CN108713229A - 利用超声光谱系统的实时反应堆冷却系统硼浓度监测器 - Google Patents

利用超声光谱系统的实时反应堆冷却系统硼浓度监测器 Download PDF

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Abstract

本申请涉及用于对进入核反应堆冷却剂系统内的水中的硼浓度进行实时连续测量的方法和系统。本发明利用了液态水中含有的硼对声波或超声波衰减的影响的知识。该信息与具有抗辐射损坏性和高温可操作性的发送器和接收器设备相结合提供了将测量系统传感器和信号处理电子器件放置在反应堆冷却剂系统充液流动管道或反应堆冷却剂回路的热管段或冷管段上的方式。这将允许反应堆操作员直接不仅监测反应堆冷却剂系统硼浓度值而且检测反应堆冷却剂系统硼浓度相对于参考值的变化。

Description

利用超声光谱系统的实时反应堆冷却系统硼浓度监测器
技术领域
本发明整体涉及轻水核反应堆，尤其涉及一种用于实时监测反应堆冷却剂内硼浓度的仪表系统。
背景技术
用处于压力下的水冷却的核反应堆发电系统的一次侧包括闭合回路，该闭合回路被隔离并且与二次侧成热交换关系以产生有用能量。一次侧包括：反应器容器，所述反应器容器包封堆芯内部结构，该堆芯内部结构支撑包含裂变材料的多个燃料组件；热交换蒸汽发生器内的一次回路；加压器的内部容积；用于循环加压水的泵和管道，所述管道将每个蒸汽发生器和泵独立地连接到反应堆容器。包括蒸汽发生器、泵和连接到容器的管道系统的一次侧的各部件形成一次侧的回路。
为了说明的目的，图1示出了一种简化的核反应堆一次系统，其包括大体圆柱形的反应堆压力容器10，所述容器10具有封闭头12(也在图2中示出)，所述封闭头12包封堆芯14。液体反应堆冷却剂(例如水)通过泵16被泵送通过堆芯14进入到容器10中，在所述堆芯14处，热能被吸收，并且热能被排放到热交换器18，所述热交换器18通常被称为蒸汽发生器，在所述蒸汽发生器中热量被传递到应用回路(未示出)，所述应用回路诸如为蒸汽驱动的涡轮发电机。然后，反应堆冷却剂返回到泵16，从而完成一次回路。通常，多个上述回路通过反应堆冷却剂管道20连接到单个反应堆容器10。这些回路中的至少一个通常包括通过充液管路21连接到反应堆冷却剂回路管道20的加压器19。
在图2中更详细地示出了示例性反应器设计。除了由平行的竖直且共同延伸的燃料组件22组成的多个堆芯14之外，为了说明的目的，其他容器内部结构可以被分成下内部构件24和上内部构件26。在传统设计中，下内部构件的功能是支撑、对齐和引导堆芯部件和仪器以及引导容器内的流动。上内部构件限制或提供燃料组件22的辅助约束(为了简化，在该图中仅示出其中两个)以及支撑和引导仪器和部件(诸如控制杆28)。在如图2所示的示例性反应堆中，冷却剂通过一个或多个入口喷嘴30进入反应堆容器10，向下流过容器和堆芯筒32之间的环形空间，在下气腔34中转向180度，向上通过下支撑板37和下堆芯板36且穿过并围绕燃料组件22，所述燃料组件22安放在下堆芯板上。在一些设计中，下支撑板37和下堆芯板36由与下支撑板37处于相同高度的单结构式的下堆芯支撑板替代。流过堆芯14和周围区域38的冷却剂通常以每秒大约20英尺的速度为大约400,000加仑/分钟这么大。由此产生的压力下降和摩擦力倾向于使燃料组件上升，这种运动由上内部构件26限制，所述上内部构件26包括圆形上堆芯板40。离开堆芯14的冷却剂沿着上堆芯板40的下侧流动并且向上流动通过多个穿孔42。然后，冷却剂向上和径向流动到一个或多个出口喷嘴44。
上内部构件26可以由容器10或容器头部12支撑并且包括上支撑组件46。主要通过多个支撑柱48在上支撑组件46和上堆芯板40之间传递负载。支撑柱在选定的燃料组件22和上堆芯板40中的穿孔42上方对齐。
可直线移动的控制杆28通常包括驱动杆50而且包括中子毒杆28的星形组件52，所述中子毒杆28通过控制杆引导管54被引导穿过上内部构件26并进入对准的燃料组件22中。引导管被固定地连接到上支撑组件46并连接到上堆芯板40的顶部。通过在堆芯内的燃料组件内将中子毒杆插入到导向套管内以及从导向套管内取出中子毒杆，控制杆调节堆芯内核反应的程度。溶解在反应堆冷却水中的硼也用来控制核反应，并且实现较之控制杆反应性更加渐进的变化。
目前没有直接的方法来连续测量反应堆冷却剂系统中的硼浓度。当前的测量依赖于从反应堆冷却剂系统的水龙头中抽取的样品，这些水龙头具有从反应堆安全壳内部到位于辅助建筑物内的化学分析办公室的管道。该方法导致在抽取的样品中测量的硼浓度与反应堆冷却剂系统硼浓度稀释和沸腾瞬态条件期间的当前反应堆冷却剂系统硼浓度之间的显著时间滞后。这需要通过利用反应堆中子通量水平的变化经由反应堆反应性的变化来监测反应堆冷却剂系统硼的不受控制的变化。该方法通常直到已经发生显著的反应性变化才能检测到堆芯反应性变化。这种情况已经导致许多不利的“反应性管理”操作事件，所述“反应性管理”操作事件与导致不受控制的堆芯反应性变化的反应堆冷却剂系统硼浓度的无意改变相关联。
还需要监测反应堆冷却剂系统的硼浓度，以确保在反应堆停机时保持反应堆停堆裕度。在操作期间需要硼浓度值以确保反应器的行为符合设计预期。管理反应堆冷却剂系统硼浓度变化以补偿运行期间的燃料消耗还需要关于反应堆冷却剂系统硼浓度的值和变化的详细信息。每天要求反应堆冷却剂系统硼稀释以补偿燃料消耗。确保所期望的反应堆冷却剂系统硼浓度正在发生变化或已经发生，这受到当前反应堆冷却剂系统硼浓度测量过程引起的时间滞后的影响。所需稀释量的误差仅在它们已经发生后才被检测到。
本说明书中描述的方法难以使用常规可获得的技术在上述位置中使用，原因在于：当N-16流过或靠近反应堆堆芯时由水中的氧产生的N-16衰变产生辐射场。辐射场降低了数字化和无线发送传感器读数所需的电子器件的可靠性。由于流过管道的水的温度超过用于产生和测量超声波辐射的典型压电材料的居里点，因此也增加了难度。
发明内容
本发明通过使用利用真空微电子装置技术的电子器件、发送器和信号测量装置消除了上述问题，允许这些装置的关键特征被具有基本上不受辐射损伤和非常高温度影响的性能特征的微型真空管技术取代。在题目为“无线芯内中子监视器”的美国专利No.8,767,903中公开了真空微电子装置无线发送器技术的应用。
因此，根据本发明的广义构思，提供了一种硼浓度监测器，其用于实时测量为核反应堆的一次回路服务的管道内的冷却剂的硼浓度。硼浓度监测系统包括声发送器，该声发送器声耦接到管道或通过管道，其可操作以基本上通过管道的内部发送声信号。声接收器被支撑在管道外周周围与声发送器隔开的位置处，用于接收来自发送器的声信号。通信机构与声发送器和声接收器电连通，并且被构造成将所发送的声信号和所接收的声信号传送到远程位置。分析器与远程位置通信，并被构造成从通信机构接收所接收的声信号和所发送的声信号，并将所接收的声信号和所发送的声信号进行比较且根据比较确定管道内的硼浓度。
在硼浓度监测器的一个实施例中，分析器将信号比较与标准进行比较以确定管道中的硼浓度。优选地，声发送器和声接收器彼此间隔开已知线性距离，并且通过实验确定在多个已知硼浓度下在已知线性距离上含水溶液中的声信号的衰减来建立所述标准。
在另一实施例中，通信机构包括耦合到声发送器和声接收器的无线发送器。无线发送器被构造为将所发送的声信号和所接收的声信号无线地发送到远程位置。在后一实施例中，通信机构还包括无线接收器，该无线接收器被构造为在远程位置接收无线发送的声信号和所接收的声信号，并将所发送的声信号和所接收的声信号传输到分析器。在后一实施例的一种构造中，声发送器、声接收器和无线发送器由热电发生器供电，该热电发生器具有与管道热连通的热接点和与周围环境热连通的冷接点。在后一实施例的一种布置中，热接点通过热管与管道热连通。优选地，无线发送器包括分别连接到声发送器和声接收器的两个单独的无线发送器。
在又一个实施例中，声发送器和声接收器被支撑在围绕管道外周的基本直径上相对的位置处。优选地，声发送器和声接收器采用一个或多个真空微电子装置，并且，理想地，那些真空微电子装置是真空微电子装置。在这种布置中，理想地，发送器采用一个或多个真空微电子装置。
在另一个实施例中，声接收器是超声波能量测量传感器。在每个前述实施例中，管道可以是与一次回路流体连通或者与核反应堆的一次回路的热管段或冷管段流体连通的充液管线。前述实施例中的每一个还可以包括温度传感器，该温度传感器用于确定在声发送器和声接收器的位置处在管道中流动的水的温度，该温度传感器通过通信机构将表示温度的信号发送到分析器，所述分析器根据温度确定硼浓度。硼浓度监测器还可以包括压力传感器，该压力传感器用于确定在声发送器和声接收器的位置处在管道中流动的水的压力，该压力传感器通过通信机构将表示冷却剂压力的信号发送到分析器，所述分析器根据温度和压力确定硼浓度。
附图说明
当结合附图阅读时，从优选实施例的下述描述中可以获得对本发明的进一步理解，在所述附图中：
图1是可应用本发明的核反应堆系统的简化示意图；
图2是可以应用本发明的核反应堆容器和内部部件的局部剖正面图；和
图3是以方框形式示出了本发明的一个实施例的示例性反应器系统管道以及各装置的横截面示意图。
具体实施例
图3中示出了本发明的优选实施例。该系统包括与无线发送器60、62耦合的一对或多对超声波发送器56和超声波能量测量传感器或接收器58，所述无线发送器60、62传播表示所发送和所接收的超声能量的强度的信号。超声波发送器56和接收器58直接耦接到容纳流体的管道的表面。无线信号发送器60、62位于围绕管道66的绝缘体64上。超声波发送器56和无线信号发送器60、62所需的动力72经由一个或多个热电发生器68产生，所述热电发生器68具有连接到穿过围绕管道66的绝缘体64的热管70的热接点和位于管道66上的绝缘体64的外表面上或外表面上方的冷接点。可替代地，应该意识到的是，热电发生器68的热接点可以直接连接到管道66。选择所使用的发送频率以优化系统测量且检测硼浓度变化的能力。该系统的一个实施例可用于跟踪整体温度校正的发送信号强度的变化并将强度变化转换为硼浓度相对于使用当前方法由当前硼浓度滴定测量值建立的周期性手动更新参考值的变化。
该系统可以安装在反应堆冷却剂系统热管段或冷管段的管道上或者安装在提供流入反应堆冷却剂系统的充注管线上。可替代实施例是将硬件安装在加压器喘振管路21上。传感器、信号处理和发送电子设备的优选实施例利用基于真空微电子设备的电子器件和材料。这种称为SSVD的装置可从Innosys Inc.，Salt Lake City，UT商购获得。可以在美国专利No.7,005,783中找到这种装置的示例。可替代实施例是使用较少的辐射和耐温材料并且需要增加所需的维护周期。另一个实施例将允许使用电力和/或信号电缆来提供发送器动力或接收发送器和接收器输出数据。使用本领域技术人员公知的技术对测量的信号进行滤波以去除分析器74中的电子噪声，从而满足用户定义的精度要求。
开发反应堆冷却剂系统中的硼浓度与所发送的声学或超声能量的衰减之间的相关性所需的参数的示例包含在2010年11月的International Journal of ComputerApplications中的TB Mohite-Patil等人的题为“Modeling of Acoustic WaveAbsorption in Ocean(海洋中声波吸收建模)”的文章中：
由于硼酸的吸收系数
P1＝1,
其中，c是由以下给出的声速(m/s)
c＝1412+3.21T+1.19S+0.0167D,
T是温度(℃)
θ＝273+T,
S是盐度(‰)，D是深度(m)。
通过求解液体的pH关系并使用水溶液中硼的已知性质将pH信息转换成硼浓度来获得液体中的硼浓度。可以由现有传感器确定温度和压力(深度)信息。盐度(S)基于已知的水性质确定。选择所使用的频率以优化测量和检测硼浓度变化的能力。因此，可以通过将在通过冷却剂的已知行进路径上的发送信号的衰减与标准进行比较来确定硼浓度，在通过具有由常规化学分析确定的浓度的水溶液中的多个不同硼浓度的已知行进路径上的类声信号获得所述标准。可替代地，在已知冷却剂的压力和温度的情况下，可以从上述数学相关性的计算机数学分析中获得硼浓度的实时读数。
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将意识到的是，可以根据本公开的总体教导开发对那些细节的各种修改和改变。因此，所公开的特定实施例仅仅是说明性并不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求及其任何和所有等效方案的全部范围给出。

Claims (20)

1.一种硼浓度监测器，所述硼浓度监测器用于实时测量为核反应堆的一次回路(20)服务的管道内的冷却剂的硼浓度，所述硼浓度监测器包括：
声发送器(56)，所述声发送器声学耦接到或通过所述管道(20)并且能够操作以基本上通过所述管道的内部发送声信号；
声接收器(58)，所述声接收器在所述管道的外周支撑在与所述声发送器(56)间隔开的一位置处，用于接收所述声信号；
通信机构(60，62)，所述通信机构与所述声发送器(56)和所述声接收器(58)电连通并构造成将所发送的声信号和所接收的声信号传送到远程位置；和
分析器(74)，所述分析器构造成与所述远程位置通信，并且构造成从所述通信机构(60，62)接收所接收的声信号和所发送的声信号，并且比较所接收的声信号和所发送的声信号，而且根据所述比较确定所述管道(20)内的所述硼浓度。
2.根据权利要求1所述的硼浓度监测器，其中，所述分析器(74)将信号比较与标准进行比较，以确定所述管道中的所述硼浓度。
3.根据权利要求2所述的硼浓度监测器，其中，所述声发送器(56)和所述声接收器(58)相互间隔开已知线性距离，并且通过实验确定在多个已知硼浓度条件下在已知线性距离上的含硼砂水溶液中的声信号的衰减来建立所述标准。
4.根据权利要求1所述的硼浓度监测器，其中所述通信机构(60，62)包括：
无线发送器(60，62)，所述无线发送器耦接到所述声发送器(56)和所述声接收器(58)，并且所述无线发送器构造成将所发送的声信号和所接收的声信号无线发送到所述远程位置；和
无线接收器，所述无线接收器构造成接收无线发送的声信号和所接收的声信号并且将所发送的声信号和所接收的声信号传输到所述远程位置处的所述分析器(74)。
5.根据权利要求4所述的硼浓度监测器，其中，所述声发送器(56)、所述声接收器(58)和所述无线发送器(60，62)由热电发生器(68)供电，所述热电发生器(68)具有与所述管道(20)热连通的热接点和与周围环境热连通的冷接点。
6.根据权利要求5所述的硼浓度监测器，其中，所述热接点通过热管(70)与所述管道(20)热连通。
7.根据权利要求4所述的硼浓度监测器，其中，所述无线发送器包括分别连接到所述声发送器(56)和所述声接收器(58)的两个单独的无线发送器(60，62)。
8.根据权利要求1所述的硼浓度监测器，其中，所述声发送器(56)和所述声接收器(58)被支撑在围绕管道(20)的外周的基本直径上相对的位置。
9.根据权利要求1所述的硼浓度监测器，其中，所述声发送器(56)和所述声接收器(58)采用一个或多个真空微电子设备。
10.根据权利要求9所述的硼浓度监测器，其中，所述固态真空装置是真空微电子设备。
11.根据权利要求4所述的硼浓度监测器，其中，所述无线发送器(60，62)采用一个或多个真空微电子设备。
12.根据权利要求11所述的硼浓度监测器，其中，所述固态真空装置是真空微电子设备。
13.根据权利要求1所述的硼浓度监测器，其中，所述声接收器(58)是超声能量测量传感器。
14.根据权利要求1所述的硼浓度监测器，其中，所述管道(21)是与所述一次回路(20)流体连通的充注管线。
15.根据权利要求1所述的硼浓度监测器，其中，所述管道(20)是所述核反应堆的所述一次回路的热管段或冷管段。
16.根据权利要求1所述的硼浓度监测器，所述硼浓度监测器包括温度传感器，所述温度传感器用于确定在所述声发送器(56)和所述声接收器(58)的位置处在所述管道(20)中流动的水的温度，并且通过所述通信机构(60，62)将表示所述温度的信号传送到所述分析器(74)，所述分析器根据温度确定所述硼浓度。
17.根据权利要求14所述的硼浓度监测器，所述硼浓度监测器包括压力传感器，所述压力传感器用于确定在所述声发送器(56)和所述声接收器(58)的位置处在所述管道(20)中流动的水的压力，并且通过所述通信机构(60，62)将表示所述压力的信号传送到所述分析器(74)，所述分析器根据温度和压力确定所述硼浓度。
18.一种实时监测含硼水溶液中的硼浓度的方法，所述方法包括以下步骤：
将声信号发送通过所述含硼水溶液；
在所发送的声信号已经通过至少一部分所述含硼水溶液之后，在构造成在发送所述声信号的发送器(56)和构造成接收所发送的声信号的接收器(58)之间的已知距离处接收所述所发送的声信号；
将所接收的声信号与所发送的声信号进行比较，以确定通过所述含硼水溶液的所发送的声信号的衰减；以及
根据所发送的声信号的衰减来确定所述硼浓度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，确定步骤将所述衰减与标准比较，所述标准通过化学分析所述含硼水溶液中的多种不同浓度的硼并且测量所述多种不同浓度的硼中的每一种中的已知距离上的衰减获得。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，确定步骤包括：
在发送所述声信号时获得所述冷却剂的压力和温度；和
使用所述衰减、所述温度和所述压力以数学方式实时确定所述硼浓度。
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