характеристик – кривых дифференциальной и интегральной эффективности.

 

Из простейших методов градуировки подвижных поглотителей известны три: метод разгона, метод компенсации и метод «сброса». Здесь они называются простейшими, поскольку все они не требуют для проведения градуировочных измерений каких-либо сложных средств приборного оснащения.

 

21.11.1. Метод разгона. Этот метод является наиболее универсальным методом градуировки, так как он позволяет отградуировать любой стержень-поглотитель (или группу поглотителей) без применения эталонных мер, пригодных для сравнения различных поглотителей по их эффективности (например, в начале кампании, при физическом пуске реактора, когда известны лишь расчётные характеристики групп поглотителей, но нет ни одной достоверно измеренной их характеристики).

Суть метода состоит в том, что любое перемещение поглотителя вверх на произвольном участке DН от Н₁ до Н₂ приводит к сообщению критическому реактору положительной реактивности (равную изменению интегральной эффективности поглотителя в конечном и начальном положениях Dr = r(Н₂) - r(Н₁)), которую можно найти по величине измеренного периода удвоения мощности реактора Т₂, кратко называемого периодом разгона, из-за чего метод и получил такое название. Вы, разумеется, помните, что период удвоения мощности реактора жёстко связан с величиной сообщённой реактору реактивности решением уравнения «обратных часов», так что, измерив величину периода, всегда можно найти ту величину реактивности, которая вызвала разгон мощности реактора с таким периодом. Период Т₂ – это время удвоения величины мощности реактора, и его можно легко измерить с помощью обыкновенного секундомера.

Исходное состояние реактора. Для производства корректных измерений перед началом эксперимента реактор должен быть строго критичен на минимально контролируемом уровне мощности. Это требуется для того, чтобы в процессе эксперимента исключить проявление температурных изменений реактивности реактора, которые неизбежно появились бы при больших изменениях мощности реактора и, тем самым исказили бы результаты измерений реактивности от перемещения градуируемого поглотителя. Градуируемый поглотитель при этом в исходном состоянии находится в крайнем нижнем положении (на НКВ), критичность реактора устанавливается и поддерживается с помощью любого другого подвижного поглотителя.

Последовательность действий. Градуируемый поглотитель перемещается с НКВ в некоторое положение Н₁ (на величину DН₁ = Н₁); при этом реактор становится надкритичным (подъёмом поглотителя ему сообщена положительная реактивность), и его мощность начинает расти; сделав необходимую паузу (25 ¸ 30 с), чтобы дать реактору выйти в режим разгона с установившимся периодом, измеряется период (Т₂)₁, по величине которого из таблицы или графика решения уравнения «обратных часов» находится значение реактивности r₁, вызвавшей разгон реактора с измеренным периодом Т₂. Эта величина и является величиной интегральной эффективности градуируемого поглотителя в положении Н₁ (ведь именно она явилась результатом перемещения поглотителя от НКВ до положения Н₁). Сразу после окончания измерения (Т₂)₁ градуируемый поглотитель оставляется в положении Н₁, а реактор возвращается в исходное критическое состояние на том же (минимально контролируемом) уровне мощности путём введения в активную зону любого другого подвижного поглотителя.

Следующий шаг: поглотитель поднимается из положения Н₁ до положения Н₂ на некоторую величину DН₂ = Н₂ – Н₁, в результате чего критическому на том же уровне мощности реактору опять сообщается некоторая величина положительной реактивности r₂, равная изменению интегральной эффективности при перемещении поглотителя от Н₁ до Н₂. Реактор начинает увеличивать свою мощность с установившимся периодом (Т₂)₂, величина которого, как и в первом случае, может быть легко измерена, и по ней из графика решения уравнения «обратных часов» может быть найдена та величина положительной реактивности r₂, которая вызвала разгон мощности реактора с таким периодом. Сразу после измерения периода (Т₂)₂ реактор с помощью любого другого поглотителя (не градуируемого) возвращается в критическое состояние на исходном минимально контролируемом уровне мощности и стабилизируется на нём.

После чего начинается третий шаг экспериментальных измерений: градуируемый поглотитель из положения Н₂ перемещается вверх в положение Н₃ (на величину DН₃ = Н₃ – Н₂); реактор начинает разгоняться; в процессе разгона мощности измеряется величина установившегося периода удвоения мощности реактора (Т₂)₃, по которой из решения уравнения «обратных часов» находится величина положительной реактивности r₃, вызвавшей разгон реактора с таким периодом. После чего реактор снова возвращается в состояние критичности на исходном уровне МКУМ с помощью постороннего (не градуируемого) поглотителя и стабилизируется на нём.

И так далее: шаговые перемещения градуируемого поглотителя вверх и соответствующие им измерения величины установившегося периода удвоения мощности продолжаются до тех пор, пока градуируемый поглотитель не достигнет ВКВ (верхнего концевого выключателя), после чего реактор опять возвращается на МКУМ с помощью постороннего подвижного поглотителя.

 

Обработка результатов измерений и построение кривых интегральной и дифференциальной эффективности градуируемого стержня-поглотителя. Результаты фиксации положений градуируемого поглотителя, измерений периодов удвоения мощности реактора Т₂, извлечённых по ним значений реактивности и расчётов величин интегральной и дифференциальной эффективности сводятся в компактную таблицу (см. ниже).

Таблица 21.1. Результаты измерений и расчётов характеристик поглотителя методом разгона.

№	Нi-1, см	DHi,	Нi = Hi-1+DHi	(T2)i,	Dri из решения УОЧ	r(Нi)	(Hi)ср = 0.5(Нi-1+ Hi)	¶r/¶H = Dri/DHi
. . . m	H1 H2   . . . Нm-1	DH1 DH2 DH3   . . . DHm	H1 = DH1 H2 = H1+ DH2 H3 = H2+ DH3   . . . Hm=Hm-1+DHm (ВКВ)	(T2)1 (T2)2 (T2)3   . . . (T2)m	Dr1 Dr2 Dr3   . . . Drm	r1=Dr1 r2=Dr1+Dr2 r3=Dr1+Dr2+Dr3   . . m rm = S Dri ^i=1	Нср1 Hср2 Hср3   . . . Нср m	(¶r/¶H)1 (¶r/¶H)2 (¶r/¶H)3   . . . (¶r/¶H)m

 

По результатам таблицы строятся кривые интегральной и дифференциальной эффективности отградуированного поглотителя (рис.21.10).

r(Н)

 

 

Dr₁+Dr₂+Dr₃+Dr₄

 

Dr₁+Dr₂+Dr₃

 

Dr₁+Dr₂

 

Dr₁

Н

0 Н₁ Н₂ Н₃ Н₄

DН₁ DН₂ DН₃ DН₄

 

 

Dr₄/DН₄

 

 

Dr₃/DН₃

Dr₂/DН₂

Dr₁/DH₁

0 Н₁ Н₂ Н₃ Н₄ Н

 

Рис.21.10. Построение кривых интегральной и дифференциальной эффективности поглотителя по данным таблицы 21.1.

Здесь уместны пару слов в пояснение формул таблицы 21.1. Если результат вычисления при первом измерении сразу даёт величину интегральной эффективности градуируемого поглотителя в положении Н₁, потому что вычисленная по измеренному периоду (Т₂)₁ величина изменения реактивности Dr₁ явилась результатом подъёма поглотителя от НКВ до положения Н₁, то во всех последующих измерениях величина интегральной эффективности должна находиться как сумма всех изменений реактивности, явившихся результатами шагового подъёма поглотителя от НКВ до рассматриваемого конечного положения (Н_i).

Что касается величины дифференциальной эффективности, то при перемещении поглотителя от предыдущего положения (Н_i-1) до рассматриваемого (Н_i) на величину DН_i величина Dr_i/DH_i является не локальной дифференциальной эффективностью поглотителя в каком-то положении, а средней величиной дифференциальной эффективности в диапазоне перемещения DН_i, а потому она должна быть отнесена к середине этого интервала Н_{ср i} = 0.5 (Н_i-1 + H_i), положение которой и вычисляется в предпоследнем столбце таблицы. На графике кривой дифференциальной эффективности это среднее значение (¶r/¶Н)_i отсчитывается во всех случаях от общего нуля.

 

21.11.2. Метод компенсации. Использование метода компенсации при градуировке подвижных поглотителей (или их групп) подразумевает наличие в составе подвижных поглотителей реактора хотя бы одного поглотителя (группы) с достоверно измеренными и построенными характеристиками. Будем называть этот поглотитель эталонным поглотителем. Этот метод не столь универсален, как метод разгона, но он является более быстрым.

Суть метода. Метод основан на том, что любое перемещение вверх градуируемого поглотителя всегда можно скомпенсировать определённым перемещением эталонного стержня вниз, то есть так, что сообщаемая реактору градуируемым поглотителем положительная реактивность будет в точности равна по величине отрицательной реактивности, сообщаемой реактору за счёт перемещения эталонного поглотителя. Единственным ограничением в использовании этого метода является условие: физический вес эталонного поглотителя желательно иметь несколько большим, чем предполагаемый физический вес градуируемого поглотителя.

Исходное состояние. Ядерный реактор критичен на МКУМ (по той же причине, что и при градуировке методом разгона), причём градуируемый поглотитель находится на НКВ, а критичность реактора поддерживается с помощью эталонного поглотителя, то есть малыми перемещениями эталонного поглотителя добиваются стабилизации мощности реактора на определённом уровне в течение 3 – 5 минут.

За положением и перемещениями поглотителей оператор следит по штатным измерителям точного положения их. Мощность контролируется с помощью штатного измерителя нейтронной мощности реактора.

Последовательность действий. Градуируемый поглотитель поднимается с НКВ на некоторую величину DН₁ в положение Н₁, и сообщаемая при этом реактору положительная реактивность Dr₁ сразу же компенсируется адекватным перемещением эталонного поглотителя из исходного положения Н_эо на некоторую величину DН_э1 в положение Н_э1. После точной стабилизации реактора на исходном уровне мощности (МКУМ) записываются положения градуируемого и эталонного поглотителей Н₁, Н_э0 и Н_э1.

 

r(Н) r_э(Н_э) Эталонный стержень

 

Градуируемый стержень

Dr_э1

 

Dr_э1=Dr₁

 

 

0 Н₁ Н₂ ВКВ Н 0 Н_э2 Н_э1 Н_эо ВКВ Н_э

 

Рис.21.11. К пояснению идеологии градуировки поглотителя методом компенсации.

 

Следующий шаг: градуируемый стержень из положения Н₁ поднимается на некоторую величину DН₂ в положение Н₂, а возникающая за счёт этого перемещения положительная реактивность сразу же компенсируется перемещением эталонного стержня вниз из положения Н_э1 в положение Н_э2 (то есть на некоторую величину DН_э2) и сразу после стабилизации мощности реактора на исходном уровне мощности (МКУМ) записываются положения обоих поглотителей в активной зоне.

Далее такие шаговые действия повторяются до тех пор, пока градуируемый стержень не достигнет верхнего концевого выключателя.

Обработка результатов измерений. Все зафиксированные в каждом перемещении значения положений обоих поглотителей и результаты последующих расчётов удобно свести в следующую таблицу.

 

Таблица 21.2. Результаты измерений и расчётов характеристик поглотителя методом компенсации.

№	Градуируемый поглотитель	Эталонный поглотитель	Dri=rэi-rэ i-1 (по кривой ИЭ эталонного погл.)	r(Нi) = m = S Dri ^i=1	(¶r/¶H)i =   = Dri/DHi
Нi-1	Нi	DHi=Hi –Hi-1	Нсрi = (Hi-1+ Hi)/2	Hэ i-1	Hэi
… m	H1 H2 … Hm-1	H1 H2 H3 … Hm	DH1 = H1 DH2 = H2-H1 DH3 = H3-H2 … DHm = Hm-Hv-1	H1/2 Hср2 Hср3 … Hср m	Hэ0 Нэ1 Нэ2 … Hэ m-1	Нэ1 Нэ2 Нэ3 … Hэ m	Dr1 Dr2 Dr3 … Drm	r(Н1) = Dr1 Dr1+Dr2 Dr1+Dr2+Dr3 m … S Dri ^i=1	Dr1/DH1 Dr2/DH2 Dr3/DH3 … Drm/DHm

 

Кривые интегральной и дифференциальной эффективности градуируемого поглотителя строятся по данным табл.21.2 точно таким же образом, как и при градуировке методом разгона мощности реактора.

 

21.11.3. Особенности градуировки методом компенсации при очень тяжёлом эталонном поглотителе. Если эталонный поглотитель очень тяжёл (то есть его физический вес в несколько десятков раз больше физического веса градуируемого поглотителя), то описанная методика для градуировки непригодна, так как обычный для градуировки шаг подъёма градуируемого поглотителя (DH_i» 15 – 20 cм) компенсируется очень малым перемещением эталонного поглотителя вниз (доли сантиметра), из-за чего воспользоваться кривой интегральной эффективности эталонного поглотителя для нахождения r(Н_{э i-1}) и r(Н_эi) для определения Dr_i с должной степенью точности оказывается невозможным: точки на кривой интегральной эффективности очень близко расположены друг к другу.

В этом случае для вычисления значений Dr_i пользуются кривой не интегральной, а дифференциальной эффективности эталонного поглотителя:

- с кривой дифференциальной эффективности эталонного поглотителя снимается значение дифференциальной эффективности в начальном (или конечном) положении – (¶r_э/¶H_э)_i;

- умножая эту величину на величину перемещения эталонного поглотителя DH_эi, находят величину скомпенсированного перемещением эталонного поглотителя изменения реактивности Dr_i» (¶r_э/¶H_э)_i^. DH_эi.

Во всём остальном методика вычислений и построения характеристик не отличаются от описанной выше.

Преимущество метода компенсации перед методом разгона состоит не только в быстроте градуировки поглотителей, но и в том, что градуировка методом компенсации может проводиться не только на МКУМ, но и в «горячем» состоянии (то есть при работе реактора на любом стационарном уровне мощности и при любой средней температуре теплоносителя). Для этого нужно лишь позаботиться о том, чтобы в процессе измерений сохранялись постоянными мощность, температура и давление теплоносителя, чтобы исключить влияние на результаты эксперимента мощностного, температурного и барометрического эффектов изменений реактивности.

21.11.4. Взвешивание методом «сброса». Этот метод (или его разновидности) используется чаще всего для экспериментального определения физического веса аварийной защиты реактора. Речь идёт именно о физическом весе, а не о кривых интегральной эффективности, которые в практике эксплуатации не нужны, а нужно достоверное знание только суммарной эффективности всех групп поглотителей, которые образуют систему аварийной защиты и в процессе эксплуатации используются только совместно и синхронно. Определение физических весов каждой их групп любым из ранее описанных методов и их суммирование дадут сильно искажённое значение физического веса всей совокупности поглотителей аварийной защиты (из-за интерференции), поэтому необходим другой метод более точного (и быстрого) экспериментального нахождения физического веса аварийной защиты, причём в условиях, близких к рабочим.

Суть метода. Если в критическом на МКУМ реакторе осуществить быстрый одновременный ввод в его активную зону всех групп стержней АЗ, реактор, получая отрицательную реактивность, равную физическому весу АЗ, становится подкритическим.

Следовательно, определив величину введённой отрицательной реактивности, мы тем самым найдём и величину физического веса АЗ.

Измерение отрицательной реактивности. Это измерение в условиях АЭС осуществляется непосредственно, с помощью реактиметра (например, АИМР-8м – автоматического измерителя мощности и реактивности реактора). Электрический сигнал, пропорциональный мгновенному значению реактивности реактора со свободной пары выходных клемм прибора поступает на заранее отградуированный прибор-самописец, на диаграммной ленте которого и выполняется запись переходного процесса изменения реактивности реактора от момента начала «сброса» групп АЗ до момента практической стабилизации величины введённой ими отрицательной реактивности.

r(t)

0 t

 

r_аз

 

Рис.21.12. Качественный вид переходного процесса изменения отрицательной реактивности

в процессе срабатывания аварийной защиты реактора.

 

Величина физического веса всей АЗ снимается непосредственно с графика переходного процесса r(t). Физическим весом АЗ считается максимальная величина отрицательной реактивности: некоторое повышение величины r(t) после точки минимума обусловлено вступлением в действие уже других эффектов реактивности (мощностного и температурного).