СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ ПО ПОКАЗАНИЯМ НЕЙТРОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕАКТОРА ТИПА ВВЭР
METHOD TO DETECT ENERGY RELEASE IN REACTOR CORE BY READINGS OF NEUTRON DETECTORS IN PROCESS OF VVER REACTOR OPERATION

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к исследованиям тепловых режимов активных зон ядерных реакторов, например, при эксплуатации ядерного реактора типа ВВЭР (Водо-водяной энергетический реактор), систем внутриреакторного контроля, для обеспечения контроля за полем энерговыделения в реакторе типа ВВЭР.
Может быть использовано в атомной энергетике при расчете полей температур в тепловыделяющих сборках ТВЭЛ (Тепловыделяющий элемент).
Известно техническое решение по Авторскому свидетельству СССР N650429, G01N 25/00, 1976.
Известное решение включает использование модели сборки, набранной из реальных ТВЭЛ без тепловыделения или их макетов, и сменного макета с источником тепла, замещение сменным макетом последовательно каждого ТВЭЛ или его макета, а также измерение температурного поля сборки после каждого изменения тепловыделения, при этом сменный макет выполняют из материала с теплопроводностью, много меньшей теплопроводности теплоносителя, источник тепла выполняют точечным или линейным, устанавливают на поверхности сменного макета и перемещают его, затем заменяют сменный макет реальным ТВЭЛ и создают в нем тепловыделение, подобное реальному, изолируют его поверхность, кроме той ее части, где создают сток тепла, и изменяют положение этого стока, а по полученным данным судят об искомой величине.
Недостатками известного решения являются необходимость создания источников тепла большой мощности, повышенная погрешность в определении температур в случае, когда внутренняя структура ТВЭЛ имеет сильную неоднородность и в случае, когда резко меняется локальная плотность энерговыделения в ТВЭД, что всегда имеет место в реальных сборках ТВЭЛ. Для определения температур в этом случае линейный размер участка, на котором располагается поверхностный элементарный источник тепла, должен быть сравнительно небольшим.
Известно также техническое решение:
RU 2129312, МПК 6 G21C 17/00, G21C 17/H2,
Заявка: 96111551/25, 05.06.1996.
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ТВЭЛОВ ТОПЛИВНОЙ СБОРКИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
Сущность: на модели сборки датчик температуры перемещают от источника вниз по потоку теплоносителя до границы зоны чувствительности датчика, измеряют это расстояние и для определения температурных воздействий на интервале за пределами зоны чувствительности датчика измеряют на границе зоны чувствительности осевые и поперечные расходы теплоносителя в ячейках разбиения межтвэльного канала и разность температур площадок разбиения поверхности макетов ТВЭЛ и температуры теплоносителя на входе в сборку. Для слоев, начиная с первого слоя, за пределами зоны чувствительности (i=n+1) определяют скорректированную разность температур площадок разбиения поверхности макетов ТВЭЛ и температуры теплоносителя на входе в сборку от действия источника, находящегося в слое i-n. Корректировка выполнена с использованием уравнения баланса.
Решая соответствующие системы уравнений для слоев, начиная со слоя i=n+1, находят искомые температуры ТВЭЛ.
Однако в известном решении также недостаточны точность определения температур в сборках ТВЭЛ с сильной неравномерностью структуры или с сильной неравномерностью плотности энерговыделения, а проводимые корректировки требуют дополнительных систематических поправок, в частности, для определения среднего линейного энерговыделения ТВЭЛ, окружающих ДПЗ (детекторы прямого заряда или нейтронно-чувствительные детекторы) и линейного энерговыделения ТВС (Тепловыделяющая сборка), в результате происходящих изменений параметров.
Указанное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявленному.
Решаемой технической задачей предлагаемого способа является повышение точности определения полей энерговыделений и температур в сборках ТВЭЛ с сильной
неравномерностью структуры иди с сильной неравномерностью плотности энерговыделения, за счет проведения предварительных систематических корректировок определения среднего линейного энерговыделения шести твэл, окружающих ДПЗ и линейного энерговыделения ТВС, в результате происходящих изменений параметров: конструктив (геометрия и состав) ДПЗ и ТВС, их взаимодействия и вариабельным изменением КПД (КПД - распределенная по радиусу эмиттера вероятность вылета электронов из эмиттера ДПЗ) при изменении мощности ТВС, плотности теплоносителя, концентрации бора в теплоносителе, положения ДПЗ по высоте ТВС, истории выгорания ТВС с поглощающими элементами и без них, что обеспечит достоверность сведений о распределении поля энерговыделения в активной зоне реактора, безопасность эксплуатации реакторной установки и, соответственно, будет способствовать улучшению экономических характеристик эксплуатации реактора.
Решение указанной технической задачи обеспечивается изложенной ниже совокупностью существенных признаков.
Способ определения энерговыделения в активной зоне по показаниям нейтронных детекторов в процессе эксплуатации реактора типа ВВЭР, характеризующийся тем, что на ЭВМ с помощью ПО формируют виртуальный образ сборки, набранной из реальных ТВЭЛ и ДПЗ с параметрами их различных состояний, а также выполнением нейтронно-физических расчетов для смоделированной и для реальной сборок, определением необходимых поправок для корректировки разности энергетических показателей,
причем
используют ПО, включающее метод Монте-Карло, проводят расчет КПД - распределенной по радиусу эмиттера вероятности вылета электронов из эмиттера ДПЗ по радиусу родиевой проволоки, возникающих при захвате эмиттером одного нейтрона, нейтронно-физические расчеты включают расчет активации не выгорающего эмиттера в ДПЗ и средней мощности шести ТВЭД, окружающих датчик, причем при формировании модели сборки измеряют, фиксируют и учитывают в расчетах параметры выгорания топлива, осуществляют аппроксимацию функции перехода от измеряемого тока ДПЗ к линейному энерговыделению по выгоранию каждого сорта ТВС и параметрам состояния активной зоны реактора для каждого типа ТВС, рассчитывают выгорание ДПЗ, как функцию от протекшего через ДПЗ измеряемого заряда,
- при этом
параметры состояния активной зоны реактора включают мощность ТВС, плотность теплоносителя, концентрацию бора в теплоносителе, положение ДПЗ по высоте ТВС, историю выгорания ТВС с поглощающими элементами и без них;
- для описания выгорания ДПЗ используют следующую зависимость показаний выгоревшего и свежего детекторов:
n
0
где J и J - показания выгоревшего и свежего детекторов, Y - протекший через него интегральный заряд,
ϕ(Y) - функция, характеризующая выгорание детектора, зависящая от диаметра и длины родиевой проволоки в ДПЗ и независящая от выгорания ТВС;
- выполняют на ЭВМ с помощью ПО расчеты линейного энерговыделения шести ТВЭЛ, окружающих ДПЗ и линейного энерговыделения ТВС, при этом линейное энерговыделение шести ТВЭЛ, окружающих ДПЗ, умножают на коэффициент, рассчитанный на ЭВМ с помощью дополнительного специального ПО;
- осуществляют визуализацию и сохранение данных о распределении поля энерговыделения, значениях интегральной мощности активной зоны реактора;
- при определении среднего линейного энерговыделения шести твэл, окружающих ДПЗ и линейного энерговыделения ТВС, измеряют и фиксируют для использования изменения параметров: конструктив (геометрия и состав) ДПЗ и ТВС, их взаимодействия, вариабельные изменения КПД при изменении мощности ТВС, плотности теплоносителя, концентрации бора в теплоносителе, изменения положения ДПЗ по высоте ТВС, истории выгорания (уменьшение массы) ТВС с поглощающими элементами и без них, при этом проводят предварительные систематические корректировки используемых в расчетах измеряемых параметров.
Уточнения к изложенному
Признаки:
«…проводят расчет
КПД - распределенной по радиусу эмиттера вероятности вылета электронов из эмиттера ДПЗ…»
следует понимать как:
«…проводят расчет
КПД - распределенной по радиусу эмиттера вероятности вылета (без возвращения) электронов из эмиттера ДПЗ…»;
признаки:
«…нейтронно-физические расчеты включают расчет активации не выгорающего эмиттера…»
следует понимать как:
«…нейтронно-физические расчеты включают расчет активации (скорости поглощения нейтронов в эмиттере) не выгорающего эмиттера…».
Описание сущности предложенного изобретения
Ядерный реактор, как объект контроля, характеризуется большим количеством разнообразных взаимосвязанных физических величин, причем часть из них является распределенными в пространстве (полевыми) величинами. Одной из наиболее сложных и в то же время важных задач является получение распределения поля энерговыделения в активной зоне реактора. Данная задача важна как для обеспечения безопасности эксплуатации реакторной установки, так и для улучшения экономических характеристик эксплуатации.
Для контроля за полем энерговыделения, в активной зоне реактора типа ВВЭР предусмотрены датчики, позволяющие измерять поле энерговыделения. Но ввиду ряда причин технического характера, количество датчиков ограничено и не позволяет в нужной степени контролировать поле энерговыделения в активной зоне.
Разработан способ интерполяции поля энерговыделения по пространству и экстраполяции по времени, позволяющий синтезировать поле энерговыделения без каких-либо предположений о гладкости синтезируемого поля и естественно увязать медленную эволюцию поля энерговыделения с быстрыми вариациями при изменении режима.
Для расчета поля энерговыделения предлагается использовать наряду с расчетными программами результаты непосредственного измерения с помощью датчиков системы внутриреакторного контроля.
Одним из важнейших свойств разработанного метода синтеза поля энерговыделения является его малая чувствительность к изменению объема входной информации. При отказе ряда датчиков разработанная методика позволяет продолжить расчет поля энерговыделения. При этом лишь возрастает погрешность соответствующих величин.
Разработанная методика ориентирована на решение задач контроля и учитывает статистическую природу контролируемых величин и процесса измерения. Методика объединяет расчетные методы и методы оценивания, опирающиеся на непосредственные измерения. Алгоритмы, заложенные в методику, имеют рекуррентный характер, что позволяет ее легко реализовать с помощью ЭВМ.
Также разработанная методика расчета поля энерговыделения отличается от имеющихся аналогов наличием механизма адаптации нейтронно-физических параметров, что позволяет учитывать изменение состояния активной зоны реактора во времени и компенсировать неинтерпретируемую погрешность.
Помимо распределения поля энерговыделения методика позволяет получать значение интегральной мощности активной зоны реактора типа ВВЭР.
Разработанный способ расчета поля энерговыделения используется в программе Хортица и программе Хортица-М.
Предлагаемый способ определения среднего линейного энерговыделения шести твэл, окружающих ДПЗ и линейного энерговыделения ТВС в местах размещения нейтронных детекторов в процессе эксплуатации реактора ВВЭР включает операции:
- проведения расчета вероятностей вылета (без возвращения) электронов из эмиттера ДПЗ по радиусу родиевой проволоки;
- выполнения нейтронно-физических расчетов активации не выгорающего родия в ДПЗ и средней мощности шести твэлов, окружающих датчик, в реальных спектрах каждой кассеты ВВЭР;
- аппроксимации функции перехода от тока ДПЗ к линейному энерговыделению по выгоранию ТВС и параметрам состояния активной зоны реактора для каждого типа ТВС;
- учета выгорания ДПЗ;
- выполнения расчетов линейного энерговыделения шести твэл, окружающих ДПЗ и линейного энерговыделения ТВС.
Предложенный способ отличается от известных возможностью наиболее достоверного определения среднего линейного энерговыделения шести твэл (тепловыделяющих элементов), окружающих ДПЗ (детекторы прямого заряда или нейтронно-чувствительные детекторы) и линейного энерговыделения ТВС (тепловыделяющая сборка, состоящая из твэл) в местах размещения ДПЗ в процессе эксплуатации реактора ВВЭР.
В процессе реализации предложенный способ заключается в том, что:
1) на ЭВМ с помощью ПО, использующего метод Монте-Карло, проводится расчет КПД - распределенной по радиусу эмиттера вероятности вылета (без возвращения) электрона из эмиттера ДПЗ, возникающего при захвате эмиттером одного нейтрона, входными данными является геометрический и материальный состав ДПЗ;
2) на ЭВМ с помощью ПО, использующего обычные (детерминистские) методы или метод Монте-Карло, выполняется нейтронно-физический расчет активации (скорости поглощения нейтронов в эмиттере) не выгорающего эмиттера в ДПЗ и средней мощности шести твэлов, окружающих датчик; учитывается выгорание топлива, набор различных состояний (отличающихся мощностью ТВС, плотностью теплоносителя, концентрацией бора в теплоносителе, положением ДПЗ по высоте ТВС, историей выгорания ТВС с поглощающими элементами и без них) и реальные нейтронные спектры каждой ТВС ВВЭР; входными данными является геометрический и материальный состав ДПЗ и каждого сорта ТВС;
3) на ЭВМ с помощью ПО осуществляются аппроксимации функции перехода от тока ДПЗ к линейному энерговыделению по выгоранию каждого типа ТВС и параметрам состояния активной зоны реактора; входными данными является набор состояний каждого типа ТВС, отличающихся мощностью ТВС, плотностью теплоносителя, концентрацией бора в теплоносителе, положением ДПЗ по высоте ТВС, историей выгорания ТВС с поглощающими элементами и без них;
4) по формуле учитывается выгорание ДПЗ;
5) на ЭВМ с помощью ПО выполняется расчет линейного энерговыделения шести твэл, окружающих ДПЗ и линейного энерговыделения ТВС (линейное энерговыделение шести твэл, окружающих ДПЗ, умножается на коэффициент, рассчитанный на ЭВМ с помощью специального ПО).
В обеспечение реализации предложения, в частности, для перехода от показаний тока родиевого ДПЗ (детектор прямой зарядки) к среднему линейному энерговыделению шести ближайших к датчику твэлов для каждой ТВС подготавливаются коэффициенты чувствительности (переходная функция). Следует отметить, что в отличие от других систем внутриреакторного контроля эти функции перехода от тока к линейному энерговыделению не перекалибровываются в процессе эксплуатации.
Расчет коэффициентов чувствительности в кассетах ВВЭР разбивается на четыре независимых этапа:
1) расчет электронно-фотонного каскада ДПЗ, т.е. тока детектора на одно поглощение в каждой выбранной цилиндрической зоне родия (не зависящего от типа кассеты и выгорания родия),
2) нейтронно-физический расчет активации не выгорающего родия в ДПЗ в реальных спектрах каждой кассеты ВВЭР,
3) аппроксимации функции перехода от тока ДПЗ к линейному энерговыделению по выгоранию ТВС и параметрам состояния активной зоны реактора,
4) учет выгорания ДПЗ;
5) расчет линейного энерговыделения ТВС.
Краткое содержание этапов
1) Родиевая проволока в ДПЗ разбивается на 10 равнообъемных зон, выполняется:
- расчет вероятностей вылета электронов из различных слоев родиевого эмиттера;
- расчет вероятностей вылета электронов из различных слоев родиевого эмиттера из-за взаимодействия гамма-квантов, возникающих в процессе захвата нейтронов в родии с электронами вещества ДПЗ.
tot
tot
Результатом расчетов является массив вероятностей вылета P(11) - распределение плотности вероятности вылета бета-частиц, образованных как при бета-распаде активированных ядер родия, так и в результате комптоновского рассеяния и фотоэлектрического поглощения радиационных гамма-квантов, испускаемых мгновенно при радиационном захвате родием. Другими словами, при поглощении на границе зоны i одного нейтрона, ДПЗ дает ток eP(i), где e - заряд электрона.
В связи с тем, что палладий, образующийся при выгорании родия, практически не отличается от родия по свойствам взаимодействия с бета-частицами, распределение вероятности вылета электронов из эмиттера детектора рассчитывается заранее по специальным программам методом Монте-Карло. Следует повторить расчет только в случае изменения геометрии и материала ДПЗ.
103
2) Распределение скоростей захвата в проволоке рассчитывается в 10 цилиндрических слоях, имеющих одинаковый объем. Основной ядерной реакцией в ДПЗ с родиевым эмиттером является реакция радиационного захвата нейтрона ядром Rh. Распределение скорости радиационного захвата по радиусу родиевой проволоки является неравномерным из-за пространственно-энергетической блокировки нейтронов. Это приводит к тому, что даже при кажущейся тонкости проволоки (диаметр порядка 0,5 мм) при моделировании ядерных процессов в ДПЗ родиевую проволоку необходимо разбивать на большое число зон. Родиевая проволока разбивается на десять равнообъемных зон.
Нейтронно-физический расчет активации родия в ДПЗ и средней мощности шести окружающих его твэл выполняет спектральная программа для стационарного состояния ТВС. Программа выполняет 2-мерный расчет поперечного сечения ТВС в 48 энергетических группах. Используется метод вероятностей прохождения. При этом в надтепловой области (группы 1-24, область энергий E>0,625 эВ) групповые константы подготавливаются в предварительном многоточечном (от 3000 до 5000 точек разбиения) расчете надтепловой области, что позволяет учитывать пространственно-энергетическую блокировку нейтронов практически без приближений. Программа проводит многозонный расчет изменения нуклидного состава в каждом твэле и каждом поглощающем стержне ТВС, в том числе и в стержне с Rh.
По этой нейтронно-физической программе определяется соотношение между средней мощностью соседних твэлов и показанием детектора. Рассчитывается по указанной программе средняя мощность этих твэлов и одновременно распределение скорости поглощения нейтронов по радиусу эмиттера . Проводится серия предварительных расчетов выгораний кассет с вариациями плотности и температуры теплоносителя, мощности кассеты, концентрации бора в теплоносителе, с разной историей нахождения в кассете кластеров и выгорающих поглотителей.
3) Полный ток, образованный в эмиттере детектора, рассчитывается по формуле
tot
где P(r) - распределение плотности вероятности вылета бета-частиц, образованных как при бета-распаде активированных ядер родия, так и в результате комптоновского рассеяния и фото-электрического поглощения радиационных гамма-квантов, испускаемых мгновенно при радиационном захвате родием.
Переходная функция равна отношению средней мощности твэлов, окружающих детектор, к току, образованному в эмиттере детектора рассчитывается по формуле
S=q/J [МВт/мкА]
Переходная функция S, зависящая от спектра нейтронов в родии и в соседних твэлах, распределения ядерной плотности родия и топливных таблеток по радиусу, их температур, представляется в виде функции с коэффициентами, полученными в результате аппроксимации этой функцией набора значений переходной функции при различных параметрах ТВС и среды. Переходная функция, обеспечивающая незанижение локальных мощностей в наиболее напряженных ТВС, для реактора ВВЭР-1000 представляется в виде
1
17
где P, …, P - коэффициенты аппроксимации, рассчитанные на ЭВМ с помощью специального ПО;
W - текущее выгорание топлива;
p
W - выгорание топлива при введенном поглотителе (ОР СУЗ);
o
G, G - текущая и опорная плотности воды;
о
С, С - текущая и опорная концентрации естественного бора в воде;
o
Q, Q - текущая и опорная удельная мощность;
N - номер детектора по высоте сборки,
W0 - доля детектора, не перекрытая поглотителем (ОР СУЗ),
WB - доля детектора, перекрытая частью ОР СУЗ;
c
K - коэффициент нагрузки твэлов, окружающих трубку с детектором, в ТВС без учета погружения ОР СУЗ;
cB
K - коэффициент нагрузки твэлов, окружающих трубку с детектором, в ТВС, с учетом погружения борной (или диспрозиевой) части ОР СУЗ.
c
cB
K и K (коэффициенты нагрузки твэлов, окружающих ДПЗ) рассчитываются с помощью мелкосеточной диффузионной программы.
4) Выгорание детектора с хорошей точностью представляется в зависимости от одного аргумента: интеграла тока детектора по времени
Для описания выгорания детектора используется следующая экспериментальная, подтвержденная расчетом, зависимость показаний выгоревшего и свежего детекторов
n
0
где J и J - показания выгоревшего и свежего детекторов,
ϕ(Y) - функция, характеризующая выгорание детектора, зависящая от диаметра и длины родиевой проволоки в ДПЗ и независящая от выгорания ТВС.
5) Линейная мощность ТВС в местах расположения ДПЗ определяется по формуле
где Q - линейная мощность ТВС;
S - переходная функция от тока, образованного в эмиттере детектора, к средней мощности шести твэлов, окружающих детектор;
М - количество твэлов в ТВС;
ϕ(Y) - функция, характеризующая выгорание детектора;
Y - интеграл тока эмиттера по времени работы детектора;
n
J - ток эмиттера детектора (с исключенной аппаратным способом фоновой составляющей линии связи),
ad
K - адаптационный коэффициент,
A
K - доля активационной (запаздывающей) составляющей в токе ДПЗ;
L - длина эмиттера.
Таким образом, при определении среднего линейного энерговыделения шести твэл, окружающих ДПЗ и линейного энерговыделения ТВС, в результате изменения параметров: конструктив (геометрия и состав) ДПЗ и ТВС, их взаимодействия и вариабельным изменением КПД при изменении мощности ТВС, плотности теплоносителя, концентрации бора в теплоносителе, положения ДПЗ по высоте ТВС истории выгорания ТВС с поглощающими элементами и без них, требуется проведение предварительных систематических корректировок, что обеспечит достоверность сведений о распределении поля энерговыделения в активной зоне реактора, безопасность эксплуатации реакторной установки и, соответственно, будет способствовать улучшению экономических характеристик эксплуатации реактора.