CN1033609C - 控制棒位置指示系统 - Google Patents

Abstract

本发明给出一种系统，通过分析对中子或γ射线敏感的堆芯内探测器的输出信号，来测定堆芯中控制棒或控制棒组的插入程度或轴向位置。为此先建立与现行堆芯条件相称的固定堆芯探测器响应特征信号的数据库。当测出堆芯器热中子或γ射线通量分布的微扰，扫描此数据库进行匹配对象，即知棒位置；为未能求得，则以最接近的棒的构型作为参考位置，据此进行搜索以求出棒的位置。

Description

控制棒位置指示系统

本发明针对这样一种方法与设备，通过分析对中子或r射线敏感的固定位置的反应堆堆芯内探测器弦丝的输出信号，来测定核反应堆堆芯中任一控制棒和所有控制棒的插入程度或轴向位置。

知道控制棒在核反应堆堆芯内的位置，对于核电站的安全是至关重要的，也是许可继续运行的法律规定。现行的控制棒包括安全棒、灰棒、粗调控制棒与位移棒以及特殊的“控制”棒，它们的位置都能据两种不同的方法测定。

第一种利用位于反应堆容器上的线圈垛，而在此容器中的控制棒驱动轴则作上下运动。由此线圈垛生成的磁抗产生电压正比于控制棒驱动轴存在于线圈垛生成的磁抗产生电压正比于控制棒驱动轴存在于线圈垛中的长度，这样，通过各线圈垛的电压输出便可推导出此棒的位置。但有时，由这种系统指示出的棒位置会出现问题。传统的作法是，开始时将线圈垛指示器指出的棒位置相对于步位要求计数器进行检验，以核实指示器的有效性。要是由于例如因机械或电气故障使线圈垛无法工作而不能核实棒位置时，则可应用通量测绘来指示棒位置。如果不能验证靶棒的位置，那就必须认定棒位指示器已不能运行。通常，当认为有一根以上的棒不能工作时，就须关停反应堆。

第二种确定棒位置的方法，可参考美国专利4927594号中的描述，利用堆芯出口处的热电偶和入口处的温度探测器来测定堆芯功率分布中的焓升偏差，以确定控制棒位置相对于棒参考位置的变化。

由于焓偏差变化相关于棒位置，所以棒位置变化可由该偏差幅度来确定出。将这种变化值加到棒参考位置上，就能测定出棒的真实位置。依据与此第二种方法相应的系统所测得的棒位置的精度，需要加以提高和增补才能给操作人员提供最可靠的棒位置指示，以避免不必要的反应堆关停。

本发明的第一个目的在于提供一种改进了的测定核反应堆芯中控制棒轴向位置的方法。

本发明的第二个目的在于对传统的棒位置指示系统作出补充，以给核电站的操作人员提供棒位置的不同验证方法。

本发明的第三个目的在于提供切率分布的特征信号，得以测定棒的位置与分布的异常性。

本发明的第四个目的在于，根据固定堆芯探测器响应的变化(偏差)来进行特征信号分析，以测定棒位置。

本发明的第五个目是在反应堆来处在满功率或稳态的变化过程中来测定棒位置。

本发明的第六个目的是去提供一种符合IEEE或ANSI标准规定的保护级的棒位置指示系统。

上述种种目的可以借助这样一个系统达到，此系统通过首先建立一个与现行堆芯条件相称的固定堆芯探测器响应特征信号的数据库，来测定棒位置。当堆芯内热中子或r射线通量分布的微扰得以测出，通过扫描此数据库进行匹配，就可测出棒的近似构型。如能求得匹配对象，即知棒的位置。要是未能求得匹配对象，则以最接近的棒的构型作为参考位置，据此进行搜索来测定棒的位置。

上述的和其它将在以后阐明的目的与优点，具于下面对照作为本旭有一部分之附图更全面描述的和作为权利要求而提出的结构与操作细节中，这些附图中则统一以相同数号代表相同部件。

图1阐明将本发明用于一核反应堆中；

图2A与2B示明相对于一参考中子密度图象之偏差的典型轮廓；

图3示明本发明为建立特征信号数据库所实行的操作程序，而

图4示明本发明应用上述特征信号数据库来测定棒位置的操作程序。

下面描述本发明的最佳实施例。

控制棒插入核反应堆芯内会引起堆芯内轴向与径向功率分布的变化。这种功率分布的变化与固定在堆芯内的中子或r射线探测器的信号变化有关。本发明利用根据建立的现行参考值测量出固定堆芯内探测器的信号偏差，并把这种偏差与棒的位置关联，用来指示棒位置。本发明提供了一种符合IEEE或ANSI标准所规定的在线实时监控级信息系统用来测定棒位置，同时能在某些适当的条件下提供一种保护级的自动的反应堆保护系统。

上述系统首先是在控制棒处于一现行已知参考位置时，从一已知之固定堆芯内探测器的信号图象开始。根据上述构型，设定堆芯内控制棒是以不同的增量与构型运动而建立起特征信号数据库，以构成用于特征信号分析的堆芯探测器信号偏差图。为此，假设此种棒进入种种可能构型中的一个可能位置上，测定预期的探测器响应，并在磁盘之类永久性存储器中存储这一构型下可能于固定堆芯探测器中产生预期变化与偏差。然后设此系统内的棒运动到上述构型下的一个新位置，将此固定堆芯探测器信号相对于参考信号的期望变化再行存储。一旦此种构型下所有棒的位置中预期固定堆芯探测器的信号偏差均已存储完毕，该系统便在下一个构型上进行相同的储，直到对每种构型内的各个位置均已存储完预期的固定堆芯中子探测器的信号偏差图象。这种在各取定位置间的棒位置步位的距离或数目乃是一个固定的步位数，因而能够建立起一个便于探索精确棒位置的数据库。这种特征信号数据库随着核电站的运动作周期性的更新的，这里的周期当此电站是在基本负载方式下工作可以是指每日一次，而以负载变化过程中或依随负载变化的方式下工作时则可以是每刻钟一次。

一且此特征信号数据库建立起，当测定出有异常时，例如当一或多个芯探测器响应偏离现行的参考响应，或当热电偶响应偏离现行参考响应时，即可扫描数据库搜索相近的匹配，如果存在，便指示了棒位置。如果不存在这样的相近匹配，则可从最接近的构型出发进行搜索以求得精确的棒位置。然后将此精确的棒位置与线圈垛系统或热电偶系统测定的棒位置相比较。

本系统在堆芯10内所进行的偏差测量如图1所示，其中通过棒控制系统14将控制棒12插入堆芯10内来控制功率输出。如以前所述，由模拟棒位置指示系统16借磁力显示出棒的位置。这些位置提供给棒位置探测系统18，后者把它们与堆芯内固定探测器的弦丝20所产生的信号相关联。这类探测器弦丝可以是通常的六段式探测器。这种棒位置探测系统也能够从美国专利4927594号所述的焓升偏差棒位置系统接收位置信号，供系统16所提供之位置作比较或补充之用。适用来不仅能实现那种建立所说数据库的功能而且还令执行所论计算工作的一种计算机系统，可以购自Westinghouse商业核燃料分公司并可和BEACON系统关联。

本发明要求将固定的敏感堆芯内热中子或r射线的探测器弦丝于反应堆堆芯内配置成为，使得沿轴向细分的固定堆芯探测器部段中至少有一根弦丝是在此堆芯内各控制棒位置的邻区。还最好要使探测器弦丝位于各个靶控制棒的如同通常国际象棋中规定之王所走动的范围中。利用这种构型，考虑反应堆堆芯内固定的堆芯内探测器拓堆阵列所产生的输出信号图象，实际上就能测定堆芯内激活区中任何单独一根控制棒或是任何取有序排列或构型之一批棒的插入程度。当这种棒进入堆芯，就能用来自堆芯内探测器的信号测定相对于如图2A与2B所示的，通过堆芯各个轴向段事先存储的现行探测器信号参考图象的偏差。这种偏差表明堆芯中发生异常。这两个图示明了四个控制棒位置30～36(30、32、34与36)以及固定于堆芯内中子控制器的五根弦丝38～46(38、40、42、44与46)。每根弦丝通常包括六段，允许反应堆纵向分成六个不等的级，但是取决于所用堆芯的型式，亦可便堆芯于轴向区作其它不同的划分。图2A与2B示明了偏离参考信号图象的典型轮廓，这是根据例如最高级或最上级以及最后级或最低级的深测器38～46所测定的。由于所给图形表明在图2A中有偏差图象而在图2B中没有，因而说明这些控制棒只是部分地进到了堆芯内。此种偏差轮廓图象典型地表明出与一具有多个探测段之探测器弦丝中最高与最低探测器有关的级。典型的偏差轮廓图象允许此系统能确定一根棒是否已插入到这一级内，是否已完全插入这一级内以及是否已插进到这一级内例如达30％、500％、700％的程度。

实施本发明之方法的第一步如图3所示的步骤70，是对现行的堆芯条件进行取样，其中不仅包括供参考用的现行的棒位置，还包括功率水平和入口的冷却剂温度等。一旦对现行的堆芯条件采样，此系统就可对一种分析堆芯之分析工具，例如可自Westinghous商业核燃料分公司购得的BEACON系统进行步骤71的例行校准。此种分析堆芯功率分布系统具有这样的能力，即能够对下述某些系统参数作出输入描述：例如反应堆冷却剂系统的压力与堆芯入口温度、反应堆功率水平与控制棒插入构，以及计算期望的固定堆芯中子或r射线探测器响应的某些其它堆芯功率分布参数。这一校准步骤71涉及到期望的堆芯内探测器响应的计算。如果计算和测量的响应不能一致到预定的允差范围内，则说明常规的控制棒位置指示系统不能运行，而需要调整此种分析工具。如果存在合适的一致，就将测得的和算出的响应存储。之所以要存储此种测得的和算出的探测器响应，是因为必须作出两种偏差测量：第一种是计算出的探测器响应与计算出的参考分布之偏差；第二种是测量出的探测器响应与测量的分布之偏差。由于此种比较是储偏差而不是用绝对值作出的，因此两种参考分布都必须记录。当建立起偏差数据库后，就可废弃计算的参考响应分布。

然后此系统开始一组计算，以确定在预定的控制棒构型内所计算的响应偏差。此预定的构型包括在正常运行中可能有棒位置的变化，例如控制棒组D再行进入或出去十个步位。在这些构型中还包括控制棒组与重叠棒组位置可能有的变化，例如控制棒组D进或出五十个步位和进或出一百个步位有关时，而控制棒组C则保持着程序重叠。这样一些构型可能作为载荷部分损失或其它失常的结果而发生。还包括其它因棒的驱动系统可能发生故障的方式，例如因落棒或非受控的插入或撤出而会有的构型。对于每一个这样的构型，测定了堆芯对于变化或微扰的偏差响应。这一步骤涉及到以硼浓度或平均冷却剂温度为基础的构型探索，例如探测能临界地保持住受最重干扰之构型的功率水平。这种探索对于期望之构型所以是必质的，是因为在“重大的”失常事故中，例如未受控地插入或撤出一组棒或相反在未作事故保护停堆而部分损失了载荷时，自动控制系统就可调整一些主要的系统条件，保持在降低功率水平或零功率下的临界状态。这样，要是此控制系统认为已探测出载荷有部分损失时，它就驱动棒来降低堆芯的功率输出。于是，此种探索应该反映自动控制系统的可预测行为，因为探索应该反映自动控制系统的可预测行为，因为这是可期望的行为。要是此控制系统的响应不是所期望的，就将发生事故保护停堆，而控制棒位置无明确结果，对所有的棒都是为此。

应采用的预定构型取决于堆芯和棒控制系统的设计。熟悉本项工艺的核安全瞬态分析工程师是能够发展一组用于具体反应堆的构型的。

对于各个构型，本系统的步骤72计算了校准步骤中探测器信号与可以期望或计算出的信号之间的差别或偏差。这就是说，本系统计算了现行的据分析方法预其的响应与经分析方法预先提出的响应之间所期望的偏差。此期望的探测器响应偏差之计算步骤72是通过分析式堆芯分析式具进行的。一旦这种期望的探测器响应偏差被计算出，就于步骤74中将棒的位置与期望的响应偏差存储于一特征信号数据库中。要是在步骤76中尚未能根据参考对象确定出所有可以期望的棒的构型，则将设定的棒的构型增进送入步骤78而计算另一符号差。如果所有的构型都已计算过，则此系统于步骤80等待，直至另一个周期性更新时刻。

当上述特征信号数据库建立后，此系统即进入图4所示的临测循环，这是为了察看功率分布相对于所观察到的参考值之偏差。这一循环至少每分钟执行一次。在此循环中，系统于步骤90对固定于堆芯之探测器(或热电偶)响应进行采样，然后于步骤92比较现行的响应与校准步骤中存储的参考响应。如果此种响应没有依未期望的方式变化，则此系统于步骤94等待到进行另一次偏差探测操作。要是现行测量的固定堆芯器响应与已存储之测量出的固定堆芯探测器响应相比较的结果说明，堆芯功率已发生了可探测出的变化，亦至少有某些固定堆芯探测出的变化，取决于信噪比等已超出了例如10％的预定允差和可接受的技术要限度，此时本系统将相对于图3所建立的数据库，开始偏差特征信号的偏差特征信号分析以测定与固定堆芯探测器响应中所观察到的变化有关的棒的构型。美国专利4637910号中描述了一种有可能适用的特征信号分析方法。在此种符号差分析中，特别是从此偏差探测出变化时，根据这种偏差，此系统于步骤96能够测定业已移动的控制棒或棒组及其移动方向。例如，将单独的一根棒的运行(落棒)与单独的一组棒的运动相比较，就将产生极其不同的探测器信号图象。插入的方向可以根据信号变化的方向不确定。一般地说，使棒进入堆芯会在棒的邻区降低探测器响应信号的强度，而在将棒移出时会在棒的邻区增大探测器响应信号的强度。但是，当探测器对r射线敏感而控制棒属银—锢—镉质或铪质时，则以上结论相反。

在此种探索过程中，本系统于步骤98选择现行探测器响应偏差最接近的特征信号。只需简便地比较偏差大小就可作出这种选择。要是于步骤100所选择的特征信号能匹配上，则于步骤102输出此棒位置；要是不相匹配，则与所期望和观察到的偏差匹配得最为接近的棒的构型，便可作为在固定堆芯探测器响应中产生以上观察到之变化那种棒构型的可靠指示。根据此种构型，应用分析工具(BEACON)沿恰当的方向，计算已验证之控制棒组成单个控制棒的位置变化范围。对于每一种计算过程，本系统计算校准步骤71存储之已算出响应的偏差。具体地说，本系统于步骤102中能从最接近的棒构型开始，并沿朝向实际探测器响应的方向，根据最接近的棒位置作一增量运动。这一探索中的增量取决于符号差之间的步伴数，而后者如以前所讨论的又取决于控制棒组以及这些棒组在运动中是否相组合。例如，要是这种运动是朝内的而最接近的特征信号也进一步内向(即在堆芯某一轴向区中所期望的响应小于实际的响应)，则此系统使得取增量的棒运动从参考的棒位置进一步朝内。于步骤104中，应于这一取增量之棒位置来计算期望的探测器响应偏差。这一计算借助于图3计算中的分析工具进行，同时对于功率水平、入口冷却剂温度等应用现行的堆芯条件。于步骤106中将期望的响应偏差现观察到的偏差比较，以确定是否存在匹酏或是否有非常接近的近似。如果不存在匹配，此系统即于步骤108确定算出的期望响应偏差是否逼近实际的响应偏差，也即这样的差别是否在缩小中。当这种差别不再减小，就意味着此系统已在探索中超过实际位置，而将此最后取决的位置输出于步骤102。与上述增量探索不同，可以采用一种内插方法测定出便于固定堆芯探测器响应产生变化的棒位置变化。

本发明与先有的测定控制棒插入方法相比具有一种独特的优点，因为它给出了对局部功率通量分布有影响的控制棒定位的基本结果，而不是占次要地位的绝对或相对的控制棒位置。这种，要是有一或多根控制棒插入到给定程度的结果乃是局部核功率密度的一种局部化，则此种局部变化对于邻近之固定堆芯探测器以及对于本发明的系统乃是显然可以感知到的，要是有一或多根控制棒插入到给定程度的结果几乎没有影响，那就很可能是这些棒插到了靠近堆芯顶端的低值区，这与固定堆芯探测器几乎无关，即使是按照现行根据控制棒定位中绝对误差的技术要求，也能使功率减少，或在最坏的情形使反应堆芯停。本发明允许进行有效的反应堆作业而避开无益的障碍。

根据上面的详细说明，当可认识本发明的从多特征与优点，后附的权利要求书计划用来概括本发明在某实质精神与范围内所有的这些特征与优点。此外，由于那些熟悉本项技术的人将能很快地作出种种改动与变更，因而不希望把本发明局限于图示与描述的严谨的结果与操作中，为此，所有适当的变更与等效形式均应认为归属于本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种用于核反应堆堆芯控制棒的一种轴向棒位置测定系统，其特征在于：

固定堆芯探测器，

特征信号装置，它利用上述固定堆芯探测器，根据现行棒位置处产生的参考控测器响应，对于设定的棒位置建立起期望的探测器响应偏差的响应特征信号数据库，以及

棒位置测定装置，用来按下述方法测定上述控制棒的运动棒位置；扫描所说特征信号数据库，以在期望的探测器响应偏差与由固定堆芯探测器在控制棒处于运动棒位置时所产生的现行探测器响应偏差之间，寻找特征信号。

2.如权利要求1所述的系统，所述特征信号数据库依据现行的棒位置同时依据控制棒组与单根控制棒，分成朝内和朝外的运动方向，所述系统进一步的特征在于：包括有根据方向以及成组与单独的控制棒来对现行探测器响应进行分类的分类装置，而前述的测定装置则扫描此特征信号数据库对应于前述方向以及成组与单独的控制棒的那部分。

3.如权利要求1所述的系统，所述测定装置选择最接近的期望的探测器响应偏差，而此系统的进一步特征在于它包括有增量搜索装置，当未能求得特征信号匹配时，从最接近的期望的探测器响应偏差开始，以在算出的期望控测器响应偏差与现行探测器响应偏差之间，依递增的方式寻求一种增量匹配。

4.利用固定堆芯控制器来测定反应堆堆芯内控制棒位置的一种位置测定方法，特征在于它包括如下步骤：

(1)建立期望的探测器响应偏差与对应的棒位置之特征信号数据库，

(2)控测产生探测器信号偏差之控测器信号的变化，

(3)扫描此特征信号数据库以在探测器信号偏差与期望的探测器响应偏差之间寻求匹配。

(4)当存在匹配时，输出此相应的棒位置，

(5)在探测器信号偏差与期望的探测器响应偏差之间选择最接近的匹配，以确定最接近的棒位置，

(6)根据产生一增量位置的预定步进运动来增进此最接近的棒位置，

(7)根据此已增进的位置来测定计算的探测器响应偏差，以及

(8)如果此算出的探测器响应偏差与探测器信号偏差匹配，则输出此已增进的位置。

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