СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО КОЭФФИЦИЕНТА РАЗМНОЖЕНИЯ ПРИ ПУСКЕ ВОДО-ВОДЯНОГО РЕАКТОРА БЕЗ ВЫХОДА В КРИТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
METHOD FOR DEFINITION OF EFFICIENT MULTIPLICATION FACTOR DURING START-UP OF WATER-WATER REACTOR WITHOUT TRANSFER TO CRITICAL STATE

Изобретение относится к физике ядерных реакторов, а именно к обеспечению ядерной безопасности при пуске водо-водяных ядерных реакторов, именуемых далее ВВЭР.
Пуски ВВЭР на заключительном этапе проводят посредством уменьшения концентрации борной кислоты в замедлителе. Контроль состояния реактора при пуске проводят различными способами, например по измерению интенсивности свечения Вавилова-Черенкова (патент РФ №2046409, оп. 20.10.95).
эфф
эфф
эфф
эфф
Плавный переходной процесса изменения мощности ВВЭР вследствие изменений концентрации борной кислоты может длиться в течение нескольких часов. Проблема определения k - эффективного коэффициента размножения ВВЭР при пуске - является актуальной. Эксплуатация реакторов регламентируется рядом нормативных и руководящих документов, основой которых являются нормы и правила НП-082-07. Документ НП-082-07 предписывает контроль величины k - эффективного коэффициента размножения и реактивности - ρ=(k-1)/k реакторов атомных станций при проведении на них ядерно-опасных работ, к числу которых относятся пуски реакторов атомных станций.
Известен универсальный способ определения ρ(t), принятый в качестве прототипа (Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. «Экспериментальные методы физики реакторов». М.: Энергоатомиздат, 1984., стр.93).
эфф
эфф
эфф
Для этого предварительно любым известным способом определяют эффективную интенсивность источника нейтронов - Q (см., например, патенты РФ №№2231145, 2302676 и др.), измеряют детектором нейтронов величину потока нейтронов - n(t), излучаемого реактором, и рассчитывают ρ(t) из точечных уравнений кинетики. Значения функции n(t) во времени измеряют как скорость счета детектора нейтронов - v(t). Зная ρ(t), можно определить k. Основной недостаток способа-прототипа заключается в необходимости проведения предварительных экспериментов по измерению Q, что является самостоятельной, сложной и трудоемкой задачей.
эфф
эфф
эфф
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является определение k и соответственно ρ способом, не требующим проведения предварительных экспериментов по измерению Q и без выхода реактора в критическое состояние. В итоге снижается трудоемкость работ при пусках ВВЭР и повышается ядерная безопасность за счет оценки k в диапазоне от 0.95 до 0.99, достаточном для выполнения требований, действующих в настоящее время российских нормативных и руководящих документов по ядерной безопасности.
эфф
эфф
T
Для этого предложен способ определения эффективного коэффициента размножения - k при пуске водо-водяного реактора ВВЭР без выхода в критическое состояние, заключающийся в измерении потока нейтронов n(t), излучаемого ВВЭР, как скорости счета детектора нейтронов v(t) при увеличении мощности ВВЭР и вычислении k, при этом измеряют скорость счета детектора нейтронов в исходном стационарном состоянии ВВЭР в нулевой момент времени v(0), увеличивают мощность ВВЭР путем уменьшения концентрации борной кислоты C(t), измеряют уменьшение концентрации борной кислоты C(t) во времени с интервалом дискретности Δt=l секунда, измеряют число отсчетов детектора нейтронов S за время Т, вычисляют ряд значений эффективного коэффициента размножения по формуле
эфф
k(t)=k0j+Δk(C(t)),
где k0j - эффективный коэффициент размножения в исходном стационарном состоянии, определяемый как k0j=0.99-0.0004·(j-1), где j=1, 2, 3 …101,
эфф
т
Δk(C(t)) - зависимость приращения эффективного коэффициента размножения от концентрации борной кислоты, штатная характеристика реактора, и, зная v(0) и k(1), из уравнений точечной кинетики реакторов вычисляют поток нейтронов n(t) в каждый момент времени t в промежутке (0,Т) с интервалом дискретности Δt=1 секунда, вычисляют числа (N)j=(n1+n2+…ni……nт)j, где слагаемое ni равно значению функции n(t) при t=i секунд в j-том варианте расчетов, определяют значение индекса j=1, 2, 3, …101, при котором число (N)j имеет наименьшее отличие по абсолютной величине от числа S, а за искомое значение эффективного коэффициента размножения в нулевой момент времени принимают параметр k0j при вышеуказанном значении индекса j.
При этом выбирают время Т равным 6000 секунд.
Концентрацию борной кислоты уменьшают так, чтобы приращение эффективного коэффициента размножения составляло не менее чем 0.005 в течение времени Т.
Выбирают скорость счета детектора нейтронов v(0) в исходном стационарном состоянии не менее 10 отсчетов в секунду.
эфф
эфф
эфф
эфф
Предложенный способ оценки k основан на том, что изменение во времени значений функции n(t) вследствие изменения концентрации борной кислоты зависит, при прочих равных условиях, только от одного параметра k0 - значения функции k(1) в исходном стационарном состоянии ВВЭР в момент времени t=0. Кроме того, необходимо знать значения Δk(C(t)) - увеличение k в зависимости от уменьшения концентрации борной кислоты, где C(t) текущее значение концентрации борной кислоты - эта зависимость является штатной характеристикой реактора. Конкретно заданные числовые значения величин в перечисленных условиях рекомендованы для осуществления способа исходя из обеспечения требуемой достоверности оценок k.
На чертежах представлены результаты моделирующих расчетов.
На фиг.1 показана зависимость скорости счета детектора вследствие изменения концентрации борной кислоты для ряда значений k0j.
На фиг.2 представлены значения массива чисел (N)j в зависимости от k0j при T=6000 секунд и при v(0)=10 отсчетов в секунду.
На фиг.3 представлены значения массива чисел (N)j в зависимости от k0 при v(0)=100 отсчетов в секунду, за время эксперимента 600 секунд.
эфф
Предложенный способ определения k рассмотрим при 6000 с ≥ t ≥ 0 с. Способ реализуют при пуске ВВЭР следующим образом:
1) измеряют скорость счета v(0) детектора нейтронов в исходном стационарном состоянии ВВЭР в момент времени t=0. Выполнение условия относительно v(0)=10 отсчетов в секунду достигается посредством выбора соответствующего типа детектора импульсного канала измерения потока нейтронов и места размещения детектора относительно центра ВВЭР, за его корпусом.
2) уменьшают концентрацию борной кислоты со скоростью, обеспечивающей значение функции Δk(C(t)) не менее 0.005 при Т=6000 с;
3) измеряют уменьшение концентрации борной кислоты - C(t) во времени с интервалом дискретности Δt=1 секунда;
т
4) измеряют S - число отсчетов этого детектора за 6000 секунд.
эфф
эфф
Полученные экспериментальные данные, с учетом того, что известны значения функции k(С), достаточны для определения k в результате обработки по следующему алгоритму. Задается ряд значений параметра k0 по формуле:
эфф
Эффективный коэффициент размножения k(1) как функция времени представляется в следующем виде:
эфф
где Δk(C(t)) - приращение k, рассчитанное по результатам измерений C(t).
эфф
эфф
т
т
эфф
эфф
Известные значения v(0) и функции k(t) используют для определения n(t) на временном отрезке [0, 6000] секунд в результате численного решения уравнений точечной кинетики (Дж.Р.Кипин Физические основы кинетики ядерных реакторов, стр.299-300, перевод с английского, Атомиздат, 1967 г.). Значения функции k(1) варьируются в соответствии с формулой (2). В результате вариантных расчетов вычисляют 101 значений чисел (N)j=(n1+n2+…ni……nT)j, где слагаемое ni равно значению функции n(t) при t=i секунд от начала измерений в j-том варианте расчетов. Компьютерная программа из 101 чисел расчета (N)j выберет то число, которое имеет наименьшее отличие по абсолютной величине от экспериментального значения параметра S, определит значение индекса j и искомое значение k0, рассчитанное по формуле (1). Если компьютерная программа по результатам измерений S не найдет значения k0 в диапазоне (0.99-0.95), то будет выдано сообщение k>0.99 или k<0.95.
эфф
эфф
В подтверждение возможности проведения предложенным способом оценок k в заявленном диапазоне значений и заданной скорости уменьшения концентрации борной кислоты проведено численное моделирование эксперимента при v(0)=10 отсчетов в секунду. Функция k(1) на временном отрезке [0, 6000] секунд задавалась в следующем виде:
эфф
Моделирование заключалось в формировании исходного массива чисел. Формировался массив чисел: Vi, где i=1, 2, 3, …6000 в результате численного решения уравнений точечной кинетики реакторов при значениях k(t), заданных в виде (3), интервал дискретности при численном решении уравнений точечной кинетики: Δt=1 секунда. Массив чисел Vi имитирует экспериментальные данные, рассчитывают: (Sт=V1+Vi+Vi+…+Vт) - число, имитирующее отсчеты детектора за 6000 секунд.
эфф
При реализации алгоритма обработки данных функция k(t) на временном отрезке [0, 6000] секунд в вариантных расчетах задавалась в следующем виде:
эфф
т
Значение аргумента t в формулах (3) и (4) задается в секундах с интервалом дискретности Δt=1 секунда. Значения функции k(t), заданные в виде (4), использованы в численных расчетах n(t) из уравнений точечной кинетики при задании k0j по формуле (1). В результате вариантных расчетов вычислены 101 значений чисел (N)j=(n1+n2+..ni…nт)j. Компьютерная программа из 101 чисел расчета (N)j выбрала то, которое имеет наименьшее отличие по абсолютной величине от значения параметра S, определила значения индекса j=51 и искомое значение k0=0.97, рассчитанное по формуле 1.
На фиг.1 показана зависимость скорости счета детекторов вследствие изменения концентрации борной кислоты для ряда значений k0j. В виде точек представлен массив чисел Vi. При реализации алгоритма обработки данных образуются 101 массив чисел ni, являвшихся результатами численного решения уравнений точечной кинетики. Для наглядности показаны в виде линий результаты вычислений только при значениях k0j, равных 0.95, 0.96, 0.97, 0.98, 0.99.
эфф
На фиг.2 представлены значения массива чисел (N)j в зависимости от k0j при моделировании. Видно, что при v(0)=10 отсчетов в секунду можно за 6000 секунд достоверно оценить k в заявленном диапазоне значений.
В качества альтернативы проведено моделирование эксперимента продолжительностью 600 секунд, но при v(0)=100 отсчетов в секунду. Прочие условия проведения эксперимента остались без изменения.
эфф
На фиг.3 представлены значения массива чисел (N)j в зависимости от k0j в этом варианте моделирования. Видно, что за время эксперимента 600 секунд тоже можно оценить k в заявленном диапазоне значений, если v(0)≥100 отсчетов в секунду.
эфф
эфф
Таким образом, данный способ позволяет, не проводя трудоемких предварительных измерений Q, определять при пуске без выхода в критическое состояние k, что повышает ядерную безопасность работы ВВЭР.