Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Применение неитронно-шумовых методов для диагностики ядерных реакторов 13
Введение 13
1.1 Регистрация нейтронных шумов. Требования к детекторам 22
1.2 Исследование частотных характеристик нейтронных детекторов, оценка «коэффициентов шумности» 28
1.3 Разработка устройства для измерения нейтронных шумов "Поток-8" 40
1.4 Исследование вибрационного состояния шахты
реактора ВВЭР-1000 ХАЭС 48
1.4.1 Теоретические основы определения параметров движения шахты реактора по спектральным характеристикам нейтронных шумов 50
1.4.2 Результаты оценок параметров колебаний шахты реактора 57
1.5 Выводы по главе 1 66
ГЛАВА 2 Экспериментальное обоснование спектрально-частотных методов измерения расхода теплоносителя 68
Введение 68
2.1 Обоснование спектрального метода измерения скорости теплоносителя.. 70
2.1.1 Теоретические основы спектрального метода 71
2.1.2 Экспериментальная проверки метода 76
2.2 Применение частотного метода для диагностики кондукционных магнитных расходомеров 81
2.2.1 Результаты экспериментальных исследований на стенде 85
2.2.2 Исследование статистических характеристик сигналов КМР на установке БР-10 89
2.3 Выводы по главе 2 95
ГЛАВА 3 Применение импульсно-шумового метода и разработка устройств для контроля межконтурных протечек в парогенераторах «натрий-вода» 96
Введение 96
3.1 Экспериментальное обоснование импульсно-шумового метода индикации протечек воды в натрий в парогенераторах "натрий-вода" 99
3.2 Теоретическое описание импульсно-шумового сигнала магнитного расходомера 104
3.3 Выделение "пузырькового" сигнала из фоновых шумов. Метод автофильтрации и его реализация 111
3.4 Разработка магнитного датчика для измерения расхода натрия и индикации газовых пузырей 118
3.5 Разработка многоканальных импульсно-шумовых индикаторов течи парогенераторов ИШИТ-96 и ИШИТ-800 123
3.6 Испытания ИШИТ на моделях и полномасштабных парогенераторах... 131
3.7 Выводы по главе 3 145
ГЛАВА 4 Применение акустического метода для обнаружения течи теплоносителя 147
Введение 147
4.1 Применение акустического контактного метода для индикации протечек импульсных предохранительных устройств компенсатора давления РУ с ВВЭР 151
4.2 Разработка акустического датчика волноводного типа 156
4.3 Исследование спектральных и мощностных характеристик акустических шумов течи на полномасштабном импульсном клапане 164
4.4 Создание шестиканальной акустической системы индикации течи ИЛУ КД для 5 блока НВАЭС 167
4.5 Разработка многоканальной акустической системы СКАТ-ВБ 170
4.5.1 Стенд испытания датчиков 175
4.5.2 Алгоритм работы системы 179
4.6 Выводы по главе 4 184
Заключение 185
Список используемой литературы 188
Список условных обозначений 1
- Исследование частотных характеристик нейтронных детекторов, оценка «коэффициентов шумности»
- Экспериментальная проверки метода
- Выделение "пузырькового" сигнала из фоновых шумов. Метод автофильтрации и его реализация
- Исследование спектральных и мощностных характеристик акустических шумов течи на полномасштабном импульсном клапане
Исследование частотных характеристик нейтронных детекторов, оценка «коэффициентов шумности»
Дальнейшие усилия по совершенствованию теоретических моделей шумов кипящих реакторов были направлены на увеличение размерности, числа учитываемых энергетических групп нейтронов. Однако, полученные в них результаты принципиально не отличались от результатов Кошали.
Ряд работ был направлен на изучение только низкочастотных («глобальных» в модели Кошали) шумов, их пространственно-частотных характеристик.
Выявленное экспериментально затухание когерентности нейтронных шумов в области частот ниже 0,1 герца [15] показало, что точечное описание кинетики большого кипящего реактора и на очень низких частотах является неудовлетворительным. Клейс и Ван Дам показали, что этот пространственный эффект возникает за счет обратного влияния изменений нейтронного потока на групповые константы.
Очень много теоретических и экспериментальных исследований посвящено задаче генерации нейтронного шума в результате вибрационных процессов. Вибрации внутризонных элементов - топливных сборок, регулирующих и компенсирующих стержней, измерительных гильз возникают во всех типах ядерных реакторов под действием турбулизированного потока теплоносителя. В результате случайных отклонений элементов от равновесного состояния создается источник возмущения нейтронного потока в активной зоне.
В одной из ранних работ, посвященной аналитическому описанию источника шума реактивности в точечном реакторе с вибрирующим стержнем М. Antonopaulos-Domis [16] отметил, что в этом случае спектральная плотность источника будет представлена двумя составляющими г2о (Л , ..2, (1.12) S (/) = comiM fj + S f) где М, LX - глобальный и локальный градиенты распределения нейтрон ного потока в месте расположения стержня; Si(f) - спектральная плотность мощности его случайных смещений. В более поздней работе [17] он же рассмотрел аналогичную задачу с учетом пространственных эффектов и показал, что реактивностный эффект зависит не только от амплитуды смещения, но и от его направления. J.Pazsit and O.Glockler [18] проанализировали более общую задачу вибрации регулирующего стержня в рамках двухмерной диффузионной модели.
Нейтронный шум в точке наблюдения (х, у) при нахождении стержня в координатах (хр, ур) в этой модели определялся через пространственно-зависимую функцию Грина и параметры смещения: где G(x,y; Хр, ур) - функции Грина двумерной задачи; Хр, ур - координаты стержня; 8х(со), 5у(ю) - смещение стержня. Нужно отметить, что пространственная зависимость нейтронных шумов, характерная для реакторов больших размеров, теоретически позволяет не только выявить динамические свойства источника возмущений, но и определить его координаты в пространстве активной зоны.
Еще одним распространенным источником шума в энергетических реакторах является температурный, связанный со случайными колебаниями температуры топлива и теплоносителя.
Рассмотрению нейтронно-шумовых моделей с этим возмущающим источником посвящено много работ, например [20, 21, 22, 23, 24]. В работах [22, 23, 24] использован точечный подход, в котором кинетика реактора описывается известными точечными уравнениями, а источник случайных изменений реактивности находился интегрированием дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих тепловую динамику активной зоны при флуктуации входной температуры теплоносителя.
Получаемые в результате средние по объему топлива и теплоносителя флуктуации температуры с точностью до парциальных температурных коэффициентов реактивности давали описание во временном представлении источника реактивности. Этот подход успешно использовался для описания экспериментальных данных на реакторах с высокообогащенным топливом и, в частности, позволял решать обратную задачу - по измеренным статистическим характеристикам нейтронных шумов и флуктуации температуры на входе в реактор определять коэффициенты реактивности реактора.
В работе [25] применен более сложный подход с описанием нестационарного нейтронного потока гомогенного реактора аксиально распределенной моделью в диффузионном приближении. Групповые константы уравнения являются температурно-зависимыми. Тепловая задача решается в рамках одномерной модели с флуктуирующей входной температурой.
Проведенные расчеты показали, что для малогабаритных реакторов точечный и пространственно-зависимый подходы дают близкие результаты. В реакторах больших размеров, для которых отношение характерного размера к длине миграции нейтронов много больше единицы, наблюдаются пространственно-временные эффекты в шумах потока тепловых нейтронов. В частности, имеет место запаздывание, зависящее от аксиальной координаты, между колебаниями входной температуры и нейтронного потока. Рассмотренные модели дают описание нейтронных шумов для некоторых частных возмущающих воздействий.
Однако, в энергетическом реакторе множество возмущающих факторов действуют одновременно, накладываясь и взаимодействуя друг с другом. В результате наблюдаемые нейтронные шумы, хотя и несут огромную информацию о процессах в реакторе, являются довольно сложными для интерпретации. Тем не менее измерение и анализ отдельных статистических характеристик шумов в рамках допустимых упрощений позволяют во многих случаях получать важные данные о состоянии реактора, часто недоступные другим методам.
Особенно это касается информации о возникновении аномалий в активной зоне, ибо последние чаще всего проявляются в ранней стадии в форме случайных нейтронно-шумовых процессов.
Приведенный ниже материал содержит результаты исследований автора в обоснование устройств регистрации нейтронных шумов, обращено внимание на проблему выбора детектора для проведения нейтронно-шумового эксперимента. Критериями выбора детектора определены его частотная характеристика и коэффициент шумности. По последнему критерию в диссертации проран-жированы отечественные нейтронные детекторы.
В этой главе также приведены результаты экспериментальных исследований нейтронных шумов во до-водяного реактора ВВЭР-1000 ХАЭС, выполненных с целью диагностики вибрационного состояния шахты реактора.
Экспериментальная проверки метода
В этих ДПЗ основным каналом генерации тока является канал (п, у, ек\ что делает датчик практически безинерционным. Его частотная характеристика равномерна от нулевых частот до сотен килогерц. Ограничивающими по высоким частотам факторами при использовании этих датчиков скорее всего будут инерционные свойства электронных преобразователей.
Детекторы прямой зарядки обладают и другими достоинствами. Они имеют малые габариты, могут работать при температурах до 300-400С, не требуют внешнего источника питания. Они имеют минимальный заряд на регистрацию нейтрона, равный заряду электрона qn=l,6940 19 Кл
Некоторым их недостатком является низкая чувствительность к нейтронам аш составляющая для родиевых ДПЗ (длиной 1 метр) осп=1,6-10"19А/н/см2-с и , согласно [30], для комптоновских датчиков той же длины с эмиттером из гафния ап= (0,5-0,8)-10"20 А/н/см2-с, в результате чего коэффициенты "шумности" датчиков оказываются весьма значительными, превышающими аналогичные величины для ионизационных детекторов. В таблице 1.1 приведены сравнительные характеристики отечественных нейтронных детекторов. В таблице указаны паспортные данные по чувствительности детекторов к тепловым нейтронам и измеренные величины зарядов, на регистрацию нейтрона qn и частоты среза амплитудно-частотных характеристик. Нейтронные детекторы размещены в таблице в соответствии с убыванием коэффициента шумности кш.
Как видно из таблицы, наиболее предпочтительными для нейтронно-шумовых измерений с точки зрения минимума коэффициента "шумности" являются борная камера КНК-56 и гелиевая камера КНК-4.
Камера деления КНК-15-1, которая часто используется для оснащения штатных каналов контроля нейтронного потока ядерных реакторов и иногда применяется экспериментаторами для измерения нейтронных шумов , имеет значительно худшие характеристики.
Неучет этого факта зачастую приводит к получению значительно искаженных спектров нейтронных шумов. Нейтронные детекторы, указанные в таблице под номерами с четвертого по шестой, используются для измерения внезонных нейтронных шумов. Они имеют сравнительно большие массы и габариты и размещаются, как правило, в сузовских каналах ядерных реакторов, в которых максимальный нейтронный поток составляет 109 н- 1010 н/см2«с.
Детекторы, указанные в таблице под номерами 1ч-4, чаще используются для внутризонных измерений. Их коэффициенты шумности существенно превышают аналогичные величины ионизационных детекторов первой группы.
Однако, поскольку эти детекторы устанавливаются внутри активной зоны ядерных реакторов, где стационарные плотности нейтронных потоков значительно выше, чем в сузовских каналах, нормированная величина спектральной плот 39 ности их фоновых шумов S D(f) (смотри выражение (1.23)) может быть сравнима (и даже меньшей) с аналогичной величиной детекторов первой группы.
Сравнительные характеристики нейтронных детекторов №№ п/п Нейтронный детектор Заряд на регистрациюЯп Чувствительность Частота среза Коэффициент шумности Кл А/н/см2с Гц б/р 1. Камера деления КНК-5 -ЇЛО-13 1.10"8 - і о5 2. Комптоновский датчик типа КЭДН 1,6. ю-19 1/7.10-21 - 94 3. Родиевый датчик (/=0,2 м) 1,6. ю-19 3,2.10-20 - 5 4. Камера деления КНК-15-1 1.10"13 1.10"13 3790 1 5. Гелиевая камера КНК-4 3,6.10 15 1.10-13 6640 0,036 Например, для реактора ВВЭР-1000 отношение плотностей нейтронных потоков в центре активной зоны и в сузовских каналах составляет 103. Тогда при условии, что в сузовском канале размещена самая "малошумя-щая" камера КНК-56, а в активной зоне родиевый датчик прямой зарядки ДПЗ, отношение нормированных спектральных плотностей фоновых шумов составит S D 0КНК-56 / S D (f)Дпз 0,2 Таким образом, несмотря на то, что коэффициенты "шумности" детекторов отличаются почти в 200 раз, они в указанных условиях размещения позволяют добиться почти одинакового отношения сигнала к фоновому шуму (по спектральной плотности).
Все эти факторы необходимо учитывать при разработке каналов для ней-тронно-шумовых измеренийЗа длительный период проведения нейтронно-шумовых исследований было разработано несколько вариантов устройств для регистрации нейтронных шумов, последним из них является многоканальное устройство "Поток-8", нашедшее применение в диагностических системах Кольской (1 и 2 блоки), Нововоронежской (3 и 4 блоки), Калининской (1 блок) АЭС. По договору с фирмой ЦНКиД "Диапром" аналогичное устройство изготовлено для Балаковской АЭС.
В проекте "Поток-8" были учтены обсужденные выше требования, в результате чего созданное многоканальное устройство по своим шумовым характеристикам оказалось существенно лучше по сравнению с аналогичными устройствами, в том числе и зарубежными.
Потребность в разработке устройства возникла в 1992 году в связи с внедрением систем оперативной диагностики германской фирмы "Сименс" на Кольской и Нововоронежской АЭС. В этих системах отсутствовали каналы для нейтронно-шумовых измерений. Поэтому по договору с ВНИИАЭС был разработан проект 8-канального устройства, которое в дальнейшем с было изготовлено для указанных выше АЭС [31, 32].
Выделение "пузырькового" сигнала из фоновых шумов. Метод автофильтрации и его реализация
Таким образом, оцененная чувствительность даже при использовании далеко не лучших по коэффициенту шумности нейтронных детекторов получается достаточно высокой.
Следует также кратко остановиться на вопросах идентификации спектральных признаков, обусловленных колебаниями шахты.
Спектральный анализ шума тока только одного нейтронного детектора не дает однозначной интерпретации результатов измерений. Нужны дополнительные данные в виде априорной информации о собственных частотах шахты реактора в различных формах колебаний; необходимы также сведения о возможных возмущающих силах.
Необходимую информацию могут дать измерения взаимно-спектральных плотностей сигналов диаметрально разнесенных детекторов. Как отмечалось выше, составляющие нейтронного шума, обусловленные колебаниями шахты, в координатах {-х0;0 и +х0;0} и {0;-у0 и 0;+у0} должны быть сдвинуты по фазе на 180. Наличие противофазности может быть обнаружено путем измерения взаимной спектральной плотности нейтронно-шумовых сигналов.
Нетрудно показать, что с учетом и реактивностных шумов эти частотные функции будут описываться следующими выражениями: В случае, когда реальные части (1.47 а,б) будут меньше нуля, фазовая характеристика взаимно-спектральной плотности примет значение, равное ті (180). Это условие может быть представлено в виде: rX{f) Sp{f)\W(f)\ {а) r2ySy(f) Sp(f)\W(ff (б) (1.48) Из (1.48) следует, что признак противофазности может быть обнаружен, когда спектральная плотность мощности локальных шумов превысит спектральную плотность реактивностных, причём последняя может быть получена только из эксперимента.
В общем случае, когда строго выдержана симметричная схема размещения нейтронных детекторов вокруг реактора, измерены их средние токи и оценены автоспектральные и взаимно-спектральные характеристики шумовых сигналов, спектральные плотности мощности колебаний Sx(f) и Sy(f) формально могут быть вычислены по следующим соотношениям: W) = 77 (/)-7 (1-50) 2fy л ; /2(0,yj (1.49) А (f) = S ІХ /} 2д" A(f)-S (Q У" Л 2q" AJJ i2o(xo,0) io(x0,oy yKJ) І2о(0,уо) 10(УЛ Предполагается, что токи диаметрально разнесенных детекторов примерно равны, а величина qn определена заранее, например, способами, описанными в разделе 1.1.
Далее можно вычислить среднеквадратичные величины смещений в направлении "х" и "у", среднеквадратичную величину перемещений шахты и угол наклона плоскости 90 (см. рисунок 1.11):
В заключении заметим, что методические вопросы определения параметров движения шахты по нейтронным шумам рассматривались в ряде работ, например в [40, 41]. Однако, изложенные в них подходы ограничены случаем так называемых "больших" колебаний шахты, когда шумами регистрации можно пренебречь по сравнению с вкладом в нейтронные шумы от перемещений шахты.
Хотя такие случаи в принципе могут иметь место, больший интерес представляет определение параметров движения шахты в ситуациях с малыми, только ещё развивающимися колебаниями.
Предложенный алгоритм вычисления параметров колебаний носит универсальный характер и пригоден для любых ситуаций.
Эксперименты по изучению характеристик движения шахты реактора ВВЭР-1000 Хмельницкой АЭС были выполнены в конце 1991 года.
Регистрация нейтронных шумов осуществлялась с помощью нейтронных камер деления КНК-15-1. Схема их размещения показана на рисунке 1.12. Вокруг корпуса реактора были установлены восемь камер: четыре на уровне низа и четыре на уровне верха активной зоны.
Доступные для использования нейтронные детекторы располагались относительно осей симметрии активной зоны несимметрично.
Как видно из рисунка 1.12, реальные углы между направлениями на камеры составляли от 60 до 120. Лишь камеры ИК-10 (н,в) и ИК-25 (н,в) находились примерно в диаметральной плоскости. Естественно, это усложнило интерпретацию результатов экспериментов, поскольку нельзя было напрямую пользоваться соотношениями (1.49), (1.50) для вычисления параметров колебаний шахты.
Но даже при таком явном отступлении от требований теоретической модели анализ шумов токов камер позволил оценить характер колебаний шахты. (У), Схема радиально-азимутального размещения нейтронных камер за пределами корпуса реактора ВВЭР-1000 относительно его главных осей 1к-Шк и IIK-IVK (Н - нижние камеры; в - верхние).
Токовые сигналы камер деления преобразовывались с помощью блока "Поток-8" и записывались на магнитографе. Длительность реализаций составляла не менее 15 минут. Спектральный анализ сигналов производился в Физико-энергетическом институте с помощью частотного анализатора 2032 «Брюль и Къер» . Исследуемый частотный диапазон составлял 0,5-ь50Гц. Были получены распределения спектральной плотности мощности шумов тока всех камер и попарно проанализированы связи сигналов камер, находящихся в одной горизонтальной плоскости.
На рисунке 1.13 показан типичный вид частотных функций: распределения спектральных плотностей мощности шумов, фазовой характеристики взаимной спектральной плотности и функции когерентности сигналов, равной отношению квадрата модуля взаимной спектральной плотности к произведению спектральных плотностей на заданной частоте.
Исследование спектральных и мощностных характеристик акустических шумов течи на полномасштабном импульсном клапане
Обнаружение пузырьков газа в жидкометаллическом теплоносителе с помощью магнитных расходомеров существенно расширило функциональные возможности датчиков и открыло новые области их применения как в исследовательских задачах, так и в задачах контроля и диагностики теплообменного оборудования.
Однако при практической реализации импульсно-шумового метода встретились существенные трудности. Дело в том, что величина импульсно-шумового сигнала магнитных расходомеров была незначительна. Обычно она составляла десятки, в лучшем случае, сотни микровольт.
Трудность выделения и измерения параметров столь малых сигналов усугублялась еще тем, что в сигнале датчика присутствовали значительные флуктуационные составляющие даже в том случае, если в теплоносителе не было газовых пузырьков. Этот так называемый фоновый шумовой сигнал, порождался проходящими через объем датчика вихревыми неоднородностями турбулизированного потока.
В предыдущей главе этот флуктуационный сигнал воспринимался как полезный. Однако, в данном случае он являлся фоновым, конкурирующим с "пузырьковым" сигналом.
В главе 2 было показано, что с.к.в. этого шума и средняя его частота практически линейно связаны с расходом теплоносителя. Таким образом, при-практической реализации импульсно-шумового метода приходилось решать задачу выделения малого информативного сигнала из шума с зависимыми от расхода теплоносителя характеристиками. Для достижения этой цели были разработаны и применены два метода: фильтрация сигнала расходомера частотными фильтрами; автофильтрация.
Эти методы были основаны на том факте, что частотные распределения "полезного" пузырькового и фонового шума заметно различались.
Основная энергия фонового шума была, как правило, сосредоточена в области единиц Гц. Например, согласно данным, приведенным в предыдущей главе, среднеквадратичная частота фонового шума датчика с диаметром трубопровода dy O мм при скорости теплоносителя W 0,5 м/с составляла 3 Гц, а эффективная ширина спектра "пузырькового" сигнала получалась в этих же условиях не менее 10 Гц (см. рисунок 3.3а).
Если применить полосовой фильтр с нижней граничной частотой, большей среднеквадратичной частоты фонового шума, то можно было существенно уменьшить вклад последнего в результат измерения.
Однако, из-за изменения частотных характеристик фоновых и полезных шумов с изменением расхода теплоносителя параметры фильтра необходимо было перестраивать. Это существенно усложняло схему фильтров, приводило к увеличению габаритов и стоимости индикатора.
Более эффективный способ выделения "пузырькового" сигнала из шума был предложен и описан в [81, 82, 83]. Этот способ получил впоследствии название способа автофильтрации. В его основу положены пространственно-временные эффекты, проявляющиеся в распределении ЭДС вдоль трубопровода при прохождении газовых неоднородностей через чувствительный объем датчика.
При малых магнитных числах Рейнольдса Rem = 0,2- -0,3 (Rem = цат Wd, ц. - магнитная проницаемость теплоносителя), соответствующих произведению скорости потока W на внутренний диаметр(с!уу) трубопровода -0.05, распределение ЭДС вдоль трубопровода можно полагать симметричным относительно центра симметрии распределения магнитного поля [56]. Качественно форма распределения показана на рисунке 3.5 (а), где изображено одномерное распределение ЭДС по трубопроводу Е(х).
Экспериментально было установлено, что при прохождении пузырька газа через датчик распределение ЭДС претерпевает заметное возмущение лишь в ограниченной области ±х0 от места нахождения пузырька газа, причем размер х0 примерно равен радиусу трубопровода.
Качественно характер изменения формы распределения при двух положениях пузырька газа показан на рисунке 3.5 (б, в).
Если измерять разность ЭДС в сечениях, равноудаленных от центра симметрии магнитного поля датчика на расстояние sx0, то в результирующем сигнале будут в основном проявляться "пузырьковые" эффекты, а фоновые шумы, обусловленные флуктуациями скорости потока, будут существенно подавлены. Таким образом, для фильтрации фоновых шумов было предложено использовать тот же "разностный" подход, описанный в предыдущей главе, только реализуемый с помощью одного датчика. Поясним это более подробно.
Обозначим величину ЭДС в координатах ±х0 через Е(+х0, t) и Е(-х0, і). Для симметричного распределения усредненные по времени величины ЭДС будут равны: Е(+хо) = Е( хо).
