способ контроля кипения натрия в активной зоне ядерного реактора

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ КИПЕНИЯ НАТРИЯ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, заключающийся в измерении по крайней мере в двух точках амплитуды и фазы акустических сигналов, по которым судят об интенсивности кипения, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и увеличения информативности, измеряют импульсные акустические сигналы по амплитуде выше уровня фоновых шумов, измерения проводят по крайней мере еще в одной точке, причем точки контроля расположены на периферии активной зоны выше головок тепловыделяющих сборок симметрично относительно ее центра, по наличию импульсов с точек контроля на промежуток времени t = l/V, где l - максимальное расстояние между датчиками и V - скорость акустического сигнала, судят о закипании натрия, а место закипания определяют путем сопоставления измеренных временных интервалов между импульсами с табличными значениями для каждой тепловыделяющей сборки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в ядерных реакторах (ЯР) на быстрых нейтронах (БН) с жидкометаллическим теплоносителем для контроля развития процесса кипения натрия в активной зоне (АЗ) ЯР, в частности в системах управления и защиты ЯР от расплавления тепловыделяющих сборок (ТВС) при нарушении теплосъема.

Одной из наиболее опасных ситуаций при работе ЯР является возможное снижение расхода теплоносителя через ТВС, в результате чего происходит плавление ТВС и возникновение аварийной ситуации на АЭС. Рассматриваемому аварийному состоянию предшествует кипение теплоносителя в отдельной ТВС. Задача состоит в том, чтобы как можно раньше определить закипание теплоносителя и место закипания или номер "кипящей" ТВС, для того чтобы предотвратить процесс перерастания кипения в одной ТВС на всю АЗ.

Известен способ, основанный на регистрации паров кипящего натрия химическими датчиками. Пары натрия, которые появляются над поверхностью натрия, улавливаются датчиками, у которых в результате воздействия паров натрия уменьшается сопротивление чувствительного элемента. По уменьшению сопротивления чувствительного элемента судят о кипении натрия [1].

Этот способ позволяет регистрировать только глобальное кипение натрия в АЗ, т. е. стадию, когда перегрев в одной ТВС перерастает в перегрев и плавление всей АЗ. Поэтому основным недостатком способа является его низкая чувствительность.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ контроля кипения натрия в АЗ ЯР, который заключается в том, что непрерывно измеряют амплитуду и фазу акустических шумов по крайней мере в двух точках, расположенных на одинаковом расстоянии от источника постороннего шума и по-разному от источника шума, возникающего внутри АЗ, вычитают измеренные в этих точках значения амплитуд друг из друга, а об интенсивности кипения судят по результату вычитания [2].

Данный способ основан на том, что фоновые шумы, создаваемые работающим оборудованием, должны приходить на акустические датчики, расположенные в указанных точках, одновременно и при вычитании должны компенсироваться. В то же время акустические шумы, обусловленные кипением натрия в АЗ, приходят не одновременно, а со сдвигом по фазе из-за разного расположения датчиков по отношению к АЗ. В этом случае при вычитании сигналы не компенсируются. По наличию шумового сигнала после вычитания судят о кипении натрия в АЗ ЯР.

Основными недостатками известного способа являются низкая чувствительность и недостаточная информативность регистрируемых сигналов. Низкая чувствительность обусловлена тем, что в известном способе анализируются акустические шумы, характеризующие кипение натрия во всей АЗ, которое является уже развитым процессом. Второй недостаток вытекает из первого и связан с тем, что в прототипе отсутствует возможность определения места локального разогрева натрия при закипании в одной ТВС.

Целью изобретения является определение ранней стадии закипания натрия и определение места закипания натрия или номера "кипящей" ТВС.

Цель достигается тем, что по способу, заключающемуся в измерении по крайней мере в двух точках амплитуды и фазы акустических сигналов, по которым судят об интенсивности кипения, измеряют импульсные акустические сигналы по амплитуде выше уровня фоновых шумов, измерения проводят по крайней мере еще в одной точке, причем точки контроля расположены на периферии АЗ выше головок ТВС симметрично относительно ее центра, по наличию импульсов с точек контроля за промежуток времени t=l/v, где l - максимальное расстояние между датчиками; v - скорость акустического сигнала, судят о закипании натрия, а место закипания определяют путем сопоставления измеренных временных интервалов между импульсами с табличными значениями для каждой ТВС.

На фиг. 1 представлена схема устройства, с помощью которого осуществляется предлагаемый способ; на фиг. 2 показаны временные диаграммы формирования импульсных сигналов схлопывания пузырька пара натрия путем дискриминации фоновых шумов; на фиг. 3 - временные диаграммы формирования счетного импульса схлопывания пузырька пара натрия.

Устройство (фиг. 1) содержит акустические датчики 1, 2, 3, усилители 4, 5, 6, дискриминаторы 7, 8, 9, блоки 10, 11, 12 задания временных интервалов, логическую схему И 13, счетчик 14 импульсов и измерители 15, 16, 17, временных интервалов.

Акустические датчики 1, 2, 3 соединены с входами соответствующих усилителей 4, 5, 6, выходы которых через соответствующие дискриминаторы 7, 8, 9 соединены с входами блоков 10, 11, 12 задания временных интервалов соответственно. Выходы последних подключены к соответствующим входам логической схемы И, выход которой соединен с управляющими входами блоков задания временных интервалов и входом счетчика 14 импульсов, выход которого является выходом устройства "Факт кипения". Выходы дискриминаторов 7, 8, 9 соединены соответственно с первыми входами первого 15 и третьего 17 измерителей временных интервалов, вторым входом первого 15 и первым входом второго 16 измерителей временных интервалов и вторыми входами второго 16 и третьего 17 измерителей временных интервалов, причем выходы измерителей временных интервалов являются выходами устройства "Место кипения".

Способ осуществляется следующим образом.

Характерной особенностью начальной стадии закипания натрия является появление пузырька пара натрия внутри ТВС, который по мере роста с повышением температуры выходит из объема ТВС, попадая в общий более холодный объем натрия. В результате происходит переход натрия из паровой фазы в жидкую (схлопывание пузырька пара натрия), что сопровождается излучением короткого по времени акустического импульсного сигнала. Акустические датчики 1, 2, 3 размещены на периферии АЗ на высоте около 20 см над уровнем головок ТВС симметрично относительно АЗ ЯР. Измеренный акустический сигнал содержит фоновые шумы, обусловленные работой оборудования на АЭС, и короткие импульсные сигналы от схлопывания пузырька пара натрия, длительность которых находится в пределах 1-5 мс. Для удобства проведения последующих операций измеренный сигнал с датчиков усиливается усилителями 4, 5, 6 и затем осуществляется операция отделения информативных импульсных сигналов от фоновых шумов. Для этого применены дискриминаторы 7, 8, 9, уровни дискриминации сигналов в которых установлены выше уровней фоновых шумов (фиг. 2).

Для повышения достоверности формирования сигнала схлопывания пузырька пара натрия ("факт кипения") анализируется взаимосвязь импульсных сигналов со всех акустических датчиков. За основу операции анализа импульсных сигналов принято то, что их временное расположение в зависимости от местоположения "кипящей" ТВС в АЗ характеризуется фазой или разностью времени прихода акустического импульса от источника акустического сигнала (в данном случае от места схлопывания пузырька) до акустических датчиков. Максимальная разность времени между импульсами составляет t=0,866 d/v, где d - диаметр активной зоны; v - скорость акустического сигнала в натрии. Операция формирования сигнала кипения натрия происходит следующим образом. Импульсы с дискриминаторов 7, 8, 9 поступают на блоки 10, 11, 12 задания временных интервалов. С приходом импульса по любому из входов запускается соответствующий блок задания временного интервала. На примере (фиг. 3) первый импульс пришел с дискриминатора 7 на вход блока 10. На выходе блока 10 формируется импульс длительностью t=0,866 d/v.

Если за это время придут импульсы на блоки 11 и 12, то схема И 13 формирует выходной импульс схлопывания пузырька, который поступает на фиксирующее устройство, например счетчик 14 импульсов. Одновременно импульс со схемы И 13 поступает на управляющие входы блоков 10, 11, 12 задания временных интервалов, которым в этих блоках устанавливается исходное состояние, и схема готова для измерения следующего акустического сигнала. Таким образом, со счетчика 14 формируется информация о схлопывании пузырька пара натрия, т.е. устанавливается факт кипения натрия.

С дискриминаторов 7, 8, 9 сигналы поступают также попарно на измерители 15, 16, 17 временных интервалов. Место закипания натрия, определяемое по месту схлопывания пузырька натрия, обозначает номер "кипящей" ТВС. При фиксированном расположении акустических датчиков каждой ТВС при схлопывании вышедшего из нее пузырька соответствуют однозначные величины t₁, t₂ и t₃, которые определяются из выражений

t₁=

t₂=

t₃= где l₁₂, l₂₃, l₁₃ - разности расстояний от источника акустического сигнала соответственно до акустических датчиков 1 и 2, 2 и 3 и 1 и 3;

v - скорость акустического сигнала в натрии (для реакторов БН v=2309 м/с).

Эти значения для каждой ТВС записываются в таблицы. Измеренные интервалы времени t₁, t₂, и t₃ соответственно с измерителей 15, 16 и 17 сравниваются с табличными. В результате сравнения определяется номер "кипящей" ТВС.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает контроль ранней стадии закипания натрия и определяет номер "кипящей" ТВС. Контроль ранней стадии обеспечивает соответствие контроля требованиям ядерной безопасности, что повышает ядерную безопасность при эксплуатации ЯР. Определение места закипания или номера "кипящей" ТВС позволяет повысить экономический эффект АЭС с реактором на БН. Так, по сравнению с контролем глобального кипения натрия, где требуется замена всей АЗ или специальная отбраковка неисправных ТВС, на что требуется длительное время, предлагаемый способ позволяет на ранней стадии закипания заменить неисправную ТВС без каких-либо затрат на ее поиск. Это дает не только технический, но и экономический эффект, так как позволяет значительно сократить время простоя АЭС на ликвидацию аварии.