Запаздывающих нейтронов

НАДЕЖНОСТЬ ТЕОРИИ - наука о закономерностях отказа реальных систем, способах количественного измерения, прогнозирования и предотвращения отказов, о способах конструирования, производства и эксплуатации технических систем с целью обеспечения их высокой надежности. Н Т в широком смысле охватывает большое разнообразие исследований в области материаловедения, технологии производства, экономики, экологии, инженерной психологии, медицины и др. наук. Н Т в узком смысле(матем. Н Т) занимается созданием и исследованием моделей математического функционирования систем, отражающих явления, связанные с надежностью: отказы элементов системы, их восстановление, контроль функционирования, использования запасных элементов, реконфигурации СУЭМ при отказах, наличие резерва времени и мн. др. явления. Эти явления имеют случайных характер, что обусловило важную роль в Н Т вероятностей теории, случайных процессов теории и математической статистики. Матем, Н Т включает теории испытаний на надежность, резервирования, профилактик оптимизации, оптим. управление запасными элементами, оптимальной технической диагностики, расчета оптим. срока эксплуатации, роста надежности в процессе обработки изделий и др. Н Т основывается на выработанных в ней фундаментальных понятиях отказа, безотказности, долговечности, резерва и др. Выработаны количественные критерии надежности, важнейшие из которых - среднее время безотказной работы, готовности коэффициент, надежности коэффициент. Исследование этих критериев ведется методом теории случайных процессов С стационарных, марковских, полумарковских} и массового обслуживания теории.

Что касается ненагруженного скользящего резервирования, то здесь дело обстоит лучше. Такая математическая модель очень естественна, когда рассматриваются запасные элементы (блоки, агрегаты, детали, другие элементы), которые устанавливаются взамен отказавших и только с этого момента начинают работать. В этом случае, если в системе имеется несколько однотипных элементов, то для них имеется общий запас. Вопрос адекватности математической модели в данном случае возникает в иной плоскости: как правило, при установке запасного элемента система простаивает, т.е. фиксируется ее отказ. Иными словами, математическая модель ненагруженного скользящего резервирования характеризует не безотказность системы, а обеспеченность ее запасными элементами.

Однако на практике приходится ставить задачу не только об оценке показателей надежности системы, но и об оптимальном обеспечении ее и резервными блоками, и запасными элементами с учетом ограниченных суммарных затрат.

При записи формулы (5.107) учтено, что обеспечение запасными элементами для пополнения начинается, по сути депа, после окончания первого периода длительности т, в начале которого система обеспечивается набором запасных элементов т. Дополнительное допущение связано с тем, что реальный расход элементов каждого типа на одном периоде пополнения ограничен величиной п;-. Заметим,

Говоря об обеспечении некоторого технического объекта запасными элементами, будем предполагать, что эти элементы предназна-

Однономенклатурный запас. Начнем рассмотрение с простейшего случая, когда единственный территориально обособленный технический объект, состоящий из п основных однотипных элементов, должен быть обеспечен запасными элементами (ненагруженным резервом) на период работы 9, после чего запас пополняется до начального уровня и работа объекта продолжается. Неотказавшие элементы продолжают работать на следующем периоде. Пополнение запаса осуществляется мгновенно (это ограничение по существу не является принципиальным и может быть легко снято) за счет центрального склада. Сам центральный склад может пополняться с периодом т, который для простоты выбран кратным периоду 9, т.е. т= s9.

Требуется обеспечить и объект, и центральный склад таким числом запасных элементов, чтобы затраты на запасные элементы (детали) были минимальными при требуемой надежности обеспечения объекта необходимыми средствами для технического обслуживания. (Возможна и обратная постановка задачи, касающаяся максимизации качества обеспечения запасными элементами при ограничениях на суммарные затраты. Принципиально решение обратной задачи не отличается от прямой, поэтому нами рассмотрено не будет).

Для конкретности будем рассматривать в качестве показателя надежности обеспечения технического объекта запасными элементами вероятность того, что за все время т ни разу не возникнет дефицита в запасных элементах ни при проведении замены на всем периоде 9 непосредственно на объекте, ни при постановке очередной партии с центрального склада из-за того, что тот оказался в соответствующий момент опустошенным. Можно, конечно, в качестве показателей надежности обеспечения выбрать и другие, например долю времени, в течение которого объект находится в состоянии обеспеченности запасными элементами (аналог коэффициента готовности), среднюю длительность периода до первого наступления дефицита запасных элементов и т.п.

Вероятность того, что описанная система осуществит бесперебойное обеспечение технического объекта запасными элементами в тече-348

вать задачи оптимизации для этого случая не представляется необходимым. Заметим, однако, что запись функционала в виде (5,133) может привести к тому, что различные объекты могут быть обеспечены запасными элементами с существенно разной степенью надежности. Чтобы избежать этого, можно дополнительно потребовать, чтобы, например, для всех объектов выполнялось условие

При эксплуатации роторные автоматические линии подвергаются внешним воздействиям. Для повышения сопротивляемости отдельных механизмов роторов внешним воздействиям проводят обязательное смазывание трущихся поверхностей, повышают жесткость главных валов роторов, применяют антикоррозийные покрытия, виб-роизолируют отдельные линии в системе. Сокращение простоев роторных автоматических линий в процессе эксплуатации достигается путем рациональных методов профилактики и ремонта, одним из которых является резервирование линий запасными элементами. Сущность резервирования состоит в том, что элементы, имеющие относительно невысокую надежность, резервируются запасными. Обычно запасные элементы, например налаженные на специально оборудованных стендах, и хранимые около линии инструментальные блоки по сигналу на замену автоматически подаются в ротор.

увеличения реактивности. Особенно опасен внезапный рост реактивности, превышающий долю запаздывающих нейтронов (ок. 0,007). Р. р. может привести к разрушению активной зоны. Иногда под Р. р. подразумевают норм, пусковой режим реактора, при к-ром мощность возрастает с установившимся периодом.

и могут распадаться с выделением нейтрона. Однако этот распад не происходит мгновенно после образования этих ядер; он происходит обычно по истечении какого-то среднего времени жизни. В табл. 7.1 перечислены важные группы запаздывающих нейтронов, которые были определены при делении основных делящихся изотопов. И хотя эти нейтроны не составляют значительной доли в общем числе нейтронов деления, они очень важны при оценке общих рабочих характеристик энергетических реакторов.

Таблица 7.1. Характеристики запаздывающих нейтронов при делении на тепловых нейтронах

Измерение нейтронов наиболее просто осуществить с помощью ре- гистрации продуктов их реакций с § материалами, имеющими высокие § сечения взаимодействия, такими, 5. как бор (или ВРз) в ионизационных ^-камерах и уран в камерах деления. Ч Быстрые нейтроны с помощью воды или парафина, размещенных между пробой и детектором, обычно замед-ляются до тепловой энергии с по- следующей регистрацией. Важную ^ роль в нейтронных .измерениях играет так называемый детектор запаздывающих нейтронов, используемый при обнаружении топлив-

Запаздывающие нейтроны обычно разбиваются по периоду полураспада на 6 групп. Две из них достаточно долгоживущие и могут быть использованы для измерения утечки продуктов деления из твэла. В табл. 5.8 указаны выходы и периоды полураспада запаздывающих нейтронов в этих группах, а также суммарный выход нейтронов при делении.

Выход запаздывающих нейтронов на одно деление, вызванное тепловыми

Теория определения местоположения поврежденного твэла в реакторе типа PWR разработана достаточно подробно [41, 42]. Применение системы регистрации запаздывающих нейтронов демонстрировалось в серии испытаний с поврежденными образцами твэлов в Х-1 петле реактора NRX. В кипящих реакторах основная часть газовой активности выносится из реактора с паром. Поэтому отбор пробы пара над горючим и анализ его газовой активности дают возможность получить сигнал с низким

Схема обнаружения на реакторе Шиппингпорт состоит из пробоотборной линии на выходе из каждой топливной сборки, проходящей через многопозицирнный поворотный клапан к одному из двух счетчиков запаздывающих нейтронов. Пробы из топливных сборок отбираются поочередно. Анализ продуктов деления в реакторе, а также рост общей активности при запуске указывали на наличие в твэлах реактора небольших дефектов [47].

Однако показания детектора запаздывающих нейтронов при работе в стационарном режиме были недостаточны для определения положения поврежденного твэла. Дефект был обнаружен при запусках с помощью соединения датчиков с парами топливных сборок. Исследование подозреваемой сборки после извлечения из реактора показало наличие небольшого дефекта.

Величину Д/С=/С—1 называет реактивностью реактора. ЕСЛИ К>1, то реактивность положительна и мощность реактора увеличивается, если /С<1, то реактивность отрицательна и мощность уменьшается. Если реактивность постоянная, то относительный прирост мощности AN/(NAT) за некоторое время Дт не зависит от времени. Величину T=[AN/(NAt)]-1, обратную относительной скорости приращения мощности, называют периодом реактора. Период численно равен времени, за которое нейтронный поток в реакторе (при постоянной относительной скорости) увеличивается в е=2,718... раз. Значение периода зависит от внесенной реактивности. При этом существенную роль играют так называемые запаздывающие нейтроны, что было отмечено еще в 1940 г. выдающимися советскими учеными Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном. При делении ядра непосредственно выделяются не все нейтроны: небольшая их часть (0,7% для 235U; 0,4% для 239Ри) выделяется при радиоактивных превращениях осколков разделившегося ядра. Долю запаздывающих нейтронов обозначают р. Наличие запаздывающих нейтронов приводит к тому, что при внесении относительно небольшой положительной реактивности (АК<^.$) относительная скорость прироста мощности мала (период велик) и реактором легко можно управлять. При внесении больших реактивностей Д/С>р относительные скорости велики (период мал). В табл. 11.1 приведены значения периода при различных значениях Д/С/р (для реактора типа ВВЭР).

ность внесения положительной реактивности, сравнимой с долей запаздывающих нейтронов р. Это достигается различными конструктивными и организационными мероприятиями. В частности, нормативные документы устанавливают (13, 14], что положительная реактивность, вводимая исполнительными органами в 1 с, не должна превышать 0,07(3 (реальная скорость ввода положительной реактивности при работе одной рабочей группы исполнительных органов реактора ВВЭР составляет около 0,02р/с). Если движение всех регулирующих органов реактора может привести к скорости ввода положительной реактивности, превышающей значение 0,07р/с, электрическая схема системы управления должна исключать возможность их одновременного движения в этом направлении. Ограничивается также максимальная реактивность, вносимая одним регулирующим органом, которая должна быть менее 0,7р. Кроме того, при ручном управлении органами регулирования со значительной реактивностью предусматривается их шаговое движение, т. е. при нажатии кнопки орган движется в течение определенного времени (обычно до ввода реактивности 0,1—0,2(5), а затем останавливается. Для повторного запуска органа требуется отпустить и вновь нажать кнопку. Такой алгоритм управления снижает вероятность ввода большой положительной реактивности в результате неправильных действий оператора.