Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Установка БФС. Обзор методик измерения реактивности в условиях влияния пространственных эффектов. Описание характеристик использованной электронной аппаратуры 8
1.1 Описание критических стендов БФС, их возможности для моделирования перспективных быстрых реакторов 8
1.1.1 Вводные замечания 8
1.1.2 Описание конструкции критического стенда БФС-1 8
1.1.2 Описание критического стенда БФС-2 11
1.2 Характеристики используемой в экспериментах электронной аппаратуры 13
1.3. Обзор методик измерения реактивности в условиях влияния пространственных эффектов. 16
1.3.1 Обзор методик учета влияния пространственных эффектов при измерении реактивности методом ОРУ К 16
1.3.2 Другие методы измерения реактивности 22
1.3.3 Краткое описание расчетных комплексов, используемых для вычисления поправок
1.4 Требования к диапазону измерений реактивности для перспективных быстрых реакторов 23
1.5 Выводы 25
Глава 2 Выбор групповых параметров запаздывающих нейтронов для перспективных быстрых реакторов 27
2.1 Вводные замечания 27
2.2 Описание критической сборки БФС-105-2А - бенчмарка для тестировки нейтронных данных и методик измерения реактивности (модели быстрого реактора, охлаждаемого паром)
2.2.1 Описание ядерных и конструкционных материалов, использовавшихся в критических сборках и в штатных органах СУЗ 28
2.2.2 Картограммы загрузок критических сборок 29
2.2.3 Некоторые эксплуатационные характеристики критической сборки 2.3 Методика проведения эксперимента 35
2.4 Групповые параметры запаздывающих нейтронов для сборки БФС 105-2А 37 2.5 Результаты обработки экспериментов 39
2.5.1 Учет количества делящихся изотопов 39
2.5.2 Обработка экспериментов по измерению реактивности при использовании различных версий параметров запаздывающих нейтронов 41
2.5.3 Критерий выбора групповых параметров запаздывающих нейтронов 42
2.6 Выводы 43
Глава 3 Учет пространственных эффектов и границы применимости методик при измерении эффективности поглотителей на критических сборках БФС-105-2А, БФС-107-2, БФС-78-2 45
3.1 Вводные замечания 45
3.2 Алгоритмы обработки в приближении точечной кинетики (вычисление реактивности и эффективного источника) в режиме off-line 45
3.3 Расположение детекторов при проведении измерений реактивности 47
3.4 Алгоритм обработки экспериментальных данных, учитывающий влияние пространственных эффектов (поиск трех параметров - реактивность, эффективный источник, отношения эффективности детекторов) 49
3.5 Алгоритм поиска трех параметров в режиме on-line. Приборная реализация 51
3.6 Алгоритм обработки с введением расчетных поправок (бенчмарк-сборка БФС-107-2)
3.6.1 Описание критической сборки БФС-107-2 54
3.6.2 Порядок проведения эксперимента 57
3.6.3 Расчетное сопровождение эксперимента 57
3.6.4 Обработка результатов экспериментов
3.7 Взаимная нормировка показаний различных детекторов в течение эксперимента -важнейший критерий для выбора алгоритма обработки 61
3.8 Замечания о границах применимости рассмотренных методик 63
3.9 Выводы 67
Глава 4 Измерения больших отрицательных реактивностей методом ОРУК 69
4.1. Вводные замечания 69
4.2 Результаты расчетов изменений эффективности детекторов при измерении больших отрицательных реактивностей 69
4.3 Методика поиска корректирующей поправки к рассчитанной эффективности детектора линейным методом наименьших квадратов 71
4.4 Реализация замены топливных стержней в зоне сборки БФС-105-2А на борные кластеры .77
4.5 Структурная схема модернизированного реактиметра 81
4.7 Выводы 83
Глава 5 Влияние пространственных эффектов при введении положительной реактивности .85
5.1 Описание критической сборки БФС-76-Б 86
5.1.1 Описание ядерных и конструкционных материалов 86
5.1.2 Описание картограммы загрузки критической сборки
5.2 Описание критической сборки БФС-78-2 93
5.3 Измерения при введении положительных реактивностей в диапазоне до 20 центов многодетекторной системой на сборке БФС-76-Б 96
5.4 Влияние пространственных эффектов на кинетические характеристики: значение мгновенного периода реактора, величина мощности реактора по различным детекторам 99
5.5 Описание экспериментов и результатов на критической сборке БФС-78-2 103
5.6 Возможные варианты минимизации влияния пространственных эффектов на формирование сигналов аварийной защиты 106
5.7 Выводы 107
Заключение и выводы 109
Список литературы
- Характеристики используемой в экспериментах электронной аппаратуры
- Описание ядерных и конструкционных материалов, использовавшихся в критических сборках и в штатных органах СУЗ
- Расположение детекторов при проведении измерений реактивности
- Реализация замены топливных стержней в зоне сборки БФС-105-2А на борные кластеры
Введение к работе
Актуальность работы определяется тем, что разрабатываемые перспективные быстрые реакторы (БР) нового поколения имеют значительно «уплощенную» геометрию активной зоны, что приводит к значительному влиянию пространственных эффектов, что в свою очередь значительно осложняет применение традиционных методик измерения реактивности. К тому же использование смешанного топлива в БР нового поколения приводит к уменьшению эффективной доли запаздывающих нейтронов (ЗН), что приводит к увеличению измеряемого диапазона в величинах рэфф. Проявление пространственных эффектов при введении положительной реактивности может привести к отличающимся показаниям различно расположенных детекторов, что требует анализа мест расположения детекторов и логики обработки их показаний.
Цель работы состояла в обосновании набора методик и используемых нейтронных данных для измерения нейтронно-физических характеристик (в первую очередь - реактивности), разработка новых модификаций этих методик, их апробирование на сборках- прототипах, получение данных по эффективности органов СУЗ проектируемых реакторов нового поколения. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Создан набор бенчмарков с различными видами топлива на критических стендах БФС-1 и БФС-2, с помощью многодетекторной системы зарегистрированы и проанализированы переходные процессы на основе методики ОРУК.
-
Разработаны (и защищаются оформляемыми патентами) новые модификации методик измерения больших отрицательных реактивностей (в диапазоне до минус 25-30рэфф) в реакторах со значительным влиянием пространственных эффектов.
-
Экспериментально зарегистрировано влияние пространственных эффектов при введении положительной реактивности на измеряемые нейтронно-физические параметры.
Научная новизна настоящей работы заключается в разработанных методах анализа экспериментальных данных:
1. Оценено влияние выбора групповых параметров ЗН на результаты измерения реактивности, показана необходимость выбора оптимального варианта, на основе критерия минимального расхождения с экспериментальными данными рекомендованы оптимальные варианты для плутониевого топлива.
-
-
Апробирована новая методика измерения реактивности в реакторах с заметным влиянием пространственных эффектов в режиме on-line.
-
Впервые предложена и обоснована методика измерения больших отрицательных реактивностей (до минус 30 рэфф), позволяющая, наряду с использованием расчетных результатов по изменению эффективности детектора из-за влияния пространственных эффектов, применять линейный метод наименьших квадратов для определения оптимальной амплитуды этой поправки.
-
Создана модель для оценки влияния пространственных эффектов на регистрируемые величины мгновенных значений периода и мощности реактора различно расположенными детекторами. Даны рекомендации по возможным местам размещения нейтронных детекторов и алгоритмам сбора с них информации. Практическая значимость работы определяется разработанными (и обоснованными в экспериментах на критсборках) методиками измерений и полученными на моделях разрабатываемых реакторов (БН-800, СВБР и др.) данными, которые могут быть использованы при дальнейших проектных разработках.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
-
Выбор версий групповых параметров запаздывающих нейтронов (из различных национальных библиотек) на основе анализа экспериментальных данных, оптимальным образом описывающих переходные процессы при изменении реактивности в быстрых реакторах со смешанным топливом на основе Pu.
-
Методика определения реактивности в условиях влияния пространственных эффектов, работающая в режиме on-line; расчет- но-экспериментальная методика измерения больших отрицательных реактивностей (до минус 30 рэфф); формулировка основных принципов создания реактиметра, учитывающего влияние пространственных эффектов.
-
Создание модели, позволяющей оценить влияние пространственных эффектов при вводе положительной реактивности на задержку времен достижения аварийных уставок по периоду и мощности для различно расположенных детекторов, и выработка рекомендаций по их размещению.
Личный вклад автора: Планирование экспериментов на серии критических сборок БФС, получение основного массива экспериментальных данных, его последующая обработка, анализ полученных результатов, использование расчетных данных (ИБРАЭ, ГНЦ РФ-ФЭИ) проводилась при непосредственном личном участии автора, так же как и оформление полученных результатов, подготовка публикаций, непосредственное участие в конференциях. Апробация работы: основные результаты работы опубликованы на международной конференции PhYSOR-2010 (и принятом совместном докладе с сотрудниками ИБРАЭ на PhYSOR-2012), в журнале «Ядерная физики и инжиниринг», в трех докладах на международной конференции, посвященной 50ти-летию БФС, докладе на конференции «Нейтроника-2011», пяти докладах на молодежных конференциях (МИФИ,ОАО СХК,ОАО ГХК и др.) Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии. Работа изложена на 115 страницах, содержит 39 рисунков, 24 таблиц и список цитируемой литературы из 69 наименований.
Характеристики используемой в экспериментах электронной аппаратуры
Критический стенд БФС-2 представляет собой стальной бак диаметром 5м и высотой 3,5м, на дне которого имеется дистанционирующая стальная гексагональная решетка с шагом 51мм, в отверстия которой входят своими хвостовиками более 9000 труб диаметром 50 мм и высотой около Зм из нержавеющей стали.[2]
Конструкция критстенда исключает возможность деформации несущих частей и самопроизвольного (не инициированного персоналом критстенда) изменения положений элементов активной зоны и экранов, за исключением автоматического «сброса» рабочих органов A3 и опускания (вывода из активной зоны) рабочих органов КО и РО в случае появлении аварийного сигнала. Бак критической сборки, в котором располагаются вертикально стоящие пустые трубы, ТС, трубы органов СУЗ, а также СБЭ, ПИ, детекторные блоки для регистрации нейтронов и датчики температуры, представляет собой сборную щитовую конструкцию, образующую неправильную призму. Каждая щитовая панель бака состоит из двух стальных листов толщиной 14 и 6 мм, между которыми проложен листовой кадмий толщиной 1 мм, служащий для защиты от тепловых нейтронов, отраженных в направлении КСб от бетонной биологической защиты, окружающей бак.
На дне бака КСб установлена дистанционирующая решетка, изготовленная из стальной плиты толщиной 100 мм, в которой выполнены отверстия диаметром 35 мм, образующие гексагональную решетку с шагом 51 мм. В отверстия устанавливаются своими хвостовиками трубы, изготовленные из нержавеющей стали марки 1Х18Н10Т, каждая из которых имеет длину 3175 мм и диаметр 50x1 мм. Дистанционирующая решетка установлена с зазором 50 мм над стальной опорной плитой толщиной 100 мм. Опорная плита опирается на железобетонный кольцевой фундамент, толщина стен которого составляет 1 м, а также на четыре стальные колонны, каждая из которых имеет диаметр 250 мм. Колонны расположены во внутренней полости, образованной кольцевым фундаментом, в помещении приводов органов КО, РО и ПИ.
Активная зона КСб, боковые экраны, зоны воспроизводства, модели внутриреак-торных хранилищ, внутрикорпусных защит, а также внутрибаковое хранилище запасных ТС, формируются из размещенных в баке 9369 неподвижных труб, опирающихся своими хвостовиками на дистанционирующую решетку, и 91 трубы 20-ти органов регулирования, имеющих приводные механизмы. Часть неподвижных труб может быть заменена на детекторные блоки для регистрации нейтронов.
В дистанционирующей решетке и опорной плите имеется 139 отверстий диаметром 54 мм: - 54 отверстия, предназначенные для обеспечения прохода 6 стержней каждого из 9-ти органов КО; - 32 отверстия, предназначенные для обеспечения прохода 4 стержней каждого из 8 органов A3; - 5 отверстий, предназначенных для обеспечения прохода стержней РО (два РО с двумя стержнями в каждом и одиночный РО); - 32 резервных отверстия, предназначенные для обеспечения перестановки в них 8-ми органов A3; - 16 отверстий, используемых при проведении осцилляторных измерений с «длинными» ТС. Отверстия, предназначенные для обеспечения прохода стержней СУЗ, расположены на различных расстояниях от геометрического центра бака критсборки.. Неиспользуе мые в работе сквозные (для прохода труб) отверстия в дистанционирующей решетке заглушены специальными гильзами, в которые хвостовиками устанавливаются неподвижные трубы критсборки.
Биологическая защита толщиной 1000 мм, окружающая бак КСб, изготовлена из монолитного бетона. Вдоль продольной оси критсборки диаметрально противоположно расположены тепловая графитовая колонна (ТГК) и так называемая «металлическая колонна», используемая для моделирования внутрикорпусных защит и внутриреакторных хранилищ моделируемых реакторов или как внутрибаковое хранилище запасных ТС изучаемых КСб.
При монтаже критических сборок, моделирующих состав и размеры энергетических реакторов, применяются блочки реакторных материалов, которые выполнены в виде дисков диаметром 46,7 мм различной высоты (от 0,3 до 100 мм). Блочки ядерных материалов - металлический ВОУ, плутоний и двуокись ВОУ заключены в герметичные оболочки из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм. Часть блочков металлического урана 36% обогащения по урану-235 заключена в алюминиевые оболочки толщиной 0,3 мм. Толщина сердечников блочков 5 мм - для урана, 3мм - для плутония, 5 мм и 1,7 мм для двуокиси урана. Блочки обедненного урана и двуокиси обедненного урана очехлованы алюминием толщиной 0,3 мм. Толщина блочков равна 10 мм. Блочки тория толщиной 10 мм очехлованы также алюминием толщиной 0,3 мм, а блочки толщиной 40 мм - алюминием толщиной 1 мм. Блочки, содержащие натрий (моделирование натриевого теплоносителя), имеют герметичную оболочку из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм. Высота блочков 10 мм.
Кроме указанных выше материалов в КСб используется ряд материалов, необходимых для моделирования состава энергетических реакторов, в том числе и поглощающих органов СУЗ (сталь, в том числе нержавеющая, цирконий, никель, медь, алюминий, свинец, карбид бора, графит, окись алюминия и другие).
Описание ядерных и конструкционных материалов, использовавшихся в критических сборках и в штатных органах СУЗ
Среди основных параметров, описывающих кинетику реакторов на запаздывающих нейтронах, кроме реактивности и эффективной доли запаздывающих нейтронов, особую роль играют групповые параметры запаздывающих нейтронов. Именно их погрешности вносят существенный, а при отсутствии влияния пространственных эффектов - определяющий вклад в результирующую погрешность измерения реактивности.
Как уже отмечалось ранее, подавляющее число исследованных критических сборок БФС имели урановую (или в основном урановую) загрузку активной зоны. Разрабатываемые в настоящее время реакторы в основном рассчитаны на использование смешанного топлива, где основным делящимся элементом является плутоний.
Данные по групповым параметрам запаздывающих нейтронов по изотопам плутония в различных библиотеках нейтронных данных, в общем-то, различны, и естественно ожидать, что использование в методике ОРУК этих различных данных приведет к различным результатам измерения реактивности. Очевидно, что в такой ситуации для обоснования выбора версии групповых параметров запаздывающих нейтронов необходимо сделать следующее: 1. создать критическую сборку с зоной на основе смешанного уран-плутониевого топлива (с минимальным содержанием U-235). 2. на этой сборке - провести серию экспериментов методом ОРУК в ситуации, где применима точечная модель кинетики (исключено влияние пространственных эффектов). 3. оценить, насколько велика разница в полученных значениях реактивности, при использовании различных версий запаздывающих нейтронов (для изотопов Ри и U-238). 4. в случае если эта разница существенна, найти объективный критерий для выбора оптимальной версии групповых параметров ЗН.
Такая критическая сборка была собрана на стенде БФС-1 под номером - БФС-105-2А, где, наряду с экспериментами по обоснованию оптимальной версии групповых пара метров ЗН, была проведена серия специально спроектированных экспериментов по измерению предельно больших отрицательных реактивностей.
Описание ядерных и конструкционных материалов, использовавшихся в критических сборках и в штатных органах СУЗ.
Критическая сборка состоит из трех типов труб, внутри которых размещаются блочки различных конструкционных материалов и блочки топливного материала. Первый тип - трубы, изготовленные из алюминиевого сплава АВ, второй тип - трубы из стали 1Х18Н9Т, третий тип - стальные трубы штатных органов системы управления и защиты (ОСУЗ) критического стенда БФС-1.
В состав активных зон критических сборок входит также полиэтилен в виде цилиндрических вытеснителей диаметром 8 мм, и длиной не менее 2 метров. В таблице 3 приведены характеристики блочков различных материалов, из которых комплектовались топливные стержни (ТС) активной зоны и экрана. В таблице 4 приведены усредненные изотопные составы сердечников блочков Ри-низкофонового и Pu-высокофонового на дату изготовления - май 1967 года. Таблица 3.Характеристики блочков различных материалов Блочок Высота с оболочкой,мм Диаметр соболочкой,мм Плотность сердечника,г/см3 Плотность оболочки,г/см3 Полная масса блочка, г Масса оболочки, г ио2 9,75 46,70 9,80 2,7 143,90±0,35 4,37А1+9х10"3 wtH Ри (нф) 3,20 46,4 15,6 7,9 64,86±0,15 11,57 (сталь) Ри (вф) 3,20 46,4 15,6 7,9 - В4С 10,02 46,59 1,8 без оболочки 30,97 без оболочки Сталь 9,93 46,72 7,9 132,2710,70 Таблица 4. Усредненные изотопные составы топливных блочков Блочок— і Изотоп U02 Pu (нф) Pu (вф) и235 0,36 - Vm 87,28 - Fe 0,36 - С 0,21 - О 11,79 - Pu2W - 93,55 86,82 Pu240 - 4,55 ±0,10 9,93 Pu241 - 0,25 ± 0,05 1,13 Ga - 1,65 ±0,15 2,12 Обозначения блочков ядерных и конструкционных материалов: UO2 - блочок двуокиси обедненного урана в алюминиевой оболочке. Pu (нф) - блочок низкофонового металлического плутония в стальной оболочке. Pu (вф) - блочок высокофонового металлического плутония в стальной оболочке. В4С - блочки карбида естественного бора без оболочки. Сталь - блочки стали. ПЭ - полиэтиленовый вытеснитель. 2.2.2 Картограммы загрузок критических сборок На рисунке 3 приведена картограмма загрузки критической сборки БФС-105-2А. Сборка состоит из активной зоны и бокового экрана. В качестве делящегося материала, входящего в состав активной зоны, используется низкофоновый плутоний. Количество ТС в сборке - 210 штук.
Вокруг активной зоны расположены трубы, внутри которых размещены блочки с двуокисью обедненного урана. Это стержни бокового экрана (СБЭ). Количество СБЭ составляет 601 стержень.
В межтрубных зазорах активных зон критических сборок размещены полиэтиленовые (ПЭ) вытеснители в количестве 1 вытеснитель на 1 ТС. Исключение составляют межтрубные зазоры вокруг штатных органов СУЗ критического стенда, в которых нет ПЭ вытеснителей, а также еще 2 межтрубных зазора в центральной части активных зон сборок, в один из которых установлена термопара, а в другой введена трубка с пусковым нейтронным источником. Количество ПЭ вытеснителей в активной зоне составляет 167 штук. Средняя масса одного ПЭ вытеснителя составляет 98,2 г.
Цифра 1 на рисунке 3 показывает межтрубный зазор, в который введен пусковой нейтронный источник. Цифра 2 на том же рисунке показывает межтрубный зазор, в который установлена термопара. Рис. З - Картограмма загрузки критической сборки БФС-105-2.
С функциональной точки зрения можно выделить еще 3 вида стержней, которые необходимы для регулирования и аварийной защиты критического стенда и входят в состав критической сборки. Это стержни штатных органов СУЗ: 6 стержней аварийной защиты (A3), 6 стержней компенсаторов реактивности (КР), 2 стержня регулирующих органов (АР).
Обычные стержни комплектуются и устанавливаются в соответствующую ячейку бака критической сборки согласно расчетной картограмме загрузки.
Состав стержня органа СУЗ повторяет состав топливного стержня, находящегося в той же подзоне, однако в некоторых стержнях органов СУЗ над верхним торцевым отражателем расположен поглотитель для увеличения его эффективности. В качестве поглотителя используются блочки В4С.
Расположение детекторов при проведении измерений реактивности
Важнейшим преимуществом экспериментов по измерению реактивности на критических стендах является возможность размещения детекторов в различных местах вокруг активной зоны (а иногда и внутри). Это дает возможность, во-первых, размещать детекторы там, где, в соответствии с заранее проведенными расчетами, для каждого конкретного случая измерения эффективности органов СУЗ эффективность детектора остается постоянной, что позволяет использовать при обработке точечную модель кинетики.
Под эффективностью детектора, в соответствии с работами [15, 16, 40] понимается скорость счета детектора, нормированная на число делений в реакторе, взвешенная с ценностью.
Иллюстрацией к вышеприведенным соображениям о размещении детекторов в местах, где их эффективность не меняется (линия неизменной эффективности - НЭД) могут служить данные работы. [55]
Пространственное распределение эффективности детектора после сброса 4-х стержней из критического состояния (A3-1, АЗ-2, АЗ-3 и КО-1)-линия 1.00 соответствует неизменной эффективности детектора. Строго говоря, для расчета линий НЭД необходимо использовать не статические программы, а программы расчета переходных процессов в реакторе.
В данной работе для поиска соответствующего места расположения нейтронных детекторов использовались результаты расчетов по программе ГЕФЕСТIMER. Это дало возможность провести измерения реактивности в достаточно широком диапазоне на сборке БФС-105-2А (соответствующие данные приведены в таблицах 16,17). При экспериментах два из трех детекторов располагались на линии НЭД (хотя следует заметить, что для больших отрицательных реактивностей постоянных во времени линий НЭД не существует, их положение во времени изменяется, и чем больше величина отрицательной реактивности, тем сильнее деформация линии НЭД).
К сожалению, на энергетических быстрых реакторах такая возможность экспериментатору не предоставляется. Например, в реакторе БН-600 все штатные нейтронные детекторы, контролирующие нейтронный поток в реакторе, располагаются практически в одной точке по отношению к активной зоне на расстоянии около семи метров в специальном блоке БИК. Такое расположение нейтронных детекторов даже с учетом того, что в реакторе БН-600 пространственные эффекты далеко не такие сильные как в тепловых ректорах, тем не менее, оказывает весьма существенное влияние на результаты измерения реактивности и в случае непринятия специальных мер по учету влияния пространственных эффектов, может привести к систематическим погрешностям в десятки процентов в эффективности ряда стержней СУЗ (например, компенсаторов КП-ТК, расположенных во втором кольце этих органов (КП-ТК7- КП-ТК18)).[23]
Таким образом, на практике не приходится рассчитывать на эффективное использование данных методик.
Алгоритм обработки экспериментальных данных, учитывающий влияние пространственных эффектов (поиск трех параметров - реактивность, эффективный источник, отношения эффективности детекторов)
Накопленный опыт использования метода ОРУК на критических стендах БФС был применен при создании комплекса пусковой аппаратуры реактора БН-600, включающей реактиметр с широким набором программ. Аналогичный реактиметр использовался в дальнейшем при эксплуатации этого реактора. На этапе физического пуска были проведены следующие измерения[23, 24, 54]: - эффективности всех одиночных органов АР, КП-ТК, A3; - градуировки органов АР и одиночных органов КП-ТК; - суммарной эффективности двух и более органов СУЗ для определения величины их интерференции; - суммарной эффективности системы КП-ТК 1-18; - суммарной эффективности системы A3. Следует отметить, что измерение эффектов реактивности в широком диапазоне (до 7 % ДК/К) - было осложнено рядом трудностей.
Наиболее существенная из них - наличие весьма заметных пространственных эффектов, особенно сильно проявившихся при использовании пусковых детекторов, расположенных в монтажном лазе поворотной пробки - над верхней торцевой частью активной зоны. Изменение эффективности детектора нейтронов было обусловлено как деформацией нейтронных полей при введении стержня, так и изменением «пропускания» системы поднятых стержней СУЗ и штанг приводов для нейтронов, утекающих из верхнего торца реакторов в направлении детектора. В этих условиях изменение эффективности детекторов оказалось весьма заметным даже при измерении эффективности отдельных стержней -систематическая погрешность, обусловленная влиянием пространственных эффектов, достигала 20%. 8 этих условиях для измерения эффективности органов СУЗ были использованы различ ные варианты методики, учитывающей изменение эффективности детектора[14-16].
Эта сложность особенно усугублялась тем, что, в общем-то, не был известен даже относительный ход изменения эффективности во время движения стержня, что наиболее существенно для сравнительно медленно двигающихся органов КП-ТК. Необходимо также отметить, что предположение о том, что величина эффективности детектора меняется скачком от Si - начало движения органа СУЗ, до гг - окончание движения - справедливо для измерения эффективности органов A3. Поскольку органы АР и КП-ТК движутся гораздо медленнее, чем органы A3 ( 1 минута для АР и 2,5 минут для КП-ТК), возникла необходимость учесть этот фактор. Расчетным путем было установлена применимость линейного со временем изменения эффективности детектора; Ц/ t, - Ґ tt t t; ti - момент начала движения органа, t2 - момент окончания движения органа, t - текущее время.
Следует заметить, что описанный выше алгоритм реализуется в режиме обработки off-line и основан на предположении неизменности эффективности детекторов после окончания изменения реактивности. Для изученных урановых (и смешанных уран-плутониевых) сборок такой подход возможен в диапазоне реактивностей до нескольких Рэфф (для активных зон типа БН-600 - почти до 10 (3Эфф [54]), однако более сильные пространственные эффекты в уплощенных активных зонах достаточно серьезно сокращают этот диапазон.
При скачкообразном законе изменения эффективности детектора абсолютную погрешность (Ар) измерения реактивности, связанную с изменением эффективности детектирования (5со), в чем и проявляется влияние пространственных эффектов, можно определить следующим образом:
Реализация замены топливных стержней в зоне сборки БФС-105-2А на борные кластеры
Как уже отмечалось ранее, пространственные эффекты, ограничивающие прямое использование методики ОРУК, проявляются в деформации нейтронных полей и, соответственно, показаний детекторов, расположенных в разных точках по отношению к месту введения поглотителя. Вблизи поглотителя, при его введении в активную зону, нейтронное поле будет заваливаться, на противоположной стороне - возрастать. Именно поэтому, при измерении эффективности органов СУЗ в быстрых реакторах, где проявляется влияние пространственных эффектов, необходимо проводить измерения, используя одновременно три - четыре нейтронных детектора, располагая их в различных точках по отношению к месту возмущения, желательно там, где изменение эффективности детекторов будет разных знаков. Только такое размещение нейтронных детекторов может дать информацию о наличии пространственных эффектов и методах их учета. Такая информация может быть получена, если переходные процессы (например, эксперимент типа «разгон-сброс») записываются в памяти компьютера индивидуально для каждого из детекторов и дальнейшая обработка их производится в режиме off-line. Важнейшим критерием влияния пространственных эффектов является зависимость от времени отношений счетов детекторов. При взаимной нормировке счетов детекторов могут быть реализованы различные ситуации:
Отношение счетов остаются постоянными. Отношения счетов изменяются во время введения отрицательной реактивности и после этого остаются постоянными. Отношения счетов детекторов изменяются при введении реактивности и продолжают изменять даже после окончания движения органа СУЗ. В случае, если отношения счетов детекторов остаются постоянными до и после введения реактивности, для обработки показаний детекторов может быть использована точечная модель кинетики, например, определение в режиме off-line искомых величин реактивности и эффективного источника.
В случае, если отношения счетов детекторов изменяются, но остаются постоянными после введения реактивности, возможна реализация двух алгоритмов. Первый из них -поиск величин реактивности, эффективного источника и отношения эффективностей детектора после введения реактивности к величине до введения реактивности (так называемая «трехпараметрическая» обработка в соответствии с рекомендациями работ [14]). Второй вариант - для случая, когда отношения счетов детекторов остаются постоянными после введения реактивности, но изменяются по отношению к исходным величинам возможно введение расчетных поправок на изменение эффективности детекторов, а в ряде случаев - и на изменение эффективной доли запаздывающих нейтронов, если в подкрити-ческом состоянии она достаточно заметно отличается от этой же величины в критике. В этом случае обработка результатов эксперимента проводится в режиме off-line с поиском двух параметров - реактивности и эффективного источника, а коррекция на изменение эффективности детектора вводится перед обработкой.
Наконец, третий вариант, когда отношения счетов детекторов изменяются при введении реактивности и продолжают изменяться после окончания движения органа СУЗ (что свидетельствует о продолжающейся перестройке нейтронных полей и, соответственно, распределения предшественников запаздывающих нейтронов в реакторе). В этом случае представляется целесообразным введение расчетной поправки на изменение эффективности детектора и последующая обработка скорректированных файлов в рамках модели точечной кинетики. По сути дела это напоминает введение расчетной поправки на изменение эффективности детектора в модифицированном методе обратного умножения. Возможен и более сложный подход к обработке экспериментальных данных, позволяющий минимизировать расхождения между экспериментальными данными и полученными расчетными результатами. Такой подход будет описан в следующей главе.
В ряде случаев, например, при градуировке органов СУЗ возможен и другой вариант - обработка результатов экспериментов в режиме on-line. Такая обработка возможна в двух случаях - в рамках использования точечной модели кинетики или в рамках приближений, основанных на постоянстве отношений счетов детекторов после окончания введения реактивности (хотя обработка показаний каждого из детекторов проводится индивидуально). Такие подходы и соответствующие алгоритмы описаны в предыдущих разделах. 3.8 Замечания о границах применимости рассмотренных методик.
Эксперименты, проведенные на серии критических сборок БФС-107-2, БФС-105-2А, а также ранее проведенные эксперименты другими авторами позволяют сделать следующие выводы:
Разрабатываемые в настоящее время реакторы на быстрых нейтронах характеризуются достаточно уплощенной формой активных зон, что неминуемо вызывает сильное влияние пространственных эффектов при измерении реактивности и, соответственно, крайне сужает возможности использования точечной модели кинетики. Практически точечная модель может быть использована в общем случае в очень ограниченном диапазоне реактивности (десятки центов), хотя в случае возможности размещения детекторов в местах неизменной эффективности могут расширить диапазон измерения реактивности.
Современная реализация методики ОРУК требует использования в экспериментах нескольких нейтронных детекторов, располагаемых в зависимости от конкретных условий эксперимента в различных местах по отношению к активной зоне и месту возмущения. Обычно для корректной интерпретации экспериментов достаточно трех-четырех детекторов.
Выбор места расположения детекторов в значительной степени должен быть основан на предварительных расчетах переходных процессов в реакторе при реализации методики «разгон-сброс».
Важнейшим фактором, позволяющим выбрать алгоритм обработки результатов экспериментов - является анализ отношений скоростей счетов различных детекторов как до, так и после введения реактивности. Именно этот фактор, наряду с проведением предварительных расчетов, позволяет выбрать оптимальную модель обработки результатов экспериментов.
Алгоритмы учета влияния пространственных эффектов (трехпараметрическая модель) детально обоснованы и успешно использованы на реакторе БН-600 и серии соответствующих критических сборок с урановой загрузкой в диапазоне до 8-10 (Зэфф. В аналогичном диапазоне (также в единицах (Зэфф) эти алгоритмы оказались работоспособными и для сборок на основе МОХ-топлива, с тем же отношением диаметра к высоте. Для активных зон уплощенной формы (отношение диаметра к высоте больше трех) пространственные эффекты проявляются значительно силь нее, что неминуемо приводит к сужению диапазона применимости наиденных ранее алгоритмов.
Использование методики ОРУК для измерения больших по модулю величин реак тивности (что обусловлено, главным образом, использованием смешанного топлива в разрабатываемых быстрых реакторах нового поколения) потребовало разработки новых алгоритмов учета пространственных эффектов.
Похожие диссертации на Минимизация влияния пространственных эффектов на измерения реактивности в быстрых реакторах нового поколения
-
-
-
