Система автоматической стабилизации энергораспределения ядерного реактора

 

О Il И С А Н И Е ц7 0 360

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 10.03.78 (21) 2588740/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (51) М. Кл."

С 21С 7136

Государственный комитет (43) Опубликовано 07.11.80, Бюллетень № 41 (53) УДК 621.039.5 (088.8) по делам изобретений и открытий (45) Дата опубликования описания 07.11,80 (72) Автор изобретения

П. T. Потапенко (71) Заявитель

Московский ордена Трудового Красного Знамени инженернофизический институт (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ

ЭНЕРГОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Изобретение относится к области управления ядерными реакторами и предназначено преимущественно для канальных тяжеловодных и уранграфитовых реакторов с кипящим теплоносителем, склонных к неустойчивости энергораспределения.

Известна система данного регулирования мощности реактора, содержащая несколько зонных (локальных) автоматических регуляторов, каждый из которых состоит из датчиков, стержней регулирования усилителей, задатчиков и сервоприводов (1).

Недостатком этой системы является то, что в случае применения ее на реакторах с неустойчивым энергораспределением не имеется однозначного положения стержней зонных регуляторов и, кроме того, в ней совмещены разнородные функции по регулированию интегральной мощности и стабилизации нейтронного поля, что снижает ядерную безопасность.

Известна система управления энергораспределения по высоте активной зоны, содержащая в одном канале верхний, а в соседнем канале — нижний стержень (2).

Перемещением стержней либо в одном направлении, либо в противоположном обеспечивается стабилизация аксиального энергораспределения. В этой системе также совмещены разнородные Функции регулирования мощности канала и энергораспределения по длине канала. Система управления в случае применения ее на реакторах к неустойчивым радиально-азимутальным нейтронным полям не обеспечивает ядерную безопасность.

Наиболее близкой по технической сущности является система автоматической стабилизации энергораспределения ядерного

1р реактора, содержащая по меньшей мере один регулятор, содержащий не менее одной пары детекторов и одной пары регулирующих органов, перемещающихся с помощью сервоприводов, причем регулирующие органы расположены попарно симметрично относительно центра активной зоны, сумматор с разнополярно подключенными к его входу противостоящими детекторами, к выходу которого последовательно подключе20 ны корректирующее устройство и усилитель мощности (3).

Система-прототип содержит задатчик, усилители сигналов отклонений и по меньшей мере два регулятора, имеющих общие

25 сервоприводы и регулирующие органы. В первом регуляторе суммируются, а во втором регуляторе вычитаются с помощью первого и второго сумматоров сигналы противостоящих детекторов. Выход первого ре30 гулятора подает однополярный сигнал на

701360

65 усилители мощности каждого сервопривода для перемещения регулирующих органов в одну и ту же сторону, а выход второго регулятора подает разнополярные сйгналы на усилители мощности тех же сервоприводов для противостоящих регулирующих органов.

Недостатком известной системы является то, что: — при работе противостоящие регулирующие органы, перемещаются несинхронно; — не обеспечивается ядерная безопасность реактора с неустойчивым энергораспределением.

Кроме того, система-прототип допускает неопределенность в положении ее регулирующих органов, так как несколько ее регуляторов стабилизирует фактически первую азимутальную неустойчивую гармонику.

И наконец, система-прототип, имея возможность однонаправленного перемещения своих регулирующих органов, оказывает неблагоприятное динамическое воздействие на автоматический регулятор мощности, что вызывает нестабильность. Все это снижает ядерную безопасность реактора.

Цель изобретения — повышение ядерной безопасности за счет синхронного перемещения регулирующих органов.

Поставленная цель достигается тем, что: — к выходу усилителя мощности подключен блок синхронизации, воздействующий одновременно на сервоприводы, противоположно перемещающие регулирующие органы; — в качестве блока синхронизации применена следящая система на основе сервопривода и сельсинов указателей положения регулирующих органов с встречной коммутацией сельсинов для противостоящих регулирующих органов, при этом в номинальном положении нижние концы всех регулирующих органов каждого регулятора расположены на уровне центра активной зоны; — в качестве блока синхронизации применен общий для всех регулирующих органов регулятора сервопривод с дифференциальной кинематической парой на выходе, при этом в номинальном положении нижние концы всех регулирующих органов каждого регулятора расположены на уровне центра активной зоны; — что блок синхронизации соединен через сервоприводы с противостоящими регулирующими органами, верхний конец первого из которых и нижний конец второго в номинальном положении расположены на уровне центра активной зоны; — в качестве блока синхронизации применены сервоприводы с шаговыми двигателями и общим источником питания и встречной коммутацией сервоприводов противостоящих регулирующих органов; — что для уменьшения высотного энер5

45 гораспределения блок синхронизации сое. динен с противостоящими регулирующими органами, каждый из которых составлен всвою очередь из двух стержней, причем нижний конец первого стержня и верхний конец второго стержня в номинальном положении расположены на уровне центра активной зоны; — для стабилизации энергораспределения по объему активной зоны блок синхронизации соединен с противостоящими регулирующими органами, расположенными один в верхней, а другой в нижней половинах активной зоны; — использованы жидкостные регулирующие органы, причем блок синхронизации соединен с сервоприводами, управляющими уровней — границ каждого жидкостного регулирующего органа; — использованы газообразные регулирующие органы, причем блок синхронизации соединен с сервоприводами, управляющими клапанами, регулирующими давление газообразного поглотителя нейтронов в каждом газообразном регулирующем органе; — в качестве блока синхронизации применена позиционная обратная связь по положению регулирующих органов, при этом сервоприводы противостоящих регулирующих органов подключены к разнополярным выходам усилителя мощности соответствующего регулятора.

Корректирующее устройство настраивают, исходя из оптимального поддавления первой неустойчивой гармоники нейтронного поля.

Противостоящие пары детекторов и регулирующих органов для краткости называются соответственно диполь датчиков и диполь регулирующих органов. Блок встречной синхронизации диполя регулирующих органов, обеспечивающий ввод поглотителя в одной половине активной зоны и синхронный вывод поглотителя из другой половины активной зоны, может быть выполнен на основе электронной или механической системы встречной синхронизации.

Каждый из противостоящих регулирующих органов регулятора может быть выполнен из двух стержней, при этом нижний конец первого стержня и верхний второго стержня в номинальном положении расположены на уровне центра активной зоны, Это обеспечивает минимизацию искажений высотного энергораспределения при работе системы регулирования.

В системе регулирования противостоящие детекторы и регулирующие органы каждого регулятора могут быть расположены попарно — один в верхней, а другой в нижней половинах активной зоны. Это обеспечивает стабилизацию энергораспределения одновременно по высоте и по радиусу. Минимально необходимое количество таких

701360 дипольных регуляторов для стабилизации объемного энергораспределения — 4.

В качестве регулирующих органов в системе могут быть использованы также жидкостные и газообразные стержни, при этом встречно-синхронная направленность введения жидкого или газообразного поглотителя обеспечена блоком встречной синхронизации, например в виде позиционной обратной связи по положению границ «жидкостного стержня» или по давлению газапоглотителя в секциях «газового стержня».

Сервоприводы управляют положением верхней и нижней границ «жидкого стержня» (например, положением верхнего и нижнего вытеснителей). В «газообразных стержнях» сервоприводы управляют давлением газообразного поглотителя нейтронов.

Повышение ядерной безопасности предлагаемой системой обусловлено следующими факторами.

При работе «дипольного стабилизатора» за счет блока встречной синхронизации не вносится реактивность в реактор. Работа штатного автоматического регулятора мощности из-за разнополярного подключения противостоящих детекторов диполя не сказывается на работе «дипольного регулятора». Таким образом, штатный регулятор мощности и «дипольный регулятор» не влияют друг на друга, а значит не мешают друг другу выполнять свои существенно различные функции. По этой же причине число диполей регулирующих органов можно увеличить, не нарушая условий ядерной безопасности.

Поскольку за счет введения блока встречной синхронизации общее число степеней свободы у дипольно связанных этим блоком регулирующих органов по крайней мере в два раза уменьшено по сравнению с известными системами, то устраняется неопределенность в положении регулирующих органов.

С указанными факторами связано и повышение надежности и точности системы регулирования за счет введения блока синхронизации встречного ввода — вывода поглотителя.

3а счет введения блока синхронизации сокращено до минимума и количество регуляторов, обеспечивающих подавление первой неустойчивой гармоники. Так, для подавления первой неустойчивой гармоники по длине реактора РБМК-П-2400 требуется всего один дипольный регулятор, для подавления азимутальной гармоники реакторов типа РБМК вЂ” два дипольных регулятора, а для подавления первых азимутальной и аксиальной (высотной) гармоник реактора типа РБМК вЂ” четыре дипольных регулятора. Минимизация количества оборудования также приводит к повышению надежности системы регулирования.

6

Все перечисленные факторы повышают ядерную безопасность реактора.

На фиг. 1 изображена структурная схема системы акти матической стабилизации энергораспределения ядерного реактора; на фиг. 2 — кинематические пары, реализующие блок синхронизации регулирующих органов: сервопривод с двумя барабанами .на общем валу; сервопривод с червяком, вращающим через червячные колеса два барабана в противоположном направлении; сервопривод, вращающий через зубчатую пару два (двойных) барабана в противоположном направлении; на фиг. 3 — структурная схема регулятора, реализованная с помощью схемы синхронизации регулирующих органов, обеспечивающей синхронное в одном направлении перемещение диполей регулирующих органов: диаметральное сечение реактора; вид в плане; на фиг. 4— система стабилизации (подавления) азимутальной гармоники, не вносящая при работе искажений в высотное энергораспределение; на фиг. 5 — вариант расположения диполей детекторов и регулирующих органов в плане; на фиг. б — система трехмерной стабилизации энергораспределения, подавляющая первые азимутальную и аксиальную гармоники; на фиг. 7 — система стабилизации с жидкостными регулирующими органами; на фиг. 8 — система стабилизации с газовыми регулирующими органами.

На фиг, 1 в виде круга изображена активная зона реактора в плане.

Система содержит регулирующие органы

1, детекторы нейтронного потока — внутриреакторные — 2, и внереакторные — 3, например камеры деления и ионизационные камеры. Противостоящие детекторы диполя подсоединены к разнополярным входам сумматора 4 либо непосредственно, либо через усилители сигнала ошибки (УСО) 5 усилителя разбаланса. В последнем случае на усилители разбаланса подается также уставка от задатчика мощности б (для простоты показаны усилители разбаланса лишь для трех датчиков). Задатчиком корректируется также и коэффициент усиления УСО обратно пропорционально уровню мощности, как это обычно принято в регуляторах мощности.

Доверительные разбалансы детекторов ограничены зоной насыщения усилителя разбаланса УСО (величиной порядка 5—

10 /О). Это повышает точность и надежность системы.

Весовые коэффициенты при суммировании сигналов детекторов или соответствующих усилителей разбаланса на сумматоре

4 выбираются пропорциональными значениям первой неустойчивой гармоники в месте расположения соответствующего детектора.

Часть детекторов и усилителей разбаланса подключены одновременно к двум ди701360 польным регуляторам. Каждый дппольный регулятор содержит, кроме названных регулирующих органов, детектора и сумматора, также корректирующее устройство 7, настроенное на подавление первой азимутальной гармоники, усилителя мощности 8 и блок синхронизации 9 регулирующих органов, обеспечивающий синхронный ввод поглотителя в одной половине активной зоны и вывод с таким же темпом поглотителя из другой половины активной зоны. Ввод и вывод поглотителя обеспечивается с помощью сервоприводов 10. На схеме регулирующие органы, движущиеся в одном направлении, соединены сплошными линиями, а встречно перемещающиеся — пунктирными.

Система работает следующим образом.

Разбалансы северных датчиков вычитываются в блоке 4 с разбалансами южных датчиков и сигнал перекоса усиливается и корректируется блоками 7 и 8. Блок си хронизации 9 обеспечивает встречно-синхронное введение и выведение поглотителя сдвоенным диполем регулирующих органов

АВ в северной и южной половинах активной зоны в зависимости от знака разбаланса вплоть до ликвидации разбаланса мощностей.

Аналогично ликвидируются разбалансы по мощностям по восточной и западной половинам активной зоны с помощью сдвоенных диполей регулирующих органов СД, Число диполей регулирующих органов в каждом регуляторе выбирается в пределах

1 — 4 в зависимости от «чеса» по реактивности каждого диполя.

Число диполей детекторов в каждом рсгуляторе выбирают, исходя из необходимой точности стабилизации.

Точность, надежность, эффективность стабилизации определяют также число дипольных регуляторов, число детекторов регулирующих органов во всей системе регулирования. На фиг. 2, 3 приведены примеры реализации блока синхронизации регулирующих органов.

В системе на фиг. 2 общий для данного регулятора сервопривод 10 имеет два выходных барабана 11 на общем валу. Диполи регулирующих органов соединены тросом 12, имеющим несколько витков на барабане, и через систему блоков 12 перемещаются в противоположные стороны при вращении барабана.

В системе на фиг. 2б два барабана 11, соединенных с червячными колесами 14, вращаются в противоположные стороны, имея кинематическую связь с сервоприводом 10 от общего червяка 15. На барабанах намотаны тросы диполей регулирующих органов.

В системе на фиг. 2 сдвоенные барабаны

11, вращаются в противоположные стороны от одинаковых зубчатых колес 16, свя10 запных с сервоприводом 10. Трос 12 для каждого регулирующего органа сдвоенного диполя укладывается на индивидуальном барабане.

На фиг. 3 приведена структурная схема регулятора, в которой используется синхронизация, применяемая, например, в штатном регуляторе мощности, при этом «нуль» сельсина-указателя положения одного регулирующего органа смещен на величину, равную длине регулирующего органа, относительно «нуля» сельсина противостоящего диполя регулирующего органа. При синхронном перемещении регулирующих органов диполя и прн их относительном распобольшего количества дипольных регуляторов, чем необходимо для обеспечения устойчивости первой азимутальной гармоники, G5 ложении, указанном на фпг. 3 (нижний конец одного регулирующего органа диполя и верхний конец противостоящего второго регулирующего органа диполя в номинальном положении находятся на уровне центра активной зоны), из одной половины активной зоны поглотитель удаляется, а в другую половину с тем же темпом синхронно вводится. На фиг. 3 — 6 набор детекторов 2, окружающих стержни, изображен для простоты в виде цилиндров 2, ось которых совпадает с осью регулирующего органа.

На фиг. 3 и 6 буквами В и Н обозначено соответственно верхнее и нижнее располоЗО жение регулирующих органов.

На фиг. 4 представлена более совершенная система регулирования, практически не вносящая искажений в высотное энергораспределение при работе системы. В ней каждый из противостоящих регулирующих органов регулятора выполнен пз двух стержпсй, при этом нижний конец первого стер>кня и aepxtt;*й конец второго стержня в номинальном положении расположены на уровне центра активной зоны, а подключением сервоприводов 10 к блоку синхронизации 9 обеспечено встречно-синхронное перемещение первого и второго стержня. При этом в одной половине реактора дубль стер45 жней 1 двигается сверху и снизу в активную зону (идут навстречу к центру активной зоны), а в другой половине реактора дубль стержней синхронно выдвигается нз активной зоны (вверх и вниз от центра ак5 тивпой зоны). Два дубля образуют диполь стержней одного регулятора. На барабанах

11 ссрвоприводов намотано несколько витков общего троса, соединяющего дубль стержней подобно фиг. 2.

55 На фиг. 5 представлен один из возможных вариантов размещения диполей регулирующих органов и детекторов 2 для четырех дипольных регуляторов ДАР-1 и ДАР-2, ДАР-З, ДАР-4. Дипольные автоматические у регуляторы (ДАР) могут работать все одновременно либо часть из них может находиться в резерве. При наличии в системе

701360

10 остальные регуляторы обеспечивают «горячее» резервирование системы.

Наиболее совершенен вариант реализации системы, представленный на фиг. 6. В этой системе противостоящие детекторы 2 и р гулирующие органы 1 каждого дипольного автоматического регулятора (ДАР) расположены попарно один в верхней, а другой — в нижней половинах активной зоны.

Блок синхронизации 9 обеспечивает синхронное движение диполя регулирующего органов. Для подавления первых азимутальной и высотной гармоник в возмущениях нейтронного поля достаточно описанных четырех дипольных автоматических регуляторов.

На фиг. 7 представлена реализация системы на основе жидкостных регулирующих органов 1. В этой системе логика работы такая же, как и в системах, представленных на фиг. 4 и 6. В жидком регулирующем органе регулируются верхняя и нижняя границы (например, с помощью подвижных вытеснителей) . Перемещение верхних и нижних вытеснителей играет здесь ту же роль, что и перемещение верхних и нижних регулирующих органов в системах на фиг.

4и6.

На фиг. 8 представлена реализация системы на основе «газообразных регулирующих органов». Здесь секции 1 регулирующего органа подключаются с помощью трехходовых клапанов 17 к коллектору 18 высокого давления газообразного поглотителя нейтронов (гелий-3) или к коллектору

19 низкого давления газа-поглотителя с помощью газопроводов 20. Логика работы системы (фиг. 8) та же, что и для систем, представ.пенных на фиг. 4 и 6. Изменение давления газа в верхней и нижней секциях газового регулирующего органа играет ту же роль, что и перемещение верхних и нижних регулирующих органов в системах на фиг. 4 и 6.

В системах, представленных на фиг. 7 и

8, блок синхронизации 9, управляя сервоприводами вытеснителей и трехходовых клапанов, обеспечивает встречно-синхронную направленность ввода и вывода поглотителя диполя регулирующих органов за счет позиционной обратной связи по положению границ жидкого поглотителя (вытеснителей) в системе на фиг. 7 и по давлению газа-поглотителя в секциях регулирующего органа в системе на фиг. 8. При этом сервоприводы 9 для противостоящих регулирующих органов подключены к разнополярным выходам усилителя мощности 8.

Разумеется, в этом случае необходимы датчики положения границ «жидкого стержня» и датчики давления газа-поглотителя.

Предложенная система реализуется полностью на элементах, широко используемых на реакторе РБМК. Это следующие элементы:

65 ионизационные камеры и камеры давления КТВ; регулирующие стержни, в том числе укороченные стержни-поглотители (УСП); сервоприводы регулирующих органов; система синхронизации сервоприводов, аналогичная используемой в штатных автоматических регуляторах; усилители разбаланса — штатные усилители УСО автоматичсских регуляторов, одни и те же усилители и детекторы могут быть использованы одновременно в дипольных регуляторах и в штатных регуляторах мощности.

Таким образом, реализация изобретения не требует разработки новых элементов, не эксплуатирующихся на реакторе.

Данная система регулирования может быть реализована и на базе ЭВМ.

Технико-экономический эффект от применения предложенных дипольных автоматических регуляторов (ДАР) на реакторе

РБМК связан со способностью этих регуляторов застабилизировать нейтронное поле по высоте и радиусу реактора. Очень важным положительным свойством предложенной системы, является то, что она не влияет на работу штатных автоматических регуляторов.

Все это приводит к повышению ядерной безопасности реакторов РБМК.

Экономический эффект от применения предложенной системы связан с возможностью достижения оптимальных проектных показателей реактора РБМК вЂ” выгорания топлива, начального обогащения (возможно удаление дополнительных поглотителей из реактора).

Формула изобретения

1. Система автоматической стабилизации энергораспределения ядерного реактора, содержащая по меньшей мере один регулятор, включающий менее одной пары детекторов и одной пары регулирующих органов, перемещающихся с помощью сервоприводов, причем регулирующие органы расположены попарно симметрично относительно центра активной зоны, сумматор с разнополярно подключенными к его входу противостоящими детекторами, к выходу которого последовательно подключены корректирующие устройство и усилитель мощности, о тличающаяся тем, что, с целью повышения ядерной безопасности за счет синхронного перемещения регулирующих органов, к выходу усилителя мощности подключен блок синхронизации, воздействующие одновременно на сервоприводы противоположно перемещающие регулирующие органы.

2. Устройство по п. 1, о тл и ч а ю щ е ес я тем, что в качестве блока синхронизации применена следящая система на основе сервоприводов и сельсинов указателей положения регулирующих органов с встречной коммутацией сельсинов для противо701360

12 стоящих регулирующих органов, при этом в номинальное положение нижние концы всех регулирующих органов каждого регулятора расположены на уровне центра активной зоны. 5

3. Устройство по п. 1, о тл и ч а ю щ е ес я тем, что в качестве блока синхронизации применен общий для всех регулирующих органов регулятора сервопривод с дифференциальной кинематической парой на выходе, при этом в HQMHHBJIbHQM положении нижние концы всех регулирующих органов каждого регулятора расположены на уровне центра активной зоны.

4. Устройство по п. 1, отличающее- д с я тем, что блок синхронизации соединен через сервопривод с противостоящими регулирующими органами, верхний конец первого из которых и нижний конец второго в номинальном положении расположены на уровне центра активной зоны.

5. Устройство по п. 1, отличающеес я тем, что в качестве блока синхронизации применены сервоприводы с тяговыми двигателями и общим источником питания н встречной коммутацией сервоприводов противостоящих регулирующих органов.

6. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю ще ес я тем, что для уменьшения искажений высотного энергораспределения блок синхронизации соединен с противостоящими регулирующими органами, каждый из которых составлен в свою очередь из двух стержней, причем нижний конец первого стержня и верхний конец второго стержня в номинальном положении расположены на уровне центра активной зоны.

7. Устройство по и. 1, отлича ющееся тем, что для стабилизации энергораспределения по объему активной зоны блок синхронизации соединен с противостоящими регулирующими органами, расположенными один в верхней, а другой в нижней половинах активной зоны.

8. Устройство по пп. 1 и 7, о т л и ч а ющ е е с я тем, что использованы жидкостные регулирующие органы, причем блок синхронизации соединен с сервоприводами, управляющими положением уровней — границ каждого жидкостного регулирующего органа.

9. Устройство по пп. 1 и 7, о тл и ч а ющ е е с я тем, что использованы газообразные регулирующие органы, причем блок синхронизации соединен с сервоприводами, управляющими давлением газообразного поглотителя нейтронов в каждом газообразном регулирующем органе.

10. Устройство по пп. 1, 4, 6, 7; 8, 9, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что в качестве блока синхронизации применена позиционная обратная связь по положению регулирующих органов, при этом сервоприводы противостоящих регулирующих органов подключены к разнополярным выходам усилителя мощности соответствующего регулятора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Атомная энергия, т. 41, вып. 2, 1976, с. 81 — 85.

2. Патент Англии № 1255928, кл. G 06С, опублик. 1961.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2363842/18-25, 1976, кл. G 21С 7/36 (прототип) .

701360 44 8

Составитель В. Мешков

Техред А. Камышникова Корректор В. Борисова

Редактор Е. Зеленцова

Типография, пв. Сапунова, 2

Заказ 2543/3 Изд. № 598 Тираж 522 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5