Способ пуска ядерной энергетической установки с термоэмиссионным преобразованием энергии

 

Сущность изобретения: в процессе пуска на этапе разогрева установки канал управления по току реактора-преобразователя для непрерывной работы в составе регулятора номинального режима включают после окончания переходного процесса, связанного с изменением давления паров рабочего тела, например цезия. Включение производят по сигналу, формируемому как конъюктивная функция последовательных во времени событий, заключающихся в достижении заданных значений напряжения, тока или давления паров цезия. Вид конъюнктивной функции определяется типом переходного процесса по давлению паров цезия для конкретной ядерной энергетической установки. При падении электрической мощности ниже достигнутого в процессе разогрева установки заданного уровня самообеспечения корректируют тепловую мощность реактора с помощью управления по току регулятора напряжения, что может быть также использовано для установления соответствия между тепловой и потребляемой электрической мощностью реактора-преобразователя. При уменьшении тока реактора-преобразователя до минимально допустимого с точки зрения электронного охлаждения эмиттера значения уменьшают напряжение стабилизации регулятора напряжения и восстанавливают его в момент включения канала управления по току реактора-преобразователя для работы в составе регулятора номинального режима. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для управления ядерными энергетическими установками с термоэмиссионным преобразованием энергии. Особенностью таких установок, предназначенных, как правило, для автономной работы, например, в условиях космоса, является полная автоматизация пускового режима с жестким требованием минимизации времени выхода на номинальные электрические параметры либо на уровень электрической мощности, достаточный для самообеспечения установки, из-за ограниченной энергоемкости пусковой аккумуляторной батареи. Это приводит к необходимости выбора пусковых алгоритмов, ограничивающих изменение основных параметров допустимыми значениями. Так для установки "Топаз-11" допустимый тепловой режим ЭГК ограничивается температурой эмиттера 1650^оС.

Анализ известных пусковых режимов космических ядерных энергетических установок показывает, что он может быть разделен на три этапа: этап физического пуска, когда реактор выводится из состояния глубокой подкритичности на контролируемый уровень нейтронной мощности за счет программного изменения реактивности; этап дальнейшего выведения реактора на заданный уровень тепловой мощности с возможным управлением по нейтронной мощности, периоду реактора, температуре теплоносителя и т. д. ; этап разогрева установки и выведения ее на номинальные тепловые и электрические параметры, заканчивающийся переходом на управление с помощью регулятора номинального режима.

Предлагаемый пусковой алгоритм относится к этапу разогрева и выведения КЯЗУ на номинальные тепловые и электрические параметры.

Известен способ [1] , при котором пуск установки производят при сохранении постоянства температуры эмиттера, соответствующего температуре рабочего номинального режима и не превышающего допустимой величины. На начальном этапе пуска реактор выводят на уровень тепловой мощности, определяющий заданную температуру эмиттера при разомкнутой цепи электрической нагрузки реактора-преобразователя (РП). Дальнейшее увеличение тепловой мощности осуществляют последовательным ступенчатым увеличением реактивности с величиной ступеньки 0,01˙β_эф. В момент первоначального увеличения реактивности в электрическую цепь РП включают сопротивление нагрузки, превышающее ее номинальную величину. С ростом тепловой мощности растет температура эмиттера, и для ее удержания в заданных пределах снижают сопротивление нагрузки, что ведет к увеличению тока РП, а следовательно, и электронного охлаждения эмиттера. Температуру эмиттера определяют по току. За основу косвенной оценки берут результаты расчетно-экспериментальных исследований.

Количество ступеней реактивности и изменение сопротивления нагрузки выбирают так, чтобы выход РП в заданную рабочую точку происходил при заданной тепловой и электрической мощности.

Таким образом, для этого способа этап выведения на заданный уровень тепловой мощности прогрева и этап разогрева установки с выходом на номинальные электрические параметры объединены. При этом заданная тепловая мощность прогрева равна номинальной тепловой мощности.

Рассмотренный способ пуска имеет ряд недостатков. Поддержание заданной температуры эмиттера за счет изменения сопротивления нагрузки представляет собой достаточно сложную задачу приборной реализации управляемой коммутации при токе, достигающем в зависимости от величины электрической мощности от нескольких сотен до 1000 А с опасностью пробоя электроизоляции при возможных перенапряжениях на клеммах РП. Применимость только для ЯЭУ, реактор которых имеет отрицательный температурный эффект реактивности. Номинальное значение напряжения достигается только в окрестности рабочей точки, что исключает возможность работы РП в режиме самообеспечения на более ранней стадии пуска.

Известен способ пуска [2] , при котором КЯЭУ с многоэлементными ЭГК и генератором паров цезия (ГПЦ) термостатного типа выводят на заданный уровень тепловой мощности по заданному закону при отсутствии в МЭЗ ЭГК цезия в жидкой фазе. Заданный уровень тепловой мощности поддерживают с помощью канала управления по нейтронной мощности. Величину уровня прогрева выбирают меньше номинального значения исходя из необходимости исключения возможности перегрева эмиттеров при работе ЭГК на начальном участке прогрева в режиме вакуумного обезгаживания. При температуре теплоносителя на выходе реактора, превышающей заданное значение, производят коррекцию тепловой мощности.

После обезгаживания по временной команде производят вскрытие управляющего канала ГПЦ и закрытие отсечного клапана, с помощью которых производят напуск паров цезия в МЭЗ ЭГК и прерывают связь полостей МЭЗ с космосом. При этом электрическая цепь РП замкнута на омическое сопротивление, величина которого выбрана из условия обеспечения режима работы ЭГК, близкого к режиму короткого замыкания, для исключения разрядных процессов в диапазоне малых давлений паров цезия.

Необходимую динамику прогрева ГПЦ при пуске обеспечивает предварительный стартовый нагрев ГПЦ и регулирование температуры при пуске с помощью специальной системы регулирования.

При достижении в процессе разогрева заданного тока РП отключают питание циркуляционного электромагнитного насоса (ЦЭМН) от АБ и переходят на питание от насосной секции. При превышении заданного тока осуществляют коррекцию тепловой мощности с помощью токового канала управления. После окончания стабилизации давления паров цезия осуществляют переход на номинальный режим работы за счет изменения сопротивления нагрузки в направлении достижения номинального значения, включают регулятор напряжения (РН) изменяют задание по току РП на номинальное значение.

Таким образом, на этапе разогрева до стабилизации давления паров цезия, поддержание тока РП, близкого к току короткого замыкания, исключение перегрева эмиттеров ЭГК производят за счет коррекции тепловой мощности при управлении по току РП и температуре теплоносителя. Работа ЭГК в режиме КЗ также способствует исключению перегрева.

Недостатками этого способа пуска являются; многорежимность работы установки на этапе разогрева и определяемая этим сложность динамических процессов и управления, в том числе коммутацией в цепи электрической нагрузки; наличие временных команд.

В качестве способа-прототипа выбран способ пуска КЯЭУ "Топаз-11" с одноэлементными ЭГК и вакуумно-цезиевой системой (ВЦС) на основе ГПЦ фитильного типа, автоматически поддерживающего на номинальном режиме установленное давление паров цезия в достаточно широком диапазоне изменения температуры за счет использования принципа капиллярного саморегулирования [3] .

Особенностью установки является наличие перед пуском в МЭЗ ЭГК гелия и в полостях ВЦС жидкого цезия. Гелий улучшает теплопроводность МЭЗ, что позволяет вывести установку на повышенный уровень тепловой мощности и ускорить ее разогрев. Присутствие гелия увеличивает также напряжение пробоя электроизоляции металлокерамических узлов ЭГК при малых давлениях паров цезия. Для исключения опасных напряжений на клеммах рабочей секции (РС) РП в качестве нагрузки на первых двух этапах пуска включено пусковое омическое сопротивление, достаточное для получения на нем на начальном участке этапа разогрева номинального напряжения при давлении паров цезия, исключающем при этом напряжении опасность электрического пробоя. Наличие в полостях ВЦС жидкого цезия определяется особенностями наземной технологической подготовки "Топаз - 11". Переход этого цезия в паровую фазу при разогреве в процессе штатного пуска ускоряет процесс генерации электрической энергии. Оптимальное давление паров цезия рабочего тела определяется настройкой ГПЦ и устанавливается после окончания процесса его стабилизации. На фиг. 1 и 2 приведены временная зависимость изменения давления паров цезия при пуске и обобщенная зависимость электрической мощности от давления паров цезия, представленная в относительных единицах по отношению к значению электрической мощности при оптимальном давлении паров Р_опт. Изменение давления в диапазоне 0 < P≅P^* при t < t^* определяется испарением жидкого цезия в полостях ВЦС (МЭЗ ЭГК). Моменту времени t_o на фиг. 1 соответствует начало разогрева ВЦС, моменту времени t₁ - включение РН, моменту времени t₂ - достижение оптимального давления паров цезия. Значение t^* определяется скоростью испарения жидкого цезия. При t > t^* давление определяется работой ГПЦ.

Таким образом, КЯЭУ "Топаз-11", как и установке "Топаз", присущ переходный процесс по давлению паров цезия и его влияние на установление электрической мощности.

В способе пуска, принятом за прототип, алгоритм управления на этапе разогрева состоит в следующем.

Этап разогрева начинается с момента выведения установки на заданный повышенный уровень тепловой мощности (130% от номинальной тепловой мощности). К этому моменту температура эмиттеров ЭГК практически достигает установившегося значения, начинается разогрев ВЦС, сопровождаемый испарением жидкого цезия в полостях ВЦС и появлением электрической мощности рабочей и насосной секций РП. Выход установки на заданный уровень электрической мощности определяется динамикой разогрева ВЦС, запаздывающего по времени от разогрева теплоносителя. Заданный уровень тепловой мощности поддерживают с помощью канала управления по нейтронной мощности (КНМ). При превышении заданного допустимого значения температуры теплоносителя на выходе реактора (верхняя температурная уставка) с помощью канала управления по температуре (КТ) уменьшают с заданной скоростью уровень задания тепловой мощности.

При заданном значении тока РС, соответствующем диапазону допустимых с точки зрения разрядных процессов давлений паров цезия, выдают команду на выпуск гелия.

При заданном номинальном значении напряжения включают РН, отключают пусковую нагрузку и пусковую АБ.

При заданном значении тока РС РП, например номинальном, включают КТН, штатную нагрузку, производят переключение на температурные уставки номинального режима. Включение РН и КТН производят в моменты времени t₁ и t₂ (см. фиг. 1), соответствующие уверенному нарастанию тока и напряжения в диапазоне давлений, близком к оптимальному давлению паров цезия. Неоптимальность давления в переходном процессе приводит к уменьшению тока и увеличению задания нейтронной мощности с помощью КТН в допустимых пределах, ограниченных температурными уставками номинального режима. При превышении нижней температурной уставки запрещают работу КТН на увеличение тепловой мощности. При превышении верхней температурной уставки с помощью КТ уменьшают тепловую мощность. В процессе стабилизации давления паров цезия с помощью КТН за счет уменьшения уровня задания нейтронной мощности автоматически осуществляют переход установки на номинальный режим работы по тепловой мощности и току РС РП. Напряжение поддерживают с помощью РН.

Недостатки способа-прототипа следующие.

Включение КТН до окончания переходного процесса по давлению паров цезия недостаточно эффективно, поскольку его работа быстро блокируется из-за близости тепловой мощности прогрева к предельно допустимой. По этой причине электрическая мощность РП может стать меньше требуемой для режима самообеспечения. С другой стороны, включение КТН из-за уменьшения тока РП при электрической мощности, превышающей уровень самообеспечения, может привести к неоправданному повышению тепловой мощности; из-за значительно менее инерционного в тепловом отношении эмиттера по сравнению с теплоносителем и возможного неблагоприятного сочетания влияющих на динамику процесса факторов коррекция тепловой мощности по температуре теплоносителя не может полностью исключить возможность перегрева эмиттера; включение КТН в процесс управления до окончания переходного процесса, связанного с разогревом ВЦС, ведет к искажению объективного хода разогрева, усложнению динамики переходного процесса и усложнению управления установкой; релейный характер работы КТН и КТ, их работа при падении тока и повышении температуры теплоносителя в противоположных направлениях (КТН - увеличение мощности, КТ - уменьшение мощности) в сочетании с дискретным характером изменения температурных уставок могут привести к появлению на этапе разогрева автоколебательного режима, определяемого параметрами КТН и КТ. Необходимость исключения этого приводит к сужению диапазона возможных значений параметров КТН и КТ при их работе на этапе разогрева, что ведет к усложнению аппаратуры, поскольку значения этих параметров при регулировании на номинальном режиме могут отличаться.

Таким образом, существенными признаками известных пусковых алгоритмов на этапе разогрева являются последовательность проведения и режим операции включения канала управления по току РП: включение КТН в начале переходного процесса при неустановившемся давлении паров цезия в момент достижения заданного номинального значения тока либо удовлетворяющего требованию самообеспечения установки; включение КТН по временной команде при установившемся давлении паров цезия; включение КТН по заданному току при переходе из режима КЗ на номинальный режим путем изменения сопротивления нагрузки; операции, исключающие перегрев эмиттеров ЭГК: уменьшение тепловой мощности по температуре теплоносителя; уменьшение сопротивления нагрузки по току РС РП; обеспечение при пуске режима работы, близкого к режиму короткого замыкания.

Непосредственное управление по температуре эмиттера в реальных КЯЭУ из-за трудностей практической реализации обычно не применяется.

Целью изобретения является улучшение динамики разогрева установки с одновременным упрощением управления установкой по токовому каналу с учетом требования самообеспечения электроэнергией при ограниченном времени выхода на уровень самообеспечения; надежное исключение возможности перегрева эмиттеров ЭГК.

Цель достигается за счет использования ряда свойств, присущих работе РН и термоэмиссионного РП.

Сущность предлагаемого способа пуска заключается в следующем. Для стабилизации напряжения обычно используется РН параллельного типа, перераспределяющий ток РП I_РП между штатной нагрузкой - I_н и нагрузкой РН (балластным сопротивлением) - I_Б.С, причем I_РП = I_Б.С + I_Н = const. Это позволяет при всех изменениях штатной нагрузки сохранять рабочую точку на вольтамперной характеристике, постоянной при заданной тепловой мощности реактора. При отсутствии резерва электрической мощности необходимая величина I_Б.С определяется тем минимальным значением тока, которое необходимо для работы РЕ в режиме стабилизации. Так, для РН установки "Топаз-11" это минимальное значение I_РНmin 10-15 А при номинальном токе 160 А. Коррекция тепловой мощности, в принципе, необходима только в том случае, когда при штатной нагрузке I_Б.С = I_РНmin, что говорит об отсутствии резерва электрической мощности. Поэтому в процессе пуска нецелесообразно поддерживать заданный номинальный ток либо ток самообеспечения, поскольку в первом случае при повышении мощности прогрева это приводит к неоправданному увеличению тепловой мощности и возможности перегрева ЭГК, во втором - к работе на пониженной тепловой мощности и затягиванию пуска. Достаточно включить КТН только в момент падения электрической мощности ниже необходимой для самообеспечения, т. е. при I_Б.С < I_РНmin и отключить его при I_Б.С = I_РНmin. Для надежной работы включение и отключение КТН целесообразно производить с учетом небольшого запаса по электрической мощности, например, при I_Б.С^* = 1,5I_РНmin. При таком подходе к работе КТН на этапе разогрева до выхода установки на номинальные электрические параметры возможно только кратковременное включение КТН при действительно существующей необходимости в повышении электрической и тепловой мощности. При соответствующем масштабировании сигнала рассогласования с узла сравнения по току через БС можно использовать КТН регулятора номинального режима для управления по току БС: ΔI_РП = М ΔI_Б.С^* ΔI_Б.С^* = I_Б.С - I_Б.С^*; где М - масштабный коэффициент.

Управление по сигналу рассогласования ΔI_Б.С^* с помощью КТН включается только при I_Б.С < I_Б.С^*. Управление по I_Б.С с помощью КТН может быть использовано для номинального режима при необходимости увязки величины тепловой мощности с уровнем потребляемой электрической мощности, т. е. введения соответствия между тепловой мощностью реактора и потребляемой электрической мощностью при работе на номинальном режиме в принципе любой ЯЭУ независимо от вида преобразования энергии.

Для защиты эмиттера ЭГК от перегрева можно использовать электронную составляющую охлаждения, на долю которой падает 30% от общего теплового потока с эмиттера. Известно, что каждому значению тепловой мощности РП при заданном давлении паров цезия соответствует вполне определенное значение тока РП, ниже которого температура эмиттера начинает превышать максимально допустимую. Это значение тока определяется расчетно-экспериментальным путем для максимального давления паров цезия в течение переходного процесса и может быть использовано для исключения перегрева ЭГК при пуске.

Таким образом, в предлагаемом способе пуска цель достигается тем, что уменьшение электрической мощности ниже необходимой для режима самообеспечения определяют по достижении I_Б.С = I_РНmin и включают КТН в направлении увеличения тепловой мощности до достижения, например, I_Б.С = 1,5 I_РНmin. При этом ток самообеспечения должен быть больше минимального тока РП, определяемого электронным охлаждением ЭГК; включение КТН для непрерывной работы в составе регулятора номинального режима производят после окончания переходного процесса по давлению паров цезия при выходе тока РП на установившееся номинальное значение. Включение КТН производят по сигналу, формируемому как конъюнктивная функция свершившихся последовательно во времени событий А = В ^ С₁ ^ С₂ ^ С₃, где В = 1 - включение РН, С₁ = 1, С₂ = 1, С₃ = 1 - события, заключающиеся в достижении заданного, например номинального или близкого к номинальному, значения тока в переходном процессе соответственно на начальном участке переходного процесса при оптимальном давлении паров цезия (С₁ = 1), на участке падения тока при неоптимальном давлении (С₂ = 1). На участке монотонного нарастания тока при стабилизации давления паров цезия (С₃ = 1). В общем случае, руководствуясь видом переходного процесса, выбираем С_i при i = 1, . . . , n, где 1 ≅ n ≅ 4; при уменьшении тока РП после включения РН до величины, меньшей минимального значения, допустимого с точки зрения электронного охлаждения эмиттера ЭГК, уменьшают напряжение стабилизации РН до величины, позволяющей восстановить заданное допустимое минимальное значение тока РП. Номинальное напряжение стабилизации восстанавливают в момент включения КТН для работы в составе регулятора номинального режима. Защита ЭГК от перегрева действует мгновенно без изменения тепловой мощности РП.

Существенными отличительными признаками предлагаемого способа пуска, обладающими новизной являются: включение КТН для увеличения тепловой мощности при уменьшении тока РН ниже заданного значения, определяемого стабильностью работы РН и необходимым уровнем электрической мощности, достаточным для самообеспечения до выхода установки на номинальные электрические параметры. Включение КТН по току РН позволяет также контролировать работу РН; автоматическое включение КТН для работы в составе регулятора номинального режима в конце переходного процесса по давлению паров цезия по сигналу, формируемому как конъюнктивная функция наступления заданных событий; уменьшение напряжения стабилизации РН при падении электрического тока РП ниже уровня, достаточного для электронного охлаждения эмиттеров ЭГК, и восстановление напряжения стабилизации при включении КТН для работы в составе регулятора номинального режима.

На фиг. 1 дан график изменения давления паpов цезия при пуске установки ТОПАЗ-11. на фиг. 2 - обобщенная зависимость электрической мощности от давления паров цезия; на фиг. 3 - работа КТН и РН при пуске.

Предлагаемый способ пуска КЯЭУ на этапе разогрева и выведения на номинальные электрические параметры заключается в следующем (см. фиг. 3).

Ядерный реактор с помощью канала управления по нейтронной мощности выводят по заданному закону с МКУ на заданную больше номинальной тепловую мощность прогрева. В процессе разогрева при достижении номинального напряжения включают РН (момент времени t₁) и формируют сигнал наступления события. В переходном процессе при достижении номинального тока в моменты времени t₂, t₃, t₆ формируют сигналы наступления событий С₁, С₂, С₃, которые используют для включения КТН в момент времени t₆. Формирование сигналов осуществляют с помощью формирователя импульсов (ФИ).

В случае уменьшения тока РП при неоптимальном давлении паров цезия меньше допустимого минимального значения I_min - момент времени t₄ уменьшают напряжение стабилизации РН до величины U_min(у), позволяющей восстановить заданное допустимое значение тока (момент времени t₅). Номинальное напряжение стабилизации U_н восстанавливают в момент включения КТН (момент времени t₆).

В случае снижения электрической мощности ниже необходимого уровня самообеспечения, контролируемого по величине тока нагрузки РН I_Б.С, включают КТН с узлом сравнения по току I_Б.С для увеличения тепловой мощности и выключают его после достижения заданного уровня самообеспечения (на фиг. 3 этот случай не показан).

При приборной реализации предлагаемый способ пуска позволяет исключить температурные уставки, связанные с работой КТН, при необходимости использовать КТН на этапе разогрева без перестройки его параметров, выбранных из условий работы на номинальном режиме.

Дополнительным по сравнению с прототипом является введение узла сравнения по току IБ. С и возможности изменения напряжения стабилизации РН, например, за счет изменения опорного напряжения. Их приборная реализация общеизвестна и не представляет затруднений. Формирование сигнала включения КТН в виде конъюнктивной функции событий может быть реализовано либо за счет использования счетчика с формирователем импульсов с выдачей сигнала, например, при поступлении четвертого импульса, либо за счет использования функциональных логических элементов булевой алгебры-логики на базе современных средств микроэлектроники. (56) 1. Guppy I. G. , Brehm R. L. Mode ling of Thermionic Reactor System for Dynamic Studies. Nuclear Technology, 1971, 11, N 1, р. 7-18.

2. Бгуш И. П. и др. Космическая термоэмиссионная ЯЭУ по программе "Топаз". Принципы конструкции и режимы работы. Атомная энергия, 1991, т. 70, вып. 4, с. 2111.

3. ЯЭУ Топаз-11 Безопасность. СП "Инертек". - М. : 1991.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПУСКА ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ТЕРМОЭМИССИОННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ, заключающийся в том, что реактор с помощью канала управления по нейтронной мощности выводят по заданному закону на заданную больше номинальной тепловую мощность прогрева, в процессе разогрева при достижении номинальных значений напряжения и тока реактора-преобразователя включают регулятор напряжения параллельного типа и канал управления по току реактора-преобразователя и выводят установку на номинальный режим работы, причем при превышении допустимых значений температуры теплоносителя на выходе реактора производят коррекцию тепловой мощности в сторону ее уменьшения за счет изменения задания по нейтронной мощности с помощью канала управления по температуре теплоносителя, отличающийся тем, что канал управления по току реактора-преобразователя включают после окончания переходного процесса, связанного с изменением давления паров рабочего тела, по сигналу, формируемому как конъюнктивная функция последовательных во времени событий A = B ^ C₁ ^ . . . ^ C_п, где B = 1 - включение регулятора напряжения; C_i = 1, i = 1, . . . , п - последовательное достижение в переходном процессе заданных событий, например номинального значения тока реактора-преобразователя или давления паров рабочего тела при п = 1, . . . , 4 в зависимости от вида переходного процесса по контролируемому параметру, апериодического или колебательного,
при прохождении контролируемым параметром заданного значения, при падении электрической мощности в процессе пуска ниже достигнутого в процессе разогрева установки заданного уровня самообеспечения, контролируемого по заданному минимальному току регулятора напряжения, повышают тепловую мощность реактора с помощью кратковременного включения канала управления по току реактора-преобразователя с использованием сигнала рассогласования между током регулятора напряжения и его заданием, при уменьшении тока реактора-преобразователя до минимально допустимого с точки зрения электронного охлаждения эмиттера значения уменьшают напряжение стабилизации регулятора напряжения и восстанавливают его в момент включения канала управления по току реактора-преобразователя по сигналу A.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве событий C_i выбирают события C₁ = 1, C₂ = 1, C₃ = 1, заключающиеся в достижении номинального тока соответственно на начальном участке переходного процесса при оптимальном давлении паров рабочего тела, на участке падения тока при неоптимальном давлении, на участке монотонного нарастания тока при достижении установившегося давления паров рабочего тела.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3