ЦИФРОВОЙ РЕАКТИМЕТР
DIGITAL REACTIMETER

Изобретение относится к области реакторных измерений, в частности, к устройствам для измерения реактивности ядерного реактора, критического стенда и может быть использовано в измерительных системах и системах управления и защиты (СУЗ) ядерных установок.
Для управления и безопасной эксплуатации ядерных реакторов важными являются вопросы поведения реактора на всем диапазоне изменения интенсивности флюенса нейтронов. Одной из основных характеристик, определяющих динамику ядерного реактора, является реактивность, значение которой несет информацию о происходящих в реакторе процессах: разгоне, работе на постоянном уровне мощности или останове. Реактивность ядерного реактора - величина, определяющая отклонение размножающих свойств среды ядерного реактора, в которой протекает цепная реакция, от критического состояния. [ГОСТ 17137-87 Системы контроля, управления и защиты ядерных реакторов]. Скорость изменения физической мощности реактора (плотности нейтронного потока) прямо пропорциональна значению реактивности. Реактивность является единственным параметром, с помощью которого можно регулировать мощность ядерного реактора. [Г.П. Юркевич. Система управления ядерными реакторами: Принципы работы и создания/ Под редакцией академика РАН Н.С. Хлопкина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М: ЭЛЕКС-КМ, 2009 - 448 с]
В настоящее время широкое распространение получили цифровые реактиметры, основанные на численном решении обратного уравнения кинетики реактора, в связи с целым рядом их преимуществ, таких как быстродействие и возможность визуализации процессов в реальном масштабе времени. Одним из основных требований, предъявляемых к работе реактиметра, является обеспечение измерения реактивности в максимально широком диапазоне изменения мощности ядерного реактора, начиная от заглушенного состояния до 100% мощности. Особое значение имеет точность получения начальной реактивности на минимальной мощности для работы реактора в импульсном режиме. Ненадежная работа реактиметра в случае использования его при подготовке импульса может привести к аварии. [Применение цифровых реактиметров на быстрых импульсных реакторах/ С.Н. Афонин, М.И. Кувшинов, П.Ф. Чередник, - ВАНТ. Сер. Импульсные реакторы и простые критические сборки, 1985, Вып. 1, С. 32-39]
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание автономного широко диапазонного цифрового реактиметра с улучшенными метрологическими характеристиками и расширенными функциональными возможностями, обеспечивающего точное измерение нейтронно-физических параметров ядерного реактора.
Известен цифровой реактиметр [Грачев А.В, Канунников Ю.С, Кулабухов Ю.С. и др. "Цифровой реактиметр для ядерных реакторов". Атомная Энергия, Т. 61, Вып. 2, 1984 г., С. 110-113], содержащий токовый канал измерения реактивности по сигналам датчика плотности потока нейтронов (ППН), в качестве которого используют токовую камеру деления. Токовый канал измерения включает преобразователь ток-частота (ПТЧ), выход которого соединен с входом интегратора импульсов, служащего преобразователем скорости счета в код магистрали мини-ЭВМ. Реактиметр также содержит периферийное устройство индикации и управления, программное обеспечение которого включает функцию вычисления значения реактивности.
Недостатком реактиметра является наличие в канале измерения дополнительного преобразователя ПТЧ для токового сигнала от камеры деления, который вносит дополнительную погрешность при расчете реактивности. Чувствительность токовых камер при малых значениях ППН незначительна, поэтому при использовании только токовых каналов невозможно обеспечить достаточный динамический диапазон измерения реактивности на всем диапазоне изменения мощности реактора, особенно на начальном участке. В данном реактиметре не принимается во внимание погрешность, которая вносится неучтенным гамма-фоном работающего реактора.
Известен цифровой реактиметр, включающий счетный канал измерения реактивности по сигналу датчика ППН, в качестве которого используют камеру деления, работающую в импульсном режиме [патент RU 2195029, 20.12.2002]. Камера оснащена цифровым детектором ее положения. В состав реактиметра входят усилитель и формирователь импульсов, измеритель нейтронного потока, цифровой вычислитель реактивности, устройство индикации и управления. Возможность измерения реактивности при динамическом диапазоне изменения ППН в 10 порядков достигается за счет перемещения камеры деления в зависимости от интенсивности нейтронного потока и учета ее положения при вычислениях.
Такой реактиметр не является автономным устройством, требуется участия оператора для перемещения камеры в менее чувствительное положение по мере нарастания нейтронного потока и наоборот. Точность расчета реактивности зависит от точности позиционирования камеры, которое производится вручную. Во время перемещения камеры реактивность не вычисляется, что опасно при бьтстропротекающих процессах в реакторе. Недостатком реактиметра является также недостаточная помехозащищенность, которая объясняется невысоким уровнем полезного сигнала при работе камеры в счетном режиме.
Известен также цифровой реактиметр ЦВР-11 [Приложение к свидетельству №54167 об утверждении типа средств измерений «Описание типа средства измерений Реактиметры ЦВР-11»], который представляет собой специализированный прибор с микропроцессором, собранный в унифицированном корпусе, и содержит следующие функциональные блоки: электрометрический усилитель, микроконтроллер, блок питания, входное устройство связи со штатной импульсной аппаратурой ядерного реактора, стандартные интерфейсы связи с ПЭВМ, интерфейс для подключения внешних аналоговых средств измерений. На лицевой и тыльной панелях реактиметра ЦВР-11 расположены цифровой индикатор значений реактивности и сигналов от детекторов нейтронов, аналоговый индикатор реактивности, разъемы, органы и регистры управления, в частности, переключатель режимов измерений реактивности (токовый/счетный), переключатель пределов измерений реактивности. Принцип работы реактиметра ЦВР-11 заключается в измерении сигналов от нейтронных детекторов в реакторе в токовом и импульсном режимах и обработке их по алгоритму, реализующему обращенное решение уравнений кинетики точечной модели реактора с использованием одного из 5-ти наборов констант запаздывающих нейтронов. В зависимости от задаваемого режима работы алгоритм, заложенный в реактиметре ЦВР-11, обеспечивает измерение реактивности в критическом и подкритическом состояниях реактора. Недостатком прибора является то, что он имеет в составе один токовый канал и один вход для подключения счетного канала. Для расширения диапазона измерения ППН для определения реактивности необходимо иметь несколько таких приборов, внешних счетных каналов и вычислительное устройство верхнего уровня для «сшивки» диапазонов измерения, что снижает помехоустойчивость и точность измерения реактивности. Также при использовании одного прибора для перехода со счетного на токовый канал измерения необходимо использовать переключатель в виде тумблера, что также приводит к недостаточной помехоустойчивости и точности измерения реактивности, и даже к возможному срыву вычисления реактивности в момент переключения, что очень критично при быстропротекающих процессах в реакторе. К таким же последствиям приводит следующий недостаток прибора -диапазон измерения реактивности в приборе разбит на поддиапазоны, для их переключения необходимо пользоваться кнопками, расположенными на передней панели. Для перехода с одного набора констант на другой также используется тумблер, расположенный на задней панели прибора. Жестко зашитые значения констант не дают возможность вносить их уточненные значения в ходе эксплуатации прибора, что сказывается на точности определения реактивности. Наличие различных переключателей и тумблеров свидетельствует о том, что прибор не является полностью автономным, и для Обеспечения работы с ним на широком диапазоне изменения ППН необходимо присутствие оператора.
Известен цифровой реактиметр [патент RU 2193245, 20.11.2002], выбранный в качестве ближайшего аналога заявляемому изобретению. Реактиметр включает один или несколько каналов измерения реактивности по сигналам датчиков ППН, в качестве которых используют импульсно-токовые камеры деления, работающие либо в импульсном, либо в токовом режиме в зависимости от ППН. Каждый канал измерения реактивности включает счетный и токовый каналы, которые соединены со своей импульсно-токовой камерой деления и используются поочередно в зависимости от режима работы камеры. Счетный канал выполнен из последовательно соединенных спектрометрического усилителя, дискриминатора, преобразователя счет-код. Токовый канал включает электрометрический усилитель сигнала и преобразователь сигнала в код. Преобразователи счетного и токового каналов соединены с общей магистралью, с которой также соединено устройство обработки, управления и индикации, программное обеспечение которого включает функцию вычисления значения реактивности. Цифровой реактиметр позволяет обеспечить вычисление реактивности в динамическом диапазоне изменения мощности реактора до 12 декад.
Недостатками ближайшего аналога являются недостаточно высокая точность измерений, помехоустойчивость и, как следствие, недостаточная надежность контроля состояния реактора. Все эти недостатки обусловлены использованием в качестве датчика ППН импульсно-токовой камеры деления. Повышенная погрешность обусловлена недостаточной чувствительностью камеры при работе в импульсном режиме, различными уровнями чувствительности токового и счетного каналов реактиметра в режиме перехода с одного канала на другой, а также отсутствием компенсации токового ложного выходного сигнала, определяемого гамма-фоном работающего реактора и конструкционными особенностями камеры деления. Недостаточная помехозащищенность объясняется невысоким уровнем полезного сигнала при работе камеры в счетном режиме. Возможен срыв вычисления реактивности из-за скачкообразного изменения сигнала с камеры деления в момент ее перехода из импульсного в токовый режим и обратно с сопутствующей потерей информации о состоянии ядерного реактора в этот момент.
Решением проблемы может служить использование в качестве датчиков ППН детекторов с различными физическими принципами получения сигнала и с разной спектральной чувствительностью.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности измерения реактивности ядерного реактора путем уменьшения погрешности измерений. Дополнительными техническими результатами являются увеличение быстродействия и помехозащищенности, расширение динамического диапазона изменения мощности реактора (или интенсивности потока нейтронов), на котором измеряется реактивность, а также расширение функциональности реактиметра.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в цифровом реактиметре, включающем один или несколько каналов измерения реактивности по сигналам датчика плотности потока нейтронов, каждый канал измерения которого включает счетный канал, выполненный из последовательно соединенных спектрометрического усилителя, дискриминатора, преобразователя счет-код, и токовый канал, в который входит усилитель сигнала и преобразователь сигнала в код, при этом преобразователи счетного и токового каналов соединены с общей магистралью, с которой также соединено устройство обработки, управления и индикации, программное обеспечение которого включает функцию вычисления значения реактивности, новым является то, что счетный и токовый каналы соединены с датчиками плотности потока нейтронов с различными физическими принципами получения сигнала, работающими независимо друг от друга, счетный - с одним или несколькими счетчиками нейтронов, а токовый - с токовой камерой деления, снабженной функцией компенсации гамма-излучения, в качестве усилителя сигнала в токовом канале используют логарифмический усилитель, преобразователи счетного и токового каналов с общей магистралью соединены через микроконтроллер и интерфейс связи, а в счетном канале соединение дискриминатора с преобразователем счет-код выполнено на основе линии волоконно-оптической связи.
Канал измерения реактивности может включать в себя несколько токовых каналов, при этом токовые камеры деления, которые подключены к токовым каналам, имеют разную чувствительность.
Устройство обработки, управления и индикации может быть снабжено стандартным интерфейсом связи для подключения вычислительного устройства верхнего уровня.
Устройство обработки, управления и индикации снабжено формирователем аварийного, предупредительного и информационных сигналов для передачи этих сигналов в систему управления и защиты, а программное обеспечение устройства обработки, управления и индикации дополнительно включает функцию вычисления значений физической мощности и периода ее изменения.
Подключение к счетному и токовому каналу датчиков ППН с различными физическими принципами получения сигнала, работающих независимо друг от друга, к счетному каналу - одного или нескольких счетчиков нейтронов, а к токовому - токовой камеры деления, снабженной функцией компенсации гамма-излучения, позволяет осуществлять измерения реактивности каждым датчиком только в одном режиме измерения без переключения режимов, уменьшив, тем самым, погрешность измерения реактивности и исключив срыв вычисления реактивности из-за скачкообразного изменения сигнала камеры деления в момент ее перехода из импульсного в токовый режим и обратно, одновременно увеличив быстродействие измерения реактивности и помехозащищенность, а также обеспечить перекрытие диапазонов изменения ППН для измерения мощности реактора (ППН) при помощи счетного и токового каналов, на основании которой рассчитывается реактивность, по крайней мере, на два порядка, тем самым исключив погрешность измерения, обусловленную различными уровнями чувствительности токового и счетного каналов реактиметра в режиме перехода с одного канала измерения на другой.
Подключение к счетному каналу нескольких счетчиков нейтронов, позволяет повысить его чувствительность на начальном участке нарастания физической мощности, увеличив тем самым точность вычисления реактивности и расширив динамический диапазон изменения ППН, на котором определяется реактивность. Применение в качестве датчика ППН счетного канала счетчиков нейтронов помогает увеличить также помехозащищенность, так как уровень полезного сигнала счетчика в ~1000 раз больше уровня полезного сигнала при работе камеры деления в счетном режиме.
Применение токовой камеры деления, снабженной функцией компенсации гамма-излучения, позволяет учитывать в измерениях токовый ложный выходной сигнал, обусловленный гамма-фоном реактора и конструкционными особенностями камеры, тем самым уменьшая погрешность измерения реактивности и увеличивая помехозащищенность.
Применение в токовом канале в качестве усилителя сигнала логарифмического усилителя, который не требует переключение диапазонов измерения при изменении нейтронного потока, исключает погрешность измерений из-за помех, возникающих при переключении диапазонов, повышает помехозащищенность и увеличивает быстродействие.
Соединение преобразователей счетного и токового каналов с общей магистралью через микроконтроллер и интерфейс связи позволяет обеспечить ввод информации, прошедшей предварительную математическую обработку, в устройство обработки, управлении и индикации без дополнительных преобразующих блоков, что снижает погрешность измерения и увеличивает помехозащищенность, так как данные передаются по протоколу с контрольной суммой, тем самым повышается быстродействие и расширяются функциональные возможности заявляемого реактиметра.
Выполнение соединения дискриминатора с преобразователем счет-код на основе линии волоконно-оптической связи позволяет повысить помехозащищенность, тем самым увеличив точность измерений и быстродействие, так как исключается внесение искажений в исходную информацию.
Применение в одном канале измерения реактивности нескольких токовых каналов, для которых в качестве датчиков ППН используются токовые камеры деления с различной чувствительностью, расширяет динамический диапазон изменения ППН, на котором определяется реактивность. Так же в этом случае исключается переключение диапазонов измерения ППН и тем самым также повышаются точность измерений и помехозащищенность. При этом обеспечивается перекрытие диапазонов изменения ППН, на котором определяется реактивность при помощи токовых каналов, по крайней мере, на два порядка, тем самым исключается погрешность измерения, обусловленная переходом с одного токового канала измерения на другой.
Снабжение устройства обработки, управления и индикации стандартным интерфейсом связи для подключения вычислительного устройства верхнего уровня позволяет расширить функциональные возможности заявляемого реактиметра.
Введение в конструкцию реактиметра дополнительного формирователя аварийного, предупредительного и информационных сигналов, вход которого подключен к выходу устройства обработки управления и индикации, программное обеспечение которого дополнительно включает функцию вычисления значений физической мощности и периода ее изменения, позволяет расширить функциональные возможности заявляемого реактиметра.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом (фиг.), на котором изображена блок-схема заявляемого устройства (на фиг. показано позицией 22), где:
1
N
1 - 1 - N счетчиков нейтронов, работающих в счетном режиме, где N≥1;
1
M
2 - 2 - М камер деления, работающих в токовом режиме, с компенсацией гамма излучения, где М≥1;
3 - биологическая защита реактора;
4 - спектрометрический усилитель;
5 - дискриминатор;
6 - усилитель-дискриминатор;
7 - волоконно-оптическая линия связи;
8 - счетчик импульсов;
9 - микроконтроллер;
10 - интерфейс связи;
11 - преобразователь счет-код;
1
M
12 - 12 -М логарифмических усилителей;
1
M
13 - 13 - М аналогово-цифровых преобразователей (АЦП);
1
M
14 - 14 - М микроконтроллеров;
1
M
15 - 15 - М интерфейсов связи;
1
M
16 - 16 - М преобразователей сигнала в код;
1
L
17 - 17 - L измерительных каналов реактивности, где L≥1;
18 - общая магистраль;
19 - устройство обработки, управления и индикации;
20 - интерфейс связи;
21 - формирователь аварийного, предупредительного и информационных сигналов;
22 - цифровой реактиметр;
23 - вычислительное устройство верхнего уровня;
24 - СУЗ реактора.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить цифровой реактиметр для измерения реактивности реактора БР-К1 (ВНИИЭФ).
Реактиметр 22 изготовлен по известной технологии из известных комплектующих изделий и материалов и включает один канал измерения реактивности 17 с одним счетным каналом и тремя токовыми каналами.
1
6
Счетный канал соединен с шестью параллельно подключенными счетчиками нейтронов СНМ-11 1-1, расположенными за биологической защитой 3, и состоит из последовательно соединенных усилителя-дискриминатора 6, который включает в свой состав спектрометрический усилитель 4 и дискриминатор 5, построенный на основе компаратора, источника опорного напряжения, потенциометра и оптопередатчика на выходе, и преобразователя счет-код 11, конструктивно выполненного в виде отдельного модуля в кассете 3U 10HP по каталогу SCHROFF. Преобразователь счет-код 11 состоит из последовательно соединенных счетчика импульсов 8, выполненного на основе кварцевого генератора и программируемой логической интегральной схемы, микроконтроллера 9 и стандартного интерфейса связи 10 в формате RS-485. Соединение усилителя-дискриминатора 6 с преобразователем счет-код 11 выполнено на основе волоконно-оптической линии связи 7.
i
1
2
3
1
3
i
i
i
i
i
i
i
Каждый токовый канал соединен со своей камерой деления 2, расположенной за биологической защитой 3. Первый токовой канал подключен к камере 2 КНК-57-М, второй - к камере 2 КНК-4, третий - к камере 2 КНК-15-1. Все камеры деления 2-2 подключены в режиме гамма-компенсации и имеют разные токовые чувствительности к нейтронному потоку. Каждый токовый канал включает последовательно соединенные логарифмический усилитель сигнала 12 и преобразователь сигнала в код 16, конструктивно выполненный в виде отдельного модуля в кассете 3U 10НР по каталогу SCHROFF. Преобразователь сигнала в код 16 содержит последовательно соединенные шестнадцатиразрядный АЦП 13, вход которого соединен с логарифмическим усилителем 12, микроконтроллер 14 и стандартный интерфейс связи 14 в формате RS-485.
i
1
3
Преобразователи счетного 11 и токовых каналов 16 через интерфейсы связи 10, 15 - 15 RS-485 соединены с общей магистралью 18, к которой подключено устройство обработки, управления и индикации 19, выполненное на основе микроконтроллера с внутренней памятью и программным обеспечением. Выходы устройства 19. в свою очередь, подключены через интерфейс связи 20 RS-485 к вычислительному устройству верхнего уровня 23. Устройство обработки, управления и индикации 19 содержит формирователь предупредительного, аварийного и информационных сигналов 21 с выходным сигналом типа «сухой контакт», который подсоединен к СУЗ реактора 24,
Работа представленного цифрового реактиметра 22 осуществляется следующим образом.
Перед началом работы во внутреннюю память устройства обработки, управления и индикации 19 с вычислительного устройства верхнего уровня 23 через интерфейс связи RS-485 20 заносятся следующие величины:
- значения коэффициентов преобразования для расчета значений физической мощности (или ППН) на основе зарегистрированных значений силы тока и скорости счета импульсов для трех токовых и одного счетного каналов;
- пороговые значения силы тока и скорости счета импульсов - интервал достоверности, в пределах которого канал измеряет значения силы тока или скорости счета, пропорциональные физической мощности реактора (или ППН), без искажений. При этом диапазоны достоверности каналов перекрываются между собой не менее чем на два порядка;
- значения физической мощности (или ППН) и скорости ее нарастания, по которым будут вырабатываться аварийный, предупредительный или информационные сигналы;
- значения констант групп запаздывающих нейтронов и эффективного источника нейтронов для расчета реактивности конкретного реактора.
1
6
У
Импульсный сигнал от шести параллельно подключенных счетчиков нейтронов СНМ-11 1-1, который вырабатывается под воздействием потока нейтронов, поступает на вход спектрометрического усилителя 4 из состава усилителя-дискриминатора 6. После усиления (К ~ 1000) аналоговый сигнал поступает на компаратор напряжения дискриминатора 5, где происходит отделение шумов и помех от полезного сигнала путем их дискриминации по уровню входного сигнала. Уровень дискриминации задается от источника опорного напряжения с помощью многооборотного потенциометра. Логический сигнал (ТТЛ-уровня) с выхода усилителя-дискриминатора 6 через волоконно-оптическую линию связи 7 поступает на вход преобразователя счет-код 11, где счетчик импульсов 8 подсчитывает количество входных импульсов за заданный интервал. Микроконтроллер 9 опрашивает счетчик импульсов 8, вычисляет скорость счета и подготавливает данные для передачи интерфейс связи RS-485 10 и общую магистраль 18 на устройство обработки, управления и индикации 19 по его запросу.
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
-11
-3
Токовые сигналы, которые вырабатываются под воздействием потока нейтронов, от трех камер деления 2-2 (диапазон измеряемых токов - от 5,0⋅10 до 2⋅10 А), работающих в режиме гамма-компенсации, поступают на входы логарифмических усилителей 12-12 токовых каналов, которые непрерывно преобразуют входные токовые сигнал в значения напряжения по логарифмическому закону (диапазон выходного напряжения - от 0 до 2,5 В) и не требуют переключения диапазонов измерения. Напряжения с выходов логарифмических усилителей 12-12 подается на входы АЦП 13-13, преобразующие их в пропорциональные двоичные коды. Работа АЦП 13-13 происходит под управлением микроконтроллеров 14-14, которые считывают зарегистрированные значения из АЦП 13-13 и подготавливают данные для передачи через интерфейсы связи RS-485 15-15 и общую магистраль 18 на устройство обработки, управления и индикации 19 по его запросу.
эф
Устройство обработки, управления и индикации 19 с заданным периодом опроса (минимальный период опроса 3мс) постоянно считывает данные из счетного и трех токовых каналов, сравнивает полученные значения с диапазонами достоверности и выбирает канал, по показаниям которого производятся дальнейшие расчеты. Устройство обработки, управления и индикации 19 выполняет сшивку данных в поддиапазонах пересечения (одновременного измерения сигналов от различных датчиков ППН), выполняет расчет и индикацию значений мгновенной реактивности в единицах β (доли запаздывающих нейтронов) с помощью решения обратного уравнения кинетики реактора, физической мощности реактора и периода ее изменения. При расчете физической мощности на основании показаний счетного канала производится корректировка просчетов - автоматически учитывается «мертвое время» счетного канала.
Полученные значения физической мощности и периода ее изменения сравниваются в устройстве 19 с установленными порогами аварийной, предупредительной и информационной сигнализаций и при выходе за пределы установленных значений в формирователе аварийного, предупредительного и информационных сигналов 21, подключенном к СУЗ реактора 24, замыкаются соответствующие реле типа «сухой контакт».
Цифровой реактиметр 22 может работать автономно или быть подключен через стандартный интерфейс связи RS-485 20 к вычислительному устройству верхнего уровня 23, которое используется для задания первоначальных пороговых значений, коэффициентов преобразований и констант для расчета реактивности и для наглядной визуализации результатов измерений и архивации данных.
Был изготовлен опытный образец реактиметра и испытан на реакторе БР-К1 (ВНИИЭФ). Испытания показали, что реактиметр измеряет мгновенные значения реактивности, физической мощности (плотности потока нейтронов) и скорости ее изменения в динамическом диапазоне изменения мощности реактора до 14 порядков. При этом чувствительность реактиметра на начальном этапе нарастания мощности при измерении с помощью счетного канала, выполненного на основе шести счетчиков нейтронов СНМ-11, в 30 раз выше, чем в счетном канале с использованием камеры деления, работающей в счетном режиме. Это особенно важно для прогнозирования поведения реактора при быстро протекающих процессах. Реактиметр может работать в круглосуточном режиме измерений при статическом режиме работы реактора, а также может использоваться для измерения реактивности импульсных реакторов.
В настоящее время ведется работа по изготовлению цифрового реактиметра с двумя каналами измерения реактивности. Испытания подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого изобретения.