Analysis of a high-frequency component of neutron noise in VVER-1200 dynamic modes
https://doi.org/10.26583/gns-2025-03-06
EDN: MXTTJJ
Abstract
For the first time, the article raises the problem of the possibility of using the high-frequency component of neutron noise to monitor the state of fuel assemblies and fuel rods during operation, since for long-time neutron noise research was limited to a frequency of 50 Hz. A brief historical summary presents the main points and stages of the development of neutron noise control, as well as the personalities of individual scientists who have made fundamental contributions to the development of neutron noise diagnostics. Using the example of data from the Novovoronezh NPP obtained during dynamic tests in 2022, the authors show the possibility of estimating the natural fluctuations of the control bodies of the control system as a function of frequency-depth of immersion in the core. This dependence makes it possible to build an alternative channel for monitoring the position of the regulatory authorities. Based on spectral estimates of high-frequency neutron noise, the possibility of detecting the boiling mode of the coolant with localization of the location by the height of the fuel assembly is substantiated. For the first time, data (frequency composition) on possible natural fluctuations of fuel rods (parts of fuel rods) measured directly during operation is presented. These values are given in the form of specific values, and not in the form of a frequency range calculated based on the results of bench tests. A critical approach to the problem of preliminary tests of fuel assembly layouts at various stands in terms of the sufficiency of information and its validity is presented. For the convenience of visualization and compression of information, a new representation of the cascade of spectra is introduced in the form of contour graphs, which makes it possible to identify common patterns on a large amount of data as efficiently as possible. The necessity of further research on neutron noise issues at existing nuclear power plants is argued in connection with the introduction of a new fuel assembly design (TVS-5), which has significant differences.
About the Authors
G. V. Arkadov
«Rise» non-profit partnership for system engineering development support
Russian Federation
Russian Federation
Cand. Sci. (Engin), Director General
M. T. Slepov
Novovoronezh Nuclear Power Plant the branch of the Russian Concern for the Production of Electric and Thermal Energy at Nuclear Power Plants
Russian Federation
Russian Federation
Dr. Sci. (Engin.), Head of the Department
References
1. Могильнер А.И., Фокин Г.Н., Чайка Ю.В., Кузнецов Ф.М. Применение малых ЭВМ для измерения реактив-ности. Атомная энергия. 1974;36(5):358-362. Режим доступа: https://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t36-5_1974/p358/ (дата обращения 26.04.2025).
2. Скоморохов А.О, Слепов М.Т. Контроль достоверности информации в системе вибродиагностики Ново-воронежской АЭС. Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 1999;1:56–63. Режим доступа: https://static.nuclear-power-engineering.ru/journals/1999/01.pdf (дата обращения 26.04.2025).
3. Bulavin V.V., Gutsev D.F., Pavelko V.I. The experimental definition of the acoustic standing waves series shapes, formed in the coolant of the primary circuit of VVER-440 type reactor. Progress in nuclear energy. 1995;29(3/4):153–170. https://doi.org/10.1016/0149-1970(95)00005-5
4. Булавин В.В., Гуцев Д.Ф., Павелко В.И. Исследования характеристик вибродиагностики ВВЭР-1000 в эксплуатационных. Атомная энергия. 1995;79(5):343–349. Режим доступа: https://www.j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/4797 (дата обращения: 26.04.2025).
5. Katona T., Mesko L., Por G., Valko J. Problems of estimation of the thermohydraulic parameters using neutron and temperature noise signals in PWR's. Progress in nuclear energy. 1985;15:359–364. https://doi.org/10.1016/0149-1970(88)90061-3
6. Katona T., Mesko L. Investigation of the noise source characteristics. Progress in nuclear energy. 1985;15: 685–698. https://doi.org/10.1016/0149-1970(85)90097-6
7. Аркадов Г.В., Павелко В.И., Слепов М.Т. Виброакустика в приложениях к реакторной установке ВВЭР-1200: Монография. Москва: Наука, 2018. 472 с. ISBN978-5-02-040138-9. Режим доступа: https://elib.biblioatom.ru/text/arkadov_vibroakustika_2018/p2/ (дата обращения 26.04.2025).
8. Аркадов Г.В., Павелко В.И., Слепов М.Т. Шумовой мониторинг в приложениях к реакторной установке ВВЭР-1200: Монография. Москва: Наука, 2021. Ч.1. 222 с. ISBN 978-5-02-040869-2 Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?edn=okrpeg&ysclid=mfmah2t689587940434 (дата обращения 26.04.2025).
9. Павелко В.И., Слепов М.Т., Хайретдинов В.У. Опыт проведения комплексных измерений с использованием разнородных систем на различных этапах пуска энергоблока ВВЭР-1200. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2016;4:44–54. https://doi.org/10.26583/npe.2016.4.05
10. Слепов М.Т. Методология комплексного шумового контроля оборудования ВВЭР-1200: Диссертация доктора технических наук по специальности 2.4.9. Москва, 2025. 307 с. Режим доступа: https://cat.gpntb.ru/index.php?id=EC/ShowFull&bid=d85d6ba3b1cdeda6ed461dfbbff281ee&irbDb=ESVODT (дата обращения 26.04.2025).
11. Поваров В.П., Украинцев В.Ф., Голубев Е.И., Жук М.М. Экспериментальные исследования нейтронно-физических процессов в активной зоне ВВЭР-1200. Нововоронеж: ООО РПГ «Девятое облако», 2021. 264 с. Ре-жим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=46457259&ysclid=mfmauqzvta741071478 (дата обращения 26.04.2025).
12. Сборка тепловыделяющая ядерного реактора: Пояснительная записка 2006.В.132.&.0UJA&&.JKA&&.021CA.0006 392M.06.16.01 ПЗ. Подольск: АО ОКБ «Гидропресс», 2009. 102 с. Режим доступа: внутренний документ организации (доступ по запросу).
13. Аркадов Г.В., Павелко В.И., Поваров В.П., Слепов М.Т. Практические возможности и перспективы разви-тия нейтронно-шумовой диагностики активных зон ВВЭР. Вопросы атомной науки и техники. Серия «Ядерно-реакторные константы». 2022;1:74–82. Режим доступа: https://vant.ippe.ru/year2022/1/radiation-technologies/2117-7.html (дата обращения 26.04.2025).
14. Аркадов Г.В., Павелко В.И., Слепов М.Т. Вибросостояние корпуса и внутрикорпусных устройств реак-торной установки ВВЭР-1200. Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2022;1(136):54–67. https://doi.org/10.46960/1816-210X_2022_1_547
15. Аркадов Г.В., Павелко В.И., Усанов А.И. Виброшумовая диагностика ВВЭР. Москва: Энергоатомиздат, 2004. 344 с. Режим доступа: https://diaprom.ru/publication/?id=7 (дата обращения 26.04.2025).
16. Драгунов Ю.Г., Солонин В.И., Перевезенцев В.В. Экспериментальные исследования динамических ха-рактеристик пучков твэлов ТВС ВВЭР в турбулентном потоке теплоностителя. Атомная энергия. 2012;113(4): 237-240. Режим доступа: https://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t113-4_2012/p237/ (дата обращения 26.04.2025).
17. Отчет о научно-исследовательской работе «Вибрационные испытания макета №2 ТВС-5» 545-О-004. Подольск: ОКБ «Гидропресс», 2022. 34 с. Режим доступа: внутренний документ организации (доступ по запро-су).
18. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2011. 768 с. Режим до-ступа: https://search.rsl.ru/ru/record/01004829046?ysclid=mfmbbcsg2z945862045 (дата обращения 26.04.2025).
19. Аркадов Г.В., Слепов М.Т. Нейтронно-шумовые методы контроля активных зон ВВЭР. Глобальная ядер-ная безопасность. 2024;14(4):55-70. https://doi.org/10.26583/gns-2024-04-06
20. Аркадов Г.В., Павелко В.И., Слепов М.Т. Анализ «быстрых» шумовых измерений динамических процес-сов ВВЭР. Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2023;4:19–36, https://doi.org/10.26583/npe.2023.4.02
21. Аркадов Г.В., Павелко В.И., Слепов М.Т. Анализ шумовой составляющей сигналов датчиков прямого за-ряда на маневренных режимах ВВЭР. Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2023;4(143):51–61. doi: 10.46960/1816-210X_2023_4_51
22. Поваров В.П., Голубев Е.И., Жук М.М. Физика реактора ВВЭР-1200 и эксплуатационные вопросы: Научно-практическое пособие. Филиал АО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция», 2025. Белгород: Константа, 2025. 332 с. Режим доступа: https://openrepository.mephi.ru/entities/publication/24945c8f-a0a0-440b-a4ac-14b97d9b2d59 (дата обращения 26.04.2025).
23. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. Москва: Наука, 1966. 247 с. Режим доступа: https://spblib.ru/ru/catalog/-/books/10582435-spravochnik-po-elementarnoy-fizike?ysclid=mfmbuuhsu083817273 (дата обращения 26.04.2025).
24. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: в 2-х томах. Москва: Мир, 1983. Т.1. 311 с. Т.2. 256 с. Режим доступа: https://djvu.online/file/K3IC6BeOTm01w , https://djvu.online/file/IMvGuF5s3NoYZ (дата обращения 26.04.2025).
25. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. Москва: Техносфера, 2006. 856 с. ISBN 5-94836-077-6. Режим доступа: https://djvu.online/file/RcExf7aDfNjrB (дата обращения 26.04.2025).
26. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов: 2 издание. Москва: ООО «Бином-Пресс», 2006 г. 656 с., ISBN 5-9518-0149-4. Режим доступа: https://djvu.online/file/DW2v6v0QAUXzZ (дата обращения 26.04.2025).
27. Аркадов Г.В., Слепов М.Т. Поле акустических стоячих волн в контурах циркуляции ВВЭР. Теплоэнерге-тика. 2025;4:51–63. https://doi.org/10.56304/S0040363625700778
28. Рандалл Р.Б. Частотный анализ. Перевод с английского. Дания, Брюль и Къер, Москва: Мир, 1989. 389 с. Режим доступа: https://z-lib.fm/book/2964471/2d2957/%D0%A7%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9-%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7.html (дата обращения 26.04.2025).
29. Перевезенцев В.В., Солонин В.И., Сорокин Ф.Д. Нестационарные гидродинамические нагрузки и вибра-ции пучка твэлов в ТВС ВВЭР-440. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2008;4:23–29. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=11701040&ysclid=mfmc79croh89749197 (дата обращения 26.04.2025).
30. Крапивцев В.Г., Марков П.В., Солонин В.И. Течение и теплоперенос в пучках стержневых твэлов водо-охлаждаемых реакторов с модифицированными сотовыми дистанционирующими решетками. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2015;3:97–105. https://doi.org/10.26583/npe.2015.3.10
31. Перевезенцев В.В. Случайные гидродинамические нагрузки и вибрации твэлов в турбулентном потоке теплоносителя в ТВС ВВЭР. Известия вузов. Ядерная энергетика. 2012;2:102–111. Режим доступа: https://nuclear-power-engineering.ru/article/2012/02/13/?ysclid=mfmc9uzwc586702360 (дата обращения 26.04.2025).
Supplementary files
Review
Рассмотрена статья «Анализ высокочастотной составляющей нейтронного шума на динамических режимах ВВЭР-1200».
Статья посвящена актуальной проблеме использования высокочастотной составляющей нейтронного шума для диагностики состояния активной зоны, тепловыделяющих сборок (ТВС) и твэлов в условиях эксплуатации энергоблока ВВЭР-1200. Актуальность темы не вызывает сомнений, поскольку развитие методов неразрушающего контроля, позволяющих выявлять аномалии на ранней стадии, напрямую связано с повышением безопасности и надёжности атомной энергетики.
Авторами впервые проведён комплексный анализ сигналов датчиков прямого заряда (ДПЗ) в частотном диапазоне свыше 50 Гц на основе уникальных экспериментальных данных, полученных во время динамических испытаний на Нововоронежской АЭС-2. Продемонстрирована принципиальная возможность регистрации высокочастотных составляющих, что опровергает существовавшее ранее представление об инертности ДПЗ.
Название статьи полностью отражает её содержание. Аннотация структурирована и лаконично представляет основные результаты работы, хотя для большей полноты в неё можно было включить упоминание о новом методе визуализации данных (спектральные поля), который является одним из ключевых научных инструментов, предложенных авторами.
Методология исследования основывается на современных подходах к спектральному анализу и обработке сигналов. Применение контурных графиков («спектральных полей») для представления каскада спектров является эффективным и новаторским решением задачи визуализации больших массивов данных в динамических режимах. Этот метод позволил авторам однозначно идентифицировать природу различных колебательных процессов (механические колебания органов регулирования, гидродинамические явления) и проследить их изменение во времени в зависимости от режима работы реактора.
Авторы корректно ссылаются на фундаментальные и современные работы в области нейтронно-шумовой диагностики, демонстрируя глубокое понимание исторического контекста и текущего состояния проблемы.
Ключевые результаты работы имеют высокую научную и практическую значимость:
- Экспериментально выделен и обоснован частотный диапазон (105–111 Гц), соответствующий колебаниям органов регулирования СУЗ, и показана гиперболическая зависимость частоты от глубины их погружения, что открывает возможность создания альтернативного канала контроля их положения.
- Обнаружено и интерпретировано явление подкипания теплоносителя между горизонтами 5 и 6 ДПЗ на номинальной мощности.
- Получены данные о возможных собственных частотах колебаний пучков твэлов, представляющие ценность для верификации расчётных моделей.
- Обоснована необходимость продолжения исследований в связи с внедрением новой конструкции ТВС.
Статья написана ясным, строгим научным языком, терминология используется корректно. Структура работы логична, а выводы полностью соответствуют представленным результатам.
Отдельные замечания, такие как желательность более детального сопоставления данных о «дрейфе» частоты с журнальными записями о перемещении конкретных групп ОР СУЗ или обсуждение результатов по кипению в контексте показаний термопар, носят рекомендательный характер и не снижают высокой научной ценности работы и не препятствуют её публикации, а обозначают перспективные направления для дальнейших исследований.
Учитывая вышеизложенное, считаю, что статья «Анализ высокочастотной составляющей нейтронного шума на динамических режимах ВВЭР-1200» представляет собой завершённое и значимое научное исследование, вносящее существенный вклад в развитие методов диагностики активных зон ядерных реакторов, и рекомендуется к публикации в журнале «Глобальная ядерная безопасность».
Рецензент
к.т.н., доцент кафедры атомной энергетики
ВИТИ НИЯУ МИФИ А.А. Лапкис
For citations:
Arkadov G.V., Slepov M.T. Analysis of a high-frequency component of neutron noise in VVER-1200 dynamic modes. Nuclear Safety. 2025;15(3):57-76. (In Russ.) https://doi.org/10.26583/gns-2025-03-06. EDN: MXTTJJ
Views:
37
Email this article 