
Аварийная защита ядерного реактора предназначена для предупреждения, ликвидации или ограничения развития аварийных ситуаций. Предварительная защита позволяет ликвидировать условия, приводящие к аварийной ситуации. Точность и быстродействие выработки аварийного и предупредительного сигналов по превышению мощности являются важными характеристиками СУЗ ядерного реактора.
-11
-4
Известно устройство для защиты ядерного реактора по превышению мощности по авторскому свидетельству SU 705903 (JI.C. Васильева, B.C. Графов, B.C. Крестьянкин, В.В. Кульбицкая, публик. 30.05.1987, Бюл. №30), содержащее измеритель мощности, блок сравнения, задатчик уставок аварийных сигналов, блок формирования аварийного сигнала, в состав которого входят триггер аварийной защиты и исполнительное реле, и индикатор пределов измерения. Выходное напряжение измерителя мощности на каждом пределе измерения изменяется от нуля до постоянного значения, поэтому возможно срабатывание блока сравнения на каждом пределе измерения при условии, что выходное напряжение измерителя мощности превысит выставленное значение уставки. Причем обеспечено автоматическое переключение пределов измерения мощности при ее нарастании. Измеряемый ток может меняться на восемь порядков - от 10 А до 10 А. Один предел измерения в приборе соответствует одному порядку измерения тока на входе измерителя мощности.
Недостаток устройства заключается в том, что для перехода на другой предел измерения электрометрическому усилителю необходимо время, равное длительности его переходного процесса. Для предотвращения ложного срабатывания в этом промежутке времени устройство не ведет измерений и не вырабатывает аварийных сигналов, что снижает быстродействие срабатывания аварийной защиты, уменьшает его надежность.
Данная проблема может быть решена использованием в качестве измерителя мощности логарифмического усилителя, который является безынерционным измерителем, не требует переключения пределов измерения, преобразуя токовый сигнал в значения напряжения по логарифмическому закону.
Также устройство для зашиты ядерного реактора по превышению мощности по авторскому свидетельству SU 705903 не имеет в своем составе блока формирования предупредительного сигнала, что ограничивает его функциональные возможности и область его применения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности и количеству сходных признаков является устройство для защиты ядерного реактора по превышению мощности по авторскому свидетельству SU 755050 (Г.П. Юркевич, публик. 15.10.1984, Бюл. №38). Устройство содержит измеритель мощности, формирователи предупредительного и аварийного сигналов, задатчик уставок предупредительных и аварийных сигналов, коммутаторы, блоки сравнения, схемы И, схемы ИЛИ, задатчики поддиапазонов, кнопку, источник опорного напряжения, дополнительный блок сравнения и задатчик регулятора. В устройстве выходы двух блоков сравнения соединены с входами соответствующих двух схем ИЛИ, выходы которых подключены к входам формирователей предупредительного и аварийного сигналов. Первый вход дополнительного блока сравнения связан с выходом измерителя мощности, а второй вход соединен с выходом источника опорного напряжения.
Принцип функционирования устройства заключается в подключении уставок аварийных сигналов, соответствующих текущему диапазону измерения мощности, к блокам сравнения при помощи коммутаторов, задатчика регулятора, схем И и ИЛИ. Устройство работает при ручном и автоматическом режимах регулирования мощности.
Основной недостаток устройства заключается в том, что при переключении уставок аварийных сигналов в случае перехода на другой диапазон измерения мощности может возникать ложное срабатывание устройства из-за возможных помех, возникающих при переключении уставок, и из-за времени, которое тратится на переключение, что приводит к недостаточной надежности аварийной защиты реактора. Данный недостаток можно исключить введением блока задержки в формирователи предупредительного и аварийного сигналов, что приведет к снижению быстродействия устройства.
Также устройство для защиты ядерного реактора по превышению мощности по авторскому свидетельству SU 755050 не предусмотрено для эксплуатации в импульсном режиме работы реактора, что ограничивает его функциональное применение.
Техническая задача заявляемого изобретения заключается в создании универсального автономного устройства для защиты ядерного реактора по превышению мощности с улучшенными характеристиками и расширенными функциональными возможностями с целью повышения надежности и безопасности функционирования ядерного реактора.
Технический результат устройства заключается в повышении быстродействия срабатывания аварийной зашиты за счет усовершенствования схемы устройства и изменения принципа его работы. Дополнительным техническим результатом являются увеличение точности срабатывания аварийной защиты, повышение информативности и расширение области применения устройства, его функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для защиты ядерного реактора по превышению мощности, включающем измеритель мощности, задатчик уставок предупредительных и аварийных сигналов, два блока сравнения сигнала измеренной мощности, две схемы ИЛИ, формирователи предупредительного и аварийного сигналов, источник опорного напряжения, дополнительный блок сравнения сигнала измеренной мощности, причем выходы двух блоков сравнения соединены с входами соответствующих двух схем ИЛИ, выходы которых подключены к входам формирователей предупредительного и аварийного сигналов, первый вход дополнительного блока сравнения связан с выходом измерителя мощности, а второй его вход соединен с выходом источника опорного напряжения, новым является то, что в состав устройства введен аналоговый коммутатор сигнала измеренной мощности, выходы которого соединены с первыми входами компараторов блоков сравнения, при этом вторые входы компараторов блоков сравнения подключены к выходам задатчика уставок аварийных и предупредительных сигналов, вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, задатчик уставок аварийных и предупредительных сигналов оснащен потенциометрами, выход дополнительного блока сравнения подключен к первому входу первой схемы ИЛИ, в свою очередь, первый вход аналогового коммутатора сигнала измеренной мощности соединен с выходом измерителя мощности, а второй вход подключен к блоку управления, выполненному на основе микроконтроллера с внутренней памятью и программным обеспечением, включающим выполнение функций вычисления значений физической мощности, энерговыделения, периода нарастания мощности ядерного реактора и их контроля в реальном масштабе времени, хранения результатов измерений и подачи сигнала измеренной мощности на входы блоков сравнения, при этом вход блока управления соединен с выходом многоразрядного аналого-цифрового преобразователя, вход которого подключен к выходу измерителя мощности.
Выполнение функций подачи сигнала измеренной мощности на входы блоков сравнения может осуществляться в автоматическом режиме или по командам от вычислительного устройства верхнего уровня, которое подключено через стандартный интерфейс связи. Дополнительно устройство может содержать формирователь аварийного, предупредительного и информационных сигналов, вход которого подключен к выходу блока управления.
Использование аналогового коммутатора сигнала измеренной мощности, введенного вместо задатчика регулятора и задатчика поддиапазонов, имеющих место в прототипе, вход которого соединен с выходом измерителя мощности, позволяет подавать сигнал измеренной мощности без временных задержек и помех на первые входы компараторов обоих блоков сравнения для сравнения с уставками аварийного и предупредительного сигналов, соответствующими текущему диапазону измерения мощности, при этом уставки постоянно подаются на вторые входы соответствующих компараторов обоих блоков сравнения с выходов задатчика уставок аварийных сигналов, а их значения настроены при помощи входящих в состав задатчика потенциометров на этапе ввода устройства в эксплуатацию, что приводит к повышению быстродействия и увеличению точности срабатывания аварийной защиты ядерного реактора.
Использование сигнала с выхода дополнительного блока сравнения, который подается непосредственно на первый вход первой схемы ИЛИ, для выработки аварийной уставки максимально допустимой мощности постоянно, без дополнительных коммутаций, приводит к повышению быстродействия и увеличению точности срабатывания аварийной защиты ядерного реактора.
Использование в составе устройства для защиты ядерного реактора по превышению мощности многоразрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для автоматического преобразования аналогового значения напряжения, пропорционального значению измеренной мощности, в цифровой код позволяет повысить быстродействие и точность срабатывания аварийной зашиты за счет повышения разрядности АЦП, а также повышает информативность устройства и расширяет область его применения, так как предоставляет возможность дополнительной обработки цифрового сигнала, пропорционального измеренной мощности, для измерения нейтронно-физических параметров ядерного реактора.
Использование блока управления, который выполнен на основе микроконтроллера с внутренней памятью и программным обеспечением, включающим выполнение функций подачи сигнала измеренной мощности на входы блоков сравнения, что может быть осуществлено в автоматическом режиме или по командам от вычислительного устройства верхнего уровня, вычислений значений физической мощности, энерговыделения, периода нарастания мощности ядерного реактора и их контроля в реальном масштабе времени, хранения результатов измерений, повышает быстродействие и точность срабатывания аварийной защиты, информативность устройства и расширяет область его применения за счет реализации расчетов и дополнительного контроля нейтронно-физических параметров ядерного реактора в реальном масштабе времени и простоты использования, так как данное устройство может работать автономно в автоматическом режиме.
Использование универсального интерфейса для подключения к вычислительному устройству верхнего уровня повышает информативность устройства и расширяет область его применения за счет передачи на верхний уровень измеренных значений физической мощности, энерговыделения, периода нарастания мощности ядерного реактора для анализа и контроля оператором.
Включение в состав устройства дополнительного формирователя аварийного, предупредительного и информационных сигналов, которое генерирует дополнительные аварийные, предупредительные и информационные сигналы в СУЗ реактора по мощности, энерговыделению, периоду изменения мощности на основе обрабатываемых в блоке управления данных, расширяет функциональные возможности устройства и область его применения.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема заявляемого устройства с подключаемыми и обслуживаемыми устройствами, содержащая следующие элементы:
1 - блок детектирования;
2 - биологическая защита;
3 - измеритель мощности;
4 - источник опорного напряжения;
5 - дополнительный блок сравнения;
6 - задатчик уставок предупредительных и аварийных сигналов;
1
N
7-7 - N уставок аварийного сигнала, где N≥1;
1
N
8-8 - N уставок предупредительного сигнала, где N≥1;
9 - аналоговый коммутатор сигнала измеренной мощности;
1
N
10-10 - N сигналов измеренной мощности, где N≥1;
11, 12 - блоки сравнения;
13, 14 - схемы ИЛИ;
15 - формирователь аварийного сигнала;
16 - формирователь предупредительного сигнала;
17 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
18 - блок управления;
19 - формирователь аварийного, предупредительного и информационных сигналов;
20 - стандартный интерфейс связи с вычислительным устройством верхнего уровня;
21 - устройство для защиты исследовательских ядерных установок по превышению мощности;
22 - СУЗ ядерного реактора;
23 - вычислительное устройство верхнего уровня.
Примером конкретного выполнения заявляемого изобретения может служить устройство для защиты ящерного реактора по превышению мощности (21), включающее измеритель мощности на основе логарифмического усилителя (3), вход которого через биологическую защиту (2) соединен с выходом блока детектирования на основе камеры деления (1), работающей в токовом режиме.
1
3
Выход измерителя мощности (3) подключен к первому входу дополнительного блока сравнения (5) аварийной уставки максимально допустимой мощности, выполненного на основе одного компаратора, к входу аналогового коммутатора (9) сигнала измеренной мощности (10-10) и к входу 24-разрядного АЦП (17).
1
3
Блоки сравнения (11) и (12) выполнены на основе трех компараторов каждый. Сигналы измеренной мощности (10-10) с выходов аналогового коммутатора (9) поступают на первые входы компараторов блоков сравнения (11) и (12).
1
3
1
3
Выход источника опорного напряжения (4) подсоединен ко второму входу дополнительного блока сравнения (5) аварийной уставки максимально допустимой мощности и к входу задатчика уставок предупредительных и аварийных сигналов (6), выполненного на основе потенциометров. Выходы задатчика (6) уставок аварийного сигнала (7-7) и уставок предупредительного сигнала (8-8) подключены ко вторым входам компараторов блоков сравнения (11) и (12), соответственно. Выходы дополнительного блока сравнения (5) и блока сравнения (11) соединены с входами схемы ИЛИ (13), сигнал с выхода которой поступает на вход формирователя аварийного сигнала (15) с выходным сигналом типа «сухой контакт». Выходы блока сравнения (12) соединены с входами схемы ИЛИ (13), сигнал с выхода которой поступает на вход формирователя предупредительного сигнала (16) с выходным сигналом типа «сухой контакт». Сигналы с выходов формирователей аварийного (15) и предупредительного (16) сигналов поступают непосредственно в СУЗ ядерного реактора (22).
Выход АЦП (17) соединен с входом блока управления (18), выполненного на основе микроконтроллера с внутренней памятью и программным обеспечением, выходы которого, в свою очередь, подключены к входу аналогового коммутатора сигнала измеренной мощности (9), к формирователю предупредительного, аварийного и информационных сигналов (19) с выходным сигналом типа «сухой контакт», который подсоединен к СУЗ реактора (22), и через преобразователь интерфейсов RS-485 (20) на основе микросхемы фирмы Analog Devices типа ADM2483 к вычислительному устройству верхнего уровня (23). которое может быть встроено в пульт управления реактора.
Устройство для защиты ядерного реактора по превышению мощности (21) работает следующим образом.
-11
-3
Токовый сигнал от блока детектирования (1) на основе камеры деления, работающей в токовом режиме (диапазон измеряемых токов - от 5,0⋅10 до 2⋅10 А), поступает на вход логарифмического усилителя измерителя мощности (3), который непрерывно преобразует токовый сигнал в значения напряжения по логарифмическому закону и не требует переключения диапазонов измерения.
1
3
1
3
Диапазон измерения физической мощности определяется чувствительностью камеры деления, используемой в качестве блока детектирования (1), и разбит в данной реализации на три поддиапазона. Для каждого поддиапазона устанавливаются значения физической мощности, при которых должны генерироваться предупредительный и аварийный сигналы. При настройке модуля в задатчике уставок предупредительных и аварийных сигналов (6) при помощи источника опорного напряжения (4) и потенциометров, входящих в состав задатчика (6), выставляются напряжения, пропорциональные уровням срабатывания предупредительной и аварийной сигнализаций для каждого поддиапазона мощности (три уставки аварийного сигнала и три уставки предупредительного сигнала). То есть уставки аварийного сигнала (7-7) и уставки предупредительного сигнала (8-8) представляют собой фиксированные значения стабилизированного напряжения, взятого в масштабе сигнала заданной мощности.
Выходное напряжение измерителя мощности (3), которое изменяется от 0 до 2,5 В, поступает на вход дополнительного блока сравнения (5), где постоянно сравнивается с напряжением источника опорного напряжения (4), которое является аварийной уставкой максимально допустимой мощности. В случае превышения максимальной аварийной уставки сигнал с выхода дополнительного блока сравнения (5) через схему ИЛИ (13) поступает на формирователь аварийного сигнала (15), где вырабатывается аварийный сигнал типа «сухой контакт», который передается в СУЗ ядерного реактора (22). Этим обеспечивается максимальное быстродействие при выработке аварийного сигнала при превышении максимально допустимой мощности, так как переключения не требуются, а сигнал напрямую подается в СУЗ.
i
i
i
i
Выходное напряжение измерителя мощности (3) подается также на вход аналогового коммутатора сигнала измеренной мощности (9) и на вход 24-разрядного АЦП (17), где преобразуется в цифровой код и считывается блоком управления (18). Блок управления (18) анализирует значение напряжения, считанное с АЦП, и подает команду аналоговому коммутатору сигнала измеренной мощности (9) подключить сигнал измеренной мощности (10) на второй вход тех компараторов из состава блоков сравнения (11) и (12), на первый вход которых подано напряжение уставок (7) и (8) от задатчика уставок предупредительных и аварийных сигналов (6), соответствующее текущему диапазону измерения мощности. То есть, работа устройства для защиты ядерного реактора по превышению мощности (21) основана не на переключении уставок в соответствии с пределом измерения, а на подаче сигнала измеренной мощности (10) на блоки сравнения (11), (12) для сравнения с нужной уставкой.
1
3
Подача сигнала измеренной мощности (10-10) при помощи аналогового коммутатора (9) на соответствующие входы компараторов блоков сравнения (11) и (12) может осуществляться блоком управления (18) в автоматическом режиме или в режиме ручного управления ядерным реактором.
i
i
i
i
В блоке сравнения (12) подключенный сигнал измеренной мощности сравнивается (10) с предупредительной уставкой (8), соответствующей текущему диапазону измерения мощности. При превышении сигналом измеренной мощности (10) значения предупредительной уставки (8) сигнал с выхода блока сравнения (12) через схему ИЛИ (14) поступает на формирователь предупредительного сигнала (16), где вырабатывается предупредительный сигнал типа «сухой контакт», который передается в СУЗ ядерного реактора (22).
i
i
i
i
В блоке сравнения (11) подключенный сигнал измеренной мощности (10) сравнивается с аварийной уставкой (7), соответствующей текущему диапазону измерения мощности. При превышении сигналом измеренной мощности (10) значения аварийной уставки (7), сигнал с выхода блока сравнения (11) через схему ИЛИ (13) поступает на формирователь аварийного сигнала (15), где вырабатывается аварийный сигнал типа «сухой контакт», который передается в СУЗ ядерного реактора (22).
Блок управления (18) при помощи программного обеспечения в реальном масштабе времени преобразует цифровой код напряжения сигнала измеренной мощности в нейтронно-физические параметры ядерного реактора - значения физической мощности, энерговыделения, периода нарастания мощности. Расчетные значения сохраняются во внутренней памяти блока управления (18), где также хранятся уставки для выработки дополнительных аварийных, предупредительных и информационных сигналов. Блок управления (18) сравнивает расчетные значения физической мощности, энерговыделения, периода нарастания мощности с заданными уставками и при несоблюдении условий сравнения выдает сигнал, поступающий на вход формирователя аварийного, предупредительного и информационных сигналов (19), где вырабатывается соответствующий сигнал типа «сухой контакт», который передается в СУЗ ядерного реактора (22).
1
3
Если устройство для защиты ядерного реактора по превышению мощности (21) подключено через преобразователь интерфейсов (20) к вычислительному устройству верхнего уровня (23), то блок управления (18) посылает измеренные значения напряжения, соответствующие сигналу измеренной мощности, и расчетные значения физической мощности, энерговыделения, периода нарастания мощности по запросу на вычислительное устройство верхнего уровня (23), которое может быть встроено в пульт управления СУЗ (22) ядерного реактора. Оператор может посылать команды с вычислительного устройства верхнего уровня (23) для управления подачей сигнала измеренной мощности (10-10) при помощи блока управления (18) и аналогового коммутатора (9) на соответствующие входы компараторов блоков сравнения (11) и (12) при ручном управлении ядерным реактором.
Таким образом, заявляемое устройство для защиты ядерного реактора по превышению мощности обладает высоким быстродействием формирования предупредительных и аварийных сигналов за счет аппаратной схемы реализации (задержка менее микросекунды), высокой точностью срабатывания аварийной и предупредительной защит за счет применения в схеме реализации 24-разрядного АЦП, расширенными информативностью и функциональностью за счет использования блока управления на основе микроконтроллера, где реализованы расчеты и дополнительного контроля нейтронно-физических параметров ядерного реактора в реальном масштабе времени. Использование универсального интерфейса для подключения к вычислительному устройству верхнего уровня также повышает информативность устройства и расширяет область его применения за счет передачи на верхний уровень измеренных значений физической мощности, энерговыделения, периода нарастания мощности ядерного реактора для контроля оператором.
Промышленная применимость предлагаемого изобретения определяется тем, что устройство для защиты ядерного реактора по превышению мощности может быть изготовлено по известной технологии из известных комплектующих изделий и материалов [Т.П. Юркевич. Система управления ядерными реакторами: Принципы работы и создания / Под редакцией академика РАН Н.С. Хлопкина. - 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЭЛЕКС-КМ, 2009 - 448 с] и использовано в составе СУЗ ядерного реактора для контроля мощности и аварийной защиты по превышению мощности с фиксированными уставками в режимах ручного и автоматического регулирований мощности.
Был изготовлен опытный образец устройства и испытан на реакторе БР-К1 (РФЯЦ-ВНИИЭФ) [Босамыкин B.C., Малинкин А.А., Колесов В.Ф. и др. Конструкция и физико-технические характеристики бустер-реактора БР-К1 // ВАНТ. Сер. Физика ядерных реакторов. 1996. Вып. 1. С. 3-12.] в импульсном, квазиимпульсном и статическом режимах его работы. Испытания подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого изобретения.