CN105006262A - 一种标定核反应堆堆外探测器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种标定核反应堆堆外探测器的方法，包括：堆芯稳态情况下，结合堆内探测器的测量值与理论值，通过通量图处理软件同时得到测量的堆内轴向功率分布与测量的堆外探测器电流，将两者结合形成第一接口文件；通过离线通量图处理软件生成标定系数文件；通过理论预测堆芯模型模拟多次轴向功率分布振荡，并通过所述标定系数文件对各次模拟轴向功率分布振荡进行修正，分别形成多个模拟接口文件；通过堆内-堆外标定系数处理软件对所述第一接口文件和所述多个模拟接口文件进行处理，得到堆内-堆外探测器的相关标定系数。本发明采用理论计算形式代替堆芯实际扰动，减少机组人为降功率的扰动，减少测量硬件系统的损耗，大幅提高经济性。

Description

一种标定核反应堆堆外探测器的方法

技术领域

本发明涉及核反应堆堆芯监测、控制及保护技术领域，尤其涉及一种标定核反应堆堆外探测器的方法。

背景技术

如图1所示，反应堆堆芯活性区02是由多个燃料栅元组件03组成的区域，被包括在一个钢制压力容器01内。压力容器01、蒸汽发生器13及主泵16及相关的管道设备，构成了封闭的冷却剂回路，称为一回路。由蒸汽发生器13二次侧、蒸汽管道及汽轮机15及相关设备构成的封闭回路称为二回路。

反应堆热功率水平及分布与反应堆内的中子通量水平及分布密切相关。反应堆在实际运行时需要周期性地进行堆内中子通量密度的测量，通常采用堆芯可移动式探测器系统04或者堆芯固定式探测器系统06进行堆内测量。可移动式探测器04通过指套管05将测量探头送入堆芯并测量，信号传递到堆内测量系统RIC中。

堆芯活性区顶部布置了约40个热电偶，用于堆芯出口冷却剂温度的测量。信号通过机构支撑管08传递到RIC系统中。环路的入口温度测量11及环路出口温度测量10信号作为堆芯保护及控制信号源，参与堆芯的运行保护。图2给出了国内CPR机组典型的堆内探测器通道及堆芯出口热电偶的径向布置图。

堆芯的控制棒09具有强烈的吸收中子特性，可用于调节堆芯内的中子通量水平和发热功率水平等，由控制棒驱动机构实行堆芯的控制及保护。

由于堆内可移动式探测器04不能实现实时在线的堆芯测量，通常在靠近压力容器01外部，布置了堆外固定式探测器(EXCORE)12，用于在线测量中子通量水平等，信号用于堆芯的控制及保护。如图2，EXCORE通常布置在堆芯边缘对角线上。

EXCORE的特性会随着不同堆芯布置及堆芯燃耗的变化出现差异，因此需定期对EXCORE的物理特性进行标定。

在进行堆内及堆外的探测器标定时，目前主流二代加核电站堆芯监测的基本方法需要对堆内的不同功率分布进行测量，在不同堆芯状态下同时建立堆内探测器与堆外探测器的对应关系。

具体而言，约每个季度需要进行堆内堆外探测器的标定。通过人为引入轴向功率分布振荡(如改变控制棒组棒位引入氙振荡等)，根据轴向功率振荡的不同时刻，进行连续多次的堆芯测量，构造约6-8个通量图用于Alpha(k)，KU(k)，KL(k)参数以及T矩阵、S矩阵的更新计算，并结合测量时刻的堆外探测器测量数据，就构成了多组的通量图测量数据，从而建立堆内堆外的探测器相互关系。

请参照图3所示，为目前国内二代加核电站的堆外探测器标定流程。

第一个通量图01一般为堆芯稳态情况下的测量结果。结合堆内探测器的测量值及理论值，通过通量图处理软件可以同时得到测量的堆内轴向功率分布与测量的堆外探测器电流，再将两者结合，形成一数据文件，即图3中的接口文件(INTERFACE FILE)1。

通量图02及通量图03，或者其它更多的通量图，则在堆芯稳态基础上，人为构造轴向功率分布的振荡(如通过控制棒移动，人为引入氙振荡等)，通过可移动式探测器对振荡状态下的堆芯进行测量，构造多个堆内轴向功率分布与堆外测量电流相结合的数据文件，如图3中接口文件(INTERFACE FILE)2及接口文件(INTERFACE FILE)3等。

构造多个通量图接口文件，对应不同的堆内轴向功率分布状态，可通过堆内-堆外标定系数处理软件05进行处理，得到堆内-堆外探测器的相关标定系数06。

然而该做法需要人为刻意引入轴向功率振荡(如氙振荡等)，从而耗费大量的时间在低功率台阶运行。例如在启堆过程中，收集3个通量图数据需要约16个小时，堆芯重新达到稳态则需要约24小时，如果规定堆外探测器标定系数只有在正确更正输入到相关系统后才能升功率，则在低功率运行的时间将长达数天，严重影响电厂的经济性。另外频繁的堆内通量图测量将导致堆内可移动式探头的敏感性下降，探头卡涩等机械故障出现的概率大幅增大，对于堆内测量系统的维护也是一大劣势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种减少堆芯可移动式通量图的测量次数，减少通过人为引入堆芯扰动等方式进行堆内堆外标定的次数，提高电厂经济性并减少硬件测量系统的损耗的标定核反应堆堆外探测器的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种标定核反应堆堆外探测器的方法，包括：

步骤S1，堆芯稳态情况下，结合堆内探测器的测量值与理论值，通过通量图处理软件同时得到测量的堆内轴向功率分布与测量的堆外探测器电流，将两者结合形成第一接口文件；

步骤S2，通过离线通量图处理软件生成标定系数文件；

步骤S3，通过理论预测堆芯模型模拟多次轴向功率分布振荡，并通过所述标定系数文件对各次模拟轴向功率分布振荡进行修正，分别形成多个模拟接口文件；

步骤S4，通过堆内-堆外标定系数处理软件对所述第一接口文件和所述多个模拟接口文件进行处理，得到堆内-堆外探测器的相关标定系数。

其中，所述标定系数文件包括：理论预测模型的模型标定因子、格架修正因子、堆外探测器响应矩阵以及预测电流修正因子。

其中，所述模型标定因子根据堆内测量系统的可移动式探测器或者堆内固定式探测器的测量结果，结合与测量时刻下的堆芯条件相符的堆芯理论计算结果，通过所述离线通量图处理软件处理，构造三维功率分布而获得。

其中，所述模型标定因子具体为由堆芯各节块的通量图转换而成的测量功率分布与各节块的理论预测功率分布的比值。

其中，所述格架修正因子为各测量通量的原始带有格架后的反应率分布与去除格架效应后的光滑反应率分布的比值之和的平均值。

其中，所述探测器响应矩阵用于表征堆内各组件径向节块及各轴向节块通量水平或功率水平对堆外探测器响应的贡献大小。

其中，所述预测电流修正因子的生成过程具体包括：

根据所述离线通量图处理软件得到的三维测量功率分布以及所述探测器响应矩阵，构造当前通量图时刻下，理论预测的探测器功率读数；

根据所述探测器读数以及实际测量的堆外探测器轴向各段电流读数，构造理论预测电流修正因子。

其中，所述步骤S3中，根据由堆芯设计软件提供的理论预测堆芯模型，通过控制棒人为动作或者其他方式形式引入的氙振荡，模拟形成多次功率分布振荡。

其中，所述步骤S3中，形成所述多个模拟接口文件的过程包括：

通过所述模型标定因子对所述理论计算轴向振荡进行修正，得到预测三维功率分布；

根据所述格架修正因子对所述预测三维功率分布进行格架修正，得到模拟测量轴向功率分布；

根据所述堆外探测器响应矩阵，结合所述预测三维功率分布，得到轴向功率振荡下的理论电流；

根据所述预测电流修正因子，结合所述理论电流，得到模拟测量电流；

分别将各次模拟功率振荡下的所述模拟测量电流与所述模拟测量轴向功率分布相结合，构造形成所述多个模拟接口文件。

其中，所述通过所述模型标定因子对所述理论计算轴向振荡进行修正，得到预测三维功率分布，具体包括：

将控制棒或者氙振荡改变的堆芯三维功率分布与所述模型标定因子相乘。

其中，所述根据所述格架修正因子对所述预测三维功率分布进行格架修正，得到模拟测量轴向功率分布，具体包括：

根据所述模拟测量轴向功率分布获得模拟轴向功率振荡的堆芯轴向节块的平均功率分布；

通过样条函数将所述堆芯轴向节块的平均功率分布转为光滑的轴向功率分布；

将所述光滑的轴向功率分布与所述格架修正因子相乘。

其中，所述根据所述堆外探测器响应矩阵，结合所述预测三维功率分布，得到轴向功率振荡下的理论电流，具体包括：

求取堆芯各节块的三维坐标下，所述堆外探测器响应矩阵与所述预测三维功率分布的乘积之和。

其中，所述根据所述预测电流修正因子，结合所述理论电流，得到模拟测量电流，具体包括：

将所述理论电流与所述预测电流修正因子相乘。

本发明实施例的有益效果在于：

本发明采用理论计算形式代替堆芯实际扰动，减少机组人为降功率的扰动，减少操作员操作失误的影响，也可减少机组运行支持人员的工作量，保障机组安全运行，大幅提高经济性；

本发明能大幅减少堆芯硬件测量使用的次数，减少测量硬件系统的损耗，有效缩短反应堆升功率物理实验的时间，大幅提高经济性；

本发明不改变现有堆芯监测的软硬件支持系统，无需新增软硬件系统，仅通过修改现有通量图处理软件的相关模块，并耦合堆芯设计软件即可实现，不仅适用于当前国内二代加核电站基于可移动式探测器的堆芯测量，同时也适用于基于固定式探测器的堆芯测量系统的堆内堆外探测器的标定；

本发明还能够模拟堆芯准稳态情况下的堆外探测器测量信号，可为后续自主研发的堆芯在线监测系统的信号提供测试源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是压力容器与堆芯测量系统的结构示意图。

图2是堆外探测器及热电偶的径向布置示意图。

图3是现有标定堆外探测器的方法的流程示意图。

图4是本发明实施例标定堆外探测器的方法的流程示意图。

图5是本发明实施例标定堆外探测器的方法的具体流程示意图。

图6是本发明实施例标定堆外探测器的方法中接口文件的形成流程示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

本发明旨在提供一种方法，消除图3所示通量图02、通量图03及之后通量图的实际堆芯测量过程，采用理论数值模拟的计算方式，替代求解通量图02、03及之后的通量图的结果。

本发明根据实际稳态堆芯通量图的结果，构造稳态堆芯下理论预测堆芯模型和实测堆芯的标定关系，并生成标定系数文件，应用于后续的理论数值模拟轴向功率分布振荡的计算结果修正。采用理论计算的形式，形成接口文件，代替实际的测量过程，能有效提高反应堆机组运行的安全性及经济性。

请参照图4所示，本发明实施例提供一种标定核反应堆堆外探测器的方法，包括：

步骤S1，堆芯稳态情况下，结合堆内探测器的测量值与理论值，通过离线通量图处理软件同时得到测量的堆内轴向功率分布与测量的堆外探测器电流，将两者结合形成第一接口文件；

步骤S2，通过所述离线通量图处理软件生成标定系数文件；

步骤S3，通过理论预测堆芯模型模拟多次轴向功率分布振荡，并通过所述标定系数文件对各次模拟轴向功率分布振荡进行修正，分别形成多个模拟接口文件；

步骤S4，通过堆内-堆外标定系数处理软件对所述第一接口文件和所述多个模拟接口文件进行处理，得到堆内-堆外探测器的相关标定系数。

以下结合图5对各步骤分别进行详细说明。

步骤S1与图3所示现有技术一致，此处不再赘述。

步骤S2中的标定系数文件包括：(1)理论预测模型的模型标定因子；(2)格架修正因子；(3)堆外探测器响应矩阵；(4)预测电流修正因子。

(1)模型标定因子的生成

本发明根据堆内测量系统的可移动式探测器(MID)或者堆内固定式探测器(FID)的测量结果，结合与测量时刻下的堆芯条件(如控制棒组棒位、功率水平等)相符的堆芯理论计算结果，通过离线通量图处理软件(如AREVA公司的SQAULE或者CARIN软件，或者中广核集团的MAPLE软件等类似软件)处理，构造三维功率分布，并获取理论模型的标定因子C_x,y,z(i,j,k)：

C_x,y,z(i,j,k)＝P^M(i,j,k)/P^P(i,j,k)  (1)

其中，i,j,k为堆芯三维节块的坐标，P^M(i,j,k)为由各节块的通量图转换而成的测量功率分布(非实际测量)，P^P(i,j,k)为各节块的理论预测的功率分布。

本发明的理论模型的模型标定因子与在线监测系统BEACON产生的模型标定因子虽然形式一样，但具有的物理意义却有所不同：BEACON的理论预测模型为在线监测系统提供的堆芯跟随的模型，具有真实的堆芯燃耗运行历史；而由本发明离线处理的理论模型为堆芯设计软件提供的模型，一般为满功率运行历史条件下提供的燃耗模型。

(2)格架修正因子的生成

本发明根据离线通量图处理软件的结果，获取理论模型的格架修正因子GF(N)：

$GF\left(N\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{RR\left(N\right)}{SRR\left(N\right)}---\left(2\right)$

其中，N表示轴向测量的点数，对于大多数通量图处理软件N一般在(40-100)之间，SRR为去除格架效应后光滑的反应率分布，RR为原始的带有格架后的反应率分布。n为测量通量数量。

格架修正因子表征了理论预测堆芯模型中，在构造堆芯轴向功率分布过程中所做的均匀节块的假设所引入的修正因子。

(3)堆外探测器响应矩阵W(i,j,k,d)的生成

探测器响应矩阵表征了堆内各组件径向节块及各轴向节块通量水平(或功率水平)对堆外探测器响应的贡献大小。采用国际通用的蒙卡屏蔽软件(如MCNP、TORT软件等)可以实现该响应矩阵的计算。

探测器响应矩阵W(i,j,k,d)一般只与堆芯的几何相关，随堆芯燃料布置和堆芯运行燃耗变化不大。d表征轴向探测器敏感段个数。

(4)预测电流修正因子的生成

本发明根据离线通量图处理软件得到的三维测量功率分布，根据堆内-堆外的探测器响应矩阵W(i,j,k,d)，构造当前通量图时刻下，理论预测的探测器功率读数Cp(d)。

$Cp\left(d\right)=\underset{i}{\Σ}\underset{j}{\Σ}\underset{k}{\Σ}(W(i,j,k,d)\×P^M(i,j,k))---\left(3\right)$

本发明根据理论预测的探测器读数Cp(d)及实际测量的堆外探测器轴向各段电流读数Cm(d)，构造理论预测电流修正因子Sc(d)。

Sc(d)＝Cm(d)/Cp(d)  (4)

预测电流修正因子不仅修正了探测器响应矩阵W(i,j,k,d)的本身误差，同时也修正了理论预测模型采用设计模型，不考虑具体燃耗运行历史所引入的额外误差。

步骤S3中，根据由堆芯设计软件(如法国AREVA公司的SCIENCE中的SMART软件，美国西屋公司的ANC软件，或者中国中广核集团的COCO软件等类似软件)提供的理论预测堆芯模型，通过控制棒人为动作或者其他方式形式引入的氙振荡，形成一系列的功率分布振荡，以改变轴向功率分布形状(如轴向功率偏差AO值改变)。

构造第n次扰动的三维功率分布设为

步骤S3中，以标定系数文件对模拟的多次轴向功率分布振荡进行修正的过程，实际也是各个模拟接口文件的形成过程，包括以下步骤：

通过所述模型标定因子对所述理论计算轴向振荡进行修正，得到预测三维功率分布；

根据所述格架修正因子对所述预测三维功率分布进行格架修正，得到模拟测量轴向功率分布；

根据所述堆外探测器响应矩阵，结合所述预测三维功率分布，得到轴向功率振荡下的理论电流；

根据所述预测电流修正因子，结合所述理论电流，得到模拟测量电流；

分别将各次模拟功率振荡下的所述模拟测量电流与所述模拟测量轴向功率分布相结合，构造形成所述多个模拟接口文件。

请结合图6所示，具体修正方式如下：

堆芯功率分布振荡的修正10：

本发明根据模型标定因子C_x,y,z(i,j,k)对控制棒或者氙振荡改变的堆芯三维功率分布进行修正，得到“测量”(预测)的三维功率分布

$P_n^{mes-oscillate}(i,j,k)=P_n^{prd-oscillate}(i,j,k)\×C_{x,y,z}(i,j,k)---\left(5\right)$

本发明获取修正后的“测量”轴向功率振荡的堆芯轴向节块的平均功率分布P_n(k)^oscillate。并通过样条函数转为光滑的轴向功率分布P_n(k->N)^oscillate，其中k为轴向节块数量，N为光滑的轴向分布的测点数。

堆芯功率分布振荡的修正13：

根据格架修正因子对“测量”的轴向功率分布进行格架修正，得到“测量”(模拟测量)的轴向精细功率分布P_n(N)^oscillate：

P_n(N)^oscillate＝GF(N)×P_n(k->N)^oscillate  (6)

堆芯功率分布振荡的电流模拟11：

本发明根据W(i,j,k,d)结合“测量”的三维功率分布P^{mes-oscillate}(i,j,k)，构造轴向功率振荡下的理论电流

$C_n^{\mathrm{Pr}d}\left(d\right)=\underset{i}{\Σ}\underset{j}{\Σ}\underset{k}{\Σ}\left(W\left(i,j,k,d\right)\×P_n^{mes-oscillate}\left(i,j,k\right)\right)---\left(7\right)$

其中i,j,k为堆芯各节块的坐标，d为堆外探测器的轴向个数。

测量电流信号修正12：

本发明根据预测电流修正因子Sc(d)结合理论电流构造“测量”(模拟测量)的电流读数

$C_n^{Mes}\left(d\right)=C_n^{\mathrm{Pr}d}\left(d\right)\×Sc\left(d\right)---\left(8\right)$

接口文件的生成09：

本发明根据结合的n次的“测量”的电流读数和“测量”的堆内轴向功率分布P_n(N)^oscillate等数据，构造多个模拟接口文件，传递给下游计算。

需要说明的是，本发明系采用理论数值模拟的计算方式，替代图3所示通量图02、通量图03及之后通量图的实际堆芯测量，因此前述“测量”的功率分布或“测量”的电流并非实际测量而得，实为理论计算结果，亦可称为模拟测量。

本发明在产生多个模拟接口文件09之后，其流程及算法与现有方法相一致，构建堆内功率分布及堆外探测器读数的对应关系，得到堆内-堆外探测器的相关标定系数，包括Alpha、KU、KL系数，以及LSS系统标定系数等。

通过上述说明可知，本发明的有益效果在于：

本发明采用理论计算形式代替堆芯实际扰动，减少机组人为降功率的扰动，减少操作员操作失误的影响，也可减少机组运行支持人员的工作量，保障机组安全运行，大幅提高经济性；

本发明能大幅减少堆芯硬件测量使用的次数，减少测量硬件系统的损耗，有效缩短反应堆升功率物理实验的时间，大幅提高经济性；

本发明不改变现有堆芯监测的软硬件支持系统，无需新增软硬件系统，仅通过修改现有通量图处理软件的相关模块，并耦合堆芯设计软件即可实现，不仅适用于当前国内二代加核电站基于可移动式探测器的堆芯测量，同时也适用于基于固定式探测器的堆芯测量系统的堆内堆外探测器的标定；

本发明还能够模拟堆芯准稳态情况下的堆外探测器测量信号，可为后续自主研发的堆芯在线监测系统的信号提供测试源。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (13)

1.一种标定核反应堆堆外探测器的方法，包括：

步骤S1，堆芯稳态情况下，结合堆内探测器的测量值与理论值，通过通量图处理软件同时得到测量的堆内轴向功率分布与测量的堆外探测器电流，将两者结合形成第一接口文件；

步骤S2，通过离线通量图处理软件生成标定系数文件；

步骤S3，通过理论预测堆芯模型模拟多次轴向功率分布振荡，并通过所述标定系数文件对各次模拟轴向功率分布振荡进行修正，分别形成多个模拟接口文件；

步骤S4，通过堆内-堆外标定系数处理软件对所述第一接口文件和所述多个模拟接口文件进行处理，得到堆内-堆外探测器的相关标定系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标定系数文件包括：理论预测模型的模型标定因子、格架修正因子、堆外探测器响应矩阵以及预测电流修正因子。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述模型标定因子根据堆内测量系统的可移动式探测器或者堆内固定式探测器的测量结果，结合与测量时刻下的堆芯条件相符的堆芯理论计算结果，通过所述离线通量图处理软件处理，构造三维功率分布而获得。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述模型标定因子具体为由堆芯各节块的通量图转换而成的测量功率分布与各节块的理论预测功率分布的比值。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述格架修正因子为各测量通量的原始带有格架后的反应率分布与去除格架效应后的光滑反应率分布的比值之和的平均值。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述探测器响应矩阵用于表征堆内各组件径向节块及各轴向节块通量水平或功率水平对堆外探测器响应的贡献大小。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预测电流修正因子的生成过程具体包括：

根据所述离线通量图处理软件得到的三维测量功率分布以及所述探测器响应矩阵，构造当前通量图时刻下，理论预测的探测器功率读数；

根据所述探测器读数以及实际测量的堆外探测器轴向各段电流读数，构造理论预测电流修正因子。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据由堆芯设计软件提供的理论预测堆芯模型，通过控制棒人为动作或者其他方式形式引入的氙振荡，模拟形成多次功率分布振荡。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，形成所述多个模拟接口文件的过程包括：

通过所述模型标定因子对所述理论计算轴向振荡进行修正，得到预测三维功率分布；

根据所述格架修正因子对所述预测三维功率分布进行格架修正，得到模拟测量轴向功率分布；

根据所述堆外探测器响应矩阵，结合所述预测三维功率分布，得到轴向功率振荡下的理论电流；

根据所述预测电流修正因子，结合所述理论电流，得到模拟测量电流；

分别将各次模拟功率振荡下的所述模拟测量电流与所述模拟测量轴向功率分布相结合，构造形成所述多个模拟接口文件。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述通过所述模型标定因子对所述理论计算轴向振荡进行修正，得到预测三维功率分布，具体包括：

将控制棒或者氙振荡改变的堆芯三维功率分布与所述模型标定因子相乘。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述根据所述格架修正因子对所述预测三维功率分布进行格架修正，得到模拟测量轴向功率分布，具体包括：

根据所述模拟测量轴向功率分布获得模拟轴向功率振荡的堆芯轴向节块的平均功率分布；

通过样条函数将所述堆芯轴向节块的平均功率分布转为光滑的轴向功率分布；

将所述光滑的轴向功率分布与所述格架修正因子相乘。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述根据所述堆外探测器响应矩阵，结合所述预测三维功率分布，得到轴向功率振荡下的理论电流，具体包括：

求取堆芯各节块的三维坐标下，所述堆外探测器响应矩阵与所述预测三维功率分布的乘积之和。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述根据所述预测电流修正因子，结合所述理论电流，得到模拟测量电流，具体包括：

将所述理论电流与所述预测电流修正因子相乘。