Способ экспериментального учета пространственного эффекта в активной зоне критического ядерного реактора

Изобретение относится к физике ядерных реакторов и предназначено для использования при измерении эффективности поглощающих элементов активной зоны. Способ экспериментального учета пространственного эффекта в активной зоне критического ядерного реактора при измерении эффективности поглотителей включает перемещение в активной зоне сборки поглотителей, определение относительного изменения плотности потока нейтронов по регистрируемому детекторами нейтронов (ДН) сигналу и вычисление по выбранному алгоритму значения реактивности, определение радиуса зоны пространственного эффекта. Алгоритм основан на точечной модели кинетики. Для определения радиуса зоны пространственного эффекта предварительно строят регрессионную зависимость Δρ(r) относительного изменения значения эффективности сборки поглотителей как функцию расстояния r между сборкой поглотителей и ДН, вызванного перемещением сборок поглотителей, определение ДН. ДН будут находиться вне (внутри) зоны пространственного эффекта. Определение эффективности сборки поглотителей производят по сигналам ДН. ДН находятся вне зоны пространственного эффекта (ЗПЭ). Изобретение позволяет оперативно корректировать результаты измерения эффективности сборок поглощающих элементов, находящихся в ЗПЭ. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к физике ядерных реакторов, а именно к измерениям эффективности поглощающих элементов активной зоны (сборок пэлов, стержней СУЗ и т.п., далее по тексту "сборка пэлов" - ГОСТ 23082-78) ядерного реактора, находящегося в критическом состоянии.

Среди множества методов измерения реактивности в настоящее время наиболее распространенными на практике являются методы, основанные на анализе временного поведения измерительного сигнала детектора при перемещении сборки пэлов, пропорционального плотности потока нейтронов, и использующие аналитические зависимости между плотностью нейтронов и реактивностью реактора в приближении точечной кинетики. Свойства реального ядерного реактора выходят за рамки точечного приближения, справедливого при известных ограничениях (Глесстон С., Эдлунд М. Основы теории ядерных реакторов. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1954), поэтому в результатах измерений реактивности, основанных на точечной модели, практически всегда присутствует погрешность, обусловленная неадекватностью модели. Выход за границы применимости точечной модели, например, при значительном изменении во времени пространственно-энергетического распределения нейтронов при возмущениях формы нейтронного поля рядом с вводимой в активную зону реактора сборкой пэлов, приводит к появлению пространственного эффекта - зависимости измеренной эффективности сборки пэлов от пространственного взаиморасположения детекторов нейтронов (ДН) и сборки, от скорости ее перемещения и времени после окончания ее перемещения. В физически больших реакторах (типа РБМК) и при измерениях большой отрицательной реактивности (более 0,1 β_эфф) пространственный эффект требует обязательного учета (Емельянов И.Я., Гаврилов П.А., Селиверстов Б.Н. Управление и безопасность ядерных энергетических реакторов. - М.: Атомиздат, 1975).

Среди методов измерения реактивности названного класса следует выделить широко распространенный метод, основанный на обращенном решении уравнения кинетики реактора в точечном приближении (Бриккер И.Н. Обращенное решение уравнений кинетики ядерного реактора. - Атомная энергия, 1966. - Т.21. - Вып.1. - С.9-13), сокращенно - метод ОРУК, который нашел свое техническое воплощение в реактиметре - аналоговом или цифровом устройстве, имеющем на выходе сигнал - эквивалент реактивности, вносимой поглотителем. Суть метода заключается в том, что с помощью выбранного алгоритма по регистрируемому изменению мощности реактора (изменению нейтронного потока) решают, относительно реактивности, уравнения кинетики и находят искомое значение. При определенных начальных условиях и ограничениях метод переходит в другие, частные методы измерения реактивности: метод асимптотического периода, метод сброса стержня и т.д.

Известно много способов учета пространственного эффекта. Среди способов-аналогов можно выделить способ (Акимов И.С. Учет пространственных эффектов при измерении эффективности стержней СУЗ реакторов Билибинской АЭС. - Атомная энергия, 1999. - Т.86. - Вып.3. - С.167-171), в котором для учета пространственного эффекта вводят коэффициент формы К_ф (относительное изменение нейтронного потока, регистрируемого ДН, при перемещении сборки пэлов), который получают с помощью двумерного физического расчета двух стационарных состояний - исходного (до внесения реактивности) и конечного (после внесения реактивности). Поправочный коэффициент на показания реактиметра определяют как отношение расчетной введенной реактивности к полученной из решения обращенных уравнений кинетики с учетом К_ф. Главным недостатком способа-аналога является его низкая оперативность из-за того, что коррекция результата измерения производится после выполнения соответствующих двумерных физических расчетов.

В качестве прототипа предлагаемого способа авторами выбран наиболее близкий по технической сущности к заявленному изобретению способ (Пат. РФ 2224304, 6G21C 1/30. Способ экспериментального учета пространственного эффекта при измерении эффективности поглотителей в активной зоне критического ядерного реактора / В.Ю.Самонин, В.Г.Анненков (РФ); ФГУП "Производственное объединение "Маяк" (РФ). - №2002104394; заявлено 18.02.2002; опубл. 20.02.2004, Бюл. №5. - 12 с.: 2 ил.), в котором осуществляют перемещение в активной зоне сборки пэлов, определение относительного изменения плотности потока нейтронов, регистрируемого ДН, и вычисление по выбранному алгоритму, основанному на точечной модели кинетики, значения реактивности, определение радиуса зоны пространственного эффекта (ЗПЭ) r_ЗПЭ по предварительно построенной регрессионной зависимости Δ_ρ(r) относительного изменения значения эффективности каждой из сборок пэлов, определенной по сигналам от всех ДН, от значения эффективности сборки пэлов, определенной по сигналам одного ДН, как функцию расстояния r между сборкой пэлов и ДН, а искомую эффективность сборки пэлов, поправленную с учетом пространственного эффекта, определяют как сумму эффективности, определяемой по показаниям наиболее удаленных ДН, находящихся вне ЗПЭ, и эффективности, определяемой по показаниям ДН, находящихся в ЗПЭ, но не содержащей пространственную добавку в результате измерения.

К недостаткам способа-прототипа относится то, что величина выбранной корректирующей пространственный эффект добавки позволяет учесть меньшую часть требуемой поправки, чем обусловлена его недостаточная эффективность.

Задачей изобретения является повышение практической значимости способа-прототипа и повышение точности определения эффективности сборок пэлов, находящихся в ЗПЭ.

Технический результат заключается в оперативной коррекции результатов измерения эффективности сборок пэлов, находящихся в ЗПЭ, и уменьшении погрешности способа-прототипа.

Указанный технический результат в предлагаемом изобретении достигается тем, что при измерении эффективности поглотителей осуществляют перемещение в активной зоне сборки пэлов, определение относительного изменения плотности потока нейтронов по регистрируемому ДН сигналу и вычисление по выбранному алгоритму, основанному на точечной модели кинетики, значения реактивности, определение радиуса ЗПЭ r_ЗПЭ по предварительно построенной регрессионной зависимости Δ_ρ(r) относительного изменения значения эффективности сборки пэлов, как функции расстояния r между сборкой пэлов и ДН. Отличительная особенность предлагаемого способа заключается в том, что определение эффективности сборки пэлов с учетом пространственного эффекта производят только по сигналам ДН, находящихся вне ЗПЭ.

Кроме того, регрессионную кривую находят в виде (кривые класса A): (фиг.1), или (фиг.2), или ; или в виде (кривые класса Б): , или , или , где - эффективность i-й сборки пэлов по суммарному сигналу от всех задействованных ДН системы нейтронного контроля (здесь и далее, если не оговорено особо, эффективность сборки определяется для момента t=t₀ окончания ее перемещения в активной зоне.); - эффективность i-й сборки пэлов, определенная по сигналу одного k-го ДН; - эффективность i-й сборки пэлов по показаниям всех ДН системы нейтронного контроля без показаний k-го ДН; - значение эффективности сборки пэлов по сигналу одного k-го ДН после установления нового стационарного пространственно-энергетического распределения нейтронов соответственно.

Кроме того, искомое значение радиуса ЗПЭ r_ЗПЭ (абсцисса точки изгиба регрессионной кривой вида класса А) определяют как абсциссу точки пересечения прямой, аппроксимирующей с максимальным коэффициентом корреляции левую (деление полученной регрессии на левую и правую ветвь осуществляется по достижении максимального значения коэффициента корреляции линейной аппроксимации) ветвь L-образной регрессии, с осью абсцисс (фиг.1) или как абсциссу точки пересечения двух прямых, аппроксимирующих с максимальным коэффициентом корреляции соответственно левую и правую ветви L-образной регрессии (фиг.2).

Кроме того, искомое значение радиуса ЗПЭ r_зпэ определяют и как абсциссу точки пересечения предварительно построенной регрессионной кривой вида класса Б с осью расстояний r.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными признакам заявленного изобретения. Определение прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский" уровень заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака, представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида.

Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является то, что в предлагаемом способе не требуется подвергать коррекции результат измерения эффективности сборки пэлов, расположенной в ЗПЭ (определяется экспериментально), и отсутствует ограничение на равновеликое перемещение сборок пэлов при определении величины ЗПЭ.

Достижение технического результата производится в следующей последовательности.

1. В активной зоне реактора осуществляют перемещение сборки пэлов, определение относительного изменения нейтронного потока по регистрируемому ДН сигналу и вычисление значения реактивности по выбранному алгоритму, основанному на точечной модели кинетики.

2. Экспериментально, при перемещении сборок пэлов, предварительно определяют размер ЗПЭ (зоны деформации пространственно-энергетического распределения нейтронов). Полагается, что проекция ЗПЭ на плоскость представляет круг с центром в точке расположения ДН, размер которого (радиус круга) постоянен для однотипных (равных по поглощающим свойствам) сборок пэлов при существующей загрузке активной зоны и равномерного размещения ДН по активной зоне.

2.1. Последовательно измеряют (например, с помощью метода ОРУК) эффективности каждой i-й сборки пэлов: (эффективность по сигналу одного k-го включенного ДН) и (по суммарному сигналу от всех включенных ДН системы нейтронного контроля); или и (по показаниям всех ДН системы нейтронного контроля без сигнала к-го ДН); или и (по сигналу одного k-го включенного ДН после установления нового стационарного пространственно-энергетического распределения нейтронов).

2.2. Рассчитывают относительное отклонение значения эффективности сборки Δ_ρ в виде ; или в виде ; или в виде , или в виде , или в виде , или в виде и строят регрессионную зависимость относительного отклонения значения эффективности сборки пэлов Δ_ρ(r) как функцию расстояния r "сборка пэлов - ДН" вида класса А или вида класса Б.

3. Значение радиуса ЗПЭ r_ЗПЭ для регрессионной кривой вида класса А определяют как абсциссу точки пересечения прямой, аппроксимирующей с максимальным коэффициентом корреляции левую ветвь L-образной регрессии, с осью абсцисс, или как абсциссу точки пересечения двух прямых, аппроксимирующих с максимальным коэффициентом корреляции соответственно левую и правую ветви L-образной регрессии.

Значение радиуса ЗПЭ r_ЗПЭ для регрессионной кривой вида класса Б определяют как абсциссу точки пересечения регрессионной кривой с осью расстояний r.

4. Обозначив вокруг измеряемой сборки пэлов ЗПЭ с радиусом, равным r_ЗПЭ, определяют количество n детекторов из общего k числа ДН системы нейтронного контроля, которые будут находиться в деформированном перемещением этой сборкой нейтронном поле.

5. Искомая эффективность сборки пэлов, с учетом поправки на пространственный эффект, измеряется при ее перемещении только по показаниям (k-n) ДН, находящихся вне ЗПЭ.

При использовании цифрового реактиметра с памятью результат может быть получен в режиме реального времени.

Пример. Предлагаемый способ сравнивался со способом-прототипом и способом асимптотического периода. Результаты, полученные на основе выполненного физического эксперимента и в соответствии с изложенной выше последовательностью действий, представлены в табл.1.

Таблица 1 Значения эффективностей сборок пэлов, полученных разными способами
Номер сборки пэлов	Эффективность сборки пэлов, βэфф
По сигналам всех ДН системы, Δρ0=ΔρΣ(t=t0)	Только по сигналам ДН из зоны пространственного эффекта	По способу 1, Δρ1	По способу 2, Δρ2	По способу 3, Δρ3	(Δρ3-Δρ0)/Δρ3, %	(Δρ3-Δρ1)/Δρ3, %	(Δρ3-Δρ2)/Δρ3, %
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	-0,059	-0,128	-0,052	-0,046	-0,040	-47	-31	-16
2	-0,060	-0,208	-0,061	-0,039	-0,034	-78	-78	-14
3	-0,035	-0,077	-0,031	-0,027	-0,023	-50	-34	-17
Примечания: 1 В столбце 2 приведены значения, полученные в рамках точечной кинетики без учета пространственного эффекта (ОРУК). 2 Способ 1 - способ-прототип. 3 Способ 2 - предлагаемый способ.

Из анализа приведенных результатов видно, что предлагаемый способ может быть применим на практике и он эффективнее способа-прототипа.

Применение изобретения позволяет повысить оперативность определения эффективностей отдельных сборок пэлов, суммарной эффективности органов регулирования и защиты, других важных с точки зрения ядерной безопасности параметров (в т.ч. глубину подкритичности, коэффициент неравномерности поля энерговыделения и т.д.) и уменьшить погрешность измерений, обусловленную пространственными эффектами на физически больших ядерных реакторах, например типа РБМК.

1. Способ экспериментального учета пространственного эффекта в активной зоне критического ядерного реактора при измерении эффективности поглотителей, включающий перемещение в активной зоне сборки поглотителей, определение относительного изменения плотности потока нейтронов по регистрируемому детекторами нейтронов (ДН) сигналу и вычисление по выбранному алгоритму, основанному на точечной модели кинетики, значения реактивности, определение радиуса зоны пространственного эффекта r_ЗПЭ, для чего предварительно строят регрессионную зависимость Δρ(r) относительного изменения значения эффективности сборки поглотителей, как функцию расстояния r между сборкой поглотителей и ДН, вызванного перемещением сборок поглотителей, определение ДН, которые будут находиться вне (внутри) зоны пространственного эффекта, отличающийся тем, что определение эффективности сборки поглотителей производят по сигналам ДН, находящихся вне зоны пространственного эффекта (ЗПЭ).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регрессионную зависимость Δρ(r) относительного изменения значения эффективности сборки поглотителей находят в виде

или в виде

где , - эффективности i-ой сборки пэлов, определенные сразу после окончания перемещения сборки (время t=t₀) по суммарному сигналу от всех задействованных ДН системы нейтронного контроля и по сигналу одного k-го ДН соответственно; или эффективности i-ой сборки пэлов, определенные в момент t=t₀ по показаниям всех ДН системы нейтронного контроля без сигнала одного k-го ДН и по сигналу только k-го ДН соответственно; или значения эффективности i-ой сборки пэлов по сигналу одного k-го ДН контроля после установления нового стационарного пространственно-энергетического распределения нейтронов в активной зоне и сразу после окончания перемещения сборки соответственно (время t=t₀).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что значение радиуса ЗПЭ r_ЗПЭ определяют

для регрессионной кривой вида (1) как абсциссу точки пересечения прямой, аппроксимирующей с максимальным коэффициентом корреляции левую ветвь L-образной регрессии, с осью абсцисс, или как абсциссу точки пересечения двух прямых, аппроксимирующих с максимальным коэффициентом корреляции соответственно левую и правую ветви L-образной регрессии;

для регрессионной кривой вида (2) как абсциссу точки пересечения регрессионной кривой с осью расстояний r.