Определение местоположения негерметичных ТВС в реакторе БН-600 методом перекомпенсации нейтронного поля

Актуальность темы

Несмотря на передовую технологию и тщательный контроль при изготовлении твэлов реактора БН-600, отмечаются случаи образования дефектов в их оболочках. Для обеспечения безопасной и экономически эффективной работы реактора необходим непрерывный контроль герметичности оболочек (КГО) твэлов.

Штатная секторная система контроля герметичности оболочек твэлов (ССКГО) позволяет выявить наличие негерметичных по топливу ТВС (тепловыделяющих сборок, содержащих твэлы с негерметичностью оболочек) во время работы реактора. Контроль основан на регистрации запаздывающих нейтронов, которые испускают продукты деления, попавшие в теплоноситель через дефект в оболочке твэла. Однако точность локализации этой системы в штатном режиме работы невысока.

Точное определение местоположения производится во время останова реактора путем последовательной проверки каждой подозреваемой сборки, что приводит к увеличению времени простоя реактора. Поэтому сокращение области возможного нахождения дефекта является актуальной задачей.

В диссертационной работе исследуется метод перекомпенсации нейтронного поля — активный метод, основанный на внесении локальных возмущений в различных частях активной зоны с помощью стержней системы управления и защиты (СУЗ) и регистрации отклика датчиков запаздывающих нейтронов (ДЗН). Метод перекомпенсации дает возможность определять местоположение негерметичных по топливу ТВС с высокой точностью и, тем самым, существенно сузить область поиска при выполнении работ по обнаружению дефектной ТВС на остановленном реакторе.

Наряду с традиционным способом применения метода перекомпенсации, требующим проведения специальных экспериментов на работающем реакторе, в диссертации предложена и исследована методика локализации, основанная на использовании результатов штатных перекомпенсации. Новая методика перспективна и актуальна, поскольку не требует обоснования безопасности специальных экспериментов.

В настоящее время принята к выполнению Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007;2010 годы и на перспективу до 2015 года», утвержденная постановлением Правительства № 306 от 06.10.2006 [32]. В этой программе направление № 4 «Переход к инновационным технологиям развития атомной энергетики» включает в себя строительство энергоблока с реакторной установкой типа БН-800, близкого по конструкции к БН-600. Таким образом, работа является актуальной как для существующего реактора БН-600, так и для всех перспективных реакторов серии БН [37].

Цель диссертации — разработка методического, алгоритмического и программного обеспечения системы КГО, предназначенной для определения местоположения негерметичных по топливу ТВ С методом перекомпенсации нейтронного поля. Система позволяет с высокой точностью определять местоположение негерметичных ТВС на работающем реакторе и существенно сокращает время простоя реактора.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработана методика определения местоположения негерметичных ТВС, устойчивая к зашумлению исходных данных и обладающая высокой чувствительностью при выделении полезного сигнала ДЗН.

2. Проведена модификация штатной методики проведения штатных перекомпенсации на реакторе БН-600 для обеспечения возможности решения задачи определения местоположения негерметичных ТВС.

3. Разработан алгоритм автоматического определения моментов движения стержней СУЗ реактора БН-600.

4. Разработана методика комплексного анализа откликов ДЗН, позволяющая уменьшить уровень ошибок при принятии решений о наличии негерметичной ТВ С в исследуемом районе на основе учета коррелированное&tradeпоказаний датчиков.

5. Разработана экспертная система, позволяющая определять зону расположения дефекта в период между проведением перекомпенсации по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура реактора БН-600.

Методы исследования. В качестве методов исследования применялись: разведочный анализ данных, методы цифровой фильтрации, методы проверки статистических гипотез, метод статистического моделирования бутстреп, регрессионный анализ и методы разработки экспертных систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые проведено расчетно-экспериментальное обоснование применимости методики перекомпенсации нейтронного поля для определения местоположения дефектных ТВС на реакторе БН-600. Предложенные оригинальные алгоритмы обработки результатов измерений позволили достичь высокой точности локализации негерметичных ТВС.

2. Впервые исследована возможность определения местоположения негерметичных ТВС при проведении штатных перекомпенсациирегламентных работ по компенсации выгорания ядерного топлива.

3. Впервые показано, что для выделения и отбраковки откликов ДЗН, обусловленных изменением интегральной мощности реактора, может успешно применяться многомерная статистика Хотеллинга.

4. Впервые при решении задачи КГО использован байесовский подход для вероятности ого учета неопределенности в расчетах активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1 -го контура.

Достоверность научных положений обеспечивается следующими факторами:

• хорошим согласием результатов применения разработанных методов локализации негерметичных сборок с полученными на остановленном реакторе прямыми данными по их реальному местоположению;

• большим объемом обработанных данных, полученных при проведении перекомпенсации в разных микрокампаниях реактора и при различных положениях решетки КП-ТК (уровнях выгорания топлива);

• использованием' как параметрических, так и непараметрических статистик, устойчивых к выбросампроведение статистического моделирования методом бутстреп.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Научные результаты воплощены в алгоритмическом и программном обеспечении системы обнаружения дефектных сборок FLUT-600, которая внедрена в опытную эксплуатацию на реакторе БН-600. В диссертации представлена модифицированная версия системы, включающая в себя подсистему локализации негерметичных ТВ С по результатам специальных перекомпенсации, подсистему ведения базы данных, полученных при проведении штатных перекомпенсации, и подсистему проведения локализации на основе этой базы данных.

2. Применение штатных перекомпенсации для решения задачи КТО, в отличие от специальных экспериментов, позволяет избежать непростой процедуры обоснования безопасности экспериментов.

3. Для повышения точности и достоверности результатов локализации разработано алгоритмическое и программное обеспечение экспертной системы, позволяющей уточнять зону расположения дефекта по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура.

4. Методические разработки автора используются в учебном процессе на кафедре АКИД при выполнении курсового проекта в рамках изучения дисциплины «Обнаружение и фильтрация сигналов».

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в решении всех задач, изложенных в диссертации. Разработал подсистему передачи данных по перекомпенсациям с измерительно-вычислительного комплекса Белоярской АЭС, исследовал влияние особенностей системы регулирования реактора БН-600, выполнил анализ накопленной базы данных по перекомпенсациям, разработал методику определения местоположения негерметичных ТВС, алгоритмическое и программное обеспечение модифицированной версии системы FLUT-600.

На защиту выносятся:

• результаты анализа данных специальных реакторных экспериментов по обоснованию применимости метода перекомпенсации нейтронного поля для определения местоположения негерметичных ТВС в реакторе БН-600, методика определения местоположения негерметичных ТВС;

• модификация программы проведения штатных перекомпенсации для решения задачи локализации негерметичных ТВС, алгоритмы и программы системы анализа результатов перекомпенсации FLUT-600, включая применение многомерной статистики Хотеллинга для выявления районов активной зоны, содержащих негерметичные ТВС;

• алгоритмы и программа BAYES-600 байесовской экспертной системы для определения зоны расположения негерметичных ТВС по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на всероссийских и международных семинарах и конференциях:

• Международный научно-технический семинар МХО Интератомэнерго «Методы и средства контроля, диагностики и ремонта оборудования АЭС», Москва, 1989 г.

• Всероссийский семинар секции № 3 «Динамика, теплогидравлика и безопасность реакторов и АЭС» НТС № 1 Минатома России «Современные методы и средства диагностики ЯЭУ», Обнинск, 2001 г.

• VIII Международная научно-техническая конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 2003 г.

• X Международная научно-техническая конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 3 статьи в научно-технических журналах, 7 публикаций в сборниках и трудах конференций, научно-технических отчетах Получены 2 авторских свидетельства РФ на регистрацию программ для ЭВМ.

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1. Скоморохов А. О., Лукьянов Д. А. Применение метода перекомпенсации для определения местоположения негерметичных сборок в реакторах на быстрых нейтронах // Известия вузов. Ядерная энергетика. — 2007. — № 2. — С. 39−43.

2. Скоморохов А. О., Лукьянов Д. А. Методика локализации дефектных ТВС при проведении штатных перекомпенсации в реакторе БН-600// Известия вузов. Ядерная энергетика. — 2007. — № 3, вып.1. — С. 120 129.

3. Skomorokhov А.О., Lukyanov D.A. Bayes Diagnostic System to Locate the Defected Fuel Assembly Zone on BN-600 Reactor// BgNS Transactions — Vol. 10 — 2005 -No 1 .-Pp. 305−310.

4. Скоморохов A.O., Лукьянов Д. А. «FLUT-бОО» — программа для анализа данных, полученных при проведении перекомпенсации нейтронного поля реактора БН-600 с целью локализации негерметичных тепловыделяющих сборок// Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 006 613 850 от 09.11.2006 г.

5. Скоморохов А. О., Лукьянов Д. А. «BAYES-бОО» — Байесовская диагностирующая система для определения зоны расположения негерметичной ТВС в реакторе БН-600// Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 006 613 917 от 15.11.2006.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Работа изложена на 168 страницах, содержит 64 рис., список литературы из 76 наименований.

Выход.

Вероятность наличия дефекта {%).

АЗ-1 ГОО.

ЗБО-2 I 01 ВБЗВ | 2.8.

НБЗВ j 85.5 ВРХ 111.6.

Рис. 64. Показания программы FLUT/BAYES-600 при интервальном расчете СКО распределения активностей.

4.5.5. Преимущества байесовского подхода.

Отметим некоторые существенные преимущества байесовского подхода для решения подобного класса задач [4].

Анализ вероятностей различных гипотез на заключительной стадии позволяет судить о достоверности принимаемых решений. Так, если вероятности двух гипотез преобладают и примерно равны, то это свидетельствует о том, что три другие гипотезы отвергнуты уверенно, а сделать надежный выбор между двумя оставшимися зонами при имеющейся информации невозможно.

Описанная схема принятия решений весьма универсальна. В частности, не представляет никаких трудностей использование не только измеряемых количественных, но и определяемых качественных признаков (например, плавный рост суммарной активности или ее колебания). При этом, вместо функции F (Xj/Hi) в формулу Байеса необходимо подставлять оценку условной вероятности F (Z/Hi), которая или выражает уверенность эксперта в появлении качественного признака Z при расположении негерметичной ТВС в зоне Hi, или является эмпирической частотой соответствующего события.

Алгоритм является самообучаемым, т.к. по мере накопления эмпирической информации о характеристиках расположенных в различных зонах дефектных ТВС оценки используемых вероятностных характеристик постоянно уточняются и, соответственно, более точными становятся принимаемые решения.

Отметим также, что при проведении уточненных расчетов ожидаемых активностей (по другим методикам или, например, для различных значений выгорания) используемые в алгоритме вероятностные характеристики легко модифицируются.

Заключение

.

1. На основе анализа экспериментальных данных двух реакторных экспериментов выполнено обоснование практической возможности применения методики перекомпенсации для определения местоположения дефектных ТВС в реакторе БН-600. Показана чувствительность секторных датчиков КГО к локальным возмущениям нейтронного поля при работе реактора на пониженном уровне мощности. Гипотезы о наличие эффекта изменения показаний датчиков СКГО при внесении возмущения нейтронного поля в районе расположения негерметичной сборки проверены двумя независимыми методами: t-критерий Стьюдента и метод прямого статистического моделирования бутстреп.

2. Разработана робастная методика, позволяющая оценивать, нормировать с учетом ошибок измерения и сравнивать друг с другом отклики датчиков запаздывающих нейтронов на вносимые возмущения нейтронного поля. Предложен и проверен алгоритм определения местоположения дефектных ТВС, основанный на полном переборе ТВС и сравнении модельных и экспериментальных откликов датчиков КГО при внесении возмущений разными стержнями КП. Показана устойчивость алгоритма локализации к возмущениям исходных данных.

3. Расчетным путем оценены пространственные характеристики вносимых возмущений нейтронного поля. Показано, что при внесении возмущений.

• отдельными КП характерный масштаб возмущения имеет порядок расстояния между соседними КП. Этим определяется возможность обнаружения местоположения дефектных ТВС с точностью, по крайней мере, до семи соседних пакетов (центр и кольцо ближайших ТВС).

4. Показаны возможности применения корреляционной методики для повышения отношения сигнал/шум при выделении связанной с перемещениями КП составляющей в показаниях датчиков СКГО.

Использование корреляционной методики позволяет, в частности, уменьшить амплитуду вносимых возмущений и, тем самым, повысить безопасность работ по определению местоположения дефектных ТВС методом перекомпенсации.

5. Впервые предложено использовать штатные перекомпенсации для локализации негерметичных ТВС. Разработаны предложения по модификации порядка проведения штатных перекомпенсаций на реакторе БН-600, позволяющие решать задачу КГО во время проведения регламентных работ по компенсации выгорания топлива.

6. Проанализированы данные штатных перекомпенсаций, зарегистрированных во время опытной эксплуатации системы FLUT-600 в 20, 21 и 22 микрокампаниях реактора. В результате анализа:

• обнаружено изменение отклика автоматического регулятора на одинаковые движения стержней КП-ТК в зависимости от положения решетки компенсирующих стержней, связанное с нелинейностью градуировочной характеристики. Рассмотрены пути учета этого эффекта при проведении локализации негерметичных ТВС;

• исследовано негативное влияние реальных особеностей системы автоматического регулирования на возможность поддержания постоянного уровня интегральной мощности при проведении перекомпенсации. Предложен способ уменьшения уровня ошибок первого и второго рода при принятии решений о наличии негерметичной ТВС в исследуемом районе на основе применение многомерной процедуры проверки гипотез о значимости откликов ДЗН;

• рассчитаны статистические характеристики откликов датчиков запаздывающих нейтронов на вносимые возмущения в условиях чистой зоны (отсутствие дефектов типа контакт топлива с теплоносителем). Полученные оценки позволят более обосновано принимать решения при выделении в показаниях датчиков составляющей, связанной с выходом предшественников запаздывающих нейтронов из дефектной ТВС.

7. Для решения задачи КГО необходимо проводить анализ единой перекомпенсации в комплексе с анализом накопленной базы данных по накопленным штатным перекомпенсациям. Для этого автором и его научным руководителем разработана автоматизированная система анализа результатов штатных перекомпенсации FLUT-600, принятая в опытную эксплуатацию на Б АЭС.

8. Предложен байесовский алгоритм определения зоны расположения дефекта по соотношению активностей реперных радионуклидов в газовой подушке реактора и теплоносителе 1-го контура. Алгоритм программно реализован, экспертная система BAYES-600 включена в состав системы FLUT-600. Применение системы BAYES-600 позволит повысить достоверность и надежность показаний основной системы.