CN104347128A - 分析经辐射燃料的几何形状变化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分析经辐射燃料的几何形状变化的方法。具体地,本发明提供一种用于分析至少一个包含核燃料堆的燃料棒的方法,所述棒包含完全填充燃料的装填区域和部分填充燃料的中间区域,所述方法包括如下步骤:获得(300)与非迁移同位素相关的计数轮廓,所述计数轮廓由沿着棒进行的针对该同位素的光谱测量形成;确定(303)一组至少一个指标K_i,所述指标K_i使得有可能量化在指数i的中间区域处的材料减少,所述指标从计数轮廓推出;通过对比一组至少一个指标K_i和一组至少一个参考值RK从而检测(304)几何形状的变化,所述参考值RK表示核燃料堆的原始几何形状。
Description
技术领域
本发明涉及用于分析经辐射燃料的几何形状变化的方法并且本发明适用于分析放射性燃料的领域,更具体地适用于使用γ射线光谱分析放射性燃料。
背景技术
用在核电站中的燃料在被使用时随时间变化。通常分析该变化,为了进行所述分析,除去燃料组分然后在装配有封闭罩的实验室中进行评估,所述封闭罩适合于例如使用厚铅壁减少辐射暴露。这些封闭罩被称为高活性室或热室。
分析的燃料通常呈现经辐射燃料棒的形式。数年来已经开发了用于研究这些方面的工具和方法。
在热室中进行的评估可能是破坏性的,因此棒需要物理介入。例如,燃料因此可以被切成段从而进行这种评估。
替代性地,也可以进行被称为非破坏性评估且缩写为NDE的评估。在该情况下,棒的几何形状维持不变。贯穿说明书的剩余部分,可以通过测量由源自燃料裂变的同位素(例如被称为U-235的铀-235)发射的射线进行非破坏性评估。例如,γ射线光谱(其原理是通过测量所发射的γ射线(光子)的能量从而确定放射性元素)能够无损伤地获得直接与棒中包含的燃料相关的信息。
如果已知待研究的同位素的γ谱线,有可能测量感兴趣的区域从而获得测量步骤中的根据同位素的表面面积。由辐射产生并且在γ射线光谱中可见的裂变产物的分布直接提供燃料堆的特征,例如堆的开始和堆的结束,并且提供与辐射相关的信息。在本说明书中,表述“燃料堆”表示至少两个丸粒的集合,所述至少两个丸粒对齐并且前后设置。棒为由燃料堆、包含所述堆的覆层和两个端部塞子形成的组件,每个塞子位于覆层的每个端部处。
用于压水式反应器的棒(被称为PWR棒)由包含多个燃料丸粒的圆柱形覆层形成,所述多个燃料丸粒沿纵向前后设置在所述覆层内。丸粒为圆柱形形状并且具有约1厘米的长度。在丸粒的端部处,丸粒具有倒角和空腔(更通常称为“凹陷”),其目的之一是允许丸粒吸收变形。
丸粒的特定几何形状造成丸粒端部处材料的减少。其结果是在这些区域的周围裂变产物的γ射线计数率较低。该计数率的变化因此使得有可能彼此区分丸粒。
通常使用多通道分析仪用于分析γ光谱。这些分析仪提供由数个通道形成的柱状图作为输出数据。一个柱状图通道j例如对应于一个能带Bj。待测量的关于γ光子的量通过通道根据通道的能级进行分类。表示光谱的一组通道j构成柱状图。
测量的通道j的量对应于在给定时间内测量的项目的数目,也被称为计数。对于每个通道,测量的计数相加,使得有可能确定与所述通道相关的值。计数对应于表示待测量颗粒和所使用的传感器(例如锗晶体)之间的相互作用的测量。换言之,当通过传感器检测颗粒时,进行计数。柱状图通常用如下表示:沿着横坐标轴的能级和纵坐标轴上的计数数目(在该情况下其给出“计数”)或每秒的计数数目(其则给出计数率)。
使用γ射线光谱进行的经辐射燃料棒的非破坏性检查NDE特别使得有可能定位分离两个相邻丸粒的区域,这些区域在说明书的剩余部分中被称为丸粒间区域。
需要知道燃料堆和形成燃料堆的丸粒在反应器中的周期过程中的几何形状变化从而特别地进一步理解反应器中发生的现象。获得该知识的目的特别是改进这些燃料、丸粒和棒的制造方法,从而更好地控制反应器或甚至是管理事故。
发明内容
本发明的目的之一是克服这些现有技术的不足并且对其进行改进。
为此目的,本发明的一个主题是一种用于分析至少一个包含核燃料堆的燃料棒的方法,所述棒包含完全填充燃料的装填区域和部分填充燃料的中间区域,所述方法包括如下步骤:
-获得与非迁移同位素相关的计数轮廓,所述计数轮廓由沿着棒进行的针对该同位素的光谱测量形成;
-确定一组至少一个指标K_i,所述指标K_i使得有可能量化在指数i的中间区域处的材料减少,所述指标从计数轮廓推出;
-通过对比一组至少一个指标K_i和一组至少一个参考值RK从而检测几何形状的变化,所述参考值RK表示核燃料堆的原始几何形状。
在一个实施方案中,所述分析方法包括通过分析计数轮廓从而确定中间区域的位置的步骤。
例如在检测步骤中对于至少一个中间区域检测和通过指标K_i的统计分析推出几何形状的变化,当至少一个值K_i与在没有几何形状变化的情况下预期的理论测量幅度不相容时标记几何形状的变化。
例如对于至少一个中间区域通过对比K_i和预定的参考值RK从而检测几何形状的变化,当K_i和RK之间的比例超过之前选择的对比阈值k1或低于另一个之前选择的对比阈值k2时检测到几何形状的变化。
例如以在多个相同类型的棒上实验观察的K_i值的平均值的形式统计地确定参考值RK。
替代性地,例如通过对于给定的丸粒几何形状的理论计算确定参考值RK。
棒例如对应于由多个丸粒形成的PWR类型的棒或棒段,中间区域对应于丸粒间区域。
可以使用Ru-136类型的非迁移同位素从而确定计数轮廓。
本发明的另一个目的是用于分析至少一个核燃料棒的系统,所述系统包括γ射线光谱设备和实施上文所述的方法的处理单元。
本发明的另一个目的是计算机程序,该计算机程序包括当通过处理器执行程序时用于执行上文所述的方法的指令。
附图说明
通过借助于参考附图给出的非限制性说明的如下描述,本发明的其它特征和优点将变得显而易见,在附图中:
图1给出了允许定位棒中的丸粒间区域的方法的实例;
图2显示了在由多个丸粒形成的燃料堆上通过γ射线光谱测量的Cs-137计数曲线;
图3以简化方式显示了分析经辐射燃料的几何形状变化的方法。
具体实施方式
图1给出了允许定位PWR棒或棒段中的丸粒间区域的方法的简化实例。
通过γ射线光谱获得的测量允许对于每个测量步骤获得全光谱。所研究的棒可以横向地朝着所使用的测量设备移动,使得所述设备可以测量整个燃料堆。也可以相反。那么移动的是设备。该设备使用尺寸通常为约1毫米的测量窗,通过所述测量窗测量光子的γ射线。对于每个测量点,例如针对约十五种同位素和所有能量的总计数计算每个感兴趣的区域的清楚限定的表面。这使得有可能绘制根据同位素的计数率分布。还有可能绘制沿着燃料堆的总计数分布。这些分布在说明书的剩余部分中被称为“计数轮廓”。
可以进行一系列步骤从而定位丸粒间区域。这特别使得有可能计数和研究丸粒在燃烧过程中(即在反应器中的周期过程中)的形状变化。
第一步骤100选择与给定同位素相关的计数轮廓。该轮廓需要开发,即其需要对应于在统计学方面显示良好特征的分布。
第二步骤101的目的在于消除被处理的堆的端部区域。
第三步骤102对应于选择与燃料电池对齐并且用毫米表示的轴向范围DX。在该轴向范围内计算计数率的起伏平均值。例如,DX=5mm。
第四步骤103对应于选择检测阈值DY。该阈值允许区别丸粒区域。如果在点x处的计数与对于该点计算的起伏平均值相差大于DY百分比,则该点被视为属于丸粒间区域。例如,DY=5%。
第五步骤104获得所发现的丸粒的位置,即每个丸粒的开始距离和结束距离。
第六步骤105可以任选进行从而手动地结合未被视为属于相同丸粒的两个区域,即使位于丸粒间区域的每一侧的片段的长度比预期长度明显更短或更长(反之亦然)。
图2显示了在由多个PWR丸粒形成的燃料堆上通过γ射线光谱测量的Cs-137计数曲线。横坐标轴表示用毫米表示的距离,即各个测量点的位置。测量的正规化计数(在最大计数上的计数)的数目显示在纵坐标轴上。
如前所述,使用γ射线光谱观察裂变产物的射线直接提供了燃料堆的特征。在该实施例中,已经观察到Cs-137的射线,该观察使得有可能定位堆200的开始和堆201的结束。此外,在该实施例中,包含在PWR棒中的丸粒的特定几何形状造成丸粒端部处的材料减少。因此,裂变产物的γ计数率在丸粒间区域处较低,使得有可能区分丸粒相对于彼此的位置。测量曲线的区域202被放大210。该区域对应于三个丸粒203、204、205的长度。测量的计数率曲线显示了对应于装填丸粒部分的三个平台206、207、208。此外,出现两个倾角209、220并且对应于丸粒间区域。因此有可能通过分析获得的曲线从而研究燃料堆的几何形状,并且在合适时分析组成燃料堆的丸粒的几何形状。那么有可能对丸粒进行计数,检查棒的制造和监控棒在辐射之后的伸长。可以使用图1中所示的方法用于上述目的。
图3以简化方式显示了分析经辐射燃料的几何形状变化的方法。
第一步骤300首先沿着包含数个丸粒的燃料棒或燃料堆使用之前选择的测量步骤进行γ光谱测量。这些测量的结果对应于γ光谱的集合,对于每个测量步骤获得一个光谱。从γ光谱提取第一测量轮廓,所述第一测量轮廓也被称为计数轮廓。对于非迁移同位素确定该计数轮廓。
非迁移同位素为在裂变之时维持在其制备位置处的同位素,而无论燃料暴露的温度如何。可以使用钌-106(Ru-106)作为非迁移同位素,但是也可以使用其它非迁移同位素,例如Zr-95、Eu-154或Rh-103。
然后进行一组步骤301从而确定是否存在燃料堆的几何形状的变化。
进行步骤302从而定位中间区域,因此区分中间区域和装填区域。当棒的区域完全充满材料时称其为装填区域,而中间区域为不完全装填材料的棒的区域。中间区域因此对应于丸粒间区域或替代性地对应于与燃料棒端部对应的区域。
在说明书的剩余部分中,感兴趣的是丸粒间区域但是本发明也适用于其它中间区域。
例如,PWR棒的两个丸粒之间的中间区域包含比对应于0.90的RK值的装填区域少约10%的材料。所述区域也被称为丸粒间区域。在说明书的剩余部分中,感兴趣的是丸粒间区域,但是本发明可以应用于其它中间区域,例如在棒的每个端部处发现的区域。
为了精确定位中间区域,可以使用在参考测量时间下对于棒确定的非迁移同位素的计数轮廓。分析非迁移同位素射线测量使得有可能获得参考值,所述参考值表示装填区域和中间区域之间的γ射线发射差异。在一个实施方案中,可以使用上文借助于图1描述的方法从而进行所述分析。
替代性地,可以通过使用给出堆在燃烧之前的几何形状的图从而定位中间区域。
步骤303的目的在于确定指标K_i,所述指标K_i使得有可能量化前一步骤302中定位的中间区域处的材料减少。该指标对应于该区域的内推值T_i和来自中间区域中的非迁移同位素的测量轮廓的值之间的对比。
内推值T_i对应于当中间区域用材料装填时可以在中间区域上测量的值。对于之后的步骤,有可能使用对于指数i的每个丸粒间区域确定的一组K_i值或这些值的至少一者的子集。
之后,步骤304的目的是检测棒中的几何形状变化。为此可以确定参考值RK。
可以以在多个相同类型的棒上实验观察的K_i值的平均值的形式统计地确定参考值RK。
替代性地,可以通过理论计算丸粒的给定几何形状从而确定参考值RK,所述丸粒被再校准成用于进行γ射线光谱的测量装置的构造和类型。
RK的值为例如0.9。
在所有情况下,K_i和该确定的值RK之间的偏差则为几何形状变化的迹象。
在一个示例性实施方案中,可以使用常数k1和k2(其中k1<k2)从而检测几何形状的变化,该过程如下进行。
如果k1×RK≤K_i≤k2×RK(其中例如k1=0.95和k2=1.05),则不存在明显的几何形状变化。
如果K_i<k1×RK或者如果K_i>k2,则检测到几何形状变化。
在该实施例中,因此进行检查从而保证K_i的值在参考值RK的85%和90%之间。
如果不是这样的情况,在指数i的丸粒间区域处检测到几何形状变化。
还在该实施例中,如果K_i大于参考值RK的105%,则存在由填充或甚至是膨胀造成的几何形状变化。相反,如果K_i小于参考值RK的95%,存在由所考虑的丸粒间区域的过度凹陷造成的几何形状变化。
更通常地,对比K_i和RK因此使得有可能检测对应于膨胀、填充或过度凹陷的几何形状变化。
本领域技术人员可以选择使用允许对比K_i的值和参考值的其它指标。
在适当情况下该对比还使得有可能检测和量化例如由丸粒的膨胀或丸粒间区域的填充或甚至是其过度凹陷造成的燃料的变形。
Claims (10)
1.一种用于分析至少一个包含核燃料堆的燃料棒的方法,所述棒包含完全填充燃料的装填区域和部分填充燃料的中间区域,所述方法包括如下步骤:
-获得(300)与非迁移同位素相关的计数轮廓,所述计数轮廓由沿着棒进行的针对该同位素的光谱测量形成;
-确定(303)一组至少一个指标K_i,所述指标K_i使得有可能量化在指数i的中间区域处的材料减少,所述指标从计数轮廓推出;
-通过对比一组至少一个指标K_i和一组至少一个参考值RK从而检测(304)几何形状的变化,所述参考值RK表示核燃料堆的原始几何形状。
2.根据权利要求1所述的用于分析至少一个包含核燃料堆的燃料棒的方法,包括通过分析计数轮廓从而确定中间区域的位置的步骤(302)。
3.根据前述权利要求任一项所述的用于分析至少一个包含核燃料堆的燃料棒的方法,其中在步骤(304)中对于至少一个中间区域检测和通过指标K_i的统计分析推出几何形状的变化,当至少一个值K_i与在没有几何形状变化的情况下预期的理论测量幅度不相容时标记几何形状的变化。
4.根据权利要求1和2任一项所述的用于分析至少一个包含核燃料堆的燃料棒的方法,其中在步骤(304)中对于至少一个中间区域通过对比K_i和预定的参考值RK从而检测几何形状的变化,当K_i和RK之间的比例超过之前选择的对比阈值k1或低于另一个之前选择的对比阈值k2时检测到几何形状的变化。
5.根据权利要求4所述的用于分析至少一个包含核燃料堆的燃料棒的方法,其中以在多个相同类型的棒上实验观察的K_i值的平均值的形式统计地确定参考值RK。
6.根据权利要求4所述的用于分析至少一个包含核燃料堆的燃料棒的方法,其中通过给定的丸粒几何形状的理论计算确定参考值RK。
7.根据前述权利要求任一项所述的用于分析至少一个包含核燃料堆的燃料棒的方法,其中棒为由多个丸粒形成的PWR类型的棒或棒段,中间区域对应于丸粒间区域。
8.根据前述权利要求任一项所述的用于分析至少一个包含核燃料堆的燃料棒的方法,其中使用Ru-136类型的非迁移同位素从而确定计数轮廓。
9.一种用于分析至少一个核燃料棒的系统,所述系统包括γ射线光谱设备和实施根据前述权利要求任一项所述的用于分析至少一个包含核燃料堆的燃料棒的方法的处理单元。
10.一种计算机程序,所述计算机程序包括当通过处理器执行程序时用于执行根据权利要求1至8任一项所述的方法的指令。
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