Способ настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора по составу делящихся элментов топлива

Изобретение относится к контролю характеристик и параметров ядерной безопасности реакторных установок (РУ) атомных электростанций (АЭС) и, в частности, может быть использовано для настройки реактиметров, применяемых на АЭС с реакторами РБМК, на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива. Технический результат изобретения - повышение точности контроля параметров ядерной безопасности РУ с реакторами РБМК-1000 за счет снижения (на два порядка по сравнению с прототипом) величины систематической погрешности измерений реактивности и упрощения процедуры настройки реактиметра на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива. В способе настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива в модуль ПЗУ реактиметра вводят наборы значений параметров, характеризующих соотношение делящихся элементов в топливе с заданным шагом по выгоранию; определяют текущую величину среднего выгорания топлива из данных системы централизованного контроля РУ и выбирают соответствующие наборы значений указанных параметров изменением положения переключателя на задней панели реактиметра. Используют наборы значений параметра α_i - доли запаздывающих нейтронов (з.н.) i-й группы в генерации з.н., отвечающие полной композиции делящихся изотопов топлива заданного выгорания, и наборы значений параметра λ

эффi - эффективных постоянных генерации з.н. i-й группы. Шкала настройки реактиметра прокалибрована в единицах среднего выгорания топлива в активной зоне реактора. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к контролю характеристик и параметров ядерной безопасности реакторных установок (РУ) атомных электростанций (АЭС) и, в частности, может быть использовано для настройки реактиметров, применяемых на АЭС с реакторами РБМК (реактор большой мощности канальный), на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива.

По мере выгорания топлива, а также в результате перехода на эксплуатацию тепловыделяющих сборок (ТВС) нового типа изменяется соотношение делящихся элементов в топливе. В свою очередь это вызывает изменение соотношения запаздывающих нейтронов (з.н.), генерируемых различными делящимися изотопами в топливе. Поскольку для каждого делящегося изотопа (U²³⁵, U²³⁸, Pu²³⁹, Pu²⁴¹) распределение генерируемых им з.н. по параметру генерации - λ _ik (i - номер группы з.н., k - номер изотопа) имеет свои особенности, а указанные распределения влияют на характер поведения реактивности реактора, то при определении реактивности необходима настройка цифрового реактиметра, направленная на учет реального соотношения делящихся элементов в реакторном топливе. Такая настройка позволяет минимизировать систематическую погрешность измерений, обусловленную неучетом детального соотношения различных групп з.н., генерируемых топливной загрузкой реактора.

Известен, взятый в качестве прототипа, способ настройки реактиметра, используемый в цифровом реактиметре ЦВР-9 ("Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Э.091.6709.10", инв. №13-177 389, 1996, ГНЦ РФ ФЭИ). В модели реактиметра ЦВР-9 из полного набора изотопов (U²³⁵, U²³⁸, Рu²³⁹, Рu²⁴¹), характеризующих реакторное топливо, учитывают только 2 изотопа - U²³⁵ и Рu²³⁹. Учет большего числа делящихся изотопов ограничен аппаратными возможностями реактиметра. Шкала настройки реактиметра ЦВР-9 прокалибрована, в единицах величины вклада Рu²³⁹ в генерацию з.н..

Способ настройка реактиметра-прототипа осуществляется следующим образом:

- в модуль постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) вводят дискретные наборы исходных данных. Отдельный набор представляет собой комплект из 12 значений параметра α _ik (i=1-6 - номер группы з.н., k=1-2 - номер изотопа), характеризующего соотношение различных групп з.н. в топливной загрузке реактора, описываемой композицией делящихся элементов топлива - U²³⁵+Рu²³⁹ (значения параметра α _ik - доли з.н. i-й группы, генерируемых при делении k-го изотопа, в полном числе з.н., генерируемых всеми делящимися изотопами, ). Наборы сформированы в зависимости от величины вклада Рu²³⁹ в генерацию з.н.;

- непосредственно перед выполнением физических измерений на РУ из данных системы централизованного контроля (СЦК) определяют величину среднего выгорания топлива;

- по заданной величине среднего выгорания топлива производят оценку величины вклада Рu²³⁹ в генерацию з.н. γ _k=β _kq_k/β , где β _k - константы з.н. (табличные данные), соответствующие доле з.н. в полном числе нейтронов, генерируемых при делении k-го изотопа; , q_k - доля нейтронов, генерируемых при делении k-гo изотопа в полном числе нейтронов, генерируемых всеми делящимися изотопами (значения величин q_k приведены в табл.1 из "Комплексной методики определения физических и динамических характеристик реакторов РБМК", РД ЭО 0137-98);

- устанавливают переключатель учета Рu²³⁹ (с дискретной шкалой в единицах параметра γ _k) в положение, наиболее близкое к реальному значению этого параметра, тем самым выбирают комплект значений величин ее α _ik, соответствующий текущей композиции делящихся изотопов топлива в активной зоне реактора.

Данный способ настройки реактиметра на текущее состояние активной зоны реактора по составу делящихся элементов топлива имеет ряд недостатков. Недостатками способа настройки реактиметра-прототипа являются:

1. Невысокая точность контроля параметров ядерной безопасности РУ (обусловленная значительной систематической погрешностью измерений реактивности), что не гарантирует обеспечение пределов и условий безопасной эксплуатации РУ.

2. Эффект нарастания систематической погрешности измерений реактивности по мере роста выгорания топлива.

3. Неконсервативный характер результатов измерений (переоценка) критических с точки зрения ядерной безопасности параметров реактора (например, подкритичности).

4. Сложность настройки прибора - требуется предварительная процедура оценки учета вклада Рu²³⁹ в генерацию з.н. для текущего состояния активной зоны реактора.

5. Масштаб шкалы (γ (Pu²³⁹)=0, 10, 20, 30 и 40%) выбран неудачно - большая ее часть соответствует нереальным на сегодняшний день величинам среднего выгорания топлива, превышающим 15 МВт· сут/кгU.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения точности контроля параметров ядерной безопасности РУ с реакторами РБМК-1000 за счет снижения (на два порядка по сравнению с прототипом) величины систематической погрешности измерений реактивности и упрощения процедуры настройки реактиметра на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе настройки цифрового реактиметра на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива в модуль ПЗУ реактиметра вводят наборы значений параметров, характеризующих соотношение делящихся элементов в топливе с заданным шагом по выгоранию; определяют текущую величину среднего выгорания топлива из данных СЦК РУ и выбирают соответствующие наборы значений указанных параметров изменением положения переключателя на задней панели реактиметра.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что используют наборы значений параметра α _i - доли з.н. i-й группы в генерации з.н., отвечающие полной композиции делящихся изотопов топлива заданного выгорания, и наборы значений параметра λ

эфф

i

- эффективных постоянных генерации з.н. i-ой группы.

Кроме того, особенностью является то, что шкала настройки реактиметра прокалибрована в единицах среднего выгорания топлива в активной зоне реактора.

В предлагаемом способе используется иной по сравнению с прототипом подход для реализации настройки реактиметра на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива в условиях ограниченных аппаратных возможностей реактиметра. В прототипе приближенное описание полной композиции делящихся элементов реализуется за счет учета лишь части делящихся изотопов топлива - наиболее представительных (по величине вклада в генерацию нейтронов) или наиболее характерных с точки зрения учета особенностей распределения з.н. по параметру генерации λ _ik. В предлагаемом способе аналогичная проблема решается введением эффективных параметров задачи, соответствующих описанию полной композиции делящихся элементов одним эквивалентным элементом, в соответствие которому ставится спектр з.н., приближенно описывающий реальный спектр з.н. при сохранении разбиения з.н. на группы:

Соотношение между вкладами отдельных делящихся изотопов в генерацию нейтронов определяется, прежде всего, выгоранием топлива. Это соотношение влияет на поведение реактивности в переходных процессах, что отражается в характере поведения сигналов нейтронных датчиков. Определяется указанное соотношение значениями вышеупомянутого параметра q_k, однозначно связанного с параметром γ _k, характеризующим вклад отдельных изотопов в генерацию з.н. Поскольку параметры настройки реактиметра - α _ik связаны с γ _k соотношением α _ik=а_ikγk, где а_ik - константы з.н. (табличные данные), соответствующие доле з.н. i-й группы в полном числе з.н., генерируемых при делении k-гo изотопа, то и α _ik, а следовательно, и и , зависят только от выгорания топлива. Тип топлива (обогащение, наличие выгорающего поглотителя) вносит поправку второго порядка малости, что в особенности справедливо в отношении топлива с обогащением 2.4% и эрбиевых ТВС (ЭТВС) с обогащением 2.6 и 2.8% (см. представленную ниже табл.1).

Отмеченный факт имеет принципиальное значение для технической реализации настройки реактиметров на текущее состояние активной зоны по составу делящихся элементов топлива - такая настройка сводится к настройке на текущее значение среднего выгорания топлива.

Таблица 1 Величины долевого вклада отдельных изотопов в генерацию нейтронов деления (qk, %) для ячейки реактора РБМК при различной энерговыработке топлива с обогащением 2% и 2,4% и ЭТВС с обогащением 2,6 и 2,8%.
Тип топливной	k	Изотопы	Энерговыработка топлива, МВт-сут/кгЦ
			0	5	10	15	20	25	30
ТВС, 2.0%	1	U-235	95.48	70.71	55.94	43.79	33.98	20.04	4.25
	2	Pu-239	0	23.85	35.66	43.60	49.72	57.03	65.88
	3	U-238	4.52	4.65	4.99	5.49	6.08	6.83	7.81
	4	Pu-241	0	0.79	3.43	7.18	11.32	16.10	22.06
ТВС, 2.4%	1	U-235	95.92	75.49	62.51	51.73	41.59	29.59	15.19
	2	Pu-239	0	19.77	30.53	38.01	44.11	51.26	59.77
	3	U-238	4.08	4.21	4.50	4.90	5.44	6.14	7.09
	4	Pu-241	0	0.53	2.46	5.36	8.87	13.01	17.95
ЭТВС,	1	U-235	95.76	75.44	62.51	51.75	41.62	29.62	15.22
2.6%	2	Pu-239	0	19.75	30.53	38.03	44.16	51.34	59.87
	3	U-238	4.24	4.28	4.50	4.86	5.35	6.02	6.94
	4	Pu-241	0	0.53	2.46	5.36	8.87	13.02	17.97
ЭТВС,	1	U-235	95.68	75.40	62.48	51.74	41.62	29.63	15.24
2.8%	2	Pu-239	0	19.72	30.51	38.03	44.18	51.38	59.95
	3	U-238	4.32	4.35	4.55	4.87	5.33	5.96	6.82
	4	Pu-241	0	0.53	2.46	5.36	8.87	13.03	17.99

В результате практического применения предлагаемого способа повышается безопасность эксплуатации РУ вследствие повышения точности контроля и обеспечения консервативности оценок параметров и характеристик реактора, значительно упрощается процедура настройки реактиметра на текущее состояние реактора по выгоранию топлива.

Так, например (см. табл.2):

1. Снижается на два порядка по сравнению с прототипом систематическая погрешность измерений (сравни колонки 5 и 7 табл.2).

2. Достигается консервативная оценка (см. колонки 6 табл.2) параметров ядерной безопасности (результатов измерений), что гарантирует обеспечение пределов и условий безопасной эксплуатации РУ.

Данные табл.2 являются результатом опытно-расчетного моделирования измерений, включая моделирование нейтронного сигнала датчиков при введении в реактор "скачка" реактивности 5.0β _эфф. В качестве "опорной" модели при моделировании измерений реактивности рассматривалась модель с учетом полного набора делящихся элементов топлива (U²³⁵, U²³⁸, Рu²³⁹, Рu²⁴¹). Отличие результатов моделирования измерений при использовании других моделей от опорной модели (δ ) рассматривается в качестве оценки систематической погрешности измерений.

Таблица 2 Зависимость результатов измерений реактивности (β эфф) от средней энерговыработки топлива реактора РБМК для прототипа и предлагаемого способа
	Опорная "эталонная" модель, полная композиция делящихся изотопов (U5+U8+Pu9+Pu41)	Прототип, ограниченная композиция делящихся изотопов (U5+Pu9)	Предлагаемый способ (α i и λ iэфф)
	Результат sec; измеренийsec; , β эфф	δ , %	Результат sec; измеренийsec; , β эфф	δ , %	Результат sec; измеренийsec; , β эфф	δ , %
1	2	3	4	5	6	7
о	5,000	0.0	5,233	4,66	4,998	-0,04
5	5,000	0.0	5,281	5,62	4,997	-0,06
10	5,000	0.0	5,339	6,78	4,996	-0,08
15	5,000	0.0	5,413	8,26	4,995	-0,10
20	5,000	0.0	5,506	10,12	4,994	-0,12

Предлагаемый способ настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора осуществляется следующим образом:

- в модуль ПЗУ реактиметра вводят дискретные наборы исходных данных.

Отдельный набор представляет собой комплект из 6 значений параметра α _i, характеризующего соотношение различных групп з.н. в топливной загрузке реактора, описываемой полной композицией делящихся элементов топлива, и комплект из 6 значений параметра λ

эфф

i

, характеризующего групповые эффективные постоянные генерации з.н., соответствующие описанию композиции делящихся элементов одним эквивалентным элементом. Наборы сформированы в зависимости от величины среднего выгорания топлива в активной зоне реактора (см. табл.3, полученную опытно-расчетным путем);

- непосредственно перед выполнением физических измерений на РУ из данных СЦК определяют величину среднего выгорания топлива;

- устанавливают переключатель настройки реактиметра (с дискретной шкалой в единицах среднего выгорания топлива) в положение, наиболее близкое к реальному значению этого параметра, тем самым выбирают один из пяти комплектов значений величин α _i и λ ^эфф, соответствующий текущей композиции делящихся изотопов топлива в активной зоне реактора.

Таблица 3 Наборы значений параметра α i и λ iэфф в предлагаемом способе настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива
Положение переключателя настройки реактиметра на текущее состояние реактора	α i	λ iэфф
“0” (Р=0 МВтс/кг)	0.033 0.219 0.196 0.395 0.115	0.0124 0.0305 0.111 0.301 1.14 3.01
“1” (Р=5 МВтс/кг)	0.0309 0.2139 0.1934 0.3894 0.1272	0.0125 0.0307 0,1149 0.3086 1.1959 3.1749
“2” (Р=10 МВтс/кг)	0.0304 0.2155 0.1933 0.3860 0.1299	0.0125 0.0307 0.1165 0.3116 1.2169 3.2125
“3” (Р=15 МВтс/кг)	0.0294 0.2164 0.1926 0.3832 0.1338	0.0126 0.0307 0.1183 0.3153 1.2435 3.2565
“4” (Р=20 МВтс/кг)	0.0281 0.2168 0.1915 0.3805 0.1389	0.0126 0.0308 0.1202 0.3196 1.2752 3.3114
При Р=0 МВт-сут/кг (положение переключателя “0”) принято q(8)=0, а не q(8)=4.08% (см. табл.1). Причина заключается в том, что при этом положении переключателя стандартно производится поверка реактиметра с помощью имитатора кинетики реактора, в модели которого реализован 6-ти групповой набор констант з.н., соответствующий учету только U235.

В настоящее время предлагаемый способ готовится к внедрению в промышленную эксплуатацию на Смоленской АЭС.

1. Способ настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива, включающий ввод в модуль постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) реактиметра дискретных наборов значений параметров, характеризующих генерацию нейтронов в топливной загрузке реактора с известным средним выгоранием топлива, определение текущей величины среднего выгорания топлива из данных системы централизованного контроля (СЦК) реакторной установки (РУ) и выбор соответствующих наборов значений указанных параметров изменением положения переключателя на задней панели реактиметра, отличающийся тем, что используют наборы значений параметра α_i - доли запаздывающих нейтронов (з.н.) i-ой группы в генерации з.н., отвечающие полной композиции делящихся изотопов топлива заданного выгорания, и соответствующие наборы значений параметра λ

эфф

i

- эффективных постоянных генерации з.н. i-ой группы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шкалу настройки реактиметра калибруют в единицах среднего выгорания топлива в реакторе.