Synthesis of PD-controller for Position Control of Nuclear Reactor Rods

Abstract

Control of nuclear reactors is one of the most important aspects of ensuring their safe and efficient operation. Nuclear reactors play a significant role in electricity generation, scientific research and other industries. Their operation is based on complex physical processes, such as uranium fission and absorption, which require careful monitoring to ensure stability and safety. Nuclear power has a rich history that began with the discovery of nuclear fission in 1938. The first nuclear reactor was created in 1942 under the leadership of Enrico Fermi, and the commercial use of nuclear energy for electricity generation began in the 1950s. Today, nuclear reactors provide a significant portion of the world's electricity generation, offering a reliable and environmentally friendly source of energy. The purpose of this thesis is to investigate the control theory of nuclear reactor rods and synthesize a PD-controller to control their position. In the first part of the work, the concept of a nuclear reactor, its operating principles, uranium fission and absorption processes, and the theory of reactor rod control will be considered. Particular attention will be paid to identifying the main problems that arise in the control of nuclear reactor rods. The control of nuclear reactor rods is a critical aspect, as it affects the safety and stability of the entire reactor. The rods are used to regulate the fission reaction by controlling the number of neutrons that cause the uranium to fission. Therefore, the accuracy and reliability of the rod control system directly affect the safety of the nuclear reactor. The second part of the paper will be devoted to the study of the structure of PID-controllers and their impact on dynamic systems. Different methods of PID-controller synthesis will be considered, in particular, methods based on the Nichols diagram. Particular attention will be paid to the synthesis of a PID-controller for controlling the position of nuclear reactor rods. In the third part of the work, the model of nuclear reactor rods without a controller will be analyzed, a PD-controller will be synthesized using the Nichols diagram, and a model of a nuclear reactor with a PD-controller will be analyzed. Based on the analysis, a comparison of the models of nuclear reactor rods without and with a PID-controller will be made. The final section of the thesis will summarize the results of the study and provide conclusions on the effectiveness of the proposed methods for controlling nuclear reactor rods. Thus, this thesis contains a comprehensive analysis of the theory and practice of nuclear reactor core control, with an emphasis on the use of PD-controllers to improve the efficiency and reliability of their operation.

Управління ядерними реакторами є одним із найважливіших аспектів забезпечення їх безпечної та ефективної експлуатації. Ядерні реактори відіграють значну роль у виробництві електроенергії, наукових дослідженнях та інших галузях промисловості. Їхня робота базується на складних фізичних процесах, таких як поділ і поглинання урану, які вимагають ретельного моніторингу для забезпечення стабільності та безпеки. Ядерна енергетика має багату історію, яка почалася з відкриття ядерного поділу в 1938 році. Перший ядерний реактор було створено в 1942 році під керівництвом Енріко Фермі, а комерційне використання ядерної енергії для виробництва електроенергії почалося в 1950-х роках. Сьогодні ядерні реактори забезпечують значну частину світового виробництва електроенергії, пропонуючи надійне та екологічно чисте джерело енергії. Метою даної дипломної роботи є дослідження теорії керування стрижнями ядерного реактора та синтез PD-контролера для керування їх положенням. У першій частині роботи буде розглянуто поняття ядерного реактора, принципи його роботи, процеси поділу і поглинання урану, теорія управління стрижнем реактора. Особливу увагу буде приділено виявленню основних проблем, які виникають при керуванні стрижнями ядерних реакторів. Контроль стрижнів ядерного реактора є критичним аспектом, оскільки він впливає на безпеку та стабільність усього реактора. Стрижні використовуються для регулювання реакції поділу шляхом контролю кількості нейтронів, які викликають поділ урану. Тому точність і надійність системи керування стрижнем безпосередньо впливає на безпеку ядерного реактора. Друга частина роботи буде присвячена вивченню будови ПІД-регулятори та їх вплив на динамічні системи. Різні способи Будуть розглянуті, зокрема, методи синтезу ПІД-регулятора на основі діаграми Ніколса. Особливу увагу буде приділено синтезу ПІД-регулятора для керування положенням стрижнів ядерного реактора. У третій частині роботи буде проаналізовано модель стрижнів ядерного реактора без контролера, синтезовано PD-контролер за допомогою діаграми Ніколса та проаналізовано модель ядерного реактора з PD-контролером. На основі аналізу буде проведено порівняння моделей стрижнів ядерного реактора без і з ПІД-регулятором. У заключному розділі дипломної роботи будуть узагальнені результати дослідження та зроблені висновки щодо ефективності запропонованих методів керування стрижнями ядерних реакторів. Таким чином, дана дипломна робота містить комплексний аналіз теорії та практики керування активною зоною ядерного реактора, з акцентом на використання PD-контролерів для підвищення ефективності та надійності їх роботи.