Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ МЕЖКАНАЛЬНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ В РЕАКТОРЕ С ВОДОЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к области контроля теплоносителя в активной зоне реактора, и предназначено для контроля возникновения межканальной неустойчивости (регулярных пульсаций расхода) в активной зоне реактора в режиме реального времени при управлении реакторами с водой под давлением.

Известен способ контроля пульсаций расхода в ТВС (и следовательно возникновения межканальной неустойчивости) посредством измерения расхода теплоносителя в каналах активной зоны (Садулин В.П. Комплексные измерения энерговыделения и расхода в ТВС корпусного кипящего реактора // Теплогидравлические аспекты безопасности активных зон, охлаждаемые водой и жидкими металлами / Сборник тезисов "Теплофизика-2008". Обнинск, 15-17 октября 2008. С.62-64).

В числе недостатков известного способа:

- сложность внутриреакторного размещения расходомеров для контроля всех ТВС;

- появление дополнительных радиоактивных отходов вследствие загрязнения всех внутриреакторных элементов.

Наиболее близким по технической сущности является способ, использующий шумовой метод диагностики [RU 2331120 C1, G21C 17/00 от 24.11.2006], предназначенный для контроля аномальных пульсаций расхода теплоносителя реакторов с водой под давлением типа ВВЭР. В данном способе формирование диагностического признака осуществляется по амплитудам пульсаций шума, причем в процессе обработки выделяют переменную составляющую среднего сигнала вне- и внутризонных датчиков, на программном уровне определяют обобщенный показатель средних амплитуд пульсаций и/или декрементов затухания для каждого датчика, причем регистрацию и обработку сигналов датчиков ведут одновременно и непрерывно. По результатам обработки сигналов датчиков вырабатывают диагностический сигнал.

Недостатками прототипа являются:

- усреднение сигнала, что снижает чувствительность диагностики;

- анализ широкой полосы спектра сигнала, в которой могут содержаться кроме полезного сигнала иные (паразитные) шумы, имеющие переменную составляющую, что не исключает ложные срабатывания диагностики, так пульсации расхода при межканальной неустойчивости маскируются большим числом шумов не только стохастического, но и гармонического характера, систематического и переменного типа, например при перемещениях органов регулирования, колебаниях ТВС, решеток жесткости и иных внутрикорпусных элементов реактора;

- сложность размещения, а затем утилизации внутризонных датчиков.

Задача, стоящая перед изобретателем, заключалась в разработке способа диагностики возникновения межканальной неустойчивости в реакторе с водой под давлением, лишенного вышеизложенных недостатков, и в котором обеспечивается повышение чувствительности способа контроля и снижение вероятности ложных срабатываний с использованием только внезонных детекторов нейтронного потока.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе диагностики возникновения межканальной неустойчивости в реакторе с водой под давлением, включающем регистрацию сигналов с внезонных датчиков нейтронного потока (ионизационных камер), зарегистрированный сигнал нейтронного потока преобразуют в сигнал нейтронной мощности, затем раскладывают его в частотный спектр, выявляют гармонический ряд с известной частотой основной гармоники, характеризующий возникновение межканальной неустойчивости, путем амплитудно-частотной дискриминации с автоматическим сдвигом полос частот дискриминации пропорционально изменению времени прохода теплоносителя по необогреваемым участкам тепловыделяющих сборок, по заранее известной зависимости от уровня мощности реактора и автоматическим изменением уровня амплитудной дискриминации пропорционально уровню спектрального шума в измерительном тракте, в случае выявления не нулевого сигнала (т.е. не нулевых амплитуд в спектре сигнала мощности) формируют диагностирующий сигнал "Возникновение межканальной неустойчивости", который передают на вход системы управления реактора.

Известный способ шумовой диагностики реакторов с водой под давлением позволяет диагностировать глобальное кипение - стадию, когда кипение охватывает большую часть активной зоны, так как основан на доминировании одной из частот (переменной составляющей среднего сигнала) на фоне шумов, в то время как возникновение межканальной неустойчивости (возникновение центров локального подкипания) характеризуется появлением в спектре сигнала нейтронной мощности не одной частоты, а гармонического ряда fⁿ _N, вследствие сложения регулярных пульсаций расхода при параметрах теплоносителя в области нелинейной зависимости плотности от энтальпии теплоносителя (вблизи точки кипения). При этом заранее неизвестные условия неравномерности энерговыделения в активной зоне обеспечивают при возникновении межканальной неустойчивости с равновероятными возможностями появление в спектре сигнала мощности гармоник с амплитудами, превышающими уровень шумов как на частоте основной гармоники, так и субгармоник, гармонического ряда fⁿ _N.

fⁿ _N=n·f_G, где

fⁿ _N - гармонический ряд в спектре сигнала нейтронной мощности (N), содержащий n - количество субгармоник, кратных основной частоте межканальных колебаний расхода f_G,

n - порядковый номер гармоники в ряду (область рассматриваемых значений n обусловливается характером задач диагностики и количеством ТВС в активной зоне реактора);

f_G - основная частота (частота межканальных колебаний расхода).

Таким образом, вместо выделения переменной составляющей сигнала мощности на широкой полосе частот, где кроме контролируемых признаков могут содержаться неотличимые от них шумы гармонического характера, которые будут ложно диагностироваться как контролируемые признаки, в предлагаемом способе первоначально проводится вычисление гармонического ряда частот межканальной неустойчивости (с учетом текущего значения мощности) и лишь затем на предельно узких полосах частот, ограниченных лишь погрешностями вычислений спектра сигнала, и частот гармонического ряда в спектре сигнала выделяется ряд гармоник, характеризующих межканальную неустойчивость.

Сущность патентуемого способа состоит в следующем.

Сигнал с выхода внезонных датчиков (ток ионизационных камер) известным способом усиливают, преобразуют ток в напряжение, далее посредством аналого-цифрового преобразователя оцифровывают и тем самым получают цифровой сигнал нейтронной мощности реактора (пропорциональный плотности нейтронного потока в области внезонных датчиков). Далее сигнал нейтронной мощности разлагают в частотный спектр, используя известный метод спектрального анализа (например, быстрое преобразование Фурье), получают спектральную характеристику сигнала (спектр сигнала). Полученный спектр нейтронной мощности фильтруют, выделяя области частот, где могут находиться гармоники, характеризующие межканальную неустойчивость (выделяют гармонический ряд fⁿ _N с частотой основной гармоники равной известной частоте межканальных колебаний расхода f_G).

При этом основная частота f_G зависит от уровня мощности реактора и оценивается по формуле

f_G=1/τ_(N), где

τ_(N) - время прохода теплоносителя по необогреваемым участкам ТВС.

Для каждого типа реакторов определяют функциональную зависимость f_G от уровня мощности через известную зависимость τ_(N) от уровня мощности реактора

τ_(N)=γ^твс(N)·V_TBC/G(N), где

G(N) - зависимость расхода теплоносителя через ТВС от мощности реактора;

V_TBC - объем теплоносителя в необогреваемых участках ТВС;

γ^твс(N) - зависимость плотности теплоносителя на необогреваемых участках ТВС от уровня мощности реактора.

В соответствии с зависимостью f_G вычисляют сдвиг относительно значений, соответствующих номинальному значению мощности (N₀), полос фильтрации (Δf_G), пропорциональный изменению времени прохода теплоносителя по необогреваемым участкам тепловыделяющих сборок для текущего значения мощности (N₁)

где

- время прохода теплоносителя по необогреваемым участкам ТВС при номинальной мощности N₀;

- время прохода теплоносителя по необогреваемым участкам ТВС при текущем уровне мощности N₁,

N₀ - номинальное значение мощности;

N₁ - текущее значение мощности (на момент фильтрации).

Далее, частотный спектр сигнала мощности фильтруют со сдвинутыми полосами фильтрации относительно номинальных значений на вычисленную величину Δf_G. Затем в спектре сигнала мощности подавляют его шумовую часть, имеющую две составляющие - первую, заранее известную (систематическую), возникающую при нормальной работе реактора, значение которой определяют экспериментально при нормальной работе реактора, и вторую (переменную) составляющую, возникающую при различного рода электромагнитных аппаратных наводках и помехах, вследствие заранее непредсказуемых причин (например, изменения режимов работы аппаратуры, переключений источников питания и др.). В случае, если после указанных этапов фильтрации спектр сигнала мощности имеет гармоники с не нулевыми амплитудами (что возможно только в случае присутствия в спектре сигнала нейтронной мощности гармоник [одной или нескольких] ряда fⁿ _N), формируют диагностирующий сигнал "Возникновение межканальной неустойчивости" и передают на вход системы управления реактора.

Способ поясняется следующими иллюстрациями: на фиг.1 приведена зависимость амплитуды гармоник нейтронного спектра от частоты спектра, иллюстрирующая выделение гармонического ряда на фоне шумов методом амплитудно-частотной дискриминации; на фиг.2 - функциональная блок-схема устройства диагностирования межканальной неустойчивости в реакторе с водой под давлением, с помощью которого может быть реализован патентуемый способ.

Устройство содержит детектор нейтронов 1, выход которого соединен со входом блока вычисления мощности 2, выходы которого соединены с управляющим входом блока вычисления сдвига полос фильтрации 5 и входом блока вычисления спектра сигнала мощности 3. Выход последнего соединен со входом фильтра частотной дискриминации 4, а выход блока вычисления сдвига полос фильтрации 5 соединен с управляющим входом фильтра частотной дискриминации 4, выход которого соединен со входом фильтра амплитудной дискриминации 7. Выход канала определения переменного шумового сигнала 8 соединен с первым управляющим входом фильтра амплитудной дискриминации 7, а выход блока определения уровня дискриминации систематического шумового сигнала 6 соединен со вторым управляющим входом фильтра амплитудной дискриминации 7. Выход последнего соединен со входом блока сравнения 9, а выход блока сравнения 9 соединен со входом системы управления реактора 10, информационный выход которой соединен с управляющим входом блока определения уровня дискриминации систематического шумового сигнала 6.

Устройство работает следующим образом:

сигнал с выхода нейтронного детектора 1 подается на вход блока вычисления мощности 2, где происходит формирование сигнала нейтронной мощности, который в блоке 3 разлагается в частотный спектр. Полученный спектр нейтронной мощности проходит через фильтр 4, который выделяет области частот, где могут находиться гармоники характеризующих межканальную неустойчивость (выделяется гармонический ряд fⁿ _N с частотой основной гармоники, равной частоте межканальных колебаний расхода f_G). При этом в фильтре 4 полосы фильтрации сдвинуты относительно номинальных значений пропорционально изменению времени прохода теплоносителя по необогреваемым участкам тепловыделяющих сборок на значение Δf_G, вычисленное по известной зависимости f_G от уровня мощности. Далее, фильтром 7 в спектре сигнала мощности подавляется шумовая часть спектра сигнала мощности, имеющая две составляющие - первую, заранее известную (систематическую), имеющую место при нормальной работе реактора, в общем случае для различных режимов работы реактора она может быть разной - учет этого осуществляется в блоке определения уровня дискриминации систематического шумового сигнала 6, на управляющий вход которого поступает признак текущего режима работы реактора с информационного выхода системы управления 10, значение первой (систематической) составляющей шума определяется экспериментально при нормальной работе реактора, и вторую (переменную) составляющую шума, возникающую при различного рода электромагнитных аппаратных наводках и помехах вследствие заранее непредсказуемых причин - изменения режимов работы аппаратуры, переключений источников питания и др., значение которой известным методом определяется в канале определения уровня дискриминации переменного шумового сигнала 8 (который объединяет весь измерительный тракт за исключением собственно детектора нейтронов 1). На выходе блока сравнения 9 формируется диагностирующий сигнал "Возникновение межканальной неустойчивости" при появлении на выходе фильтра 7 не нулевого сигнала (т.е. не нулевых амплитуд в спектре сигнала мощности), что после всех этапов амплитудно-частотной дискриминации возможно только при наличии в спектре нейтронной мощности одной или нескольких гармоник из гармонического ряда fⁿ _N.

Таким образом, введение новых операций в способ диагностики возникновения межканальной неустойчивости в реакторе с водой под давлением, выявляющих гармонический ряд с известной частотой основной гармоники в спектре сигнала нейтронного мощности, характеризующей возникновение межканальной неустойчивости, дает возможность сжать ширину полос частот выделения гармонического ряда до значений, ограничиваемых погрешностями вычисления спектра и расчета зависимости f_G от мощности, позволяет иметь более высокую чувствительность способа и снижает вероятность ложных срабатываний, используя при этом только внезонные детекторы нейтронного потока.