Модели ядерного реактора ВВЭР-1000 с разбиением на зоны по вертикальной оси для информационной технологии управления

Abstract

Ядерные реакторы ВВЭР-1000 наиболее распространенной серии В -320, которые входят в 11 энергоблоков атомных электростанций Украины и эксплуатируются в режиме стабилизации мощности, являются динамическими системами, характеризующимися сложными процессами, нелинейными зависимостями между различными показателями их состояния, большим количеством конструктивных и технологических параметров, а также высоким порядком математических моделей [1 –3]. Математические модели ядерных реакторов для решения задач стабилизации мощности включают сосредоточенные модели нейтронной кинетики реактора, тепловых процессов и изменения концентрации ксенона и бора в активной зоне (АЗ) реактора [4 –6]. В настоящее время актуальна проблема модернизации энергоблоков АЭС энергосистемы Украины и создания их информационных управляющих систем, позволяющих эксплуатацию в маневренных режимах [7, 8]. При эксплуатации энергоблока в маневренных режимах возникает необходимость в режиме реального времени контролировать быстрое изменение множества технологических параметров, в частности нейтронную мощность и аксиальный офсет. Аксиальный офсет как относительное значение разности мощностей верхней и нижней половин активной зоны реактора определяет степень неравномерности выделения энергии по высоте АЗ и, в конечном счете, количественную меру устойчивости работы реактора. Для вычисления аксиального офсета используются многомерные математические модели реактора с разбиением на зоны по вертикальной оси в абсолютных переменных состояния [8, 9]. Переход к относительным переменным состояния позволит повысить точность и скорость имитационного моделирования работы реактора в маневренных режимах с помощью информационной технологии, а также решить задачу оптимизации управления [7, 10]. Цель статьи - разработка математических моделей реактора ВВЭР-1000 серии В-320 с разбиением на зоны по вертикальной оси в относительных переменных состояния с возможностью вычисления аксиального офсета для информационной технологии управления энергоблоком АЭС. Строятся нелинейные математические модели с разбиением на зоны по вертикальной оси реактора ВВЭР-1000 серии В-320 в виде систем дифференциальных уравнений (СДУ) в относительных переменных состояния, которые учитывают нейтронную кинетику реактора, постепенное тепловыделение, тепловые процессы в топливе, оболочках и теплоносителе, изменения концентрации ксенона и бора.

Mathematical models of the WWER-1000 nuclear power reactor have been developed with division into zones along the vertical axis in the form of nonlinear systems of differential equations with dimensionless relative state variables. Models in a given number of zones along the vertical axis represent neutron kinetics, gradual heat release, thermal processes in fuel, cladding and coolant, changes in the concentration of iodine, xenon and boron. The parameters of mathematical models have been calculated based on the design and technological parameters of the V-320 series nuclear reactor. A general model of the reactor as a control object with division into zones along the vertical axis, as well as models with control of absorbing rods and boric acid, are obtained. Integration of the obtained systems of differential equations for given initial conditions allows one to obtain changes in all state variables in the reactor zones along the vertical axis. In particular, from the change in power in the zones along the ver tical axis, the axial offset is calculated as the relative value of the difference between the powers of the upper and lower halves of the reactor core. The developed reactor models with dimensionless relative state variables use a minimum number of calculations, allow calculating the change in the axial offset, and are included in the information technology for controlling the power units of nuclear power plants to optimize the maneuvering modes of the WWER-1000 V-320 series reactor.