Диапазоны работы измерительных каналов
Учитывая специфику реактора, заключающуюся в том, что он может стать критическим и подкритическим при любом уровне плотности нейтронов, контроль за уровнем плотности нейтронов и его изменением следует вести как на работающем реакторе, так и на остановленном. При этом плотность нейтронов в диапазоне от уровня рабочих мощностей реактора до остановленного состояния изменяется на 10-11 порядков. В настоящее время не существует нейтронных детекторов, способных с одинаковой точностью перекрыть весь этот диапазон. Поэтому весь измерительный диапазон разбивают на несколько диапазонов (см. Рис. 1 -9), которые соответствуют следующим режимам работы реактора:
режим пуска – диапазон от 1*10-11 до 1*10-7 Nном, в котором производится вывод заглушенного реактора в критическое состояние;
режим регулируемого разгона – диапазон от 4*10-8 до 2,5*10-3 Nном, в котором увеличивают нейтронный поток до достижения чувствительности измерительных каналов АРМ;
режим работы на минимальном контролируемом уровне (МКУ) – диапазон от 2,5*10-3 до 5*10-2, в котором заданная мощность поддерживается включенным АРМ;
режим работы на мощности (энергетический) – диапазон от 5*10-2 до 1,25 Nном, в котором заданная мощность поддерживается включенным 1(2)АР или ЛАР.
В каждом из диапазонов используются свои нейтронные детекторы и измерительная аппаратура. Плотность нейтронов в одном диапазоне изменяется на 3 - 6 порядков.
Требования к точности измерительных каналов в различных поддиапазонах и даже в разных частях одного поддиапазона различные. В измерительных схемах защиты по скорости недопустимы переключения диапазонов. Поэтому в измерительных каналах аварийной защиты по скорости (АЗС) используется логарифмический масштаб измерения нейтронного потока, т.е. используются усилители с логарифмической характеристикой. Погрешность измерения данных каналов достигает ±30 % на самых низких уровнях мощности.
После вывода реактора в критическое состояние и дальнейшего подъема мощности требования к точности измерения значительно ужесточаются, что требует сужения диапазонов приборов до двух порядков, переходу на линейные характеристики.
При пуске реактора - выводе его из подкритического в критическое состояние - плотность нейтронов минимальна и определяется источником нейтронов. В реакторе со свежим топливом источником нейтронов в подкритическом состоянии являются самопроизвольный (спонтанный) распад урана и фотонейтроны, образующиеся в результате реакции (γn) за счет космического (фонового) γ-излучения. Однако мощность этих источников в глубоко подкритическом состоянии реактора настолько мала, что она лежит ниже порога чувствительности пусковых нейтронных детекторов. Поэтому в реактор со свежим топливом вводят искусственные источники нейтронов, которые не изменяют подкритичности реактора (соотношение делящихся материалов и поглотителей нейтронов не изменяется), а увеличивают только уровень плотности нейтронов5, перекрывая тем самым порог чувствительности пусковых нейтронных детекторов.
Рис. 1‑9 Диапазоны контроля мощности реактора
В реакторе с облученным топливом, т.е. проработавшем значительное время до очередного останова, накопившиеся продукты деления сами являются мощными источниками γ-квантов и при наличии в активной зоне материалов, на которых идет реакция (γn), уровень плотности нейтронов будет заведомо превышать порог чувствительности нейтронных детекторов. Так для дейтерия пороговая энергия образования нейтронов по реакции (γn) равна 2,21 Мэв, что меньше энергии γ-квантов некоторых продуктов деления. В обычной воде всегда имеется некоторое количество дейтерия (приблизительно 0,001 - 0,002%), которого вполне достаточно для получения фотонейтронов.
В пусковом режиме используются высокочувствительные нейтронные детекторы, в качестве которых в СУЗ РБМК-1000 применяются ионизационные камеры деления КНТ-31, работающие в импульсном режиме (см. п. , ).. Частота импульсов соответствует плотности нейтронов в реакторе. Сигналы КНТ-31 обрабатываются в трех измерительных каналах ИСС (измерение скорости счета). Таким образом, в пусковом режиме и подкритическом состоянии реактора контроль нейтронного потока осуществляется в диапазоне от 1*10-11 до 5*10-8Nном (до 1*10-7Nном при частичном извлечении камеры деления из активной зоны) в логарифмическом масштабе тремя каналами ИСС (см. Рис. 1 -9).
Пусковой режим заканчивается моментом достижения критического состояния реактора, который называется минимальным физическим уровнем (МФУ).
При выводе реактора из подкритического в критическое состояние плотность нейтронов увеличивается на 3 - 4 порядка, после чего отключаются каналы ИСС и переходят в следующий поддиапазон измерения – диапазон приборов контроля разгона, - в котором в качестве нейтронных детекторов используются ионизационные камеры КНК-56 и КНК-53М, работающие в токовом режиме (см. п. , , ). Они менее чувствительны, чем импульсные детекторы КНТ-31, но более стабильны и надежны в работе. В режиме контролируемого разгона основным контролируемым параметром является период реактора, который не должен выходить за пределы допустимого. В этом режиме период реактора контролируется тремя измерительными каналами АЗС (аварийная защита по скорости в пусковом диапазоне), входными сигналами которых являются сигналы ионизационных камер КНК-56. Ширина измерительного диапазона каналов АЗС составляет 6 порядков. Каналы АЗС имеют логарифмическую характеристику, т.к. для обеспечения надежности работы схемы АЗС, переключения диапазонов не допустимы. Кроме того, как указывалось в п. , важным измеряемым параметром является значение реактивности, которая связана с периодом реактора обратно пропорциональной зависимостью. Реактивность определяется цифровым вычислителем реактивности ЦВР-9, входными сигналами для которого являются сигналы от четырех ионизационных камер КНК-53М. Детекторы КНК-53М, подключенные к измерительным каналам ЦВР-9, охватывают широкий диапазон измерений, составляющий 7 порядков, вплоть до энергетического режима работы реактора. Измерительные каналы ЦВР-9 имеют линейную характеристику для обеспечения меньшей погрешности измерений, переключение диапазонов измерения выполняется автоматически. Переключение диапазонов допустимо потому, что схема ЦВР-9 не выполняет защитных функций. Кроме вычисления реактивности ЦВР-9 регистрирует среднюю плотность нейтронного потока с выводом показаний суммарного тока камер на измерительный прибор и самописец КСП-2. Таким образом, в режиме контролируемого разгона реактора с помощью СУЗ осуществляется контроль:
периода реактора - 3 измерительных канала АЗС в диапазоне от 4*10-8 до 6*10-2 Nном в логарифмическом масштабе;
реактивности - 4 измерительных канала ЦВР-9 в диапазоне от 8*10-8 до 1,25 Nном в линейном масштабе с автоматическим переключением диапазонов;
плотности нейтронного потока - 4 измерительных канала ЦВР-9 в диапазоне от 8*10-8 до 1,25 Nном в линейном масштабе с автоматическим переключением диапазонов;
Контролируемый разгон реактора, т. е. набор потока нейтронов с контролируемым периодом, осуществляется до момента достижения чувствительности измерительных каналов АРМ-АЗММ (автоматический регулятор мощности и защита по мощности на малом уровне). При достижении этого момента включается АРМ и заканчивается разгон реактора.
Момент включения АРМ называется достижением минимально контролируемого уровня (МКУ).
МКУ – уровень мощности реактора, при котором возможна стабильная работа АРМ, но не более 160 МВт (т.) (5% Nном).
Дельнейший подъем мощности производится с помощью включенного АРМ с периодом, близким к ∞. Таким образом, в режиме работы на МКУ к измерительным каналам контролируемого разгона добавляются четыре канала АРМ-АЗММ. Измерительные каналы АРМ-АЗММ подключены к камерам КНК-56 и работают в диапазоне от 2,5*10-3 до 6*10-2 Nном. Режим работы на МКУ заканчивается при достижении уровня мощности 160 МВт (т.) (5% Nном). На МКУ осуществляется разогрев реактора, КМПЦ и оборудования энергоблока до номинальных параметров.
При достижении уровня мощности 160 МВт (т.) (5% Nном) входят в зону чувствительности измерительные каналы АР-АЗМ (автоматический регулятор основного уровня мощности, аварийная защита по мощности в основном диапазоне). В состав СУЗ входят два автоматических регулятора основного диапазона мощности 1АР и 2АР, каждый из которых имеет четыре измерительных канала, подключенных к камерам КНК-53М. Отключаются измерительные каналы АРМ-АЗММ и включается в работу один из регуляторов 1АР или 2АР. В это же время отключаются измерительные каналы АЗС и включаются три измерительных канала АЗСР (автоматическая защита по скорости в рабочем диапазоне), подключенные к камерам КНК-53М. Начинается режим работы на мощности или энергетический режим, когда энергоблок принимает электрическую нагрузку. В состав СУЗ кроме схем регуляторов основного диапазона 1АР, 2АР входит также схема ЛАР-ЛАЗ (локальный автоматический регулятор мощности, локальная аварийная защита), измерительные каналы которой подключены к сорока восьми внутризонным детекторам КТВ-17 (см. п. , ). В силу особенностей работы детекторов КТВ-17 (не могут компенсировать γ-составляющую тока камеры) ЛАР включается в работу после достижения уровня мощности 20% Nном, когда γ-составляющей тока камеры КТВ-17 можно пренебречь. Таким образом, режим работы на мощности занимает интервал плотности нейтронов в два порядка, соответствующий 5 - 125% номинальной мощности реактора, в котором с помощью СУЗ осуществляется контроль:
периода реактора - 3 измерительных канала АЗСР в диапазоне от 5*10-2 до 1.25 Nном в логарифмическом масштабе;
реактивности - 4 измерительных канала ЦВР-9 в диапазоне от 8*10-8 до 1,25 Nном в линейном масштабе с автоматическим переключением диапазонов;
плотности нейтронного потока - 4 измерительных канала ЦВР-9 в диапазоне от 8*10-8 до 1,25 Nном в линейном масштабе с автоматическим переключением диапазонов;
плотности нейтронного потока - 8 измерительных каналов АР-АЗМ в диапазоне от 5*10-2 до 1,25 Nном в линейном масштабе;
распределения энерговыделения в активной зоне - 48 измерительных каналов ЛАР-ЛАЗ в диапазоне от 20*10-2 до 1,25 Nном в линейном масштабе.
Следует отметить, что в режиме контролируемого разгона в каналах АЗС используются ионизационные камеры КНК-56 с дополнительной компенсацией от γ-излучения, выполненной в виде свинцового экрана вокруг ионизационной камеры. Это связано с тем, что на малых уровнях мощности токовый сигнал камеры от γ-излучения продуктов деления может быть не только соизмерим с сигналом от нейтронной плотности, но и может превышать его, что приводит к снижению чувствительности камеры. В энергетическом режиме уровень плотности нейтронов становится настолько большим, что сигнал от γ-излучения становится несоизмеримо малым.
Из приведенной выше информации видно, что во всех режимах работы реактора СУЗ РБМК-1000 блоков №1 и №2 обеспечивает перекрытие измерительных диапазонов, что отвечает требованиям безопасности.
Итоги
Основными и важными для безопасности физическими измерениями в процессе эксплуатации реактора являются измерения:
плотности нейтронов;
реактивности реактора
периода реактора.
В основу работы ионизационных камер положен процесс ионизации.
Нейтрон – нейтральная частица, поэтому она непосредственно ионизацию не вызывает. Для регистрации нейтрона в ионизационной камере используются ядерные реакции нейтрона на ядрах радиатора камеры. В результате ядерных реакций образуются заряженные частицы, которые ионизируют атомы рабочего вещества камеры.
В качестве радиатора в ионизационных камерах применяется трехфтористый бор, делящийся материал в виде урана-235.
5В10 + 0n1 ® 3Li7+ 2Не4
Если в качестве радиатора используется слой делящегося вещества, то такую ионизационную камеру принято называть камерой деления. Принципиально камера деления ничем не отличается от ионизационной камеры с борным покрытием.
Регистрацию нейтронов часто осложняют трудности отделения нейтронов от гамма-излучения. Если ток в цепи ИК пропорционален плотности нейтронов n и γ-квантов, то такая ионизационная камера называется некомпенсированной. Если в токе камеры отсутствует составляющая, связанная с гамма-квантами, то такая камера называется компенсированной (КНК – компенсированная нейтронная камера).
Если ток камеры пропорционален плотности потока нейтронов, то такие камеры называют токовыми ионизационными камерами.
На малом уровне мощности реактора, когда имеется слабый нейтронный поток на фоне значительного гамма-фона, ионизационную камеру подключают к импульсной измерительной схеме. В состав схемы входит дискриминатор амплитуды сигналов, на выходе которого формируются сигналы, соответствующие нейтронному потоку. Ионизационная камера, подключенная по такой схеме называется импульсной. Такие камеры часто называют счетчиками частиц. Количество нейтронов, фиксируемое камерой, есть функция количества импульсов на выходе дискриминатора.
В СУЗ РБМК для определения локальных значений плотности потока нейтронов применяются малогабаритные камеры деления (МКД), которые представляют собой разновидность обычных нейтронных ионизационных камер, используемых вне активной зоны реактора
Таким образом, ионизационные камеры можно классифицировать по:
размещению – внезонные, внутризонные;
схеме подключения – токовые, импульсные;
типу радиатора – камеры деления; с газообразным, твердым радиатором.
В СУЗ РБМК-1000 используются следующие ионизационные камеры.
Импульсная камера деления КНТ-31. Является детектором потока нейтронов малой плотности, соответствующего состоянию заглушенного реактора. Диапазон работы - от 10-11 до 10-8 Nном (при частичном извлечении КНТ-31 - до 1*10-7 Nном). Размещают в отражателе активной зоны на заглушенном реакторе. При увеличении потока до верхнего предела (1*10-7 Nном) КНТ-31 извлекают из активной зоны.
Ионизационная камера КНК-56. Является токовой компенсированной ионизационной камерой с газообразным радиатором, используется на малых уровнях мощности.
Ионизационная камера КНК-53М. Является токовой компенсированной ионизационной камерой с твердым радиатором, используется в рабочем диапазоне мощности.
Внутризонная триаксиальная токовая камера деления КТВ-17. Используется в рабочем диапазоне мощности для определения энерговыделения в локальных районах.
Плотность нейтронов в диапазоне от уровня рабочих мощностей реактора до остановленного состояния изменяется на 10-11 порядков. Поэтому весь измерительный диапазон разбивают на несколько диапазонов:
Режим пуска - от 1*10-11 до 1*10-7 Nном.
Режим регулируемого разгона - от 4*10-8 до 2,5*10-3 Nном,
Режим работы на минимальном контролируемом уровне (МКУ) от 2,5*10-3 до 5*10-2 Nном;
Режим работы на мощности (энергетический) - от 5*10-2 до 1,25 Nном.