Способ определения расхода теплоносителя в канале активной зоны ядерного реактора

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для определения скоростей (расходов) теплоносителя в каналах или тепловыделяющих сборках (ТВС) ядерных реакторов при их испытаниях и эксплуатации. Преимущественное использование изобретения - в реакторах с жидкометаллическими теплоносителями. Известен способ измерения локальных расходов жидкометаллических теплоносителей в каналах или ТВС ядерных реакторов с помощью магнитных расходомеров (Субботин В.И., Ибрагимов М.Х., Ушаков П.А. и др. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках. М., Атомиздат, 1975 г., стр. 139). Недостатками этого способа являются:

- заметный рост погрешностей измерения расхода со временем из-за влияния высоких температур на магнитные свойства датчиков и в связи с возможным неконтролируемым высаживанием окисных пленок на контактных поверхностях;

- технические трудности размещения большого количества датчиков внутри реактора (в добавление к уже имеющимся средствам внутриреакторного контроля параметров, таким, как термопары, детекторы реакторного излучения и др.).

Существует способ измерения расхода теплоносителя с использованием термометрических корреляционных расходомеров, который основывается на явлении возникновения в потоке теплоносителя крупномасштабных гидродинамических образований (вихрей), устойчивость которых при перемещении в канале способствует формированию коррелированных пульсаций температур. Эти пульсации фиксируются датчиками, разнесенными на некоторое расстояние по ходу потока. По положению максимума взаимнокорреляционной функции температур в точках замеров определяется время запаздывания - транспортное время τ_m. Значения скорости V и расхода Q теплоносителя в топливном канале находятся из соотношений:

, ,

где: K_1V - расстояние между датчиками измерения температур,

K₂ - коэффициент, характеризующий разницу в постоянных времени датчиков и измерительных трактов,

K_1Q - градуировочный коэффициент расходомера.

(Селиванов В.М., Лысиков Б.В., Карлов Н.П. и др. Многоканальная корреляционная система измерения расхода теплоносителя для РБМК. Атомная энергия, т. 56, вып. 2, февраль 1984 г., стр. 71÷74).

Важными преимуществами этого способа являются:

- использование хорошо освоенных в ядерной технике средств контроля температур;

- возможность совмещения операций контроля температур теплоносителя на входе (выходе) канала и расхода теплоносителя по каналу при использовании тех же самых средств внутриреакторного контроля (термопар);

- нечувствительность способа к изменению коэффициентов преобразования датчиков.

Недостатки этого способа заключаются в следующем. Независимо от вида теплоносителя и датчика возникает статистическая погрешность положения корреляционного максимума на оси времени τ_m, основным источником которой являются некоррелированные шумы, обусловленные сложным характером турбулентного движения. Снижение этой погрешности может быть достигнуто путем уменьшения расстояния между датчиками и повышения частоты полезного сигнала (применением соответствующих фильтров). (Кебадзе Б.В. Анализ статистической погрешности и оптимизация корреляционных расходомеров. Атомная энергия, т. 56, вып. 1, январь 1984 г.).

Однако уменьшение расстояния между датчиками уменьшает время запаздывания τ_m, что требует повышения точности его измерения. Повышение же частоты полезного сигнала требует снижения показателей тепловой инерции (постоянных времени) термопар. В целом, способ требует весьма прецизионных измерений. Достаточно сказать, что шаг квантования времени Δτ, зависящий от скорости теплоносителя, лежит в интервале 5÷20 мс, а уровень пульсации температуры теплоносителя на участке измерения ~0,003°C. (Селиванов В.М., Лысиков Б.В., Карлов Н.П. и др.).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, предложенный в патенте №2477756, МКИ G21C 17/02, Франция, 1981 г. Этот способ включает измерение температуры теплоносителя на выходе из канала T_a и измерение потока нейтронов на середине высоты активной части топливного элемента Ф при флуктуациях (изменениях) последнего. Сигнал, пропорциональный потоку нейтронов Ф, рассматривается как сигнал, пропорциональный некоторой фиктивной выходной температуре теплоносителя T_S. Из смещения во времени (запаздывания) температурной кривой T_a относительно кривой T_S или по смещению взаимнокорреляционной функции температур T_a и T_S относительно автокорреляционной функции T_S определяется время пробега теплоносителем расстояния от середины твэла до выходного сечения, τ. По известному объему теплоносителя в канале между выходным и срединным сечениями V_o находится расход теплоносителя по каналу , как

.

По сравнению с предыдущим способом способ-прототип обладает следующими преимуществами:

- за счет увеличения базового расстояния между точками измерения температур увеличивается время запаздывания τ, что повышает точность определения этого основного параметра;

- точность определения запаздывания τ повышается и за счет того, что этот параметр определяется как сдвиг между кривыми, т.е. между семействами точек, а не как местоположение на оси времени одной точки (максимума взаимнокорреляционной функции).

Недостатками способа-прототипа является следующие:

1. Время транспортировки мерного объема теплоносителя V_o, найденное как время запаздывания между изменениями температур T_a и T_S, по своей сути таковым не является, поскольку сигнал T_S пропорционален потоку нейтронов Ф, а запаздывание между изменением измеряемой температуры теплоносителя на выходе из канала и изменением потока нейтронов (мощности канала) в общем случае определяется через сдвиг фаз следующим образом:

Здесь:

τ_тэ - время теплового запаздывания для топливного элемента (постоянная времени топливного элемента),

τ_tr - транспортное время теплового запаздывания;

τ_тп - время теплового запаздывания для термоприемника (постоянная времени термоприемника),

- полное время запаздывания между изменением мощности и изменением температуры теплоносителя на выходе из канала,

ω - круговая частота.

где:

- эффективная длина топливного элемента,

W - скорость теплоносителя в канале,

С_тэ - теплоемкость топливного элемента,

С_тн - теплоемкость теплоносителя в канале.

При , что равносильно условию

Коэффициент 1/2 при τ_tr показывает в данном случае, что поле энерговыделения по высоте симметрично относительно середины топливного элемента. (Крамеров А.Я., Шевелев Я.В. Инженерные расчеты ядерных реакторов. Атомиздат, М., 1964 г., стр. 416-417).

В способе-прототипе для определения времени запаздывания τ используется по существу выражение (2) при условии, что

Очевидно также, что при этом предполагается равенство 0 постоянных времени топливного элемента и термоприемника, т.е.

τ_тэ=0, τ_тп=0.

Несоблюдение этих условий приведет к ошибкам определения расхода теплоносителя через канал.

2. Способ, в котором для определения времени запаздывания τ используются флуктуации мощности реактора, во многом сохраняет недостатки способа измерения расхода теплоносителя с помощью термометрических корреляционных расходомеров. Это - слабые сигналы, в заметной степени подверженные влиянию помех, необходимость применения малоинерционных термоприемников, имеющих, как правило, ограниченный ресурс работы, других прецизионных измерительных устройств.

3. Использование колебаний мощности для определения расхода теплоносителя по каналу может оказаться недостаточно эффективным при анализе поля расходов (скоростей) по сечению активной зоны реактора. При небольших всплесках ("пиках") мощности реактора, создаваемых органами регулирования реактора, на масштабе изменений мощности отдельных каналов могут заметно сказаться различия местных условий (отравление, локальное поле энерговыделения). Не исключено, что в отдельных каналах масштаб возмущения мощности окажется настолько мал, что взаимнокорреляционная функция мощности и температуры станет незначимой.

Применительно к реакторам многопетлевых ЯЭУ способ-прототип не позволяет дифференцированно рассмотреть поля скорости в областях активной зоны, обслуживаемых отдельными петлями теплообмена (ПТО).

4. Величина мерного объема V_o может измениться в процессе эксплуатации реактора из-за возможных радиационных формоизменений топливных элементов, что приведет к систематическим ошибкам определения расхода. Целью изобретения является устранение отмеченных недостатков способа-прототипа, а именно повышение точности и эффективности способа определения скорости (расхода) теплоносителя в каналах реактора. Для достижения указанной цели в способе, включающем измерение мощности реактора, температуры теплоносителя на выходе из канала и времени запаздывания между изменением мощности и изменением температуры, из времени запаздывания выделяют транспортное время теплового запаздывания, причем мощность реактора изменяют периодически при постоянном расходе теплоносителя или периодически изменяют расход теплоносителя при постоянной мощности с периодом изменения, превышающим сумму времен теплового запаздывания для элементов реактора, участвующих в теплообмене канала, и термоприемника.

Тогда в соответствии с выражениями (2) и (3)

При необходимости при известном проходном сечении канала F_к определяется расход теплоносителя по каналу V_к

Масштаб возмущения (амплитуда) мощности реактора или расхода теплоносителя через реактор, продолжительность динамического режима выбираются такими, чтобы получить значение взаимнокорреляционной функции (выходная температура теплоносителя - мощность реактора или выходная температура - расход теплоносителя) в месте максимума равным 1,0. Это обеспечивает практически нулевое смещение максимума под влиянием различного рода помех (Кебадзе Б.В.). Низкая частота изменения мощности (расхода) и, соответственно, температур обеспечивает запись температурного сигнала штатными средствами измерения температур практически без сглаживания.

Создание возмущений температурного поля путем изменения расхода теплоносителя через реактор, осуществляемое изменением оборотов главных циркуляционных насосов, позволяет исключить влияние упомянутых выше местных мощностных эффектов и повысить значимость получаемых корреляционных функций и достоверность величин локальных скоростей (расходов) теплоносителя.

Циклическое изменение расхода теплоносителя в отдельных ПТО позволяет получить информацию о региональных полях скорости (в каналах, обслуживаемых отдельными ПТО), что предоставляет возможности исследования особенностей гидродинамики реактора в натурных условиях, оценить реальную тепловую нагрузку отдельных парогенераторов (теплообменников). Это повышает эффективность предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом.

Известен способ контроля и управления ядерным реактором, включающий организацию колебаний мощности реактора или расхода теплоносителя в целях получения диагностических параметров в виде коэффициентов подогрева теплоносителя, характеризующих отличие мощности каждого канала и/или расхода теплоносителя по каналу от средних по активной зоне, и температуру теплоносителя на входе в активную зону. В заявляемом способе изменение мощности или расхода теплоносителя осуществляют с определенной частотой, что позволяет в совокупности с другими признаками предлагаемого технического решения: измерением мощности реактора (расхода теплоносителя через реактор), температур теплоносителя на выходе из каналов, времени запаздывания между изменением мощности (расхода) и изменением температур, выделением из времени запаздывания транспортного времени теплового запаздывания достичь качественно новых результатов - определить скорости (расходы) теплоносителя по каналам реактора с большей точностью, чем в способе-прототипе при расширении технических возможностей способа, т.е. повышении его эффективности. Следовательно, предложенная совокупность признаков удовлетворяет критерию "существенные отличия".

Пример осуществления способа

Предлагаемое техническое решение было опробовано на реакторе стенда КМ-1. На уровне мощности ППУ N=30% N_ном. мощность реактора изменялась с периодом и амплитудой ±5% N_ном. при постоянном расходе теплоносителя. Продолжительность динамического режима составляла 3Т (три периода). Полученные автокорреляционная функция температуры на выходе одного из каналов (полностью совпадающая в силу линейности системы с автокорреляционной функцией мощности) R_TiTi и взаимнокорреляционная функция температуры и мощности R_TiN представлены на фиг. 1. Видно, что максимальное значение функции R_TiN достигает 1,0, что обеспечивает практически точное определение временного сдвига (запаздывание) кривой R_TiN относительно кривой R_TiTi.

Это запаздывание составляет 8,1 сек, что дает величину скорости теплоносителя в канале W_i=1,07 м/сек (при τ_тэ+τ_тп=4,6 сек). Полученное экспериментальное значение скорости удовлетворительно согласуется с расчетным значением (W_p.=1,10 м/сек).