Оценка необходимого запаса реактивности при перегрузке

Как мы уже рассматривали в билете №5, запас реактивности должен компенсировать все отрицательные эффекты реактивности составляющие расход реактивности в течение 300 суток работы ЯР во всех режимах эксплуатации.

Нужно заметить, что точные их значения известны только физикам –экспериментаторам каждого энергоблока. Поэтому ниже приводятся приближенные значения этих эффектов для того, чтобы представить – на что расходуется запас реактивности, создаваемый при загрузке топлива.

1. Температура активной зоны изменяет свойства всех элементов цепной реакции –делящегося материала, замедлителя –теплоносителя, всех поглотителей нейтронов и конструкционных материалов активной зоны. Поэтому измерить этот эффект можно только в установившемся режиме при пуске или остановке ЯР.

Если же учесть, что в процессе пуска сильно изменяется состав поглотителей нейтронов, то этот температурный коэффициент сильно изменяется в начале и конце кампании ЯР. Так, например, для одного из блоков Калининской АЭС при нагреве активной зоны от 20 до 306 С он составил -7,5% = -11,5 b_ЭФФ.

2. Выгорание топлива за 300 суток равнялось -9,5 % =14,5b_ЭФФ.

3. Стационарное отравление ксеноном и самарием составило -3% =- 4,5b_ЭФФ

4. Потери на мощностной эффект реактивности -2,1%= -3,15b_ЭФФ

В итоге расход реактивности за 300 суток работы составил -33,65 b_ЭФФ=0,22К_ЭФ.

Для компенсации этих потерь необходимо при перегрузке достигнуть К_ЭФФ >1,23 или запас реактивности должен быть более + dК_ЗАПАСА =24% = + 36 b_ЭФФ .

3.Оценка поглотителей нейтронов активной зоны.

Сумма всех поглотителей нейтронов равна:

1. При введении 10 групп управляющих стержней, как было показано выше,

-12b_ЭФФ или – 8%.

2. На введение борной кислоты 16 г/л = - 32b_ЭФФ и на

3. Выгорающие поглотители - 15b_ЭФФ

В итоге суммарная отрицательная реактивность при перегрузке этих трех видов поглотителей составляет -59b_ЭФФ, а степень подкритичности после полной загрузки топлива должна составить -59 +36 =-23b_ЭФФ или более половины положительного запаса реактивности, что удовлетворяет международным нормам ядерной безопасности при перегрузке.

Вопрос: Расскажите об аппаратуре контроля нейтронного потока АКНП,

используемой при перегрузке топлива.

План ответа по вопросу.

1. Тепловая и нейтронная мощности реактора.

2. Два способа регистрации нейтронов в присутствии гамма квантов..

3. Аппаратура контроля нейтронного потока в диапазоне источника ДИ.

1. Тепловая и нейтронная мощности реактора

Из взаимодействия нейтрона с делящимся ядром Вы знаете, что 94% тепловой мощности выделяется осколками мгновенно и при этом образуются мгновенные и запаздывающие нейтроны, однако 6% от всей тепловой мощности выделяется большим числом групп радиоактивных продуктов распада с очень длительными временами распада (до многих сотен лет), как,например, плутоний.

Эта часть тепловой мощности называется остаточной и она сопровождается выходом большой интенсивности гамма квантов с энергией 1,5 Мэв.

Эти гамма кванты мешают регистрации нейтронов в всех режимах работы и особенно при перегрузках и пусках.

В результате этого общая тепловая мощность в реакторе Р_тепл = Р_{нейтронная} + Р_гамма в диапазоне 10 декад, как это показано на выше приведенном рисунке. Однако после остановки реактора нейтронная мощность за 1 час спадает на запаздывающих нейтронах до 1 Вт, а остаточная гамма мощность уменьшается очень медленно, как показано в ниже приведенной таблице.

РН-физич.	МВт	МВт	Вт	Вт	ВТ	ВТ	Вт
Рg -гамма	МВт	Мвт	МВт	МВт	МВт	Мвт	0,7 Мвт
t-время		100с	1 час	10 час	1 сут.	1мес.	1 год

Контролировать эту физическую (нейтронную) мощность в диапазоне 10 декад очень трудно и первое, что нужно отметить - это историческое разбиение всего диапазона контроля на 3 поддиапазона:

Диапазон Источника (ДИ). Он перекрывает 5 декад (по тепловой мощности относительно номинальной от 10^-7 % до 10^-2 %), а по потоку нейтронов в месте его установки от 3 до 3х10⁵

н/ см².сек. Этот диапазон составляет часть пускового диапазона от подкритического состояния ЯР до слегка надкритичского, где поток гамма –квантов составляет при пуске около 10³ рентген/ час или 10⁸ гамма-квантов /см².сек.

Другими словами в этом диапазоне на один регистрируемый нейтрон приходится 10 миллионов паразитных гамма –квантов, которые мешают регистрации нейтронов и называются «гамма-фоном».

Поэтому для борьбы с ним используют 3 способа, наиболее эффективным из которых является импульсная камера деления КНК-15, а для их регистрации применяют частотомеры или Измерители Скорости Счета (ИСС).

Теперь после того, как мы рассмотрели физические основы управления цепной реакцией и поняли, что хотя тепловая мощность образуется не только осколками (94%), но и радиоактивными продуктами распада (РПР) около 6%, однако контролировать и управлять цепной реакцией нужно только с помощью потока нейтронов. Теперь мы рассмотрим принципы построения аппаратуры контроля нейтронного потока (АКНП), которая используется во всех режимах и условиях эксплуатации энергетических ЯР.

Общая тепловая мощность в реакторе Р_тепл = Р_{нейтронная} + Р_гамма в диапазоне 10 декад, как это показано на выше приведенном рисунке. Однако после остановки реактора нейтронная мощность за 1 час спадает на запаздывающих нейтронах до 1 Вт, а остаточная гамма мощность уменьшается очень медленно, как показано в ниже приведенной таблице.

Влияние гамма квантов на регистрацию нейтронов после остановки ЯР.

Другими словами в этом диапазоне на один регистрируемый нейтрон приходится 10 миллионов паразитных гамма –квантов, которые мешают регистрации нейтронов и называются «гамма-фоном».

Для того, чтобы понять трудность контроля нейтронов при наличии паразитных гамма квантов, рассмотрим два способа регистрации нейтронов с борным детектором и камерой деления

2. Два способа регистрации нейтронов в присутствии гамма квантов

Нейтрон не имеет заряда и поэтому не регистрируется электрическим полем детектора. Для его регистрации необходимо пройти два этапа:

1. Столкнуть нейтрон с «Радиатором «, чтобы выбить из него частицы, которые ионизируют инертные газы типа аргон или гелий и образовать пары ионов, которые уже регистрируются электрическим полем.

2. Преобразовать электроны и ионы в электрические импульсы (при малом потоке нейтронов) или в пульсирующий постоянный ток (при больших потоках нейтронов).

Общая картина регистрации нейтронов такова:

2спос.U²³⁵ 2 осколка по 80 Мэв

Электрич поле

Инертные газы Аr,Не

Радиаторы U²³⁵ и В¹⁰

+ионы

- эл.

1способ - В⁹ и В¹⁰ Гамма кванты

с -частицами Е=1,4 Мэв

Первый способ регистрации связан с использованием в качестве радиатора изотопов бора и с образованием альфа- частиц с энергией 1,4 Мэв. На образование одной пары ионов расходуется 32 эв.

Поэтому при первом способе регистрации от одной альфа-частицы образуется около 50 000 ионов.

Однако такое же число ионов образуется от одного гамма-кванта, ионизирующего этот же газ. Поэтому при использовании борных детекторов число электрических импульсов от гамма-квантов может значительно перекрывать число таких же по амплитуде импульсов от нейтронов и отличить их друг от друга становится невозможным.

Второй способ регистрации связан с использованием в качестве радиатора обогащенного урана 235, который при столкновении с нейтроном образует при делении 2 осколка по 80 Мэв каждый.

Поскольку энергия осколков в 53 раза больше энергии гамма-квантов, то и амплитуда импульсов от нейтронов тоже в 53 раза больше амплитуды от гамма квантов и с помощью амплитудного дискриминатора удается полностью отсечь импульсы гамма-квантов.

Поэтому второй способ является самым эффективным при борьбе с гамма-фоном!

Вот почему пусковые импульсные камеры деления практически не боятся его до 10⁶ рентген/ час.

Если учесть, что 1 рентген/ час соответствует потоку 10⁵ гамма квантов/ см².сек, то можно себе представить, что 1 нейтрон/см². сек соревнуется при регистрации с потоком гамма-квантов 10¹¹ g/ см² .сек.

Частота импульсов камеры деления ƒ прямо пропорциональна потоку нейтронов в диапазоне от 0,1 до 10⁵ н/см².сек с коэффициентом преобразования К_пр = 0,3 имп/ сек при Ф=1 н/ см².сек в виде:

ƒ = К_пр х Ф

Однако при потоках нейтронов больше 10⁵ эти импульсы сливаются в пульсирующий ток и вплоть до 10¹⁰ н/см² .сек камера деления может контролировать поток нейтронов, перекрывая 10 декад!

Этот эффект используется в новой камере деления КНК-15.Благодаря чему в последней модификации аппаратуры АКНП-7 вместо трех поддиапазонов используютс только два: 1) ДП- пусковой в диапазоне от 2х10^-7 % до 0,2 % от номинальной мощности и 2) ДР-рабочий от 2х10^-3 % до номинальной мощности.

Таким образом в АКНП-7 при пуске используются только два типа нейтронных детекторов:1) КНК-15 в пусковом диапазоне и 2) борная камера КНК-3 с компенсацией гамма-фона в рабочем.

Структура аппаратуры для диапазона источника ДИ.

Как уже отмечалось выше, в этом диапазоне обязательно должна

использоваться в качестве детектора только камера деления КД.

Для того, чтобы перекрывать диапазон частот от 1 до 10⁵ имп/с,

необходимо на выходе детектора формировать импульсы, длительностью 1 мксек.

Поскольку КД представляет собой конденсатор, емкостью около 100рF или 10^-10 F, который нагружен на вход операционного усилителя с входным сопротивлением R, то длительность переднего и заднего фронтов этого импульса,равная RC, не должна превышать 10^-7 сек.

Следовательно величина входного сопротивления операционного усилителя должна равняться 1000 ом! Амплитуда импульсов тока КД составляет около 10^-9 А. Рассчитайте схему такого входного усилиителя на операционном усилителе и вспомните лекции 9 семестра о

свойствах операционного усилителя.

После того, как импульсы сформированы и усилены до 5-10 в, остается вычислить их частоту, которая пропорциональна физической мощности ЯР. Эта частота удобна оператору в виде цифр, что позволяет ему точнее определять степень подкритичности.

Однако для формирования сигналов предупредительной и аварийной защит по периоду разгона реактора необходимо иметь схему дифференцирования сигнала от логарифма частоты.

В результате этого, получаем сигнал, обратно пропорциональный периоду.

Поэтому структура Измерителя Скорости Счета (ИСС)

или просто частотомера приобретает вид, показанный на Рис. 3

Тестовый генератор частоты для проверки исправности канала ДИ

ИзмП

Лог.Ч.

Лин.Ч.

ПУ

ИКД

от оператора ЯР

Рис.3 Структурная схема одного канала аппаратуры ДИ диапазона

Теперь перейдем к изучению простого аналогового имитатора для количественных оценкок процесса перегрузки топлива и обучения оператора перегрузочной машины.

Первая цель этого занятия - научиться моделировать подкритическое состояниие ЯР в установившемся режиме с любым видом источников и подготовиться к моделированию переходных процессов не только в подкритическом, но и в критическом и надкритическом состояниях, но пока только с имитацией одной группы запаздывающих нейтронов на аналоговой вычислительной машине..

1. Сначала запишем физические уравнения кинетики в виде, полезном для анализа безопасных свойств управления, т.е. в относительных параметрах (уравнения 2-10 и 2-11):

dP/dt = r х Р/ t₀ - dC / dt + S (2 – 10)

dC / dt = а_i х Р /t₀ -l_i х С (2 --11)

2. Преобразуемых их к виду, удобному для моделирования с помощью электрических цепей, приведенных на Рис 1, т.е. с одной группой запаздывающих нейтронов и введём новые переменные для мощности источника Р_S = S х t₀ и Х = С х t_0.(для имитации предшественников запаздывающих нейтронов). Тогда исходные физические уравнения для имитационной модели Рис.1 примут вид:

t₀ х dP/dt = r х Р - dC./dt + Р_S (2-12)

dC./dt = Р - l Х (2-13)

Рассмотрим установившийся режим этого уравнения при равенстве нулю производных dP/dt =0 и dC./dt =0.

Поскольку мы рассматриваем подкритический режим, то величина r всегда отрицательна и мы будем говорить только о её модульном значении.

Под начальными значениями с индексом “ 0 “ мы будем понимать значения физических и машинных переменных перед началом загрузки,

Тогда физические уравнения, связывающие между собой мощность ЯР, мощность источника и реактивность в установившемся режиме будут иметь вид:

Р = Р_{S /} r (2-14)

Задача 1. Разработайте сначала самый простой аналоговый имитатор подкритического состояния ЯР для имитации соотношения указанных в уравнении (2-14) переменных в установившемся режиме.

Электрическая схема имитационной модели может быть реализована несколькими способами. Мы выберем наиболее простую из них в виде операционного усилителя (ОУ) с параллельной отрицательной обратной связью, как показано на рис.1.

	Rr

U _S U_Р

Рис. 1. Имитатор подкритического ЯР, имитирующий связь переменных только в установившемся режиме.

Уравнение для машинных переменных имеет вид:

U_Р = U _S х (R _ОС / R_r) (2-15)

Очевидно, что эта схема будет имитировать уравнение (2-14) только в том случае, если физическую переменную r связать коэффициентом подобия с резистором R_r ! Оказывается подобие между физическими и машинными переменными может быть связано не только через напряжения, но и через значения резисторов! Это очень удобно т.к. позволяет упростить имитационную электрическую схему.

В этом случае подобие между физическими и машинными переменными будет иметь вид:

U_Р = А _Р х Р (2-16)

U _S = А_S х Р_S (2-17)

R_r = А_r х r (2-18)

Для оценки подобия уравнений (2-14) и (2-15) подставим уравнения

с (2-16) по (2-18) в уравнение (2-15) и получим:

Р = (Р_S /r) х (А_S х R_ОС / А _Рх А_r) (2-19)

Из сравнения уравнений (2-14) и (2-15) следует, что они подобны при:

(А_S х R_ОС / А _Рх А_r) = 1. (2- 20)

Теперь из начальных условий нужно найти коэффициенты подобия и подставить их в (2-20). Тогда найдем численные значения R_r и R_ОС.

Выбор машинных коэффициентов подобия.

Для расчёта машинного коэффициента подобия А _r примем r₀= -50 b_ЭФФ, а

для R_r возьмем 100 Ком. Тогда из (2- 20) получим

R_r = А_r х r₀

А_r = 100 Ком / 50b_ЭФФ = 2 Ком /b_ЭФФ

Этот коэффициент показывает, что при перемешении примерно 5 кассет с топливом по 0,2b_ЭФФ на кассету сопротивление на входе имитатора изменится всего на 2 Ком, а при вводе одной кассеты это же сопротивление изменится на 0,4 Ком! Из этого примера видно, что обучающийся сам может менять коэффициент А_r в зависимости от нужд эксперимента на модели!

Главная задача обучения оператора по перегрузке топлива – контролировать эту степень изменения реактивности при загрузки на основе информации, получаемой от детекторов нейтронного потока путем наблюдения на имитационной модели за изменением напряжения.

Теперь оценим диапазоны изменения переменных в физическом уравнении

(2- 14) для двух целей:

1.. Для оценки безопасности операции загрузка и

2. Для выбора машинных коэффициентов подобия между физическими и

машинными переменными.

Билеты к коллоквиуму по теме

Перегрузка ядерного топлива в реакторах ВВЭР.

Каждый билет состоит из трех пунктов:

1. Первый общий вопрос ко всем – Наличие дискеты с выполнением своей темы по УИР,

Дата добавления: 2015-11-26