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

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского».

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник ГНЦ РФФЭИ 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 энергетических технологий.

Защита состоится сентября 2012 года в часов на заседании диссертационного совета Д201.003.01 при Государственном научном центре Российской Федерации – Физико–энергетический институт имени А.И. Лейпунского по адресу: 249033, г. Обнинск Калужской 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 перспективные быстрые реакторы (БР) нового поколения имеют значительно «уплощенную» геометрию активной зоны, что приводит к значительному влиянию пространственных эффектов, что в свою очередь значительно осложняет применение традиционных методик измерения реактивности. К тому же использование смешанного топлива в БР нового поколения приводит к уменьшению эффективной доли запаздывающих нейтронов (ЗН), что приводит к увеличению измеряемого диапазона в величинах эфф. Проявление пространственных эффектов при введении положительной реактивности может привести к отличающимся показаниям различно расположенных детекторов, что требует анализа мест расположения детекторов и логики обработки их показаний.

Цель работы состояла в обосновании набора методик и используемых нейтронных данных для измерения нейтронно-физических характеристик (в первую очередь – реактивности), разработка новых модификаций этих методик, их апробирование на сборкахпрототипах, 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 многодетекторной 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 значительным влиянием пространственных эффектов.

Экспериментально зарегистрировано влияние пространственных эффектов при введении положительной реактивности на измеряемые нейтронно-физические параметры.

Научная новизна настоящей работы заключается в разработанных методах анализа экспериментальных данных:

1. Оценено влияние выбора групповых параметров ЗН на результаты измерения реактивности, показана необходимость выбора оптимального варианта, на основе критерия минимального расхождения с экспериментальными данными рекомендованы оптимальные варианты для плутониевого топлива.

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

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

4. Создана модель для оценки влияния пространственных эффектов на регистрируемые величины мгновенных значений периода и мощности реактора различно расположенными детекторами. Даны рекомендации по возможным местам размещения нейтронных детекторов и алгоритмам сбора с них информации.

Практическая значимость работы определяется разработанными (и обоснованными в экспериментах на критсборках) методиками измерений и полученными на моделях разрабатываемых реакторов (БН-800, СВБР и др.) данными, которые могут быть использованы при дальнейших проектных разработках.

Основные положения, выносимые на защиту:

Выбор версий групповых параметров запаздывающих нейтронов (из различных национальных библиотек) на основе анализа экспериментальных данных, оптимальным образом описывающих переходные процессы при изменении реактивности в быстрых реакторах со смешанным топливом на основе Pu.

Методика определения реактивности в условиях влияния пространственных эффектов, работающая в режиме on-line; расчетно-экспериментальная методика измерения больших отрицательных реактивностей (до минус 30 эфф); формулировка основных принципов создания реактиметра, учитывающего влияние пространственных эффектов.

Создание модели, позволяющей оценить влияние пространственных эффектов при вводе положительной реактивности на задержку времен достижения аварийных уставок по периоду и мощности для различно расположенных детекторов, и выработка рекомендаций по их размещению.

Личный вклад автора: Планирование экспериментов на серии критических сборок БФС, получение основного массива экспериментальных данных, его последующая обработка, анализ полученных результатов, использование расчетных данных (ИБРАЭ, ГНЦ РФ-ФЭИ) проводилась при непосредственном личном участии автора, так же как и оформление полученных результатов, подготовка публикаций, непосредственное участие в конференциях.

Апробация работы: основные результаты работы опубликованы на международной конференции PhYSOR-2010 (и принятом совместном докладе с сотрудниками ИБРАЭ на PhYSOR-2012), в журнале «Ядерная физики и инжиниринг», в трех докладах на международной конференции, посвященной 50ти-летию БФС, докладе на конференции «Нейтроника-2011», пяти докладах на молодежных конференциях (МИФИ,ОАО СХК,ОАО ГХК и др.) Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии. Работа изложена на 115 страницах, содержит 39 рисунков, 24 таблиц и список цитируемой литературы из 69 наименований.

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 особенностей критических стендов БФС, характеристик используемой в экспериментах электронной аппаратуры, а также приведен обзор методик измерения реактивности в условиях влияния пространственных эффектов. Приведено описание алгоритмов, применяющиеся в реактиметрах, основанных на решении обращенного уравнения кинетики как в точечной модели, так и в более сложных. Определены основные факторы, определяющие суммарную погрешность при измерении реактивности. Приведено краткое описание расчетных комплексов, используемых для вычисления поправок на влияние пространственных эффектов. Сформулированы требования к диапазону измерений реактивности для перспективных быстрых реакторов и их моделей на критических сборках.

С методической точки зрения, ситуация осложняется возрастающим 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 активной зоны к ее высоте. Для реактора БН-600 это отношение составляет величину ~2,5, для реактора БН-800 ~ 3, для реакторов БНи 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 смешанного уран-плутониевого топлива.

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

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

· Определен объективный критерий для выбора оптимальной версии групповых параметров ЗН.

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

В разделе 2.3 приводится описание методики проведения эксперимента, который проводился по методу «разгон-сброс»; размещение детекторов выбиралось в таких местах, где изменение эффективности детекторов было практически нулевым (расчеты проводились по программе ГЕФЕСТ-TIMER).

Обработка зарегистрированных переходных процессов для вычисления 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 библиотек БНАБ-93, ENDF/B-VII и JEFF-3.1 (восьмигрупповая система).

· Вычисление реактивности и сопутствующих параметров проводилось 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 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 3-x кластеров Данные, приведенные в таблице 1, показывают, что величины реактивности, вычисленные при использовании различных версий групповых параметров запаздывающих нейтронов могут различаться весьма существенно.

В разделе 2.5.3 определяется критерий выбора групповых параметров ЗН.

Очевидно, что наилучшей является та версия, которая дает максимально близкие к экспериментальным данным значения времязависящих показаний детекторов. Поскольку при обработке экспериментальных 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, полученную при обработке экспериментальных данных (т.е. сумму среднеквадратичных отклонений между экспериментальными значениями и расчетными значениями, полученными после вычисления 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 обработке экспериментов с использованием ОРУК, версия групповых параметров из ENDF/B-VII – не использовалась. Что касается выбора между шестигрупповым описанием БНАБ-93 и восьмигрупповым описанием JEFF-3.1, то они дали практически совпадающие результаты.

· Результаты обработки показали, что при измерении реактивности в диапазоне до минус 30 эфф достаточно использовать групповые параметры по трем основным делящимся изотопам.

Третья глава содержит анализ границ применимости методик (учитывающих влияние пространственных эффектов) при измерении эффективности поглотителей на различных критических сборках БФС.

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

В разделе 3.4 описываются границы применимости методик, основанных на алгоритме обработки при учете влияния пространственных эффектов (поиск трех параметров – реактивность, эффективный источник, отношение эффективностей детекторов).

В разделе 3.5 приводится описание алгоритма поиска трех параметров в режиме on-line и впервые предложена его приборная реализация (подана заявка на патент – 2011153920/07(081121) от 29.12.2011). На рисунке 2 представлены результаты сравнения величин реактивностей для двух различно расположенных детекторов, полученные при использовании трехпараметрического алгоритма обработки в режиме офф-лайн (D1 RES, D2 RES – штрихпунктирные линии) и нового алгоритма обработки в он-лайн (D1 R, D2 R – отдельные точки).

Реактивность, эфф Рис.2. Сравнение величин реактивности, полученные при использовании разных В разделе 3.6 приводится описание алгоритма обработки с введением расчетных поправок. Данная методика применялась на критической сборке БФС-107-2. Целью экспериментов на данной критической сборке являлось определение уровня подкритичности сборки в ее исходном состоянии. Для этого был использован специальный прием, заключающийся в том, что эту подкритическую сборку выводили в критическое состояние путем догрузки полиэтиленовых стержней, которые загружались в центральной части сборки в межтрубные зазоры. При этом было необходимо принять во внимание два следующих обстоятельства:

· Наличие полиэтиленовых стержней в центральной части активной зоны существенным образом влияло на распределение энерговыделения по активной зоне, что неминуемо влияло на изменение эффективности детекторов после извлечения полиэтиленовых стержней из активной зоны.

· Смягчение спектра в активной зоне за счет появления водородосодержащего замедлителя оказывало влияние на величину эффективной 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 зависимости 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 неизменности эффективности детекторов после ввода реактивности.

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

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

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

· Отношения счетов детекторов изменяются при введении реактивности и продолжают изменяться даже после окончания движения органа СУЗ.

В первом случае должна использоваться точечная модель кинетики.

В случае, если отношения счетов детекторов изменяются, но остаются постоянными после введения реактивности, возможна реализация двух алгоритмов. Первый из них - поиск величин реактивности, эффективного источника и отношения эффективностей детектора после введения реактивности к величине до введения реактивности. Второй вариант – введение расчетных поправок на изменение 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 окончания движения органа СУЗ (что свидетельствует о продолжающейся перестройке нейтронных полей и, соответственно, распределения предшественников запаздывающих нейтронов в реакторе). В этом случае представляется целесообразным введение расчетной поправки на изменение эффективности детектора и последующая обработка скорректированных файлов в рамках модели точечной кинетики. Возможен и более сложный подход к обработке экспериментальных данных.

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

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

Отношение счетов детекторов Отношение счетов детекторов 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 реактивности 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 информации для введения таких поправок.

В разделе 4.2 приводится описание результатов расчетов изменений эффективностей детекторов при измерении больших отрицательных реактивностей. Эффективность детектора определялась, как скорость счета в данный момент, отнесенная к интегралу делений 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).

Отношение эффективности Рис.5. Изменение эффективности детектора№2 после ввода реактивности на 10 секунде.

Приведенные результаты показывают, что для значений реактивности в несколько эфф (по модулю) изменение эффективности детектора при скачкообразном измерении реактивности также скачкообразное; величина эффективности детектора в дальнейшем остается постоянной.

Другая ситуация наблюдается для больших отрицательных реактивностей. 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 характер. В начальный момент изменение эффективности детекторов также носит скачкообразный характер (что соответствует изменению за счет мгновенных нейтронов), а в дальнейшем эффективность детекторов плавно меняется со временем, что соответствует непрерывному изменению пространственно-энерегетического изменения нейтронов в затухающем нейтронном поле. Для использования методики ОРУК единственным способом является введение расчетной поправки на изменение эффективности детектора.

В разделе 4.3 приводится методика поиска корректирующей поправки к рассчитанной эффективности детектора линейным методом наименьших квадратов.

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

Рис.6 Схематическое представление выбора коэффициента (амплитуды) с минимальной 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 диапазоне реактивности были использованы расчетные данные по программе ГЕФЕСТ (рисунок 7).

0, 0, 0, Рис.7. Изменение эффективности детектора № 3 при изменении плотности бора в Такой подход дает дополнительную возможность определить поправочный множитель к величине эффективности детектора (зная временной ход эффективности детектора после введения реактивности), который позволяет найти решение уравнения кинетики с наименьшими отклонениями (и таким образом, по сути дела, скорректировать расчетные данные).

При этом, обращенное решение уравнения кинетики имеет вид:

рассчитанная эффективность детектора счет детектора – искомая амплитуда поправки Следует отметить, что в интервале времени от минус бесконечности до нуля изменения эффективности детектора не происходит, в момент сброса стержней – эффективность меняется скачком, а в дальнейшем – происходит дополнительное непрерывное во времени изменение эффективности нейтронного детектора. Приведенное выше уравнение легко преобразуется в уравнение вида:

для которого постоянные коэффициенты a, b и C могут быть найдены 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:

где Критериями работоспособности предложенного приближения могут быть:

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

· Слабая зависимость полученных результатов (или ее отсутствие) 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 борных 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 обработке экспериментов необходимо принимать во внимание дальнейшее (после сброса) изменение эффективности детекторов.

Соответствующие данные приведены в таблице 2, где величины эффективности трех кластеров определялись методикой «разгонсброс», а при обработке были использованы следующие приближения:

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

· Вторая строка - точечная модель кинетики с введением расчетных поправок на изменение эффективности детекторов · Третья строка - модель кинетики с поиском амплитуды расчетной поправки методом наименьших квадратов Таблица.2. Значение величин реактивности, полученные методом ОРУК при использовании различных приближений при сбросе трех кластеров (реактивность, bэфф) (реактивность, bэфф) (реактивность, bэфф) Примечание: погрешность при измерении реактивности определялась погрешностями групповых параметров запаздывающих нейтронов, погрешностью обработки данных с помощью МНК, статистикой. Детекторы 2 и 3 были размещены в местах наименьшего изменения эффективности при введении реактивности тремя кластерами.

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 амплитуду этой поправки линейным методом наименьших квадратов, минимизируя отклонения расчетных кривых от экспериментальных данных.

· На основе этого нового алгоритма проведена обработка экспериментов в диапазоне реактивности до 30 эфф и получены согласованные результаты для трех различно расположенных детекторов.

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 РОили РО-3 скорости счета нейтронных детекторов регистрировались в течение ~ 60 секунд.

Обработка данных показала следующее:

1. Отношения счетов детекторов практически линейно меняются при линейном во времени изменении реактивности, после окончания движения изменения отношения счетов по разным детекторам крайне незначительны.

2. Одной из целей эксперимента было определение относительного изменения эффективности детекторов, расположенных диаметрально 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 экспериментов, где реактивность вводилась органом РО-2, находящимся ближе к центру активной зоны эффективность детекторов изменяется почти на порядок меньше для тех же значений реактивности. Видно, что даже для таких маленьких значений положительной реактивности относительное изменение эффективности 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 БФСимеющую отношение диаметра активной зоны к ее высоте около единицы.

Изменение эффективности детектора, 3. Для детектора, расположенного вблизи РО-1 (детектор № 1), счета возрастают быстрее по сравнению с двумя другими детекторами (детекторы № 2 и № 3). Такая деформация нейтронного распределения весьма заметно влияет как на скорости счета детекторов (уровень мощности), так и на мгновенное значение периода реактора.

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

Из приведенных на рисунке 9 отнормированных на исходное состояние (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 Рис.9. Расхождение отнормированных счетов детекторов для детектора № 1 и детектора № 2.

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

Мгновенный период реактора, сек задержка во времени достижения заданной величины периода реактора для детектора № 2 по отношению к детектору № 1 приведена на рисунке 12.

Время задержки, с Рис. 12. Задержка во времени достижения заданной величины периода реактора для Найденные закономерности поведения относительных счетов детекторов позволяют создать довольно простую модель для оценки запаздывания достижения аварийной уставки реактора по периоду и мощности. Для оценки времени задержки (по мощности или периоду) одного детектора относительно другого было сделано предположение, что счет детектора 2 можно выразить через счет детектора 1 введением дополнительного коэффициента, представляющего собой величину относительного пространственного эффекта.

Выражение для скоростей счета детекторов N = N (1 - a t ) имеет вид:

Где t0 – время движения стержня РО- –относительный пространственный эффект Откуда величина задержки при достижении уровня мощности составит:

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

Полученные оценки по временам задержек с использованием вышеописанной модели практически совпадает с величинами, найденными в эксперименте. Следует отметить, что и величины реактивности, найденные по точечной модели методики ОРУК, различаются на ~ 10 %.

В разделе 5.6 даны возможные варианты минимизации влияния пространственных эффектов на формирование сигналов аварийной защиты от различно расположенных детекторов (кластерное размещение 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 уплощенную форму активной зоны (отношение диаметра к высоте ~ 3) зарегистрированы значительные пространственные эффекты 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 зарегистрированных процессов и оценок величин запаздываний по разным детекторам при достижении уставок аварийной защиты (по периоду и уровню мощности).

Пространственные эффекты приводят к значительным расхождениям в величинах мгновенного периода реактора и относительной 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 значений, вычисленных по точечной модели кинетики, а другой – опережать.

При этом для периода реактора временная задержка наблюдается 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 видимости, связано с большей величиной эффективной доли запаздывающих нейтронов на сборке БФС-78-2.

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

К основным выводам диссертационной работы можно отнести следующее:

1. Для отработки новых методик измерения реактивности, а также обоснования выбора версии групповых параметров запаздывающих 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 реакторов (БФС-78-2, БФС-76-Б) с помощью многодетекторной системы регистрации.

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

4. Именно эти два обстоятельства инициировали разработку и апробацию новых методик измерения реактивности, которые могут быть использованы как на критических сборках, так и на реакторах АЭС. Эти методики были использованы для получения результатов на бенчмарках и сборках-макетах. В частности, новая предложенная методика позволила проводить измерения реактивности в весьма широком диапазоне – до 30 эфф, причем, она основана как на использовании расчетной информации по изменению эффективности детектора, так и на поиске амплитуды этой поправки из экспериментальных данных с помощью линейного метода наименьших квадратов. Применение данной методики позволило минимизировать погрешность, обусловленную влиянием пространственных эффектов до величины 6во всем диапазоне измерений.

5. На критических сборках БФС-76-Б и БФС-78-2, имеющих уплощенную форму активной зоны зарегистрированы значительные пространственные эффекты при введении малых величин положительной реактивности (до 0,2 эфф) на периферии активных зон, проявляющиеся в значительном относительном изменении эффективности детекторов (более 10%). Эта величина (0,5% на введенный цент реактивности) в несколько раз превышает аналогичный параметр для сборки БФС-107-2 (имеющую отношение диаметр к высоте около единицы). Изменение относительных 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 зарегистрированных 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 быстрых реакторов влияние пространственных эффектов будет становиться всё более существенным, и необходимо тщательно выбирать места расположения нейтронных детекторов для контроля реактора, а также, возможно, менять логику обработки показаний для избежания возможных задержек во времени достижения 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, 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 реакторных 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, International 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 Direct Problem», PHYSOR-2010, International Conference on the Physics of Reactors “Advances in Reactor Physics to Power the Nuclear Renaissance”, Pittsburg, USA, 2010, May 9-14.

4. А.М. Жуков, «Минимизация погрешности при измерении больших отрицательных реактивностей в плутониевых зонах», «Отраслевая научно-практическая конференция молодых специалистов и аспирантов – «Молодежь ЯТЦ: наука, производство, экологическая 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 реактора с натриевым теплоносителем», «Нейтроника-2011», Обнинск, 6. А.М. Жуков, М.В. Яровой, В.В. Прищепа, «Влияние пространственных эффектов на времена достижения аварийных уставок в быстрых реакторах при положительных реактивностях», «VI Отраслевая научно-практическая конференция молодых специалистов и аспирантов – «Молодежь ЯТЦ: наука, производство, 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 8. А.М. Жуков, В.В. Прищепа, М.Ю. Семенов, М.В. Яровой, «Экспериментальное обоснование выбора групповых параметров запаздывающих нейтронов», сборник трудов конференции «БФСОбнинск, 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 экспериментов на БФС по пространственной кинетике», сборник трудов конференции «БФС-50», Обнинск, 28 февраля – 2 марта 10. E.F.Seleznev, A.A.Belov, I.P.Matveenko, A.M.Zhukov, K.F.Raskatch., «ON FAST REACTOR KINETICS STUDIES», PHYSOR-2012 – Advances in reactor Physics – linking research, Industry, and Education, Knoxville, Tennessee, USA, April 15-20, 2012, on CD-ROM, American Nuclear Society, LaGrange Park, IL