Распознавание состояния активной зоны и анализ достоверности информации системы внутриреакторного контроля при эксплуатации топливных загрузок ВВЭР – 1000 (стр. 2 )

СВРД, при наличии соответствующей электроники, обеспечивают выработку сигналов для систем автоматического регулирования и защиты, включая локальные, измерения реактивности, периода реактора т. п.

Достоинства СВРД:

-  обеспечивает измерение параметров внутриреакторного контроля в соответствии с [20];

-  конструкция СВРД обеспечивает ее работоспособность в условиях максимальной проектной аварии [1];

-  исключение наведенной радиоактивности в поставляемых сенсорах;

-  возможность проведения модернизаций и модификаций СВРД;

-  небольшие размеры изделий, что обеспечивает размещение достаточно большого их количества в реакторе без существенных затруднений в проведении основного технологического процесса и возможность совмещения в одной сборке детекторов обеспечивающих измерение различных параметров.

1.2.2  Термометры сопротивления и термопары

В системе ВРК используются термодатчики двух типов - термопары ТП и термосопротивления ТС. В системе ВРК ТП используют для работы в тяжелых условиях внутри корпуса реактора для массовых измерений температуры теплоносителя на выходе из топливных кассет, а также температуры теплоносителя в общем объеме. ТС применяют для проведения точных измерений в менее тяжелых условиях. Например, по ТС, установленным на холодных и горячих нитках циркуляционных петель, осуществляют калибровку всех ТП первого контура [17; 18].

Если в системах термоконтроля первых реакторов типа ВВЭР использовались ТП хромель-копель, то в системах ВРК серийных реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 использовались ТП градуировки хромель-алюмель, градуировочная характеристика которых меньше зависит от дозы радиационного облучения, несмотря на то, что эти ТП обладают вдвое меньшей чувствительностью [11; 21]. Работа ТП основана на термоэлектрическом эффекте, т. е. возникновении термо-ЭДС в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии разности температур между холодным и горячим спаями проводника. При измерении температуры с помощью ТП ее горячий спай помещают в точку измерения, а в разрыв холодного спая включают измерительный прибор. Поскольку термо-ЭДС зависит от разности температур холодного и горячего спаев, для получения абсолютного значения температуры необходимо внести поправку на температуру холодного спая (так называемая компенсация температуры холодного спая).

ТП системы ВРК изготавливают из термопарного кабеля, представляющего собой хромелевый и алюмелевый провода, помещенные в оболочку с порошком окиси магния. Со стороны горячего спая провода сваривают друг с другом и с оболочкой. Со стороны холодного спая кабель заделывают специальным герметиком, чтобы обеспечить герметичность ТП в целом [11; 18].

эмиттер изолятор коллектор линия связи
Рисунок 3 Термопара ТХА-2076

Для измерения температуры теплоносителя внутри корпуса реактора применяют термопары, типа ТХА-2076, конструкция которых показана на рис. 3. В них использован кабель КТМС 1 с диаметром 1,5 мм, армированный для увеличения жесткости чехлом 2 из нержавеющей трубки диаметром 4х1 мм. Горячий спай ТП 4 заделан в специальный наконечник 3 диаметром 4 мм, который сопряжен по размерам с посадочным гнездом в сухом канале блока защитных труб реактора для получения наилучшего теплового контакта. Тепловая инерция ТП не более 20 с. Средный срок службы - не менее 6 лет; средний ресурс - не менееч [18].

Погрешность измерения ТП обусловлена следующими факторами:

-  разбросом градуировочной характеристики ТП вследствие несовершенства технологии ее изготовления;

-  влиянием распределения температуры по длине ТП;

-  неточностью компенсации температуры холодного спая ТП;

-  погрешностью измерительной аппаратуры;

-  гамма-разогревом "горячего" спая и влиянием эмиссионного тока в проводах ТП.

Кроме того, в процессе эксплуатации внутриреакторных ТП под воздействием радиационного облучения происходит медленное изменение градуировочной характеристики ТП, связанное с радиационными превращениями элементов, входящих в состав электродов ТП. Большинство этих погрешностей можно скомпенсировать путем проведения калибровки подсистемы термоконтроля на малых уровнях мощности реактора, когда подогревом теплоносителя в зоне можно пренебречь. При этом во всех точках 1 контура устанавливается практически одинаковая температура и можно прокалибровать все ТП по образцовым ТС на циркуляционных петлях. Индивидуальные поправочные коэффициенты для каждой ТП заносятся в память аппаратуры и автоматически учитываются в последующем при работе реактора на мощности. Дополнительная погрешность, которая может возникнуть за счет радиационного подогрева термопар, не превышает 0,75 °С.

1.2.3  Программно-технический комплекс ВК СВРК

В качестве технических средств ВК СВРК использует серверные вычислительные устройства (СВУ), предназначенные для сбора, обработки и представления эксплуатирующему персоналу информации о состоянии аппаратуры СВРК «Гиндукуш-М». Эти функции выполняют два СВУ, работающие параллельно. Оба СВУ имеют возможность обмена информацией друг с другом [22].

Каждое СВУ выполняет следующие основные функции:

-  обеспечение выполнения расчетной и логической обработки данных (комплексная вычислительная задача прикладного уровня);

-  обеспечение хранения, чтения/записи информации на четырех независимых устройствах долговременного хранения информации;

-  обеспечение функций двух независимых коммуникационных узлов локальной вычислительной сети – прием/передача информации по коммутируемым линиям связи Ethernet/FastEthernet и оптоволоконным оптическим связям.

Конструктивно СВУ представляет собой шкаф, внутри которого смонтировано все основные составные части (рис. 4). Основу его составляют два устройства файл-сервера (УФС) и два вычислительных устройства (ВУ) на базе микропроцессоров Intel Xeon. ВУ обеспечивают выполнение расчетной и логической обработки данных, а УФС их хранение и обмен с внешними абонентами. Пиковая производительность каждого ВУ (УФС) составляет 24 Gflops. Циклы расчета отдельных параметров отличаются друг от друга (от 1 с для расчета оперативных параметров до нескольких секунд, минут и часов для неоперативных параметров – нуклидный состав, выгорание топлива и т. д.).

В шкафу размещаются следующие основные части: блок контроля, вентиляционное устройство, вычислительные и файл-серверные устройства, два коммутатора сети Ethernet, два источника бесперебойного питания, соединительные кабели и элементы, необходимые для коммутации электропитания и кабелей связи.

Рисунок 4 Серверное вычислительное устройство

Состав оборудования ВУ представлен в таблице 2.

Таблица № 2 Состав оборудования ВУ

Состав оборудования УФС представлен в таблице 3.

Таблица № 3 Состав оборудования УФС

1.3  Описание алгоритмов СВРК

Обобщенная структурная схема нейтронно-физических расчетов пакета прикладных программ ВК СВРК представлена на рисунке 5.

ВК СВРУ работают независимо в дублированном режиме. При этом предусмотрен обмен информацией между комплектами.

Рисунок 5 Структурная схема нейтронно-физических расчетов

Алгоритмы работы блока нейтронно-физических расчетов в данном разделе описаны в соответствии с [23] для понимания решаемых им задач. В том же источнике приведено подробное описание алгоритмов и конечно-разностных схем, которые используются СВРК при восстановлении поля ЭВ в активной зоне реактора ВВЭР-1000.

1.3.1  Определение нейтронно-физических констант

На первом этапе выполнения нейтронно-физических расчетов выполняется расчет физических параметров активной зоны.

Нейтронно-физические константы для каждой группы ТВС одинаковой конструкции, а также состава топливных элементов (далее – сорт ТВС), подготавливаются с помощью программы ТВС-М. Расчет производится с нулевым током нейтронов на границе ТВС (с учетом зазора между ТВС в активной зоне) и выводом на значение Кeff=1 подбором аксиального баклинга BZ. Программа ТВС-М при подготовке констант опирается на непосредственное геометрическое описание фрагмента активной зоны в двумерном приближении (например – поперечное сечение ТВС), используя при этом описание материалов на уровне концентраций и современные библиотки нейтронно-физических констант материалов подобные тем, которые используются в программах типа MCU [24 – 27].

Для реализации алгоритма нейтронно-физических расчетов необходимы следующие параметры [28– 31]:

-  коэффициент размножения ,

-  площадь миграции нейтронов ,

-  длина диффузии тепловых нейтронов L,

-  количество нейтронов деления ,

-  доля делений в тепловой области ,

-  длина экстраполяции для асимптотической моды d,

-  длина экстраполяции для тепловых нейтронов ,

-  количество энергии, выделяемое при делении Е,

-  коэффициент диффузии быстрых нейтронов ,

-  эффективные сечения ксенона и самария,

все эти величины представляются в виде аппроксимационных зависимостей и задаются извне на основании расчетов по программе ТВС-М [23].

1.3.2  Балансное уравнение для потока нейтронов

Исходная двухгрупповая система уравнений для определения потока замедляющихся (далее – быстрых) нейтронов F и потока тепловых нейтронов FТ имеет вид [32; 33]:

( 1.1 )

где функция F относится к группе быстрых нейтронов, а FТ - к группе тепловых нейтронов; индекс Т – обозначает параметр для группы тепловых нейтронов;

	-	макроскопическое сечение рассеяния
	-	макроскопическое сечение деления
	-	макроскопическое сечение поглощения
	-	макроскопическое сечение увода (замедление быстрых нейтронов до тепловых за счет рассеяния)
	-	выход быстрых нейтронов на одно деление

Предполагается, что расчетная область состоит из некоторого числа правильных шестигранных призм. Размер призмы “под ключ” равен шагу размещения (HR) ТВС в активной зоне ВВЭР. Ось симметрии такой призмы совпадает с осью симметрии ТВС, находящейся в активной зоне. Нейтронно-физические свойства постоянны в пределах области, занятой отдельной призмой в рассматриваемом слое по высоте активной зоны (будем называть такой элемент объёма нодом), но могут изменяться при переходе от одной призмы к другой [34].

В рассматриваемой области активной зоны уравнения дополняются условиями непрерывности потока и диффузионного тока быстрых и тепловых нейтронов на границах соседних нодов, а также граничными условиями, связывающими токи и потоки нейтронов на границах G активной зоны:

( 1.2 )

где - внешняя нормаль.

Общее решение системы (1.1) может быть записано в виде [35]:

( 1.3 )

где X() и Y() - некоторые решения уравнений Гельмгольца:

( 1.4 )

в которых и - материальные параметры двухгрупповой задачи, выражающиеся через сечения, входящие в (1.1); R и Т - коэффициенты связи в двухгрупповой задаче, постоянные по объему каждой ТВС.

Для R и Т в случае решеток ВВЭР имеют место оценки:

( 1.5 )

Функции X() и Y() будем называть далее асимптотической и переходной модами функции F.

Получение системы конечно-разностных уравнений приведено в работе [35].

Расчет распределения среднего по каждому ноду активной зоны относительного энерговыделения производится методом итерации источника с использованием внешних и внутренних итераций.

Для асимптотической моды строится конечно-разностное уравнение вида:

( 1.6 )

где - матрицы, описывающие соответственно процессы утечки и поглощения нейтронов.

Окончание цикла внешних итераций происходит по условиям

( 1.7 )

где - задаваемые точности расчета.

После определения величин новое приближение поля нейтронов Ф рассчитывается по формуле

( 1.8 )

где Sj (j = 7,8) = для расчетной ячейки с топливом;

Sj (j = 7,8) = 0 – для расчетной ячейки, попадающей на верхний или нижний отражатель;

С16FJ = 0, если “J” и “J+1” – отражатель;

С16FJ = + , если “J” и “J+1” – топливо;

, если “J” - топливо, “J+1” – боковой отражатель;

w - параметр ускорения;

q - номер внутренней итерации.

Цикл внутренних итераций заканчивается при выполнении условия:

( 1.9 )

1.3.3  Граничные условия для решения балансного уравнения

Для правильного описания поведения асимптотической составляющей Х потока быстрых нейтронов и, соответственно, распределения ЭВ в активной зоне, необходимо использовать эффективные граничные условия на границах активной зоны.

Пусть длина линейной экстраполяции асимптотической составляющей потока быстрых нейтронов на границе G активной зоны определяется выражением:

( 1.10 )

Согласно [23]

( 1.11 )

В соответствии с методикой [35] используются следующие граничные условия и их зависимости от параметров состояния активной зоны:

( 1.12 )

- среднее значение эффективной длины линейной экстраполяции потока быстрых нейтронов на боковом отражателе;

где DR – удвоенное значение эффективной длины линейной экстраполяции потока быстрых нейтронов при Св = 0, средней для всего бокового отражателя;

- поправка к DR, зависящая от концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура;

– поправочные множители, обеспечивающие возможность задания индивидуального значения эффективного граничного условия для потока быстрых нейтронов на каждой грани i-ой ТВС, граничащей с боковым отражателем.

Стандартные поправочные множители для расчетов представлены в таблице 4:

Таблица № 4 Стандартные поправочные множители

Номер грани	1	2	3	4	5	6	7	8
	0.616	1.15	1.15	1.15	0.918	0.918	0.897	0.897

Так как величина утечки нейтронов напрямую влияет на размножающие свойства среды, определение коэффициентов имеет большое значение для работы ПО СВРК.

Результатом решения системы 1.1 является нейтронный поток и, следовательно, ЭВ в каждой расчетной точке активной зоны, не откорректированное в зависимости от показаний ДПЗ.

1.3.4  Расчет энерговыделения с учетом показаний ДПЗ

Вычисления включают в себя нормировку восстановленного поля ЭВ в i-ой призме j-ом слое QVi, j(кВт) на величину renorm определяемую показаниями k-го ДПЗ (k = 1…7) в КНИ m (m = 1…64) данной призме:

renorm =

( 1.13 )

где – значение QVi, j с предыдущего шага;

QEDm, k – измеренное энерговыделение в местах размещения ДПЗ, кВт;

QVdm, k – энерговыделение, рассчитанное по восстановленному полю на предыдущей итерации в местах размещения ДПЗ, кВт:

KZdm, k – относительное энерговыделение в местах размещения ДПЗ:

Для учета поправок ДПЗ в поле QV вычисляются абсолютные расхождения по ДПЗ:

QBdm, k = QVdm, k – QEDm, k

( 1.14 )

Учитывая данное расхождение между измеренным и расчетным полем энерговыделения, а так же влияние ЭВ в данной ячейке на ЭВ в соседних ячейках, рассчитываются поправки FIi, j для всего массива восстановленного поля QVi, j и выполняется корректировка этого массива:

QVi, j = + FIi, j

( 1.15 )

– значение QVi, j с предыдущего шага, кВт.

Так как имеет место несоответствие расчетного и измеренного поля ЭВ, соответственно, некорректно определены размножающие свойства в расчетной ячейке. Процедура поиска несоответствий между измеренным ЭВ в призме и ее размножающими свойствами называется адаптацией нейтронно-физических параметров. В результате данной процедуры, исходя из отличия расчетного и измеренного поля ЭВ, вычисляются поправки к сечению деления и коэффициенту размножения в каждой призме. Адаптация подробно описана в [23]. Главное, что в дальнейшем будет иметь большое значение, она завершает i-й шаг итерационного процесса восстановления поля ЭВ СВРК-М и, далее, итерационный расчет ЭВ по активной зоне повторяется снова. Это коренным образом отличает работу новой версии ПО СВРК-М от старой ВМПО «Хортица», в которой коэффициенты адаптации корректируются с периодичностью 20 эффективных суток. По этой причине в течении 20 суток возможно накопление ошибки при восстановлении поля ЭВ в ВМПО «Хортица».

1.4  Результат аппаратного и программного развития СВРК

С конца 60-х – начала 70-х годов прошлого века, когда была создана система контроля активной зоны первого поколения для ВВЭР-440 – РПН2-04 [36‎], СВРК прошли несколько этапов своего развития. В новых проектах энергоблоков с ВВЭР значительно расширены функциональные возможности СВРК.

Количество информации, представляемой оператору, увеличилось, но оперативный анализ этой информации, вызывавший затруднение и в предыдущих версиях ВМПО, в настоящее время стал еще более проблемным. Как эту информацию оперативно сопоставить, оценить и использовать?

Модернизированная СВРК-М претерпела существенные аппаратные изменения, она стала выполнять значительно больше вычислительных операций в единицу времени. Это позволило разработчику внедрить систему постоянной адаптации физической модели восстановления поля ЭВ в зависимости от выгорания топлива, времени кампании, накопления продуктов деления, величины протекших зарядов через ДПЗ. Если раньше адаптация выполнялась персоналом, сопровождающим работу СВРК с периодичностью ~20 суток, то теперь это делается при каждом восстановлении поля ЭВ автоматически. Опыт эксплуатации СВРК-М позволяет сделать вывод, что такой подход позволяет получать стабильные результаты восстановления поля ЭВ, с, примерно, постоянным значением отклонения расчетного по БИПР-7А ЭВ от восстановленного ЭВ. Однако, следует отметить, что теряется контроль за вносимыми в ПО изменениями, который присутствовал, когда адаптация физической модели ПО выполнялась персоналом, сопровождающим работу СВРК.

Совершенствование оборудования потребовало переработки имеющегося ПО. Выполнить перенос сложного ПО на современную аппаратуру без потерь невозможно. Старая версия ПО СВРК ВМПО «Хортица» - результат адаптации программного обеспечения и верификации его на реальных ситуациях, возникших в процессе многолетней эксплуатации топливных загрузок. Новая «Хортица-М» эксплуатируется относительно мало времени и нет достаточного опыта ее работы. Остались вопросы с поправкой восстановленного поля на датчики, так, например, при сбое в системе контроля положения ОР СУЗ (например, по измерительной системе ПС сместился на 50 см вниз), СВРК восстановит поле с провалом ЭВ в области упавшего кластера, хотя, из-за отсутствия реального перемещения ПС, измерения КНИ и ТП не меняются.

Нет критериев и объективных методов сравнения различного ПО и анализа адекватности моделей описания состояния активной зоны программным обеспечением СВРК.

Наличие таких методов позволит персоналу, сопровождающему работу СВРК, вносить изменения и контролировать их результат, что благоприятно скажется на развитии программного обеспечения. Эти методы обеспечат оперативный контроль за ПО восстановления поля ЭВ, в котором адаптация физической модели выполняется автоматически, без контроля со стороны персонала.

1.5  Выводы по главе 1

Совершенствование аппаратных и программных средств контроля требует разработки новых или усовершенствованных методов и видов комплексных испытаний и контроля СВРК с применением современных информационных технологий [‎36].

Развитие вычислительных систем, оборудования ведет к применению других высокотехнологичных вычислительных средств, на которых выполняются расчеты ПО СВРК. Перенести ПО на новое оборудование и сохранить исходный код программного обеспечения не всегда получается. Поэтому, неминуемо, происходят изменения в самом ПО СВРК.

Так как не всегда имеются средства, с помощью которых можно выполнить сравнительный анализ различного программного обеспечения, возникают ситуации, как, например, на первом блоке Калининской АС, где одновременно функционирует два ПО СВРК.

Расширение функциональных возможностей СВРК, автоматизация процессов ее настройки, приводит к необходимости постоянного контроля за состоянием ПО, следовательно, к разработке дополнительных средств контроля.

Кроме того, увеличение функций ПО приводит к увеличению количества информации, представляемой оперативному персоналу и специалистам, осуществляющим наладку и анализ работоспособности системы. Первостепенным становится вопрос качества представления информации. Оно зависит от многих факторов, среди которых не последняя роль принадлежит субъективным оценкам. Для решения практических задач, например, являются ли отклонения в показаниях измерительной системы физическим процессом или вызваны погрешностями измерений, необходимо провести анализ достаточно большого количества информации часто при дефиците времени.

Таким образом, задача улучшения эффективности контроля за состоянием измерительной системы, программного обеспечения и активной зоны в процессе эксплуатации является актуальной. Повышение качества информационного обеспечения персонала должно идти в направлениях:

-  оперативного и надежного обнаружения недостоверных показаний измерительной системы;

-  своевременной идентификации локальных физических процессов и возможности контролировать их развитие;

-  представления оперативному персоналу только информации, необходимой ему для принятия решения об изменении условий эксплуатации.

Глава 2 Анализ состояния измерительной системы и активной зоны реактора ВВЭР-1000 по данным СВРК

Из предыдущей главы следует что, несмотря на новые возможности и совершенствование алгоритмов, контроль за правильностью работы СВРК остается за специалистами, которые проводят периодическую проверку и анализ ее работоспособности.