CN105723467B - 一种用于在反应堆停机期间监控硼稀释的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于在核电厂停机期间监控反应堆的冷却剂中的硼浓度的方法，该方法将温度补偿应用到源区段检测器输出。该方法接着监控补偿输出信号，以识别高于预选值的检测器计数率的变化。
Description
背景技术
1、技术领域
本发明通常涉及监控源区段内的核反应堆堆芯的反应性，并且更具体地，本发明涉及在反应堆停机期间监控硼稀释。
2、相关技术
在压水反应堆发电系统中，通过在堆芯内支撑的多个燃料棒中发生的裂变链实反应而在压力容器的堆芯内生成热。燃料棒在燃料组件内保持间隔关系，随着燃料棒之间的空间形成冷却剂通道，含硼水从其中流过。冷却剂水中的氢缓和从燃料棒内的浓缩铀射出的中子，以增加核反应的数目，并且从而提高该过程的效率。控制棒导向套管被散布在燃料组件内代替燃料棒位置，并且用来引导控制棒，其可操作地被插入堆芯或者从堆芯取出。当被插入时，控制棒吸收中子，并且从而降低核反应的数目和堆芯内生成的热量。冷却剂经组件流出反应堆，到达蒸汽发生器的管侧，在这里，热量以较低压力传递给蒸汽发生器的壳侧中的水，其导致蒸汽的生成，蒸汽通常被用于驱动涡轮发电机组，以用于发电。离开蒸汽发生器的管侧的冷却剂被主冷却剂泵以闭环循环驱动回反应堆，以重新开始过程。
核反应堆的功率水平一般被分为三个区段：源或者启动区段，中间区段，以及功率区段。这三个区段可进一步被分为六个模式：模式一，其中功率大于5％；模式二，其中功率小于5％；模式三，被称为待机，其中冷却剂的温度高于350℃；模式四，也被成为热停堆，其中冷却剂的温度低于350℃；模式五，冷停堆，其中冷却剂的温度低于200℃；以及模式六，加燃料，其中温度小于140℃。反应堆的功率水平被连续地监控，以确保安全操作。这样的监控通常通过放置在反应堆堆芯外部和内部的中子检测器来实施，该中子检测器用于测量反应堆的中子通量。因为在反应堆内任意点处的中子通量正比于裂变率，所以中子通量也正比于功率水平。
裂变和电离室已经被用于测量反应堆的源、中间和功率区段中的通量。典型的裂变和电离室能够在所有正常的功率水平下操作，然而，对于精确地检测源区段射出的低水平的中子通量，它们通常不够敏感。因此，当反应堆的功率水平处于源区段时，通常使用单独的低水平的源区段检测器来监控中子通量。
当在适当能量水平的自由中子撞击燃料棒内包含的可裂变材料的原子时，堆芯内的裂变反应发生。反应导致大量的热能的释放和额外的自由中子的释放，其中，热能是从反应堆冷却剂中的堆芯提取的，自由中子可用于产生更多的裂变反应。这些被释放的中子中的一些逸出堆芯，或者被中子吸收剂(例如控制棒)吸收，并且因此不会导致传统的裂变反应。通过控制堆芯中存在的中子吸收材料的量，可以控制裂变过程的速率。在可裂变材料中总有随机裂变反应发生，但是当堆芯被停机时，被释放的中子以如此高的速率被吸收，使得不发生持续的系列反应。通过减少中子吸收材料，直到在给定代中的中子数等于前代的中子数，过程变为自持链式反应，并且反应堆被认为“临界的”。当反应堆是临界的，中子通量比当反应堆停机时高大约六个量级。在一些反应堆中，为了加速停机的堆芯内的中子通量的增加以实现实用的转变间隔，人造中子源被植入反应堆堆芯在包含可裂变材料的燃料棒之间。该人造中子源产生中子通量的局部增加，以帮助反应堆达到功率。
在不存在人造中子源时，一代中的自由中子数与前一代中的自由中子数之比被称为“中予倍增因子”(Keff)，并且被用作反应堆反应性的量度。换言之，用于核堆芯的临界的量度是Keff，即中子产生与可归因于破坏和损失的总中子损失的比值。当Keff大于一时，产生的中子比被摧毁的中子多。同样地，当Keff小于一时，被摧毁的中子比产生的中子多。当Keff小于一时，反应堆被称为“次临界的”。
在加燃料停机期间，反应堆头连同上部内部结构被移除以获取通向堆芯内的燃料组件的入口。为了提供这样的入口，控制杆随着上部内部结构被移除，然而，为了在控制杆被移除的情况下维持堆芯内的燃料组件次临界，堆芯内的冷却剂内的硼浓度要增大。在电厂停机期间监控反应堆冷却剂系统硼浓度是验证停机容限并且阻止无意的临界的关键方面。在从模式六转变至模式二期间，接着加燃料停机之后，电厂将会把硼酸浓度从大致2,300ppm改变至1,800ppm。在停机的这个转变时期，存在大量的正在执行的活动，其需要电厂操作者注意。典型地，主要通过周期性的反应堆冷却剂系统硼浓度采样以及行政性地锁定稀释源以避免反应堆冷却剂系统中硼的无意的稀释来监控停机容限。大多数电厂还在适当位置具有硼稀释监控器，其针对计数率的统计上地显著增加对源区段检测器的输出信号进行采样，并且基于手动调整的预置的计数率的增加(例如，计数率加倍)提供报警。
2011年5月，在一家商业核电厂换料停机期间，由于泄露的阀门，反应堆冷却剂系统硼浓度意外地在24小时内从2,443ppm降低至1,483ppm。所需的停机硼浓度是1,410ppm。源区段检测器的输出信号增加了三倍，但是操作主要将该增加归因于并发的发应堆冷却剂系统温度的增加。该设施先前移除了其辅助人工中子源，其降低了它们的源区段检测器计数率并且使观察次临界状态下的反应性变化更加困难。虽然电厂遵循每24小时采样的标准停机化学监控监督，并且产生稀释流动路径的阀门被关闭并且锁定，但是一个泄露了。在稀释发生的同时并发的反应堆冷却剂系统温度从大约325°F增加至475°F，掩盖了对源区段检测器的影响，并且减小在关机报警下手动调节的高通量的有效性。
因此，期望一种更加敏感的用于识别反应堆冷却剂系统硼浓度变化的检测系统。
相应地，本发明目的是提供这样一种动态的系统，其将针对采用当前的方法可能不容易可检测到的变化，连续地监控硼浓度的变化。
本发明的另一目的是在操作模式六至二的期间精确地监控硼浓度的小变化，以使电厂免受无意识的临界。
此外，本发明的目的是提供这样的系统，其足够可靠以允许消除当前的硼稀释事故分析要求所强加的操作和堆芯设计限制。
发明内容
采用用于在核电站停机期间监控反应堆冷却剂系统内的硼浓度的方法，这些和其它目的得以实现，所述方法采用电厂内现有的仪器的电力输出。该方法在电厂停机期间，作为时间的函数监控输出信号，其代表位于反应堆容器外部邻近反应堆堆芯的源区段中子检测器的计数率。该方法还作为时间的函数监控反应堆冷却剂系统内的冷却剂的温度。该方法进一步生成补偿信号，其是监控的温度的函数，当补偿信号与计数率输出信号结合时，针对基本上由冷却剂的温度变化导致的计数率输出信号的任何变化补偿计数率输出信号。该方法接着将补偿信号应用到计数率输出信号，以获取补偿计数率输出信号，并且识别补偿计数率输出信号的预选增加。
在优选的实施例中，补偿信号被定义为降液管温度衰减因子(DTAF)，其通过以下表达式给出：
其中R的值是源区段检测器和反应堆容器之间的距离与源区段检测器和堆芯外围上的燃料组件之间的有效宏观中子移除截面的函数，并且p是反应堆容器内水的密度的变化。补偿计数率输出信号(ΔCC(t))与选择的参考ΔC(ΔCR)的偏差是反应性变化正在发生或者已经发生的指示，并且ΔCC(t)的值通过以下表达式给出：
ΔCC(t)DTAF(t)-CR. (2)
优选地，用于确定从一个监控计数率输出信号组至下一个监控计数率输出信号组ΔCC的预期随机波动的误差传播技术的应用允许ΔCC的预期随机波动范围(ΔCE)基本上表示为：
其中σCR的值是在时间t附近的间隔获取的重要的源区段计数率测量总体的测量平均偏差；C(t)的值是用于确定σCR的平均值；并且用于确定σCR的计数率测量的数目是操作者可寻址常数，其是获取期望的反应性变化检测敏感度所需要的期望的σCR的最大值的函数。在前述的实施例中，如果ΔC(t)在通过前述等式(3)提供的ΔC的预期范围之外，则该方法识别反应性变化正在发生或者是已经发生。优选地，在识别反应性变化正在发生之前，利用在ΔC的预期范围之外的样品的给定部分确定选择的ΔC(t)的连续样本的数目。在一个实施例中，选择的连续祥本的数目大约为10。
附图说明
当结合附图阅读时，可以从以下优选实施例的描述获取对本发明的进一步的理解，其中：
图1是核能发电系统的初级侧(primary side)的示意图；以及
图2是针对预期的计数率和测量的计数率的计数率比相对反应堆冷却剂系统冷管段(cold leg)温度的曲线图。
具体实施方式
图1示出了核电力发电厂10的初级侧，其中核蒸汽供应系统12供应蒸汽，用于驱动涡轮发电机(未示出)产生电力。核蒸汽供应系统12具有压水反应堆14，压水反应堆14包括容纳在压力容器18内的反应堆堆芯16。在反应堆堆芯16内的裂变反应生成热，其被穿过堆芯的反应堆冷却剂(比如水)吸收。被加热的冷却剂通过热管段20循环至蒸汽发生器22。反应堆冷却剂被反应堆冷却剂泵24通过冷管段26从蒸汽发生器22返回到反应堆14。典型地，压水反应堆至少具有两个并且经常是三个或者四个蒸汽发生器22，每个蒸汽发生器22都通过热管段20被供应加热的冷却剂，热管段20与冷管段26和反应堆冷却剂泵24一起形成初级回路。每个初级回路都将蒸汽供应到涡轮发电机。图1中示出了两个这样的回路。
返回到反应堆14的冷却剂向下流动通过环形的降液管，并且接着向上通过堆芯16。堆芯的反应性以及因此反应堆14的功率输出在短期基础上被控制棒控制，控制棒可选择地插入堆芯中。长期反应性是通过控制中子缓和剂(诸如溶解在冷却剂中的硼)的浓度来调节的。在冷却剂通过整个堆芯循环时，硼浓度的调节贯穿堆芯一致地影响反应性。另一方面，控制棒影响局部反应性，并且因此导致堆芯16内的轴向和径向功率分布的不对称性。通过多个不同的传感器系统监控堆芯16内的状况。这些包括堆芯外传感器系统28，其测量从反应堆14逸出的中子通量。该堆芯外检测器28包括当反应堆停机时使用的源区段检测器、在开启和停机期间使用的中间区段检测器以及当反应堆高于大约5％功率时使用的功率区段检测器。在功率操作期间，通常还采用堆芯内检测器。
本领域技术人员已知，源区段检测器计数率的变化(ΔC)可通过对应的堆芯的变化Keff来识别。在理想的情况下，参考Keff(KR)和Keff的另一状况值(K1)之间的反应性变化与时间t典型地表示为：
已表明，由于反应堆容器内水的密度(p)的变化，反应堆冷却剂系统温度的变化产生测量的源区段检测器响应的变化。通过应用定义为降液管温度衰减因子(DTAF)的校正因子，任何时间的测量的源区段计数率和相应的反应堆冷却剂系统温度(T1)可被校正，以考虑来自参考温度(TR)的变化，其中降液管温度衰减因子(DTAF)通过以下表达式给出：
监控的反应堆冷却剂系统的温度可从冷管段、热管段或者二者的平均获取。R的值是源区段检测器和反应堆容器之间的距离与源区段检测器和堆芯外围的燃料组件之间的有效宏观中子移除截面的函数。R是经验性地在保持堆芯反应性稳定的同时从在不同温度进行的计数率测量确定的，或者是使用标准的中子传输方法分析确定的。如果反应堆容器内的温度是变化的，伴随以堆芯反应性没有相应的明显变化，在温度变化期间将DTAF应用到测量的计数率将有助于保持校正的ΔC(t)基本上恒定。该校正保证反应堆操作者不将由反应堆冷却剂系统温度变化引起的源区段计数率的变化与由反应性变化(诸如当反应堆冷却剂系统硼浓度被改变时可被看到的那些变化)引起的计数率变化混淆。
校正的ΔC(t)的测量值(ΔCC(t))与选择的参考ΔC(ΔCR)的偏差现在是反应性变化正在发生或者已经发生的指示。计数率的该意想不到的变化在图2中作为反应堆冷却剂系统温度的函数被图形化示出。通过以下表达式给出ΔCC(t)的值：
ΔCC(t)DTAF(t)-CR. (2)
测量的源区段检测器信号的过程测量以及固有的随机性质将在每个时间步长(即，采样)引起测量的ΔC的值的波动。这些波动将使采用ΔC(t)来检测小的反应性变化有问题。用于确定从一个计数率测量组至下一个计数率测量组ΔCC的预期随机波动的误差传播技术的应用允许ΔCC的预期随机波动范围(ΔCE)以95％的置信度通过下式确定：
σCR的值是在时间t附近的间隔获取的源区段计数率测量的显著群体的测量平均偏差。C(t)的值是用于确定σCR的数据的平均值。用于确定σCR的计数率测量的数目是操作者可寻址常数，其是获取期望的反应性变化检测灵敏度所需要的σCR的期望的最大值的函数。如果测量的ΔCC(t)在由等式3提供的ΔC的预期范围之外，则操作者可推断出反应性变化正在发生。为了避免假阳性或者假阴性指示，在状态设定为向操作者显示之前，需要使用对在预期范围之外或者之内的多个连续循环的要求。
要求保护的本发明的方法的优选实施例的步骤如下：
(a)获取一组源区段检测器计数率测量；
(b)计算该组的平均值；
(c)计算数据组的平均偏差；
(d)重复步骤(a)、(b)和(c)，直到获取目标平均偏差值；
(e)将来自步骤(d)的平均偏差值作为参考值(CR)，输入报警系统，用于识别硼浓度的不可接受的变化；
(f)获取源区段检测器测量的新数据组，直到新数据组的平均偏差不再大于在步骤(d)处获取的平均值；
(g)计算用于完成步骤(f)的数据组的平均值；
(h)利用与用于计算来自步骤(g)的平均值的计数率和参考计数率对应的平均温度，计算将被应用到步骤(g)的平均值的DTAF的值；
(i)将来自步骤(h)的DTAF乘以来自步骤(g)的平均计数率；
(j)从在步骤(i)处获取的值中减去CR；
(k)确定在步骤(j)中计算的差是否在等式3提供的预期偏差范围之外；
(1)如果来自步骤(j)的差在预期范围之内，则重复步骤(f)至(k)大约10或者更多次(如果差在预期范围之外，则继续到步骤13)；
(m)如果测量的差值中的至少九个在预期范围内，则设定反应性变化状态输出为无报警状态；
(n)重复步骤(f)至(1)大约10或者更多次；
(o)如果从步骤(13)获取的值中的至少九个在预期范围之外，则设定反应性变化状态输出为“是”；以及
(p)重复步骤(f)至(o)直到源区段检测器断电。
在所有的电厂停机反应性变化完成后，新的CR值将会被获取并输入系统。应当理解的是，在步骤(l)和(n)中指定的收集和分析的附加数据的数目是用户可调节的输入。同祥地，在步骤(m)和(o)中提出的用以设定系统的反应性状态而必须在预期范围之内或者之外的测量的差值的数目将取决于期望的结果精度，并且是用户可调节的输入。
虽然已经详细描述了本发明的特定实施例，但是本领域技术人员应当理解，根据公开内容的全部教导，可开发对这些细节的多种修改和替代。因此，所公开的特定的实施例仅是意在说明，而不作为对本发明范围的限制，本发明的范围将被赋予随附权利要求以及其任何和全部的等同物的全部宽度。
Claims (13)
1.一种用于在核电厂停机期间监控作为反应性变化的结果的反应堆冷却剂系统(10)中的硼浓度的变化的方法，所述方法包括如下步骤：
在核电厂停机期间，作为时间的函数监控输出信号，所述输出信号代表位于反应堆容器(18)外部邻近反应堆堆芯(16)的源区段中子检测器(28)的计数率；
作为时间的函数监控反应堆冷却剂系统(10)内的冷却剂的温度；
产生作为监控的温度的函数的补偿信号，当所述补偿信号与所述计数率输出信号结合时，为由冷却剂的温度变化导致的计数率输出信号的基本上任何变化补偿计数率输出信号；
将所述补偿信号应用到所述计数率输出信号，从而获取补偿计数率输出信号；以及
识别所述补偿计数率输出信号中的预选增加，作为冷却剂中硼浓度的变化的指示。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述补偿信号被定义为由下式给出的降液管温度衰减因子DTAF：
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<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>p</mi>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>l</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
<mo>-</mo>
<mi>p</mi>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>R</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>R</mi>
</mrow>
</msup>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中R的值是源区段检测器和反应堆容器之间的距离与源区段检测器和堆芯外围上的燃料组件之间的有效宏观中子移除截面的函数，T1是反应堆冷却剂系统温度，TR是参考温度。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述补偿计数率输出信号(ΔCC(t))与选择的参考ΔC的偏差是反应性变化正在发生或者已经发生的指示，ΔC被定义为ΔCR，并且ΔCC(t)的值通过下式给出：
ΔCc(t)DTAF(t)-CR。
4.如权利要求3所述的方法，其中用于确定从一个监控计数率输出信号组至下一个监控计数率输出信号组ΔCC的预期随机波动的误差传播技术的应用允许ΔCC的预期随机波动范围(ΔCE)基本上表示为：
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;C</mi>
<mi>E</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&Element;</mo>
<mn>0</mn>
<mo>&PlusMinus;</mo>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>&sigma;</mi>
<mrow>
<mi>C</mi>
<mi>R</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>&lsqb;</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<mi>D</mi>
<mi>T</mi>
<mi>A</mi>
<mi>F</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中σCR的值是在时间t附近的间隔中获取的源区段计数率测量的显著群体的测量平均偏差；C(t)的值是用于确定σCR的数据的平均值；并且用于确定σCR的计数率测量的数目是操作者可寻址常数，操作者可寻址常数是获取期望的反应性变化检测敏感度所需要的期望的σCR最大值的函数。
5.如权利要求4所述的方法，所述方法包括如下步骤：
确定ΔC(t)是否在由等式提供的ΔC的预期范围之外，所述等式为
并且
识别出反应性变化正在发生或者已经发生。
6.如权利要求5所述的方法，其中在识别出反应性变化正在发生之前，利用在ΔC的预期范围之外的样本的给定部分确定选择的ΔC(t)的连续样本的数目。
7.如权利要求6所述的方法，其中选择的连续样本的数目大致为10。
8.一种用于在核电厂停机期间监控反应堆冷却剂系统中的硼浓度的变化的方法，所述方法包括如下步骤：
(a)获取一组源区段检测器计数率测量；
(b)计算所述一组源区段检测器计数率测量的平均值；
(c)计算所述一组源区段检测器计数率测量的平均偏差；
(d)重复步骤(a)、(b)和(c)，直到获取目标平均偏差值；
(e)将来自步骤(d)的平均偏差值作为参考值(CR)，输入报警系统，用于识别硼浓度的不可接受的变化；
(f)获取源区段检测器测量的新数据组，直到新数据组的平均偏差不再大于在步骤(d)处获取的平均值；
(g)计算用于完成步骤(f)的数据组的平均值；
(h)产生作为监控的温度的函数的补偿信号，包括：利用与用于计算来自步骤(g)的平均值的计数率以及参考计数率对应的平均温度，计算将被应用到来自步骤(g)的平均值的降液管温度衰减因子DTAF的值，所述补偿信号被定义为DTAF；
(i)将来自步骤(h)的DTAF乘以来自步骤(g)的平均计数率；
(j)从在步骤(i)处获取的值减去CR以得到差值；
(k)确定在步骤(j)中计算的差值是否在预期偏差范围之外；
(l)如果来自步骤(j)的差值在预期偏差范围之内，则以给定的多次重复步骤(f)至(k)；如果所述差值在预期范围之外，则继续步骤(m)；
(m)如果测量的差值的至少给定的多次减X次在预期范围内，则设定反应性变化状态输出为无报警状态；
(n)将步骤(f)至(l)再重复Y次；以及
(o)如果从步骤(n)获取的测量的差值的至少Y减X次在预期范围之外，则设定反应性变化状态输出为报警状态。
9.如权利要求8所述的方法，包括重复步骤(f)至(o)，直到所述源区段检测器断电的步骤。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述给定的多次等于Y。
11.如权利要求10所述的方法，其中Y大约等于10。
12.如权利要求8所述的方法，其中X大约等于1。
13.如权利要求8所述的方法，其中在达到临界之后或者直到所述源区段检测器断电，新的CR值被获取并且输入。
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