СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТЕРЖНЕЙ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Изобретение относится к физике ядерных реакторов и может быть использовано для измерения эффективности одного или групп стержней регулирования реакторных установок (РУ): атомных станций, критсборок, исследовательских реакторов в случаях, когда по условиям эксплуатации РУ необходимо обеспечить метрологическую аттестацию этих измерений. На практике требуется, в ряде случаев, определять эффективность стержней регулирования после сброса и последующих добросов. Первый сброс проводят из одного исходного критического или околокритического состояния (см., например, «Руководящий документ. Методики расчета нейтронно-физических характеристик по данным физических экспериментов на энергоблоках атомных станций с реакторами ВВЭР-1000 (РД ЭО 0151-2004)». стр.51-52 рис.14, 16). Эффективность стержней регулирования определяется по изменениям реактивности РУ до и после каждого из последовательных сбросов стержней регулирования:

где Δρ$ - искомая эффективность стержней регулирования;

(ρ$)к-1, (ρ$)к - измеренные значения реактивности РУ до сброса и после сброса стержней регулирования, значения реактивности измеряются в долларах, где к - номер группы сброшенных стержней

Изменения реактивности происходит в результате перемещения стержней регулирования так, что, если положение стержней регулирования в РУ не меняется, то изменения реактивности не происходит. Реактивность есть параметр уравнений баланса нейтронов (см., например, Нечаев Ю.Л. Космические ядерные) энергоустановки «Ромашка» и «Енисей» стр.20, 21. Москва, Издат, 2011).

Известен способ определения вводимой реактивности, а, следовательно, эффективности стержней при однократном их сбросе, а также при любом числе последующих сбросов (см., например, Казанский Ю.Л. и др. Эксперементальные методы физики реакторов, Энергоатомиздат. 1984 г. стр.93.). - прототип), заключающийся в том, что выводят РУ в стационарное состояние, вводят в РУ исследуемые стержни регулирования, измеряют n(t) - полное число нейтронов в РУ до, во время и после ввода стержней, после чего из уравнений баланса нейтронов вычисляют реактивность по результатам измерений значений функции n(t). Интервал дискретности измерений значений функции n(t) во времени Δt≤5 секунд. Допускаются добросы стержней регулирования. При сбросах стержней регулирования промежуток времени от начала движения до их останова обычно не превышает 5 секунд.

Важно отметить, что допускается измерять значения функции n(t) в относительных единицах как скорость счета экспериментального детектора v(t), если коэффициент пропорциональности ε между n(t) и v(t) не изменяется во времени:

где ε - коэффициент пропорциональности

Значение ε не изменяется во времени, если не изменяется во времени в результате перемещения стержней регулирования пространственно-энергетическое распределение нейтронов по объему РУ. Принятие допущения о неизменности ε технически упрощает задачу вычислений эффективности стержней регулирования, т.е. вычисления вводимой реактивности, но приводит к характерным методическим погрешностям. Источник методической погрешности в том, что значения ε изменяется скачком после сброса стержней регулирования, так как изменяется состав РУ и пространственно-энергетическое распределение нейтронов по объему РУ. Вследствие этого результат вычислений ρ$ зависит от места расположения экспериментального детектора. Отличия в результатах вычислений ρ$ в зависимости от места расположения экспериментального детектора могут достигать ~20% от истинной величины уже при первом сбросе. Нет оснований считать, что эти отличия при добросах уменьшатся. Расчет поправок на изменения ε задача, по сложности сравнимая с вычислениями собственно реактивности, а это, соответственно, усложняет метрологическую аттестацию вычислений ρ$ по результатам измерений n(t), и ставится вопрос о целесообразности постановки подобных экспериментов вообще.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является повышение точности определения эффективности стержней регулирования за счет минимизации характерных методических погрешностей после первого сброса и последующих добросов.

Достигается эта минимизация посредством ввода соответствующих поправок измеренных значений n(t). Для этого предложен способ определения эффективности стержней регулирования РУ, заключающийся в том, что включают экспериментальную установку для регистрации значений функции n(t) во времени, непрерывно с интервалом дискретности Δt, от начала до конца эксперимента. Эти значения n(t) измеряют как скорость счета v(t) экспериментального детектора во времени. Выводят РУ в стационарное, критическое состояние. Сбрасывают первую группу исследуемых стержней регулирования, рекомендуется через ~ 20 секунд сбрасывать следующую группу стержней регулирования и т.д.

Способ основан на том, что при расчете ρ$ из уравнений баланса нейтронов по результатам измерений v(t) наблюдается тренд (монотонное изменение) вычисленных значений ρ$ в сторону истинных значений. Этот тренд (следствие замены функции n(t) ее паллиативом v(t)) наблюдается в течение некоторого времени с выходом на асимптоту (см., например, «Экспериментальные методы физики реакторов» Ю.А. Казанский, Е.С. Матусевич. М.: Энергоатомиздат, 1984, стр.100). Причиной тренда является скачкообразное изменение пространственно-энергетического распределения нейтронов по объему РУ. Как следствие, изменение значения ε после каждого сброса стержней регулирования. Если после очередного сброса тренд не наблюдается, то результат расчета ρ$ по измерениям v(t) с помощью этого детектора нейтронов соответствует истинному значению с точностью до случайных экспериментальных погрешностей. В большинстве случаев происходит изменение значения ε в месте расположения детектора нейтронов и необходимо вводить поправку. Операция введения поправки сводится к умножению поправляемых величин v(t) на число δk большее или меньшее 1, где k - номер группы сброшенных стержней.

Для реализации предложенного способа определений ρ$ следует после сброса 1-й группы стержней регулирования умножить на δ1 значение v(0) - результат измерений значения n(t) до сброса 1-й группы стержней регулирования. Численное значение поправки δ1 определяется по отсутствию тренда вычисленных значений ρ$ из уравнений баланса нейтронов по результатам измерений значения v(0) и v(t) на временном отрезке [Т1-Т2], где Т1 - момент останова 1-й группы сброшенных стержней регулирования, Т2 - момент до начала сброса 2-й группы стержней регулирования. После сброса 2-й группы стержней регулирования следует умножить на число δ2 все измеренные значения v(t) на временном отрезке [Т3-Т4], где Т3 - момент останова 2-й группы сброшенных стержней регулирования, Т4 - момент до начала сброса 3-й группы стержней регулирования. Способ определений ρ$ после сброса 3-й группы и последующих групп стержней регулирования реализуется аналогично посредством умножения на число δk соответствующих измеренных значения v(t) на временном отрезке от времени останова сброшенных стержней регулирования до момента доброса следующей группы стержней регулирования. Численные значения поправок определяется по отсутствию тренда вычисленных значений ρ$ из уравнений баланса нейтронов.

В подтверждение возможности реализации измерений эффективности стержней регулирования заявленным способом без методических погрешностей проведено численное моделирование эксперимента для случая трех сбросов групп стержней регулирования в течение одной секунды каждый сброс, с интервалами между сбросами 20 секунд. Моделировались эффективности стержней регулирования: 1-я группа стержней регулирования эффективностью 0.5$, 2-я группа стержней регулирования эффективностью 1$, 3-я группа стержней регулирования эффективностью 2$. Моделировалось изменение следующих параметров: ε₁/ε₀=1.2 после первого сброса, ε₂/ε₁=0.9 после второго сброса и ε₃/ε₂=1.1 после третьего сброса, где ε₀, ε₁, ε₂, ε₃ - коэффициенты пропорциональности до, после первого, после второго и после третьего сбросов групп стержней регулирования.

На фигуре 1 в полулогарифмическом масштабе приведены кривые, отображающие результаты вычислений функции v(t) из уравнений баланса нейтронов после последовательных трех сбросов групп стержней регулирования из одного (до сброса стержней регулирования) критического состояния. Кривая 1 отображает результаты вычислений v(t) для частного случая, когда ε₀=ε₁=ε₂=ε₃. В этом частном случае, редко реализуемом на практике, результаты вычислений эффективности групп стержней регулирования из уравнений баланса нейтронов по значениям функции v(t) будут получены без методических погрешностей. Кривая 2 отображает смоделированные результаты вычислений v(t), когда ε₁/ε₀=1.2 после первого сброса, ε₂/ε₁=0.9 после второго сбросай ε₃/ε₂=1.1 после третьего сброса. Кривая 3 отображает результаты вычислений v(t) с поправками значений функции v(t), приведенных на кривой 2 так, чтобы исключить тренд в результатах расчета ρ$ по поправленным значениям: величина v(0) умножена на 1.44, все значения v(t) на временном отрезке [Т1-Т2] умножены на 1.6, все значения v(t) на временном отрезке [Т3-Т4] умножены на 1.309.

На фигуре 2 приведены результаты вычислений ρ$ по значениям функций v(t), приведенным на фигуре 1, из уравнений баланса нейтронов. Результаты расчетов ρ$ демонстрируют на временных отрезках [1,20] секунд [21-40] секунд и [41-60] секунд изменения вычисленных значений по направлению к истинным значениям.

Данные, приведенные на фигурах 1 и 2, подтверждают возможность измерять эффективности групп стержней регулирования предложенным способом при их трех последовательных сбросов из критического состояния с точностью до случайных погрешностей. Ограничений по количеству сбросов стержней регулирования нет. Определения ρ$ предложенным способом могут быть проведены всегда. Однако тренд значений ρ$, рассчитанных из уравнений баланса нейтронов, по результатам измерений v(t) постепенно уменьшается но мере увеличения суммарной эффективности сброшенных стержней регулирования. С уменьшением тренда происходит закономерный рост случайных погрешностей определения ρ$, соответственно повышаются требования к качеству измерений v(t). В случаях, когда суммарная эффективность сброшенных стержней превышает 5$, случайная погрешность измерений эффективности сброшенных стержней может оказаться неприемлемой.

Таким образом, предложенным способом определяются искомые значения реактивности с точностью до случайных погрешностей из уравнений баланса нейтронов по результатам измерений значений скоростей счета детекторов нейтронов с учетом поправок. Численные значения поправок к каждому массиву измеренных значений скоростей счета после очередного сброса подбирается такими, чтобы исключить тренд в результатах расчета реактивности. Измерения реактивности без методических погрешностей, с точностью до случайных упростит метрологическую аттестацию результатов этих измерений и определения эффективности стержней регулирования.