ГлавнаяО компанииСтатьи и публикации

Рисунок 1. Всевозможные семейства функций
когерентности и фаз (21 шт.) сигналов ДПЗ одного КНИ
(два верхних графика). Функции когерентности сигналов
удалённых КНИ (1-1, 2-2, …, 7-7) с таблицей фаз на
отмеченных частотах (нижний график). На верхних
семействах закрашены поддиапазоны частот, где
доминирует эфффект переноса температурных флуктуаций
и корпусная АСВ. На нижнем семействе отмечены частоты
для вычисления общеконтурного расхода ТН

Сигналы датчиков различных физических полей системы виброшумовой диагностики (СВШД) содержат богатую диагностическую информацию [1-7]. Например, флюктуации сигнала датчика прямого заряда (ДПЗ) несут информацию как о вибрационных явлениях (колебания корпуса реактора, шахты внутрикорпусной, тепловыделяющей сборки (ТВС), так и теплогидравлических явлениях (акустическая стоячая волна (АСВ), кипение теплоносителя (ТН), транспорт температурных флюктуаций со скоростью ТН).

Точное число всевозможных взаимных (парных) характеристик сигналов ДПЗ ВВЭР-1000 составляет огромную величину: 100128 шт. Если учесть, что сигналы ДПЗ регистрируются совместно с сигналами датчиков абсолютного перемещения (ДАП), датчиков относительного перемещения (ДОП), ионизационных камер (ИК), акселерометров и датчиков пульсаций давления (ДПД) в одной многоканальной записи, то число взаимных характеристик, где участвует сигнал ДПЗ, значительно возрастает. Полный перебор всевозможных пар сигналов СВШД с целью поиска необходимых диагностических признаков практически неосуществим. Необходим целенаправленный выбор пар коррелированных по известному физическому явлению сигналов.

На энергоблоке № 3 эксплуатационный персонал Калининской АЭС периодически производит многоканальные измерения сигналов СВШД. Накопленный за несколько кампаний блока 3 архив нейтронно-виброшумовых измерений даёт возможность по любой авто- и взаимной спектральной особенности получить её трендовые пространственно-временные характеристики. Таким образом, формализованы нейтронно-теплогидравлические источники, поставляющие информацию в эксплуатационных условиях о состоянии активной зоны (АкЗ) и главного циркуляционного контура (ГЦК).

В ВВЭР-1000, в отличие от ВВЭР-440, особая гидродинамика потока ТН с поперечными межканальными перетечками ТН, делает неприемлемым традиционный метод шумового вычисления поканального расхода ТН [8, 9], в связи с чем разработана новая модель транспорта нейтронно-шумовых неоднородностей для ВВЭР-1000. В соответствии с ней выявлены узкие поддиапазоны частот, в которых по функции когерентности сигналов удалённых ДПЗ оцениваются поканальные (локальные) и общеконтурный (глобальный) расходы ТН и энергонапряжённость ТВС (рис. 1).

По вычисленным поканальным скоростям ТН выявлены следующие закономерности (рис. 2):

• поканальная скорость ТН имеет тенденцию нарастания по мере удаления от центра активной зоны;
• в соседних ТВС не наблюдается повышенный расход ТН у одной и пониженный расход у другой ТВС, что свидетельствует о выравнивании поля скоростей за счёт поперечного перетекания ТН;
• отсутствует 1/6-симметрия поля скоростей ТН в АкЗ, выявлены «пятна» повышенных поканальных скоростей ТН, смещённые к периферии активной зоны, и центральное «пятно» пониженных поканальных скоростей ТН;
• максимальное уклонение поканального расхода от среднего по активной зоне расхода ТН составляет величину порядка ±9%, что находится в согласии с выводами работы [10].

Активная зона является своего рода интегратором 3-х мерного поля температур, откуда и получается глобальный (точечный) нейтронный шум. В точечных моделях глобальный нейтронный шум пропорционален температурному коэффициенту реактивности (ТКР) - αc, что даёт шумовой метод оценивания величины ТКР.

Понятие времени запаздывания - τ₀ следует по разному трактовать для формальной [5] и физических моделей АкЗ [4, 8, 11]. В формальной модели - τ₀ - время прохода теплоносителем расстояния между двумя ДПЗ одного КНИ, в физической модели - τ₀ - время прохода теплоносителем высоты некоторого усреднённого теплогенерирующего канала, эквивалентного всей активной зоне. В физической модели все компоненты (и глобальные, и локальные, и комбинационные G-L-компоненты) задают sink-структуры типа

где параметр τ₀ надо интерпретировать, как усреднённый по всей активной зоне параметр, в то время как этот же (по названию) параметр, извлечённый из сигналов ДПЗ одного КНИ, следует интерпретировать как поканальный (локальный) параметр, обратно пропорциональный поканальному расходу ТН. Усреднённое время τ₀, полученное из глобальной sink-частоты функции

Рисунок 2. Частоты минимума функции когерентности сигналов ДПЗ одного
КНИ, как шумовые измерения поканального расхода ТН через ТВС.
Приведена МНК-аппроксимация для всех КНИ в 7-ой кампании
(левый график). Картограмма активной зоны, на которой помечены:– красным цветом – ТВС с поканальным расходом выше среднего
– синим цветом – ТВС со средним расходом
– зелёным цветом – ТВС с пониженным расходом

обратно пропорционально общеконтурному расходу ТН.

Изменение значения τ₀ при изменении вертикального расстояния между ДПЗ является признаком наличия транспортного источника НШ, который связывается с поканальным расходом ТН. Неизменность значения τ₀ при изменении пространственных координат двух нейтронных датчиков является признаком глобального НШ-источника, который связывается с усредняющими свойствами активной зоны и с общеконтурным расходом ТН.

Транспортный эффект складывается из перемещения флуктуаций плотности ТН, существующих на входе в активную зону, и флуктуаций, сгенерированных в активной зоне. Численно энергонапряжённость обратно пропорциональна интегралу от функции когерентности ДПЗ₁-ДПЗ₇ в узком поддиапазоне частот.

Другой способ численной оценки энергонапряжённости основан на разности функций когерентности сигналов 4-х ДПЗ одного КНИ: γ_6-7 – γ_1-2. Эта разность всегда положительная функция и характеризует НШ-источник, сгенерированный активной зоной между горизонтом ДПЗ2 и горизонтом ДПЗ6. Если ограничиться поддиапазоном частот, где когерентности значимо ненулевые, то получим интервал (2,0-4,0) Гц. Во всём этом интервале частот наблюдается прямолинейная фаза, что свидетельствует о доминировании всего одного транспортируемого НШ-источника. Данная прямая является своего рода эталоном, уклонение от которого характеризует изменение энергонапряжённости в анализируемой ТВС, а функционал

численно характеризует энергонапряжённость ТВС по следующей эмпирической формуле

Рисунок 3. Изменение функции когерентности
сигналов удалённых ДПЗ за кампанию
(появление регулярных sink-структур)

E =			> 0.3 – повышенная энергонапряжённость
		0.1	< Е < 0.3 – нормальная энергонапряжённость
			< 0.1 – пониженная энергонапряжённость

Выявлена изменчивость введённых диагностических параметров (расходы ТН, энергонапряжённости ТВС) за кампанию. Наблюдается рост когерентности сигналов удалённых ДПЗ и появление в ней регулярных sink-структур к концу кампании, что свидетельствует об уменьшении энергонапряжённости некоторых ТВС (рис. 3).

В энергонапряжённой ТВС существуют дополнительные нейтронно-шумовые источники, связанные с генерированием повышенной энергии (локальное увеличение температурного напора в системе «твэл-ТН», уменьшение плотности ТН) и её теплоотводом из ТВС (увеличение поканальной скорости ТН, начальные фазы кипения ТН). Процесс генерации пара на ранних стадиях кипения ТН представляет собой случайный пуассоновский поток δ-образных импульсов плотности ТН. Появление паровой фазы представляет собой очень мощное возмущение нейтронного потока, так как замедляющие свойства воды и пара значительно отличаются друг от друга. Для нейтронного датчика этот процесс является «белым» шумом, то есть дополнительным некоррелированным нейтронным источником.

В горизонте ДПЗ₁ эти источники очень малы или практически отсутствуют. Новые нейтронно-шумовые источники уменьшают когерентность в паре сигналов ДПЗ₁-ДПЗ₇ в узком поддиапазоне частот. Такая некоррелированность является ключевым свойством нейтронно-шумовых источников, по которым численно формализуется понятие «энергонапряжённость ТВС».

Проделан совместный анализ факторов энергонапряжённости ТВС. Энергонапряжённости всех ТВС, в которых установлены КНИ, проанализированы совместно с шумовыми оценками поканальных скоростей ТН, годом эксплуатации ТВС и местом её размещения в АкЗ. Показано, что через одногодичную кассету, во всех местах, где она установлена, не может состояться малый расход ТН. Выравнивание поля скоростей в АкЗ происходит за счёт поперечных перетечек ТН и саморегулирования по следующей схеме отрицательной обратной связи: «увеличение энерговыделения ⇒ уменьшение плотности ТН ⇒ уменьшение гидравлического сопротивления ТВС ⇒ увеличение поканального расхода ⇒ уменьшение энерговыделения».

Мониторинг поканальных расходов позволяет выявить ТВС со стабильно низким и стабильно высоким расходом ТН. Фактор стабильности обусловлен конкретной загрузкой активной зоны, некоторым отличием производительностей 4-х ГЦН друг от друга, и тогда стабильность должна сохраняться в течение одной топливной кампании. Долгосрочная стабильность связана с неизменными конструктивными особенностями РУ с ВВЭР-1000, а именно, с диаметрами труб в БЗТ над данной ТВС, близостью выгородки активной зоны, наличием КНИ и каналов термоконтроля в данной ТВС [10]. Переменная конструктивная особенность связана с движением органов регулирования (ОР СУЗ) в направляющих каналах ТВС, которое незначительно, но изменяет гидравлическое сопротивление ТВС в целом. К фактору нестабильности поканального расхода через ТВС следует отнести изменение поля скоростей на входе в активную зону из-за подключения/отключения дополнительных контуров циркуляции ТН с плотностью, отличной от средней (например, контуров борного регулирования).

Спектральные взаимосвязи различных комбинаций нейтронных датчиков (ДПЗ-ДПЗ, ДПЗ-ИК, ИК-ИК) описаны нейтронно-шумовой аналитической моделью [4, 11], в соответствии с которой из когерентностей сигналов удалённых нейтронных датчиков оценивается общеконтурный расход ТН (рис. 1, 4).

За кампанию амплитуда резонанса функции когерентности сигналов ИК-ДАП на частотах АСВ вблизи 6-ти и 9-ти Гц возрастает более чем в три раза, следуя линейному закону. Амплитуды резонансов АСВ могут быть прокалиброваны в единицах концентрации борной кислоты тем самым, поставляя шумовой метод её оценивания (рис. 5).

Рисунок 4. Функции когерентности сигналов удалённых пар
«ДПЗ-ИК» (верхний график) и двух удалённых ИК (нижний
график с таблицей фаз) для вычисления общеконтурного
расхода ТН

Рисунок 5. Изменение амплитуды резонанса функции когерентности
сигналов ДАП-ИК за кампанию (левое семейство). Амплитуды резонансов
АСВ на частоте 9,3 Гц и на частоте 6,6 Гц (правый график)

Рисунок 6. АСПМ сигналов ДПЗ одного КНИ в 6-ой и 7-ой топливных кампаниях

Изменяющаяся от кампании к кампании загрузка активной зоны, всякий раз задаёт новое трёхмерное поле плотностей ТН, что делает изменчивой картину высших типов АСВ внутри корпуса РУ. Экспериментально показано, что в разных кампаниях наблюдаются существенно разные поля высших типов АСВ (рис. 6).

Возможно нежелательное тройное совпадение гармоники/субгармоники частоты вращения ГЦН, собственной частоты элемента конструкции ТВС и частоты высшего типа корпусной АСВ.

Разработано эквивалентное представление ГЦК для трёх низших типов АСВ – АСВ компенсатора давления (АСВкд), первой петлевой АСВп1 и первой корпусной АСВк1. АСВ обладают локализующими свойствами. Появление газового объёма в верхней части коллектора ПГ может значимо уменьшить частоту АСВп1. Газовый объём, под крышкой корпуса РУ и, в частности, газовый объём («гремучая» смесь) под чехлами ОР СУЗ может уменьшить частоту АСВк1. Частота АСВкд изменяется в зависимости от соотношения объёмов водяной и парогазовой фаз в КД. В диагностических целях контроль АСВкд позволяет измерять уровень воды в КД, процедуру сдувки азотной подушки, процессы впрыска в КД и разогрева водяного объёма.

Подключение дополнительных контуров циркуляции ТН к первому контуру порождает резонансы новых петлевых АСВ. Если дополнительные контура отсекаются в соответствии с регламентом эксплуатации РУ, то данный резонанс исчезает. Его наличие или отсутствие является диагностическим признаком, подтверждающим правильность функционирования соответствующих арматур. Неполное перекрытие потока теплоносителя арматурой приводит к уменьшению амплитуды соответствующего резонанса АСВ, но сам резонанс при этом не исчезнет.

По множеству авто- и взаимных спектральных оценок, эмпирическим путём разработаны диагностические признаки работоспособности шумового канала ДПЗ. Разработано круговое правило дефектации измерительных каналов. Установлено шумовое качество измерительных каналов ДПЗ в 7-ой топливной кампании блока 3: из 392-х доступных для измерений каналов ДПЗ (56×7 шт.) 40 шт. оказались неприемлемыми для шумового анализа (10,2%) и 42 шт. (10,7%) – частично работоспособными с удовлетворительным качеством нч-диапазона до 10-ти Гц и неудовлетворительным качеством в диапазоне свыше 10-ти Гц.

Рисунок 7. Фазы (левое семейство) и функции когерентности сигналов ДПЗ
одного горизонта (1-1, 2-2, ..., 7-7) ближайших КНИ (правое семейство)
для контроля поперечных перетечек ТН и высотного распределения
температуры ТН в АкЗ

Сконструированы новые численные меры (диагностические признаки) для следующих категорий:

• «энергонапряжённость», как безразмерная величина интеграла от функции когерентности сигналов ДПЗ1-ДПЗ7 одного КНИ в узком поддиапазоне частот;
• «локальный расход», как поканальный расход, получаемый в относительных единицах по локальным минимумам функции когерентности сигналов ДПЗ одного КНИ;
• «глобальный расход», как общеконтурный расход, получаемый в относительных единицах по минимуму функции когерентности сигналов удалённых нейтронных датчиков «ДПЗ-ДПЗ», «ДПЗ-ИК», «ИК-ИК»;
• «концентрация борной кислоты», получаемая в относительных единицах, как амплитуда резонанса функции когерентности ИК-ДАП на частотах АСВ и/или как собственная частота колебаний корпуса РУ;
• «G-L-отношение сигнал/шум» - отношение глобального компонента НШ к локальному компоненту НШ, как значение функции когерентности в точке локального минимума или минимальное значение прямолинейного участка фазы в узком поддиапазон частот (рис. 1);
• «некоррелированный НШ-источник энергонапряжённости», определяемый по АСПМ и функциям когерентности ДПЗ в узком поддиапазоне частот;
• «коррелированный транспортируемый НШ-источник», образованный энерговыделением в активной зоне, как разность функций когерентности сигналов 2-х ДПЗ на входе и 2-х ДПЗ на выходе активной зоны в узком поддиапазоне частот;
• «шумовое качество» сигналов двух ДПЗ, как значение функции когерентности сигналов «ДПЗ-ДПЗ» на частоте резонанса АСВ вблизи 9-ти Гц;
• «поперечные перетечки теплоносителя в соседних ТВС», получаемые в относительных единицах по наклонам фаз семейства сигналов ДПЗ соседних ТВС в узком поддиапазоне частот (рис. 7);
• «высотное распределение температуры ТН по АкЗ», как относительная безразмерная величина интеграла от функций когерентности сигналов ДПЗ ближайших КНИ (1-1, 2-2, …, 7-7) в узком поддиапазоне частот (рис. 7);
• «акустические измерения температуры ТН», как относительные безразмерные величины, получаемые из параметров резонансов АСВ1п и АСВ1к (усреднённые значения температуры ТН по объёму ГЦК и объёму АкЗ);
• «мощность АкЗ», как относительная безразмерная величина, получаемая из значения частоты резонанса первой корпусной АСВ (рис. 8);
• «аварийные изменения акустических свойств АкЗ», как значительные изменения параметров резонансов АСВ при аварийном состоянии АкЗ (кризис теплообмена в активной зоне, сопровождающийся «запариванием» значительного объёма активной зоны, потеря теплоносителя в результате течи ТН из ГЦК – рис. 8);
• «инвариант однофазной среды ТН», как отношение центральных частот АСВк1 и АСВп1, позволяющий различать наличие парогазовой фазы в петле и в корпусе РУ в стационарных и динамических режимах функционирования РУ

Рисунок 8. Центральная частота первой корпусной частоты АСВ
в зависимости от средней температуры ТН и мощности реактора

Рисунок 9. Отношение центральных частот АСВк1 и АСВп1, как инвариант однофазного ТН

Два основных фактора – вибрационный и теплогидравлический – определяющие эксплуатационную надёжность ТВС, изменяются как от кампании к кампании, так и в течение одной кампании, что требует непрерывного их контроля. Единственным инструментом такого контроля в эксплуатационных условиях является нейтронно-виброшумовой анализ сигналов СВШД. Представленные шумовые измерения могут быть реализованы в виде «on-line»-измерений с отображением их оператору БПУ. Для этого необходимо упростить обслуживание шумовых измерений в части коммутирования сборок ДПЗ к СВШД и сделать более надёжными собственно измерительные каналы.

Уже существующие измерения каналов СВШД своими новыми диагностическими признаками способны не только расширить наблюдаемость активной зоны и ГЦК, но и позволят оптимизировать перегрузки топлива и, в частности, достигать максимальной глубины выгорания ТВС.

Список литературы

[1] Г.В. Аркадов, В.И. Павелко, А.И. Усанов. Виброшумовая диагностика ВВЭР. Москва. Энергоатомиздат. 2004.

[2] Г.В. Аркадов, В.И. Павелко, Б.М. Финкель. Системы диагностирования ВВЭР. Москва. Энергоатомиздат, 2010.

[3] Булавин В.В., Гуцев Д.Ф., Павелко В.И. Исследования характеристик вибродиагностики ВВЭР-1000 в эксплуатационных условиях // Атомная энергия. - 1995. - т. 79. - вып. 5. - с. 343-349.

[4] Gutsev D.F., Pavelko V.I. Neutron-Temperature Noise Methods and Their Experimental Check on the Reactor VVER-1000. Труды конференции по внутризонным исследованиям (INCORE 96), Япония, г. Мито, Октябрь 1996.

[5] Павелко В.И. Новые спектральные методы оценки времени запаздывания в реакторно-шумовых исследованиях // Атомная энергия. - 1987. - т. 63. - вып. 4. - с. 266-288.

[6] Павелко В.И. Спектральные методы оценивания времени запаздывания в реакторно-шумовых исследованиях // ВАНТ, серия: Физика ядерных реакторов. -1989. - вып. 2. - с. 58-65.

[7] Bulavin V.V., Gutsev D.F., Pavelko V.I. The experimental definition of the acoustic standing waves series shapes, formed in the coolant of the primary circuit of VVR-440 type reactor. - Progress in Nuclear Energy, 1995, v. 29, No. 3/4, р. 153-170.

[8] Гуцев Д.Ф., Павелко В.И. Шумовые методы диагностики ВВЭР // Атомная энергия. - 1997. - т. 82. - вып. 4. - с. 264-271.

[9] Аникин Г.Г., Гуцев Д.Ф., Павелко В.И. Физическая интерпретация нейтронно-шумовых образов ВВЭР // Атомная энергия. - 1997. - т. 82. - вып. 4. - с. 271-277.

[10] Никонов С.П., Журбенко А.В., Семченков Ю.М. Оценка влияния внутрикорпусных характеристик реактора ВВЭР-1000 на точность расчёта теплогидравлических параметров, 7-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ОКБ «Гидропресс», Подольск, Россия, 17-20 мая 2011 г.

[11] Павелко В.И. Нейтронно-температурные шумовые модели активной зоны ВВЭР // Атомная энергия. - 1992. - т. 72. - вып. 6. - с. 66-81.