СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕАКТИВНОСТИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
MEASUREMENT METHOD OF NUCLEAR REACTOR REACTIVITY

Изобретение относится к области реакторных измерений и может быть использовано в системах контроля и управления ядерных реакторов.
В процессе пуска ядерного реактора, вывода его на минимально контролируемый уровень мощности, работе реактора на мощности, а также при нейтронно-физических измерениях, периодически проводимых во время кампании с целью определения текущих характеристик ядерного реактора, измеряется его реактивность в динамических режимах. С развитием цифровой техники среди большого количества способов измерения реактивности особое место заняли способы измерения реактивности с помощью цифровых реактиметров в связи с целым рядом их преимуществ, таких как быстродействие и возможность визуализации процессов в режиме «он-лайн». Одним из основных требований, предъявляемых к работе реактиметра является обеспечение измерения реактивности в максимально широком диапазоне мощности ядерного реактора, начиная от заглушенного состояния до 100% мощности. Это возможно только при использовании импульсно-токового режима работы реактиметра. Важным требованием, предъявляемым к работе реактиметра в данном режиме, является отсутствие срывов процесса вычисления реактивности из-за скачкообразного изменения сигнала с камеры деления при переходах из импульсного в токовый режим и обратно.
Известен способ измерения реактивности ядерного реактора с помощью цифрового реактиметра, описанный в [Сарыров В.Н., Воскресенский Ф.Ф., Горбунов А.П. Цифровые реактиметры. Атомная техника за рубежом. 1979 г. №11, с.19, рис.1]. При этом способе сигналы с камеры деления преобразуются в ток, затем по изменению тока во времени путем решения обращенного уравнения кинетики реактора производится вычисление реактивности, Недостатком этого способа является узкий динамический диапазон и низкая помехозащищенность.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ измерения реактивности ядерного реактора, реализованный с помощью цифрового реактиметра [Патент №2193245, опубл. 20.11.2002, Бюл. №32], при котором сигналы с камеры деления преобразуются в физический параметр, затем по изменению во времени величины этого параметра, путем решения обращенного уравнения кинетики реактора, производится вычисление реактивности, причем при малых уровнях мощности ядерного реактора в качестве физического параметра используется скорость счета импульсов тока камеры деления, а при высоких уровнях - ток камеры деления. В этом способе по сравнению с аналогом расширен динамический диапазон реактиметра за счет использования импульсно-токового режима. Однако недостатком такого способа является возможность срыва вычисления реактивности из-за скачкообразного изменения сигнала с камеры деления в момент перехода из импульсного в токовый режим и обратно с сопутствующей потерей информации о состоянии ядерного реактора в этот момент.
Задачей изобретения является повышение надежности контроля состояния ядерного реактора.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого способа в цифровом реактиметре, заключается в существенном снижении вероятности срывов процесса вычисления реактивности из-за скачкообразного изменения сигнала с камеры деления при работе в импульсно-токовом режиме и, как следствие, в повышении надежности контроля состояния ядерного реактора.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения реактивности ядерного реактора, при котором сигналы с камеры деления преобразуют в физический параметр, затем по изменению во времени величины этого параметра, путем решения обращенного уравнения кинетики реактора, с помощью цифрового реактиметра производят вычисление реактивности, причем при малых уровнях мощности ядерного реактора в качестве физического параметра используют скорость счета импульсов тока камеры деления (импульсный режим работы реактиметра), а при высоких уровнях - ток камеры деления (токовый режим работы реактиметра), согласно изобретению сначала производят предварительную настройку реактиметра, заключающуюся в том, что при повторном пуске реактора, производимом после снижения его мощности до уровня N, соответствующего импульсному режиму работы реактиметра, при котором доля взаимных наложений импульсов незначительна, поочередно переключают реактиметр в импульсный и токовый режимы работы, измеряют соответствующие значения скорости счета импульсов тока камеры деления и тока камеры деления, затем вычисляют величину тока, определяемого нейтронами, по формуле
н
I=AFq,
где F - измеренная скорость счета импульсов тока камеры деления;
q - средний заряд в импульсе тока камеры деления;
А - нормировочный коэффициент,
н
и вводят частичную обратную компенсацию измеренного тока таким образом, чтобы на уровне мощности N обеспечивалось равенство измеренного тока току I, при этом частичную обратную компенсацию обеспечивают путем подачи противотока на токовый вход реактиметра одновременно с током камеры деления или посредством математического вычитания противотока из измеренного тока при обработке сигнала в цифровом канале реактиметра, далее вычисление реактивности в токовом режиме производят по скомпенсированному току.
В предлагаемом способе учитывается тот факт, что при работе реактиметра в импульсном режиме используется лишь часть заряда, образующегося в объеме камеры деления за счет ионизации газа при комплексном воздействии на него осколков деления радиатора, образующихся при взаимодействии с нейтронами, альфа-частиц и гамма-излучения реактора и конструкционных материалов. Это происходит по двум причинам, во-первых, быстродействующий усилитель импульсов тока (спектрометрический усилитель), входящий в состав реактиметра, собирает только «быструю» электронную составляющую заряда, которая не учитывает «медленную» ионную составляющую. Во-вторых, дискриминатором реактиметра, предназначенным для отсечки помех, вместе с помехами на входе спектрометрического усилителя отсекаются импульсы тока камеры деления с малой амплитудой. В то же время, в токовом режиме используется полный заряд, образующийся в объеме камеры деления за счет всех перечисленных факторов. Для того чтобы правильно вычислять реактивность в токовом режиме, необходимо использовать в расчетах только ту часть тока камеры деления, которая обусловлена нейтронным потоком ядерного реактора, в противном случае будет происходить срыв вычисления реактивности из-за скачкообразного изменения сигнала с камеры деления при переходе из импульсного в токовый режим и обратно ввиду того, что динамика изменения измеряемого параметра (которая и определяет, в конечном итоге, вычисляемую реактивность) в импульсном режиме будет определяться только нейтронным потоком, а в токовом режиме (в прототипе) еще и перечисленными выше факторами ионизации газа в камере деления. Для правильного учета тока камеры деления при вычислении реактивности в описываемом способе предлагается рассчитывать величину тока камеры деления, определяемого нейтронами, по формуле
н
I=AFq,
где F - измеренная скорость счета импульсов тока камеры деления
q - средний заряд в импульсе тока камеры деления;
А - нормировочный коэффициент, учитывающий неполный сбор заряда и его дискриминационную отсечку.
Способ осуществляется следующим образом.
и
и
5
Подают на импульсный и токовый входы цифрового реактиметра сигнал с камеры деления, расположенной вблизи активной зоны ядерного реактора. Снижают мощность работающего реактора до уровня, при котором в реактиметре обеспечивается реализация импульсного режима (τ*F<<1, где τ - длительность импульса тока камеры деления), при этом необходимо, чтобы доля взаимных наложений импульсов была незначительна. Например, при характерной длительности импульса тока камеры деления 150 нс и выбранной скорости счета 10 имп./с вероятность взаимных наложений импульсов не превышает 2,8% в соответствии с формулой, приведенной в [В.Ф.Борисов и др. «Анализ выбросов пуассоновского случайного процесса». Вопросы атомной науки и техники, серия физика и техника ядерных реакторов, выпуск 5, с.28, 30 1988 г.]:
1
где P - вероятность появления одиночного импульса;
н
P - вероятность появления наложенных импульсов.
н
н
н
5
-13
-8
-7
-7
-7
-7
-7
При выбранной в соответствии со сказанным скорости счета рассчитывают величину тока, определяемого нейтронами, по формуле I=AFq, принимая предварительно величину нормировочного коэффициента на уровне А=2,2. Этим учитывается потеря половины заряда в импульсном режиме [В.П.Алферов и др. «Эксплуатационные характеристики ионизационной камеры деления КНК-15» Вопросы атомной науки и техники, серия физика и техника ядерных реакторов, контроль и управление, вып.5, 1984 г.] и, примерно, 20-процентная потеря заряда за счет отсечки дискриминатором импульсов малой амплитуды. Например, при загрузке 10 имп./с и среднем заряде в импульсе 2*10 К величина нейтронного тока составит 4,4*10 А. Переключают реактиметр в токовый режим и измеряют величину тока камеры деления. Поскольку, как отмечалось ранее, камера деления собирает полный заряд, образующийся в ней за счет всех факторов ионизации, а не только заряд, определяемый нейтронным потоком, то измеряемый ток будет превышать рассчитанный ток I на некоторую величину и составит, например, 2*10 А. Вычитают из измеренного тока рассчитанный ток I и получают значение тока ΔI=2*10-0,44*10=1,56*10 А, подлежащее компенсации. Создают на входе токового (электрометрического) усилителя противоток Iпр, равный по величине току ΔI и обратный по знаку измеренному току (в рассматриваемом случае Iпр=-1,56*10 А), либо вводят в цифровой реактиметр оцифрованное значение противотока Iпр и производят математическое вычитание противотока из измеренного тока. Далее, при работе реактиметра в токовом режиме производят вычисление реактивности по полученному скомпенсированному току. В случае, если при переходе из импульсного в токовый режим скачок реактивности не устраняется полностью, корректируют коэффициент А, добиваясь отсутствия этого скачка.
Таким образом, при реализации предложенного способа существенно повышается надежность контроля состояния ядерного реактора при его работе в динамическом режиме за счет исключения причин, приводящих к срыву процесса вычисления реактивности из-за скачкообразного изменения сигнала с камеры деления при переходах из импульсного в токовый режим и обратно.
В части, касающейся практической реализации компенсации малых токов, подходы к созданию маломощных источников тока с заданными выходными параметрами известны (см., например, В. С.Гутников Интегральная электроника в измерительных устройствах, 2-е издание, Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.70-74), что гарантирует возможность создания с их помощью противотоков с требуемыми характеристиками во внешнем измерительном устройстве (электрометрическом усилителе реактиметра). Альтернативный вариант компенсации посредством математического вычитания также не встречает технических трудностей, поскольку способы математической обработки цифровых кодов общеизвестны.