Jakie są zasady kalibracji i wrażliwości czujników GT w reaktorach jądrowych?

W analizie systemów monitorowania reaktora jądrowego jednym z kluczowych zagadnień jest kalibracja czujników temperatury gamma (GT), które odgrywają istotną rolę w pomiarze depozycji energii gamma. Ważnym aspektem jest również odpowiednia procedura kalibracji w zależności od godzin pracy reaktora oraz zmieniających się warunków operacyjnych. Warto zatem szczegółowo zapoznać się z tymi procedurami, a także z uwzględnieniem wpływu różnych zmiennych, takich jak rozkład gamma czy temperatura chłodziwa, które mogą wpłynąć na dokładność pomiarów.

W zależności od liczby godzin pracy nowego GT w reaktorze, kalibracja powinna być przeprowadzana w różnym odstępie czasu. W pierwszych 500 godzinach operacji nowego GT kalibracja powinna odbywać się co 2 dni. Następnie, do 1000 godzin, powinna być wykonywana co tydzień, a między 1000 a 2000 godzinami – co dwa tygodnie. Po 2000 godzinach pracy kalibrację przeprowadza się co miesiąc. Ponadto, przed każdą regulacją zysku LPRM należy wykonać kalibrację GT. Jest to istotne, aby zapewnić dokładność pomiarów i stabilność systemu w dłuższym okresie użytkowania czujników.

Również badania w ramach eksperymentalnego obiektu MUSE, przeprowadzone przez firmę Toshiba, wykazały, że w przypadku voiding w rurze detektora, zmiany w sygnale wyjściowym GT są minimalne, nawet przy maksymalnym procencie void wynoszącym 55%. Wyniki te są kluczowe, aby zapewnić niezawodność pomiarów w sytuacjach, w których może występować pewna zmienność w warunkach operacyjnych, jak na przykład zmiana temperatury chłodziwa czy zmiana mocy.

Znaczenie tych wyników staje się szczególnie widoczne w kontekście kalibracji systemu LPRM, ponieważ zmiany parametrów reaktora, takie jak moc czy temperatura chłodziwa, muszą być brane pod uwagę w procedurze kalibracji GT. W tym celu stosuje się odpowiednią metodologię, która uwzględnia wszelkie zmienne, aby zapewnić optymalną dokładność pomiarów.

Podstawowym celem stosowania modelu DGC jest poprawa odpowiedzi GT w warunkach przejściowych, co ma istotne znaczenie przy monitorowaniu rdzenia reaktora. Właściwe uwzględnienie tego opóźnienia w czasie reakcji czujnika GT pozwala na lepsze prognozowanie zmian stanu reaktora oraz dokładniejszą kontrolę procesu. Pomiar takich zmiennych jest kluczowy dla zapewnienia bezpieczeństwa operacyjnego oraz precyzyjnego monitorowania parametrów reaktora.

Dodatkowo, ważnym czynnikiem, który niejednokrotnie bywa pomijany, jest konieczność utrzymania warunków quasi-stabilnego stanu rdzenia podczas monitorowania sygnałów gamma. W celu minimalizacji wpływu na jakość pomiarów, szczególnie w trakcie przestojów lub zmian mocy, konieczne jest utrzymanie rdzenia w jak najbardziej stabilnym stanie.

Jakie są zasady i strategie sterowania w reaktorach jądrowych?

W wielu konstrukcjach reaktorów stosuje się tzw. substancje wypalane, które są zaprojektowane w taki sposób, aby traciły swoją skuteczność w miarę zużywania paliwa. Działają one jednak powoli, a ich reakcja nie jest natychmiastowa. Dlatego też w kontekście sterowania reaktorem przyjmuje się ruch tradycyjnych prętów kontrolnych, ponieważ inne mechanizmy, takie jak rozpuszczalne trucizny, reagują zbyt wolno.

Kontrola reaktora opiera się na monitorowaniu kilku istotnych parametrów. Wśród nich najistotniejsze to moc reaktora, ciśnienie i temperatura chłodziwa, a także prędkość obrotowa wału turbiny. Warto również zauważyć, że parametry sterujące reaktorem mogą być wykorzystywane do regulowania reaktancji i mocy, np. poprzez manipulowanie prętami kontrolnymi lub obiegiem chłodziwa.

Z kolei w przypadku reaktorów wrzących, takich jak Boiling Water Reactor (BWR), strategia sterowania różni się od innych typów. W reaktorach BWR, wzrost przepływu pary wymaga wcześniejszego podniesienia mocy reaktora, zanim para trafi do turbiny. Jest to tak zwana strategia „kotła podążającego za turbiną”, która zapewnia, że moc reaktora jest najpierw dostosowywana do zmieniającego się zapotrzebowania na energię, zanim zmieni się przepływ pary do turbiny. W tym przypadku kluczowymi systemami sterującymi są kontroler mocy reaktora, kontroler wody zasilającej i kontroler ciśnienia.

Mówiąc o monitorowaniu reaktorów, nie można pominąć znaczenia czujników neutronowych, które mierzą moc reaktora w różnych zakresach. W reaktorze znajdują się różne rodzaje monitorów, takie jak Monitor Mocy Lokalnej (LPRM), Monitor w Zakresie Średnim (IRM) i Monitor w Zakresie Źródła (SRM), które umożliwiają precyzyjne śledzenie poziomu mocy w rdzeniu reaktora. Neutronowe liczniki fali są wykorzystywane do monitorowania neutronów w zakresie od poziomu źródła aż do 109 nv.

Przy projektowaniu systemów sterowania reaktorami jądrowymi należy wziąć pod uwagę specyfikę poszczególnych typów reaktorów, jak również ich zastosowanie w różnych warunkach. W każdym przypadku kluczowe jest, aby kontrola reaktora była odpowiednio dostosowana do zmieniających się warunków operacyjnych, zapewniając jednocześnie stabilność systemu i bezpieczeństwo jego pracy. Ważne jest także, aby systemy sterowania były w stanie reagować na zmiany obciążenia w sposób szybki i precyzyjny, co minimalizuje ryzyko poważniejszych awarii i umożliwia efektywne wykorzystanie energii jądrowej.

Jakie urządzenia kontrolują reaktory CANDU i jak zarządzają reaktancją?

Reaktory CANDU charakteryzują się unikalną strukturą kontrolną, w której można zmieniać poziom reaktywności rdzenia poprzez różne urządzenia kontrolujące. W tym przypadku zastosowanie kontrolowanych prętów, mechanicznych absorberów kontrolujących oraz płynnych urządzeń kontrolujących strefy daje możliwość precyzyjnego zarządzania reaktywnością rdzenia, co ma kluczowe znaczenie dla stabilności i bezpieczeństwa działania reaktora.

Reakcja mocy reaktora na zmianę reaktywności jest przedstawiana w literaturze [12]. Zwiększenie reaktywności w określonej strefie rdzenia reaktora, poprzez stopniowe wprowadzanie jej od zera do wartości 0,00015, prowadzi do zmiany mocy w danej strefie. Takie zmiany są obserwowane jako zmiany mocy we wszystkich strefach, co wymaga użycia odpowiednich urządzeń kontrolnych w celu utrzymania równomiernej dystrybucji mocy w rdzeniu. Ważne jest, aby moc w rdzeniu nie przekraczała wartości 100%, co jest osiągane dzięki zastosowaniu odpowiednich działań kontrolnych. W ten sposób, poprzez precyzyjne manewrowanie urządzeniami kontrolującymi, możliwe jest zarządzanie równowagą reaktywności i zapewnienie odpowiedniego poziomu mocy.

W szczególności, reaktor CANDU 6, bazujący na typowej konstrukcji, wykorzystuje urządzenia do kontrolowania reaktywności, które dzielą się na kilka rodzajów:

• Płynne urządzenia kontrolujące strefy (H2O-wypełnione): Sześć takich urządzeń w reaktorze jest rozmieszczonych pionowo w rdzeniu i umożliwiają manipulację poziomem neutronów w różnych strefach. Ich działanie odbywa się za pomocą wody lekkiej, której poziom może być regulowany, zmieniając prędkość przepływu. Woda ta wchłania neutrony silniej niż woda ciężka, co pozwala na precyzyjne kształtowanie pola neutronowego w rdzeniu.

• Regulacja przestrzenna i obwodowa: Oprócz globalnej regulacji, która ma na celu utrzymanie krytyczności reaktora, następuje także manipulacja wodą w sposób przestrzenny, co pozwala na kontrolowanie rozkładu mocy w rdzeniu reaktora. Takie zmiany odbywają się co 0,5 sekundy dla regulacji ogólnej i co 2 sekundy dla regulacji przestrzennej.

• Mechaniczne pręty regulacyjne: Używane do optymalizacji profilu strumienia neutronów i kompensowania zużycia paliwa. Pręty te pomagają także pokonać chwilowe wzrosty reaktancji wywołane przez surgi ksenonu-135, które mogą wystąpić po obniżeniu mocy. Działają one w celu wygładzania rozkładu mocy, co pozwala na uzyskanie większej mocy całkowitej bez przekraczania limitów mocy kanałów paliwowych.

• Mechaniczne absorbery kontrolujące: Cztery absorbery, składające się głównie z kadmu, są stosowane w przypadku potrzeby silniejszej regulacji reaktywności, gdy inne urządzenia kontrolujące nie wystarczają. Ich główną funkcją jest zmiana poziomu strumienia neutronów w rdzeniu, co pozwala na precyzyjniejsze dostosowanie warunków pracy reaktora.