способ настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора по составу делящихся элментов топлива

Формула изобретения

1. Способ настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива, включающий ввод в модуль постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) реактиметра дискретных наборов значений параметров, характеризующих генерацию нейтронов в топливной загрузке реактора с известным средним выгоранием топлива, определение текущей величины среднего выгорания топлива из данных системы централизованного контроля (СЦК) реакторной установки (РУ) и выбор соответствующих наборов значений указанных параметров изменением положения переключателя на задней панели реактиметра, отличающийся тем, что используют наборы значений параметра _i - доли запаздывающих нейтронов (з.н.) i-ой группы в генерации з.н., отвечающие полной композиции делящихся изотопов топлива заданного выгорания, и соответствующие наборы значений параметра ^эфф_i - эффективных постоянных генерации з.н. i-ой группы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шкалу настройки реактиметра калибруют в единицах среднего выгорания топлива в реакторе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контролю характеристик и параметров ядерной безопасности реакторных установок (РУ) атомных электростанций (АЭС) и, в частности, может быть использовано для настройки реактиметров, применяемых на АЭС с реакторами РБМК (реактор большой мощности канальный), на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива.

По мере выгорания топлива, а также в результате перехода на эксплуатацию тепловыделяющих сборок (ТВС) нового типа изменяется соотношение делящихся элементов в топливе. В свою очередь это вызывает изменение соотношения запаздывающих нейтронов (з.н.), генерируемых различными делящимися изотопами в топливе. Поскольку для каждого делящегося изотопа (U²³⁵ , U²³⁸, Pu²³⁹, Pu²⁴¹) распределение генерируемых им з.н. по параметру генерации - _ik (i - номер группы з.н., k - номер изотопа) имеет свои особенности, а указанные распределения влияют на характер поведения реактивности реактора, то при определении реактивности необходима настройка цифрового реактиметра, направленная на учет реального соотношения делящихся элементов в реакторном топливе. Такая настройка позволяет минимизировать систематическую погрешность измерений, обусловленную неучетом детального соотношения различных групп з.н., генерируемых топливной загрузкой реактора.

Известен, взятый в качестве прототипа, способ настройки реактиметра, используемый в цифровом реактиметре ЦВР-9 ("Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Э.091.6709.10", инв. №13-177 389, 1996, ГНЦ РФ ФЭИ). В модели реактиметра ЦВР-9 из полного набора изотопов (U²³⁵, U²³⁸, Рu ²³⁹, Рu²⁴¹), характеризующих реакторное топливо, учитывают только 2 изотопа - U²³⁵ и Рu ²³⁹. Учет большего числа делящихся изотопов ограничен аппаратными возможностями реактиметра. Шкала настройки реактиметра ЦВР-9 прокалибрована, в единицах величины вклада Рu²³⁹ в генерацию з.н..

Способ настройка реактиметра-прототипа осуществляется следующим образом:

- в модуль постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) вводят дискретные наборы исходных данных. Отдельный набор представляет собой комплект из 12 значений параметра _ik (i=1-6 - номер группы з.н., k=1-2 - номер изотопа), характеризующего соотношение различных групп з.н. в топливной загрузке реактора, описываемой композицией делящихся элементов топлива - U²³⁵+Рu²³⁹ (значения параметра _ik - доли з.н. i-й группы, генерируемых при делении k-го изотопа, в полном числе з.н., генерируемых всеми делящимися изотопами, ). Наборы сформированы в зависимости от величины вклада Рu ²³⁹ в генерацию з.н.;

- непосредственно перед выполнением физических измерений на РУ из данных системы централизованного контроля (СЦК) определяют величину среднего выгорания топлива;

- по заданной величине среднего выгорания топлива производят оценку величины вклада Рu²³⁹ в генерацию з.н. _k= _kq_k/ , где _k - константы з.н. (табличные данные), соответствующие доле з.н. в полном числе нейтронов, генерируемых при делении k-го изотопа; , q_k - доля нейтронов, генерируемых при делении k-гo изотопа в полном числе нейтронов, генерируемых всеми делящимися изотопами (значения величин q_k приведены в табл.1 из "Комплексной методики определения физических и динамических характеристик реакторов РБМК", РД ЭО 0137-98);

- устанавливают переключатель учета Рu²³⁹ (с дискретной шкалой в единицах параметра _k) в положение, наиболее близкое к реальному значению этого параметра, тем самым выбирают комплект значений величин ее _ik, соответствующий текущей композиции делящихся изотопов топлива в активной зоне реактора.

Данный способ настройки реактиметра на текущее состояние активной зоны реактора по составу делящихся элементов топлива имеет ряд недостатков. Недостатками способа настройки реактиметра-прототипа являются:

1. Невысокая точность контроля параметров ядерной безопасности РУ (обусловленная значительной систематической погрешностью измерений реактивности), что не гарантирует обеспечение пределов и условий безопасной эксплуатации РУ.

2. Эффект нарастания систематической погрешности измерений реактивности по мере роста выгорания топлива.

3. Неконсервативный характер результатов измерений (переоценка) критических с точки зрения ядерной безопасности параметров реактора (например, подкритичности).

4. Сложность настройки прибора - требуется предварительная процедура оценки учета вклада Рu ²³⁹ в генерацию з.н. для текущего состояния активной зоны реактора.

5. Масштаб шкалы ( (Pu²³⁹)=0, 10, 20, 30 и 40%) выбран неудачно - большая ее часть соответствует нереальным на сегодняшний день величинам среднего выгорания топлива, превышающим 15 МВт· сут/кгU.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения точности контроля параметров ядерной безопасности РУ с реакторами РБМК-1000 за счет снижения (на два порядка по сравнению с прототипом) величины систематической погрешности измерений реактивности и упрощения процедуры настройки реактиметра на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе настройки цифрового реактиметра на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива в модуль ПЗУ реактиметра вводят наборы значений параметров, характеризующих соотношение делящихся элементов в топливе с заданным шагом по выгоранию; определяют текущую величину среднего выгорания топлива из данных СЦК РУ и выбирают соответствующие наборы значений указанных параметров изменением положения переключателя на задней панели реактиметра.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что используют наборы значений параметра _i - доли з.н. i-й группы в генерации з.н., отвечающие полной композиции делящихся изотопов топлива заданного выгорания, и наборы значений параметра ^эфф_i - эффективных постоянных генерации з.н. i-ой группы.

Кроме того, особенностью является то, что шкала настройки реактиметра прокалибрована в единицах среднего выгорания топлива в активной зоне реактора.

В предлагаемом способе используется иной по сравнению с прототипом подход для реализации настройки реактиметра на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива в условиях ограниченных аппаратных возможностей реактиметра. В прототипе приближенное описание полной композиции делящихся элементов реализуется за счет учета лишь части делящихся изотопов топлива - наиболее представительных (по величине вклада в генерацию нейтронов) или наиболее характерных с точки зрения учета особенностей распределения з.н. по параметру генерации _ik. В предлагаемом способе аналогичная проблема решается введением эффективных параметров задачи, соответствующих описанию полной композиции делящихся элементов одним эквивалентным элементом, в соответствие которому ставится спектр з.н., приближенно описывающий реальный спектр з.н. при сохранении разбиения з.н. на группы:

Соотношение между вкладами отдельных делящихся изотопов в генерацию нейтронов определяется, прежде всего, выгоранием топлива. Это соотношение влияет на поведение реактивности в переходных процессах, что отражается в характере поведения сигналов нейтронных датчиков. Определяется указанное соотношение значениями вышеупомянутого параметра q_k, однозначно связанного с параметром _k, характеризующим вклад отдельных изотопов в генерацию з.н. Поскольку параметры настройки реактиметра - _ik связаны с _k соотношением _ik=а_ik k, где а_ik - константы з.н. (табличные данные), соответствующие доле з.н. i-й группы в полном числе з.н., генерируемых при делении k-гo изотопа, то и _ik, а следовательно, и и , зависят только от выгорания топлива. Тип топлива (обогащение, наличие выгорающего поглотителя) вносит поправку второго порядка малости, что в особенности справедливо в отношении топлива с обогащением 2.4% и эрбиевых ТВС (ЭТВС) с обогащением 2.6 и 2.8% (см. представленную ниже табл.1).

Отмеченный факт имеет принципиальное значение для технической реализации настройки реактиметров на текущее состояние активной зоны по составу делящихся элементов топлива - такая настройка сводится к настройке на текущее значение среднего выгорания топлива.

Таблица 1 Величины долевого вклада отдельных изотопов в генерацию нейтронов деления (qk, %) для ячейки реактора РБМК при различной энерговыработке топлива с обогащением 2% и 2,4% и ЭТВС с обогащением 2,6 и 2,8%.
Тип топливной	k	Изотопы	Энерговыработка топлива, МВт-сут/кгЦ
			0	5	10	15	20	25	30
ТВС, 2.0%	1	U-235	95.48	70.71	55.94	43.79	33.98	20.04	4.25
	2	Pu-239	0	23.85	35.66	43.60	49.72	57.03	65.88
	3	U-238	4.52	4.65	4.99	5.49	6.08	6.83	7.81
	4	Pu-241	0	0.79	3.43	7.18	11.32	16.10	22.06
ТВС, 2.4%	1	U-235	95.92	75.49	62.51	51.73	41.59	29.59	15.19
	2	Pu-239	0	19.77	30.53	38.01	44.11	51.26	59.77
	3	U-238	4.08	4.21	4.50	4.90	5.44	6.14	7.09
	4	Pu-241	0	0.53	2.46	5.36	8.87	13.01	17.95
ЭТВС,	1	U-235	95.76	75.44	62.51	51.75	41.62	29.62	15.22
2.6%	2	Pu-239	0	19.75	30.53	38.03	44.16	51.34	59.87
	3	U-238	4.24	4.28	4.50	4.86	5.35	6.02	6.94
	4	Pu-241	0	0.53	2.46	5.36	8.87	13.02	17.97
ЭТВС,	1	U-235	95.68	75.40	62.48	51.74	41.62	29.63	15.24
2.8%	2	Pu-239	0	19.72	30.51	38.03	44.18	51.38	59.95
	3	U-238	4.32	4.35	4.55	4.87	5.33	5.96	6.82
	4	Pu-241	0	0.53	2.46	5.36	8.87	13.03	17.99

В результате практического применения предлагаемого способа повышается безопасность эксплуатации РУ вследствие повышения точности контроля и обеспечения консервативности оценок параметров и характеристик реактора, значительно упрощается процедура настройки реактиметра на текущее состояние реактора по выгоранию топлива.

Так, например (см. табл.2):

1. Снижается на два порядка по сравнению с прототипом систематическая погрешность измерений (сравни колонки 5 и 7 табл.2).

2. Достигается консервативная оценка (см. колонки 6 табл.2) параметров ядерной безопасности (результатов измерений), что гарантирует обеспечение пределов и условий безопасной эксплуатации РУ.

Данные табл.2 являются результатом опытно-расчетного моделирования измерений, включая моделирование нейтронного сигнала датчиков при введении в реактор "скачка" реактивности 5.0 _эфф. В качестве "опорной" модели при моделировании измерений реактивности рассматривалась модель с учетом полного набора делящихся элементов топлива (U²³⁵, U²³⁸ , Рu²³⁹, Рu²⁴¹). Отличие результатов моделирования измерений при использовании других моделей от опорной модели ( ) рассматривается в качестве оценки систематической погрешности измерений.

Таблица 2 Зависимость результатов измерений реактивности ( эфф) от средней энерговыработки топлива реактора РБМК для прототипа и предлагаемого способа
	Опорная "эталонная" модель, полная композиция делящихся изотопов (U5+U8+Pu9 +Pu41)	Прототип, ограниченная композиция делящихся изотопов (U5+Pu9)	Предлагаемый способ ( i и iэфф)
	Результат sec; измеренийsec; , эфф	, %	Результат sec; измеренийsec; , эфф	, %	Результат sec; измеренийsec; , эфф	, %
1	2	3	4	5	6	7
о	5,000	0.0	5,233	4,66	4,998	-0,04
5	5,000	0.0	5,281	5,62	4,997	-0,06
10	5,000	0.0	5,339	6,78	4,996	-0,08
15	5,000	0.0	5,413	8,26	4,995	-0,10
20	5,000	0.0	5,506	10,12	4,994	-0,12

Предлагаемый способ настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора осуществляется следующим образом:

- в модуль ПЗУ реактиметра вводят дискретные наборы исходных данных.

Отдельный набор представляет собой комплект из 6 значений параметра _i, характеризующего соотношение различных групп з.н. в топливной загрузке реактора, описываемой полной композицией делящихся элементов топлива, и комплект из 6 значений параметра ^эфф_i, характеризующего групповые эффективные постоянные генерации з.н., соответствующие описанию композиции делящихся элементов одним эквивалентным элементом. Наборы сформированы в зависимости от величины среднего выгорания топлива в активной зоне реактора (см. табл.3, полученную опытно-расчетным путем);

- непосредственно перед выполнением физических измерений на РУ из данных СЦК определяют величину среднего выгорания топлива;

- устанавливают переключатель настройки реактиметра (с дискретной шкалой в единицах среднего выгорания топлива) в положение, наиболее близкое к реальному значению этого параметра, тем самым выбирают один из пяти комплектов значений величин _i и ^эфф, соответствующий текущей композиции делящихся изотопов топлива в активной зоне реактора.

Таблица 3 Наборы значений параметра i и iэфф в предлагаемом способе настройки цифровых реактиметров на текущее состояние реактора по составу делящихся элементов топлива
Положение переключателя настройки реактиметра на текущее состояние реактора	i	iэфф
“0” (Р=0 МВтс/кг)	0.033 0.219 0.196 0.395 0.115	0.0124 0.0305 0.111 0.301 1.14 3.01
“1” (Р=5 МВтс/кг)	0.0309 0.2139 0.1934 0.3894 0.1272	0.0125 0.0307 0,1149 0.3086 1.1959 3.1749
“2” (Р=10 МВтс/кг)	0.0304 0.2155 0.1933 0.3860 0.1299	0.0125 0.0307 0.1165 0.3116 1.2169 3.2125
“3” (Р=15 МВтс/кг)	0.0294 0.2164 0.1926 0.3832 0.1338	0.0126 0.0307 0.1183 0.3153 1.2435 3.2565
“4” (Р=20 МВтс/кг)	0.0281 0.2168 0.1915 0.3805 0.1389	0.0126 0.0308 0.1202 0.3196 1.2752 3.3114
При Р=0 МВт-сут/кг (положение переключателя “0”) принято q(8)=0, а не q(8)=4.08% (см. табл.1). Причина заключается в том, что при этом положении переключателя стандартно производится поверка реактиметра с помощью имитатора кинетики реактора, в модели которого реализован 6-ти групповой набор констант з.н., соответствующий учету только U235.

В настоящее время предлагаемый способ готовится к внедрению в промышленную эксплуатацию на Смоленской АЭС.