INSTRUMENTATIA NUCLEARA A

REACTOARELOR NUCLEARE

ASPECTE GENERALE

Complexitatea problemelor implicate de controlul proceselor nucleare din RN este functie de destinatia acestora:

a. reactoare de cercetare, cu puteri termice de ordinul 10^-2 - 10² MW;

b.     reactoare nucleare energetice, cu puteri termice de ordinul miilor de MW.

Exploatarea RN energetic impune supravegherea unui spectru larg de parametrii dintre care unii sunt intr-o stransa intercorelare.

Controlul unei unitati nucleare (UN) necesita cunoasterea, in orice moment a puterii nucleare dezvoltate in ZA cunoasterea permanenta a puterii neutronice (P), respectiv a fluxului de neutroni (F

(1)

in care:

S_f sectiunea macroscopica de fisiune;

V : volumul zonei active;

C_f: constanta de fisiune.

Deoarece, pentru un reactor dat:

si ca urmare   

(2)

Fluxul de neutroni reprez. param. vital in urmarirea evolutiei reactiei de fisiune din ZA.

Pentru a controla si comanda puterea P trebuie:

a.       sa putem masura cu precizie fluxul de neutroni si respectiv sa-i putem evalua cu precizie distributia sa in volumul V al zonei active (de ordinul a 100 m³)

b.      sa dispunem de mijloacele necesare pentru a putea realiza urmatoarele functii:

functia de reglare (fina) : modificarea fina (sub 3% din F_nom) a fluxului F, atat global (pe intreaga ZA) cat si in diverse regiuni (zone) ale ZA;

functia de reglare (grosiera) : modificarea grosiera (variatii de ordinul 10 -100 % din F_nom) a fluxului F din ZA;

functia de compensare compensarea in timp a efectelor procesului de modificare a structurii combustibilului si a procesului de otravire, cu urmari in modificarea balantei de reactivitate din ZA;

functii protective (de securitate) : posibilitatea opririi sigure, in orice conditii si in orice moment al procesului de fisiune din RN.

Gradul sporit de periculozitate impune deci echiparea oricarui RN de putere cu doua sisteme independente care sa asigure oprirea rapida a reactorului (sisteme de oprire rapida) atat la comanda operatorului cat si la comanda automata initializata de sistemele complexe care supravegheaza evolutia mai multor parametrii de securitate, inclusiv a fluxului (F

Pentru realizarea fiecareia din functiile mai sus precizate (reglare, limitare sau protectie) trebuie sa se adopte, conform cerintelor de securitate nucleara, scheme de masura redundante ( logica 2 din 3" sau "2 din 4" ).

- fluxul de neutroni dintr-un RN energetic este masurat de un numar considerabil de canale de masura, de cele mai multe ori in configuratii redundante, folosind o gama variata de detectoare de neutroni:

detectoare autoalimentate (cu platina sau vanadiu) ;

camere de ionizare cu triflorura de bor (BF₃) sau cu depunere de bor, compensate sau necompensate;

detectoare cu heliu;

sisteme aerobal (tip posta pneumatica), care iradiaza in ZA, pe durate de timp precizate, bile calibrate si apoi masoara gradul de iradiere a acestora, deducand astfel valoarea fluxului in punctul de iradiere.

EX: RN al unitatii Nr. 1 de la CNE-Cernavoda este echipat cu 187 detectoare autoalimentate (85 cu Pt si 102 cu V), 15 camere de ionizare destinate exploatarii curente si inca alte 6 camere de ionizare pentru prima pornire sau reporniri dupa opriri indelungate.

doua categorii de detectoare de flux :

detectoare care rezista conditiilor din ZA si care sunt amplasate in zona activa (cu abrevierea I. D. - In Core Detectors);

detectoare care nu rezista acestor conditii si, ca urmare, sunt amplasate in afara zonei active, respectiv pe mantaua vasului calandria (la CANDU) sau pe langa suprafata exterioara a vasului de presiune (la PWR), abrevierea lor fiind O.D. (Out off Core Detectors).

detectoarele utilizate vor trebui sa acopere cele trei regimuri de functionare ale RN:

pornirea (prima pornire sau dupa o oprire indelungata);

cresterea puterii;

functionarea de lunga durata in regim de putere (nominala).

in reactoarele PWR din UN de 1300 MWe FI (10^-2.10¹⁴ n.cm^-2.s^-1);

in reactoarele CANDU - 600    FI (10^-2.10¹⁴ n.cm^-2.s^-1).

sa dispunem de masuratori de flux precise si rapide (cu timp minim de raspuns), efectuate in tot cuprinsul ZA.

Referitor la detectoarele plasate in exteriorul ZA trebuie avut in vedere ca:

- a - la pornire, fluxul este redus, iar gama este mare si detectoarele utilizate trebuie sa aiba o mare sensibilitate la neutroni si insensibilitate la radiatiile gama.

pentru efectuarea masuratorilor, se utilizeaza numaratoare proportionale sau camere de ionizare cu fisiune.

- b - pe durata cresterii puterii, fluxul neutronic este din ce in ce mai mare, dar nivelul radiatiilor gama poate inca perturba functionarea detectorului.

camerele cu fisiune sau camerele compensate de ionizare cu bor.

- c - la putere nominala, atat fluxurile de neutroni cat si fondurile gama sunt foarte importante.

camere cu fisiune sau camere de ionizare cu bor, cu o buna stabilitate la gama si o lunga durata de viata.

ICD trebuie sa aiba o fiabilitate comparabila cu fiabilitatea elementelor combustibile, incat sa nu afecteze disponibilitatea reactorului nuclear obligand efectuarea unor opriri nedorite.

Tabelul 1 Parametrii din zona activa a RN PWR-1300

- o categorie speciala o formeaza detectoarele destinate masurarii fluxului pe durata primei porniri a RN sau pe durata repornirilor dupa opriri indelungate. Aceasta categorie speciala este formata, de obicei, din camere de ionizare (cu BF₃ sau cu depunere de bor) si detectoare cu heliu, respectiv detectoare sensibile la fluxuri foarte mici si mici (cel mult de 10⁵ n*cm^-2*s^-1), acoperind domeniul sursei.

Ele sunt singurele detectoare care furnizeaza sistemului de control informatii referitoare la marimea fluxului in primele secvente ale pornirii RN, celelalte categorii de detectoare fiind complet insensibile la fluxuri atat de mici.

In canalele golite prin extragerea detectoarelor de pornire se introduc detectoarele destinate masurarii fluxului pe durata operationala a RN.

- Incercarea de a evita utilizarea unor sisteme electromecanice complexe a condus la o alta solutie: detectoarele de pornire sunt lasate in ZA, fiind practic distruse o data cu cresterea fluxului de neutroni.

INSTRUMENTATIA NUCLEARA A REACTOARELOR CANDU

Fluxul de neutroni termici din reactorul CANDU este masurat si monitorizat pe tot domeniul de variatie, de la nivelul fisiunilor spontane si pana la un nivel de putere egal cu 150% P_nom.

dupa prima pornire, camerele de ionizare raman sensibile si in subcritic

instrumentatia destinata masurarii fluxului este impartita in doua categorii:

- 1 - Instrumentatia de pornire, destinata masuratorilor de flux in domeniul de putere de 10^-14.10^-6 P_nom.

- este utilizata in perioada primei porniri si este extrasa din ZA odata cu depasirea nivelului de 10^-6 P_nom si este reintrodusa in canalele de masura in cazul repornirilor efectuate dupa opriri de lunga durata (mai mult de 4.5 saptamani).

- 2 - Instrumentatia pentru exploatarea curenta:

un set de 3 camere de ionizare, pentru sistemul de reglare a puterii reactorului;

un set de 3 camere de ionizare, pentru sistemul de masurare a vitezei de variatie a puterii nucleare (asigurarea domeniului de 15% P_nom);

un set de 28 detectoare autoalimentate, pentru sistemul de reglare, asigurand controlul variatiei liniare a puterii nucleare in domeniul 0.1,5P_nom;

un set de 102 detectoare autoalimentate, pentru sistemul de cartografiere a fluxului de neutroni;

un set de 57 de detectoare autoalimentate pentru sistemele de oprire rapida (a se vedea figura 7);

un set de 3 camere de ionizare, pentru sistemul de securitate S.D.S #1;

un set de 3 camere de ionizare, pentru sistemul de securitate S.D.S #2.

Fig. 1 Domeniile de sensibilitate ale instrumentatiei nucleare pentru

masurarea puterii reactorului CANDU

2.1 INSTRUMENTATIA PENTRU REGIMURILE DE PORNIRE

aparatura destinata masurarii fluxului din reactorul CANDU, cat timp puterea dezvoltata in ZA este sub domeniul de sensibilitate a instrumentatiei 'normale' pentru masurarea puterii (este vorba de aparatura de masura destinata regimului de putere).

pentru a acoperi tot spectrul de puteri dezvoltate in RN, sunt utilizate trei tipuri de detectoare, fiecare tip acoperind un anumit subdomeniu al acestui spectru total (pornind de la "reactor oprit" pana la "reactor la putere"):

-a- instrumentatia de pornire, care este utilizata de la fisiunile spontane, corespunzatoare unui nivel de 10^-14 din puterea nominala ( P_nom ), pana la un nivel de 10^-6P_nom . Acest tip reprezinta prima categorie mai sus mentionata.

- Expl. Crt:

-b- camerele de ionizare amplasate OCD, care acopera un domeniu cuprins intre 10^-7 P_nom si respectiv 1,5 P_nom;

-c- detectoarele autoalimentate, introduse in ZA, care acopera domeniul efectiv de putere, incepand cu limita inferioara de 10^-1 P_nom.

"instrumentatia de pornire": masurarea fluxului, in gama 2.2 10⁸ n cm^-2 s^-1, se realizeaza usor prin detectarea si numararea individuala a neutronilor termici, atat in interiorul ZA, cat si in exteriorul acesteia este conceputa sa indeplineasca un dublu rol:

sa indice nivelul de putere din RN pe durata pornirii acestuia (nivel aflat sub valoarea minima de reglare);   

sa furnizeze semnalul de intrare pentru sistemul de oprire de securitate, atat timp cat nivelul real de putere se afla sub valoarea minima de sensibilitate a instrumentatiei "normale" de securitate (aceasta se afla 'in afara scalei' de lucru).

- Functionarea la putere nominala pe o perioada de cateva luni este suficienta pentru a asigura o lunga durata de viata activitatii produselor de fisiune, astfel incat sistemele de camere de ionizare vor fi operationale ('in scala') chiar la cateva saptamani dupa momentul opririi.

Semnalul de la iesirea aparaturii de pornire trebuie sa fie permanent 'in scala', aproximativ proportional cu puterea existenta in reactor si sa raspunda prompt schimbarilor nivelului de putere.

Instrumentatia pentru pornire trebuie sa indeplineasca urmatoarele cerinte:

sa indice vizibil, parametrul "PUTERE REACTOR" atat pe o 'scala liniara', cat si pe o 'scala logaritmica';

sa indice vizibil, rata de variatie a iesirii logaritmice, care echivaleaza cu produsul

%P_nom/s

sa inregistreze, in functie de timp, iesirea liniara;

sa furnizeze semnale de declansare (pentru cele trei canale de masura ale sistemului de oprire de securitate S.D.S-1) in cazul unei puteri prea mari, a unei rate prea mari de variatie a puterii, sau in cazul defectarii instrumentatiei respective.

- Majoritatea componentelor care formeaza aceasta instrumentatie sunt amplasate in camera principala de comanda, astfel incat operatorul sa poata urmari cu usurinta puterea, sa ajusteze nivelurile de declansare, sa verifice echipamentul si sa poata inlocui rapid oricare bloc defectat.

- preamplificatoarele de semnal sunt amplasate pe rastelurile de aparatura din anvelopa.

Un astfel de ansamblu se compune din urmatoarele blocuri functionale:

detector (unul in ZA si unul in afara ei);

preamplificator de semnal (cate unul pentru fiecare detector);

surse de inalta tensiune, pentru tensiunile de polarizare a detectorului;

amplificator/analizor si discriminator;

numarator/ceas programabil;

bloc de masura a ratei de variatie;

bloc de reglare a ratei logaritmice cu functie de alarmare/declansare la depasirea valorii maxime admise;

sursa de putere (standard NIM);

bloc de separare (interfata de legatura).

Pentru masurarea fluxului pe durata regimului de pornire si, in special, pe domeniul sursei sunt utilizate doua tipuri de detectoare:

detectoare cu triflorura de bor;

detectoare cu heliu.

Aceste detectoare sunt amplasate fie in lacasurile proiectate pentru detectoarele destinate exploatarii curente (la CNE Bruce), fie in lacasuri special proiectate (la CNE - Cernavoda).

La reactorul unitatii 1 de la CNE-Cernavoda detectoarele de pornire furnizeaza semnalul operational de masura a fluxului pana la puteri de cel mult 10^-7P_nom. Incepand cu acest nivel de putere semnalele de masura sunt preluate de la detectoarele destinate exploatarii curente.

Detectorul cu triflorura de bor (BF₃)

- este un detector tip camera de ionizare (varianta de amplasare I.D.) in care volumul dintre electrozi (cilindri coaxiali) este umplut cu BF₃ , care necesita pentru functionare o diferenta de potential de 1700V si genereaza in medie 0,3 impulsuri pe unitatea de flux.

- Reactia de baza pentru functionarea sa este

,

particula a avand capacitatea de a ioniza gazul de umplere.

Semnalul pulsatoriu generat de acest detector este functie de nivelul ionizarii produse de particulele a, dar si de ionizarea directa produsa de radiatiile g existente in incinta.

La unele RN CANDU (CNE - Bruce) aceste detectoare sunt amplasate in lacasurile orizontale destinate detectoarelor din ansamblul redundant de masura a fluxului apartinand SDS - 2, iar la alte RN (CNE - Cernavoda) ele sunt amplasate in lacasuri speciale (canale orizontale in Calandria).

In varianta O.D. este un numarator cu BF₃, format dintr-un tub de aluminiu cu un diametru exterior de 26 mm si 310 mm lungime, umplut cu BF₃ (gaz imbogatit 96% cu B¹⁰) la o presiune de 400 mm Hg. Functioneaza continuu la temperaturi de cel mult 100 Tensiunea maxima de lucru poate atinge valoarea de 3000 V, performanta maxima fiind obtinuta pentru o tensiune de aproximativ 1800 V.

- sensibilitatea sa, in raport cu neutronii termici, este aproximativ de 4 imp/s pentru o unitate de flux.

- poate suporta un flux de 10⁶ n cm^-2 s^-1 si o doza de radiatii gama cu o rata de pana la 100 R/h pentru 24 ore, fara a suferi o deteriorare semnificativa.

Detectorul cu heliu

- Este un detector O.D., tip camera de ionizare, la care spatiul dintre electrozi (cilindrii coaxiali) este umplut cu heliu (gazul ionizant.

- sunt amplasate pe fetele (laterale) exterioare ale calandriei, acolo unde fluxul de neutroni este aproximativ de 5 10⁵ ori mai mic decat in ZA.

genereaza aproximativ 70 de impulsuri pe secunda si unitatea de flux, iar reactia de baza are forma :

.

La unitatea Nr. 1 de la CNE - Cernavoda, pe fiecare fata laterala a Calandriei, sunt sudati cate trei suporti, deasupra planului median al Calandriei.

Fig. 2 Corelatia nivel flux - tipuri de detectoare utilizate in reactoarele CANDU