УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МЕЖКАНАЛЬНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ В РЕАКТОРЕ С ВОДОЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
DEVICE TO DIAGNOSE INTERCHANNEL INSTABILITY IN REACTOR WITH PRESSURISED WATER

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к области контроля теплоносителя в активной зоне реактора, и предназначено для контроля возникновения межканальной неустойчивости (регулярных пульсаций расхода) в активной зоне реактора в режиме реального времени, и может быть использовано при управлении реакторами с водой под давлением.
Известны устройства контроля возникновения межканальной неустойчивости посредством измерения расхода теплоносителя в ТВС (Митенков Ф.М., Моторов Б.И., Кутьин Л.Н., Самойлов О.Б. Устойчивость подкипающих аппаратов. - М.: Энергоиздат, 1981, Гл.7.6, рис.30).
В числе недостатков известных устройств:
- высокая стоимость изготовления и последующей утилизации расходомеров, сложность их внутриреакторного размещения для обеспечения контроля всех ТВС активной зоны;
- появление дополнительных радиоактивных отходов вследствие загрязнения всех внутриреакторных элементов.
Наиболее близким по технической сущности является устройство [SU 865024 A1, G21C 17/038 от 30.04.1980], предназначенное для контроля кипения в реакторе путем выделения (методом полосовой фильтрации) в сигнале нейтронного шума периодической составляющей, имеющей характерную частоту, известную из экспериментальных данных (имеющей нелинейную зависимость от нейтронной мощности реактора). В данном устройстве формирование диагностического признака осуществляется по отношению дисперсии производной сигнала к дисперсии самого сигнала.
n
N
Известное устройство позволяет диагностировать кипение теплоносителя в активной зоне, но не позволяет установить момент возникновения межканальной неустойчивости, т.к. возникновение межканальной неустойчивости характеризуется появлением в спектре сигнала нейтронной мощности не одной гармоники, а гармонического ряда f , появляющегося вследствие сложения пульсаций расхода при нахождении температуры теплоносителя в нелинейной области зависимости плотности от энтальпии теплоносителя (вблизи точки кипения):
n
N
G
∈[1,k]
f =n·f/n, где
n
N
G
f  - информативный гармонический ряд в спектре сигнала нейтронной мощности (N), содержащий n-количество субгармоник, кратных основной частоте межканальных колебаний расхода f (область определения n от 1 до k),
G
f - частота межканальных колебаний расхода (основная частота);
k - число анализируемых устройством гармоник; конкретное значение k определяется характером задач диагностики;
G
n - индекс порядкового номера гармоники (кратности основной частоте f).
G
При этом основная частота f зависит от уровня мощности реактора и оценивается по формуле:
G
(N)
f=1/τ, где
(N)
τ - время прохода теплоносителя по необогреваемым участкам ТВС.
При этом в указанном гармоническом ряду амплитуду, превышающую уровень шумов, может иметь не основная гармоника, а одна или несколько из субгармоник ряда, что определяется заранее непредсказуемыми условиями возникновения межканальной неустойчивости: количеством и условиями взаимного расположения реализовавшихся центров локального подкипания.
Контроль момента возникновения межканальной неустойчивости (пульсаций расхода и, соответственно, температур теплоносителя и топлива в ТВС) позволяет уточнить реальные условия теплосъема в реакторе (диагностировать появление центров локального подкипания в активной зоне), точнее определить проектные условия эксплуатации. Важность контроля обусловлена необходимостью обеспечения теплотехнической и ресурсной надежности ТВС.
Техническая задача - создание устройства диагностирования момента межканальной неустойчивости. Решение поставленной задачи позволяет повысить теплотехническую и ресурсную надежность ТВС.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее детектор нейтронов, полосовой фильтр частотной дискриминации и блок сравнения, дополнительно введены блок вычисления мощности, блок вычисления спектра сигнала мощности, блок вычисления сдвига полос фильтрации, блок определения уровня дискриминации систематического шумового сигнала, фильтр амплитудной дискриминации, канал определения уровня дискриминации переменного шумового сигнала, система управления реактора, причем выход детектора нейтронов соединен со входом блока вычисления мощности, выходы которого соединены с управляющим входом блока вычисления сдвига полос фильтрации и входом блока вычисления спектра сигнала мощности, выход последнего соединен со входом фильтра частотной дискриминации, а выход блока вычисления сдвига полос фильтрации соединен с управляющим входом фильтра частотной дискриминации, выход которого соединен со входом фильтра амплитудной дискриминации, при этом выход канала определения переменного шумового сигнала соединен с первым управляющим входом фильтра амплитудной дискриминации, а выход блока определения уровня дискриминации систематического шумового сигнала соединен со вторым управляющим входом фильтра амплитудной дискриминации, выход которого соединен со входом блока сравнения, а выход блока сравнения соединен со входом системы управления реактора, информационный выход которой соединен с управляющим входом блока определения уровня дискриминации систематического шумового сигнала.
Функциональная блок-схема Устройства диагностирования межканальной неустойчивости в реакторе с водой под давлением приведена на фиг.1.
На фиг.2 приведена зависимость амплитуды гармоник нейтронного спектра от частоты спектра.
Устройство содержит детектор нейтронов 1, выход которого соединен со входом блока вычисления мощности 2, выходы которого соединены с управляющим входом блока вычисления сдвига полос фильтрации 5 и входом блока 3 вычисления спектра сигнала мощности, выход последнего соединен со входом фильтра 4 частотной дискриминации, а выход блока вычисления сдвига полос фильтрации 5 соединен с управляющим входом фильтра частотной дискриминации 4, выход которого соединен со входом фильтра амплитудной дискриминации 7, при этом выход канала определения переменного шумового сигнала 8 соединен с первым управляющим входом фильтра амплитудной дискриминации 7, а выход блока определения уровня дискриминации систематического шумового сигнала 6 соединен со вторым управляющим входом фильтра амплитудной дискриминации 7, выход которого соединен со входом блока сравнения 9, а выход блока сравнения 9 соединен со входом системы управления реактора 10, информационный выход которой соединен с управляющим входом блока определения уровня дискриминации систематического шумового сигнала 6.
Устройство работает следующим образом.
n
N
G
Сигнал с выхода нейтронного детектора 1 подается на вход блока вычисления мощности 2, где происходит формирование сигнала нейтронной мощности, который в блоке 3 разлагается в частотный спектр. Полученный спектр нейтронной мощности проходит через фильтр 4, который выделяет области частот, где могут находиться гармоники, характеризующие межканальную неустойчивость (выделяется гармонический ряд f  с частотой основной гармоники, равной частоте межканальных колебаний расхода f). Разрешающая способность выделения гармонического ряда определяется способом вычисления спектра, частоты оцифровки и длительности выборки анализируемого сигнала, что при соответствующем выборе на практике позволяет обеспечить ширину полос выделения ~0,01 Гц.
G
При этом основная частота f зависит от уровня мощности реактора и оценивается по формуле:
G
(N)
f=1/τ, где
(N)
τ - время прохода теплоносителя по необогреваемым участкам ТВС.
G
(N)
G
G
G
N
n
Для каждого типа реакторов определяется функциональная зависимость f от уровня мощности через известную зависимость τ от уровня мощности реактора. В соответствии с зависимостью f от уровня мощности в блоке 5 вычисляется сдвиг полос фильтрации Δf, пропорциональный разнице текущего и номинального значения мощности, в фильтре 4 полосы фильтрации сдвигаются на вычисленное значение Δf. Далее, фильтром 7 в спектре сигнала мощности подавляется шумовая часть спектра сигнала мощности, имеющая две составляющие. Первая, заранее известная (систематическая), имеющая место при нормальной работе реактора. В общем случае для различных режимов работы реактора она может быть разной. Учет этого осуществляется в блоке определения уровня дискриминации систематического шумового сигнала 6, на управляющий вход которого поступает признак текущего режима работы реактора с информационного выхода системы управления 10. Значение первой (систематической) составляющей определяется экспериментально при нормальной работе реактора. Вторая (переменная) составляющая, возникающая при различного рода электромагнитных аппаратных наводках и помехах, вследствие заранее непредсказуемых причин (изменения режимов работы аппаратуры, переключений источников питания и др). Значение второй составляющей определяется в канале определения уровня дискриминации переменного шумового сигнала 8, который объединяет весь измерительный тракт за исключением собственно Детектора нейтронов 1. Выделение гармонического ряда на фоне шумов методом амплитудно-частотной дискриминации иллюстрируется фиг.2. На выходе блока сравнения 9 формируется диагностирующий сигнал "Возникновение межканальной неустойчивости" при появлении на выходе фильтра 7 положительного сигнала, что возможно в случае преодоления амплитудами гармонического ряда f  амплитудно-частотной дискриминации.
Таким образом, введение новых элементов, позволяющих с высокой разрешающей способностью выделять гармонический ряд (с известной частотой основной гармоники), характеризующий возникновение межканальной неустойчивости, дает положительный эффект - обеспечивает контроль возникновения межканальной неустойчивости.
Возможность контроля возникновения межканальной неустойчивости позволяет определять длительность работы активной зоны в условиях неустойчивости, что является важным показателем оценки ресурсных и теплотехнических характеристик ТВС, а также позволяет оценивать характер развития неустойчивости для выработки необходимых алгоритмов управления, исключающих ее развитие путем изменения режимных параметров (температуры, давления и т.д.). Поскольку контроль мощности в современных ядерных реакторах осуществляется с представлением измеренного сигнала в цифровом формате, данное устройство может быть легко интегрировано в систему управления реактором без создания каких-то дополнительных аппаратных блоков (т.к. детекторы нейтронов и блоки вычисления мощности присутствуют во всех системах контроля реакторов), а лишь путем реализации соответствующего программного обеспечения цифровой обработки сигнала нейтронной мощности, что позволяет решать проблему контроля межканальной неустойчивости предельно экономично.