Система автоматического управления Митенков Ф.М., Чирков В.А

При использовании схемы с информационно-управляющей машиной (рис. 7.1, 6) , в нее поступает вся получаемая при измерениях параметров информация, которая анализируется для выработки решений, поступающих в виде ко- манд-сигналов в системы управления, регулирования, защиты. Часть информации после обработки поступает на пульт оператора и в хранилище информации.

Важно заметить, что при наличии информационно-управляющей машины сигналы-команды могут формироваться не только по отклонениям отдельных параметров, ко и их комплексов, что позволяет более точно и полно характеризовать рабочее состояние объекта управления и выработать оптимальное управляющее воздействие.

Измерение параметров предполагает использование соответствующих чувствительных элементов и преобразователей для преобразования сигналов чувствительных элементов в удобную для дальнейшего использования форму.

Вбольшинстве случаев чувствительные элементы реагируют на отклонение измеряемого параметра от установленного (заданного) значения, фиксируя при этом и величину, и знак (направление) отклонения.

Основные требования, предъявляемые к чувствительным элементам, ограничивают "снизу" или "сверху" величины чувствительности, инерционности, стабильности показаний при возможных внешних воздействиях, ресурсной надежности, весогабаритных характеристиках.

Вряде случаев эти требования могут оказаться противоречивыми. В этом случае предпочтение отдается той характеристике, которая в данном случае является определяющей, что в свою очередь зависит от того, к какой из названных выше групп относится параметр, измеряемый с помощью данного чувствительного элемента. Большинство параметров, измеряемых при эксплуатации энергетических реакторов, может контролироваться с помощью чувствительных элементов (например, термопар, термометров сопротивления, расходомерных устройств различного типа, манометров и т. д.), нашедших широкое распространение

вразличных областях техники. Однако специфические условия работы (наличие n, γ-излучений, ограниченная доступность для обслуживания и ремонта, требования повышенной надежности ко всему оборудованию ядерных установок) обусловили необходимость специальной разработки конструкции традиционных средств измерения, предназначенных для ядерных установок.

§ 7-2. Ионизационная камера.

Измерение "нейтронной" мощности и периода реактора (при пуске) производится с помощью специального чувствительного элемента — ионизационной камеры, специфического устройства ядерной техники, предназначенного для измерения потока или плотности нейтронов. В настоящее время имеются многочисленные конструктивные модификации ионизационной камеры, отличающиеся

100

и устройством, и характеристиками, в частности, чувствительностью и размерами.

Рис. 7.2. Ионизационная камера с газовым наполнителем и схема ее включения: 1— собирающий (внутренний) электрод; 2—изолятор; 3 — корпус (наружный электрод); 4 — кожух заземления; 5 — газовый наполнитель.

В энергетических реакторах наибольшее распространение получили импульсные и токовые ионизационные камеры (рис. 7.2), в которых для детектирования нейтронов используется явление образования заряженных частиц при упругих соударениях и ядерных реакциях нейтронов с атомами материаланаполнителя. Например, при упругих соударениях быстрых нейтронов с атомами водорода образуются так называемые прогоны отдачи, которые в электрическом поле образуют электрический ток, по величине которого можно судить и о величине потока нейтронов. Поток быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ в водородной ионизационной камере с давлением 20 кг/см2 создает ток насыщения

.

Тепловые нейтроны и нейтроны промежуточных энергий не могут образовывать протонов отдачи, поэтому для их регистрации используются ядерные реакции типа

при которых так же образуются заряженные частицы (в данной реакции -частицы). С этой же целью может быть использована реакция деления U235.

Поскольку эффективные сечения целого ряда ядерных реакций на тепловых нейтронах достаточно высоки, то размеры ионизационных камер для регистрации тепловых нейтронов значительно меньше, чем для быстрых. В энергетических реакторах, включая и реакторы на быстрых нейтронах, как правило, используются камеры для регистрации тепловых нейтронов. При этом регистра-

101

ция быстрых нейтронов достигается за счет предварительного замедления их в замедлителях с малым сечением поглощения (парафин, графит). На рис. 7.3, а дана вольтамперная характеристика ионизационной камеры, работающей в токовом режиме, рабочей областью напряжений которой является диапазон — .

Рис. 7.3. Зависимость ионизационного тока: а ) от напряжения на электродах;

б) от величины потока нейтронов.

Вэтом диапазоне значений напряжений величина ионизационного тока не зависит от напряжения и является функцией только потока нейтронов. При этом функция "ионизационный ток - поток нейтронов" имеет линейный характер

(рис. 7.3, б).

Использование ионизационных камер затрудняется сильным γ-излучением в местах их расположения (внутри реактора, или в непосредственной близости к нему), поскольку γ-излучение, хотя и в меньшей степени, чем поток нейтронов, также вызывает ионизацию в камерах и тем самым искажает пропорциональность между потоком нейтронов, мощностью реактора и ионизационным током. Это искажение особенно существенно для пускового режима реактора, когда поток нейтронной мал, а интенсивность γ-излучения, обусловленная продуктами деления и наведенной активностью конструктивных элементов, зависит от предшествующей длительности режима работы реактора и уровня мощности. Поэтому, если можно считать, что в рабочем диапазоне мощности существует пропорциональность между потоком нейтронов и интенсивностью γ-излучения, то в пусковых режимах эта пропорциональность резко нарушается.

Втабл. 7.1 приведены сравнительные показания идентичных ионизационных камер с борным покрытием и без него. Очевидно, что ток камеры с борным покрытием слагается из составляющих, обусловленных потоком нейтронов и γ-излучением, а ток камеры без борного покрытия — только γ-излучением.

Из данных табл. 7.1 можно видеть, что уже через 15 минут после остановки реактора показания обеих камер почти совпадают. Поскольку использование ионизационных камер с такими нестабильными характеристиками в системах управления реактора недопустимо, были приняты конструктивные меры по

102

обеспечению надежных, стабильных показаний камер и в условиях интенсивного γ-излучения.

Соответствующие ионизационные камеры получили название компенсированных. Компенсированная камера состоит из двух включенных "навстречу" друг другу камер, одна из которых лишена материала, способного участвовать в (n, )-реакции (рис. 7.4). Таким образом, выходом компенсированной камеры является разность ионизационных токов, обусловленных - излучением,

и γ-излучением - . Следовательно, такая камера измеряет разность

,

т. е. плотность (поток) нейтронов n.

Вэнергетических реакторах плотность нейтронов изменяется на много порядков (9—11), и поэтому охватить всю область изменения с помощью одного детектора практически весьма трудно. Тем более, что необходимая точность измерения в различных участках этого диапазона различна. Поэтому обычно используют несколько групп камер, каждая из которых обеспечивает измерение в определенном диапазоне области изменения плотности нейтронов.

На рис. 7.5 изображена схема измерения с помощью трех групп ионизационных камер.

ВI (пусковом) диапазоне обычно используются ионизационные камеры (или другие нейтронные детекторы) повышенной чувствительности, поскольку исходная плотность нейтронов очень мала. В III (рабочем) диапазоне мощностей требования к чувствительности камер могут быть понижены.

Для обеспечения непрерывности измерения во всей области изменения плотности нейтронов обязательно требование перекрытия диапазонов измерения

103

каждой группой камер.

Рис. 7.4. Схема включения компенсированной ионизационной камеры.

Рис. 7.5. Схема измерения мощности реактора с помощью ионизационных камер трех диапазонов.

104

ГЛАВА VIII

СИСТЕМЫ УПРАВДЕНИЯ, РЕГУЛИРОВАНИЯ И ЗАЩИТЫ РЕАКТОРА

Система автоматического управления энергетического реактора - сложная комплексная система, включающая ряд подсистем, каждая из которых может быть в некоторой степени автономной, хотя объект управления и органы управления у них общие.

Ниже рассматриваются принципиальные схемы типичных подсистем и вопросы их взаимосвязи.

§ 8-1. Система автоматического пуска.

Как уже неоднократно отмечалось, пуск из подкритического состояния является одной из наиболее ответственных операций в управлении реактором, что определяет высокие требования, предъявляемые к системе автоматического пуска

(рис. 8.1).

Рис. 8.1. Принципиальная схема системы автоматического пуска.

Управляемыми параметрами в режиме пуска являются период реактора и мощность, входным параметром — реактивность.

Поток нейтронов реактора падает на пусковую ионизационную камеру (ИК), ток которой после усиления (У) и преобразования в напряжение (Пр) подается в устройство, измеряющее период реактора (Тр) в соответствии с (3.11). Сигнал периода подается в сравнивающее устройство (СУ) для сравнения фактического значения с заданным (Тр(з)).

Сигнал рассогласования Тр - Тр(з) усиливается и подается в логическое устройство (ЛУ), куда также поступает сигнал из сравнивающего устройства по мощности, который в зависимости от знака либо "пропускает", либо "не пропус-

105

кает" через логическое устройство сигнал рассогласования по периоду на изменение реактивности.

Необходимость такого контроля объясняется следующим. В целях повышения безопасности пуск реактора стремятся осуществить так, чтобы при достижении критичности мощность реактора была достаточно малой (обычно меньше 1% от номинальной) и заведомо меньшей некоторого значения .

В тех случаях, когда замеренная (нейтронная) мощность меньше , сигнал рассогласования по периоду реактора проходит через логическое устройство независимо от знака. При этом возможна корректировка сигнала по величине в зависимости от разности — . Если замеренная мощность равна или больше , сигнал на уменьшение периода реактора через логическое устройство не

проходит.

Сигнал на выходе из ЛУ после усиления подается в блок управления привода исполнительного механизма органа регулирования (ОР), который включает привод и через исполнительный механизм перемещает орган регулирования, изменяя реактивность в соответствии со знаком и величиной сигнала рассогласования периода реактора. Подкритичность реактора может быть такой, что "веса" органа регулирования будет недостаточно для вывода реактора в критическое состояние, поэтому необходимо использовать дополнительно органы компенсации избыточной реактивности.

Надежная работа системы пуска в значительной степени зависит от чувствительности ионизационной камеры, поскольку чем больше чувствительность, тем при более низкой плотности нейтронов, а следовательно, и большей подкритичности системой пуска может быть обеспечен контроль за физическим состоянием реактора. С этой целью в системе пуска используют специальные пусковые камеры повышенной чувствительности, обычно не рассчитанные на работу в нейтронных потоках, соответствующих рабочему диапазону мощностей энергетического реактора.

Эффективным средством, также способствующим улучшению контроля за реактором в подкритическом состоянии, является отмечавшееся ранее использование при пуске внешних источников нейтронов (п. 5.2).

Следует заметить, что при эксплуатации не исключаются пуски реактора из такого подкритического состояния, когда при всех принятых мерах на начальном этапе поток нейтронов меньше уровня чувствительности. В этом случае реактивность вводится "вслепую", т. е. без информации с ионизационных камер и т. д. Но при этом принимаются дополнительные меры предосторожности (ступенчатое перемещение органа управления, достаточно длительная выдержка после каждой ступени и др.).

Знание пускового положения органа управления при предыдущих пусках позволяет достаточно точно оценить это положение и для данного пуска, что безусловно способствует его безопасности и надежности.

106

Наличие системы автоматического пуска не исключает возможности пуска при ручном управлении с пульта оператора.

В этом случае оператор, получая результаты измерения периода и мощности в каждый данный момент, включает привод органа регулирования, увеличивая или уменьшая реактивность, добивается необходимого соответствия между фактическим и заданным значениями периода (при допустимых значениях мощности).

Очень важным является выбор скорости вывода реактора из подкритического состояния. Несмотря на то, что увеличение плотности нейтронов в этом режиме происходит по экспоненциальному закону, время пуска довольно продолжительно. Это связано с тем, что пуск с очень малыми значениями периода повышает (при прочих равных условиях) вероятность "попадания" реактора в недопустимые состояния. Поэтому снижение периода до уровня менее 30—40 с едва ли целесообразно.

При заданном периоде время пуска реактора складывается из грех этапов: на первом период реактора уменьшается от ∞ до Тр(з), на втором поддерживается заданный период Тр(з) до достижения критического состояния, на третьем, с приближением к критическому состоянию, период реактора постепенно увеличивается от Тр(з) до ∞ (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Изменение обратной величины периода реактора в процессе пуска.

§ 8-2. Система автоматического регулирования мощности.

На систему автоматического регулирования мощности реактора возлагается поддержание заданного уровня мощности с необходимой точностью, а также обеспечение планового изменения уровня с заданной скоростью.

Система автоматического регулирования (рис. 8.3) приводится в действие после вывода реактора в критическое состояние и достижения им некоторого минимального уровня мощности, начиная с которого она может надежно выполнять свои функции.

Сигнал ионизационной камеры после соответствующего усиления и

107

преобразования подается в сравнивающее устройство для сравнения с опорным сигналом, соответствующим заданному уровню мощности. Сигнал рассогласования после усиления поступает в блок управления привода органа регулирования. Направление и скорость перемещения органа регулирования определяются соответственно знаком и величиной сигнала рассогласования.

Рис. 8.3. Принципиальная схема системы автоматического регулирования мощности.

В режиме поддержания заданной мощности сигналы рассогласования, как правило, малы и соответственно невелики перемещения органа регулирования.

При плановом изменении мощности изменение опорного сигнала (заданный уровень мощности) влечет за собой сигнал рассогласования, который и отрабатывается по описанной выше схеме.

Однако может оказаться, что эффективности органа регулирования недостаточно для компенсации изменения реактивности, требующегося для заданного изменения уровня мощности. В этом случае должны использоваться органы компенсации избыточной реактивности.

Возможны различные схемы взаимосвязи органов регулирования и органов компенсации.

Простейшая из них предполагает, что органы компенсации не включены в систему автоматического управления и приводятся в действие с пульта по решению оператора (ручное дистанционное управление). В этом случае оператор, получив информацию о достижении органом управления одного из крайних положений, включает привод органа компенсации и перемещает его в соответствующем направлений до тех пор, пока орган регулирования не займет своего нормального положения относительно активной зоны. После этого привод органа компенсации отключается. Описанный способ подключения органов компенсации может быть и автоматизирован (рис. 8.4).

Может рассматриваться и схема включения приводов органов компенсации непосредственно по сигналу рассогласования между заданной и фактической мощностью. В этом случае полностью сохраняется схема рис. 8.3, но вместо органов регулирования сигналы «отрабатываются» органами компенсации. Необходимость в органах регулирования в этом случае отпадает, если обеспечива-

108

ется необходимое быстродействие органов компенсации. Из соображений безопасности быстродействие органов компенсации, вес которых может на много превышать β, как правило, значительно меньше быстродействия органа регулирования, вес которого меньше β (гл. VI).

Рис. 8.4. Принципиальная схема системы автоматического регулирования мощности с автоматическим подключением системы компенсации избыточной реактивности.

Изменение характеристик реактора и органов управления в процессе энерговыработки должно учитываться системами управления. Предусматривается возможность изменения эффективности органов управления, защиты, коэффициента пропорциональности между тепловой мощностью реакторов и величиной тока ионизационных камер. Выбирая значения . эффективности органов управления и защиты с учетом изменения в процессе энерговыработки, проектант гарантирует их достаточность.

Причиной нарушения соответствия между мощностью реактора и током ионизационных камер является увеличение плотности нейтронов в реакторе по мере выгорания ядерного топлива, а также деформация нейтронного поля при изменении положения органов компенсации.

Компенсация указанного нарушения достигается за счет автоматической корректировки показаний ионизационных камер по сигналу нарушения теплового баланса между I и II контурами (для определенности имеются в виду двухконтурные паропроизводящие установки).

В качестве сигнала, свидетельствующего о нарушении теплового баланса, можно использовать либо отклонение температуры теплоносителя I контура (на в

109