Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Rekonstrukce ovládacího systému výzkumného jaderného reaktoru

Článek popisuje projekt rekonstrukce ovládacího systému výzkumného jaderného reaktoru LR-0 v Ústavu jaderného výzkumu Řež, a. s. (ÚJV). Cílem bylo prodloužit dobu technického života reaktoru náhradou staré řídicí techniky, která již byla relativně nespolehlivá a negativně ovlivňovala jeho efektivní provoz.
 

Jaderný reaktor LR-0

LR-0 (obr. 1) je lehkovodní reaktor nulového výkonu. V trvalém provozu je od roku 1983, kdy vznikl rekonstrukcí původního těžkovodního reaktoru TR-0. Reaktor není určen pro výrobu elektrické energie (proto má nulový elektrický výkon), ale pro výzkumné účely, zejména pro studium neutronových fyzikálních dějů v energetických reaktorech. Výraz „nulový výkon“ znamená, že reaktor neprodukuje měřitelné teplo (to dosahuje maximálně 5 kW v objemu asi 10 m3jaderného reaktoru. Pro úspěšnou realizaci některých experimentů je navíc třeba výkon řídit velmi přesně.), a nemá tudíž teplotně-výkonovou zpětnou vazbu. Vlivem toho je jeho regulace obtížnější, neboť nulový reaktor má exponenciální výkonovou odezvu – je nestabilní a z tohoto hlediska je jeho řízení obtížnější než řízení energetického
 
Výzkumný reaktor LR-0 využívá zkrácené palivové kazety, jinak ale v podstatě shodné s těmi, které se používají v jaderných elektrárnách v Temelíně a v Dukovanech (obr. 2). Kazety určené pro LR-0 jsou na rozdíl od kazet pro energetické reaktory rozebíratelné, a tak je možné měnit jejich konfiguraci a zkoumat např. neutronová pole přímo uvnitř kazet. Protože neutronový tok v LR-0 je mnohem menší než v energetických reaktorech, palivo zde téměř nevyhořívá, a tudíž má tak malou radiaci, že s ním lze bez problémů manipulovat. Tím se velmi zkracuje doba potřebná k realizaci experimentů: jedno měření, na něž by v elektrárně byly třeba týdny až měsíce, trvá v LR-0 desítky minut nebo maximálně hodiny. Stejně významná je úspora nákladů, protože odstavit pro uskutečnění experimentu energetický jaderný reaktor je extrémně drahé.
 

Regulace neutronového toku

Výkon energetického lehkovodního jaderného reaktoru se reguluje regulačními tyčemi, které se zasouvají a vysouvají z reaktoru. Tyto tyče představují primární úzkopásmový regulátor − regulace je velmi rychlá, ale jen v úzkém rozsahu akční veličiny. Jako vlečná regulace se používá regulace pomocí změn koncentrace kyseliny borité v chladicí vodě: při jejím přečišťování se do ní přidává buď kyselina boritá (koncentrace boru se zvětšuje), nebo demineralizovaná voda (koncentrace boru se tím zmenšuje). Tato regulace má řádově vyšší rozsah, avšak mnohem větší dopravní zpoždění než regulace tyčemi.
 
U experimentálního reaktoru LR-0 se změna koncentrace boru v chladicí vodě k regulaci nepoužívá vzhledem k menšímu potřebnému rozsahu regulace. Naproti tomu je zde k dispozici unikátní způsob regulace pomocí změny hladiny vody v reaktoru. V energetických reaktorech tento způsob regulace není možný, protože voda v nich funguje jako chladivo a palivo v ní musí být kompletně ponořeno, jinak by se roztavilo. Naopak v LR-0 má tato regulace velmi příznivý vliv na kvalitu prováděných experimentů.
 
Lehkovodní jaderný reaktor je z pohledu regulace vnitřně nestabilní systém s komplikovanou nelineární přenosovou funkcí. Výkon reaktoru se po pohybu akčním členem na určitou dobu „zazmítá“ – dojde ke skokům výkonu závislým na derivaci akční veličiny, a teprve potom, podle aktuálního stavu akční veličiny, ustáleně exponenciálně roste nebo klesá. To je pro výzkumný reaktor, kde jsou velké požadavky na přesnost regulace neutronového toku, nepříjemná vlastnost. U výzkumného reaktoru je navíc nutné počítat s tím, že při různých experimentech se vyměňuje palivo, a tím se i mění regulační přenosová funkce. Pro řízení reaktoru LR-0 se proto používá zcela původní strategie selektorové regulace výkonu, vyvinutá na ZČU v Plzni prof. Milošem Schlegelem a Ing. Pavlem Baldou (v časopise Automa se jí budeme podrobněji věnovat v samostatném článku v některém z následujících vydání).
 

Požadavky na rekonstrukci a rozsah projektu

Reaktor LR-0 byl ještě donedávna ovládán původní, 25 let starou řídicí technikou. Vzhledem k jejímu stáří již byla její spolehlivost malá a údržba komplikovaná. Navíc neposkytovala obsluze to pohodlí, které je běžné u moderní řídicí a ovládací techniky.
 
Součástí projektu rekonstrukce ovládacího systému byla výměna ventilů (původní ventily byly dokonce ještě z roku 1970 z těžkovodního reaktoru TR-0), snímačů pro měření hladiny chladicí vody, detektorů polohy ventilů, detektorů neutronového toku a především vlastního řídicího systému. Část techniky ale zůstala původní, např. čerpadla, pohony regulačních tyčí a komponenty vybrané signalizace. To kladlo velké požadavky na přizpůsobitelnost komponent nového řídicího systému.
 

Měření neutronového toku

Z hlediska regulace i zajištění bezpečnosti provozu reaktoru jsou klíčovým prvkem řídicího systému snímače neutronového toku. Vzhledem k tomu, že neutrony nemají vlastní elektrický náboj, nelze je přímo elektronicky registrovat. Metody detekce jsou založeny na jaderných reakcích, jejichž produktem jsou nabité částice, které mohou být zachyceny jako proudový impulz. Detektory neutronů v experimentálním reaktoru musí být velmi přesné, s rychlou odezvou a musí být schopny měřit ve velkém rozsahu. Proto se zde používají plynové detektory, využívající rozpad uranu, jenž je obsažen v detektoru, po dopadu neutronu – registrují se elektricky nabité štěpné trosky.
 
Pro provozní měření neutronového toku jsou určeny tři redundantní detektory (trojnásobná redundance bezpečnostních komponent je vyžadována zákonem) plus jeden speciální, vyhrazený pro experimentální účely. K dispozici jsou ještě tři detektory nezávislé výkonové ochrany a všechna měření jsou zapojena do tzv. bezpečnostního řetězce, čímž dokážou přímo, bez řídicího systému ovládat havarijní ventily a pohony regulačních tyčí a při jakékoliv anomálii reaktor bezpečně odstavit.
 

Centrální část řídicího systému

Centrální částí ovládacího systému (viz schéma na obr. 3) je řídicí počítač. K němu je připojen počítač se softwarem pro regulaci výkonu a počítač s historizačním serverem. Objem ukládaných dat zde ovšem není zdaleka takový jako u energetického reaktoru. Dále je do sítě připojen vizualizační počítač, který je součástí pracoviště operátora. Řídicí počítač i počítač regulátoru musí být schopny práce v reálném čase: řídicí počítač proto pracuje s operačním systémem Windows XP s doplňkem RTX a regulátor výkonu s operačním systémem PharLap ETS (IntervalZero, dříve Ardence; v ČR zastupuje firma DataPartner). Vlastní program pro regulaci výkonu, pracující podle již zmíněné unikátní Schleglovy a Baldovy strategie, je vytvořen v prostředí REX (REX Controls). Komunikace mezi počítači je zajištěna prostřednictvím Ethernetu.
 

Řízení technologických celků decentralizovanými programovatelnými automaty

Směrem k provozní úrovni řízení komunikuje řídicí počítač, opět prostřednictvím Ethernetu, s programovatelnými automaty Wago I/O System 750 (obr. 4). Ty se starají o řízení nižších regulačních smyček: např. když řídicí počítač vydá pokyn napouštět chladicí vodu, PLC sám spustí čerpadlo, postará se o jeho ochranu (nedovolí rozběh naprázdno) a po načerpání vody čerpadlo opět vypne. Kromě řízení čerpadel a ventilů řídí PLC Wago I/O System také pohony regulačních tyčí. Tyčí je celkem šestnáct a jsou ovládány čtyřmi PLC – každý je pro čtyři pohony. Další PLC Wago I/O System je umístěn v rozvodně mechatronické části, kde řídí zasunutí zdroje neutronů do reaktoru a jeho pohyb zpět, včetně otevření a uzavření hradítka jeho komory.
 

Přednosti modulů PLC Wago I/O System 750

Vstupy a výstupy snímačů a akčních členů reaktoru LR-0 mají různou napěťovou úroveň. Jednou z příčin je to, že tzv. vybraná signalizace, která je připojena přímo, bez nutnosti komunikovat s řídicím systémem, na panel vybrané signalizace, zůstala původní a má napětí 48 V, zatímco ostatní snímače mají napájecí napětí 24 V. Proto projektant zvolil Wago I/O System 750, modulární systém umožňující bez problémů kombinovat vstupy a výstupy různé napěťové úrovně. Jednotky Wago I/O System zde ale neplní jen úlohu sběru dat ze vstupů a výstupů a jejich převedení na průmyslovou sběrnici – integrovaná procesorová jednotka plní také funkce programovatelného automatu (PLC). Program pro řízení se vytváří v programovacích jazycích podle normy IEC 61131-3. Paměť programu zde použitých procesorových jednotek 750-841 má kapacitu 512 kB.
 
Pro úplnost připomeňme, že v sortimentu Wago I/O System 750 je k dispozici množství komunikačních a procesorových modulů určených pro různé průmyslové sítě, včetně modulů IPC. Na straně I/O si konstruktér může vybrat ze široké nabídky binárních i analogových modulů vstupů a výstupů (včetně jiskrově bezpečných), modulů pro pohony, speciálních modulů (např. pro automatizaci technických zařízení v budovách), komunikačních rozhraní (včetně rádiových) a napájecích modulů. Velká flexibilita systému zaručuje, že jej lze použít v rozmanitých úlohách a že lze vytvořit takovou konfiguraci, která vyhovuje dané úloze při minimálních pořizovacích nákladech.
 
V dané úloze jsou důležité kvalita a spolehlivost použité automatizační techniky. Komponenty Wago I/O System procházejí stoprocentními testy funkce a zahořením a jejich kvalita je zaručena.
 

Závěr

Rekonstrukce ovládacího zařízení výzkumného jaderného reaktoru LR-0 byla podmínkou pro prodloužení doby jeho technického života, protože stará, nespolehlivá technika už neumožňovala jeho efektivní provoz. Velmi příjemným důsledkem této rekonstrukce je i zvýšený komfort obsluhy a podstatné zmenšení celého zařízení.
 
Rekonstrukce byla z větší části financovaná strukturálními fondy EU, generálním dodavatelem projektu byla firma Škoda JS. Na realizaci řídicí části se významně podílela firma Data-Partner, která již má s podobnými projekty zkušenosti (viz článek o rekonstrukci řídicího systému školního jaderného reaktoru, Automa, roč. 2003, č. 8, s. 103) a velmi dobře se zde osvědčily
i komponenty Wago I/O System 750.
 
Petr Bartošík
 
Obr. 1. Hala reaktoru LR-0 (reaktor je umístěn pod posuvným víkem)
Obr. 2. Zkrácená palivová kazeta pro LR-0
Obr. 3. Schéma ovládacího systému
Obr. 4. Jednotka systému Wago I/O System 750 v rozváděči řídicího systému