RU2032235C1

RU2032235C1 - Method of checking sodium in nuclear reactor core for boiling

Info

Publication number: RU2032235C1
Application number: SU894764532A
Authority: RU
Inventors: Б.Н. Никифоров
Original assignee: Никифоров Борис Никифорович
Priority date: 1989-12-05
Filing date: 1989-12-05
Publication date: 1995-03-27

Abstract

FIELD: nuclear power engineering. SUBSTANCE: acoustic pulse signals are measured at three points located on periphery of reactor core above heads of fuel assemblies symmetrical in respect to center. Measured pulses are amplitude-discriminated from background acoustic noise. Sodium boiling is recognized by presence of pulses across check points within time space Δt = l/V ,, where 1 is maximum distance between sensors; V is acoustic signal speed in sodium. Measured time spaces between pulses are compared with tabulated data for each fuel assembly and point of sodium boiling is located. EFFECT: improved reliability of check. 3 dwg

Description

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в ядерных реакторах (ЯР) на быстрых нейтронах (БН) с жидкометаллическим теплоносителем для контроля развития процесса кипения натрия в активной зоне (АЗ) ЯР, в частности в системах управления и защиты ЯР от расплавления тепловыделяющих сборок (ТВС) при нарушении теплосъема. The invention relates to nuclear technology and can be used in fast neutron (BN) nuclear reactors with liquid metal coolant to control the development of sodium boiling in the active zone (AZ) of a nuclear reactor, in particular in control and protection systems for nuclear weapons against melting of fuel assemblies (FA) in case of violation of heat removal.

Одной из наиболее опасных ситуаций при работе ЯР является возможное снижение расхода теплоносителя через ТВС, в результате чего происходит плавление ТВС и возникновение аварийной ситуации на АЭС. Рассматриваемому аварийному состоянию предшествует кипение теплоносителя в отдельной ТВС. Задача состоит в том, чтобы как можно раньше определить закипание теплоносителя и место закипания или номер "кипящей" ТВС, для того чтобы предотвратить процесс перерастания кипения в одной ТВС на всю АЗ. One of the most dangerous situations during the operation of nuclear weapons is a possible decrease in the coolant flow rate through fuel assemblies, as a result of which fuel assemblies melt and an emergency occurs at nuclear power plants. The considered emergency state is preceded by boiling of the coolant in a separate fuel assembly. The task is to determine the boiling of the coolant and the place of boiling or the number of “boiling” fuel assemblies as early as possible, in order to prevent the process of boiling overgrowing in one fuel assembly over the entire AZ.

Известен способ, основанный на регистрации паров кипящего натрия химическими датчиками. Пары натрия, которые появляются над поверхностью натрия, улавливаются датчиками, у которых в результате воздействия паров натрия уменьшается сопротивление чувствительного элемента. По уменьшению сопротивления чувствительного элемента судят о кипении натрия [1]. A known method based on the registration of boiling sodium vapor by chemical sensors. Sodium vapors that appear above the surface of sodium are captured by sensors in which the resistance of the sensor decreases as a result of exposure to sodium vapor. By reducing the resistance of the sensing element judge about boiling sodium [1].

Этот способ позволяет регистрировать только глобальное кипение натрия в АЗ, т. е. стадию, когда перегрев в одной ТВС перерастает в перегрев и плавление всей АЗ. Поэтому основным недостатком способа является его низкая чувствительность. This method allows you to register only the global boiling of sodium in AZ, i.e., the stage when overheating in one fuel assembly develops into overheating and melting of the whole AZ. Therefore, the main disadvantage of this method is its low sensitivity.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ контроля кипения натрия в АЗ ЯР, который заключается в том, что непрерывно измеряют амплитуду и фазу акустических шумов по крайней мере в двух точках, расположенных на одинаковом расстоянии от источника постороннего шума и по-разному от источника шума, возникающего внутри АЗ, вычитают измеренные в этих точках значения амплитуд друг из друга, а об интенсивности кипения судят по результату вычитания [2]. Closest to the claimed technical essence is a method for controlling sodium boiling in an AZ NR, which consists in continuously measuring the amplitude and phase of acoustic noise at least at two points located at the same distance from the source of extraneous noise and differently from the source the noise arising inside the AZ, the amplitudes measured at these points are subtracted from each other, and the intensity of boiling is judged by the result of subtraction [2].

Данный способ основан на том, что фоновые шумы, создаваемые работающим оборудованием, должны приходить на акустические датчики, расположенные в указанных точках, одновременно и при вычитании должны компенсироваться. В то же время акустические шумы, обусловленные кипением натрия в АЗ, приходят не одновременно, а со сдвигом по фазе из-за разного расположения датчиков по отношению к АЗ. В этом случае при вычитании сигналы не компенсируются. По наличию шумового сигнала после вычитания судят о кипении натрия в АЗ ЯР. This method is based on the fact that the background noise created by the working equipment must come to the acoustic sensors located at the indicated points, and at the same time, they must be compensated for when subtracting. At the same time, acoustic noise due to boiling of sodium in the AZ does not come simultaneously, but with a phase shift due to the different arrangement of the sensors with respect to the AZ. In this case, when subtracting the signals are not compensated. By the presence of a noise signal, after subtraction, sodium boiling in AZ NR is judged.

Основными недостатками известного способа являются низкая чувствительность и недостаточная информативность регистрируемых сигналов. Низкая чувствительность обусловлена тем, что в известном способе анализируются акустические шумы, характеризующие кипение натрия во всей АЗ, которое является уже развитым процессом. Второй недостаток вытекает из первого и связан с тем, что в прототипе отсутствует возможность определения места локального разогрева натрия при закипании в одной ТВС. The main disadvantages of this method are the low sensitivity and lack of information content of the recorded signals. Low sensitivity is due to the fact that in the known method, acoustic noise is analyzed that characterizes the boiling of sodium in the whole AZ, which is already a developed process. The second disadvantage arises from the first and is connected with the fact that in the prototype there is no possibility of determining the place of local heating of sodium when boiling in one fuel assembly.

Целью изобретения является определение ранней стадии закипания натрия и определение места закипания натрия или номера "кипящей" ТВС. The aim of the invention is to determine the early stage of boiling sodium and determining the place of boiling sodium or the number of "boiling" fuel assemblies.

Цель достигается тем, что по способу, заключающемуся в измерении по крайней мере в двух точках амплитуды и фазы акустических сигналов, по которым судят об интенсивности кипения, измеряют импульсные акустические сигналы по амплитуде выше уровня фоновых шумов, измерения проводят по крайней мере еще в одной точке, причем точки контроля расположены на периферии АЗ выше головок ТВС симметрично относительно ее центра, по наличию импульсов с точек контроля за промежуток времени Δt=l/v, где l - максимальное расстояние между датчиками; v - скорость акустического сигнала, судят о закипании натрия, а место закипания определяют путем сопоставления измеренных временных интервалов между импульсами с табличными значениями для каждой ТВС. The goal is achieved by the fact that by the method of measuring at least two points in the amplitude and phase of the acoustic signals, which are used to judge the boiling intensity, pulse acoustic signals are measured in amplitude above the level of background noise, measurements are carried out at least at one more point moreover, the control points are located on the periphery of the AZ above the heads of the fuel assemblies symmetrically with respect to its center, by the presence of pulses from the control points for the time interval Δt = l / v, where l is the maximum distance between the sensors; v is the speed of the acoustic signal, sodium boiling is judged, and the boiling point is determined by comparing the measured time intervals between pulses with tabular values for each fuel assembly.

На фиг. 1 представлена схема устройства, с помощью которого осуществляется предлагаемый способ; на фиг. 2 показаны временные диаграммы формирования импульсных сигналов схлопывания пузырька пара натрия путем дискриминации фоновых шумов; на фиг. 3 - временные диаграммы формирования счетного импульса схлопывания пузырька пара натрия. In FIG. 1 shows a diagram of a device with which the proposed method is implemented; in FIG. 2 shows timing diagrams of the formation of pulse signals of collapse of a sodium vapor bubble by discriminating against background noise; in FIG. 3 - time diagrams of the formation of the counting pulse of the collapse of the sodium vapor bubble.

Устройство (фиг. 1) содержит акустические датчики 1, 2, 3, усилители 4, 5, 6, дискриминаторы 7, 8, 9, блоки 10, 11, 12 задания временных интервалов, логическую схему И 13, счетчик 14 импульсов и измерители 15, 16, 17, временных интервалов. The device (Fig. 1) contains acoustic sensors 1, 2, 3, amplifiers 4, 5, 6, discriminators 7, 8, 9, blocks 10, 11, 12 for setting time intervals, logic circuit 13, pulse counter 14 and meters 15 , 16, 17, time intervals.

Акустические датчики 1, 2, 3 соединены с входами соответствующих усилителей 4, 5, 6, выходы которых через соответствующие дискриминаторы 7, 8, 9 соединены с входами блоков 10, 11, 12 задания временных интервалов соответственно. Выходы последних подключены к соответствующим входам логической схемы И, выход которой соединен с управляющими входами блоков задания временных интервалов и входом счетчика 14 импульсов, выход которого является выходом устройства "Факт кипения". Выходы дискриминаторов 7, 8, 9 соединены соответственно с первыми входами первого 15 и третьего 17 измерителей временных интервалов, вторым входом первого 15 и первым входом второго 16 измерителей временных интервалов и вторыми входами второго 16 и третьего 17 измерителей временных интервалов, причем выходы измерителей временных интервалов являются выходами устройства "Место кипения". Acoustic sensors 1, 2, 3 are connected to the inputs of the respective amplifiers 4, 5, 6, the outputs of which through the corresponding discriminators 7, 8, 9 are connected to the inputs of blocks 10, 11, 12 of setting time intervals, respectively. The outputs of the latter are connected to the corresponding inputs of the logic circuit And, the output of which is connected to the control inputs of the blocks for setting time intervals and the input of the counter 14 pulses, the output of which is the output of the device "boiling fact". The outputs of the discriminators 7, 8, 9 are connected respectively to the first inputs of the first 15 and third 17 time interval meters, the second input of the first 15 and the first input of the second 16 time interval meters and the second inputs of the second 16 and third 17 time interval meters, and the outputs of the time interval meters are outputs of the "Boiling Point" device.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Характерной особенностью начальной стадии закипания натрия является появление пузырька пара натрия внутри ТВС, который по мере роста с повышением температуры выходит из объема ТВС, попадая в общий более холодный объем натрия. В результате происходит переход натрия из паровой фазы в жидкую (схлопывание пузырька пара натрия), что сопровождается излучением короткого по времени акустического импульсного сигнала. Акустические датчики 1, 2, 3 размещены на периферии АЗ на высоте около 20 см над уровнем головок ТВС симметрично относительно АЗ ЯР. Измеренный акустический сигнал содержит фоновые шумы, обусловленные работой оборудования на АЭС, и короткие импульсные сигналы от схлопывания пузырька пара натрия, длительность которых находится в пределах 1-5 мс. Для удобства проведения последующих операций измеренный сигнал с датчиков усиливается усилителями 4, 5, 6 и затем осуществляется операция отделения информативных импульсных сигналов от фоновых шумов. Для этого применены дискриминаторы 7, 8, 9, уровни дискриминации сигналов в которых установлены выше уровней фоновых шумов (фиг. 2). A characteristic feature of the initial stage of sodium boiling is the appearance of a sodium vapor bubble inside the fuel assembly, which, with increasing temperature, leaves the fuel assembly volume and enters the total colder volume of sodium. As a result, sodium transitions from the vapor phase to the liquid phase (collapse of the sodium vapor bubble), which is accompanied by the emission of a short-time acoustic pulse signal. Acoustic sensors 1, 2, 3 are located on the periphery of the AZ at an altitude of about 20 cm above the level of the heads of the fuel assemblies symmetrically with respect to the AZ nuclear weapons. The measured acoustic signal contains background noise caused by the operation of the equipment at the nuclear power plant, and short pulse signals from the collapse of the sodium vapor bubble, the duration of which is within 1-5 ms. For the convenience of subsequent operations, the measured signal from the sensors is amplified by amplifiers 4, 5, 6, and then the operation of separating informative pulse signals from background noise is performed. For this, discriminators 7, 8, 9 are used, the levels of signal discrimination in which are set above the background noise levels (Fig. 2).

Для повышения достоверности формирования сигнала схлопывания пузырька пара натрия ("факт кипения") анализируется взаимосвязь импульсных сигналов со всех акустических датчиков. За основу операции анализа импульсных сигналов принято то, что их временное расположение в зависимости от местоположения "кипящей" ТВС в АЗ характеризуется фазой или разностью времени прихода акустического импульса от источника акустического сигнала (в данном случае от места схлопывания пузырька) до акустических датчиков. Максимальная разность времени между импульсами составляет Δt=0,866 d/v, где d - диаметр активной зоны; v - скорость акустического сигнала в натрии. Операция формирования сигнала кипения натрия происходит следующим образом. Импульсы с дискриминаторов 7, 8, 9 поступают на блоки 10, 11, 12 задания временных интервалов. С приходом импульса по любому из входов запускается соответствующий блок задания временного интервала. На примере (фиг. 3) первый импульс пришел с дискриминатора 7 на вход блока 10. На выходе блока 10 формируется импульс длительностью Δt=0,866 d/v. To increase the reliability of the formation of a signal for the collapse of the sodium vapor bubble (the “boiling fact”), the relationship of pulsed signals from all acoustic sensors is analyzed. The analysis of pulsed signals is based on the fact that their temporal location, depending on the location of the “boiling” fuel assembly in the AZ, is characterized by a phase or a difference in the arrival time of the acoustic pulse from the source of the acoustic signal (in this case, from the place where the bubble collapses) to acoustic sensors. The maximum time difference between pulses is Δt = 0.866 d / v, where d is the diameter of the active zone; v is the speed of the acoustic signal in sodium. The operation of generating a sodium boiling signal is as follows. The pulses from discriminators 7, 8, 9 are supplied to blocks 10, 11, 12 of setting time intervals. With the arrival of a pulse at any of the inputs, the corresponding unit for setting the time interval is started. In the example (Fig. 3), the first pulse came from the discriminator 7 to the input of block 10. At the output of block 10, a pulse of duration Δt = 0.866 d / v is formed.

Если за это время придут импульсы на блоки 11 и 12, то схема И 13 формирует выходной импульс схлопывания пузырька, который поступает на фиксирующее устройство, например счетчик 14 импульсов. Одновременно импульс со схемы И 13 поступает на управляющие входы блоков 10, 11, 12 задания временных интервалов, которым в этих блоках устанавливается исходное состояние, и схема готова для измерения следующего акустического сигнала. Таким образом, со счетчика 14 формируется информация о схлопывании пузырька пара натрия, т.е. устанавливается факт кипения натрия. If during this time the pulses arrive at blocks 11 and 12, then the circuit And 13 generates the output pulse of the collapse of the bubble, which is supplied to the fixing device, for example, counter 14 pulses. At the same time, a pulse from circuit I 13 is supplied to the control inputs of blocks 10, 11, 12 for setting time intervals, which establish the initial state in these blocks, and the circuit is ready to measure the next acoustic signal. Thus, from the counter 14, information is generated about the collapse of the sodium vapor bubble, i.e. the fact of boiling sodium is established.

С дискриминаторов 7, 8, 9 сигналы поступают также попарно на измерители 15, 16, 17 временных интервалов. Место закипания натрия, определяемое по месту схлопывания пузырька натрия, обозначает номер "кипящей" ТВС. При фиксированном расположении акустических датчиков каждой ТВС при схлопывании вышедшего из нее пузырька соответствуют однозначные величины Δt₁, Δt₂ и Δt₃, которые определяются из выражений
Δt₁=

Δt₂=

Δt₃=

где Δl₁₂, Δl₂₃, Δl₁₃ - разности расстояний от источника акустического сигнала соответственно до акустических датчиков 1 и 2, 2 и 3 и 1 и 3;
v - скорость акустического сигнала в натрии (для реакторов БН v=2309 м/с).From

discriminators

7, 8, 9, the signals also come in pairs to

meters

15, 16, 17 time intervals. The boiling point of sodium, determined by the place of collapse of the sodium bubble, indicates the number of "boiling" fuel assemblies. With a fixed location of the acoustic sensors of each fuel assembly when the bubble emerging from it collapses, the unique values Δt ₁ , Δt ₂ and Δt ₃ correspond, which are determined from the expressions
Δt ₁ =

Δt ₂ =

Δt ₃ =

where Δl ₁₂ , Δl ₂₃ , Δl ₁₃ are the differences of distances from the source of the acoustic signal, respectively, to the

acoustic sensors

1 and 2, 2 and 3 and 1 and 3;
v is the speed of the acoustic signal in sodium (for BN reactors v = 2309 m / s).

Эти значения для каждой ТВС записываются в таблицы. Измеренные интервалы времени Δt₁, Δt₂, и Δt₃ соответственно с измерителей 15, 16 и 17 сравниваются с табличными. В результате сравнения определяется номер "кипящей" ТВС.These values for each fuel assembly are recorded in tables. The measured time intervals Δt ₁ , Δt ₂ , and Δt _3, respectively, from meters 15, 16 and 17 are compared with the table. As a result of the comparison, the number of the “boiling” fuel assembly is determined.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает контроль ранней стадии закипания натрия и определяет номер "кипящей" ТВС. Контроль ранней стадии обеспечивает соответствие контроля требованиям ядерной безопасности, что повышает ядерную безопасность при эксплуатации ЯР. Определение места закипания или номера "кипящей" ТВС позволяет повысить экономический эффект АЭС с реактором на БН. Так, по сравнению с контролем глобального кипения натрия, где требуется замена всей АЗ или специальная отбраковка неисправных ТВС, на что требуется длительное время, предлагаемый способ позволяет на ранней стадии закипания заменить неисправную ТВС без каких-либо затрат на ее поиск. Это дает не только технический, но и экономический эффект, так как позволяет значительно сократить время простоя АЭС на ликвидацию аварии. Thus, the proposed method provides control of the early stage of boiling sodium and determines the number of "boiling" fuel assemblies. Early stage control ensures compliance with nuclear safety requirements, which increases nuclear safety during the operation of nuclear weapons. Determination of the boiling point or the number of “boiling” fuel assemblies can increase the economic effect of nuclear power plants with a reactor at the BN. So, in comparison with the control of global sodium boiling, where the entire AZ is required to be replaced or special rejection of faulty fuel assemblies is required, which requires a long time, the proposed method allows replacing the faulty fuel assemblies at the early boiling stage without any costs for its search. This gives not only a technical, but also an economic effect, since it can significantly reduce the downtime of a nuclear power plant in response to an accident.

Claims

METHOD FOR SODIUM BOILING CONTROL IN THE ACTIVE ZONE OF A NUCLEAR REACTOR, which consists in measuring at least two points in the amplitude and phase of the acoustic signals, which are used to judge the boiling intensity, characterized in that, in order to increase the sensitivity and increase the information content, pulse acoustic signals are measured by amplitude above the level of background noise, measurements are carried out at least at one other point, and the control points are located on the periphery of the active zone above the heads of the fuel assemblies symmetrically from relative to its center, by the presence of pulses from the monitoring points for the time interval Δ t = l / V, where l is the maximum distance between the sensors and V is the speed of the acoustic signal, sodium boiling is judged, and the boiling point is determined by comparing the measured time intervals between pulses with tabular values for each fuel assembly.