автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Определение местоположения негерметичных ТВС в реакторе БН-600 методом перекомпенсации нейтронного поля

На правах рукописи

Лукьянов Дмитрий Александрович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ 11ЕГЕРМЕТИЧНЫХ TBC В РЕАКТОРЕ БН-600 МЕТОДОМ ПЕРЕКОМПЕНСАЦИИ НЕЙТРОННОГО ПОЛЯ

Специальность: 05.14.03 — Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Обнинск-2008

003455834

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Обнинский государственный технический университет атомной энергетики

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Скоморохов Александр Олегович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Волков Юрий Васильевич кандидат физико-математических наук Филонов Виктор Сергеевич

Ведущее предприятие: Государственный научный центр Российской

Федерации - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского

Защита состоится «/7»г? ес.<х^3 2008 г. в /У час 00 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.176.01 при Обнинском государственном техническом университете атомной энергетики по адресу 249040, Калужская обл., г. Обнинск, Студгородок, 1, ИАТЭ, зал заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Обнинского государственного технического университета атомной энергетики.

1ч » UOdJS^ J

Автореферат разослан « ' ' » UQJ^Íh^ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.176.01

д.ф.-м.н., профессор ¿¿'У? В.Л. Шаблов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Несмотря на передовую технологию и тщательный контроль при изготовлении твэлов реактора БН-600, отмечаются случаи образования дефектов в их оболочках. Для обеспечения безопасной и экономически эффективной работы реактора необходим непрерывный контроль герметичности оболочек (КТО) твэлов.

Штатная секторная система контроля герметичности оболочек твэлов (ССКГО) позволяет выявить наличие негерметичных по топливу TBC (тепловыделяющих сборок, содержащих твэлы с негерметичностью оболочек) во время работы реактора. Контроль основан на регистрации запаздывающих нейтронов, которые испускают продукты деления, попавшие в теплоноситель через дефект в оболочке твэла. Однако точность локализации этой системы в штатном режиме работы невысока.

Точное определение местоположения производится во время останова реактора путем последовательной проверки каждой подозреваемой сборки, что приводит к увеличению времени простоя реактора. Поэтому сокращение области возможного нахождения дефекта является актуальной задачей.

В диссертационной работе исследуется метод перекомпенсации нейтронного поля - активный метод, основанный на внесении локальных возмущений в различных частях активной зоны с помощью стержней системы управления и защиты (СУЗ) и регистрации отклика датчиков запаздывающих нейтронов (ДЗН). Метод перекомпенсации дает возможность определять местоположение негерметичных по топливу TBC с высокой точностью и, тем самым, существенно сузить область поиска при выполнении работ по обнаружению дефектной TBC на остановленном реакторе.

Наряду с традиционным способом применения метода перекомпенсации, требующим проведения специальных экспериментов на работающем реакторе, в диссертации предложена и исследована методика локализации, основанная на использовании результатов штатных перекомпенсаций. Новая методика перспективна и актуальна, поскольку не требует обоснования безопасности специальных экспериментов.

В настоящее время принята к выполнению Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года», утвержденная постановлением Правительства №306 от 06.10.2006. В этой программе направление №4 «Переход к инновационным технологиям развития атомной энергетики» включает в себя строительство энергоблока с реакторной установкой типа БН-800, близкого по конструкции к БН-600. Таким образом, работа является актуальной как для существующего реактора БН-600, так и для нового перспективного реактора БН-800.

Цель диссертации - разработка методического, алгоритмического и программного обеспечения системы КГО, предназначенной для определения местоположения негерметичных по топливу TBC методом перекомпенсации нейтронного поля. Система позволяет с высокой точностью определять местоположение

негерметичных TBC на работающем реакторе и существенно сокращает время простоя реактора.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработана методика определения местоположения негерметичных TBC, устойчивая к зашумлению исходных данных и обладающая высокой чувствительностью при выделении полезного сигнала ДЗН.

2. Проведена модификация штатной методики проведения штатных перекомпенсаций на реакторе БН-600 для обеспечения возможности решения задачи определения местоположения негерметичных TBC.

3. Разработан алгоритм автоматического определения моментов движения стержней СУЗ реактора БН-600.

4. Разработана методика комплексного анализа откликов ДЗН, позволяющая уменьшить уровень ошибок при принятии решений о наличии негерметичной TBC в исследуемом районе на основе учета коррелирован-ности показаний датчиков.

5. Разработана экспертная система, позволяющая определять зону расположения дефекта в период между проведением перекомпенсаций по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура реактора БН-600.

Методы исследования. В качестве методов исследования применялись: разведочный анализ данных, методы цифровой фильтрации, методы проверки статистических гипотез, метод статистического моделирования бутстреп, регрессионный анализ и методы разработки экспертных систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые проведено расчетно-экспериментапьное обоснование применимости методики перекомпенсации нейтронного поля для определения местоположения дефектных TBC на реакторе БН-600. Предложенные оригинальные алгоритмы обработки результатов измерений позволили достичь высокой точности локализации негерметичных TBC.

2. Впервые исследована возможность определения местоположения негерметичных TBC при проведении штатных перекомпенсаций - регламентных работ по компенсации выгорания ядерного топлива.

3. Впервые показано, что для выделения и отбраковки откликов ДЗН, обусловленных изменением интегральной мощности реактора, может успешно применяться многомерная статистика Хотеллинга.

4. Впервые при решении задачи КГО использован байесовский подход для вероятностного учета неопределенности в расчетах активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура.

Достоверность научных положений обеспечивается следующими факторами:

• хорошим согласием результатов применения разработанных методов локализации негерметичных сборок с полученными на остановленном реакторе прямыми данными по их реальному местоположению;

• большим объемом обработанных данных, полученных при проведении перекомпенсаций в разных микрокампаниях реактора и при различных положениях решетки КП-ТК (уровнях выгорания топлива);

• использованием как параметрических, так и непараметрических статистик, устойчивых к выбросам; проведение статистического моделирования методом бутстреп.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Научные результаты воплощены в алгоритмическом и программном обеспечении системы обнаружения дефектных сборок FLUT-600, которая внедрена в опытную эксплуатацию на реакторе БН-600. В диссертации представлена модифицированная версия системы, включающая в себя подсистему локализации негерметичных TBC по результатам специальных перекомпенсаций, подсистему ведения базы данных, полученных при проведении штатных перекомпенсаций, и подсистему проведения локализации на основе этой базы данных.

2. Применение штатных перекомпенсаций для решения задачи КТО, в отличие от специальных экспериментов, позволяет избежать непростой процедуры обоснования безопасности экспериментов.

3. Для повышения точности и достоверности результатов локализации разработано алгоритмическое и программное обеспечение экспертной системы, позволяющей уточнять зону расположения дефекта по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура.

4. Методические разработки автора используются в учебном процессе на кафедре АКИД при выполнении курсового проекта в рамках изучения дисциплины «Обнаружение и фильтрация сигналов».

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в решении всех задач, изложенных в диссертации. Разработал подсистему передачи данных по перекомпенсациям с измерительно-вычислительного комплекса Бе-лоярской АЭС, исследовал влияние особенностей системы регулирования реактора БН-600, выполнил анализ накопленной базы данных по перекомпенсациям, разработал методику определения местоположения негерметичных TBC, алгоритмическое и программное обеспечение модифицированной версии системы FLUT-600.

На защиту выносятся:

• результаты анализа данных специальных реакторных экспериментов по обоснованию применимости метода перекомпенсации нейтронного поля для определения местоположения негерметичных TBC в реакторе БН-600, методика определения местоположения негерметичных TBC;

• модификация программы проведения штатных перекомпенсаций для решения задачи локализации негерметичных TBC, алгоритмы и программы системы анализа результатов перекомпенсаций FLUT-600, включая применение многомерной статистки Хотеллинга для выявления районов активной зоны, содержащих негерметичные TBC;

• алгоритмы и программа BAYES-600 байесовской экспертной системы для определения зоны расположения негерметичных TBC по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на всероссийских и международных семинарах и конференциях:

• Международный научно-технический семинар МХО Интератомэнерго «Методы и средства контроля, диагностики и ремонта оборудования АЭС», Москва, 1989г.

• Всероссийский семинар секции №3 «Динамика, теплогидравлика и безопасность реакторов и АЭС» НТС №1 Минатома России «Современные методы и средства диагностики ЯЭУ», Обнинск, 2001г.

• VID Международная научно-техническая конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 2003г.

• X Международная научно-техническая конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 2007г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 3 статьи в научно-технических журналах, 6 публикаций в сборниках и трудах конференций. Получены 2 авторских свидетельства РФ на регистрацию программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Работа изложена на 168 страницах основного текста, содержит 64 рис., список литературы из 76 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

В первой главе контроль герметичности оболочек твэлов рассматривается как важнейшее направление технического диагностирования АЭС, поскольку оболочка твэла представляет основной барьер безопасности, удерживающий продукты деления от попадания в теплоноситель и загрязнения элементов активной зоны, трубопроводов и оборудования 1-го контура. Специфическая особенность решения задачи КГО заключается в отсутствии прямого доступа к твэ-лам, поэтому вывод о нарушении целостности оболочки делается косвенно - по наличию продуктов деления ядерного топлива в теплоносителе и/или газовой подушке реактора.

Обсуждается возрастание потребности в системах КГО, позволяющих проводить локализацию негерметичных TBC на работающем реакторе. Эти системы позволяют существенно сократить время на поиск негерметичных TBC на остановленном реакторе.

На основе обзора публикаций проводится классификация методов и подходов к диагностированию, используемых в настоящее время в системах КГО, на три основные класса:

1) прямые методы, связанные с отбором проб теплоносителя или газа из каждой TBC и их последующим анализом;

2) косвенные пассивные методы, например, основанные на сравнении показаний установленных в разных местах датчиков запаздывающих нейтронов;

3) косвенные активные или тестовые методы, основанные на анализе отклика датчиков на внесение в процессе эксплуатации специальных возмущений по различным параметрам реактора.

Первый подход (пробоотбор) дает наиболее точное и достоверное решение задачи, однако является дорогостоящим и сложным, требует специального технологического оборудования и достаточно большого времени на проведение операций поиска. На реакторе БН-600 контроль герметичности методом отбора проб из каждой TBC может проводиться только на остановленном реакторе.

Второй подход подразумевает проведение непрерывного контроля за наличием осколков деления в теплоносителе и газовой подушке. Подход наиболее привлекателен с точки зрения более низких затрат на его реализацию. Кроме того, он позволяет решать задачу обнаружения факта разгерметизации, не нарушая нормальной работы реактора. Однако при пассивном подходе трудно обеспечить высокую точность определения местоположения негерметичных TBC.

Третий подход - проведение контроля при внесении возмущений — в определенной степени компенсирует недостатки, присущие первым двум подходам и объединяет основные их достоинства. Рассматриваемый в работе метод перекомпенсации нейтронного поля относится к этому классу методов.

Метод перекомпенсации нейтронного поля предназначен для определения местоположения TBC, имеющих дефект оболочки твэлов, при котором происходит прямой контакт топлива с теплоносителем. Под перекомпенсацией подразумевается локальное изменение плотности нейтронного потока с помощью стержней регулирования реактора при поддержке полной мощности реактора (интегрального потока нейтронов) постоянной.

Физическая суть метода следующая. При локальном изменений уровня нейтронного потока изменяется количество образующихся продуктов деления и, соответственно, выход осколков в теплоноситель через дефект оболочки твэла. Присутствие в теплоносителе осколков деления контролируется датчиками запаздывающих нейтронов. Если в зоне локального изменения нейтронного потока имеются дефектные TBC и теплоноситель из этой зоны достигает в процессе циркуляции места установки датчика запаздывающих нейтронов, то сигнал этого датчика должен измениться пропорционально изменению нейтронного потока.

Приводятся данные об успешном применении метода перекомпенсации на зарубежных и отечественных АЭС.

Во второй главе обосновывается возможность применения метода перекомпенсаций нейтронного поля на реакторах на быстрых нейтронах с целью определения местоположения негерметичных TBC. Сложность системы, включающей в себя дефектный твэл, нейтронное поле, теплоноситель и датчик запаздывающих нейтронов, выдвигает на первый план прямое экспериментальное исследование, как наиболее достоверный способ проверки применимости метода перекомпенсации в условиях конкретного реактора.

В конце 12-ой микрокампании на реакторе БН-600 произошла разгерметизация нескольких TBC, и перед остановом реактора был проведен специальный эксперимент с целью проверки возможности использования метода перекомпенсации. Эксперимент проводился на пониженном уровне мощности (около 70% от номинального уровня).

В процессе выполнения программы было реализовано 12 экспериментальных режимов с внесением возмущений нейтронного поля с помощью компенсирующих стержней КП внешнего кольца. Каждое возмущение осуществлялось поднятием на 40 мм какой-либо пары соседних КП и компенсацией положительной реактивности путем перемещения вниз противоположной по внешнему кольцу пары стержней (табл.1). В эксперименте регистрировались сигналы шести датчиков запаздывающих нейтронов (4А, 4Б, 5А, 5Б, 6А, 6Б), расположенных по периметру активной зоны (рис.1).

Для визуального выявления откликов датчиков запаздывающих нейтронов на движение стержней, находящихся в непосредственной близости от дефектных TBC, использовались методы разведочного анализа. Для проверки статистической значимости откликов использовались два независимых способа: t-критерий Стьюдента и метод статистического моделирования бутстреп. Сравнение показало практически полное качественное совпадение результатов, полу-

ченных с помощью различных методов, как между собой, так и с эксплуатационными данными по реальному местоположению негерметичных сборок.

По результатам анализа удалось уверенно идентифицировать районы местонахождения 6-ти негерметичных TBC из 7-ми (рис. 1). Под районом понималась часть активной зоны, прилегающая к стержням КП, участвующим в формировании положительного возмущения в соответствующем экспериментальном режиме.

Район 7 между КП-15 и КП-16 не зафиксирован. Это, по-видимому, объясняется эффектом компенсации сигналов в случае, когда противоположные районы активной зоны содержат дефектные TBC. Чтобы избежать подобной ситуации, было принято решение о внесении возмущения отдельными стержнями в последующих экспериментах.

|ДЗН4Б|

Таблица 1 План эксперимента

№ реж. КП 40 мм вверх КП 40 мм вниз

1 9, 10 15, 16

2 10,11 16,17

3 11, 12 17,18

4 12, 13 18,7

5 13,14 7,8

6 14, 15 8,9

7 15, 16 9, 10

8 16, 17 10, 11

9 17, 18 11, 12

10 18,7 12, 13

11 7,8 13,14

12 8,9 14,15

[ДЗН6А|

Обозначения: [N] - номер режима;

ДЗН 4А,... ДЗН 6Б - датчики запаздывающих нейтронов; К1, К2,...,К19-стержниКП-ТК; А-1, А-2 - стержни АР; о - негерметичные TBC;

Рис.1. Расположение ДЗН, негерметичных TBC, и перечень указывающих на них датчиков в реакторном эксперименте 1

Другой специальный эксперимент по перекомпенсации проводился в конце 16 микрокампании реактора на пониженном уровне мощности (около 40% от номинального) и также при наличии нескольких негерметичных TBC. И в этом эксперименте анализ данных показал существование статистически значимых откликов датчиков запаздывающих нейтронов (ДЗН) при перемещении стержней, находящихся в непосредственной близости от дефектных TBC.

Возмущение поля энерговыделения в этом эксперименте проводилось путем последовательного перемещения пяти одиночных стержней. Четыре из них находились в районе предполагаемого дефекта, что позволило успешно определить местоположение негерметичных TBC. Была разработана устойчивая к за-шумлению исходных данных методика определения местоположения негерметичных TBC, которая включает в себя следующие этапы:

1. Определение откликов датчиков ДЗН на движение стержней. В качестве общей модели изменения сигналов секторных датчиков КТО использовалась линейная регрессионная модель:

где л„ 1=1,2,....6 — показания шести секторных датчиков КТО; а,, - коэффициенты регрессионной модели; а,0 - средний уровень (фон) показаний по каждому датчику; - положение стержня /'; / -время.

Так как внесение возмущений стержнями КП проводилось поочередно, с одного исходного положения И о и на одинаковую глубину ЛИ, то каждый коэффициент а,, позволяет измерить величину эффекта в показаниях /'-го датчика при внесении возмущения у'-ым стержнем с учетом временного тренда, описываемого членом х '. Значение а0 близкое к нулю означает, что при изменении положения ]-ото стержня сигнал /-ого датчика не меняется.

Коэффициенты а,р характеризующие отклики датчиков ДЗН на движение стержней, были оценены методом наименьших квадратов (МНК) по полной выборке для всех секторных датчиков КГО.

2. Определение статистической значимости откликов. Известная процедура определения ошибок оценок коэффициентов линейных регрессионных моделей требует выполнения целого ряда ограничительных предпосылок. В частности, независимости и постоянства ошибок измерения при разных значениях входных переменных. Истинным механизмом, приводящим к увеличению уровня сигнала в процессе эксперимента, является раскрытие дефекта. Описание этого процесса зависимостью от времени является косвенным описанием и не учитывает всей сложности процесса. Как следствие, ошибки модели (1) будут не полностью случайными.

Указанные трудности могут быть преодолены при применении метода статистического моделирования бутстреп для прямого моделирования влияния ошибок измерения на точность оценивания коэффициентов модели. Процедура применения бутстрепа для оценивания ошибок регрессионных коэффициентов по каждому датчику проводилась следующим образом:

а) определялся вектор расчетных показаний датчиков КГО:

5

(1)

5

р

Ь) определялся вектор оценок ошибок измерения: s,~n,~ п, ;

с) моделировалась бутстреп-выборка п° экспериментальных значений показании датчика КТО: «, = <+£, , где - случайная подвыборка из £,; с!) по методу наименьших квадратов оценивались коэффициенты модели:

5

П! = й|0+ ач х ^ + Чбх'. В соответствии с заданным параметром бут-

}=1

стрепа шаги с и <1 повторялись 1000 раз. В итоге для каждого секторного датчика КГО по каждому коэффициенту ач было получено 1000 оценок

¡С

бутстрепа ач, к = 1,2,...,1000. Так как каждая оценка бутстрепа получалась при различных выборках ошибок измерения, то тем самым моделировалось повторение эксперимента по перекомпенсации 1000 раз; е) по соответствующим выборкам были рассчитаны нормированные значения коэффициентов регрессии: анц = ац /<х,; , где иу, и у — среднее и

среднеквадратическое значение бутстреп оценок. Нормированные коэффициенты представляют собой отклонение соответствующей оценки от нуля в единицах ее среднеквадратичного отклонения. Для коэффициента а,о, характеризующему фоновые показания ДЗН, рассчитывалось только среднее значение, поскольку значимость этого коэффициента очевидна и для проведения локализации он не используется. Полученные результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2

Нормированные значения откликов ДЗН на движение стержней КП

ДЗН Фон КП-10 КП-11 КП-12 КП-2 КЛ-17 Время

4А 998.7 -2 12 -0.922 0.942 -1.02 1 34 11.5

4В 438.55 -1.18 -1.23 -0.91 -051 -2.49 5.55

5А 288.31 0 22 0.35 02 1.06 -1.19 1.63

SB 288.83 0 66 1.58 1.57 2.32 -1.58 2.43

6А 487.33 5.71 3.09 2.4 3.26 -0 88 5.22

6В 1546 9 2.42 186 1.93 4.09 -1.48 10.80

3. Выбор статистически значимых откликов ДЗН. Как видно из табл.2, все коэффициенты, характеризующие отклик датчиков запаздывающих нейтронов на возмущения нейтронного поля, вносимые стержнями КП, по датчикам 4А, 4Б, 5А, 5Б, незначимы при выборе порога За. По датчикам 4А, 4Б, 6А, 6Б имеется значимый эффект увеличения уровня сигнала за время эксперимента (коэффициент перед временем). По датчику 6Б имеется значимый эффект при внесении возмущения стержнем КП-2 . Наконец, по датчику 6А значимые эффекты имеют место при внесении возмущений стержнями КП-10, КП-11, КП-2.

4. Процедура локализации негерметичных TBC. Нормировка откликов на среднеквадратическое отклонение обеспечивает возможность сравнения откли-

ков различных ДЗН между собой. Процедура локализации основана на моделировании зависимости изменения поля энерговыделения от расстояния до источника возмущения. В работе описан алгоритм, основанный на простой модели зависимости изменения поля энерговыделения от расстояния к Уц), и сравнении статистически значимых нормированных откликов ДЗН с изменением поля в каждой TBC. Полученный результат хорошо согласуется с эксплуатационными данными (рис.2). Точность локализации составляет один ряд TBC.

Проведена оценка устойчивости работы алгоритма посредством проведения вычислительных экспериментов с зашумлением откликов ДЗН. Область активной зоны, в которую попадали подозреваемые TBC (рис.2), компактна и включает в себя место расположения дефектов, что свидетельствует об устойчивости алгоритма.

|ДЗН4Б|

1ДЗН 5А|

1ДЗН 5Б|

1ДЗН4А|

1ДЭТ5Е1

Обозначения:

К2, К10, К11, ЕМ, К17-перемещаемые стержни;

о - негерметичные TBC;

- TBC выделенные в качестве негерметичных при проведении локализации;

С? - область полученная в результате проверки устойчивости алгоритма.

1ДЗН 6А|

Рис.2. Расположение негерметичных TBC и результаты проведения локализации в реакторном эксперименте 2

Также в главе обсуждаются пути повышения эффективности методики перекомпенсации и приводятся результаты имитационного моделирования.

В третьей главе исследуется возможность практического применения штатных перекомпенсаций для решения задачи КГО. Требования безопасности, заложенные в действующий регламент эксплуатации реактора БН-600, допускают движения стержней СУЗ при перекомпенсации не более 20 мм. Поэтому совместно со специалистами БАЭС было предложено исследовать возможность поиска негерметичных TBC при проведении штатных перекомпенсаций. В штатную рабочую программу проведения штатных перекомпенсаций были внесены ряд изменений, определяющие порядок движения стержней и время между

перемещениями. Всего в 20,21 и 22 микрокампаниях реактора было записано 37 штатных перекомпенсаций.

Штатные перекомпенсации - это периодические перемещения компенсирующих стержней в реакторе с целью компенсации выгорания топлива. Основное отличие штатной перекомпенсации от специального эксперимента по обнаружению негерметичных TBC заключается в меньшем изменении положения стержней. Это ограничивает величину локального возмущения энерговыделения и, соответственно, приводит к более слабым откликам в показаниях ДЗН.

Пространственно-мощностной эффект реактивности приводит к различиям в откликах стержней системы автоматического регулирования в зависимости от местонахождения стержня КП. Кроме того, реальные характеристики системы регулирования не позволяют достаточно точно поддерживать постоянство интегральной мощности. Рассмотрим два типовых случая изменения мощности при проведении штатных перекомпенсаций - недокомпенсация и избыточная компенсация.

На рис.3 приведены графики положений стержней КП-7, АР-1 и мощности реактора, зарегистрированные при проведении одной из перекомпенсаций в 21 микрокампании. Эти графики демонстрируют, как после начала движения КП-7 и соответствующего роста мощности произошло перемещение органа АР-1. Однако перемещение АР недостаточно для возвращения мощности до первоначального уровня. В результате мощность выросла на величину около 0.2%.

На рис.4 приведены графики положений стержней КП-11, АР-1 и мощности реактора, зарегистрированные при проведении другой перекомпенсации в 21 микрокампании. В этом случае перемещение компенсатора вызвало неадекватно большое перемещение автоматического регулятора АР-1, в результате чего общая мощность упала.

Рис.3. Зависимость положения КП-7, АР-1 и

мощности реактора от времени. Пример недостаточной компенсации изменения мощности реактора

Рис.4. Зависимость положения КП-11, АР-1 и

мощности реактора от времени. Пример избыточной компенсации изменения мощности реактора

В случае избыточной компенсации перемещение компенсатора вызывает неадекватно большое перемещение автоматического регулятора, в результате чего общая мощность падает. Анализ данных показывает, что точность установления заданной нейтронной мощности не превышает 0.5% от номинальной. Эта величина соответствует техническим требованиям, однако для корректного решения задачи КГО по результатам штатных перекомпенсаций реальные особенности системы регулирования реактора БН-600 необходимо учитывать.

Изменение величины возмущения поля энерговыделения в течении микрокампании. При проведении штатных перекомпенсаций стержни КП перемещают на одну и ту же величину. Однако из-за разной эффективности этих отрезков, по мере выдвижения решетки компенсирующих стержней из зоны, отношение ДАР/ДКП может уменьшаться в несколько раз. Отметим, что стержни АР в течение всей микрокампании движутся на линейном участке рабочего хода. Таким образом, при приближении к концу микрокампании величина локальных возмущений, вносимых при фиксированных перемещениях КП (порядка 20мм), должна существенно уменьшаться.

Для учета зависимости удельного перемещения АР от положения решетки и изменения мощности реактора использовалась регрессионная модель:

-^^Л'+В'хЯ ,+С'х ДИЛ' т

А/07] 3 3 , (2)

где 1=1,..., 18 - номер стержня КП, У- номер перекомпенсации, НГ положение решетки в 1-ой перекомпенсации; А№] — изменение мощности при перемещении 1-го стержня в 1-ой перекомпенсации.

Значения коэффициентов А', В', с' были получены по методу наимень-

ЛАР'

ших квадратов. Величина ^^ - С' х АН7' характеризует изменения отношения

ААР/ДКП с учетом изменения уровня мощности и линейно зависит от положения решетки КП.

Учет эффекта важен при проведении контроля за изменением откликов датчиков запаздывающих нейтронов в ходе микрокампании (прогнозирование роста дефекта). В первом приближении величина возмущения в районе перемещаемого стержня пропорциональна корню квадратному из величины внесенного возмущения по реактивности (^Ар), а величина внесенного возмущения по реактивности (Ар) пропорциональна перемещению стержня.

По всем стержням КП рассчитываются коэффициенты А' и В' модели (2), которые используются в системе анализа РЬШ'-бОО для приведения откликов датчиков запаздывающих нейтронов к «общему» возмущению в зависимости от

- А/У

положения решетки КП АР', = где до] — изменение показания

^A'+B'xHJ

датчика запаздывающих нейтронов при перемещении 1-го стержня в Д-ой перекомпенсации. В диссертации показано существенное различие коэффициентов

для различных стержней КП, обусловленное действием пространственно-мощностного эффекта реактивности.

Сравнение интегральной и локачьной составляющих возмущений поля энерговыделения. Из анализа показаний термопар попакетного контроля следует, что при сохранении интегральной мощности температура в ближайших к стержню рядах TBC меняется на 0.5-1.0 град. В случаях неполной компенсации интегральный температурный уровень изменяется на значимую величину порядка 0.5 град. Эта величина сравнима с изменением температуры при внесении локального возмущения и, несомненно, должна учитываться специалистом по КГО при анализе откликов ДЗН и принятии решения о местонахождении дефекта. Для этого в состав разработанной автором системы FLUT-600 включен комплекс средств визуального и статистического анализа.

При отсутствии дефектов нейтроны активной зоны, проникая сквозь защиту, могут увеличивать фоновую составляющую в показаниях ДЗН и приводить к ложным срабатываниям системы. Это событие, существенно более частое, нежели возникновение дефекта в оболочке твэла, потребовало разработай специальной методики, основанной на комплексном анализе ДЗН.

С целью повышения чувствительности системы и отбраковки ложных срабатываний проводится комплексный анализ откликов ДЗН. Положительная коррелированность показаний датчиков определяется флуктуациями нейтронного потока. Если на движение стержня СУЗ среагировали все ДЗН, то в этом случае мы, скорее всего, наблюдаем отклик на общее изменение нейтронного потока. Также надо учитывать, что теплоноситель из одного района активной зоны не может достигнуть всех мест установки ДЗН. Другими словами, при наличии в районе негерметичной TBC реагировать должны только один или два соседних датчика.

Для комплексного анализа используется статистика Хотеллинга, которая является аналогом /-статистики Стьюдента для многомерного случая. Представим набор показаний датчиков запаздывающих нейтронов в некоторый момент времени вектором-столбцом: =(с?4 где t - знак транспони-

рования.

Выборки векторов в пространстве размерности р=6 и объемов шип: и d\,d[,...,dl представляют собой измерения показаний датчиков до (индекс 0) и после (индекс 1) движения стержня КП.

Для вычисления статистики Хотеллинга необходимо определить средние

векторы по каждой выборке d'!IKAil = — ; d\,Kts . Также вычисляют-

т п J=i

ся матрицы вариаций К, = X (<? - )' <Х" - ¿«ыл-), vi = X М' ~ ^lauv )' (ß! -1:1 Luv)

V +v

и общая для двух выборок ковариационная матрица W = —^ . Окончательно статистика Хотеллинга имеет вид:

2 тп_ , YW'l(d° -d1 )

1 \UUEAN "MEAN)" {"MEAN uMCAN > .

n+m

При проверке статистических гипотез с использованием статистики Хотел-линга используется соотношение между распределением Г2 и F - распределени-

т + п-р-1 г ем Фишера: (т+п_2)р ~~

Приведем пример использования статистики Хотеллинга для проверки гипотез о математических ожиданиях показаний датчиков запаздывающих нейтронов. Возьмем выборки показаний ДЗН до (ш=40) и после (п=43) движения КП-4 в перекомпенсашш 36. Результаты вычисления f-статистики представлены в табл.3.

Таблица 3

Значения f-статистики для откликов ДЗН на движение КП_

ДЗН D4A D4B D5A D5B D6A D6B

t-стат 2.391 0.8423 1.445 0.700В 1.716 2.703

Для уровня значимости а=0.01 и числа степеней свободы ш+п-2=81 критическое значение составляет /g,(o.oi)=2.365. Таким образом, нулевая гипотеза о равенстве математических ожиданий двух выборок должна быть отвергнута для двух датчиков из шести. Однако это тревога ложная (ошибка первого рода), поскольку известно, что дефектные по топливу TBC в активной зоне отсутствуют.

Значение многомерной статистики Хотеллинга, вычисленное по тем же данным, составило 2.766. Критическое значение F6J6(0 01) = 3.052, т.е. принимается нулевая гипотеза о равенстве математических ожиданий выборок и отклик датчиков запаздывающих нейтронов не значим (ложная тревога аннулируется).

В четвертой главе приведено описание алгоритмического и программного обеспечения системы FLUT-600, разработанной автором и его научным руководителем. Основное назначение системы — определение местоположения негерметичных TBC по результатам специальных и штатных перекомпенсаций. Основные возможности системы:

• обмен информацией с информационно-вычислительной системой реактора БН-600 ИВС «Комплекс-Уран»;

• ведение базы данных по перекомпенсациям;

• автоматическое разбиение данных на режимы в соответствии с перемещением стержней; проверка на соответствие программе проведения перекомпенсаций;

• построение графиков, гистограмм, структурных диаграмм по зарегистрированным параметрам;

• оценивания параметрических (среднее, дисперсия, среднеквадратическое отклонение) и непарамеггрических (медиана, размах, квантили) статистических характеристик выборок данных;

• оценка плотности распределения параметров и проверка на соответствие

нормальному распределению по критерию

• определение откликов датчиков запаздывающих нейтронов на движение стержней, проверка статистической значимости откликов (t-статистика, бутстреп, статистика Хотеллинга);

• нормировка отклика датчиков на вносимое возмущение (по положению решетки КП);

• сравнение откликов датчиков запаздывающих нейтронов со значениями в предыдущих перекомпенсациях;

• вывод отчета и выдача рекомендаций по результатам проведения штатной перекомпенсации.

Система может работать в исследовательском и технологическом режимах. Исследовательский режим подразумевает интерактивную работу по углубленному анализу данных, накопленных в базе системы. Исследовательский режим используется при наличии дефектных TBC в реакторе. При работе в технологическом режиме система автоматически отслеживает штатные перекомпенсации, регистрирует и обрабатывает данные, выводит протокол по результатам перекомпенсации. При отсутствии дефектных TBC в реакторе вмешательство оператора в работу системы не требуется.

Разбиение данных на режимы - это базовая операция в системе. Выделение моментов движения производится по результатам регистрации положения стержней КП. Проблема заключается в наличии сильных аппаратурных шумов (рис.5). При простом дифференцировании исходного сигнала величина производной в момент перемещения сравнима с производной шумовых компонент сигнала (средний график на рис.5). Для повышения точности определения моментов движения КП применялся метод сглаживания исходных данных параболами по методу наименьших квадратов и одновременного дифференцирования временных рядов. Метод позволяет эффективно бороться с шумами (нижний график на рис.5).

Для определения моментов движения по всем КП необходимо было также разработать алгоритм автоматического выбора общего порога для сравнения производных. Было предложено использовать в качестве начального значения порога абсолютную величину минимального значения производной. Это оценка соответствует уровню шумов.

Критерием для проверки допустимости выбранного значения порога является наличие по каждому КП ровно одного сплошного временного отрезка превышения производной порога (положение каждого стержня менялось только один раз, но возможно за несколько последовательных шагов). Программа начинает с минимального значения порога и увеличивает его небольшими шагами (порядка 1% от начального уровня) до момента, когда критерий выполняется по всем КП.

С помощью найденного критерия программа выделяет временные участки от начала измерений до превышения производной порога по первому двигавшемуся стержню КП, затем от конца движения первого КП (производная становит-

ся меньше порога) до начала движения следующего КП (его производная превышает порог) и т.д. Таким образом, весь период измерений разбивается на 19 стационарных (ни один КП не двигается) участков, границами между которыми являются периоды движения одного из 18-ти стержней КГ1.

5 2

Производная (приращение)

2500 3000

<D " ■ ¿J

2

2 --

TJ «! .

о

X „ '

тз ° "

Производная со сглаживанием

Рис.

О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3®0

Время,сек

5. Зависимость положения стержня КП-18 и его производных от времени

Применение дифференцирования со сглаживанием дало возможность уверенно определять моменты движения стержней СУЗ, что наряду с предложенной методикой определения оптимального порога по производной, позволило автоматически выделять стационарные участки измерений.

Алгоритм расчета откликов ДЗН на движение стержней был подробно описан ранее. При анализе результатов штатных перекомпенсаций в системе также проводится сравнение откликов датчиков запаздывающих нейтронов со значениями в предыдущих перекомпенсациях. В настоящее время база данных системы насчитывает 2 специальные и 37 штатных перекомпенсаций, зарегистрированных в 20,21 и 22 микрокампаниях реактора. По всем штатным перекомпенсациям были определены приращения ДЗН при движении стержней КП. Полученные результаты, характеризующие разброс приращений показаний датчи-

ков при проведении штатных перекомпенсаций в условиях отсутствия дефектов, приняты в системе в качестве эталонов и определяют возможную чувствительность системы при обнаружении сигнала от предшественников запаздывающих нейтронов.

В состав системы FLUT-600 включена экспертная система BAYES-600, позволяющая определять зону расположения дефекта по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура. Основной идеей методики локализации негерметичных TBC, предложенной специалистами БАЭС, является то, что различные по физическим характеристикам и условиям эксплуатации TBC из различных областей активной зоны при разгерметизации будут давать различное соотношение активностей реперных радионуклидов в газовой подушке и теплоносителе реактора.

Однако расчетные данные по активностям, по ряду объективных причин, носят оценочный характер. В некоторых случаях это одно усредненное значение, в других - интервал возможных значений. В частности указывалось, что при наличии одного дефектного твэла типа «газовая течь» активность по радионуклиду Кг-88 в газовой подушке реактора составляет 6.5х 105 Бк/л для одной области активной зоны, 1.5х 105 Бк/л для соседней с ней области и (0.3-0.85)х 105 Бк/л для следующей области. Таким образом, основной проблемой при создании расчетного алгоритма определения зоны расположения дефекта является адекватный учет имеющихся в исходной информации неопределенности.

Компьютерный алгоритм экспертной системы основан на байесовской стратегии принятия статистических решений в условиях неопределенности. Будем называть гипотезой Я, предположения о том, что негерметичная TBC находится в z'-ой области. Тогда Р(Н) есть вероятность того, что гипотеза Н, справедлива или, другими словами, вероятность того, что дефектная сборка находится в области г.

В качестве априорной вероятности нахождения дефекта в той или иной области активной зоны было взято отношение числа TBC расположенных в i-ой зоне Nj к общему числу сборок N:

= , i=l,2,...- номер области.

Условные плотности распределения вероятностей активности каждого из реперных радионуклидов при условии справедливости одной из рассматриваемых гипотез будем обозначать как F(X, /llj где через Х} обозначены реперные изотопы у. Кг-88, Хе-133, Хе-135,... Для условной плотности предполагается га-уссовская форма распределения:

где X, - измеренное значение удельной активности радионуклида j, M,j - расчетное значение удельной активности по радионуклиду j при справедливости гипо-

тезы Н,, величина <5/ определяется как доля диапазона изменения расчетных активностей по радионуклиду Х}.

После проведения измерения активности по радионуклиду Хр априорные вероятности модифицируются по формуле Байеса в апостериорные вероятности справедливости каждой гипотезы:

Затем происходит измерение активности следующего радионуклида и снова проводится пересчет вероятностей справедливости различных гипотез, но вместо априорных вероятностей Р(Н) в формулу Байеса (3) подставляются полученные на предыдущем шаге оценки P(Hi/Xj).

После измерения всех признаков и соответствующих модификаций вероятностей гипотез решение о расположении дефектной TBC принимается по максимуму апостериорной вероятности. Экспертная система BAYES-600 может использоваться в период между проведением перекомпенсаций и предназначается для предварительной оценки и независимой проверки достоверности показаний основной системы.

Система FLUT-600 принята в опытную эксплуатацию на БАЭС. На программное обеспечение системы получено 2 авторских свидетельства РФ на регистрацию программ для ЭВМ.

Основные результаты и выводы:

1. Наличие статистически значимого отклика датчиков запаздывающих нейтронов системы ССКГО на движение компенсирующего стержня, при наличии негерметичной сборки в районе этого стержня, дает основание утверждать о применимости методики перекомпенсаций на реакторах на быстрых нейтронах.

2. Применение робастной методики определения откликов ДЗН на движение стержней КП позволяет достичь высокой точности локализации негерметичных TBC при проведении специальных экспериментов по перекомпенсациям нейтронного поля.

3. Предложения по модификации порядка проведения штатных перекомпенсаций на реакторе БН-600 позволяют решать задачу КГО во время проведения регламентных работ по компенсации выгорания топлива.

4. Применение многомерной процедуры проверки гипотез о значимости откликов ДЗН уменьшает уровень ошибок первого и второго рода при принятии решений о наличии негерметичной TBC в исследуемом районе.

5. Для решения задачи КГО необходимо проводить анализ единой перекомпенсации в комплексе с анализом накопленной базы данных по накопленным штатным перекомпенсациям. Для этого разработана автоматизированная система анализа результатов штатных перекомпснсаций FLUT-600, принятая в опытную эксплуатацию на БАЭС.

P(Hl/XJ) = -

(3)

6. Для определения зоны расположения дефекта по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура может эффективно применяться байесовская стратегия принятия статистических решений в условиях неопределенности. Разработана экспертная система и включена в состав РШТ-бОО для независимой проверки достоверности показаний основной системы.

Основные результаты работы изложены в публикациях:

1. Скоморохов А.О., Лукьянов Д.А. Применение метода перекомпенсации для определения местоположения негерметичных сборок в реакторах на быстрых нейтронах // Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2007. - №2. - С.39-43.

2. Скоморохов А.О., Лукьянов Д.А. Методика локализации дефектных TBC при проведении штатных перекомпенсаций в реакторе БН-600 // Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2007. — № 3, вып.1. - С.120-129.

3. Skomorokhov А.О., Lukyanov D.A. Bayes Diagnostic System to Locate the Defected Fuel Assembly Zone on BN-600 Reactor. // BgNS Transactions - Vol. 10 - 2005 -Nol .-Pp.305-310.

4. Скоморохов A.O., Лукьянов Д.А. «FLUT-600» - программа для анализа данных, полученных при проведении перекомпенсаций нейтронного поля реактора БН-600 с целью локализации негерметичных тепловыделяющих сборок: Авторское свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2006613850 от 09.11.2006.

5. Скоморохов А.О., Лукьянов Д.А. «BAYES-600» - Байесовская диагностирующая система для определения зоны расположения негерметичной TBC в реакторе БН-600: Авторское свидетельство об официальной регистрации пробами для ЭВМ №2006613917 от 15.11.2006.

6. Скоморохов А.О., Лукьянов Д.А. АПЛ-технология макетирования локальных систем диагностирования АЭС. Опыт применения и обзор программных продуктов// Методы и средства контроля, диагностики и ремонта оборудования АЭС: тез.доют. Международного научно-технического семинара МХО Инте-ратомэнерго, Москва, 1989г. - М.: ВДНХ. - Per_Nb С-89-32/СССР. - С.35-42.

7. Лукьянов Д.А., Скоморохов А.О. Результаты комплексного анализа данных, полученных при проведении штатных перекомпенсаций нейтронного поля на реакторе БН-600// Современные методы и средства диагностики ЯЭУ: тез.докл. Всероссийского семинара секции №3 «Динамика, теплогидравлика и безопасность реакторов и АЭС» НТС №1 Минатома России, Обнинск, 2-5 октября 2001г. - Обнинск: ФЭИ, 2001. - С.53.

8. Скоморохов А.О., Лукьянов Д.А. Применение алгоритмического языка APL в технической диагностике АЭС// Контроль и диагностика: сб.науч.тр. - Обнинск: ИАТЭ, 1993. - С.203—219.

9. Скоморохов А.О., Лукьянов Д.А. Применение методики перекомпенсации для определения местоположения дефектных TBC в реакторе БН-600// Безопасность АЭС и подготовка кадров: тездокл. VIII Международной

конференции, Обнинск, 6-8 октября 2003г. - Обнинск: ИАТЭ, 2003. -С.125-126.

10.Скоморохов А.О., Лукьянов Д.А. Байесовская диагностирующая система для определения зоны расположения негерметичной TBC в реакторе БН-600// Безопасность АЭС и подготовка кадров: тез.докл. VIII Международной конференции, Обнинск, 6-8 октября 2003г. - Обнинск: ИАТЭ, 2003. - С. 126-127.

11.Скоморохов А.О., Лукьянов Д.А. Определение местоположения негерметичных TBC в реакторе БН-600 методом перекомпенсаций нейтронного поля.// Безопасность АЭС и подготовка кадров: тез.докл. X Международной конференции, Обнинск, октября 2007г. - Обнинск: ИАТЭ, 2007. - ч.1. -С.120-121.

Компьютерная верстка Д.А. Лукьянов

ЛР № 020713 от 27.04.1998

Подписано к печати i О, Ц.О£

Формат бумаги 60x84/16

Печать ризограф. Заказ № 2-J 2

Бумага MB Тираж 80 экз.

Печ. л. 1,5 Цена договорная

Отдел множительной техники ИАТЭ 249035, г. Обнинск, Студгородок, 1

Введение.

1. Контроль герметичности оболочек твэлов.

1.1. Разгерметизации твэлов.

1.2. Методы и системы КГО.1В

1.2.1. Метод перекомпенсации нейтронного поля.

1.2.2. Системы КГО на реакторе БН-600.

1.2.3. КГО на работающем реакторе.

2. Обоснование применимости методики перекомпенсации на реакторе БН-600.

2.1. Реакторный эксперимент 1.

2.1.1. Описание эксперимента.

2.1.2. Модель формирования сигналов датчиков КГО.

2.1.3. Предварительный анализ результатов эксперимента.

2.1.4. Обнаружение эффекта изменения показаний датчиков КГО.

2.2. Реакторный эксперимент 2.

2.2.1. Описание эксперимента.

2.2.2. Предварительный анализ результатов эксперимента.

2.2.3. Оценивание эффектов изменения сигналов.

2.2.4. Определение местоположения дефектной ТВС.

2.3. Пути повышения эффективности методики перекомпенсации.

2.3.1. Планирование экспериментов по перекомпенсациям.

2.3.2. Корреляционный метод.

2.4. Основные результаты анализа реакторных экспериментов.

3. Использование штатных перекомпенсаций для решения задачи КГО.

3.1. Модифицированные штатные перекомпенсации.

3.2. Регистрация штатных перекомпенсации.

3.3. Изменение возмущения поля энерговыделения в течении микрокампании.

3.4. Качество поддержания уровня мощности при проведении перекомпенсации

3.5. Оценка возмущения поля энерговыделения.

3.5.1. Оценка локальной составляющей возмущения поля.

3.5.2. Оценка интегральной составляющей возмущения поля.

3.6. Комплексный анализ откликов ДЗН.

4. Автоматизированная система FLUT

4.1. Назначение, основные возможности и режимы работы системы.

4.2. Разбиение данных на режимы.

4.2.1. Определение режима КП.

4.2.2. Сглаживание и дифференцирование положений КП.

4.3. Сравнение откликов ДЗН с результатами предыдущих перекомпенсации.

4.4. Отчет по результатам проведения штатной перекомпенсации.

4.5. Определения зоны расположения негерметичной ТВС.

4.5.1. Подсистема FLUT/BAYES-600.

4.5.2. Методика локализации.

4.5.3. Применение байесовской стратегии.

4.5.4. Интервальный расчет СКО.

4.5.5. Преимущества байесовского подхода.

Актуальность темы. Несмотря на передовую технологию и тщательный контроль при изготовлении твэлов реактора БН-600, отмечаются случаи образования дефектов в их оболочках. Для обеспечения безопасной и экономически эффективной работы реактора необходим непрерывный контроль герметичности оболочек (КГО) твэлов.

Штатная секторная система контроля герметичности оболочек твэлов (ССКГО) позволяет выявить наличие негерметичных по топливу ТВС (тепловыделяющих сборок, содержащих твэлы с негерметичностью оболочек) во время работы реактора. Контроль основан на регистрации запаздывающих нейтронов, которые испускают продукты деления, попавшие в теплоноситель через дефект в оболочке твэла. Однако точность локализации этой системы в штатном режиме работы невысока.

Точное определение местоположения производится во время останова реактора путем последовательной проверки каждой подозреваемой сборки, что приводит к увеличению времени простоя реактора. Поэтому сокращение области возможного нахождения дефекта является актуальной задачей.

В диссертационной работе исследуется метод перекомпенсации нейтронного поля - активный метод, основанный на внесении локальных возмущений в различных частях активной зоны с помощью стержней системы управления и защиты (СУЗ) и регистрации отклика датчиков запаздывающих нейтронов (ДЗН). Метод перекомпенсации дает возможность определять местоположение негерметичных по топливу ТВС с высокой точностью и, тем самым, существенно сузить область поиска при выполнении работ по обнаружению дефектной ТВС на остановленном реакторе.

Наряду с традиционным способом применения метода перекомпенсации, требующим проведения специальных экспериментов на работающем реакторе, в диссертации предложена и исследована методика локализации, основанная на использовании результатов штатных перекомпенсации. Новая методика перспективна и актуальна, поскольку не требует обоснования безопасности специальных экспериментов.

В настоящее время принята к выполнению Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года», утвержденная постановлением Правительства №306 от 06.10.2006 [32]. В этой программе направление №4 «Переход к инновационным технологиям развития атомной энергетики» включает в себя строительство энергоблока с реакторной установкой типа БН-800, близкого по конструкции к БН-600. Таким образом, работа является актуальной как для существующего реактора БН-600, так и для всех перспективных реакторов серии БН [37].

Цель диссертации - разработка методического, алгоритмического и программного обеспечения системы КГО, предназначенной для определения местоположения негерметичных по топливу ТВ С методом перекомпенсации нейтронного поля. Система позволяет с высокой точностью определять местоположение негерметичных ТВС на работающем реакторе и существенно сокращает время простоя реактора.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработана методика определения местоположения негерметичных ТВС, устойчивая к зашумлению исходных данных и обладающая высокой чувствительностью при выделении полезного сигнала ДЗН.

2. Проведена модификация штатной методики проведения штатных перекомпенсации на реакторе БН-600 для обеспечения возможности решения задачи определения местоположения негерметичных ТВС.

3. Разработан алгоритм автоматического определения моментов движения стержней СУЗ реактора БН-600.

4. Разработана методика комплексного анализа откликов ДЗН, позволяющая уменьшить уровень ошибок при принятии решений о наличии негерметичной ТВ С в исследуемом районе на основе учета коррелированное™ показаний датчиков.

5. Разработана экспертная система, позволяющая определять зону расположения дефекта в период между проведением перекомпенсации по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура реактора БН-600.

Методы исследования. В качестве методов исследования применялись: разведочный анализ данных, методы цифровой фильтрации, методы проверки статистических гипотез, метод статистического моделирования бутстреп, регрессионный анализ и методы разработки экспертных систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые проведено расчетно-экспериментальное обоснование применимости методики перекомпенсации нейтронного поля для определения местоположения дефектных ТВС на реакторе БН-600. Предложенные оригинальные алгоритмы обработки результатов измерений позволили достичь высокой точности локализации негерметичных ТВС.

2. Впервые исследована возможность определения местоположения негерметичных ТВС при проведении штатных перекомпенсации -регламентных работ по компенсации выгорания ядерного топлива.

3. Впервые показано, что для выделения и отбраковки откликов ДЗН, обусловленных изменением интегральной мощности реактора, может успешно применяться многомерная статистика Хотеллинга.

4. Впервые при решении задачи КГО использован байесовский подход для вероятности ого учета неопределенности в расчетах активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1 -го контура.

Достоверность научных положений обеспечивается следующими факторами:

• хорошим согласием результатов применения разработанных методов локализации негерметичных сборок с полученными на остановленном реакторе прямыми данными по их реальному местоположению;

• большим объемом обработанных данных, полученных при проведении перекомпенсации в разных микрокампаниях реактора и при различных положениях решетки КП-ТК (уровнях выгорания топлива);

• использованием' как параметрических, так и непараметрических статистик, устойчивых к выбросам; проведение статистического моделирования методом бутстреп.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Научные результаты воплощены в алгоритмическом и программном обеспечении системы обнаружения дефектных сборок FLUT-600, которая внедрена в опытную эксплуатацию на реакторе БН-600. В диссертации представлена модифицированная версия системы, включающая в себя подсистему локализации негерметичных ТВ С по результатам специальных перекомпенсации, подсистему ведения базы данных, полученных при проведении штатных перекомпенсации, и подсистему проведения локализации на основе этой базы данных.

2. Применение штатных перекомпенсации для решения задачи КТО, в отличие от специальных экспериментов, позволяет избежать непростой процедуры обоснования безопасности экспериментов.

3. Для повышения точности и достоверности результатов локализации разработано алгоритмическое и программное обеспечение экспертной системы, позволяющей уточнять зону расположения дефекта по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура.

4. Методические разработки автора используются в учебном процессе на кафедре АКИД при выполнении курсового проекта в рамках изучения дисциплины «Обнаружение и фильтрация сигналов».

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в решении всех задач, изложенных в диссертации. Разработал подсистему передачи данных по перекомпенсациям с измерительно-вычислительного комплекса Белоярской АЭС, исследовал влияние особенностей системы регулирования реактора БН-600, выполнил анализ накопленной базы данных по перекомпенсациям, разработал методику определения местоположения негерметичных ТВС, алгоритмическое и программное обеспечение модифицированной версии системы FLUT-600.

На защиту выносятся:

• результаты анализа данных специальных реакторных экспериментов по обоснованию применимости метода перекомпенсации нейтронного поля для определения местоположения негерметичных ТВС в реакторе БН-600, методика определения местоположения негерметичных ТВС;

• модификация программы проведения штатных перекомпенсации для решения задачи локализации негерметичных ТВС, алгоритмы и программы системы анализа результатов перекомпенсации FLUT-600, включая применение многомерной статистики Хотеллинга для выявления районов активной зоны, содержащих негерметичные ТВС;

• алгоритмы и программа BAYES-600 байесовской экспертной системы для определения зоны расположения негерметичных ТВС по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на всероссийских и международных семинарах и конференциях:

• Международный научно-технический семинар МХО Интератомэнерго «Методы и средства контроля, диагностики и ремонта оборудования АЭС», Москва, 1989г.

• Всероссийский семинар секции №3 «Динамика, теплогидравлика и безопасность реакторов и АЭС» НТС №1 Минатома России «Современные методы и средства диагностики ЯЭУ», Обнинск, 2001г.

• VIII Международная научно-техническая конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 2003г.

• X Международная научно-техническая конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 2007г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 3 статьи в научно-технических журналах, 7 публикаций в сборниках и трудах конференций, научно-технических отчетах Получены 2 авторских свидетельства РФ на регистрацию программ для ЭВМ.

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1. Скоморохов А.О., Лукьянов Д.А. Применение метода перекомпенсации для определения местоположения негерметичных сборок в реакторах на быстрых нейтронах // Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2007. - №2. - С. 39-43.

2. Скоморохов А.О., Лукьянов Д.А. Методика локализации дефектных ТВС при проведении штатных перекомпенсации в реакторе БН-600// Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2007. - № 3, вып.1. - С. 120129.

3. Skomorokhov А.О., Lukyanov D.A. Bayes Diagnostic System to Locate the Defected Fuel Assembly Zone on BN-600 Reactor// BgNS Transactions - Vol. 10 - 2005 -No 1 .-Pp. 305-310.

4. Скоморохов A.O., Лукьянов Д.А. «FLUT-бОО» - программа для анализа данных, полученных при проведении перекомпенсации нейтронного поля реактора БН-600 с целью локализации негерметичных тепловыделяющих сборок// Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006613850 от 09.11.2006г.

5. Скоморохов А.О., Лукьянов Д.А. «BAYES-бОО» - Байесовская диагностирующая система для определения зоны расположения негерметичной ТВС в реакторе БН-600// Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006613917 от 15.11.2006.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Работа изложена на 168 страницах, содержит 64 рис., список литературы из 76 наименований.

Выход

Вероятность наличия дефекта {%)

АЗ-1 ГОО

ЗБО-2 I 01 ВБЗВ | 2.8

НБЗВ j 85.5 ВРХ 111.6

Рис. 64. Показания программы FLUT/BAYES-600 при интервальном расчете СКО распределения активностей

4.5.5. Преимущества байесовского подхода

Отметим некоторые существенные преимущества байесовского подхода для решения подобного класса задач [4].

Анализ вероятностей различных гипотез на заключительной стадии позволяет судить о достоверности принимаемых решений. Так, если вероятности двух гипотез преобладают и примерно равны, то это свидетельствует о том, что три другие гипотезы отвергнуты уверенно, а сделать надежный выбор между двумя оставшимися зонами при имеющейся информации невозможно.

Описанная схема принятия решений весьма универсальна. В частности, не представляет никаких трудностей использование не только измеряемых количественных, но и определяемых качественных признаков (например, плавный рост суммарной активности или ее колебания). При этом, вместо функции F(Xj/Hi) в формулу Байеса необходимо подставлять оценку условной вероятности F(Z/Hi), которая или выражает уверенность эксперта в появлении качественного признака Z при расположении негерметичной ТВС в зоне Hi, или является эмпирической частотой соответствующего события.

Алгоритм является самообучаемым, т.к. по мере накопления эмпирической информации о характеристиках расположенных в различных зонах дефектных ТВС оценки используемых вероятностных характеристик постоянно уточняются и, соответственно, более точными становятся принимаемые решения.

Отметим также, что при проведении уточненных расчетов ожидаемых активностей (по другим методикам или, например, для различных значений выгорания) используемые в алгоритме вероятностные характеристики легко модифицируются.

Заключение

1. На основе анализа экспериментальных данных двух реакторных экспериментов выполнено обоснование практической возможности применения методики перекомпенсации для определения местоположения дефектных ТВС в реакторе БН-600. Показана чувствительность секторных датчиков КГО к локальным возмущениям нейтронного поля при работе реактора на пониженном уровне мощности. Гипотезы о наличие эффекта изменения показаний датчиков СКГО при внесении возмущения нейтронного поля в районе расположения негерметичной сборки проверены двумя независимыми методами: t-критерий Стьюдента и метод прямого статистического моделирования бутстреп.

2. Разработана робастная методика, позволяющая оценивать, нормировать с учетом ошибок измерения и сравнивать друг с другом отклики датчиков запаздывающих нейтронов на вносимые возмущения нейтронного поля. Предложен и проверен алгоритм определения местоположения дефектных ТВС, основанный на полном переборе ТВС и сравнении модельных и экспериментальных откликов датчиков КГО при внесении возмущений разными стержнями КП. Показана устойчивость алгоритма локализации к возмущениям исходных данных.

3. Расчетным путем оценены пространственные характеристики вносимых возмущений нейтронного поля. Показано, что при внесении возмущений

• отдельными КП характерный масштаб возмущения имеет порядок расстояния между соседними КП. Этим определяется возможность обнаружения местоположения дефектных ТВС с точностью, по крайней мере, до семи соседних пакетов (центр и кольцо ближайших ТВС).

4. Показаны возможности применения корреляционной методики для повышения отношения сигнал/шум при выделении связанной с перемещениями КП составляющей в показаниях датчиков СКГО.

Использование корреляционной методики позволяет, в частности, уменьшить амплитуду вносимых возмущений и, тем самым, повысить безопасность работ по определению местоположения дефектных ТВС методом перекомпенсации.

5. Впервые предложено использовать штатные перекомпенсации для локализации негерметичных ТВС. Разработаны предложения по модификации порядка проведения штатных перекомпенсаций на реакторе БН-600, позволяющие решать задачу КГО во время проведения регламентных работ по компенсации выгорания топлива.

6. Проанализированы данные штатных перекомпенсаций, зарегистрированных во время опытной эксплуатации системы FLUT-600 в 20, 21 и 22 микрокампаниях реактора. В результате анализа:

• обнаружено изменение отклика автоматического регулятора на одинаковые движения стержней КП-ТК в зависимости от положения решетки компенсирующих стержней, связанное с нелинейностью градуировочной характеристики. Рассмотрены пути учета этого эффекта при проведении локализации негерметичных ТВС;

• исследовано негативное влияние реальных особеностей системы автоматического регулирования на возможность поддержания постоянного уровня интегральной мощности при проведении перекомпенсации. Предложен способ уменьшения уровня ошибок первого и второго рода при принятии решений о наличии негерметичной ТВС в исследуемом районе на основе применение многомерной процедуры проверки гипотез о значимости откликов ДЗН;

• рассчитаны статистические характеристики откликов датчиков запаздывающих нейтронов на вносимые возмущения в условиях чистой зоны (отсутствие дефектов типа контакт топлива с теплоносителем). Полученные оценки позволят более обосновано принимать решения при выделении в показаниях датчиков составляющей, связанной с выходом предшественников запаздывающих нейтронов из дефектной ТВС.

7. Для решения задачи КГО необходимо проводить анализ единой перекомпенсации в комплексе с анализом накопленной базы данных по накопленным штатным перекомпенсациям. Для этого автором и его научным руководителем разработана автоматизированная система анализа результатов штатных перекомпенсации FLUT-600, принятая в опытную эксплуатацию на Б АЭС.

8. Предложен байесовский алгоритм определения зоны расположения дефекта по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура. Алгоритм программно реализован, экспертная система BAYES-600 включена в состав системы FLUT-600. Применение системы BAYES-600 позволит повысить достоверность и надежность показаний основной системы.