АО «НТЦД»

Центр диагностики
URL: http://diaprom.com/
E-mail:
Адрес: 109518, г. Москва, ул. Газгольдерная, д. 14, оф. 329
Телефон/Факс: (495) 690-9195

Новые диагностические признаки в отраслевой системе диагностирования Концерна Росэнергоатом

Новые диагностические признаки в отраслевой системе диагностирования Концерна Росэнергоатом

Павелко В.И., Свежинцева П.Ю., Финкель Б.М.,
ЗАО «Научно-технический центр «Диапром», г. Москва

Доклад на девятой международной научно-технической конференции
«Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики»
Рисунок 1. Всевозможные семейства функций
когерентности и фаз (21 шт.) сигналов ДПЗ одного КНИ
(два верхних графика). Функции когерентности сигналов
удалённых КНИ (1-1, 2-2, …, 7-7) с таблицей фаз на
отмеченных частотах (нижний график). На верхних
семействах закрашены поддиапазоны частот, где
доминирует эфффект переноса температурных флуктуаций
и корпусная АСВ. На нижнем семействе отмечены частоты
для вычисления общеконтурного расхода ТН

Сигналы датчиков различных физических полей системы виброшумовой диагностики (СВШД) содержат богатую диагностическую информацию [1-7]. Например, флюктуации сигнала датчика прямого заряда (ДПЗ) несут информацию как о вибрационных явлениях (колебания корпуса реактора, шахты внутрикорпусной, тепловыделяющей сборки (ТВС), так и теплогидравлических явлениях (акустическая стоячая волна (АСВ), кипение теплоносителя (ТН), транспорт температурных флюктуаций со скоростью ТН).

Точное число всевозможных взаимных (парных) характеристик сигналов ДПЗ ВВЭР-1000 составляет огромную величину: 100128 шт. Если учесть, что сигналы ДПЗ регистрируются совместно с сигналами датчиков абсолютного перемещения (ДАП), датчиков относительного перемещения (ДОП), ионизационных камер (ИК), акселерометров и датчиков пульсаций давления (ДПД) в одной многоканальной записи, то число взаимных характеристик, где участвует сигнал ДПЗ, значительно возрастает. Полный перебор всевозможных пар сигналов СВШД с целью поиска необходимых диагностических признаков практически неосуществим. Необходим целенаправленный выбор пар коррелированных по известному физическому явлению сигналов.

На энергоблоке № 3 эксплуатационный персонал Калининской АЭС периодически производит многоканальные измерения сигналов СВШД. Накопленный за несколько кампаний блока 3 архив нейтронно-виброшумовых измерений даёт возможность по любой авто- и взаимной спектральной особенности получить её трендовые пространственно-временные характеристики. Таким образом, формализованы нейтронно-теплогидравлические источники, поставляющие информацию в эксплуатационных условиях о состоянии активной зоны (АкЗ) и главного циркуляционного контура (ГЦК).

В ВВЭР-1000, в отличие от ВВЭР-440, особая гидродинамика потока ТН с поперечными межканальными перетечками ТН, делает неприемлемым традиционный метод шумового вычисления поканального расхода ТН [8, 9], в связи с чем разработана новая модель транспорта нейтронно-шумовых неоднородностей для ВВЭР-1000. В соответствии с ней выявлены узкие поддиапазоны частот, в которых по функции когерентности сигналов удалённых ДПЗ оцениваются поканальные (локальные) и общеконтурный (глобальный) расходы ТН и энергонапряжённость ТВС (рис. 1).

По вычисленным поканальным скоростям ТН выявлены следующие закономерности (рис. 2):

  • поканальная скорость ТН имеет тенденцию нарастания по мере удаления от центра активной зоны;
  • в соседних ТВС не наблюдается повышенный расход ТН у одной и пониженный расход у другой ТВС, что свидетельствует о выравнивании поля скоростей за счёт поперечного перетекания ТН;
  • отсутствует 1/6-симметрия поля скоростей ТН в АкЗ, выявлены «пятна» повышенных поканальных скоростей ТН, смещённые к периферии активной зоны, и центральное «пятно» пониженных поканальных скоростей ТН;
  • максимальное уклонение поканального расхода от среднего по активной зоне расхода ТН составляет величину порядка ±9%, что находится в согласии с выводами работы [10].

Активная зона является своего рода интегратором 3-х мерного поля температур, откуда и получается глобальный (точечный) нейтронный шум. В точечных моделях глобальный нейтронный шум пропорционален температурному коэффициенту реактивности (ТКР) - αc, что даёт шумовой метод оценивания величины ТКР.

Понятие времени запаздывания - τ0 следует по разному трактовать для формальной [5] и физических моделей АкЗ [4, 8, 11]. В формальной модели - τ0 - время прохода теплоносителем расстояния между двумя ДПЗ одного КНИ, в физической модели - τ0 - время прохода теплоносителем высоты некоторого усреднённого теплогенерирующего канала, эквивалентного всей активной зоне. В физической модели все компоненты (и глобальные, и локальные, и комбинационные G-L-компоненты) задают sink-структуры типа

sin(ωτ0 / 2) ,
ωτ0 / 2

где параметр τ0 надо интерпретировать, как усреднённый по всей активной зоне параметр, в то время как этот же (по названию) параметр, извлечённый из сигналов ДПЗ одного КНИ, следует интерпретировать как поканальный (локальный) параметр, обратно пропорциональный поканальному расходу ТН. Усреднённое время τ0, полученное из глобальной sink-частоты функции

sin(ωτ0 / 2) ,
ωτ0 / 2
Рисунок 2. Частоты минимума функции когерентности сигналов ДПЗ одного
КНИ, как шумовые измерения поканального расхода ТН через ТВС.
Приведена МНК-аппроксимация для всех КНИ в 7-ой кампании
(левый график). Картограмма активной зоны, на которой помечены:
– красным цветом – ТВС с поканальным расходом выше среднего
– синим цветом – ТВС со средним расходом
– зелёным цветом – ТВС с пониженным расходом

обратно пропорционально общеконтурному расходу ТН.

Изменение значения τ0 при изменении вертикального расстояния между ДПЗ является признаком наличия транспортного источника НШ, который связывается с поканальным расходом ТН. Неизменность значения τ0 при изменении пространственных координат двух нейтронных датчиков является признаком глобального НШ-источника, который связывается с усредняющими свойствами активной зоны и с общеконтурным расходом ТН.

Транспортный эффект складывается из перемещения флуктуаций плотности ТН, существующих на входе в активную зону, и флуктуаций, сгенерированных в активной зоне. Численно энергонапряжённость обратно пропорциональна интегралу от функции когерентности ДПЗ1-ДПЗ7 в узком поддиапазоне частот.

Другой способ численной оценки энергонапряжённости основан на разности функций когерентности сигналов 4-х ДПЗ одного КНИ: γ6-7 – γ1-2. Эта разность всегда положительная функция и характеризует НШ-источник, сгенерированный активной зоной между горизонтом ДПЗ2 и горизонтом ДПЗ6. Если ограничиться поддиапазоном частот, где когерентности значимо ненулевые, то получим интервал (2,0-4,0) Гц. Во всём этом интервале частот наблюдается прямолинейная фаза, что свидетельствует о доминировании всего одного транспортируемого НШ-источника. Данная прямая является своего рода эталоном, уклонение от которого характеризует изменение энергонапряжённости в анализируемой ТВС, а функционал

E = 14 [γ6-7(f) – γ1-2(f)]
22

численно характеризует энергонапряжённость ТВС по следующей эмпирической формуле

Рисунок 3. Изменение функции когерентности
сигналов удалённых ДПЗ за кампанию
(появление регулярных sink-структур)
E = > 0.3 – повышенная энергонапряжённость
 0.1 < Е < 0.3 – нормальная энергонапряжённость
< 0.1 – пониженная энергонапряжённость

Выявлена изменчивость введённых диагностических параметров (расходы ТН, энергонапряжённости ТВС) за кампанию. Наблюдается рост когерентности сигналов удалённых ДПЗ и появление в ней регулярных sink-структур к концу кампании, что свидетельствует об уменьшении энергонапряжённости некоторых ТВС (рис. 3).

В энергонапряжённой ТВС существуют дополнительные нейтронно-шумовые источники, связанные с генерированием повышенной энергии (локальное увеличение температурного напора в системе «твэл-ТН», уменьшение плотности ТН) и её теплоотводом из ТВС (увеличение поканальной скорости ТН, начальные фазы кипения ТН). Процесс генерации пара на ранних стадиях кипения ТН представляет собой случайный пуассоновский поток δ-образных импульсов плотности ТН. Появление паровой фазы представляет собой очень мощное возмущение нейтронного потока, так как замедляющие свойства воды и пара значительно отличаются друг от друга. Для нейтронного датчика этот процесс является «белым» шумом, то есть дополнительным некоррелированным нейтронным источником.

В горизонте ДПЗ1 эти источники очень малы или практически отсутствуют. Новые нейтронно-шумовые источники уменьшают когерентность в паре сигналов ДПЗ1-ДПЗ7 в узком поддиапазоне частот. Такая некоррелированность является ключевым свойством нейтронно-шумовых источников, по которым численно формализуется понятие «энергонапряжённость ТВС».

Проделан совместный анализ факторов энергонапряжённости ТВС. Энергонапряжённости всех ТВС, в которых установлены КНИ, проанализированы совместно с шумовыми оценками поканальных скоростей ТН, годом эксплуатации ТВС и местом её размещения в АкЗ. Показано, что через одногодичную кассету, во всех местах, где она установлена, не может состояться малый расход ТН. Выравнивание поля скоростей в АкЗ происходит за счёт поперечных перетечек ТН и саморегулирования по следующей схеме отрицательной обратной связи: «увеличение энерговыделения ⇒ уменьшение плотности ТН ⇒ уменьшение гидравлического сопротивления ТВС ⇒ увеличение поканального расхода ⇒ уменьшение энерговыделения».

Мониторинг поканальных расходов позволяет выявить ТВС со стабильно низким и стабильно высоким расходом ТН. Фактор стабильности обусловлен конкретной загрузкой активной зоны, некоторым отличием производительностей 4-х ГЦН друг от друга, и тогда стабильность должна сохраняться в течение одной топливной кампании. Долгосрочная стабильность связана с неизменными конструктивными особенностями РУ с ВВЭР-1000, а именно, с диаметрами труб в БЗТ над данной ТВС, близостью выгородки активной зоны, наличием КНИ и каналов термоконтроля в данной ТВС [10]. Переменная конструктивная особенность связана с движением органов регулирования (ОР СУЗ) в направляющих каналах ТВС, которое незначительно, но изменяет гидравлическое сопротивление ТВС в целом. К фактору нестабильности поканального расхода через ТВС следует отнести изменение поля скоростей на входе в активную зону из-за подключения/отключения дополнительных контуров циркуляции ТН с плотностью, отличной от средней (например, контуров борного регулирования).

Спектральные взаимосвязи различных комбинаций нейтронных датчиков (ДПЗ-ДПЗ, ДПЗ-ИК, ИК-ИК) описаны нейтронно-шумовой аналитической моделью [4, 11], в соответствии с которой из когерентностей сигналов удалённых нейтронных датчиков оценивается общеконтурный расход ТН (рис. 1, 4).

За кампанию амплитуда резонанса функции когерентности сигналов ИК-ДАП на частотах АСВ вблизи 6-ти и 9-ти Гц возрастает более чем в три раза, следуя линейному закону. Амплитуды резонансов АСВ могут быть прокалиброваны в единицах концентрации борной кислоты тем самым, поставляя шумовой метод её оценивания (рис. 5).

Рисунок 4. Функции когерентности сигналов удалённых пар
«ДПЗ-ИК» (верхний график) и двух удалённых ИК (нижний
график с таблицей фаз) для вычисления общеконтурного
расхода ТН
Рисунок 5. Изменение амплитуды резонанса функции когерентности
сигналов ДАП-ИК за кампанию (левое семейство). Амплитуды резонансов
АСВ на частоте 9,3 Гц и на частоте 6,6 Гц (правый график)
Рисунок 6. АСПМ сигналов ДПЗ одного КНИ в 6-ой и 7-ой топливных кампаниях

Изменяющаяся от кампании к кампании загрузка активной зоны, всякий раз задаёт новое трёхмерное поле плотностей ТН, что делает изменчивой картину высших типов АСВ внутри корпуса РУ. Экспериментально показано, что в разных кампаниях наблюдаются существенно разные поля высших типов АСВ (рис. 6).

Возможно нежелательное тройное совпадение гармоники/субгармоники частоты вращения ГЦН, собственной частоты элемента конструкции ТВС и частоты высшего типа корпусной АСВ.

Разработано эквивалентное представление ГЦК для трёх низших типов АСВ – АСВ компенсатора давления (АСВкд), первой петлевой АСВп1 и первой корпусной АСВк1. АСВ обладают локализующими свойствами. Появление газового объёма в верхней части коллектора ПГ может значимо уменьшить частоту АСВп1. Газовый объём, под крышкой корпуса РУ и, в частности, газовый объём («гремучая» смесь) под чехлами ОР СУЗ может уменьшить частоту АСВк1. Частота АСВкд изменяется в зависимости от соотношения объёмов водяной и парогазовой фаз в КД. В диагностических целях контроль АСВкд позволяет измерять уровень воды в КД, процедуру сдувки азотной подушки, процессы впрыска в КД и разогрева водяного объёма.

Подключение дополнительных контуров циркуляции ТН к первому контуру порождает резонансы новых петлевых АСВ. Если дополнительные контура отсекаются в соответствии с регламентом эксплуатации РУ, то данный резонанс исчезает. Его наличие или отсутствие является диагностическим признаком, подтверждающим правильность функционирования соответствующих арматур. Неполное перекрытие потока теплоносителя арматурой приводит к уменьшению амплитуды соответствующего резонанса АСВ, но сам резонанс при этом не исчезнет.

По множеству авто- и взаимных спектральных оценок, эмпирическим путём разработаны диагностические признаки работоспособности шумового канала ДПЗ. Разработано круговое правило дефектации измерительных каналов. Установлено шумовое качество измерительных каналов ДПЗ в 7-ой топливной кампании блока 3: из 392-х доступных для измерений каналов ДПЗ (56×7 шт.) 40 шт. оказались неприемлемыми для шумового анализа (10,2%) и 42 шт. (10,7%) – частично работоспособными с удовлетворительным качеством нч-диапазона до 10-ти Гц и неудовлетворительным качеством в диапазоне свыше 10-ти Гц.

Рисунок 7. Фазы (левое семейство) и функции когерентности сигналов ДПЗ
одного горизонта (1-1, 2-2, ..., 7-7) ближайших КНИ (правое семейство)
для контроля поперечных перетечек ТН и высотного распределения
температуры ТН в АкЗ

Сконструированы новые численные меры (диагностические признаки) для следующих категорий:

  • «энергонапряжённость», как безразмерная величина интеграла от функции когерентности сигналов ДПЗ1-ДПЗ7 одного КНИ в узком поддиапазоне частот;
  • «локальный расход», как поканальный расход, получаемый в относительных единицах по локальным минимумам функции когерентности сигналов ДПЗ одного КНИ;
  • «глобальный расход», как общеконтурный расход, получаемый в относительных единицах по минимуму функции когерентности сигналов удалённых нейтронных датчиков «ДПЗ-ДПЗ», «ДПЗ-ИК», «ИК-ИК»;
  • «концентрация борной кислоты», получаемая в относительных единицах, как амплитуда резонанса функции когерентности ИК-ДАП на частотах АСВ и/или как собственная частота колебаний корпуса РУ;
  • «G-L-отношение сигнал/шум» - отношение глобального компонента НШ к локальному компоненту НШ, как значение функции когерентности в точке локального минимума или минимальное значение прямолинейного участка фазы в узком поддиапазон частот (рис. 1);
  • «некоррелированный НШ-источник энергонапряжённости», определяемый по АСПМ и функциям когерентности ДПЗ в узком поддиапазоне частот;
  • «коррелированный транспортируемый НШ-источник», образованный энерговыделением в активной зоне, как разность функций когерентности сигналов 2-х ДПЗ на входе и 2-х ДПЗ на выходе активной зоны в узком поддиапазоне частот;
  • «шумовое качество» сигналов двух ДПЗ, как значение функции когерентности сигналов «ДПЗ-ДПЗ» на частоте резонанса АСВ вблизи 9-ти Гц;
  • «поперечные перетечки теплоносителя в соседних ТВС», получаемые в относительных единицах по наклонам фаз семейства сигналов ДПЗ соседних ТВС в узком поддиапазоне частот (рис. 7);
  • «высотное распределение температуры ТН по АкЗ», как относительная безразмерная величина интеграла от функций когерентности сигналов ДПЗ ближайших КНИ (1-1, 2-2, …, 7-7) в узком поддиапазоне частот (рис. 7);
  • «акустические измерения температуры ТН», как относительные безразмерные величины, получаемые из параметров резонансов АСВ1п и АСВ1к (усреднённые значения температуры ТН по объёму ГЦК и объёму АкЗ);
  • «мощность АкЗ», как относительная безразмерная величина, получаемая из значения частоты резонанса первой корпусной АСВ (рис. 8);
  • «аварийные изменения акустических свойств АкЗ», как значительные изменения параметров резонансов АСВ при аварийном состоянии АкЗ (кризис теплообмена в активной зоне, сопровождающийся «запариванием» значительного объёма активной зоны, потеря теплоносителя в результате течи ТН из ГЦК – рис. 8);
  • «инвариант однофазной среды ТН», как отношение центральных частот АСВк1 и АСВп1, позволяющий различать наличие парогазовой фазы в петле и в корпусе РУ в стационарных и динамических режимах функционирования РУ
Рисунок 8. Центральная частота первой корпусной частоты АСВ
в зависимости от средней температуры ТН и мощности реактора
Рисунок 9. Отношение центральных частот АСВк1 и АСВп1, как инвариант однофазного ТН

Два основных фактора – вибрационный и теплогидравлический – определяющие эксплуатационную надёжность ТВС, изменяются как от кампании к кампании, так и в течение одной кампании, что требует непрерывного их контроля. Единственным инструментом такого контроля в эксплуатационных условиях является нейтронно-виброшумовой анализ сигналов СВШД. Представленные шумовые измерения могут быть реализованы в виде «on-line»-измерений с отображением их оператору БПУ. Для этого необходимо упростить обслуживание шумовых измерений в части коммутирования сборок ДПЗ к СВШД и сделать более надёжными собственно измерительные каналы.

Уже существующие измерения каналов СВШД своими новыми диагностическими признаками способны не только расширить наблюдаемость активной зоны и ГЦК, но и позволят оптимизировать перегрузки топлива и, в частности, достигать максимальной глубины выгорания ТВС.

Список литературы

[1] Г.В. Аркадов, В.И. Павелко, А.И. Усанов. Виброшумовая диагностика ВВЭР. Москва. Энергоатомиздат. 2004.

[2] Г.В. Аркадов, В.И. Павелко, Б.М. Финкель. Системы диагностирования ВВЭР. Москва. Энергоатомиздат, 2010.

[3] Булавин В.В., Гуцев Д.Ф., Павелко В.И. Исследования характеристик вибродиагностики ВВЭР-1000 в эксплуатационных условиях // Атомная энергия. - 1995. - т. 79. - вып. 5. - с. 343-349.

[4] Gutsev D.F., Pavelko V.I. Neutron-Temperature Noise Methods and Their Experimental Check on the Reactor VVER-1000. Труды конференции по внутризонным исследованиям (INCORE 96), Япония, г. Мито, Октябрь 1996.

[5] Павелко В.И. Новые спектральные методы оценки времени запаздывания в реакторно-шумовых исследованиях // Атомная энергия. - 1987. - т. 63. - вып. 4. - с. 266-288.

[6] Павелко В.И. Спектральные методы оценивания времени запаздывания в реакторно-шумовых исследованиях // ВАНТ, серия: Физика ядерных реакторов. -1989. - вып. 2. - с. 58-65.

[7] Bulavin V.V., Gutsev D.F., Pavelko V.I. The experimental definition of the acoustic standing waves series shapes, formed in the coolant of the primary circuit of VVR-440 type reactor. - Progress in Nuclear Energy, 1995, v. 29, No. 3/4, р. 153-170.

[8] Гуцев Д.Ф., Павелко В.И. Шумовые методы диагностики ВВЭР // Атомная энергия. - 1997. - т. 82. - вып. 4. - с. 264-271.

[9] Аникин Г.Г., Гуцев Д.Ф., Павелко В.И. Физическая интерпретация нейтронно-шумовых образов ВВЭР // Атомная энергия. - 1997. - т. 82. - вып. 4. - с. 271-277.

[10] Никонов С.П., Журбенко А.В., Семченков Ю.М. Оценка влияния внутрикорпусных характеристик реактора ВВЭР-1000 на точность расчёта теплогидравлических параметров, 7-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ОКБ «Гидропресс», Подольск, Россия, 17-20 мая 2011 г.

[11] Павелко В.И. Нейтронно-температурные шумовые модели активной зоны ВВЭР // Атомная энергия. - 1992. - т. 72. - вып. 6. - с. 66-81.