авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Александр максимович минимизация влияния пространственных эффектов на измерения реактивности в быстрых реакторах нового поколения

1

На правах рукописи

621.039.526 УДК ЖУКОВ АЛЕКСАНДР МАКСИМОВИЧ МИНИМИЗАЦИЯ ВЛИЯНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЭФФЕКТОВ НА ИЗМЕРЕНИЯ РЕАКТИВНОСТИ В БЫСТРЫХ РЕАКТОРАХ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ 05.14.03 – «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Обнинск-2012 2

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Государственный научный центр Российской Феде рации – Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунско го».

Научный консультант: кандидат технических наук, стар ший научный сотрудник ГНЦ РФ ФЭИ Литицкий Владимир Андреевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор кафедры РКР АЭС ИАТЭ НИЯУ МИФИ Казанский Юрий Алексеевич кандидат технических наук, нач.

лаб. ФГУП «ГНЦ РФ-ФЭИ» Сомов Иван Егорович

Ведущая организация: НИЦ «Курчатовский институт», Институт перспективных энерге тических технологий.

Защита состоится сентября 2012 года в часов на заседании диссертационного совета Д201.003.01 при Государственном науч ном центре Российской Федерации – Физико–энергетический ин ститут имени А.И. Лейпунского по адресу: 249033, г. Обнинск Ка лужской обл., пл. Бондаренко, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ-ФЭИ

Автореферат разослан 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Доктор технических наук Т.Н.Верещагина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется тем, что разрабатываемые пер спективные быстрые реакторы (БР) нового поколения имеют зна чительно «уплощенную» геометрию активной зоны, что приводит к значительному влиянию пространственных эффектов, что в свою очередь значительно осложняет применение традиционных мето дик измерения реактивности. К тому же использование смешанного топлива в БР нового поколения приводит к уменьшению эффектив ной доли запаздывающих нейтронов (ЗН), что приводит к увеличе нию измеряемого диапазона в величинах эфф. Проявление про странственных эффектов при введении положительной реактивно сти может привести к отличающимся показаниям различно распо ложенных детекторов, что требует анализа мест расположения де текторов и логики обработки их показаний.

Цель работы состояла в обосновании набора методик и исполь зуемых нейтронных данных для измерения нейтронно-физических характеристик (в первую очередь – реактивности), разработка но вых 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 1.

критических стендах БФС-1 и БФС-2, с помощью многодетектор ной системы зарегистрированы и проанализированы переходные процессы на основе методики ОРУК.

Разработаны (и защищаются оформляемыми патентами) 2.

новые модификации методик измерения больших отрицательных реактивностей (в диапазоне до минус 25-30эфф) в реакторах со зна чительным влиянием пространственных эффектов.

Экспериментально зарегистрировано влияние пространст 3.

венных 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 резуль таты измерения реактивности, показана необходимость выбора оп тимального варианта, на основе критерия минимального расхожде ния с экспериментальными данными рекомендованы оптимальные варианты для плутониевого топлива.

2. Апробирована новая методика измерения реактивности в реак торах с заметным влиянием пространственных эффектов в режиме on-line.

3. Впервые предложена и обоснована методика измерения боль ших отрицательных реактивностей (до минус 30 эфф), позволяю щая, наряду с использованием расчетных результатов по измене нию эффективности детектора из-за влияния пространственных эффектов, применять линейный метод наименьших квадратов для определения оптимальной амплитуды этой поправки.

4. Создана модель для оценки влияния пространственных эффек тов на регистрируемые величины мгновенных значений периода и мощности реактора различно расположенными детекторами. Даны рекомендации по возможным местам размещения нейтронных де текторов 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 ней 1.

тронов (из различных национальных библиотек) на основе анализа экспериментальных данных, оптимальным образом описывающих переходные процессы при изменении реактивности в быстрых ре акторах со смешанным топливом на основе Pu.

Методика определения реактивности в условиях влияния 2.

пространственных эффектов, работающая в режиме on-line;



расчет но-экспериментальная методика измерения больших отрицатель ных реактивностей (до минус 30 эфф);

формулировка основных принципов создания реактиметра, учитывающего влияние про странственных эффектов.

Создание модели, позволяющей оценить влияние про 3.

странственных 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 экспери ментальных данных, его последующая обработка, анализ получен ных результатов, использование расчетных данных (ИБРАЭ, ГНЦ РФ-ФЭИ) проводилась при непосредственном личном участии ав тора, 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 совме стном докладе с сотрудниками ИБРАЭ на PhYSOR-2012), в журна ле «Ядерная физики и инжиниринг», в трех докладах на междуна родной 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 страни цах, содержит 39 рисунков, 24 таблиц и список цитируемой литера туры из 69 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели работы, обозначены элементы научной новизны, отмечается практическая значимость, перечисляются положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится описание конструкционных особенно стей критических стендов БФС, характеристик используемой в экс периментах электронной аппаратуры, а также приведен обзор ме тодик измерения реактивности в условиях влияния пространствен ных эффектов. Приведено описание алгоритмов, применяющиеся в реактиметрах, основанных на решении обращенного уравнения кинетики как в точечной модели, так и в более сложных. Определе ны основные факторы, определяющие суммарную погрешность при измерении реактивности. Приведено краткое описание расчетных комплексов, используемых для вычисления поправок на влияние пространственных эффектов. Сформулированы требования к диа пазону измерений реактивности для перспективных быстрых реак торов и их моделей на критических сборках.

С методической точки зрения, ситуация осложняется возрастаю щим влиянием пространственных эффектов, то есть деформацией нейтронных полей при возмущении реактивности. Это связано с тем, что рост единичной мощности разрабатываемых в настоящее время реакторов связан с увеличением отношения диаметра актив ной зоны к ее высоте. Для реактора БН-600 это отношение состав ляет величину ~2,5, для реактора БН-800 ~ 3, для реакторов БН 1200 и БРЕСТ-1200 - ~7-8.

Во второй главе обосновывается выбор групповых параметров запаздывающих нейтронов для перспективных быстрых реакторов с плутониевым топливом:

· Создана критическая сборка - бенчмарк с зоной на основе сме шанного уран-плутониевого топлива.

· На этой сборке проведена серия экспериментов методом ОРУК в ситуации, где применима точечная модель кинетики (исклю чено влияние пространственных эффектов).

· Оценена разница в полученных значениях величин реактивно сти при использовании различных версий запаздывающих ней тронов (БНАБ-93, ENDF/B-VII, JEFF-3,1).

· Определен объективный критерий для выбора оптимальной вер сии групповых параметров ЗН.

В разделе 2.2 приводится описание критической сборки БФС-105 2А – бенчмарк-сборки для тестирования нейтронных данных и методик измерения реактивности (модели быстрого реактора, ох лаждаемого паром).

В разделе 2.3 приводится описание методики проведения экспери мента, который проводился по методу «разгон-сброс»;

размещение детекторов выбиралось в таких местах, где изменение эффективно сти детекторов было практически нулевым (расчеты проводились по программе ГЕФЕСТ-TIMER).

Обработка зарегистрированных переходных процессов для вычис ления величины реактивности производилось следующим образом:

· Вводились данные по групповым параметрам запаздывающих нейтронов для трех или шести делящихся изотопов.

· В качестве исходных данных для расчета групповых параметров запаздывающих нейтронов использовалась информация из биб лиотек БНАБ-93, ENDF/B-VII и JEFF-3.1 (восьмигрупповая сис тема).





· Вычисление реактивности и сопутствующих параметров прово дилось по различным алгоритмам:

В разделе 2.5.1 приводятся результаты, которые показывают, что при учете только основных изотопов (239Pu, 238U, 235U), величины реактивности во всем интересующем нас диапазоне, практически совпадают с результатами обработки, где использовались данные по шести изотопам (дополнительно учтены 240Pu, 241Pu и 241Am).

В разделе 2.5.2 приводятся результаты обработки экспериментов по измерению реактивности при использовании различных версий групповых параметров запаздывающих нейтронов.

Таблица 1.Результаты измерений методом ОРУК, полученные при использовании различных параметров групп ЗН Реактивность, eff Вводимая реак тивность БНАБ - 93 JEFF – 3.1 ENDF/B-VII Положительная реактивность (уча- 0,167±0,002 0,169±0,002 0,197±0, сток разгона) Взвешивание АР-1 -0,382±0,007 -0,387±0,007 -0,425±0, Взвешивание АЗ-1 -2,20±0,13 -2,22±0,13 -2,69±0, Взвешивание 3-x -28,9±3,5 -29,3±3,5 -35,5±4, кластеров Данные, приведенные в таблице 1, показывают, что величины реак тивности, вычисленные при использовании различных версий групповых параметров запаздывающих нейтронов могут разли чаться весьма существенно.

В разделе 2.5.3 определяется критерий выбора групповых парамет ров ЗН.

Очевидно, что наилучшей является та версия, которая дает макси мально близкие к экспериментальным данным значения времязави сящих показаний детекторов. Поскольку при обработке экспери ментальных данных использовался линейный метод наименьших квадратов (где в уравнении ОРУК вводились различные данные по запаздывающим нейтронам), весьма естественным представляется использовать в качестве критерия - сумму квадратов невязок, полу ченную при обработке экспериментальных данных (т.е. сумму среднеквадратичных отклонений между экспериментальными зна чениями и расчетными значениями, полученными после вычисле ния реактивности и эффективного источника).

Рис.1. Значения суммы квадратов невязок для БНАБ-93, JEFF – 3.1 и ENDF/B-VII (по оси абсцисс – время в секундах, соответствующее номеру канала анализатора) Результаты, приведенные на рисунке 1, наглядно демонстрируют насколько описание переходных процессов с помощью ENDF/B-VII хуже, чем для БНАБ-93 и JEFF – 3.1 во всем диапазоне измерений.

Краткие итоги второй главы:

· В связи с полученными результатами при дальнейшей обработ ке экспериментов с использованием ОРУК, версия групповых параметров из ENDF/B-VII – не использовалась. Что касается выбора между шестигрупповым описанием БНАБ-93 и восьми групповым описанием JEFF-3.1, то они дали практически сов падающие результаты.

· Результаты обработки показали, что при измерении реактивно сти в диапазоне до минус 30 эфф достаточно использовать груп повые параметры по трем основным делящимся изотопам.

Третья глава содержит анализ границ применимости методик (учитывающих влияние пространственных эффектов) при измере нии эффективности поглотителей на различных критических сбор ках БФС.

В разделе 3.2 приводятся границы применимости методик, осно ванных на алгоритмах обработки в приближении точечной кинети ки (вычисление реактивности и эффективного источника) в режиме off-line.

В разделе 3.4 описываются границы применимости методик, осно ванных на алгоритме обработки при учете влияния пространствен ных эффектов (поиск трех параметров – реактивность, эффектив ный источник, отношение эффективностей детекторов).

В разделе 3.5 приводится описание алгоритма поиска трех пара метров в режиме on-line и впервые предложена его приборная реа лизация (подана заявка на патент – 2011153920/07(081121) от 29.12.2011). На рисунке 2 представлены результаты сравнения ве личин реактивностей для двух различно расположенных детекто ров, полученные при использовании трехпараметрического алго ритма обработки в режиме офф-лайн (D1 RES, D2 RES – штрих пунктирные линии) и нового алгоритма обработки в он-лайн (D1 R, D2 R – отдельные точки).

Время, с -0, 1 6 11 16 21 26 31 Реактивность, эфф -0, -0, -0, D1 R D2 R D1 RES D2 RES Рис.2. Сравнение величин реактивности, полученные при использовании разных алгоритмов обработки В разделе 3.6 приводится описание алгоритма обработки с введе нием расчетных поправок. Данная методика применялась на крити ческой сборке БФС-107-2. Целью экспериментов на данной крити ческой сборке являлось определение уровня подкритичности сбор ки в ее исходном состоянии. Для этого был использован специаль ный прием, заключающийся в том, что эту подкритическую сборку выводили в критическое состояние путем догрузки полиэтилено вых стержней, которые загружались в центральной части сборки в межтрубные зазоры. При этом было необходимо принять во вни мание два следующих обстоятельства:

· Наличие полиэтиленовых стержней в центральной части актив ной зоны существенным образом влияло на распределение энер говыделения по активной зоне, что неминуемо влияло на изме нение эффективности детекторов после извлечения полиэтиле новых стержней из активной зоны.

· Смягчение спектра в активной зоне за счет появления водородо содержащего замедлителя оказывало влияние на величину эф фективной доли запаздывающих нейтронов.

Расчеты, проведенные по программе MCNP показали что:

· Эффективная доля запаздывающих нейтронов после добавления полиэтиленового замедлителя возрастает на 4 %.

· Эффективность детекторов уменьшается на (4-9) % в зависимо сти от их места расположения за боковым экраном.

Диапазон применимости такого подхода, в принципе, не отличается от диапазона применимости подходов, описанных в предыдущих разделах, так как основан на том же предположении – о неизменно сти эффективности детекторов после ввода реактивности.

В разделе 3.7 описывается критерий для выбора алгоритма обра ботки – взаимная нормировка показаний различных детекторов в течение эксперимента.

Пространственные эффекты, ограничивающие прямое использова ние методики ОРУК, проявляются в деформации нейтронных по лей и, соответственно, показаний детекторов, расположенных в разных точках по отношению к месту введения поглотителя. При взаимной нормировке счетов детекторов могут быть реализованы различные ситуации:

· Отношение счетов остаются постоянными · Отношения счетов изменяются во время введения отрицатель ной реактивности и после этого остаются постоянными.

· Отношения счетов детекторов изменяются при введении реак тивности и продолжают изменяться даже после окончания дви жения органа СУЗ.

В первом случае должна использоваться точечная модель кинетики.

В случае, если отношения счетов детекторов изменяются, но оста ются постоянными после введения реактивности, возможна реали зация двух алгоритмов. Первый из них - поиск величин реактивно сти, эффективного источника и отношения эффективностей детек тора после введения реактивности к величине до введения реактив ности. Второй вариант – введение расчетных поправок на измене ние эффективности детекторов, а в ряде случаев – и на изменение эффективной доли запаздывающих нейтронов.

Третий вариант, когда отношения счетов детекторов изменяются при введении реактивности и продолжают изменяться после окон чания движения органа СУЗ (что свидетельствует о продолжаю щейся перестройке нейтронных полей и, соответственно, распреде ления 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. Возможен и более сложный подход к обработке экспе риментальных данных.

Иллюстрацией к вышеперечисленным соображениям могут слу жить результаты экспериментов на сборке БФС-105-2А, где были проведены эксперименты в диапазоне реактивностей до ~ 30 эфф, при этом большие отрицательные реактивности создавались введе нием трех кластеров борных поглотителей, заменяющих топливные стержни активной зоны.

На рисунках 3, 4 приведены отношения счетов детекторов, распо ложенных за боковым отражателем реактора при введении одного или двух кластеров соответственно, что создавало отрицательные реактивности в ~ 10 эфф и ~ 20 эфф.

0, Отношение счетов детекторов 0, 0, 0, 0, 0, 1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 Время, с Рис. 3 Отношение счетов детектора 1 к детектору 2 при введении одного кластера 1, Отношение счетов детекторов 0, 0, 0, 1 21 41 61 81 101 121 141 161 Время, с Рис.4 Отношение счетов детектора 1 к детектору 2 при введении двух кластеров Видно, что уже при введении двух кластеров, отношения счетов детекторов перестают быть постоянными после сброса органа СУЗ.

Краткие выводы по третьей главе:

Для перспективных быстрых реакторов диапазон измерений реак тивности достигает (20-25) эфф, что приводит к необходимости разработки новой модификации методики ОРУК.

В главе 4 приводится описание алгоритма измерений, основанного на введении расчетных поправок, а также алгоритма измерений, сочетающего использование расчетной и экспериментальной ин формации для введения таких поправок.

В разделе 4.2 приводится описание результатов расчетов измене ний эффективностей детекторов при измерении больших отрица тельных реактивностей. Эффективность детектора определялась, как скорость счета в данный момент, отнесенная к интегралу деле ний в реакторе, взвешенному с весом ценности нейтронов деления.

Результаты расчетов изменения эффективности детекторов для двух значений реактивности приведены на рисунке 5 (детектор расположен за боковым отражателем сборки).

1, Отношение эффективности 1, = - 28,5 эфф 1, детекторов 1, 1, = - 3,8эфф 1, 0, 1 11 21 31 41 51 61 71 81 Время, с Рис.5. Изменение эффективности детектора№2 после ввода реактивности на 10 се кунде.

Приведенные результаты показывают, что для значений реактивно сти в несколько эфф (по модулю) изменение эффективности детек тора при скачкообразном измерении реактивности также скачкооб разное;

величина эффективности детектора в дальнейшем остается постоянной.

Другая ситуация наблюдается для больших отрицательных реак тивностей. Расчеты, проведенные по программе ГЕФЕСТ-TIMER для сборки БФС-105-2А (в диапазоне до минус 30 эфф) показали, что при скачкообразном введении отрицательной реактивности изменение эффективности детектора носит более сложный харак тер. В начальный момент изменение эффективности детекторов также носит скачкообразный характер (что соответствует измене нию за счет мгновенных нейтронов), а в дальнейшем эффектив ность детекторов плавно меняется со временем, что соответствует непрерывному изменению пространственно-энерегетического из менения нейтронов в затухающем нейтронном поле. Для использо вания методики ОРУК единственным способом является введение расчетной поправки на изменение эффективности детектора.

В разделе 4.3 приводится методика поиска корректирующей по правки к рассчитанной эффективности детектора линейным мето дом наименьших квадратов.

Если предположить, что относительный ход поправочной функции на изменение эффективности детектора рассчитывается корректно, то можно поставить задачу поиска ее амплитуды, используя линей ный метод наименьших квадратов.

1 Рис.6 Схематическое представление выбора коэффициента (амплитуды) с мини мальной суммой квадратов невязок (синяя кривая – расчетная величина, полученная по программе ГЕФЕСТ-TIMER для данного места расположения детектора) Для обоснования предположения о практической неизменности временной зависимости эффективности детектора в неком диапазо не реактивности были использованы расчетные данные по про грамме ГЕФЕСТ (рисунок 7).

0, 0, 0, 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 Рис.7. Изменение эффективности детектора № 3 при изменении плотности бора в органах СУЗ на 20% Такой подход дает дополнительную возможность определить по правочный множитель к величине эффективности детектора (зная временной ход эффективности детектора после введения реактив ности), который позволяет найти решение уравнения кинетики с наименьшими отклонениями (и таким образом, по сути дела, скор ректировать расчетные данные).

При этом, обращенное решение уравнения кинетики имеет вид:

( ) ( ) () () эфф = 1 М( ) () () эфф где М = ( )/ ( ) рассчитанная эффективность детектора счет детектора – искомая амплитуда поправки Следует отметить, что в интервале времени от минус бесконечно сти до нуля изменения эффективности детектора не происходит, в момент сброса стержней – эффективность меняется скачком, а в дальнейшем – происходит дополнительное непрерывное во време ни изменение эффективности нейтронного детектора. Приведенное выше уравнение легко преобразуется в уравнение вида:

= + ( )+ () для которого постоянные коэффициенты a, b и C могут быть най дены после обработки зарегистрированной кривой скорости счета для каждого из детекторов.

Для нашего случая искомые параметры /эфф, Sэфф и линейным методом наименьших квадратов ищутся из уравнения:

= + + () эфф эфф где ( ( ) ( ) ) = () = () ( ) ( ( ) ) () = () = при = () при Критериями работоспособности предложенного приближения мо гут быть:

· Уменьшение разброса результатов по значениям величины ре активности между детекторами, и, соответственно, уменьшение результирующей погрешности измерений (по сравнению с ре зультатами, полученными при использовании только расчетных поправок на изменение эффективности детекторов).

· Слабая зависимость полученных результатов (или ее отсутст вие) от временного диапазона, закладываемого в обработку.

Данные, приведенные в главе 3 по обработке экспериментов на критической сборке БФС-105-2А для одного и двух кластеров бор ных поглотителей, показывают, что при сбросе одного кластера величины реактивности могут быть вполне корректно определены на основе «трехпараметрического» приближения (диапазон до ~ эфф), для случая сброса двух кластеров борных поглотителей – это приближение перестает быть работоспособным, так как при обра ботке экспериментов необходимо принимать во внимание даль нейшее (после сброса) изменение эффективности детекторов.

Соответствующие данные приведены в таблице 2, где величины эффективности трех кластеров определялись методикой «разгон сброс», а при обработке были использованы следующие приближе ния:

· Первая строка - точечная модель кинетики без каких-либо по правок (детектор 2 располагался в точке, где, в соответствии с проведенными расчетами, его эффективность менялась прибли зительно на 15% за весь интервал измерений).

· Вторая строка - точечная модель кинетики с введением расчет ных поправок на изменение эффективности детекторов · Третья строка - модель кинетики с поиском амплитуды расчет ной поправки методом наименьших квадратов Таблица.2. Значение величин реактивности, полученные методом ОРУК при исполь зовании различных приближений при сбросе трех кластеров Дет. №1 Дет. №2 Дет. № (реактивность, bэфф) (реактивность, bэфф) (реактивность, bэфф) -18,2±2,8 -24,4±2,7 -26,2±2, -25,2±2,5 -30,1±2,4 -27,9±2, -29,8±1,8 -28,2±1,7 -29,7±1, Примечание: погрешность при измерении реактивности определя лась погрешностями групповых параметров запаздывающих ней тронов, погрешностью обработки данных с помощью МНК, стати стикой. Детекторы 2 и 3 были размещены в местах наименьшего изменения эффективности при введении реактивности тремя кла стерами.

В разделе 4.6 приведена структурная схема модернизированного реактиметра.

К основным выводам по данной главе следует отнести следующее:

· Экспериментально и расчетно подтверждено предположение о том, что вид временной составляющей поправки на изменение эффективности детектора остается постоянным в некотором диапазоне реактивности, что дает возможность определять ам плитуду этой поправки линейным методом наименьших квадра тов, минимизируя отклонения расчетных кривых от экспери ментальных данных.

· На основе этого нового алгоритма проведена обработка экспе риментов в диапазоне реактивности до 30 эфф и получены со гласованные результаты для трех различно расположенных де текторов.

В главе 5 рассматривается влияние пространственных эффектов при введении положительной реактивности.

Эксперименты по изучению влияния пространственных эффектов при введении положительных реактивностей в диапазоне до ~ центов были проведены на критическом стенде БФС-2 на сборках БФС-76-Б и БФС-78-2, имеющих отношения диаметра активной зоны к высоте 3,2 и 3,4, соответственно. На данных сборках было создано несколько надкритических состояний в диапазоне от ~ центов до 20 центов (время ввода реактивности от 25 до 60 секунд соответственно). После окончания движения стержня РО-1 или РО 2 или РО-3 скорости счета нейтронных детекторов регистрирова лись в течение ~ 60 секунд.

Обработка данных показала следующее:

1. Отношения счетов детекторов практически линейно меняются при линейном во времени изменении реактивности, после окон чания движения изменения отношения счетов по разным детек торам крайне незначительны.

2. Одной из целей эксперимента было определение относительно го изменения эффективности детекторов, расположенных диа метрально противоположно в боковом отражателе, как функция вводимой реактивности для каждой из критических сборок. На рисунке 8 представлена эта зависимость, из которой видно, что она является практически линейной. Данные значения получены для органа РО-1, находящегося на периферии. Для серии экспе риментов, где реактивность вводилась органом РО-2, находя щимся ближе к центру активной зоны эффективность детекто ров изменяется почти на порядок меньше для тех же значений реактивности. Видно, что даже для таких маленьких значений положительной реактивности относительное изменение эффек тивности детекторов при вводе реактивности периферийным органом достигает почти 10 %, что оказывает весьма заметное влияние на измеряемые параметры. На данном рисунке также представлены экспериментальные значения для сборки БФС 107-2, имеющую отношение диаметра активной зоны к ее высо те около единицы.

Изменение эффективности детектора, % 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Введенная положительная реактивность, центы Рис.8. Изменение отношения счетов детектора для сборок БФС-76-Б, БФС-78-2, БФС-107- 3. Для детектора, расположенного вблизи РО-1 (детектор № 1), счета возрастают быстрее по сравнению с двумя другими детек торами (детекторы № 2 и № 3). Такая деформация нейтронного распределения весьма заметно влияет как на скорости счета де текторов (уровень мощности), так и на мгновенное значение пе риода реактора.

В разделе 5.4 описывается влияние пространственных эффектов на локальные характеристики: значение мгновенного периода реакто ра и величину мощности реактора по различным детекторам.

Из приведенных на рисунке 9 отнормированных на исходное со стояние (критический реактор) скоростей счета детекторов видно, что запаздывание при достижении заданного уровня мощности по детектору № 2 по отношению к детектору № 1 возрастает при вводе положительной реактивности и в дальнейшем остается постоянным (~3 секунды). Более детальная информация по этому параметру приведена на рисунке 10.

Счета, имп 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 Время, с Детектор 1 Детектор Рис.9. Расхождение отнормированных счетов детекторов для детектора № 1 и детек тора № 2.

Запаздывание счетов детекторов, с 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 Время,с Рис.10 Задержка во времени достижения заданного уровня мощности для детекторов № 2 и № 3 по отношению к детектору № 1 (по оси абсцисс отложено время от нача ла движения РО-1, момент времени 25 сек. соответствует моменту окончания ввода положительной реактивности).

На рисунке 11 представлены мгновенные значения периода реакто ра для детектора № 1 и детектора № 2. Видно, что из-за влияния пространственных эффектов для двух различно расположенных детекторов эти значения заметно различаются при вводе положи тельной реактивности, после окончания движения РО-1 (этот мо мент соответствует времени – 25 секунд на рисунке 10) значения величин мгновенных периодов практически совпадают. Таким об разом, во время ввода положительной реактивности детектор № показывает меньшие значения мгновенного периода реактора и соответственно раньше достигает заданных уставок аварийной за щиты по периоду. Задержка по этому параметру по детектору № также составляет весьма заметную величину (в 3 – 4 секунды).

Мгновенный период реактора, сек 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 Время, сек Детектор 1 Детектор Рис.11. Значения мгновенного периода для детектора № 1 и детектора № 2.

задержка во времени достижения заданной величины периода реак тора для детектора № 2 по отношению к детектору № 1 приведена на рисунке 12.

Время задержки, с 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 Время, с Рис. 12. Задержка во времени достижения заданной величины периода реактора для детектора № 2 по отношению к детектору № 1.

Найденные закономерности поведения относительных счетов де текторов позволяют создать довольно простую модель для оценки запаздывания достижения аварийной уставки реактора по периоду и мощности. Для оценки времени задержки (по мощности или пе риоду) одного детектора относительно другого было сделано пред положение, что счет детектора 2 можно выразить через счет детек тора 1 введением дополнительного коэффициента, представляю щего собой величину относительного пространственного эффекта.

Выражение для скоро стей счета детекторов N = N (1 - a t ) 2 t имеет вид:

0 t t Где t0 – время движения стержня РО- –относительный пространственный эффект Откуда величина задержки при достижении уровня мощности со ставит:

Dt = at где – период реактора Для задержки времени достижения аварийной уставки по периоду получим следую формулу:

a Dt ;

t t Полученные оценки по временам задержек с использованием вы шеописанной модели практически совпадает с величинами, най денными в эксперименте. Следует отметить, что и величины реак тивности, найденные по точечной модели методики ОРУК, разли чаются на ~ 10 %.

В разделе 5.6 даны возможные варианты минимизации влияния пространственных эффектов на формирование сигналов аварийной защиты от различно расположенных детекторов (кластерное раз мещение детекторов за боковым экраном, размещение детекторов под баком реактора и др.).

Основные выводы раздела На критических сборках БФС-76-Б и БФС-78-2, имеющих уп лощенную форму активной зоны (отношение диаметра к высоте ~ 3) зарегистрированы значительные пространственные эффек ты при введении положительной реактивности на периферии активных зон, проявляющиеся в значительном относительном изменении эффективности детекторов (более 10 %) даже при весьма малых значениях положительной реактивности (до 0, эфф). Величина относительного пространственного эффекта для этих сборок (0,5% на введенный цент реактивности) в несколько раз превышает аналогичный параметр для сборок БФС-107- (имеющих отношение диаметра к высоте около единицы).

Созданы аналитические модели для описания зарегистрирован ных процессов и оценок величин запаздываний по разным де текторам при достижении уставок аварийной защиты (по пе риоду и уровню мощности).

Пространственные эффекты приводят к значительным расхож дениям в величинах мгновенного периода реактора и относи тельной мощности для различно расположенных детекторов.

Временная задержка в этих функционалах лежит в секундном диапазоне (до 3-4 секунд для сборки БФС-76-Б и 5-6 секунд для сборки БФС-78-2). По сути дела, это означает, что показание одного из этих детекторов будут отставать от усредненных зна чений, вычисленных по точечной модели кинетики, а другой – опережать.

При этом для периода реактора временная задержка наблюдает ся только при вводе реактивности. После окончания движения органа данная задержка не наблюдается.

Пространственные эффекты на критической сборке БФС-78- при практически тех же местах размещения детекторов и месте введения положительной реактивности оказались несколько больше (на 10-12 %), чем на сборке БФС-76-Б, что, по всей ви димости, связано с большей величиной эффективной доли за паздывающих нейтронов на сборке БФС-78-2.

· По всей видимости, по мере «уплощения» активных зон быст рых реакторов влияние пространственных эффектов будет ста новиться всё более существенным, и необходимо тщательно выбирать места расположения нейтронных детекторов для кон троля реактора, а также, возможно, менять места расположения и логику обработки показаний нейтронных датчиков.

К основным выводам диссертационной работы можно отнести сле дующее:

1. Для отработки новых методик измерения реактивности, а также обоснования выбора версии групповых параметров запазды вающих нейтронов для плутониевых зон и количества изотопов, принимаемых во внимание, на основе методики ОРУК была проведена серия экспериментов, как на специально созданных бенчмарк-сборках (БФС-105-2А, БФС-107-2), так и моделях ре акторов (БФС-78-2, БФС-76-Б) с помощью многодетекторной системы регистрации.

2. Эксперименты позволили определить оптимальную версию групповых параметров запаздывающих нейтронов из трех наи более часто используемых библиотек нейтронных данных – БНАБ, JEFF, ENDF/B-VII 3. Разработан макет многодетекторного реактиметра для исполь зования в проектируемых быстрых реакторах нового поколения, где наряду с весьма значительным расширением диапазона из мерений реактивности в единицах эфф весьма существенную роль играют пространственные эффекты, влияние которых воз растает по мере «уплощения» активных зон.

4. Именно эти два обстоятельства инициировали разработку и ап робацию новых методик измерения реактивности, которые мо гут быть использованы как на критических сборках, так и на ре акторах АЭС. Эти методики были использованы для получения результатов на бенчмарках и сборках-макетах. В частности, но вая предложенная методика позволила проводить измерения ре активности в весьма широком диапазоне – до 30 эфф, причем, она основана как на использовании расчетной информации по изменению эффективности детектора, так и на поиске амплиту ды этой поправки из экспериментальных данных с помощью линейного метода наименьших квадратов. Применение данной методики позволило минимизировать погрешность, обуслов ленную влиянием пространственных эффектов до величины 6 8% во всем диапазоне измерений.

5. На критических сборках БФС-76-Б и БФС-78-2, имеющих уп лощенную форму активной зоны зарегистрированы значитель ные пространственные эффекты при введении малых величин положительной реактивности (до 0,2 эфф) на периферии актив ных зон, проявляющиеся в значительном относительном изме нении эффективности детекторов (более 10%). Эта величина (0,5% на введенный цент реактивности) в несколько раз превы шает аналогичный параметр для сборки БФС-107-2 (имеющую отношение диаметр к высоте около единицы). Изменение отно сительных эффективностей двух диаметрально расположенных детекторов происходит в значительной степени только во время введения реактивности. Это весьма заметно влияет на величину измеряемой положительной реактивности и позволяет создать достаточно простые аналитические модели для описания заре гистрированных процессов и оценок величин запаздываний по разным детекторам при достижении уставок аварийной защиты (для проведенных экспериментов достигающих 3-4 секунд по мгновенному периоду и уровню мощности).

6. По всей видимости, по мере «уплощения» активных зон быст рых реакторов влияние пространственных эффектов будет ста новиться всё более существенным, и необходимо тщательно выбирать места расположения нейтронных детекторов для кон троля реактора, а также, возможно, менять логику обработки показаний для избежания возможных задержек во времени дос тижения аварийных уставок по периоду и мощности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных рецензируемых журналах Е.Ф. Селезнев, А.А. Белов, И.П. Матвеенко. А.М. Жуков, 1.

К.Ф. Раскач, «Кинетика реакторов на быстрых нейтронах», Ядерная физика и инжиниринг, том 3, № 1, с. 28-40, Материалы конференций и тезисы докладов 1. А.М. Жуков, «Модификация базы данных оцененных реактор ных экспериментов», ВОЛГА-2008, Материалы XV семинара по проблемам физики реакторов, Москва, 2-6 сентября 2008г., с.

211- 2. E.F.Seleznev, A.A.Belov, A.A.Mushkaterov, I.P.Matveenko, A.M.Zhukov, K.F.Raskatch., «FAST BREEDER REACTOR KINETICS. AN INVERSE PROBLEM», PHYSOR-2010, Interna tional Conference on the Physics of Reactors “Advances in Reactor Physics to Power the Nuclear Renaissance”, Pittsburg, USA, 2010, May 9-14.

3. E.F.Seleznev, A.A.Belov, A.A.Mushkaterov, I.P.Matveenko, A.M.Zhukov, K.F.Raskatch., «Fast Breeder Reactor Kinetics. A Di rect Problem», PHYSOR-2010, International Conference on the Physics of Reactors “Advances in Reactor Physics to Power the Nuc lear Renaissance”, Pittsburg, USA, 2010, May 9-14.

4. А.М. Жуков, «Минимизация погрешности при измерении боль ших отрицательных реактивностей в плутониевых зонах», «От раслевая научно-практическая конференция молодых специали стов и аспирантов – «Молодежь ЯТЦ: наука, производство, эко логическая безопасность», Северск, 15-19 ноября 5. А.М. Жуков, И.П. Матвеенко, Г.М. Михайлов, М.В. Яровой, «Экспериментальное изучение пространственных эффектов при введении положительной реактивности на модели быстрого ре актора с натриевым теплоносителем», «Нейтроника-2011», Об нинск, 6. А.М. Жуков, М.В. Яровой, В.В. Прищепа, «Влияние простран ственных эффектов на времена достижения аварийных уставок в быстрых реакторах при положительных реактивностях», «VI Отраслевая научно-практическая конференция молодых спе циалистов и аспирантов – «Молодежь ЯТЦ: наука, производст во, экологическая безопасность», Железногорск, 8-11 ноября 2011, с.20- 7. А.М. Жуков, И.П. Матвеенко, Г.М. Михайлов, М.В. Яровой, «О влиянии пространственных эффектов на нейтронно-физические характеристики при положительной реактивности», сборник трудов конференции «БФС-50», Обнинск, 28 февраля – 2 марта 2012.

8. А.М. Жуков, В.В. Прищепа, М.Ю. Семенов, М.В. Яровой, «Экс периментальное обоснование выбора групповых параметров за паздывающих нейтронов», сборник трудов конференции «БФС 50», Обнинск, 28 февраля – 2 марта 2012.

9. Е.Ф. Селезнев, А.А. Белов, В.П. Березнев, В.Н. Васекин (ИБРАЭ РАН), И.П. Матвеенко. А.М. Жуков, К.Ф. Раскач, «Анализ экс периментов на БФС по пространственной кинетике», сборник трудов конференции «БФС-50», Обнинск, 28 февраля – 2 марта 2012.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.