Вопрос 9. Какие же принципы и методы кибернетического управления полезно применять в скуз яр аэс нового поколения на аэс ?

1. Систему многоцелевого ( дуального ) управления экономичностью и безопасностью ЯР,

2. Систему предсказательного управления технологическим процессом для предупреждения

нарушений и аварий на ЯР АЭС,

3.Структуру распределенного управления режимами работы и условий эксплуатации и

4. Системный подход к проектированию и эксплуатации СКУЗ ЯР для предсказательного

управления ядерной безопасностью и экономичностью ЯР.

Теперь после изучения основ технической кибернетики и полезности их применения при проектировании СКУЗ ЯР АЭС нового поколения, мы на примере домашнего курсового проекта с помощью цифровых аналитических тренажёров изучим способы предупреждения возмущений, нарушений и аварий в системе автоматического регулирования ЯР ( САР ЯР ).

Из лекции №7 Вы поняли, что любая САР ЯР ( старая - аналоговая или новая - цифровая )

структурно состоит из трех основных элементов:

1.Реактора, как объекта регулирования,

2.Самого автоматического регулятора с приводом регулирующего стержня и

3.Оператора ЯР, который задаёт задатчиком для поддержания постоянным желаемый уровень нейтронной мощности,

Для анализа одного из его свойств – устойчивости, мы описывали элементы САР передаточными функциями и исследовали эту САР с помощью критерия Найквиста и ЛАФЧХ.

Однако при этом мы не учитывали влияния на работу САР различного рода возмущений. Аналитически делать это очень трудно и поэтому на практике проектирования САР ЯР обычно применяют аналоговые или цифровые математические модели – аналитические тренажёры, которые применяются в наших лабораторных работах.

Лабораторная работа №1 « l–1 bat « Изучение временных переходных процессов в реакторах типа ввэр-1000 на малых и больших уровнях мощности при нарушениях нормальных условий эксплуатации.

Для выполнения этого занятия на компьютере необходимо последовательно включить файлы «SUZ», «L-1 bat», прочитать теорию и ответить на контрольные вопросы компьютера.

В лабораторной работе №1 « L–1 bat « Вы будете экспериментально оценивать степень ядерной опасности трех видов нарушений:

1. Скачков реактивности на малых и больших уровнях мощности,

2. Уменьшение расхода теплоносителя в ЯР, вызванное выходом из строя одного, двух или трех

главных циркуляционных насосов (ГЦН) и

3.Изменения температуры теплоносителя на входе в реактор, которые связаны с колебаниями

электрической нагрузки на турбогенераторе.

Эти нарушения связаны с возможными возмущениями технологических параметров реактора, которые могут привести к ядерной аварии. Такими предельными значениями являются:

1. Нейтронная мощность ЯР превышает 107 % (при этом срабатывает быстрая аварийная защита

АЗ-1 и останавливает реактор);

2. Средняя температура топлива превышает 1500о С (при этом максимальное значение может

превысить температуру плавления топлива);

3.Температура теплоносителя на выходе из реактора превышает 325 о С (это начало пленочного закипания на оболочке твэла и оно может привести к местному прожигу оболочки твэла).

Поэтому, давая возмущения по реактивности, расходу теплоносителя или температуре теплоносителя на входе в реактор, Вы должны контролировать с помощью графиков переходных процессов возможность превышения этих параметров.

На основе этих исследований Вы сможете сформулировать методы предупредительного управления реактивностью для компенсации этих нарушений и создать Первый Динамический Барьер на пути развития ядерной аварии.

Согласно правилам ядерной безопасности скачок реактивности не должен превышать 0,3 , однако Вы должны убедиться, что даже при превышении реактивности более 0,1 произойдет срабатывание быстрой аварийной защиты ( АЗ-1 ) и она не допустит превышение выше указанных предельных значений температур.

Одновременно с решением этих задач Вы выполните оценки мощностных коэффициентов реактивности для выполнения Вашей домашней курсовой работы.

Для выполнения этого занятия на компьютере необходимо последовательно включить файлы «SUZ», «L-1 bat», прочитать теорию и ответить на контрольные вопросы компьютера.

Экспериментальная часть работы состоит из трех режимов:

Режим 1. Скачкообразные отклонения реактивности от нулевого значения реактивности при

различного вида обратных связей в активной зоне ЯР.

Режим 2. Скачкообразное изменение температуры на входе в реактор на 10 С от стационарного

значения 284 С и

Режим 3. Имитирует нарушения реактивности, связанные с тремя видами возмущений –

выходом из строя одного, двух и трех главных циркуляционных насосов.

Лабораторная работа по Режиму 1 состоит из двух частей:

1а. Изучение переходных процессов (мощности, температуры урана и температуры теплоносителя на выходе из реактора) при нулевых температурных коэффициентах реактивности урана и воды.

1б. Изучение переходных процессов этих же параметров для температурных коэффициентов урана и теплоносителя согласно Вашему варианту курсовой работы.

В процессе выполнения всех этих экспериментов установить шаг решения 0,5 сек ( иначе будет большая погрешность вычисления с учётом на компьютере всех 6 групп запаздывающих нейтронов), коэффициент К2 = 20 (это означает работу всех четырех ГЦН ) и время решения принять 50 сек (это без учёта температурных коэффициентов реактивности), с их учётом – 100 сек.

Сначала проводятся эксперименты в режиме 1а.

Для этого в меню все температурные коэффициенты устанавливаются равными нулю, а их постоянные времени согласно курсовой работе по Вашему варианту.

Начальное значение реактивности равно нулю. Скачок реактивности задаем 0,1 и нажимаем два раза клавишу «ВВОД». Через 50сек выводим на экран и зарисовываем три вида кривых (мощность, температуру урана и температуру теплоносителя на выходе реактора).

Предполагается, что реактор работает на номинальной мощности 100%, но у него как бы отсутствуют температурные коэффициенты реактивности. Это можно также рассматривать как работу на малых уровнях мощности (когда температурные коэффициенты реактивности себя не проявляют). Теоретическую кривую изменения мощности для этого случая можно получить для скачка реактивности из его передаточной функции нейтронной кинетики для одной группы запаздывающих нейтронов в виде:

N (t) в % = (100 + 10 t) ( 1 )

где: N - приращение мощности в % от номинального значения 100 %, а - скачок реактивности от нуля.

Затем при тех же начальных значениях записать изменения этих же параметров при скачке реактивности, равной 0,3 .

1. Оценить степень опасности изменения этих параметров при отсутствии температурных коэффициентов реактивности и не срабатывании АЗ-1.

2. На кривые изменения приращения мощности для двух скачков реактивности наложить две расчётных прямых по формуле ( 1 ) и оценить погрешности передаточной функции в начальные моменты времени и через 30 – 50 сек. Объяснить причины этих погрешностей.

3. Объяснить – почему правилами ядерной безопасности запрещается делать скачки реактивности более 0,3 .

4. По логарифмическим характеристикам передаточной функции реактора на малых уровнях мощности проанализировать его устойчивость методом Найквиста.

Эксперимент в режиме 1 б.

Проанализировать эти же переходные процессы в реакторе на больших уровнях мощности, но для температурных коэффициентов вашей курсовой работы и на основе этих экспериментов вычислить коэффициенты К1 и К2 в Ваших обратных связях по урану и воде.

Целями этих экспериментов являются :

1. Определение общего мощностного коэффициента для Ваших двух обратных связей и его постоянной времени и сравнение их с вашими расчётными значениями в курсовой работе.

2. Оценка степени ядерной опасности по тем же параметрам, но при наличии температурных коэффициентов реактивности.

3. Оценка запаса устойчивости методом Найквиста реактора на больших уровнях мощности.

4. Определить – чем в большей степени определяется мощностной коэффициент реактивности (ураном или водой) ?

5. Определить истинную причину Чернобыльской аварии, имитируя положительный паровой коэффициент реактивности положительной обратной связью по урану вместо отрицательной.

Методика проведения экспериментов:

1. Определение составляющих мощностного коэффициента реактивности и коэффициентов К1 и К2 для Вашей курсовой работы.

Для этого установить сначала заданные Вам в курсовой работе температурные коэффициенты реактивности, дать скачок реактивности 0,1 и зарисовать графики изменения мощности, температуры урана, средней температуры воды и изменения реактивности на входе передаточной функции нейтронной кинетики реактора.

Величина мощностного коэффициента реактивности равна отношению приращения реактивности к приращению мощности обязательно в установившемся режиме примерно через 50 сек после скачка реактивности.

Коэффициент К1 находится как отношение приращения температуры урана к приращению мощности относительно 100% в установившемся режиме.

Коэффициент К2 находится как отношение приращения средней температуры воды к приращению мощности относительно 100% в установившемся режиме.

Постоянная времени мощностного коэффициента реактивности экспериментально определяется как время установления переходного процесса, деленое на 3.

Мощностные коэффициенты по урану и воде находятся в виде произведений их температурных коэффициентов на коэффициенты К1 и К2, а их вклад можно рассматривать относительно общего мощностного коэффициента, который мы уже измерили.

,

Методика исследования истинной причины Чернобыльской аварии.

Главная цель этого эксперимента – показать, почему одним из главных принципов обеспечения ядерной безопасности любых типов ЯР является отсутствие в них положительных обратных связей!

Для этого вначале нужно теоретически убедиться, что при охвате передаточной функции нейтронной кинетики ЯР положительным коэффициентом реактивности + КОС = 0,01 ( независимо от физических причин его образования ! ) ЯР обязательно взорвётся. Для этого выведите передаточную функцию замкнутой системы согласно Рис.2 с обратной связью в виде одного положительного коэффициента реактивности + КОС без постоянной времени для упрощения вывода и найдите значение КОС , при котором выражение в знаменателе передаточной функции замкнутой системы будет равно нулю! Это момент перехода ЯР из устойчивого состояния в неустойчивое с разгоном ЯР на мгновенных нейтронах, т.е. взрыв. То же самое можно проделать, введя небольшую инерционность, т.е. постоянную времени порядка нескольких секунд.

Причин образования положительных обратных связей в активной зоне ЯР много и физики часто не могут понять – почему они возникают, но самое главное – они не понимают их катастрофических последствий из - за плохих знаний теории управления!

В одних типах ЯР ( РБМК-1000 ) такой причиной является наличие положительного парового коэффициента реактивности, в других ( ВВЭР-1000 ) положительная обратная связь возникает при концентрации борной кислоты более 5 г/л , а в ЯР типа БН температурный коэффициент реактивности плутония может оказаться положительным в отличие от отрицательного Доплер –эффекта урана!

Методика проведения такого эксперимента в Режиме 1б.

Установите возмущения по реактивности и по мощности, равными нулю. Температурные коэффициенты урана и воды вначале установите нулевые, а постоянные времени – согласно вашему домашнему заданию. Коэффициент К=20 означает, что работают 4 ГЦН и охлаждение ЯР нормальное.

Шаг решения 0,5 сек, а время решения 50 сек.

1. Теперь дайте очень небольшое возмущение реактивности, равное 0,01 и нажмите 2 раза кнопку Пуск. Посмотрите график изменения нейтронной мощности. Она должна изменяться согласно передаточной функции нейтронной кинетики - сначала скачок на мгновенных нейтронах 1% и плавное нарастание мощности до 6% при 50 сек.

2. Дайте небольшой положительный температурный коэффициент реактивности урана + 0,001 / ^о С .

После 2 нажатий кнопки пуск заметите уже бурное нарастание мощности, а при последующем увеличении этого коэффициента до 0,002 будете наблюдать разгон ЯР на мгновенных нейтронах при мощностном коэффициенте + К_ОС порядка 0,01, которое равно произведению ТКР урана на коэффициент К₁ согласно рисунку 2.

Следующее занятие посвящено исследованию взаимной связи параметров, важных для ядерной безопасности, при двух возможных нарушениях: Режим 2 – скачкообразное изменение температуры на входе в реактор на 10 С от стационарного значения 284 С и Режим 3, соответствующий выходу из строя одного, двух или даже трех ГЦН, что бывает чрезвычайно редко.

Этими важными для ядерной безопасности параметрами являются :

1. Мощность реактора, тесно связанная с изменением реактивности (превышение мощности выше 107 % приводит к срабатыванию быстрой аварийной защиты и полной остановке реактора);

2. Температура урана, изменяющаяся при изменении мощности;

3. Средняя температура замедлителя (воды), изменяющаяся при изменении входной температуры реактора и влияющая на выходную температуру теплоносителя из реактора ;

Таким образом, в процессе проведения экспериментов желательно зарисовать 5 графиков (тесно связанных с ядерной безопасностью) друг под другом для установления между ними временной зависимости:

1.Мощность реактора (влияет на срабатывание АЗ-1 ) ;

2.Реактивность (влияет на изменение мощности);

3.Температуру урана (более 1500 С – плавление) ;

4.Температуру на выходе из реактора (больше 325 С – авария, связанная с нарушением оболочки);

5.Среднюю температуру теплоносителя (влияет на реактивность)!

На основе установления связи между этими графиками построить логическую блок-схему влияния этих параметров друг на друга.

Режим 2

Целью этого эксперимента является выяснение таких вопросов:

1. Что опаснее – уменьшать или увеличивать температуру на входе в реактор (это связано с изменением нагрузки на валу турбогенератора тора) и при какой величине этой температуры возникнет аварийно-опасное состояние?

2. На какой параметр наиболее опасно влияет это изменение?

3. Какие меры нужно принять при проектировании, чтобы ослабить влияние этого нарушения?

4. Чем опасны ложные срабатывания аварийной защиты?

Для ответа на эти вопросы установить исходные значения моделируемых параметров :

1.Реактор работает на номинальном уровне мощности 100 %.

2.Начальное значение реактивности равно нулю.

3.В работе находится четыре ГЦН. Это соответствует К2 = 20.

4Установить температурные коэффициенты реактивности из Вашей курсовой работы;

5. Шаг решения брать не более 0,1 сек для повышения точности расчётов на ЭВМ.

6. Время решения задачи принять 100 сек.

Эксперимент 1. Увеличить Т_входа с 284 до 294 С.

Физически это означает уменьшение электрической нагрузки на генератор.

После эксперимента зарисовать друг под другом в одинаковом масштабе времени 5 графиков для ответа на поставленные вопросы. Для точного определения значений параметров особенно в первые 20 сек переходного процесса использовать таблицу решений.

Для остановки решения воспользоваться клавишами “ Pause “, “ Alt “, “ X “ или другим известным Вам способом. Поскольку температурные коэффициенты реактивности урана и средней температуры теплоносителя Вам известны из курсовой работы, то по графикам изменения этих температур легко расчитать и построить аналогичные графики реактивностей, а их сумма должна соответствовать зарисованному Вами графику изменения реактивности. График же изменения мощности является следствием изменения реактивности. Проследите эти связи.

Эксперимент 2. Уменьшить Т_входа с 284 С до 274 С.

Физически это означает увеличение электрической нагрузки на генератор.

При тех же начальных условиях дать возмущение по температуре и зарисовать 5 графиков друг под другом. Проанализировать результаты этого эксперимента и сравнить с предыдущим.

Режим 3

Целью этого эксперимента является выяснение следующих вопросов:

1. Чем опасен выход из строя ГЦН и на какие параметры ядерной безопасности он влияет?

2. Наблюдается ли саморегулирование по мощности при выходе из строя одного, двух или трех ГЦН?

3. Можно ли в принципе управлять мощностью реактора путем плавного изменения расхода теплоносителя и какие меры предосторожности при этом нужно принять?

Число работающих ГЦН моделируется в компьютере путем изменения коэффициента К2, значение которого соответствует числу работающих ГЦН, как указано в приведенной ниже таблице.

К2	20	15	10	5
Число ГЦН	4	3	2	1

Эксперимент 1. При нормальных условиях работы отказал 1 ГЦН.

Зарисовать те же 5 графиков и ответить на приведенные вопросы.

Для эксперимента изменить К 2 от 20 до 15!

Эксперимент 2.( Отказ двух ГЦН ) Изменить К2 от 15 до 10 и зарисовать графики.

Эксперимент 3. ( Отказ трех ГЦН ) Изменить К 2 от 20 до 10 и зарисовать графики.

Для выхода из программы можно одновременно нажать три клавиши: Ctrl, Al t, Del.

Для окончания рассмотрения вариантов нарушения реактивности в ЯР мы теперь рассмотрим в лабораторном практикуме на аналитическом тренажёре в файле “ SUZ “ и “ L-2 bat “ ещё два варианта.

Первый вариант связан с заменой автоматического способа регулирования ручным при выходе из строя автоматического регулятора мощности при его работе на малых и больших уровнях мощности.

Второй вариант связан с компенсациями шумов реактивности в регуляторе путем оптимальной настройки зоны нечувствительности. Здесь же Вы знакомитесь с одним из способов предсказательного управления зоной нечувствительности вместо ручной настройки при изменения амплитуды и частоты этого шума в любом конкретном реакторе.