CN105448362A - 利用功率量程探测器和信号作为信号源的动态刻棒方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用功率量程同一通道多节探测器和信号作为信号源的动态刻棒方法，它是利用电厂主控制室内已有的信号端子，记录某一控制棒组全速插入堆芯过程中，随控制棒位置连续变化的堆外功率量程一个通道所有探测器电流的和信号，输入反应性仪中，经静态和动态修正因子修正后获得反应性的测量值，完成刻棒。本发明不需要对核电厂现有堆外核测系统做任何的硬件改造，且测试过程不改变核测系统的供电方式，即能完成刻棒。

Description

利用功率量程探测器和信号作为信号源的动态刻棒方法

技术领域

本发明属于核反应堆物理试验方法领域，特别是涉及一种采用核反应堆堆外功率量程同一通道多节探测器的和信号作为信号源的动态刻棒方法。

背景技术

目前主流的压水堆核电厂分批次进行燃料更换操作，一般每隔一年或一年半时间，核反应堆内“燃烧”最充分的核燃料就会被卸出堆芯，同时相应数量的新燃料组件会被装入反应堆。由于新旧燃料的物理特性存在差异，在每次更换燃料操作前，核电厂往往需委托有资质的核工程设计院来设计新的核燃料装载方案。

在核电厂依据设计单位提供的核燃料装载方案完成核燃料的装卸操作后，为了避免错装料，同时也为了验证设计单位基于软件分析计算所提供的设计方案是正确的，在核电厂重新发电之前，都需要进行所谓的反应堆启动物理试验。由于启动物理试验是在核反应堆功率几乎为零的状态下进行的，整个试验阶段电厂都不能对外输出电能，不产生经济效益。因此从提高经济性的角度，核电厂都有很强的动力去缩短启动物理试验所占用的时间。

在所有的启动物理试验项目中，刻棒试验，即控制棒价值测量试验所占用的时间最长。因此，研究快速的控制棒价值测量方法，对提高核电厂的经济性具有十分重要的意义。

然而，传统的棒价值测量方法，由于“测量”反应性所采用的仪器都是建立在点堆模型这一理论假设基础上的，因此，为保证试验过程这一理论假设的适用性，试验过程被要求不能一次引入比较大的反应性，这样一来，就限制了试验中控制棒价值的测量速率，导致每组控制棒价值测量试验都较为耗时。

动态刻棒试验方法是最早由美国西屋电气公司研制成功的一种快速测量控制棒价值的试验方法，该方法创造性地在试验之前引入了对试验过程的高精度计算机数值模拟，并依据模拟所得结果，来定量计算整个试验过程偏离点堆模型的程度，并根据这样的偏离程度，定义出相应的修正因子，然后，在实际开展试验时，就可以不考虑点堆假设对反应性引入速率的限制，实现以安全允许的最快速度进行控制棒价值测量。最后，依据测量所得的插棒过程堆外功率量程中子探测器的电流响应信号，再利用事先产生好的修正因子，将测量所得的并不满足点堆假设的信号，重新修正回点堆模型，并最终和传统方法相类似，由反应性仪中的点堆逆动态方程求解软件，计算出试验过程的反应性变化。

动态刻棒方法由于实际测量过程不受传统方法中点堆模型的限制，因此可以实现对控制棒价值的快速测量，从而显著缩短核电厂大修时间，增加电厂的可发电时间，提升电厂的运行业绩。除了这一显著优势外，该方法还由于试验过程完全不需开展可溶硼浓度调节以及每次只操作一组控制棒等特点，使其较传统试验方法更安全、更环保。正因为该试验方法优势显著，已成为目前国际上最主流的核电厂反应堆控制棒价值测量方法，在美、法、日等国普遍采用。

附图2给出了由美国西屋公司设计采用的动态刻棒试验方案。在该方案中，堆外核测系统功率量程四个通道中某个通道多节电离室的电流信号被分成上部信号和下部信号两个信号源同时接入反应性仪。在反应性仪内，依据当前时刻控制棒所处的位置，从事先算好的静态修正因子表中分别取出相应的修正因子，对上部信号和下部信号进行修正，以剔除信号中纯粹由控制棒插入所造成的堆内中子通量密度分布形状变化所引起的空间效应，然后再对修正后的信号各自归一，并求和合并成一个信号。以该信号作为输入，再由反应性仪中的点堆逆动态方程求解程序算出当前时刻反应堆的反应性，即动态反应性。最后，再依据当前时刻的控制棒位置，从事先算好的动态修正因子表中取出相应的动态修正因子，并将其作用于计算所得的动态反应性上，以修正实际控制棒快速下插过程由于存在缓发中子的滞后效应等因素所造成的动态反应性和静态反应性的差异，最终获得可以和设计单位提供的控制棒价值相比较的“测量值”。

此外，还需说明的是，按美国西屋公司的方案，在启动物理试验过程中（包括动态刻棒过程），需将堆外核测系统中子探测器的供电方案由原先的系统自供修改为由反应性仪携带的高压电源提供。

当考虑现有以美国西屋公司技术方案为代表的动态刻棒技术在我国现役核电厂的应用时，会发现该技术存在明显的缺陷：

首先，我国现役的绝大部分压水堆核电机组，其技术都来源于早年从法国引进的大亚湾核电厂。这些法系机组有一个共同的特点，那就是在核电厂主控制室内现成可接入反应性仪的功率量程堆外探测器电流信号仅为一个通道多节探测器电流信号的和信号，也就是说，只有对电厂现有的接线方案进行实体改造后，才有可能像美国西屋公司那样分上部探测器和下部探测器分别取信号。由于堆外核测系统属核电厂核安全等级最高的系统，其可靠性要求极高，对其进行改造一方面会增大核安全的风险，另一方面也意味着可观的经济和时间成本。

其次，如前说述，按西屋公司的方案，在试验过程需将堆外核测系统的供电方案由原先的系统自供切换到由反应性仪配带的高压电源提供。这样的做法从保证反应性仪和堆外核测系统共用一个物理接地的角度，或许有些益处，但每次试验要切换核级仪表的高压供电方案，不但麻烦，还会带来额外的风险，甚至有可能触发试验过程反应堆的意外停堆。

发明内容

本发明的目的是针对我国核电厂的实际情况提供一种利用功率量程探测器和信号作为信号源的动态刻棒方法，所谓和信号是指利用功率量程一个通道多节探测器实测电流之和作为测量信号。本发明更符合我国现役压水堆核电机组的实际情况，因其不需要对现有堆外核测系统做任何的硬件改造。

为此，本发明采用的技术方案是这样的，利用功率量程探测器和信号作为信号源的动态刻棒方法，包括如下步骤：

1)利用电厂主控制室内已有的信号端子，记录某一控制棒组全速插入堆芯过程中，随控制棒位置连续变化的堆外功率量程一个通道所有探测器电流的和信号；

2)将该信号接入带动态刻棒功能的反应性仪，并由反应性仪依据控制棒棒位信号，从事先输入反应性仪的静态修正因子表中，获得当前棒位下的静态修正因子；

3)按下列公式一对进行修正，得到修正后的信号；

（公式一）

4)以作为输入，由反应性仪中自带的点堆逆动态方程求解模块，获得反应堆反应性随控制棒插入深度的变化，即；

5)由反应性仪依据控制棒棒位信号，从事先输入反应性仪的动态修正因子表中，获得当前棒位下的动态修正因子；

6)按下列公式二对进行修正，得到最终的测量结果；

（公式二）。

该测量结果体现的是控制棒在不同位置时反应堆的反应性，直接表征了控制棒处于堆芯不同位置时对反应堆反应性的影响，即控制棒价值，得到该测量结果即意味着完成了刻棒试验。

进一步地，上述方案中的静态和动态修正因子是用下述方法得到的：

1)针对拟开展动态刻棒的反应堆，根据详细的堆内、堆外几何及材料分布信息，建立相应的屏蔽计算模型，并利用中子屏蔽计算软件，如美国像树岭国家实验室开发的DORT软件以及由申请者开发的GCB软件进行堆外功率量程探测器响应计算，获得功率量程某个通道每个探测器对反应堆内裂变中子源的响应关系。这样的响应关系是三维空间内点对点的响应关系，可以直接表示为一个三维的函数，也可以像目前工程中经常采用的那样将其分别表示为一个径向的响应函数（两维函数）和一个轴向的响应函数（一维函数）。以后一种方法为例，设径向响应函数和轴向响应函数可分别用和表示，其中i为探测器标识，n为堆芯计算时所形成的径向粗网的编号，k为堆芯计算时所形成的轴向层的编号；和分别表示在径向n粗网和轴向k层粗网均匀产生的各向同性的一个源中子到达探测器i并在i探测器中形成的电流大小；

2)根据反应堆具体的核燃料装载方案，建立反应堆物理计算模型；

3)在步骤2)基础上，利用稳态堆芯计算软件，如目前国内核电设计院所采用的美国西屋公司APA软件包中的ANC或者法国SCIENCE软件包中的SMART，或者申请者自行研发的ORIENT软件包中的EGRET，产生与试验状态相对应的反应堆点堆动力学参数；

4)在步骤2)基础上，针对待测控制棒组，同样利用上述堆芯稳态物理计算软件，模拟其从所有棒都全部提出堆芯这一状态开始，逐步插入至堆芯底部的这个过程；

5)基于步骤４)计算结果，得出理论控制棒价值随控制棒位置的变化关系，即；

6)根据步骤４)计算所得的控制棒在不同高度时，堆内三维的裂变中子源分布，产生随控制棒高度变化的静态修正因子SSF；具体计算为公式三：

（公式三）

这里分子分母都已经是将一个通道中所有探测器电流合在一起的数值，其中，具体某个探测器电流的模拟信号可由步骤1)所得的探测器响应关系结合本步骤产生的反应堆三维裂变中子源分布来获得；具体地，当探测器响应关系采用前述两维径向和一维轴向响应函数表示时，某个探测器电流的模拟信号可由以下公式四计算：

（公式四）；

其中和分别代表第k层第n粗网的裂变中子源强和粗网体积；

7)在步骤2)基础上，利用反应堆三维瞬态分析计算软件，如美国西屋公司的ANC-K或者申请者自行研发的EGRET-K，模拟待测棒组在采用与实际试验拟采用的相同速度插入堆芯的情况下，整个插棒过程反应堆内裂变中子源分布随控制棒位置的变化；

8)基于步骤７)计算结果，以及步骤1)所得的探测器响应关系，产生不同控制棒高度情况下，某一通道堆外探测器电流和信号（特别强调这里的电流信号为模拟计算所得）；

9)将步骤6）产生的对应高度下的静态修正因子作用于上，通过公式五得到修正后的电流，；（公式五）

10)以以及步骤3)获得的点堆动力学参数作为输入，通过求解点堆逆动态方程，获得反应堆反应性随控制棒插入深度的变化，即；

11)定义动态修正因子，（公式六）；

上述过程中，所用到的软件、方程均为现有技术。

与美国西屋公司的技术方案相比，本发明的特点一是采用堆外探测器功率量程一个通道所有电离室的和信号作为试验的信号源，二是试验过程不改变堆外核测系统探测器常规的供电方式，无需切换高压。因此，本发明能达到以下技术效果：

1)对我国绝大部分现役核电厂来说，采用本申请技术方案就意味着不需要对现场作任何的实体改造就具备实施动态刻棒试验的硬件条件。这可为核电厂节约十分可观的技术改造费用，同时也加速动态刻棒这一新技术在国内的推广应用；

2)避免切换堆外核测系统的高压电源，从而避免由电源切换可能导致的反应堆意外停堆的风险；

3)与上下部探测器分别采集信号的技术方案相比，本申请所采用的技术方案会有更强的实测电流，从而有利于获得更高的信噪比。这对大反应性价值（>1000pcm）控制棒价值刻度过程可能出现极低电流信号（）的情况而言，本申请方案更不易受本底电流或噪声信号的干扰；

4)本申请只需准备针对和信号的一套静态修正因子，从而减轻准备修正因子的工作量。

附图说明

图1是堆外探测器功率量程四个通道相对于反应堆的位置示意图；

图2是现有技术的流程框图；

图3是本发明的流程框图；

图4是实施例1中探测器测得的和信号；

图5是实施例1中的静态修正因子；

图6是实施例1中的动态修正因子；

图7是实施例1的结果对比图；

具体实施方式

参见图1。1为反应堆本体，2为功率量程探测器。可以看出反应堆外均匀设置有四个通道的探测器。

参见图2。现有技术中，一个通道的功率量程探测器2上包括六个探测器，分别为21~26，其中21~23的电流之和作为下部电流信号输出，24~26的电流之和作为上部电流信号输出，分别经静态修正因子修正后归一求和，再进行计算。

参见图3。本发明中，一个通道的功率量程探测器2上同样包括六个探测器21~26，所有的电流之和作为一个电流信号输出，经一次静态修正因子修正后进行计算。

参见图4至图7，为本发明在某核电厂某组控制棒价值刻度试验的实施例，试验过程未切换供电。

图4的横轴为控制棒距离行程底部的步数，纵轴为探测器电流信号/安培，曲线A为控制棒从堆芯顶部以恒定速率下插至堆芯底部过程实际测得的堆外功率量程一个通道所有探测器电流的和信号。

图5中的横轴为控制棒距离行程底部的步数，纵轴为静态修正因子（SSF），曲线B为按本发明的修正因子产生步骤所产生的该棒组的静态修正因子（SSF）随控制棒位置的变化关系。

图6中的横轴为控制棒距离行程底部的步数，纵轴为动态修正因子（DSF），曲线C为按本发明的修正因子产生步骤所产生的该棒组的动态修正因子（DSF）随控制棒位置的变化关系。

按发明内容部分的记载，依次进行对测量所得的电流信号进行静态修正、点堆逆动态方程求解以及动态修正后，得到最终的测量结果，从而可以获得完整的控制棒价值刻度曲线，即控制棒价值随控制棒插入深度的变化关系。

参见图7。图7中的横轴为控制棒距离行程底部的步数，纵轴为控制棒的价值/pcm，曲线E为本实施例得到的控制棒价值刻度曲线，曲线D为未经修正因子修正的反应性曲线，曲线F为设计单位提供的参考值曲线。从图7可以看出，本实施例可以获得与参考曲线F更吻合的结果，可见本发明在减少了信号源和不改变供电方式的前提下，同样能达到良好的刻棒效果，完成了本发明的目的。

Claims (3)

1.利用功率量程探测器和信号作为信号源的动态刻棒方法，包括如下步骤：

利用电厂主控制室内已有的信号端子，记录某一控制棒组全速插入堆芯过程中，随控制棒位置连续变化的堆外功率量程一个通道所有探测器电流的和信号；

将该信号接入带动态刻棒功能的反应性仪，并由反应性仪依据控制棒棒位信号，从事先输入反应性仪的静态修正因子表中，获得当前棒位下的静态修正因子；

按下列公式一对进行修正，得到修正后的信号；

（公式一）

以作为输入，由反应性仪中自带的点堆逆动态方程求解模块，获得反应堆反应性随控制棒插入深度的变化，即；

由反应性仪依据控制棒棒位信号，从事先输入反应性仪的动态修正因子表中，获得当前棒位下的动态修正因子；

按下列公式二对进行修正，得到最终的测量结果

（公式二）。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的静态和动态修正因子是用下述方法得到的：

针对拟开展动态刻棒的反应堆，根据详细的堆内、堆外几何及材料分布信息，建立相应的屏蔽计算模型，并利用中子屏蔽计算软件进行堆外功率量程探测器响应计算，获得功率量程某个通道每个探测器对反应堆内径向裂变中子源和轴向裂变中子源的响应关系；

根据反应堆具体的核燃料装载方案，建立反应堆物理计算模型；

在步骤2)基础上，利用稳态堆芯计算软件，产生与试验状态相对应的反应堆点堆动力学参数；

在步骤2)基础上，针对待测控制棒组，同样利用上述堆芯稳态物理计算软件，模拟其从所有棒都全部提出堆芯这一状态，逐步插入至堆芯底部这个过程；

基于步骤４)计算结果，得出理论控制棒价值随控制棒位置的变化关系，即；

根据步骤４)计算所得的控制棒在不同高度时，堆内三维的裂变中子源分布，产生随控制棒高度变化的静态修正因子SSF；具体计算为公式三：

（公式三）

这里分子分母都已经是将一个通道中所有探测器电流合在一起的数值，其中，具体某个探测器电流的模拟信号可由步骤1)所得的探测器响应关系结合本步骤产生的反应堆三维裂变中子源分布来获得；

在步骤2)基础上，利用反应堆三维瞬态分析计算软件，模拟待测棒组在采用与实际试验拟采用的相同速度插入堆芯的情况下，整个插棒过程反应堆内裂变中子源分布随控制棒位置的变化；

基于步骤７)计算结果，以及步骤1)所得的探测器响应关系，产生不同控制棒高度情况下，某一通道堆外探测器的电流和信号；

将步骤６)产生的对应高度下的静态修正因子作用于上，通过公式五得到修正后的电流，；（公式五）

以作为输入，通过求解点堆逆动态方程，获得反应堆反应性随控制棒插入深度的变化，即；

定义动态修正因子

（公式六）。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：在步骤6）中，具体某个探测器电流的模拟信号由公式四得到：

（公式四）

其中和分别代表第k层第n粗网的裂变中子源强和粗网体积。