Ядерная энергетическая установка (ЯЭУ).

Простейшая схема установки приведена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Простейшая схема двухконтурной ядерной энергетической установки с паро­турбинным циклом

В установке основными элементами являются ядерный реактор ЯР и те­плосиловое оборудование. Первый контур включает ядерный реактор ЯР, парогенератор ПГ, циркуляционный насос H₁, трубопроводы горячего (от реактора) и холодного (к реактору) теплоносителя.

В теплосиловое оборудование входят турбина Т с электрическим гене­ратором ЭГ, конденсатор отработанного пара К, циркуляционный насос Н₂ и т.д. Это оборудование образует второй контур ядерной энергетической установки.

В первом контуре наряду с основным оборудованием имеется различное вспомогательное оборудование: система очистки теплоносителя, система подачи теплоносителя в первый контур (компенсаторы уровня, система аварийного расхолаживания реактора, система поддержания давления в контуре и т.д.).

Рассмотрим подробнее основные элементы конструкции ядерного реак­тора (рис. 1.6).

Ядерный реактор - это устройство, в котором обеспечиваются условия для протекания управляемой самоподдерживающейся реакции деления ядер, а также съем тепла. Получаемое в процессе цепной реакции тепло в реакторе отводится циркулирующим теплоносителем и используется в па­росиловой части ЯЭУ для получения электрической энергии. Несмотря на большое разнообразие реакторов, можно выделить ряд элементов и систем, присущих большинству из них.

Рис. 1.6. Основные элементы ядерного реактора:

1 - управляющие стержни; 2 -отражатель; 3-теплоноситель; 4 - биологическая защита; 5 -активная зона; 6 - замедлитель; 7 - ядерное топливо

Активная зона - та часть реактора, в которой осуществляется цепная ре­акция деления. В активной зоне размещаются ядерное топливо (уран и его сплавы, плутоний и т.д.), замедлитель (графит, бериллий, вода и пр.), кото­рый служит для снижения энергии нейтронов деления. Отвод тепла от теп­ловыделяющих элементов активной зоны обеспечивает теплоноситель (во­да, жидкие металлы, газы и пр.). В активную зону реактора также входят различные конструкционные материалы: материалы труб, по которым по­дается теплоноситель, материалы оболочек тепловыделяющих элементов и т.д.

Отражатель используется для уменьшения потери нейтронов за счет утечки через поверхность активной зоны. Обычно в качестве материала отражателя применяются те же материалы, что и для замедлителя.

Биологическая защита. Работающий ядерный реактор является мощ­ным источником различного рода излучений (нейтронов, g-квантов, a-и b-частиц и т.д.). Биологическая защита предохраняет персонал от действия этих излучений.

Система загрузки и выгрузки топлива. В процессе работы реактора происходит выгорание ядерного горючего, накопление продуктов цепной реакции, являющихся поглотителями нейтронов и т.п. В связи с этим необ­ходимо осуществлять замену тепловыделяющих элементов. Эта замена может производиться при выключенном реакторе либо на работающем реакторе. Для осуществления операций по замене выгоревших блоков горю­чего используется комплекс механизмов и устройств, объединенных в сис­тему загрузки и выгрузки топлива.

Органы системы управления. Для управления цепной реакцией в актив­ную зону ректора вводятся, как правило, специальные регулирующие эле­менты, воздействующие на процесс образования или исчезновения нейтро­нов. Эти элементы являются исполнительными органами системы управле­ния.

Аппаратура систем контроля, регулирования и защиты - это комплекс механизмов, приборов, регулирующих устройств, предназначенный для обеспечения безаварийной эксплуатации ядерной установки, т.е. исключе­ния самопроизвольного разгона реактора или отклонений технологических параметров установки от заданных значений.

Важнейшим инструментом для физического моделирования активных зон энергетических ядерных реакторов и уточнения ядерных данных явля­ются критические стенды.

Под критическими стендами (КС) понимают комплекс оборудования, состоящий из ядерного реактора (ЯР), работающего на предельно низких уровнях мощности, и аппаратуры для проведения экспериментов, управле­ния ЯР и обеспечения ядерной, радиационной и общепромышленной безо­пасности.

Ядерные реакторы, входящие в состав КС, принято называть критиче­скими сборками, физическими реакторами или реакторами нулевой мощ­ности.

Основную роль в обеспечении безопасности эксплуатации КС призвана сыграть система управления и защиты (СУЗ), на которую возлагаются функции по управлению цепной реакцией при пуске, переходе с одного уровня мощности на другой и остановке ЯР, а также быстрому прекраще­нию реакции деления в случае возникновения аварийной ситуации.

Системы автоматического регулирования (CAP) ЯР являются подсисте­мами СУЗ и предназначены для автоматического регулирования реактора во время его разгона (пуска) и стабилизации на данном уровне мощности. Функциональная схема CAP КС, осуществляющая алгоритм пуска по пе­риоду со стабилизацией заданного уровня по сигналу измерителя мощно­сти представлена на рис. 1.7, где обозначено: АР - автоматический регуля­тор, ЭП - электропривод, ЯР - ядерный реактор, АК - аппаратура контроля ЯР, N₃ и N - заданный и действительный (выходной) сигналы мощности соответственно, Y₃ и Y - заданный и действительный сигналы обратного периода (период Тр- время, за которое мощность ЯР увеличивается в е раз; обратный период - величина, обратная периоду, т.е. 1/ T_p },), U – выходной сигнал АР, N и Y - сигналы оценки мощности и обратного периода соот­ветственно, r- реактивность.

Рассматриваемая CAP работает следующим образом. Пусть требуется перевести ЯР с уровня мощности N₀ на уровень N₃, причем N₃ >> N₀. После включения АР происходит увеличение реактивности r до достижения за­данного значения Y₃, обратного периода, после чего в течение разгона ЯР осуществляется режим стабилизации периода (сигнал мощности игнориру­ется). При подходе к заданному уровню мощности, АР автоматически пе­реключается от режима стабилизации периода на режим стабилизации мощности (установка по обратному периоду автоматически изменяется от Y₃ до нуля).

Рис. 1.7. Функциональная схема САР КС

Качество регулирования и надежность CAP КС существенно зависят от электропривода, выбор которого определяет закон регулирования. На прак­тике широкое распространение получил релейный закон регулирования - в этом случае статическая характеристика ЭП подобна характеристике трех­позиционного реле. Релейные CAP ЯР имеют высокую надежность, быст­родействие и универсальность, а также меньшую чувствительность к флуктуациям входных сигналов из-за наличия зоны нечувствительности.

Уровень номинальной мощности ЯР на КС редко превышает несколь­ких ватт (более чем в миллиард раз меньше, чем на АЭС), вследствие чего рабочие уровни мощности КС сопровождаются сильными флуктуациями (резко проявляется статистический характер цепной реакции). Кроме того, для контроля состояния ЯР нужна высокочувствительная аппаратура (тре­буется измерять токи нейтронных детекторов начиная с 10^-12 А), которая кроме флуктуации измеряемых параметров подвержена влиянию помех и наводок промышленного характера. Поэтому исследование и проектиро­вание CAP КС целесообразно проводить методами статистического анализа и синтеза систем, т.е. с привлечением аппарата случайных процессов.

Транспортные системы.

Рассмотрим проблему воздействия вибраций на организм человека. В частности, эта проблема имеет место в транспорт­ных системах, например, при проектировании автомобилей, самолетов, вертолетов, железнодорожных и водных средств.

Если в качестве транспортного средства рассмотреть автомобиль, а ис­точником вибраций - двигатель, то соответствующая функциональная схе­ма может быть представлена в виде, показанном на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Функциональная схема системы

С целью изучения этой проблемы проводился соответствующий экспе­римент (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Нерегулярные вибрации легкового автомобиля

(постоянная скорость 20 км/ч)

На схемах Y(t) - сигнал, являющийся вибрацией двигателя.

На рис. 1.10 представлены графики ускорений вертикальной вибрации двигателя и кресла в процессе движения легкового автомобиля. Аналогич­ная ситуация имеет место при управлении самолетом, вертолетом и други­ми транспортными средствами. Очевидно, Y(t) и X(t) - случайные сигналы.

Реакция водителя или пилота на вибрационное воздействие X(t) опреде­ляется индивидуальными особенностями организма, частотой и амплиту­дой вибрационных колебаний X(t). Наличие процесса X(t) может вызывать не только тошноту, повышенное сердцебиение, нарушение зрения, но и кровотечение в легких и в желудочно-кишечном тракте. Внешние колебания в диапазоне частот 15ё30 Гц оказывают влияние на сосудистый тонус организма и двигательный анализатор.

Рис. 1.10. Графики измерения ускорений вертикальной вибрации двигателя и кресла в процессе движения легкового автомобиля.

Поэтому установлены некоторые количественные критерии допустимо­сти различных режимов установившихся вибраций конструкции для эки­пажей, например, летательных аппаратов. Практика показывает, что рабо­тоспособность пилотов снижается уже при среднеквадратичном значении случайной виброперегрузки выше 0,2. Затрудняется наблюдение за прибо­рами. Вибрация со среднеквадратичным уровнем перегрузки, превышаю­щим 0,5, заставляет пилота изменять режим движения (высоту и скорость полета).

Рассматривая подобного вида системы, легко заключить, что их иссле­дование можно проводить только с привлечением аппарата случайных функций, поскольку Y (t) и X(t) (рис. 1.10) не относится к классу детерми­нированных функций.

К основным силовым факторам относятся вибрационные воздействия на изделия при их транспортировке по железной дороге, автомобильными средствами, а также с помощью водного транспорта. Как показали много­численные исследования, вибрационные нагружения на изделия представ­ляют собой случайные функции. Поэтому изучение транспортных сис­тем следует проводить в классе систем, подверженных не детерминирован­ным, а случайным факторам (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Система дорога - шина – автомобиль