автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Минимизация влияния пространственных эффектов на измерения реактивности в быстрых реакторах нового поколения

На правах рукописи УДК 621.039.52б

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

И 6 АВГ2012

0бнинск-2012

005046659

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

Научный руководитель: Литицкий Владимир Андреевич

кандидат технических наук, начальник лаборатории ГНЦ РФ-ФЭИ

Официальные оппоненты: Казанский Юрий Алексеевич

доктор физико-математических наук, профессор кафедры РКР АЭС ИАТЭ НИЯУ МИФИ

Сомов Иван Егорович

кандидат технических наук, начальник лаборатории ГНЦ РФ-ФЭИ

Ведущая организация: НИЦ «Курчатовский институт»,

Институт перспективных энергетических технологий.

Защита состоится 28 сентября 2012 года в 10— 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 /У С^'О^-р 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 существенному влиянию пространственных эффектов, что в свою очередь делает невозможным применение традиционных методик измерения реактивности. К тому же использование смешанного топлива в БР нового поколения приводит к уменьшению эффективной доли запаздывающих нейтронов (311), что в свою очередь увеличивает диапазон измеряемых величин реактивности (в шкале рэф) более чем в два раза. Проявление пространственных эффектов при введении положительной реактивности приводит к отличающимся показаниям различно расположенных детекторов, что требует анализа влияния мест расположения детекторов и логики обработки их показаний на результаты экспериментов. Наличие этих факторов обусловило необходимость усовершенствования существующих методик измерения реактивности.

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 сборках-прототипах, получение данных по эффективности органов СУЗ проектируемых реакторов нового поколения.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Создан набор бенчмаркой с различными видами топлива на критических стендах БФС-1 и БФС-2, с помощью многодетекторной системы зарегистрированы и проанализированы переходные процессы на основе методики ОРУК.

2. Разработаны (и защищаются оформляемыми патентами) новые модификации методик измерения больших отрицательных реактивностей (в диапазоне до -(25-*-30)(33ф) в быстрых реакторах со значительным влиянием пространственных эффектов.

3. 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 групповые константы ЗН для смешанного уран-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 —30 Рэф), позволяющая, наряду с использованием расчетных результатов по изменению эффективности детектора из-за влияния пространственных эффектов, применять линейный метод наименьших квадратов для определения поправки на величину пространственного эффекта.

4. Для положительной реактивности 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 результатами, которые могут быть применены при разработке и эксплуатации перспективных быстрых реакторов (БН-800, СВБР и др.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика выбора версий групповых параметров запаздывающих нейтронов на основе анализа экспериментальных данных, оптимальным образом описывающих переходные процессы при изменении реактивности в быстрых реакторах со смешанным топливом на основе Ри и полученные на основе этой методики результаты для данных из различных национальных библиотек.

2. Расчетно-экспериментальная методика измерения больших отрицательных реактивностей (до -30 рэф) в условиях изменяющегося во времени пространственного эффекта.

3. Обобщенный алгоритм применения метода ОРУК, использующий распределенную систему детекторов, обеспечивающий измерение реактивности в условиях различного проявления пространственных эффектов (путем выбора необходимых алгоритма отработки экспериментальных данных), модернизация отдельных методик.

4. Создание модели, позволяющей оценить задержку времен достижения аварийных уставок по периоду и мощности для различно расположенных детек-

торов, обусловленную влиянием пространственных эффектов при вводе положительной реактивности, и выработка рекомендаций по их расположению и логике отбора показаний с этих детекторов.

Личный вклад автора: Планирование экспериментов на серии критических сборок БФС, получение основного массива экспериментальных данных, его последующая обработка, анализ полученных результатов, разработка новых методик, 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 РЬУ5(Ж-2010 (и принятом совместном докладе с сотрудниками ИБРАЭ на РЬУ5(Ж-2012), в журнале «Ядерная физики и инжиниринг», в трех докладах на международной конференции, посвященной 50-ти летаю 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 и списка используемой литературы из 69 наименований. Работа изложена на 115 страницах, содержит 39 рисунков, 24 таблиц.

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 приближениях, учитывающих пространственные эффекты. 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, что в свою очередь приводит к возрастающему влиянию ПЭ на измеряемые нейтронно-физические параметры. Для реактора БН-600 это отношение составляет величину ~2,5, для реактора БН-800 ~3, для реакторов БН-1200 и БРЕСТ-1200 - ~7н-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, ДЕРР-ЗД);

• определен объективный критерий для выбора оптимальной версии 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, 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-Т1МЕК).

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 ЛЕРР-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 (239Ри, 238и, 235и), величины реактивности во всем интересующем нас диапазоне, практически совпадают с результатами обработки, где использовались данные по шести изотопам (дополнительно учтены 240Ри, 241Ри и 241Аш).

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

Данные, приведенные в таблице 1, показывают, что величины реактивности, вычисленные при использовании различных версий групповых параметров запаздывающих нейтронов, могут различаться весьма существенно.

Таблица 1. Результаты измерений методом ОРУ К,

полученные при использовании различных параметров групп ЗН

Вводимая реактивность Реактивность, рэф

БНАБ-93 ШЕИ-ЗЛ ЕШБ/В-УП

Положительная реактивность (участок разгона) 0,167±0,002 0,169±0,002 0,197±0,003

Взвешивание АР-1 -0,382±0,007 -0,387±0,007 -0,425±0,008

Взвешивание АЗ-1 -2,20±0,13 -2,22±0,13 -2,69±0,16

Взвешивание 3-х кластеров -28,9±3,5 -29,3±3,5 -35,5±4,2

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).

Брели, с

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 -30 рЭф 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 эффектив-ностей 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 off-line (Dl RES, D2 RES - штрихпунктирные линии) и нового алгоритма обработки в on-line (Dl R, D2 R - отдельные точки). Из рисунка видно, что значения реактивности, вычисленные по различным алгоритмам, совпадают в пределах экспериментальных погрешностей.

1 б II б : it :б !1 ',6

^ ф «•» «» «Л» Ф — ♦ ■ — ♦ ■ — — s— —г Я Ф -щ, ■ — ™ & у — ft

Ш

L ^ DIR и D2R — «--Dl RES ~^™D2EESj

Рис. 2. Сравнение величин реактивности, полученных при использовании разных алгоритмов обработки

Примечание: погрешность в измерении реактивности, обусловленная погрешностями параметров запаздывающих нейтронов и регистрирующей аппаратурой составляют -2,5 %.

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:

1) 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;

2) смягчение спектра в активной зоне за счет появления водородосодер-жащего замедлителя оказывало влияние на величину эффективной доли запаздывающих нейтронов.

Расчеты, проведенные по программе МС№\ 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.

Граница применимости такого подхода, в принципе, не отличается от границ применимости подходов, описанных в предыдущих разделах, так как методика основана на том же предположении - о неизменности эффективности детекторов после ввода реактивности.

В разделе 3.7 описывается критерий для выбора алгоритма обработки экспериментальных результатов при использовании многодетекторной системы -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, о котором будет сказано ниже.

Иллюстрацией к вышеперечисленным соображениям могут служить результаты экспериментов на сборке БФС-105-2А, где были проведены эксперименты в диапазоне реактивностей до -30 (Зэф, 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 (Зэф и -20 рэф.

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) рэф, что приводит к необходимости разработки новой модификации методики ОРУК.

ш

0

ь-ф

1

о

05

^

л

ф 3 о х

I—

О

Время, с

-I 91 РМ Й1 1П-1 АП\ -11-1 -1Й1 1Й-1 'ЭГМ

Рис. 3. Отношение счетов детектора 1 к детектору 2 при введении одного кластера

Рис. 4. Отношение счетов детектора 1 к детектору 2 при введении двух кластеров

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 эф-фективностей 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).

Время, с

Рис. 5. Изменение эффективности детектора № 2 после ввода реактивности на 10-й с

Приведенные результаты показывают, что для значений реактивности в несколько рзф (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-Т1МЕ11 для сборки БФС-105-2А (в диапазоне до —30 рэф) 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-энергетического распределения 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 (рисунок 6).

Рис. 6. Схематическое представление выбора коэффициента (амплитуды) с минимальной суммой квадратов невязок (сплошная кривая - расчетная величина, полученная по программе ГЕФЕСТ-Т1МЕ11 для данного 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).

л

0,98 0,96 0,94

1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111

Рис. 7. Изменение эффективности детектора № 3 при изменении плотности бора

в органах СУЗ на 20 %

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: о °°

§2>А/ |м(г')ехр(-а.,.(/-0К р^о-ок

_Р_ = 1______0___

(Зэф М(/) М(0 МО)'

где М(0 = и(/)/е(0, е(0 - рассчитанная эффективность детектора, «(/) - счет детектора, 5 - 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:

2(1) ~а + Ь + х(г) + С • у{г)

для которого постоянные коэффициенты а, Ь и С могут быть найдены после обработки зарегистрированной кривой скорости счета для каждого из детекторов.

Для нашего случая искомые параметры р/(3Эф, Л\ф и 8 линейным методом наименьших квадратов ищутся из уравнения:

Рэф

О

е(0ХаЛ/ J"C')exp(-X,-(i-f'))c/f'

где x(t) =-^-—-,

n(t)

n(t)

СI \[ )

-co 1 4 ' _ j

n(0

e0 = const при t < 0;

е(0 =',

(е^) при 1> 0.

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 ~9рэф), 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 «разгон-сброс», 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 (3Эф, полученные методом ОРУК

при использовании различных приближений при сбросе трех кластеров

Детектор №1 Детектор №2 Детектор №3

-18,2+2,8 -24,4±2,7 -26,2±2,5

-25,2+2,5 -30,1±2,4 -27,9+2,8

-29,8±1,8 -28,2±1,7 -29,7+1,8

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 реакти-метра, существенными особенностями которого являются: применение многодетекторной системы, использование отношения счетов детекторов в качестве критерия выбора алгоритма обработки экспериментальных данных, введение расчетных поправок на изменение эффективности детектора, применение обоснованных в данной работе алгоритмов обработки.

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 рэф 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 -20 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 ~7 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 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 БФС-107-2, имеющую отношение диаметра активной зоны к ее высоте около единицы.

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.

Вверенная полсясительнаярзакгивностъ, центы

Рис. 8. Изменение отношения счетов детектора для сборок ♦ - БФС-76-Б, ■ - БФС-78-2, А -БФС-107-2

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.

_Вре:у1я,с_

Детектор 1 —»— Детектор 2

Рис. 9. Расхождение отнормированных счетов детектора № 1 и детектора № 2

во..............

| 1 6 И 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61

сч С

(Я

" 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 начала движения РО-1, момент времени 25 с соответствует моменту окончания ввода положительной реактивности)

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.

160 1-

W

0 150 -

Í 140

1 130

Z. 120

I 110 & 100 С

>в 90 Ü

я 80

I 70

I 60

s 1-6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86

Время, сек

I —*— Детектор 1 —w— Детектор 2 I Рис. 11. Значения мгновенного периода для детекторов № 1 и № 2

Таким образом, во время ввода положительной реактивности детектор № 1 показывает меньшие значения мгновенного периода реактора и соответственно раньше достигает заданных уставок аварийной защиты по периоду. Задержка по этому параметру по детектору № 2 также составляет весьма заметную величину (в 3-4 секунды).

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

О -1-1-I-1-1-1-I-!-'-'-'->->-

1 б П 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61

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 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 а, представляющего собой величину относительного пространственного эффекта, представляющего собой изменение отношения эффективностей детекторов, деленное на время движения стержня. Выражение для скоростей счета детекторов имеет вид:

дг ( аЛ

V тй )

О < / < /0

где ¿о _ время движения стержня РО-1; а - относительный пространственный эффект.

Откуда величина задержкй при достижении некоторого заданного уровня мощности составит:

Дг=ат,

где т - период реактора.

Для задержки времени достижения аварийной уставки по периоду получим следую формулу:

а 2 Д/ = — т.

'о

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 ОРУ К, 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.), что поможет избежать задержек в срабатывании АЗ в аварийной ситуации.

Основные выводы раздела 5

- 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 0,2 рэф). Величина относительного пространственного эффекта для этих сборок (0,5% на введенный цент реактивности) в несколько раз превышает аналогичный параметр для сборок БФС-107-2 (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-78-2 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. Переход на плутониевое топливо и «уплощенные» активные зоны разрабатываемых реакторов инициировали создание и апробацию новых методик измерения реактивности, которые могут быть использованы как на критических сборках, так и на реакторах АЭС (диапазон использования методик должен быть, как минимум, в два раза шире ранее используемого в условиях весьма сильного влияния пространственных эффектов). Для этого на основе методики ОРУК была проведена серия экспериментов, как на специально созданных бенчмарк-сборках простейшей геометрии (БФС-105-2А, БФС-107-2), так и более сложных моделях реакторов (БФС-78-2, БФС-76-Б) с помощью многодетекторной системы регистрации.

2. Новая предложенная методика позволила проводить измерения реактивности в весьма широком диапазоне - до 30 рэф, 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 6-8% во всем диапазоне измерений.

3. Эксперименты позволили определить оптимальную версию групповых параметров запаздывающих нейтронов из трех наиболее часто используемых библиотек нейтронных данных - БНАБ, JEFF, ENDF/B-VII, которая должна быть использована для реакторов с плутониевым топливом.

4. Разработана схема многодетекторного реактиметра, который может быть использован как на критических стендах, так и на реакторах АЭС, модернизирован набор используемых методик.

5. С помощью разработанного набора методик получены результаты, которые будут использоваться при проектной разработке и создании реакторов БН-800, СВБР и др.

6. 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 рэф). Это весьма заметно влияет на величину измеряемой положительной реактивности, мгновенное значение периода и мощности реактора по разным детекторам (задержки достигают 3-4 секунд). Создана простая аналитическая модель для оценки этих эффектов.

7. 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, 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 1. Селезнев Е.Ф., Белов A.A., Матвеенко И.П., Жуков A.M., Раскач К.Ф. Кинетика реакторов на быстрых нейтронах // Ядерная физика и инжиниринг. -2012. - Том 3,№ 1.-С. 28-40.

Материалы конференций и тезисы докладов

1. Жуков A.M. Модификация базы данных оцененных реакторных экспериментов / ВОЛГА-2008: Материалы XV семинара по проблемам физики реакторов. — Москва, 2-6 сентября 2008 г. - С. 211-212.

2. Seleznev E.F., Belov A.A., Mushkaterov A.A., Matveenko I.P., Zhukov A.M., Raskatch K.F. Fast Breeder Reactor Kinetics. An Inverse Problem / PHYSOR-

2010: Intern. Conf. on the Physics of Reactors "Advances in Reactor Physics to Power the Nuclear Renaissance". - Pittsburg, USA, 2010, May 9-14. - CD-ROM.

3. Seleznev E.F., Belov A.A., Mushkaterov A.A., Matveenko I.P., Zhukov A.M., Raskatch K.F. Fast Breeder Reactor Kinetics. A Direct Problem / PHYSOR-2010: Intern. Conf. on the Physics of Reactors "Advances in Reactor Physics to Power the Nuclear Renaissance". - Pittsburg, USA, 2010, May 9-14. - CD-ROM.

4. Жуков A.M. 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 2010.

5. Жуков A.M., Матвеенко И.П., Михайлов Г.М., Яровой М.В. Экспериментальное изучение пространственных эффектов при введении положительной реактивности на модели быстрого реактора с натриевым теплоносителем / «Нейтроника-2011». - 25-28 октября, Обнинск, 2011. - Обнинск, 2012.

6. Жуков A.M., Яровой М.В., Прищепа В.В. Влияние пространственных эффектов на времена достижения аварийных уставок в быстрых реакторах при положительных реактивностях / VI Отрасл. научно-практическая конф. молодых специалистов и аспирантов: «Молодежь ЯТЦ: наука, производство, экологическая безопасность». - Железногорск, 8-11 ноября 2011. - С. 20-24.

7. Жуков A.M., Матвеенко И.П., Михайлов Г.М., Яровой М.В. О влиянии пространственных эффектов на нейтронно-физические характеристики при положительной реактивности / Тез. д-дов конференции «БФС-50». - Обнинск, 28 февраля - 2 марта 2012. - С. 78.

8. Жуков A.M., Прищепа В.В., Семенов М.Ю., Яровой М.В. Экспериментальное обоснование выбора групповых параметров запаздывающих нейтронов / Тез. д-дов конференции «БФС-50». - Обнинск, 28 февраля - 2 марта 2012. - С. 87.

9. Селезнев Е.Ф., Белов А.А., Березнев В.П., Васекин В.Н. (ИБРАЭ РАН), Матвеенко И.П., Жуков A.M., Раскач К.Ф. Анализ экспериментов на БФС по пространственной кинетике / Тез. д-дов конференции «БФС-50». - Обнинск, 28 февраля - 2 марта 2012. - С. 37.

10. Seleznev E.F.,.Belov А.А, Matveenko I.P., Zhukov A.M., Raskatch K.F. 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 (2012).

Подписано к печати 02.07.2012. Формат 60x84 1/16. Усл. п. л. 0,8. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 75 экз. Заказ № 256.

Отпечатано в ОНТИ методом прямого репродуцирования с оригинала автора. 249033, Обнинск Калужской обл., пл. Бондаренко, 1. ГНЦ РФ - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского.

Введение.

Глава

Установка БФС. Обзор методик измерения реактивности в условиях влияния пространственных эффектов. Описание характеристик использованной электронной аппаратуры.

1.1 Описание критических стендов БФС, их возможности для моделирования перспективных быстрых реакторов.

1.1.1 Вводные замечания.

1.1.2 Описание конструкции критического стенда БФС-1.

1.1.2 Описание критического стенда БФС-2.

1.2 Характеристики используемой в экспериментах электронной аппаратуры.

1.3. Обзор методик измерения реактивности в условиях влияния пространственных эффектов.

1.3.1 Обзор методик учета влияния пространственных эффектов при измерении реактивности методом ОРУ К.

1.3.2 Другие методы измерения реактивности.

1.3.3 Краткое описание расчетных комплексов, используемых для вычисления поправок.

1.4 Требования к диапазону измерений реактивности для перспективных быстрых реакторов.

1.5 Выводы.

Глава

Выбор групповых параметров запаздывающих нейтронов для перспективных быстрых реакторов.

2.1 Вводные замечания.

2.2 Описание критической сборки БФС-105-2А - бенчмарка для тестировки нейтронных данных и методик измерения реактивности (модели быстрого реактора, охлаждаемого паром).

2.2.1 Описание ядерных и конструкционных материалов, использовавшихся в критических сборках и в штатных органах СУЗ.

2.2.2 Картограммы загрузок критических сборок.

2.2.3 Некоторые эксплуатационные характеристики критической сборки.

2.3 Методика проведения эксперимента.

2.4 Групповые параметры запаздывающих нейтронов для сборки БФС 105-2А.

2.5 Результаты обработки экспериментов.

2.5.1 Учет количества делящихся изотопов.

2.5.2 Обработка экспериментов по измерению реактивности при использовании различных версий параметров запаздывающих нейтронов.

2.5.3 Критерий выбора групповых параметров запаздывающих нейтронов.

2.6 Выводы.

Глава

Учет пространственных эффектов и границы применимости методик при измерении эффективности поглотителей на критических сборках БФС-105-2А, БФС-107-2, БФС-78-2.

3.1 Вводные замечания.

3.2 Алгоритмы обработки в приближении точечной кинетики (вычисление реактивности и эффективного источника) в режиме off-line.

3.3 Расположение детекторов при проведении измерений реактивности.

3.4 Алгоритм обработки экспериментальных данных, учитывающий влияние пространственных эффектов (поиск трех параметров - реактивность, эффективный источник, отношения эффективности детекторов).

3.5 Алгоритм поиска трех параметров в режиме on-line. Приборная реализация.

3.6 Алгоритм обработки с введением расчетных поправок (бенчмарк-сборка БФС-107-2).

3.6.1 Описание критической сборки БФС-107-2.

3.6.2 Порядок проведения эксперимента.

3.6.3 Расчетное сопровождение эксперимента.

3.6.4 Обработка результатов экспериментов.

3.7 Взаимная нормировка показаний различных детекторов в течение эксперимента -важнейший критерий для выбора алгоритма обработки.

3.8 Замечания о границах применимости рассмотренных методик.

3.9 Выводы.

Глава

Измерения больших отрицательных реактивностей методом ОРУК.

4.1. Вводные замечания.

4.2 Результаты расчетов изменений эффективности детекторов при измерении больших отрицательных реактивностей.

4.3 Методика поиска корректирующей поправки к рассчитанной эффективности детектора линейным методом наименьших квадратов.

4.4 Реализация замены топливных стержней в зоне сборки БФС-105-2А на борные кластеры.

4.5 Структурная схема модернизированного реактиметра.

4.7 Выводы.

Глава

Влияние пространственных эффектов при введении положительной реактивности.

5.1 Описание критической сборки БФС-76-Б.

5.1.1 Описание ядерных и конструкционных материалов.

5.1.2 Описание картограммы загрузки критической сборки.

5.2 Описание критической сборки БФС-78-2.

5.3 Измерения при введении положительных реактивностей в диапазоне до 20 центов многодетекторной системой на сборке БФС-76-Б.

5.4 Влияние пространственных эффектов на кинетические характеристики: значение мгновенного периода реактора, величина мощности реактора по различным детекторам.

5.5 Описание экспериментов и результатов на критической сборке БФС-78-2.

5.6 Возможные варианты минимизации влияния пространственных эффектов на формирование сигналов аварийной защиты.

5.7 Выводы.

Создание быстрых реакторов нового поколения, реализуемое в Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года» требует экспериментального обоснования, проводимого на критических стендах БФС. Реакторы нового поколения, хотя и различающиеся типом используемого топлива (МОХ или смешанный нитрид), типом теплоносителя (свинец, натрий, свинец-висмут) характеризуются общими особенностями, среди которых необходимо упомянуть прежде всего - использование смешанного плутониевого и уранового топлива, а также «уплощенные» формы активных зон, т.е. отношение диаметра активной зоны к ее высоте значительно больше единицы (для реактора БН-800 это отношение составляет ~3, для реакторов БН-1200 и БРЕСТ-1200 ~ 6-8). Это, в свою очередь, вызывает значительную деформацию нейтронных полей при введении поглощающих стержней или возникновении аварийных ситуаций. Эти, так называемые, пространственные эффекты приводят к, весьма, значительным осложнениям в применении традиционных методик измерения реактивности, применяемых как на критических сборках, где проводят исследования моделей разрабатываемых реакторов, так и непосредственно на реакторах АЭС в процессе их пуска и последующей эксплуатации.

Другая особенность нового поколения реакторов, обусловленная условием использования смешанного топлива - уменьшение практически в два раза эффективной доли запаздывающих нейтронов и, соответственно, весьма значительное расширение диапазона измеряемой реактивности (в единицах эффективных долей запаздывающих нейтронов).

Проявление пространственных эффектов при положительных реактивностях приводит к тому, что нейтронные детекторы, располагающихся в различных местах будут показывать различные величины мгновенного периода реактора и его мощности, что, безусловно, потребует тщательного анализа для обоснования места расположения нейтронных детекторов, логики обработки их показаний.

Цель работы

Основная цель работы - обоснование набора методик и используемых нейтронных данных для измерения нейтронно-физических характеристик (в первую очередь - реактивности), разработка новых 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:

1. На серии критических сборок обоснован выбор групповых параметров запаздывающих нейтронов (из различных национальных библиотек) и количества основных делящихся изотопов, необходимых для корректного описания эксперимента.

2. Сформулированы и экспериментально обоснованы методики измерения реактивности, которые могут быть использованы как на критических стендах БФС, так и на реакторах АЭС.

3. Разработаны (и защищаются оформляемыми патентами) новые модификации методик измерения больших отрицательных реактивностей (в диапазоне до минус 25-30рэфф) в реакторах со значительным влиянием пространственных эффектов. Методики были использованы для измерений эффективности макетов органов СУЗ на моделях разрабатываемых реакторов.

4. Экспериментально зарегистрировано влияние пространственных эффектов при введении положительной реактивности, которое проявляется как в весьма значительных систематических погрешностях определения реактивности, так и в задержках достижения уставок аварийной защиты по периоду и мощности реактора. Разработана простая аналитическая модель для оценки времен задержек для различно расположенных детекторов.

Научная новизна работы

Научная новизна заключается в разработанных методах анализа экспериментальных данных:

1. Оценено влияние выбора групповых параметров ЗН на результаты измерения реактивности (в различных национальных библиотеках нейтронных данных - БНАБ, ENDF, JEFF существуют в настоящее время различные данные по групповым параметрам запаздывающих нейтронов и выбор версии - неочевиден), показана необходимость выбора оптимального варианта, на основе критерия минимального расхождения с экспериментальными данными рекомендованы оптимальные варианты для плутония.

2. Апробирована (на основе серии экспериментов на различных критических сборках с различными видами топлива) новая методика измерения реактивности в реакторах с заметным влиянием пространственных эффектов в режиме on-line и определены границы применимости данной методики.

3. Обработаны и проанализированы результаты измерений подкритичности сборки, искусственно выводимой в критическое состояние догрузкой полиэтиленовых стержней в межтрубные зазоры, что оказывало сильное влияние, как на эффективность детекторов, так и на величину эффективной доли запаздывающих нейтронов (впервые использованы корректирующие расчеты, проведенные по программе MCNP), оценены погрешности экспериментов.

4. Предложена и обоснована (на основе расчетов программы ГЕФЕСТ - TIMER) методика измерения больших отрицательных реактивностей (до минус 30 (3Эфф), 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.

5. Создана простая 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 для минимизации возможных задержек в формировании сигнала для аварийной защиты, а также корректного определения реактивности на основе методики решения обращенного уравнения кинетики (ОРУК).

Практическая значимость работы:

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 должны быть использованы при дальнейших проектных разработках. Разработанные методики могут быть использованы в дальнейшем как на критстендах БФС, так и при пуске и эксплуатации разрабатываемых реакторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. 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 Ри, а также количество основных делящихся изотопов, которые необходимо принимать во внимание при анализе переходных процессов.

2. Методика определения реактивности в условии влияния пространственных эффектов, работающей в режиме on-line, а также границы ее применимости и оценка соответствующих погрешностей.

3. Разработка расчетно-экспериментальной методики измерения больших отрицательных реактивностей (до минус 30 рэфф)

4. Формулирование основных принципов создания реактиметра, необходимого для измерения реактивности в реакторе со значительными пространственными эффектами.

5. Для реакторов, имеющих уплощенную форму активной зоны (отношение диаметра к высоте активной зоны больше трех) - 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 минимизации влияния пространственных эффектов.

Личный вклад автора:

Планирование экспериментов на серии критических сборок БФС, получение основного массива экспериментальных данных, его последующая обработка, анализ полученных результатов, использование расчетных данных (как ИБРАЭ, так и 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 PhY-SOR-2010 (и принятом совместном докладе с струдниками ИБРАЭ на PhYSC)R-2012), в журнале «Ядерная физики и инжиниринг», в трех докладах на международной конференции, посвященной 50ти-летию БФС, докладе на конференции «Нейтроника-2011», в находящейся в печати статье в журнале «Известия ВУЗОВ. Атомная Энергетика», 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 118 страницах, содержит 39 рисунков, 24 таблиц и список цитируемой литературы из 69 наименований.

Выводы:

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 сборках - бенчмарках (БФС-105-2А, БФС-107-2), так и моделях реакторов БН-800 и др. - БФС-78-2, БФС-76-Б с помощью многодетекторной системы регистрации.

2. Эксперименты позволили определить оптимальную версию групповых параметров запаздывающих нейтронов для уран-плутониевых активных зон из трех наиболее часто используемых библиотек нейтронных данных - БНАБ, JEFF, ENDF/B-VII. Установлено, что наилучшее согласие с экспериментом дают библиотеки БНАБ-93 и JEFF-3.1.

3. Разработана схема много детекторного реактиметра для использования в проектируемых быстрых реакторов нового поколения, где наряду с весьма значительным расширением диапазона измерений реактивности в единицах рэфф весьма значительную роль играют пространственные эффекты, влияние которых возрастает по мере «уплощения» активных зон (существенными особенностями предложенной схемы реактиметра являются использование отношения счетов детекторов как критерия выбора алгоритма обработки, использование on-line методик измерения реактивности с учетом пространственных эффектов, введение расчетных поправок на изменение эффективности детекторов).

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 сборках-макетах, разрабатываемых в настоящее время реакторов. В частности, одна из методик позволяет проводить измерения реактивности в весьма широком диапазоне - до 30 (3Эфф, причем, данная методика 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 позволяет минимизировать погрешность, обусловленную влиянием пространственных эффектов до величины 6-8% во всем диапазоне измерений.

5. 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 0,2 рэфф). Величина относительного пространственного эффекта для этих сборок (0,5% на введенный цент реактивности) в несколько раз превышает аналогичный параметр для сборок БФС-107-2 (имеющих отношение диаметр к высоте около единицы).

Изменение эффективностей двух диаметрально расположенных детекторов происходит в значительной степени только во время введения реактивности, а после окончания введения эта величина остается практически постоянной. Это весьма заметно влияет на величину измеряемой положительной реактивности и позволило создать достаточно простую аналитическую модель 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 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 менять логику обработки показаний для избежания возможных задержек во времени достижения аварийных уставок по периоду и мощности.

Заключение и выводы

Разработка быстрых реакторов нового поколения, как в нашей стране, так и ведущих зарубежных странах характеризуются двумя факторами:

- использованием плутониевого топлива (МОХ, смешанный нитрид, металлическое топливо и др.)

- ростом единичной мощности реакторов, что сопровождается увеличением отношения диаметра активной зоны к высоте.

Первая из этих особенностей приводит к значительным изменениям эффективной доли запаздывающих нейтронов, по сравнению с урановым топливом - практически уменьшением в два раза. Это обстоятельство ведет к увеличению диапазона измерения реактивности более чем в два раза при тех же условиях. Вторая особенность неминуемо ведет к росту пространственных эффектов, проявляющихся в изменении пространственно-энергетических распределений нейтронов при возмущении реактивности. Так, например, если для БН-800 отношения диаметра активной зоны к высоте составляет практически -три, что заметно больше, чем для БН-600, то для БН-1200 и БРЕСТ-1200 - эта величина практически в 2 раза больше. Это накладывает дополнительные ограничения на методики измерения нейтронно-физических характеристик реакторов, основанные на методе ОРУК.

Разработанные к настоящему времени методики ОРУК, учитывающие влияние пространственных эффектов, позволяют с необходимой точностью измерять реактивность в диапазоне до 7-10 рэфф, что соответствует задачам измерения реактивности на реакторе БН-600. Создание следующих быстрых реакторов со смешанным уран-плутониевым топливом расширяет этот диапазон более чем в два раза (практически до 25-30 Рэфф), а «уплощение» их активных зон ведет к всё более возрастающему влиянию пространственных эффектов, учет которых требует разработки новых методологических подходов.

Разработка этих методик и являлась целью данной диссертационной работы. Для ее реализации были проведены экспериментальные исследования на ряде критических сборок БФС. В их число входили как сборки-бенчмарки максимально простой геометрии и состава, так и сборки более усложненного состава (БФС-105-2А, БФС-76-Б, БФС-78-2, БФС-107-2), имеющие различное отношение диаметра активной зоны к ее высоте, а также различные виды топлива (полногрузные урановые зоны, зоны с различным топливом в подзонах, зоны с целиком МОХ-топливом). На этих сборках с помощью многодетектоной системы регистрации нейтронных потоков был проведен цикл измерений как отрицатель

109 ных реактивностей (на основе методики ОРУК в диапазоне до минус ЗОРэфф), так и в области положительных реактивностей, когда наряду с величиной реактивности, определялись значения мгновенного периода и мощности реактора для различно расположенных детекторов. Следует отметить, что анализ экспериментов подобного рода не возможен без тщательного расчетного сопровождения. Такие расчеты проводились как в ГНЦ РФ-ФЭИ, так и в ИБРАЭ РАН на основе комплексов программ ТРИГЕКС, MCNP, ГЕФЕСТ-TIMER.

Разработанные методики позволили получить необходимые для обоснования проектных характеристик данные по эффективностям макетов органов СУЗ проектируемых реакторов, а также получить необходимую для отработки методик информацию на сборках-бенчмарках и отработать модель реактиметра нового поколения, который может быть использован как на критических стендах БФС, так и на АЭС с новыми быстрыми реакторами.

1. Ю.А. Казанский, В.А. Дулин, и др., Методы изучения реакторных характеристик на критических сборках БФС., М., Атомиздат, 1977.

2. Материалы международной конференции, посвященной 50ти-летию критического стенда БФС,ФЭИ, Обнинск, 2012

3. A.B. Грачев, А.Г. Шокодько, Реактиметр-2000, Препринт ФЭИ, 2000

4. Хетрик Д. Динамика ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1975.

5. Henry A.F. The Application of Reaactor Kenetics to the Analysis of Experiments. -Nucl. Sei. Eng. 1958.V.3. № 1. P.52-70.

6. БеллД., Глесстон С. Теория ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1974.

7. Хващевски С. Определение глобальной реактивности ядерного реактора. Kernenergie. 1979. Bd.22. Н2. S.45-49.

8. Литицкий В.А., Бондаренко В.В., Куприянов И.А. Методы и средства измерения реактивности размножающих сред. Ч.Ш. Инверсно-кинетические методы. Обнинск: ФЭИ, 1982.

9. А.Т. Баков, А.П. Бондарев, A.B. Грачев и др., Цифровой реактиметр на базе микроЭВМ «Электроника-60». препринт ФЭИ-1439, Обнинск, 1983.

10. Усачев J1.H. Уравнение для ценности нейтронов, кинетики реакторов и теория возмущений. Материалы Междунар. конф. по мирному использованию атомной энергии (Женева, 1955г.). - М.: Изд-во АН СССР, 1958, т.5, с.598-606.

11. Mihalcso J.T., Mathis M.V., Pare V.K. Reactivity Surveillance Experiments with the Engineering Mock-Up Core of the FFTF. Nucl. Sei. Eng. 1976. V. 59. № 3. P.350-369.

12. Сарылов В.H., Воскресенский Ф.Ф., Горбунов А,H. Цифровые реактиметры. -Атомная техника за рубежом. 1979, № 11, с. 19-24.

13. Dow B.L., Rettus W.G., Wilson T.L. Measurement Uncertainty in Core Physice Parameters. Trana. Amer. Nucl. Soc., 1977, v.27, № 2, p.895-896.

14. Шокодько А.Г. Строгое уравнение кинетики ядерных реакторов //ВАНТ. Сер. Физика и техника ядерных реакторов, 1988, вып.4, с.3-9.

15. Казанский Ю.А., Матвеенко И.П., Тютюнников П.Л., Шокодько А.Г. К учету пространственных эффектов при измерении реактивности методом обращенного решения уравнения кинетики. Атомная энергия. 1981. Т.51. Вып.6. С.387-389.

16. Готье Ж.К., Матвеенко И.П., Карпентер С.Г. и др. Сравнение эффективности поглощающих стержней быстрых реакторов // Атомная энергия, 1989, т.66, вып.5, с.302-308.

17. Лейпунский А.И. и др. Быстрый реактор БН-600. NUCIEX-69, Базель, 1969.

18. Будов В.М. и др. Быстрый реактор БН-600 установка для энергетики ближайшего будущего. NUCIEX-75, Базель, 1975.

19. Казачковский О.Д. и др. In: Proc. Intern. Conf on Nuclear Power and its Fuel Cycle, Salzburg, 1977. V.l. Vienna. IAEA, 1977, p.393.

20. Орлов B.B. Изучение модели реактора БН-600 на стенде БФС-2. В кн.: Труды II Симп. СЭВ по быстрым реакторам. Обнинск, 1973.

21. Правила ядерной безопасности атомных электростанций (ПБЯ-04-74). М., Атомиз-дат, 1978.

22. Орлов В.В. и др. Атомная энергия, 1977, т.42, вып.1, с.З.

23. Баков А.Т. и др. "Определение эффективности стержней СУЗ на реакторе БН-600", "Эксперимент в физике реакторов", Материалы Третьего Всесоюзного Семинара по проблеме физики реакторов, Москва, июнь 1982, ЦНИИ АТОМИНФОРМ, 1983, стр. 105-111.

24. Дж.Вест и др. "Измерения эффективности стержней в быстром реакторе", АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ, том 66, выпуск 5, май 1989, стр. 302-311.

25. Калашников В.И., Козодаев М.С. "Детекторы элементарных частиц", Наука, М, 1966.

26. Allen J. е.а. Trans American Nuclear Society., 1974, v. 18, p. 417

27. Ferguson K. e.a. Nuclear Technology, 1976, v. 29, №1, p. 37.

28. Литицкий В.А., Макаров О.И., Об измерении реактивности методом обращенного решения уравнения кинетики с учетом пространственно-временных эффектов, Атомная энергия, т.69, вып.5, ноябрь 1990.

29. В.А. Литицкий, Р.Э. Багдасаров, Богачек Л.Н. и др., Измерение реактивности методом ОРУК при наличии фоновой составляющей во входном сигнале, Атомная энергия, т. 76, вып. 3, март 1994, с. 171-174.

30. С.В. Цыганов, Л.К. Шишков, Измерение эффективности органов регулирования ВВЭР, Атомная энергия, т. 96, вып.З, март 2004, с. 183-188.

31. Б.Д. Абрамов, О принципиальной невозможности точного измерения реактивности неизвестного состояния реактора методом ОРУК, ГНЦ-РФ ФЭИ, Обнинск

32. В.А. Литицкий, B.B. Бондаренко, И.А. Куприянова, Методы и средства измерения реактивности размножающих сред. Часть III. Инверсно-кинетические методы, обзорная информация, ФЭИ, ОБ-153-1, 1982

33. Кипин Дж.Р. Физические основы кинетики ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1967.

34. Э.А. Стумбур и др., Границы применимости a-метода для измерения реактивности в уран-водных системах, сборник «Теоретические и экспериментальные проблемы нестационарного переноса нейтронов», Атомиздат, М., 1972.

35. И.П. Матвеенко и др., Реактиметр с импульсным нейтронным источником, сборник «Теоретические и экспериментальные проблемы нестационарного переноса нейтронов», Атомиздат, М., 1972.

36. Э.А. Стумбур и др., Интегральные импульсные методы измерения реактивности, сборник «Теоретические и экспериментальные проблемы нестационарного переноса нейтронов», Атомиздат, М., 1972.

37. A.M. Аврамов, A.B. Грачев, В.И. Журавлев и др, Применение импульсного нейтронного метода для измерения реактивности в критсборках на быстрых нейтронах, препринт ФЭИ-1028, 1980

38. Иванов А.П., Котырев А.П., Матвеев В.И. и др. Определение эффективности системы компенсирующих стержней на реакторе БН-600 // Атомная энергия, 1986, т.61, вып.4, с.246-249.

39. Колесов В.Е., Макаров О.И., Матвеенко И.П., Шокодько А.Г. Программа ДНЕСТР и ее применение для учета пространственных эффектов при измерении реактивности методом ОРУК: Препринт ФЭИ 1162, 1981.

40. И.П. Матвеенко, В.А. Литицкий, А.Г. Шокодько, Учет пространственных эффектов, ВАНТ,сер. Физика ядерных реакторов, 2008, вып.2, с. 41-47.

41. Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. "Экспериментальная физика реакторов", М., Атомиздат, 1989.

42. Уриг.Г., Статистические методы в физике ядерных реакторов, М., Атомиздат, 1974

43. B.C. Внуков, И.И. Захаркин, В.А. Литицкий и др., Расчетно-экспериментальный метод по определению подкритичности хранилищ отработанного ядерного топлива, отчет ФЭИ-9034, 1995

44. В.А. Дулин, Об определении эффективного коэффициента размножения нейтронов методами импульсного статистического источника, ФЭИ

45. В.В. Дулин, В.А. Грабежной, Определение глубоко подкритических состояний размножающих сред методом Росси-альфа, в сборнике докладов международного молодежного ядерного симпозиума «DISNAI-2004», Литва, Висагинас, 3-10 июля 2004.

46. В.А. Литицкий, В.В. Бондаренко, И.А. Куприянова, Методы и средства измерения реактивности размножающих сред. Часть I. Динамические методы, обзорная информация, ФЭИ, ОБ-151-3, 1982

47. В.А. Литицкий, В.В. Бондаренко, И.А. Куприянова, Методы и средства измерения реактивности размножающих сред. Часть II. Статистические методы, обзорная информация, ФЭИ, ОБ-152, 1982

48. Серегин А.С., Кислицына Т.С., Цибуля A.M. // Аннотация комплекса программ TRIGEX.04: Препринт ФЭИ-2846, 2000.

49. Spriggs G. Campbell Y, Piksaikin V. "An 8 group delayed neutron model", Progress in Nuclear Energy, vol,42. N 1-4, 223-257, 2002

50. Б.Д. Абрамов, Критерий оптимального выбора данных по запаздывающим нейтронам, Атомная энергия, т. 100, вып. 5, май 2006

51. Грачев А.В., Матвеенко И.П., Шокодько А.Г. и др. "Цифровой реактиметр для ядерных реакторов", Атомная энергия, т.61,вып. 2, 1986, с.110.

52. Иванов А.П., Казанский Ю.А. и др. "Определение эффективности системы компенсирующих стержней на реакторе БН-600", АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ, т.61, вып.4, акт. 1986, 246-249.

53. Литицкий В.А., Усовершенствование инверсно-кинетического метода для целей контроля параметров ядерной безопасности, диссертационная работа, инв. №2019/62 от 03.02.2003, ФЭИ

54. А.И. Воропаев, И.П. Матвеенко, В.И. Шикина и др., Анализ погрешностей реактивности по методу обращенного решения уравнения кинетики, обусловленных погрешностями параметров запаздывающих нейтронов, ВАНТ, Ядерные константы, вып. 1 (55), стр. 18, 1984, М.

55. Dow B.L., Pettus W.G., Wilson T.L., Measurements uncertainty in core physics parameters, Trans. Amer. Nucl. Soc., 1977, v.27, n 2, p.895-896

56. Матвеенко И.П., Литицкий B.A., Костромин А.Г., и др., О влиянии пространственных эффектов при измерении малой реактивности, Атомная энергетики, т. 54, вып. 5, май 1983

57. A.M. Жуков, «Модификация базы данных оцененных реакторных экспериментов», ВСЩГА-2008, Материалы XV семинара по проблемам физики реакторов, Москва, 2-6 сентября 2008г., с. 211-212

58. 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, 2010, Pittsbourgh, Pennsylvania, USA

59. A.M. 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, 2011 (в печати)

60. Е.Ф. Селезнев, A.A. Белов, И.П. Матвеенко. A.M. Жуков, К.Ф. Раскач, «Кинетика реакторов на быстрых нейтронах», Ядерная физика и инжиниринг, том 3, № 1, с. 28-40, 2012

61. A.M. Жуков, В.В. Прищепа, М.Ю. Семенов, М.В. Яровой, «Экспериментальное обоснование выбора групповых параметров запаздывающих нейтронов», сборник трудов конференции «БФС-50», Обнинск, 28 февраля 2 марта 2012, сборник тезисов 87-88 с.

62. A.M. Жуков, B.B. Прищепа, М.Ю. Семенов, М.В. Яровой, «О влиянии пространственных эффектов на времена достижения аварийных уставок в быстрых реакторах», «Известия вузов. Ядерная энергетика», 2012, (в печати)