Способ и устройство определения установившегося периода ядерного реактора
Владельцы патента RU 2784409:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Группа изобретений относится к средствам определения установившегося периода ядерного реактора (ЯР). Способ включает размещение токовой камеры в нейронном потоке и снятие сигнала, пропорционального значениям мощности ЯР, далее токовый сигнал преобразуют в напряжение и подают на вход двух пороговых устройств, величина срабатывания которых одинакова. На первое пороговое устройство сигнал поступает непосредственно на вход, а на второе - через делитель с коэффициентом деления, равным величине е~2.718. После срабатывания первого порогового устройства запускают счетчик времени, который останавливается при срабатывании второго порогового устройства, и показания счетчика времени принимают соответствующим значению установившегося периода ядерного реактора. Устройство включает измерительный канал для снятия показаний с токовой камеры, соединенной с преобразователем ток-напряжение, выполненным на основе операционного усилителя. В цепь обратной связи усилителя включен блок переключения нагрузок, предназначенный для выбора коэффициента преобразования и подключенный к блоку управления и индикации. Преобразователь соединен с двумя компараторами, с одним - непосредственно, а с другим - через делитель, выход которого подключен к пересчетному блоку, в качестве которого используют таймеры-счетчики времени, подключенные к блоку обработки данных, подсоединенному к блоку управления и индикации. Техническим результатом является повышение быстродействия и точности определения установившегося периода ЯР. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Группа изобретений относится к ядерной технике, в частности к области контроля функционирования и защиты ядерных реакторов, и может быть использовано в системах у правления и защиты (СУЗ) и в измерительных системах ядерных реакторов, при проведении калибровочных измерений физических параметров и для определения стартовых значений физических параметров в импульсных ядерных реакторах при генерации импульса.
Для управления и безопасной эксплуатации ядерного реактора особенно важными являются вопросы его поведения при нарастании интенсивности потока нейтронов. Основная задача безопасной эксплуатации реактора - не допустить неконтролируемое превышение скорости нарастания мощности. Решение этой задачи должно обеспечиваться быстродействием и точностью регистрирующей аппаратуры, которая позволяет с наименьшей временной задержкой генерировать управляющие сигналы для СУЗ ядерного реактора: сигналы аварийной сигнализации (ЛС) и предупредительной сигнализации (ПС).
Одной из основных характеристик, определяющих динамику реактора, является скорость изменения физической мощности, которую принято характеризовать с помощью величины периода нарастания мощности. Период нарастания мощности ядерного реактора - это время, в течение которого мощность изменяется в е раз (где е≈2,718). Установившийся (или асимптотический) период - период нарастания мощности ядерного реактора на экспоненциальном участке ее увеличения.
Известен способ определения установившегося периода, при котором сигнал с блока детектирования, пропорциональный физической мощности реактора, подают на вход цифрового реактиметра, где с помощью точечной модели кинетики ядерного реактора периодически вычисляют реактивность по изменению мощностного сигнала и обрабатывают выходной сигнал реактиметра с помощью микропроцессора. По достижению расчетным значением реактивности заданного постоянного уровня вычисляют установившийся период ядерного реактора по формуле «обратных часов», используя значение реактивности, соответствующее заданному уровню [патент RU 2453005, публик. 08.11.2010].
В качестве недостатков данного способа следует указать сложность его технической реализации и требование дополнительной математической обработки результатов измерений, что снижает быстродействие устройства, реализующего этот способ и точность полученных значений периода.
Также известны способ и устройство определения установившегося периода ядерного реактора [В.Ф. Мамонтов. Аппаратура для измерения периода разгона. Препринт ФЭИ-289. Обнинск. 1971]. выбранные в качестве ближайшего аналога заявляемому изобретению.
Способ включает интегрирование за равные последовательные интервалы времени значений силы тока камеры, помещенной в нейронный поток, пропорциональных мощности реактора. Отношение интегральных значений на соседних временных интервалах используется для определения установившегося периода разгона реактора согласно соотношению:
где T - значение установившегося периода. Δt - равный последовательный интервал времени для интегрирования. ПК+1, ПК - интегральные значения тока на соседних временных интервалах.
Устройство определения установившегося периода ядерного реактора содержит токовую камеру, аналого-цифровой преобразователь тока в виде интегратора, два пересчетных устройства, цифропечатающее устройство и блок питания. Интегратор преобразует ток камеры в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна силе тока. Число отсчетов пересчетного устройства за заданный интервал времени пропорционально интегралу тока за этот интервал. Пересчетные устройства по очереди считают сумму импульсов в равные последовательные интервалы времени, значения которой используются для определения установившегося периода разгона реактора.
Недостатком известного способа и устройства для его реализации являются недостаточная точность определения периода из-за нелинейной зависимости частоты от входного тока при его нарастании, которая обусловлена влиянием возможного «мертвого» времени интегратора в верхней части диапазона измерения и тока утечки интегратора в нижней части. Кроме этого, недостатком известного способа являются ограниченные возможности его применения, например, способ нельзя использовать для определения периода при возникновении аварийной ситуации из-за его низкого быстродействия.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание способа определения установившегося периода ядерного реактора и устройства для его реализации, обеспечивающих простоту исполнения, надежность и расширение функциональных возможностей.
Техническим результатом заявляемою июбре1ения являются повышение быстродействия и точности определения установившегося периода ядерного реактора. Дополнительным техническим результатом является расширение функциональности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения установившегося периода ядерного реактора, включающем, размещение токовой камеры в нейронном потоке и снятие токового сигнала, который пропорционален значениям мощности ядерного реактора, новым является то. что токовый сигнал камеры преобразуют в напряжение и подают на вход двух пороговых устройств. величина срабатывания которых одинакова, при этом на первое пороговое устройство сигнал поступает непосредственно на вход, а на второе - через делитель с коэффициентом деления, равным величине е≈2.718, после срабатывания первого порогового устройства запускают счетчик времени, который останавливается при срабатывании второго порогового устройства, и показания счетчика времени принимают соответствующим значению установившегося периода ядерного реактора.
Указанный технический результат достигается также тем. что в устройстве для определения установившегося периода ядерного реактора, включающем измерительный канал для снятия показаний с токовой камеры, соединенной с преобразователем, связанным с пересчетным блоком, новым является то, что в качестве преобразователя используют преобразователь ток-напряжение, выполненный на основе операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включен блок переключения нагрузок, предназначенный для выбора коэффициента преобразования токового сигнала в сигнал напряжения и подключенный к блоку управления и индикации, при этом преобразователь соединен с двумя компараторами, с одним - непосредственно, а с другим - через делитель, выход которого подключен к пересчетному блоку, в качестве которого используют таймеры-счетчики времени, подключенные к блоку обработки данных, подсоединенном) к блоку у правления и индикации, выполненному на основе микроконтроллера, который через стандартный интерфейс связи имеет возможность подключения к вычислительному устройству верхнего уровня.
Устройство может включать п каналов измерения, которые настроены на разные уровни срабатывания по мощности для перекрытия диапазона нарастания мощности ядерного реактора, и каждый из которых включает т преобразователей ток-напряжение и т пар компараторов.
В устройстве один из выходов блока пересчетных устройств может быть подключен к блоку формирования аварийного и предупредительного сигналов, подсоединенному к СУЗ реактора.
В устройстве таймеры-счетчики времени могут быть выполнены на основе программируемой логической интегральной схемы и кварцевых генераторов.
Заявленный способ определения установившегося периода позволяет получить достоверное значение периода с высокими точностью и быстродействием за счет того, что измерение периода проводится на аппаратном уровне без дополнительной математической обработки.
Использование преобразователя ток-напряжение, выполненного на основе операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включен блок переключения нагрузок, предназначенный для выбора коэффициента преобразования токового сигнала в сигнал напряжения и управляемый при помощи блока переключения нагрузок, позволяет задавать разные пороговые значения мощности для измерения установившегося периода ядерного реактора на аппаратном уровне, способствуя увеличению быстродействия и точности измерения периода, а также расширению функциональных возможностей устройства.
Использование блока компараторов позволяет зарегистрировать на аппаратном уровне нарастание мощности реактора в е раз, что приводит к увеличению быстродействия и точности определения установившегося периода.
Использование блока таймеров-счетчиков времени позволяет измерить установившийся период на аппаратном уровне, что приводит к увеличению быстродействия и точности определения установившегося периода, которая определяется разрядностью счетчика времени, выполненного на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и точностью используемого для определения времени кварцевого генератора.
Использование в составе устройства блока формирования аварийного и предупредительною сигналов позволяет вырабатывать аварийный и предупредительный сигнал на аппаратном уровне при выходе полученного значения периода за установленные пределы, что повышает быстродействие и точность его работы и делает возможным использование устройства в составе аппаратуры СУЗ реактора, тем самым расширяя функциональные возможности устройства.
Использование в составе устройства блока обработки данных и стандартного интерфейса связи позволяет управлять работой устройства при помощи вычислительного устройства верхнего уровня и включать его в состав измерительных системах ядерных реакторов, что приводит к расширению функциональных возможностей устройства.
Использование в составе устройства блока управления и индикации позволяет управлять работой устройства с его передней панели и использовать его автономно, расширяя тем самым его функциональные возможности.
Устройство для определения установившегося периода ядерного реактора может включать от одного до n каналов измерения, которые настроены на разные уровни срабатывания по мощности, тем самым может быть перекрыт весь диапазон нарастания мощности ядерного реактора. Для организации n каналов измерения периода в составе устройства необходимо использовать n преобразователей ток-напряжение и п пар компараторов в составе блока компаратора.
На фиг. 1 показан принцип работы способа определения установившегося периода (Т1 и Т2) на двух уровнях мощности (N1 и N2).
На фиг. 2 изображена блок-схема заявляемого устройства с блоком детектирования» где:
1 - блок детектирования:
2 - модуль измерения периода:
3 - блок переключения нагрузок;
4 - преобразователь ток-напряжение;
5 - блок индикации и управления;
6 - блок компараторов;
7 - блок обработки данных;
8 - блок таймеров-счетчиков времени;
9 - стандартный интерфейс связи с вычислительным устройством верхнего уровня;
10 - блок формирования аварийного и предупредительного сигналов;
11 - линия связи с вычислительным устройством верхнего уровня;
12 - линия связи управляющих сигналов в СУЗ.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства служит модуль измерения периода (далее по тексту - МИП), применяемый в составе каналов контроля мощности СУЗ БР-К1М (ВНИИЭФ). В качестве блока детектирования используется камера деления, работающая в токовом режиме.
МИП изготовлен по известной технологии из известных комплектующих изделий и материалов и включает два канала определения установившегося периода ядерного реактора, го есть МИП измеряет значения периода два раза на двух уровнях мощности. В общем случае каналов определения установившегося периода ядерного реактора в составе МИП может быть от одного до т с разными поддиапазонами измерения.
Выход блока детектирования I. работающего в токовом режиме, подключен ко входу устройства 2, а именно ко входу преобразователя ток-напряжение 4, выполненного на основе операционного усилителя (ОУ), в цепь обратной связи которого включен блок переключения нагрузок 3, который подключен к блоку управления и индикации 5. Выход преобразователя ток-напряжение 4 подсоединен ко входу блока компараторов 6. в состав которого входят четыре компаратора, выполненных на основе ОУ, и делитель напряжения, выполненный на основе потенциометра. Выходы блока компараторов 6 подключены ко входу блока таймеров-счетчиков времени 8, выполненному на основе ПЛИС, например. EPM570T100C3N фирмы Altera, и кварцевого генератора. Выход блока таймеров-счетчиков времени 8 подсоединен к блоку обработки данных 7, выполненному на основе микроконтроллера (МК) с внутренней памятью, например. ATmega162 фирмы Atmel. Блок таймеров-счетчиков времени 8 соединен с блоком формирования аварийного и предупредительного сигналов 10. выполненною на базе электромагнитных реле, выходы которого по линии связи 12 могут быть подключены к СУЗ реактора. Блок обработки данных 7 соединен с блоком управления и индикации 5 и через стандартный интерфейс связи 9 (RS-485) по линии связи 11 с вычислительным устройством верхнего уровня.
Способ для определения установившегося периода ядерного реактора с помощью МИП (устройства 2) осуществляется следующим образом.
Перед началом работы выбирается поддиапазон измерения установившеюся периода устройства 2. Весь диапазон измерения периода устройства 2 разделен па 3 поддиапазона: первый поддиапазон - от 10 по 9999 мкс; второй поддиапазон - от 0,1 по 999 мс: третий поддиапазон - от 0,1 по 999 с. Поддиапазон выбирается по команде, поступающей на блок обработки данных 7 по линии связи 11 через интерфейс связи 9 от вычислительного устройства верхнего уровня, или при помощи кнопок на передней панели блока управления и индикации 5 устройства 2, состояния которых считываются блоком обработки данных 7. По команде с вычислительного устройства верхнего уровня записываются пороговые значения периода в ПЛИС из состава таймеров-счетчиков времени 6 для генерации предварительной и аварийной сигнализаций.
При помощи дискретною переключателя нагрузки на передней панели блока управления и индикации 5 устройства 2 выбирают значение сопротивления нагрузки в блоке переключения нагрузок 3, задавая пороговое значения мощности ядерного реактора для измерения периода. Устройство 2 переводится в режим готовности к измерениям.
В ходе работы токовый сигнал от блока детектирования 1, например, камеры деления, работающей в токовом режиме, поступает на вход ОУ из состава преобразователя ток-напряжение 4. который непрерывно преобразует токовый сигнал в значения напряжения. Коэффициент преобразования задается выбранным сопротивлением блока переключения нагрузок 3 в цепи обратной связи ОУ преобразователя ток-напряжение 4.
Сигнал напряжения (U1) подается напрямую на инвертирующие входы первой пары компараторов и через делитель напряжения сигнал (U2) поступает на инвертирующие входы второй пары компараторов из состава блока компараторов 6. Сопротивление делителя напряжения настраивается таким образом, чтобы напряжение на выходе делителя U2 равнялось U2=U1⋅е-1, где U1 -напряжение на входе делителя. При достижении значения напряжения на инвертирующих входах первой пиры компараторов уровня, установленного на вторых неинвертирующих входах (порогового значения мощности), каждый компаратор первой пары из состава блока компараторов 5 запускает работу своего таймера-счетчика из состава блока таймеров-счетчиков времени 8, которая останавливается срабатыванием компараторов из второй пары. В ПЛИС из состава блока таймеров-счетчиков времени 8 измеряются два интервала времени между этими срабатываниями, которые по выставлению готовности считываются блоком обработки данных 7.
По команде блока обработки данных 7 измеренные значения периода отображаются на индикаторах, расположенных на передней панели блока индикации и управления 5. В ПЛИС из состава блока таймеров-счетчиков времени 8 производится сравнение измеренного значения периода с предустановленными допустимыми величинами ПС и АС, и при выходе этого значения за допустимую границу посылается команда на блок формирования аварийного и предупредительного сигналов 10. выполненного на базе электромагнитных реле, сигналы с которых передаются по линии связи 12 в СУЗ реактора.
Блок обработки данных 7 по запросу вычислительного устройства верхнего уровня передает значение измеренного периода на вычислительное устройство верхнего уровня через стандартный интерфейс связи 9 по линии связи 11.
Подготовка устройства 2 к следующему измерению и сброс результатов предыдущего измерения происходят либо по нажатию кнопки «Сброс» на передней панели блока индикации и управления 5, либо по команде от устройства верхнего уровня.
Измерение значений установившегося периода на всем требуемом интервале изменения мощности реактора обеспечивается выбором соответствующих величин сопротивления нагрузки для отдельных каналов измерения устройства 2.
Модули измерения периода МИП, разработанные на основе способа определения установившеюся периода ядерного реактора, были изготовлены и испытаны, В настоящее время МИП работают в составе каналов контроля мощности СУЗ реактора БР-К1М (ВНИИЭФ).
МИП подтвердил свою эффективность, так как измерение и контроль установившегося периода реактора производится на аппаратном уровне, что обеспечивает быстродействие и точность выполнения измерений, надежность и быстроту генерации управляющих сигналов АС и ПС.
1. Способ определения установившегося периода ядерного реактора, включающий размещение токовой камеры в нейтронном потоке и снятие токового сигнала, который пропорционален значениям мощности ядерного реактора, отличающийся тем, что токовый сигнал камеры преобразуют в напряжение и подают на вход двух пороговых устройств, величина срабатывания которых одинакова, при этом на первое пороговое устройство сигнал поступает непосредственно на вход, а на второе - через делитель с коэффициентом деления, равным величине е≈2,718, после срабатывания первого порогового устройства запускают счетчик времени, который останавливается при срабатывании второго порогового устройства, и показания счетчика времени принимают соответствующим значению установившегося периода ядерного реактора.
2. Устройство для определения установившегося периода ядерного реактора, включающее измерительный канал для снятия показаний с токовой камеры, соединенной с преобразователем, связанным с пересчетным блоком, отличающееся тем, что в качестве преобразователя используют преобразователь ток-напряжение, выполненный на основе операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включен блок переключения нагрузок, предназначенный для выбора коэффициента преобразования токового сигнала в сигнал напряжения и подключенный к блоку управления и индикации, при этом преобразователь соединен с двумя компараторами, с одним - непосредственно, а с другим - через делитель, выход которого подключен к пересчетному блоку, в качестве которого используют таймеры-счетчики времени, подключенные к блоку обработки данных, подсоединенному к блоку управления и индикации, выполненному на основе микроконтроллера, который через стандартный интерфейс связи имеет возможность подключения к вычислительному устройству верхнего уровня.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что включает n каналов измерения, которые настроены на разные уровни срабатывания по мощности для перекрытия диапазона нарастания мощности ядерного реактора, и каждый из которых включает n преобразователей ток-напряжение и n пар компараторов.
4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что один из выходов блока пересчетных устройств подключен к блоку формирования аварийного и предупредительного сигналов, подсоединенному к СУЗ реактора.
5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что таймеры-счетчики времени выполнены на основе программируемой логической интегральной схемы и кварцевых генераторов.
