СПОСОБ И КАНАЛ ОБНАРУЖЕНИЯ КИПЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ РЕАКТОРА ВВЭР
METHOD AND CHANNEL OF DETECTION OF HEAT CARRIER BOILING IN REACTOR CORE OF WWPR

Изобретение относится к ядерной энергетике и позволяет осуществлять контроль кипения и плотности теплоносителя в разных состояниях реактора.
Известно техническое решение:
RU 2032235, МПК 6 G21C 17/038. Способ контроля кипения натрия в активной зоне ядерного реактора.
Сущность изобретения: измеряют импульсные акустические сигналы в трех точках, расположенных на периферии активной зоны выше головок тепловыделяющих сборок симметрично относительно ее центра. Проводят дискриминацию измеренных импульсов по амплитуде от фоновых акустических шумов. По наличию импульсов с точек контроля за промежуток времени t=l/V, где l - максимальное расстояние между датчиками; V - скорость акустического сигнала в натрии, судят о закипании натрия. Проводят сопоставление измеренных временных интервалов между импульсами с табличными значениями для каждой тепловыделяющей сборки и определяют место закипания натрия.
Указанное решение предназначено для обнаружения кипения натрия в качестве теплоносителя, не учитывает особенности обнаружения кипения теплоносителя - воды в реакторах типа ВВЭР и не позволяет, соответственно, уточнить реальные условия теплосъема в конкретной активной зоне, более точно определить проектные пределы более напряженных активных зон для реакторов типа ВВЭР.
Также известно решение:
RU (11) 2063653, МПК 6 G21C 17/00. Детектор кипения теплоносителя на поверхности твэла в активной зоне ядерного реактора.
Детектор кипения является детектором прямого заряда, в котором в качестве эмиттера электронов использован сердечник твэла, а в качестве коллектора электронов, изолированные секции, размещенные вокруг твэла. Одна из секций коллектора электронов непосредственно примыкает к оболочке твэла, а между другими секциями и оболочкой имеется зазор, внутри которого находится слой теплоносителя, факт кипения которого или его плотность устанавливаются.
Однако известное решение также не позволяет применить его в реакторах ВВЭР, для которых не допускается помещать на стенки твэла посторонние элементы или вводить элементы в межтвэльное пространство из-за ухудшения теплосъема, что, соответственно, не позволяет своевременно обнаружить кипение теплоносителя в активной зоне реактора и оперативно обеспечить предотвращение ухудшения теплообмена, уточнить реальные условия теплосъема в конкретной активной зоне, более точно определить проектные пределы более напряженных активных зон. Наиболее близким к заявленному является решение: SU 865024 А1, МПК 5 G21C 17/038.
Устройство для диагностики кипения теплоносителя в активной зоне ядерного реактора, содержащее детектор нейтронов, полосовой фильтр, блок сравнения, средства диагностики кипения, блок нелинейного преобразования, блок дифференцирования, первый и второй блоки определения дисперсии сигнала, блок деления.
В указанном решении предложен только канал с элементами обработки сигнала, но не указан способ обнаружения кипения теплоносителя в активной зоне реактора. Предложенный в заявке канал отличается от предлагаемого тем, что требуется только заявленное разрешение регистрации изменения нейтронного потока до 0,001% при номинальной мощности реактора в заданной полосе частот. При этом можно применять любой известный метод обработки переменной части сигнала детектора нейтронов. Также предложенный канал отличается тем, что он измеряет и постоянную составляющую сигнала, пропорциональную нейтронному потоку, значение которой требует предложенный способ.
При длительном кипении теплоносителя в активной зоне ядерного реактора происходит формирование отложений, что приводит к существенному ухудшению теплообмена. Кроме этого при кипении, в порах оболочки ТВЭЛ накапливаются активные примеси (литий, хлор, фтор), которые усиливают скорость коррозии сплава циркония с 1% ниобия. Контроль момента возникновения кипения теплоносителя позволит уточнить реальные условия теплосъема в конкретной активной зоне и точнее определять проектные пределы более напряженных активных зон.
То есть в известном решении не обеспечены в должной мере своевременное обнаружение кипения теплоносителя в активной зоне реактора, предотвращение ухудшения теплообмена, накопление активных примесей (литий, хлор, фтор), усиливающих скорость коррозии сплава циркония с 1% ниобия, уточнение реальных условий теплосъема в конкретной активной зоне, более точное определение проектных пределов более напряженных активных зон.
Таким образом, технической задачей предложенного решения является своевременное обнаружение кипения теплоносителя в активной зоне реактора, предотвращение ухудшения теплообмена, накопления активных примесей (литий, хлор, фтор), усиливающих скорость коррозии сплава циркония с 1% ниобия, уточнение реальных условий теплосъема в конкретной активной зоне, более точное определение проектных пределов более напряженных активных зон для реакторов типа ВВЭР.
Решение указанной технической задачи обеспечивает использование предлагаемой совокупности существенных признаков.
Способ обнаружения кипения теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР, включающий оценку флуктуации нейтронного потока, обработку и выделение сигналов детекторов с заданными параметрами, причем флуктуации нейтронного потока, обработку и выделение сигналов детекторов с заданными параметрами оценивают по высоте контролируемой тепловыделяющей сборки (ТВС) с учетом соответствующих компенсаций, рассчитанных по показаниям всех сборок ДН по отношению к флуктуациям нейтронного потока на входе в эту ТВС, флуктуации нейтронного потока дополнительно регистрируют, собранными в определенном порядке по высоте ТВС и равномерно распределенными в активной зоне реактора, составляющими измерительный канал, датчиками, причем при регистрации флуктуации нейтронного потока обеспечивают разрешение не более 0,001% при номинальной мощности реактора, при этом для выделения сигнала в месте расположения чувствительной части детектора компенсируют паразитные сигналы и подавляют сигналы, связанные с промышленными наводками, заданные параметры обрабатываемых сигналов устанавливают в частотном диапазоне от 0,1 Гц до 8 Гц и передают обработанные сигналы в вычислительный комплекс для их дальнейшей обработки, обеспечивающей выявление наличия кипения теплоносителя.
Канал обнаружения кипения теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР, включающий детекторы нейтронов, полосовой фильтр для выделения частотного диапазона, характерного для диагностики кипения, блоки обработки сигнала, причем детекторы нейтронов выполнены в виде датчиков прямой зарядки с чувствительным элементом из родия, равномерно распределены по высоте контролируемой тепловыделяющей сборки (ТВС) и на входе в эту ТВС, причем параметры обрабатываемых сигналов установлены в частотном диапазоне от 0.1 Гц до 8 Гц, блоки обработки сигнала снабжены средствами регистрации постоянной составляющей сигнала детектора, пропорциональной нейтронному потоку и средствами регистрации переменной составляющей пропорциональной изменению нейтронного потока, имеющими разрешение не более 0,001% при номинальной мощности реактора, средствами компенсации паразитных сигналов для выделения сигнала в месте расположения чувствительной части детектора, средствами подавления сигналов, связанных с промышленными наводками, средствами преобразования аналогового сигнала в цифровой код для передачи сигнала в вычислительный комплекс для анализа.
Предлагаемое техническое решение основано на оценке изменения относительной чувствительности флуктуации нейтронного потока по высоте контролируемой тепловыделяющей сборки (ТВС) к флуктуациям параметров теплоносителя, с учетом соответствующих компенсаций, рассчитанных по показаниям всех сборок ДН. Флуктуации нейтронного потока по высоте контролируемой ТВС оцениваются по отношению к флуктуациям нейтронного потока на входе в эту ТВС. При возникновении кипения теплоносителя существенно меняется относительная чувствительность флуктуации нейтронного потока в области парообразования к флуктуациям параметров теплоносителя. Превышение относительного значения флуктуации нейтронного потока заданного предела определяет парообразование в контролируемой ТВС. Флуктуации нейтронного потока регистрируются датчиками нейтронов (ДН), способными регистрировать флуктуации нейтронного потока в диапазоне частот примерно до 8 Гц. Датчики должны быть расположены в определенном порядке по высоте ТВС в сборке датчиков. Сборки датчиков должны быть по возможности равномерно распределены в активной зоне реактора. Штатное расположение датчиков нейтронов в активной зоне ВВЭР подходит для этого способа обнаружения кипения теплоносителя.
За счет различных факторов таких как:
- вращения лопаток главных циркуляционных насосов (ГЦН);
- различной температуры петель теплоносителя холодных ниток 1-го контура;
- неоднородности перемешивания теплоносителя в нижней камере смешения;
- акустических волн и т.п.,
в теплоносителе всегда есть флуктуации свойств теплоносителя. Эти флуктуации приводят к флуктуации плотности теплоносителя в активной зоне и, за счет этого, к флуктуации нейтронного потока в ТВС. Флуктуации нейтронного потока зависят от флуктуации плотности теплоносителя за счет изменения замедляющих свойств теплоносителя.
Величины флуктуации нейтронного потока зависят от:
- величины нейтронного потока;
- выгорания ТВС;
- чувствительности и выгорания датчика нейтронов; соотношения колебаний и величин амплитуды разных параметров теплоносителя (расход, температура, давление) и т.д. Амплитуда флуктуации нейтронного потока пропорциональна средней величине нейтронного потока. Флуктуации нейтронного потока определяются переменной составляющей тока ДН, а средняя величина нейтронного потока определяется основной составляющей тока ДН. В качестве оценочного параметра флуктуации теплоносителя выбрано значение среднеквадратичного отклонения переменной составляющей тока ДН, приведенное к усредненному току ДН. Все значения определяются на интервале анализа.
Амплитуда флуктуаций нейтронного потока, без кипения теплоносителя изменяется по высоте ТВС. Это изменение зависит от соотношения амплитуд, фаз колебаний температуры, давления и расхода теплоносителя. Эти соотношения не имеют существенных различий на входе во все ТВС активной зоны в анализируемом диапазоне частот. Так как оценивается относительная чувствительность нейтронного потока по высоте тепловыделяющей сборки к нижней части ТВС, то постоянно вводится соответствующая компенсация, рассчитанная по показаниям всех сборок ДН.
При возникновении парообразования относительная чувствительность нейтронного потока по высоте тепловыделяющей сборки к нижней части ТВС существенно меняется. Флюктуации параметров теплоносителя и вызванные ими деформации аксиального профиля энерговыделения приводят к высотному дрейфу границ начала и окончания парообразования, что приводит к росту нелинейности изменения плотности теплоносителя с наступлением кипения. Амплитуда колебаний плотности теплоносителя, вызванных флюктуациями его параметров, при парообразовании существенно возрастает, в результате чего чувствительность нейтронного потока, регистрируемого датчиком, к флюктуациям параметров теплоносителя увеличивается.
Таким образом, локальное увеличение относительной чувствительности шума нейтронного потока к флюктуациям параметров теплоносителя служит сигналом наличия кипения теплоносителя.
Для осуществления указанного способа обнаружения кипения теплоносителя подходит измерительный канал, включающий детекторы нейтронов, измерительную аппаратуру и средства предварительной обработки сигнала.
В предлагаемом измерительном канале в качестве детекторов могут использоваться датчики прямой зарядки с чувствительным элементом из родия (ДПЗ), применяемые в штатных системах контроля активной зоны.
Канал должен обеспечивать регистрацию постоянной составляющей сигнала детектора, пропорциональной нейтронному потоку, и регистрацию переменной составляющей, пропорциональной изменению нейтронного потока до 0,001% при номинальной мощности реактора. Измерительный канал должен обеспечивать компенсацию паразитных сигналов для выделения сигнала в месте расположения чувствительной части детектора. В измерительном канале должны подавляться сигналы, связанные с промышленными наводками. Для выделения частотного диапазона, характерного для диагностики кипения, измерительный канал должен содержать полосовой фильтр. Для передачи сигнала в вычислительный комплекс для анализа канал должен обеспечить преобразование аналогового сигнала в цифровой код.
Следует отметить, что приведенная в качестве примера на Фиг.1 структура измерительного канала, поясняет конкретное решение, но, при обеспечении необходимых характеристик, может иметь структуру, отличающуюся от приведенной графики.
Предложенное решение поясняется графически.
На Фиг.1 представлена схема измерительного канала (канал обнаружения кипения теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР).
На Фиг.2 представлена иллюстрация метода диагностики кипения теплоносителя.
На представленных чертежах (Фиг.1, Фиг.2) позициями обозначены:
1 - детекторы нейтронов;
2 - дифференциальный усилитель;
3 - аналого-цифровой преобразователь постоянной компоненты сигнала;
4 - фильтр высоких частот;
5 - усилитель сигнала;
6 - режекторный фильтр;
7 - усилитель сигнала;
8 - полосовой фильтр;
9 - усилитель сигнала;
10 - аналого-цифровой преобразователь переменной компоненты сигнала;
11 - блоки обработки сигнала;
12 - значения динамических пределов, рассчитанных для каждого обработанного сигнала детектора, на момент анализа состояния активной зоны;
13 - момент превышения динамических пределов;
14 - значения анализируемых величин, полученных с помощью обработки переменой и постоянной составляющих сигналов детекторов (для ТВ С-2 два набора значений);
15 - значения кривой аппроксимации анализируемых величин в местах расположения ДПЗ;
16 - значения анализируемых величин на входе в ТВС, относительно которых оценивается относительная чувствительность;
17 - допустимые пределы анализируемых величин на входе в ТВС, рассчитанные на момент анализа состояния активной зоны.
Также на Фиг.2 показаны:
ТВС-1, ТВС-2 - условные обозначения различных графиков.
В соответствии с предложенным решением
детекторы нейтронов 1 выполнены в виде датчиков прямой зарядки с чувствительным элементом из родия и равномерно распределены по высоте контролируемой тепловыделяющей сборки,
дифференциальный усилитель 2 сигнала детектора обеспечивает компенсацию паразитных сигналов и усиление сигнала,
аналого-цифровой преобразователь 3 обеспечивает обработку постоянной составляющей сигнала детектора, которая пропорциональна нейтронному потоку, фильтр высоких частот 4 служит для удаления постоянной составляющей сигнала детектора,
подавление сигналов, связанных с промышленными наводками, обеспечивает режекторный фильтр 6,
полосовой фильтр 8 предназначен для выделения частотного диапазона, характерного для диагностики кипения и дополнительного подавления промышленных наводок,
дополнительный аналого-цифровой преобразователь 10 обеспечивает обработку переменной составляющей сигнала детектора,
блоки обработки сигнала 11 образуют вычислительный комплекс внутри реакторной шумовой диагностики - ВКВРШД, принимающий данные реакторной установки, оцифрованные значения постоянной и переменной составляющих сигналов детекторов для анализа и диагностики кипения.
При этом, как указывалось ранее, канал обработки переменной составляющей сигнала, пропорционального изменению нейтронного потока, имеет разрешение не более 0,001%, при номинальной мощности реактора.