CN100492547C - 反应堆反应性测量方法 - Google Patents

Abstract

逆动态落棒法是通过采集落棒过程中的核功率变化数据(d1)，用点堆动力学方程求解获得反应性或有效增殖系数随时间的变化曲线(p1，d3)，然后用最小二乘法处理数据(p2)，最后用反应性平衡方程(p3)与核设计报告数据(d4)，得到所需的反应堆反应性(或有效增殖系数，d6)和反应堆控制棒价值(d5)。

Description

反应堆反应性测量方法

逆动态落棒法是通过采集落棒过程中的核功率变化数据，用点堆动力学方程求解获得反应性或有效增殖系数随时间的变化曲线(逆动态法)，然后用最小二乘法处理数据，最后用反应性平衡方程与核设计报告数据，得到所需的反应堆反应性(或有效增殖系数)和反应堆控制棒价值。

(一)技术领域：

本发明涉及核反应堆的反应性测量(G21C 17/104··测量反应性(5))，利用该方法可以获得反应堆反应性(或有效增殖系数)和反应堆控制棒价值。

(二)背景技术：

1)点堆动力学方程求解反应性或有效增殖系数(逆动态法)

离线数字反应性仪程序(ODRM)是根据点堆动力学模型，用来计算反应性的一个离线反应性计算程序。点堆动力学方程如下：

$\frac{\mathrm{dn}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{k_{\mathrm{eff}}\left(t\right)(1-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{eff}})-1}{l_0}n\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i{C}_i\left(t\right)+S---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{dC}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{k_{\mathrm{eff}}\left(t\right){\mathrm{\β}}_{\mathrm{ieff}}}{l_0}n\left(t\right)-{\mathrm{\λ}}_i{C}_i\left(t\right)---\left(2\right)$

其中：

n(t)，与时间相关的中子密度；

k_eff(t)，有效增殖系数；

B_ieff，第i组有效缓发中子份额；

β_eff，有效缓发中子份额；其中 ${\mathrm{\β}}_{\mathrm{eff}}=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ieff}}$ ；注：对于重水堆，由于光中子的影响，应再加9组缓发光中子参数；

λ_i，第i组缓发中子先驱核的衰变常数；

C_i(t)，第i组先驱核密度；

l₀，瞬发中子平均寿命；

S，外中子源。

离线数字反应性仪程序(ODRM)通过求解点堆动力学方程得到有效增殖系数k_eff(t)，最后根据反应性的定义求出反应性。

2)反应性平衡方程：

在本文研究的两个状态点(开始落棒点1与完全落棒点2)之间的时间间隔仅约2s，而慢化剂平均温度变化很小，慢化剂温度效应、轴向通量再分布效应及空泡效应引入的反应性变化可以不予考虑；硼浓度是不变的；毒、燃耗引入的反应性变化也可以不予考虑。由此得到两个状态点的反应性平衡方程为：

Δρ＝Δρ_RCCA+Δρ_DOP+Δρ_MOT         (3)

式中：

Δρ，落棒前、后反应堆反应性变化量，Δρ＝ρ₂-ρ₁；

Δρ_RCCA，落棒前、后控制棒引入的反应性变化量，Δρ_RCCA＝ρ_RCCA2-ρ_RCCA1；

Δρ_DOP，落棒前、后Doppler效应引入的反应性变化量，Δρ_DOP＝ρ_DOP2-ρ_DOP1；

Δρ_MOT，落棒前、后慢化剂温度效应引入的反应性变化量，

Δρ_MOT＝ρ_MOT2-ρ_MOT1；

落棒前反应堆维持临界状态，即ρ₁＝0，则落棒后(完全落棒点2)控制棒引入的反应性为：

ρ_RCCA2＝ρ₂-(Δρ_DOP+Δρ_MOT)+ρ_RCCA1     (4)

对于初始状态为零功率时的落棒测量，则不要进行Doppler效应和慢化剂温度效应修正，上式还可简化为：

ρ_RCCA2＝ρ₂+ρ_RCCA1     (5)

3)最小二乘法

用最小二乘法做拟合直线，一方面可以有效的减小测量误差对反应性计算的影响；另一方面拟合直线的延伸就可以获得完全落棒点的反应性，最大程度的减小γ电流的影响。

(三)发明内容：

逆动态落棒法用于反应性测量，其数据处理的方法与过程如下(见图1)：

3.1 反应性计算

首先利用数据采集系统获得落棒引起的核功率变化曲线，数据采集时间间隔应尽量短。在选取功率史数据时，应至少选取落棒前2～3min数据，以保证堆芯在落棒前为准稳定平衡堆芯状态。然后ODRM用缓发中子参数及选取的核功率变化数据来计算就可以获得反应性随时间的变化曲线。

在控制棒掉入堆芯初期，如果暂不考虑毒的影响，反应堆的反应性应接近一条水平直线；而由ODRM计算的反应性随时间却迅速向0靠近。这是由于落棒后γ电流不可忽略而影响了反应性的计算。γ电流的值不易确定，而且停堆后它也随时间变化，不易做修正。另外，落棒后ODRM计算的反应性沿一条中心曲线振荡幅度较大，这是由于测量误差在低功率时比高功率(相对)时对反应性计算影响更大。

经过对反应性曲线特点的研究表明，从落棒后到落棒后约40～50s，中心曲线可以近似直线处理。因此对从落棒后到落棒后约40～50s的反应性变化曲线用最小二乘法做拟合直线，一方面可以有效的减小测量误差对反应性计算的影响；另一方面拟合直线的延伸就可以获得完全落棒点的反应性，最大程度的减小γ电流的影响。

用最小二乘法获得拟合公式后，用以下原则确定开始落棒点时间与完全落棒点时间：

●开始落棒点(2D)选取原则：反应性计算表明反应性在0附近小幅振荡或核功率在平均值附近小幅振荡，即堆芯处于临界状态(或反应性计算表明反应性在一个常数附近小幅振荡，即堆芯处于次临界状态或超临界状态)；尽量靠近落棒点，可从反应性或核功率变化进行判断。

●完全落棒点(2E)选取原则：从开始落棒时刻开始，反应性计算表明反应性绝对值逐渐增大，并达到或接近峰值点；且完全落棒点时刻应大于开始落棒时刻加上落棒时间(可以从落棒试验获得)。

开始落棒点时间与完全落棒点时间确定以后，则根据拟合公式就可以计算得到完全落棒点的反应性。

3.2 测量棒价值计算

根据反应性平衡方程，用完全落棒点的堆芯反应性与核设计报告提供的数据，就处理得到实测落棒控制棒价值。

3.3 逆动态落棒法与现有的技术比较

目前商业核电站主要采用调硼法(逆动态法)测量堆芯控制棒价值，其特点是精度较高，但测量速度慢。船用反应堆主要采用落棒法测量堆芯控制棒价值，其特点是测量速度快，但精度较差。而实验堆还有其他多种反应性测量方法，这些方法各有优缺点。如，目前部分商业核电站采用西屋公司的发明专利DRWM法，它采用两套逆动态计算，可以比调硼法快的多的速度测量堆芯控制棒价值。

因此，逆动态落棒法与现有的技术比较，有如下特点：

1.与调硼法比较，所述的方法反应性测量速度快，另外由于不需要调节硼浓度，减少了硼水的产生，因此经济性好。

2.与调硼法比较，所述的方法可以测量大反应性。

3.目前商业核电站采用调硼法测量控制棒价值，由于技术规范的要求，还无法进行所有控制棒总价值的测量。与调硼法比较，所述的方法可以测量所有控制棒总价值。

4.传统的落棒法由于做了多种简化假设，反应性测量精度有限。因此，与落棒法比较，所述的方法反应性测量精度高。

5.所述的方法可用于各种堆型，反应性测量速度快、精度高，可操作性好。

6.所述的方法可用于各种初始功率水平上进行反应性测量。但为了保证精度，初始功率应在可以忽略中子源的水平上。

逆动态落棒法与传统的落棒法一样，不能测量控制棒的微分价值。但是，由于商业核电站测量控制棒价值主要目的是用来验证核设计，测量控制棒的积分价值已经足够。因此商业核电站用逆动态落棒法代替调硼法测量控制棒价值，可以获得巨大的经济效益。

(四)附图说明：

图1是逆动态落棒法数据处理流程图。图中的矩形框代表处理过程，四边形代表数据。该图简要的表达了逆动态落棒法数据处理与过程：

1)ODRM(p1)根据缓发中子参数(d2)与落棒停堆时核功率变化数据(d1)就可以得到堆芯反应性随时间变化的数据(d3)；

2)在选取好状态点后，利用最小二乘法(p2)做拟合直线，得到完全落棒点的堆芯反应性。

3)根据反应性平衡方程(p3)，用完全落棒点的堆芯反应性与核设计报告提供的数据(d4)，处理得到实测落棒控制棒价值(d5)或控制棒插入状态下的堆芯反应性(或有效增殖系数，d6)。

图2是落棒引起的反应堆功率与由ODRM计算的反应性变化曲线。2A是落棒引起的反应堆功率变化曲线，2B是由ODRM计算的反应性曲线，2C是最小二乘法拟合直线及拟合公式，2D是开始落棒点，2E是完全落棒点。

(五)具体实施方式：

这里有某反应堆4个不同燃耗点的落棒停堆瞬态数据，下面以燃耗在70MWd/tU，初始功率为23％FP时的落棒停堆瞬态数据的处理过程为例，详细介绍数据处理过程和方法。

5.1 缓发中子参数

表2是燃耗在70MWd/tU，初始功率为23％FP时的缓发中子参数。

表2 缓发中子参数

5.2 反应性计算

图2“功率变化曲线(2A)”是70MWd/tU燃耗点时的落棒引起的核功率变化曲线，数据由数据采集系统获得的，数据采集时间间隔为0.1s。ODRM用表2的缓发中子参数及选取的核功率变化数据来计算得到反应性曲线(2B)。

例子用最小二乘法获得拟合公式(2C)为：

y＝99.976x-62987      (7)

其中y是反应性(反应性单位为pcm，1pcm＝10^-5)，x是时间(s)。根据第3节的描述，确定开始落棒点时间是x＝546.7s，完全落棒点时间是x＝548.3s(落棒试验结果表明，单棒束落棒时间为1.3s)，则根据式(7)就可以计算得到完全落棒点的反应性：

y＝99.976×548.3-62987＝-8170.2pcm

5.3 测量棒价值计算

开始落棒点为状态点1，完全落棒点为状态点2，状态点参数见表3。根据式(4)需要对功率变化引起的Doppler功率亏损、慢化剂温度效应引入的反应性变化(可略)和初始棒位引入的反应性做出修正，才能得到所有控制棒全插时的价值。修正所用的数据由核设计报告中查得。

表3 状态点参数(70MWd/tU，初始功率23％FP)

 

状态点	时间/s	D棒位/步	T<sub>ref</sub>/℃	T<sub>avg</sub>/℃	核功率/％FP	反应性/pcm
							开始落棒点1完全落棒点2	546.7548.3	1460	299.99302.67	293.93293.88	23.3751.185	0-8170.2

表4列出了本次计算的4个不同燃耗点ARI控制棒价值的测量计算结果及它与理论值比较的结果，其相对误差的绝对值都小于10％。

表4 4个燃耗点的ARI控制棒价值测量值、理论值比较列表

Claims (3)

1.一种反应堆反应性测量方法，其进行如下测量：

◆反应堆反应性测量(d6)

◆反应堆控制棒价值测量(d5)

所述的方法特征在于，所述的方法包括下列步骤：

a)利用数据采集系统获得落棒引起的核功率变化数据(d1)

b)数字反应性仪程序(p1)根据缓发中子参数(d2)与落棒停堆时核功率变化数据(d1)得到堆芯反应性随时间变化的数据(d3)

c)选取从落棒后到落棒后约40～50s的反应性变化曲线用最小二乘法(p2)做拟合直线获得拟合公式，根据完全落棒点时间得到完全落棒点的堆芯反应性，用以下原则确定开始落棒点时间与完全落棒点时间：

●开始落棒点时间(2D)确定原则：反应性计算表明反应性在0附近小幅振荡或核功率在平均值附近小幅振荡，即堆芯处于临界状态；或反应性在一个常数附近小幅振荡，即堆芯处于次临界状态或超临界状态；尽量靠近落棒点，可从反应性或核功率变化进行判断

●完全落棒点时间(2E)确定原则：从开始落棒时刻开始，反应性计算表明反应性绝对值逐渐增大，并达到或接近峰值点；且完全落棒点时间大于开始落棒点时间加上落棒时间

d)根据反应性平衡方程(p3)，用完全落棒点的堆芯反应性与核设计报告提供的数据(d4)，处理得到实测落棒控制棒价值(d5)或控制棒插入状态下的堆芯反应性(d6)。

2.按照权利要求1的反应堆反应性测量方法，其特征在于用数字反应性仪程序处理的结果再用最小二乘法处理，来确定拟合直线。

3.按照权利要求1的反应堆反应性测量方法，其特征在于，所述方法在开始落棒点处于次临界或超临界状态的落棒情况下，开始落棒点前的数据采集至少2分钟，反应性平衡方程中考虑开始落棒点的反应性，开始落棒点处于临界状态、次临界状态或超临界状态的落棒情况都能进行反应性测量。

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