Файл: Уриг, Р. Статистические методы в физике ядерных реакторов.pdf

3.Оно дает количественную меру природы осцилляций в тер­ минах величины и частотной полосы.

4.Оно может использоваться для получений первой прибли­ женной оценки пределов стабильности в зависимости от из­

менений различных параметров.

5. Необходимо проявлять осторожность при применении ме­ тода в исследовании динамики систем в терминах передаточ­ ных функций, если ожидается любой тип нелинейностей. В линейных стационарных системах могут быть получены не­

Рис. 11.55. Упрощенная схема ядерной установки для ракетного двигателя с охлаждением жидким водородом [45]: АРК — автоматический регулируемый клапан; БК — блокирующий клапан;' АС — аварийный сброс; ПН — питательный насос.

Измерения шумов в реакторах ядерных ракетных двигателей с возмущениями на входе. Введение входных возмущений реактив­ ности для измерения динамических характеристик ядерного реакто­ ра высокой мощности было впервые выполнено при экспериментах на реакторе KIWI-A-3. Входной сигнал выбирался в виде псевдо­ случайной двоичной последовательности, которая использовалась для возмущения реактивности путем введения сигнала в схему ре­ гулирования. Этот тип опытов был выполнен последовательно на ядерных ракетных реакторах NERVA, KIWI и «Phoebus» [45, 46].

Задавались возмущения реактивности и скорости потока жидкого водорода, являющегося теплоносителем.

О результатах экспериментальных измерений динамических ха­ рактеристик реактора «Phoebus-1А», в которых применялись воз­ мущения скорости потока водорода, сообщалось в работе [46]. Псевдослучайный шумовой сигнал вводился в схему регулирования расхода, и на магнитной ленте регистрировались температуры, дав­ ления, расход, мощность и скорость турбонасоса. Обработка прово­ дилась после опыта. На рис. 11.55 показано оборудование реактора «Phoebus-1А», который охлаждается жидким водородом, прокачи­ ваемым через реактор. Жидкий водород накапливается в дьюарах и прокачивается через трубопровод, находящийся в вакуумной ру­ башке, длиной около 60 м в реактор. Поток теплоносителя посту­ пает во впускное отверстие сборки, проходит через выпускное от-

372

верстие охлаждающих каналов, через отражатель, через активную зону и выходит через выпускное отверстие. Скорость потока водо­ рода контролируется замкнутым контуром системы регулирования. Необходимая скорость потока достигается путем сравнения вычис­ ленной скорости потока с требуемой и использования полученной разности для образования необходимого сигнала скорости турбона­ соса. Этот требуемый сигнал затем сравнивается со скоростью турбонасоса, и сигнал ошибки обеспечивает необходимый сигнал регулирования клапана. Из-за взаимодействия двух контуров для обеспечения шумового входного сигнала необходимы заданное пре­ рывание потока (чтобы обеспечить низкочастотную составляющую в реакции системы) и заданное модулирование скорости (чтобы обес­ печить высокочастотную составляющую в реакции системы). Шу­ мовой входной сигнал для требуемого модулирования скорости по­ давался через фильтр, выделяющий частотную полосу для измерения реакции системы в диапазоне до 10 гц.

Псевдослучайный сигнал, используемый в качестве входного сигнала, представлял собой последовательность регистра сдвига на

скольку целью эксперимента было получение передаточной функции реактора по давлению в частотном диапазоне от 0,5 до 10 гц, упомя­ нутый выше сложный метод введения шумового сигнала был необ­ ходим для обеспечения требуемого спектра шумов на входе впуск­ ного отверстия сборки. Флуктуации давления измерялись акусти­ ческим датчиком давления.

Флуктуации давления на всем протяжении системы показаны на рис. 11.56. Легко заметить корреляцию между флуктуациями по мере движения теплоносителя на всем протяжении системы. Из гру­ бой оценки данных очевидно, что содержание высоких частот в тестовом сигнале на входе трубок теплоносителя недостаточно.

373

На рис. 11.57 показана передаточная функция по давлению реактора, а на рис. 11.58 — передаточная функция от выпускного отверстия трубок теплоносителя, которая незначительно отличается от передаточной функции всего реактора. Передаточные функции давления в отражателе и активной зоне не имеют частот излома ниже 10 гц . Таким образом, основной вклад в форму передаточной функ­ ции определяет участок от выпускного отверстия трубок тепло­ носителя.

■25атм*

-25атм

*5атн

1сек

Время

Рис. 11.56. Возмущения давления в реакторе «Phoebus-IA» [45]:

а — возмущения давления на входе выпускного отверстия; б — возмущения давления на входе в отражатель; в — возмущения давления на входе в активную зону; г — возмущения давления на выходе из активной зоны.

На рис. 11.59 даны функция когерентности и ошибка, вычислен­ ные по формулам (6.82) и (6.86). Функция когерентности и ошибка дают статистическую меру ожидаемой погрешности в измерении передаточной функции, вызванной шумами системы и конечной дли­ тельностью эксперимента. Таким образом, можно оценить с 70%-ной доверительной вероятностью, что для частот до 8 гц погрешность измерения амплитуды не больше, чем 0,72 дб, и ошибка фазы не больше, чем 5,2°. Ожидаемые ошибки меньше для всех частот, исключая 4 гц.

Результаты шумового эксперимента показывают, что можно измерять передаточные функции давления в реакторе с флуктуа­ циями давления 1—2% от средней величины. Таким образом, этот тип шумовых экспериментов можно проводить, не создавая помех другим задачам испытания.

Измерения шумов и безопасность энергетического реактора.

Общее соотношение между измерениями шумов и безопасностью

374

реактора рассматривалось в работе [47]. Очевидно, что измерение степени подкритичности, как уже отмечалось в этой главе, важно для безопасности любого реактора. Однако в этом разделе кратко даются выводы применительно только к безопасности энергети­ ческого реактора.

Энергетическим реакторам присущи большие трудности при ана­ лизе шумов, чем реакторам нулевой мощности, так как сложные условия работы на высоких уровнях мощности создают, много типов шумов и требуют более тщательного экспериментального исследова-

о град ,Фаза

ния и наблюдения за поведением реактора. До сих пор больше про­ водится специальных исследований во время пуска реактора, чем при эксплуатации на полной мощности. Основной причиной про­ ведения шумовых опытов является помощь в исследованиях ста­ бильности. Однако повышение безопасности путем непосредствен­ ного исследования динамических характеристик реактора также представляет благоприятную возможность анализа шумов.

В работе [48] показано, что случайные эффекты реактивности, вызванные флуктуациями температуры или плотности замедлителя, являются доминирующей причиной шумов нейтронного потока. Среднеквадратическое значение реактивности, обусловленное таки­ ми источниками, обычно много больше, чем от других источников. В частности, флуктуации мощности реактора, вызванные этими флук­ туациями реактивности, должны превышать собственные флуктуа-

375

ции детектора, вызванные дискретным характером регистрации отдельных нейтронов. Ситуация, отличная от той, которая наблю­ дается в реакторах нулевой мощности, где источником шума служат случайные события в цепной реакции. По этим причинам для боль­ шинства исследований шумов в энергетических реакторах не тре­ буются высокоэффективные детекторы в активной зоне.

Возможность детектирования спектральных резонансов, кото­ рые могут неожиданно стать большими, — еще одно достоинство

кие пороги детектирования аномалий. Отличный пример применения шумов нейтронного потока в качестве монитора аномального пове­ дения был дан недавно на опытном реакторе General Electric [52]. Увеличение амплитуды шумов в течение четырех дней послужило причиной остановки реактора с целью проверки активной зоны. Некоторые металлоконструкции имели повреждения и допускали движение компонент активной зоны под действием потока тепло­ носителя.

Установлено, что взаимные корреляционные методы являются мощным средством определения расстояния, на котором переменная величина х (такая, например, как температура теплоносителя на входе) влияет на другую переменную величину у (такую, как нейт­ ронный поток) с запаздыванием по времени т [52, 54]. На реакторе

376