Способ измерения реактивности размножающей среды

Способ предназначен для измерения реактивности размножающей среды. Способ заключается в том, что помещают источник нейтронов в размножающую среду, после установления стационарного состояния измеряют полное число нейтронов как скорость счета детектора нейтронов в объеме размножающей среды, а также скорость счета в отсутствии источника нейтронов, после чего определяют по формуле реактивность размножающей среды, отличается тем, что в качестве источника нейтронов используется импульсный источник нейтронов (ИИН) с частотой следования импульсов нейтронов более 10 Гц, после включения ИИН и установления стационарного в среднем состояния размножающей среды измеряют среднее значение скорости счета при включенном ИИН и скорость счета при выключенном ИИН n₁, и определяют реактивность на каждом цикле включение-выключение по формуле . Время установления стационарного в среднем состояния равно 3-5 минут. Цикл измерений и n₁ составляет (1-11) секунд. Измерение скорости счета ведут при включенном и выключенном ИИН с дискретностью (0.1-1) секунда. Технический результат - уменьшение погрешности и расширение диапазона измерения реактивности при сокращении времени и трудоемкости. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к физике ядерных реакторов и может быть использовано для измерения реактивности любых размножающих сред - ядерных реакторов, критсборок, хранилищ делящихся материалов.

Известен способ измерений реактивности размножающей среды методом стреляющего источника. Метод основан на уравнениях кинетики реактора, записанных в следующем виде:

где i=1, 2, 3...6.

Начальные условия:

В уравнениях (1-7) использованы следующие обозначения:

t - время;

n_(t) - полное число нейтронов всех энергий в объеме размножающей среды;

ρ - реактивность;

Λ - время генерации мгновенных нейтронов;

- полное число осколков ядер деления, являющихся

предшественниками запаздывающих нейтронов;

λ_i, β_эфi, β_эф - константы запаздывающих нейтронов;

Q=Const - интенсивность источника нейтронов.

Этот способ измерений реактивности заключается в организации ступенчатого во времени возмущения исследуемой среды источником нейтронов постоянной интенсивности и измерениях значений функции n_(t) при наличии и по окончании возмущения.

Способ измерения реактивности (прототип - Казанский Ю.А. и др. Экспериментальные методы физики реакторов, стр.91. Энергоатомиздат, 1984 г.) заключается в следующем. В исследуемую среду вводят источник нейтронов постоянной интенсивности. Через промежуток времени (3-5) минут с момента ввода источника нейтронов в размножающей среде устанавливается стационарное состояние, которое характеризуется начальными условиями (8). После установления стационарного состояния измеряют n_(t) как скорость счета детектора нейтронов в объеме размножающей среды в течение (1-3) минут непрерывно во времени с дискретностью Δt=(0.1-1) сек. Через промежуток времени ˜(10-30) сек, достаточный для измерений n₀, с максимально возможной скоростью удаляют источник нейтронов из размножающей среды. По результатам измерений n_(t) до, во время и после удаления источника из уравнений кинетики (1-7) находят реактивность.

При быстром удалении источника нейтронов за время ˜(0.01-0.1) сек можно пренебречь временем удаления источника и рассчитать реактивность по формуле:

где n₀ и n₁ - результаты измерений скорости счета до и сразу после удаления источника нейтронов.

Формула (9) является частным решением уравнений (1-7) при условии выполнения соотношений (8) и при ступенчатом возмущении потока нейтронов в исследуемой среде посредством удаления источника нейтронов. Возможен другой способ вычислений реактивности по результатам измерений n_(t) из уравнений (1-7) с учетом начальных условий (8). Процедура определения реактивности сводится к вычислению из уравнений (2-7) по результатам измерений n_(t). Реактивность в долях β_эф вычисляется по формуле (10), где все величины при t>0, когда Q=0, известны:

Формула (10) - результат алгебраических преобразований соотношения (1).

Важным преимуществом метода стреляющего источника является возможность измерений реактивности без выхода в критическое состояние, для интерпретации экспериментальных данных требуется минимум сведений о составе и геометрии исследуемой среды.

Недостатком способа является невозможность снижения погрешности измерений и, следовательно, повышения чувствительности способа, расширения диапазона измерения реактивности, т.к. это можно сделать за счет:

- многократного проведения однотипных измерений, а это приводит к увеличению времени и трудоемкости эксперимента, т.к. каждый цикл измерений реализуется за время не менее 5 минут;

- повышения интенсивности источника нейтронов, что невозможно сделать по условиям радиационной безопасности, т.к. использование изотопных источников постоянной интенсивности по условиям радиационной безопасности ограничено величиной ˜10^{7 нейтр}/_сек.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, являются уменьшение погрешности и расширение диапазона измерения реактивности при сокращении времени и трудоемкости измерений при соблюдении норм радиационной безопасности.

Для достижения указанного результата предложен способ измерения реактивности размножающей среды, заключающийся в том, что помещают источник нейтронов в размножающую среду, после установления стационарного состояния измеряют полное число нейтронов как скорость счета детектора нейтронов в объеме размножающей среды, а также скорость счета в отсутствии источника нейтронов, после чего определяют по формуле реактивность размножающей среды, при этом в качестве источника нейтронов используют импульсный источник нейтронов (ИИН) с частотой следования импульсов нейтронов более 10 Гц, после включения ИИН и установления стационарного в среднем состояния размножающей среды измеряют среднее значение скорости счета при включенном ИИН и скорость счета при выключенном ИИН n₁ и определяют реактивность на каждом цикле включение-выключение по формуле:

,

где ρ - реактивность,

β_эф - константа запаздывающих нейтронов,

- среднее значение скорости счета при включенном ИИН,

n₁ - скорость счета детектора после выключения ИИН.

При этом время установления стационарного в среднем состояния, при котором выполняются условия , , где - среднее значение скорости счета на периоде запусков ИИН, равно (3-5) минут.

Цикл измерений и n₁ составляет (1-11) секунд.

Измерение скорости счета ведут при включенном и выключенном ИИН с дискретностью (0.1-1) секунда.

При частоте следования импульсов нейтронов от ИИН ˜30 Гц обеспечивается эффективная интенсивность источника нейтронов до величин ˜10^{10 нейтр}/_сек. Величина интенсивности источника нейтронов, обеспечиваемая ИИН, не ограничена условиям радиационной безопасности.

Включение и выключение источника нейтронов при использовании ИИН происходит мгновенно при наличии или отсутствии электрического импульса от устройства управления ИИН.

При использовании ИИН начальные условия (8) не выполняются, т.к. на каждом периоде работы ИИН функция n_(t) возрастает после запуска ИИН и уменьшается после его выключения, т.е. (период запуска ИИН это время между двумя последовательными импульсами нейтронов). Правомочность использования ИИН для измерения реактивности будет доказана, если с начала запуска ИИН будет определен момент времени t*, после которого выполняется условие при t>t*, т.е. установление стационарного в среднем состояния размножающей среды, а также будет указан способ определения n₀ при . Доказательство проведем посредством математического моделирования эксперимента.

На практике решают систему уравнений (1-7) в двух вариантах:

1) По известным значениям и Q вычисляют значения функции n_(t) - прямое решение уравнений (1-7).

2) По известным значениям n_(t) вычисляют значения и Q - обратное решение уравнений (1-7).

Для определения значений t* и n₀ из уравнений кинетики (1-7) проведен расчет функций n_(t), и для значений подкритичности реактора при запуске ИИН с частотой 20 Гц. Моделировались запуски ИИН в течение 5 минут и последующее прекращение запусков ИИН. В результате численного решения уравнений (2-7) с шагом по времени Δt=0.01 секунда доказано, что для значений реактивности функции монотонно стремятся к нулю. Характер изменения функций и d_(t) при возмущениях размножающей системы импульсным источником и посредством подвода источника нейтронов постоянной интенсивности идентичен.

Каждые сто последовательных значений функций n_(t) и d_(t) были усреднены, средние за каждую секунду значения функций и представлены на фигурах 1 и 2. На фигуре 1 представлены результаты расчета функции , нормированные на максимальное значение при уровнях подкритичности , соответствующие кривые 1, 2, 3. По этим кривым видно, что вследствие работы ИИН функция , монотонно возрастая, стремится к пределу. Функция не отслеживает скачкообразных изменений n_(t) при включениях и выключениях ИИН, поэтому функции d_(t) и практически совпадают. При t*>3 минут функция практически достигает предела, соответственно достигают предела значения функции . Т.е. через 5 минут гарантированно устанавливается стационарное в среднем состояние размножающей среды. При t>3 минут средние значения . Это значение определено как n₀=Const.

На фигуре 2 представлены значения функции , за 10 секунд до выключения ИИН и 20 секунд после выключения при уровнях подкритичности:

, соответствующие кривые 1, 2, 3, 4, 5.

Данные прямой задачи, представленные на фиг.2, были использованы для решения обратной задачи - вычисление реактивности по известным значениям . В результаты расчета по формулам (9) и (10) получены следующие значения реактивности: , которые с точностью до погрешностей численного решения уравнений (1-7) совпадают со значениями реактивности, заданными, как параметры, для решения прямой задачи. По результатам численных расчетов прямого и обратного решений уравнений кинетики реактора при возмущениях, вносимых импульсным источником нейтронов, можно сделать заключение, что использование ИИН для организации ступенчатого во времени изменения интенсивности экспериментального источника нейтронов эквивалентно мгновенному извлечению источника нейтронов постоянной интенсивности. Данные по результатам измерений значений функций n_(t) необходимо усреднять на временном отрезке, равном одному или нескольким периодам запуска ИИН. При постановке реального эксперимента усреднение функции n_(t) осуществляется автоматически, если выбрать интервал дискретности измерений отсчетов экспериментального детектора нейтронов много больше периода запуска ИИН.

Для отработки предложенного способа измерений реактивности на критстенде была проведена серия из трех экспериментов при различных уровнях подкритичности, которые создавались посредством сброса в критическую сборку одной и шести кадмиевых стержней с последующим уменьшением уровня воды в сборке до 30 см.

Измерения реактивности проводились в следующем порядке. Запускался ИИН в режим работы на 5 минут с частотой 20 Гц без измерений значений функции n_{t). По истечении 5 минут после установления стационарного в среднем состояния запускалась система измерений функции n_(t) на 60 секунд с интервалом дискретности Δt=0.01 секунда. По истечении 10 или 30 секунд после начала измерений прекращались запуски ИИН, измерения скорости счета продолжались в течение оставшегося времени. Каждый из трех экспериментов ставился за один цикл периодических запусков ИИН и окончательного выключения ИИН. Каждые сто последовательных значений функций n_(t) были усреднены.

На фигуре 3 приведены результаты измерений экспериментальным каналом измерений потока нейтронов на трех уровнях подкритичности сборки. По данным, приведенным на фиг.3, рассчитаны значения реактивности по формуле (10). Результаты расчета реактивности при трех состояниях сборки: 1 - введен один стержень, 2 - введено шесть стержней, 3 - введено шесть стержней и слита вода до 30 см по высоте, приведены в таблице.

Таблица.
№ состояния сборки	1	2	3
	-1.8±0.1	-9.2±0.5	-31±2

В таблице приведены случайные погрешности измерений. Результаты измерений реактивности в состоянии №3 сборки имеют характер оценки вследствие малой скорости счета. Для получения надежных результатов подобные измерения следует повторять десятки раз. Результаты измерений реактивности в состояниях №1 и №2 сборки согласуются в пределах экспериментальных погрешностей с результатами измерений реактивности, выполненными независимыми методами.

Таким образом, предложенный способ позволяет снизить погрешность измерения реактивности любой размножающей среды и снизить трудоемкость и время измерений, так за время проведения эксперимента ˜12 минут проводят ˜650 циклов измерений и случайная погрешность измерений реактивности в этом случае будет в 25 раз меньше погрешности измерений по одному циклу, в способе - прототипе один цикл измерений проводят за время ˜5 минут.

1. Способ измерения реактивности размножающей среды, заключающийся в том, что помещают источник нейтронов в размножающую среду, после установления стационарного состояния измеряют полное число нейтронов как скорость счета детектора нейтронов в объеме размножающей среды, а также скорость счета в отсутствие источника нейтронов, после чего определяют по формуле реактивность размножающей среды, отличающийся тем, что в качестве источника нейтронов используется импульсный источник нейтронов (ИИН) с частотой следования импульсов нейтронов более 10 Гц, после включения ИИН и установления стационарного в среднем состояния размножающей среды измеряют среднее значение скорости счета при включенном ИИН и скорость счета при выключенном ИИН n₁ и определяют реактивность на каждом цикле включение-выключение по формуле

где ρ - реактивность,

β_эф - константа запаздывающих нейтронов,

- среднее значение скорости счета детектора при включенном ИИН,

n₁ - скорость счета детектора после выключения ИИН.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что время установления стационарного в среднем состояния равно 3-5 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что цикл измерений и n₁ составляет 1-11 с.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение скорости счета ведут при включенном и выключенном ИИН с дискретностью 0,1-1 с.