Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИМИТАЦИИ РЕАКТИВНОСТИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Изобретение относится к области аналого-цифровой вычислительной техники и может быть использовано для поверки приборов измерения реактивности ядерных реакторов (реактиметров) и оперативной проверки их работоспособности.

Для оценки состояния ядерных реакторов на различных этапах их эксплуатации проводятся нейтронно-физические измерения, при которых одной из основных характеристик, подлежащих определению, является реактивность, вычисляемая по характеру изменения во времени мощностного сигнала ядерного реактора с помощью специально предназначенных для этого приборов - реактиметров. Для того чтобы обеспечить достоверность вычисляемых с помощью реактиметров данных, реактиметры должны в процессе эксплуатации подвергаться периодическим поверкам, а непосредственно перед их подключением в измерительную схему проходить оперативную проверку работоспособности. При этом используются специально предназначенные для этих целей устройства - имитаторы реактивности, в которых реализованы те или иные способы имитации реактивности ядерного реактора.

Известен способ имитации реактивности, реализованный в [1], при котором формируют аналоговый сигнал, соответствующий изменению во времени мощностного параметра реактора для заданной реактивности и по нему формируют выходные сигналы имитатора.

Недостатком такого способа является то, что при его реализации, во-первых, имеет место весьма значительное время готовности имитатора к работе (до десяти минут) при переходе от одного режима к другому. Во-вторых, в процессе формирования выходного сигнала, соответствующего отрицательной реактивности, резко нарастает погрешность задания реактивности после третьей-четвертой декады изменения выходного сигнала («погрешность в дальнем поле»),

Известен способ имитации реактивности, реализованный в [2], включающий формирование первого массива данных, соответствующих изменению во времени мощностного параметра ядерного реактора для заданной реактивности, нормировку каждой декады первого массива на заданное число, сохранение второго массива, полученного в результате нормировки, в устройстве памяти и формирование по значениям второго массива управляющего воздействия, при котором в конце декад одновременно производят изменение уровня задающего напряжения и величины сопротивления токоформирующего резистора имитатора.

В этом способе устранены недостатки, присущие аналогу, но его недостатком является то, что при его реализации требуется большой объем устройства памяти в блоке программного управления имитатора и большое время подготовки данных при программировании блока управления имитатора.

Предложенный авторами способ имитации реактивности позволяет при его реализации в устройстве существенно сократить объем устройства памяти в блоке программного управления имитатора, что в свою очередь, дает возможность упростить конструкцию имитатора, улучшить его массогабаритные характеристики, сократить время подготовки данных при программировании блока управления имитатора и снизить затраты на комплектующие при его изготовлении.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе имитации реактивности ядерного реактора, включающем формирование первого массива данных, соответствующих изменению во времени мощностного параметра реактора для заданной реактивности, нормировку декад первого массива на заданное число, сохранение второго массива, полученного в результате нормировки, в устройстве памяти и формирование по значениям второго массива управляющего воздействия, при котором в конце декад одновременно производят изменение уровня задающего напряжения и величины сопротивления токоформирующего резистора имитатора, при формировании массивов данных используют только первые К декад изменения мощностного параметра, формирование управляющего воздействия производят один раз по значениям первых К декад и N-K раз по значениям К-той декады, а изменение уровня задающего напряжения и величины сопротивления токоформирующего резистора имитатора производят сначала в конце каждой из первых К-1 декад, а затем - в конце К-й декады в количестве, равном N-K+1, где N - заданное общее количество декад изменения мощностного сигнала, причем число К задают в зависимости от величины моделируемой реактивности.

При создании изобретения авторами было теоретически показано и экспериментально подтверждено, что для сокращения объема устройства памяти в блоке программного управления имитатора при имитации реактивности достаточно использовать первые К декад изменения мощностного сигнала, соответствующего заданной величине реактивности.

На Фиг.1 приведены графики изменения во времени взаимного относительного отклонения δ различных декад изменения мощностного сигнала для заданной величины реактивности, равной -0,1β, где β - эффективная доля запаздывающих нейтронов для шестигрупповой модели ядерного реактора. На Фиг.1а приведен график изменения во времени относительного отклонения второй декады изменения мощностного сигнала, отнормированной на первую декаду, от первой декады (при нормировке использовалось умножение текущих значений второй декады на 10). На Фиг 1б приведены графики изменения во времени относительного отклонения третьей (кривая 2) и четвертой (кривая 1) декад изменения мощностного сигнала, отнормированных на вторую декаду, от второй декады (при нормировке использовалось умножение текущих значений третьей декады на 10, а четвертой декады - на 100). По оси абсцисс на Фиг.1а и Фиг.1б время отложено в относительных единицах.

На Фиг.2 приведены относящиеся к прототипу изобретения графики изменения во времени мощностного сигнала ядерного реактора при заданной фиксированной отрицательной реактивности (Фиг.2а) и соответствующего изменения во времени управляющего воздействия имитатора (Фиг.2б), задающего напряжения имитатора (Фиг.2в), сопротивления токоформирующего резистора (Фиг.2 г) и выходного тока имитатора (Фиг.2д). Вертикальными стрелками отмечены нормированные на число А значения управляющего воздействия в моменты времени, соответствующие окончанию декад изменения во времени мощностного параметра ядерного реактора. Буквами Д_1, Д₂...Д_N обозначены прямые, соответствующие информации, заносимой в устройство памяти блока программного управления имитатора.

На Фиг.3 приведены относящиеся к предлагаемому изобретению графики изменения во времени мощностного сигнала ядерного реактора при заданной фиксированной отрицательной реактивности -0,1β (Фиг.3а) с соответствующим этой реактивности значением К=2 и соответствующего изменения во времени управляющего воздействия имитатора (Фиг.3б), задающего напряжения имитатора (Фиг.3в), сопротивления токоформирующего резистора (Фиг.3 г) и выходного тока имитатора (Фиг.3д). Вертикальными стрелками отмечены нормированные значения управляющего воздействия в моменты времени, соответствующие началу и окончанию второй декады изменения во времени мощностного параметра ядерного реактора. Горизонтальные стрелки указывают смещение во времени отнормированных значений второй декады мощностного параметра ядерного реактора, многократно используемых для формирования управляющего воздействия имитатора после окончания второй декады. Буквами Д₁, Д₂...Д₂ обозначены прямые, соответствующие информации, заносимой в устройство памяти блока программного управления имитатора.

На Фиг.4 приведены экспериментальные графики изменения во времени мощностного сигнала на выходе имитатора и соответствующей этому сигналу реактивности при реактивности задания -0,1β для двух случаев: при работе имитатора по способу-прототипу (Фиг.4а) и при работе имитатора по способу, соответствующему предлагаемому изобретению (Фиг.4б). Цифрами 1, 3 помечены графики мощностных сигналов, а кривыми 2, 4 - графики реактивности.

При реализации предлагаемого способа имитации реактивности используется установленный авторами факт, что зависимость от времени мощностного сигнала ядерного реактора при фиксированной реактивности, начиная с К-й декады, где К зависит от величины выбранной реактивности, воспроизводится в каждой последующей декаде с масштабом 1:10^n-К (n - номер декады) к К-й декаде. Чтобы убедится в этом достаточно произвести численное решение уравнений кинетики ядерного реактора [3] при фиксированной реактивности и подекадно сопоставить между собой декады полученной зависимости от времени мощностного параметра. В качестве примера результаты такого сопоставления для реактивности -0,1β приведены на Фиг.1. Как видно из графика, приведенного на Фиг.1a, имеются заметные (до 35% и более) расхождения второй декады, умноженной на нормирующий множитель «10», с первой декадой. В то же время расхождения со второй декадой третьей декады, умноженной на нормирующий множитель «10», и четвертой декады, умноженной на нормирующий множитель «100», приведенные на Фиг.1б, весьма незначительны и не превышают 0,5%. Это приводит к возможности многократного использования данных, соответствующих второй декаде изменения мощностного параметра для формирования данных, соответствующих последующим декадам, что в свою очередь позволяет существенно сократить объем модуля памяти в устройстве, реализующем предложенный способ. А именно, с учетом примерного равенства объема данных, формирующих каждую декаду, общий объем данных для рассматриваемой реактивности при условии шестидекадного изменения мощностного сигнала сократится примерно в три раза, поскольку в памяти достаточно для имитации мощностного сигнала хранить две декады вместо шести. Здесь был рассмотрен случай, соответствующий реактивности -0,1β, для которого, в результате сопоставления декад изменения мощностного сигнала, получено значение числа К, равное 2. Аналогичные расчеты можно произвести и для других значений реактивности, наиболее характерных для использования при поверке и оперативной проверке работоспособности реактиметров. Ниже, в таблицах 1, 2 приведены данные расчетов значений К для различных значений реактивностей и соответствующие сравнительные объемы устройства памяти для способа-прототипа и предложенного способа при частоте выборки элементов массива, равной 10 Гц. При этом таблица 1 соответствует имитатору, предназначенному для поверки реактиметров с характерным для этого расширенным набором реактивностей, а таблица 2 - имитатору, предназначенному для оперативной проверки работоспособности реактиметра, с усеченным набором значений реактивностей

С учетом сказанного, реализация предложенного способа осуществляется следующим образом. Формируют массив данных, соответствующих первым К декадам изменения во времени мощностного параметра реактора для заданной реактивности, нормируют каждую декаду первого массива на заданное число А путем умножения текущих значений на величину А/х_i, где х_i. - значение мощностного параметра в начале i-й декады и сохраняют в устройстве памяти полученный в результате такой нормировки новый массив. Далее, последовательно во времени, осуществляют выборку данных нового массива и при достижении его окончания N-K+1 раз повторяют выборку части этого массива, соответствующей К-й декаде. В процессе выборки данных по ним формируют управляющее воздействие и каждый раз при достижении конца декад изменяют уровень задающего напряжения и величину сопротивления токоформирующего резистора имитатора, увеличивая их в 10 раз при формировании отрицательного сигнала реактивности и уменьшая в 10 раз при формировании положительного.

Предложенный способ был реализован авторами на той же аппаратной основе, что и способ-прототип.

Для иллюстрации преимуществ предложенного способа, по сравнению с прототипом, сопоставим их с помощью диаграмм, приведенных на Фиг.2 и Фиг.3. Рассмотрим более детально эти диаграммы. Они имеют общие обозначения на Фиг.2 и Фиг.3: А - нормирующее число, к которому приводится значение мощностного параметра в начале каждой декады (в нашем случае это число было равно 4095), что соответствовало максимальной разрядности использованного в схеме имитатора двенадцатиразрядного ЦАП, U_m - максимальное значение напряжения задания имитатора, R - сопротивление токоформирующего резистора, t₁, t₂, t₃, ... t_N - моменты времени, соответствующие окончанию декад изменения мощностного параметра, N - количество декад изменения мощностного параметра. На Фиг.2 показано, как при реализации способа-прототипа, по мере снижения величины мощностного параметра (Фиг.2а), производится нормировка его декад на заданное число А (см. вертикальные стрелки на Фиг.2б), и соответствующее изменение уровня задающего напряжения (Фиг 2в) и сопротивления токоформирующего резистора в конце декад (Фиг 2 г), приводящие в итоге к формированию выходного тока имитатора (Фиг 2д), адекватного исходному изменению мощностного параметра ядерного реактора, обеспечивающему заданное значение реактивности. Очевидно, что в этом случае в устройстве памяти имитатора должна хранится информация обо всех декадах изменения мощностного параметра ядерного реактора, проиллюстрированная прямыми Д₁, Д₂...Д_N (Фиг.2б). Иначе обстоит дело при реализации предложенного способа. Это можно видеть из диаграмм Фиг.3 на примере имитации мощностного сигнала, соответствующего реактивности -0,1β при К=2. Здесь для формирования управляющего воздействия (Фиг.3б) на интервале от 0 до t₁ используется отнормированная на число А первая декада изменения мощностного параметра (Фиг.3а), а на интервалах t₁÷t₂, t₂÷t₃, ... t_N÷Т используется отнормированная на число А вторая декада изменения мощностного параметра ввиду идентичности второй декаде всех последующих за ней декад с учетом постоянного множителя, кратного 10, как это было показано авторами выше. В этом случае в устройстве памяти имитатора должна хранится информация только о двух декадах изменения мощностного параметра ядерного реактора, проиллюстрированная прямыми Д₁, Д₂...Д₂ (Фиг.2б). Соответствующее изменение уровня задающего напряжения (Фиг.3в) и сопротивления токоформирующего резистора в конце декад (Фиг.3 г) производится один раз (К-1=2-1=1), при выборке данных, соответствующих концу первой декады (момент t₁), а далее N-K+1 раз при выборке данных, соответствующих концу второй декады (моменты t₂, t₃...t_N.). В частности, для шестидекадного изменения мощностного сигнала указанные изменения уровней при выборке данных, соответствующих концу второй декады, производятся пять раз (N-K+1=6-4+1=5). В результате обеспечивается формирование выходного тока имитатора (Фиг.3д), адекватного исходному изменению мощностного параметра ядерного реактора, обеспечивающему заданное значение реактивности, при многократном сокращении объема данных, необходимых для имитации мощностного сигнала реактора. Поскольку имитатор реактивности должен обеспечивать некоторый набор значений реактивностей, характерный для выполняемой задачи (поверка или оперативная проверка работоспособности реактиметра), постольку каждому значению реактивности соответствует свое значение К и объем массива данных, как это видно из сравнения данных таблиц 1, 2. В связи с этим сокращение объема памяти всего устройства в целом, реализующего предложенный способ, несколько ниже, чем аналогичное сокращение объема массива данных, подсчитанное для одного значения реактивности с малой абсолютной величиной (±0,1β). Тем не менее, оно составляет весьма существенную величину: для имитатора, предназначенного для поверки реактиметров, сокращение объема памяти составляет 1,4 раза, а для имитатора, предназначенного для проверки их работоспособности - 2 раза по отношению к имитатору, реализующему способ-прототип.

Авторами была произведена проверка работы предложенного способа на примере трех декад изменения мощностного сигнала при имитации отрицательной реактивности -0,1β. Результаты этой проверки, сопоставленные с аналогичными результатами для способа-прототипа, представлены на Фиг.4. Из сравнения кривой реактивности 2 для способа-прототипа (Фиг.4а) и кривой реактивности 4 для предложенного способа (Фиг.4б) видно, что в обоих случаях погрешность при формировании сигнала реактивности не превышает±1%.

Таким образом, авторами доказано, что имитация реактивности может быть осуществлена предложенным новым способом и при этом обеспечивается существенное сокращение объема устройства памяти имитатора со всеми вытекающими из этого преимуществами.

Источники информации:

1. Патент РФ №2211485, Бюл. №24, 2003 г.

2. Патент РФ №2244955, Бюл. №2, 2005 г.

3. Ю.А.Казанский, Е.С.Матусевич. Экспериментальные методы физики реакторов. Москва. Энергоатомиздат., 1984 г., стр.39.