Способ определения расходов теплоносителя в каналах активной зоны ядерного реактора
METHOD OF DETERMINING HEAT CARRIER FLOW IN CHANNELS OF REACTOR CORE

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для определения расходов теплоносителя в каналах или тепловыделяющих сборках (ТВС) ядерных реакторов (преимущественно с жидкометаллическим теплоносителем) при их испытаниях и эксплуатации.
а
а
а
o
Известен способ определения расхода теплоносителя в канале ядерного реактора, предложенный в патенте №2477756, МКИ G21C 17/02, Франция, 1981 г., включающий измерение температуры теплоносителя на выходе из канала Т, потока нейтронов на середине высоты активной части топливного элемента Ф и временного сдвига между Т и Ф при флуктуациях (изменениях) последнего. Из смещения во времени (запаздывания) сигнала, пропорционального Т, относительно сигнала, пропорционального Ф, определяется время пробега теплоносителем расстояния от середины твэла до выходного сечения τ. По известному объему теплоносителя в канале между выходным и срединным сечениями V находится расход теплоносителя по каналу
, как
.
Недостатками этого способа являются:
1. Слабые сигналы, в заметной степени подверженные влиянию помех, что снижает точность конечного результата.
2. Необходимость применения малоинерционных термоприемников, других прецизионных измерительных устройств, имеющих обычно ограниченный ресурс работы.
o
3. Подверженность мерного объема V изменению из-за радиационных формоизменений твэлов в процессе эксплуатации реактора, что также является источником ошибок определения расхода.
4. Недостаточная эффективность способа применительно к определению поля расходов по сечению активной зоны, обусловленная тем, что при небольших возмущениях мощности реактора, создаваемых органами регулирования, взаимнокорреляционные функции мощности и температуры (используемые для определения временного сдвига) для отдельных каналов могут оказаться незначимыми из-за влияния на масштаб изменения мощности этих каналов различного рода локальных факторов (отравления, характера локального поля энерговыделения и проч.).
5. Невозможность использования способа для анализа полей скорости в областях активной зоны, обслуживаемых отдельными петлями теплообмена (ПТО), в реакторах с многопетлевой компоновкой.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ по а.с. №1841230, МКИ G21C 17/02, СССР, от 5 сентября 1984 г. Этот способ, включая технологические приемы предыдущего, отличается от него тем, что, с целью повышения его точности и эффективности, мощность реактора изменяют периодически при постоянном расходе теплоносителя или периодически изменяют расход теплоносителя при постоянной мощности с периодом изменения, превышающим сумму времен теплового запаздывания для элементов реактора, участвующих в теплообмене, и термоприемника.
В способе-прототипе масштаб возмущения (амплитуда) мощности реактора или расхода теплоносителя и число циклов динамического режима выбираются такими, чтобы обеспечить высокую степень значимости корреляционных функций и, соответственно, более высокую точность определения временного сдвига. Низкая частота изменения мощности (расхода), а следовательно, и температур создают возможность записи параметров реактора более надежными штатными измерительными средствами. Организация возмущения температурного поля путем изменения расхода теплоносителя варьированием оборотов насосов (одновременно или по отдельным ПТО) позволяет устранить недостатки предыдущего способа по пп. 4 и 5.
p
тп
тп
Вместе с тем способ-прототип сохраняет недостаток, присущий всем "термометрическим" способам измерения расхода: для его эффективной реализации необходимо знать величины показателей тепловой инерции термоприемников в конкретных пространственно-временных условиях их работы и с учетом возможных отклонений их размеров (массы) в пределах допусков (это особенно важно, если речь идет о развитой системе внутриреакторного контроля параметров). Получение подобных характеристик является весьма непростой технической задачей. Поэтому обычно ориентируются на некоторые средние показатели тепловой инерции термоприемников, определенные в лабораторных (внереакторных) условиях, что неблагоприятно сказывается на точности термометрических способов определения расхода. Так, при расчетной скорости теплоносителя в канале W=1 м/сек, длине активного участка твэлов
и предполагаемой величине показателя тепловой инерции термоприемника (постоянной времени термоприемника) τ≥3÷4 сек ошибка задания τ, равная ±10%, приводит к погрешности определения скорости (расхода) в канале реактора по времени пробега ≥ ±30÷40%. Целью изобретения является устранение отмеченного недостатка способа-прототипа, а именно повышение точности и эффективности способа путем определения показателей тепловой инерции термоприемников в каналах реактора в реальных условиях их работы. Для достижения указанной цели в способе, включающем измерение мощности реактора или расхода теплоносителя через реактор, температур теплоносителя на выходе из каналов, времени запаздывания между изменением мощности или расхода и изменением температур в режиме работы реактора с периодическим изменением мощности реактора или расхода теплоносителя через реактор с периодом изменения, превышающим сумму времен теплового запаздывания для элементов реактора, участвующих в теплообмене, и термоприемника, дополнительно измеряют максимальные или средние квадратические отклонения температур теплоносителя на выходе из каналов и максимальные или средние квадратические отклонения мощности реактора или расхода теплоносителя.
В способе-прототипе расход теплоносителя по каналу V определяется по соотношению
V=W·F,
W - скорость теплоносителя в канале,
F - площадь проходного сечения канала.
При этом W находится из выражения
.
Здесь
- длина активного участка твэла,
tr
τ - транспортное время теплового запаздывания,
тв
C - теплоемкость твэла,
тн
C - теплоемкость теплоносителя в канале.
tr
Для нахождения τ используется соотношение
которое получается из фазовой частотной характеристики φ(ω) реактора (канала), рассматриваемого как система с сосредоточенными параметрами, в случае низких частот периодического процесса возмущения параметров.
В выражениях (1), (2)
- время запаздывания между изменением мощности реактора или расхода теплоносителя через реактор и изменением температур теплоносителя на выходе из каналов,
тв
τ - время теплового запаздывания (постоянная времени) для твэла,
тп
τ - постоянная времени термоприемника,
ω - круговая частота циклического процесса.
(А.А. Шевяков, Р.В. Яковлева. Инженерные методы расчета динамики теплообменных аппаратов. "Машиностроение", М., 1968, стр. 117-125. А.Я. Крамеров, Я.В. Шевелев. Инженерные расчеты ядерных реакторов. "Энергоатомиздат", М., 1984, стр. 417-424, 433-434).
измеряется по сдвигу взаимнокорреляционной функции выходная температура - мощность или выходная температура - расход относительно автокорреляционной функции соответственно мощности или расхода.
тв
тв
тв
τ предполагается известным. Обычно τ мало по сравнению с суммой времен теплового запаздывания для элементов реактора, участвующих в теплообмене, включая термоприемник. Так, для твэла быстрого реактора БН-600 τ=2,0 сек, в то время как постоянная времени одной лишь штатной термопары попакетного контроля температуры теплоносителя составляет 20 сек.
тп
τ в способе-прототипе, как указывалось выше, также предполагается известным.
тп
т
т
N
N
Vp
Vp
т
т
N
N
Vp
Vp
В предлагаемом техническом решении τ определяется для конкретных условий работы термоприемников в ходе реализации самого способа определения расхода теплоносителя. Для этого измеряются максимальные А или средние квадратические σ отклонения температур теплоносителя на выходе из каналов и максимальные A или средние квадратические σ отклонения мощности реактора (при изменении расхода теплоносителя - соответственно A и σ). Полученные значения A(σ) и A(σ) или A(σ) используются как компоненты амплитудно-частотной характеристики реактора (ТВС), которая для рассматриваемой системы имеет вид (случай колебания мощности с частотой
):
(члены, содержащие ω в степени >2, отброшены за малостью).
В выражении (3)
- "чистое" транспортное запаздывание,
тн
τ - постоянная времени теплоносителя в канале (известна),
r
k - коэффициент неравномерности энерговыделения для канала (известен),
, где α - коэффициент теплоотдачи от твэла к теплоносителю, f - поверхность теплосъема (известны).
Возможность использования равенства
определяется тем, что при периодическом изменении какой-либо величины между ее амплитудой и среднеквадратическим отклонением существует соотношение вида
σ=k·A (k<1,0).
тп
Совместное решение уравнений (1) и (3) с использованием информации, полученной с объекта исследования, и дает возможность одновременного определения скорости (расхода) теплоносителя в канале W(V) и показателя тепловой инерции термоприемника в канале τ, т.е. реализовать преимущества предлагаемого технического решения.
Заметим, что использование в выражении (3) среднеквадратических отклонений мощности и температуры может оказаться более предпочтительным с точки зрения обеспечения лучшей точности определения W, т.к. в качестве А принимается точечное значение параметра, в то время как σ является интегральной оценкой отклонения, полученной по некоторому множеству значений измеряемого параметра, т.е. более надежно.
Известен способ контроля и управления ядерным реактором (а.с. №1092571, МКИ G21C 17/00, 17/02, 17/10, СССР, с приоритетом от 9 марта 1982 г.), включающий создание колебаний мощности реактора или расхода теплоносителя, измерение средней температуры теплоносителя на выходе из активной зоны, температур теплоносителя на выходе из каналов и средних квадратических отклонений этих температур в целях получения диагностических параметров - коэффициентов подогрева теплоносителя в каналах, характеризующих отличие мощности канала и/или расхода теплоносителя в канале от средних по активной зоне (оценка относительных энерговыделений и расходов). В заявляемом способе помимо измерения средних квадратических отклонений температур измеряют максимальные или средние квадратические отклонения мощности реактора или расхода теплоносителя через реактор, что позволяет в совокупности с другими признаками предлагаемого технического решения - измерением мощности реактора или расхода теплоносителя через реактор, температур теплоносителя на выходе из каналов, времени запаздывания между изменением мощности или расхода и изменением температур в режиме работы реактора с периодическим изменением мощности или расхода теплоносителя с периодом изменения, превышающим сумму времен теплового запаздывания для элементов реактора, участвующих в теплообмене, и термоприемника, определить абсолютные расходы теплоносителя в каналах активной зоны с учетом показателей тепловой инерции термоприемников в реальных условиях их работы, т.е., во-первых, решить задачу, которая по способу а.с. №1092571 не решается, а, во-вторых, решить ее с большей точностью и эффективностью, чем в способе-прототипе. Таким образом, предложенная совокупность признаков заявляемого технического решения предоставляет возможности определения качественно новых свойств рассматриваемых технических систем - абсолютных расходов теплоносителя по каналам реактора вместо косвенных оценок относительных расходов в известном техническом решении, что позволяет придти к выводу о том, что эта совокупность признаков удовлетворяет критерию "существенные отличия".
ном.
ном
Предлагаемый способ определения расходов теплоносителя в каналах ядерного реактора был опробован на стенде КМ-1. В режиме работы установки на уровне мощности N=30% N мощность реактора изменялась циклически с периодом Т=240 сек и амплитудой ±5% N. Измерялись температуры теплоносителя на выходе из каналов, время запаздывания между изменением мощности и температур, фактические амплитуды и средние квадратические отклонения мощности и температур. Полученные значения расходов теплоносителя Vi по каналам реактора представлены в таблице 1. Здесь же приведены найденные значения постоянных времени термоприемников.
Для сравнения в таблице 2 приведены значения расходов, найденные для этого же режима работы установки по способу-прототипу.
тп
i
i
В способе-прототипе постоянная времени термоприемника τ оценивалась косвенно и принималась одинаковой для всех каналов измерения температур. Из сравнения результатов определения V(W) по предлагаемому способу и способу-прототипу видно, что заявляемый способ существенно повышает точность определения абсолютных скоростей (расходов) теплоносителя по каналам реактора. Так, разброс скоростей, полученных по предлагаемому способу, составляет:
max
min
W-W=1,10-0,92=0,18 м/сек
По способу-прототипу:
max
min
W-W=1,27-0,87=0,40 м/сек
Возможность же определения в ходе реализации способа показателей тепловой инерции термоприемников, необходимых также для проверки качества протекания переходных процессов и отладки систем автоматического управления реактором, в заметной степени повышает эффективность предлагаемого технического решения.