CN109256226A - 一种反应堆临界外推监督系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种反应堆临界外推监督系统及方法，属于反应堆技术领域。系统包括两个装载于堆芯中且对称分布的中子源组件，靠近中子源组件设置的第一、第二源量程中子探测器，远离中子源组件设置的第三、第四源量程中子探测器。方法包括在堆芯处于较深次临界状态下，基于第一、第二源量程中子探测器的计数率进行临界安全监督；随着正反应性操作引入堆芯，次临界度不断减小，第三、第四源量程中子探测器具有有效计数率后，基于第一、第二、第三、第四源量程中子探测器的计数率进行临界安全监督；堆芯达到临界状态时，停止向堆芯引入正反应性操作。本发明能有效监督堆芯的临界安全，并能够更为准确地预估堆芯的临界状态，确保反应堆能够安全、可控地达临界。

Description

一种反应堆临界外推监督系统及方法

技术领域

本发明涉及压水堆反应堆技术领域，尤其涉及一种基于堆芯不同方位中子探测器响应开展的反应堆临界外推监督系统及方法。

背景技术

通过堆外探测器计数率的倒数来外推堆芯临界状态（即1/M外推临界）是核电厂达临界期间的重要临界安全监督手段。1/M外推临界的原理基于有源次临界反应堆内的中子倍增公式，即：

（1）

其中，S₀为反应堆内的独立外中子源强，1-K_eff为反应堆的次临界度，S是次临界反应堆内的中子增殖过程稳定后的总中子源强（独立外源+源中子诱发裂变后的裂变中子源强）。

在达临界的过程中，Keff随硼浓度或控制棒的棒位变化，根据反应性变化前后中子计数N的相对变化，利用“相似三角形”外推计算法求出临界外推值，如图1所示。其中：N₀为提棒、稀释前的中子基准计数率（s^-1），H为棒位或累计稀释水量，H_c为外推临界值。

需要指出的是，公式（1）以及基于该公式推导出的1/M外推临界监督原理都是基于点堆模型假设之上的（即将反应堆看成一个没有空间尺度的点），因此尽管从公式（1）出发，可以导出1/M外推曲线是一条严格的直线，但实际情况由于不满足点堆的假设，1/M曲线有可能向上凸或者向下凹（尽管最终外推临界的结果都交汇于同一点），图2给出了实际达临界过程中1/M外推曲线存在畸变的示意图。

对于一个无独立外源的反应堆内的中子通量密度分布规律可以用以下特征值问题加以描述：

（2）

其中，A和F分别为反应堆系统的转移和裂变矩阵， 和 则分别是系统的特征值以及与之对应的特征函数。

从数学上可以证明:公式（2）只有一个特征函数是处处大于零的，该函数从物理上就是该反应堆达到临界状态时系统内稳定的中子通量密度空间分布，该分布也被称为基波特征函数分布，简称基波分布。

对于一个次临界反应堆，由于其自身的中子增殖特性无法使系统内的链式裂变反应过程得以维持，因此必需依靠外加中子源加以驱动。只有在有外源的条件下，次临界反应堆内才有可能维持住一个稳定的中子通量密度分布。该中子通量密度的分布规律可由如下的固定源问题加以描述：

（3）

其中，为独立外源矢量。

方程（2）和方程（3）在数学形式上有本质的差别。在深度次临界条件下，如K_eff≤0.95，根据公式（1）可以得出S与S₀的比值不会超过20，表明独立外中子源在反应堆内中子的输运倍增过程中有着不可忽视的影响，反应堆内中子通量密度的空间分布是由（3）式决定的，越靠近中子源的位置，其中子通量水平就越高，越远离中子源的位置，其中子通量水平就越低。在反应堆不断向临界状态逼近时（如通过控制棒提升、硼稀释），反应堆的次临界度减少，如K_eff≥0.99，则S与S₀的比值将超出100，表明由和裂变产生的中子在反应堆内所有中子中将占有更高的比例，随着反应堆不断逼近临界，反应堆内独立外中子源的影响越来越小，反应堆内中子通量密度的空间分布也逐渐由外源决定的分布过渡到由裂变中子的输运慢化规律决定的空间分布（即由（2）式决定的基波分布），尽管并未将中子源从反应堆内移除。

对于核电厂每循环的首次启动，通常需要在堆芯内布置中子源组件，以确保达临界期间堆外源量程探测器能够获得足够的计数率，满足临界安全监督的要求。图3给出了中子源（图中以“S”表示）在堆内的布置示意图，两个中子源组件为对称布置，并安装在靠近堆外源量程探测器的位置，以期获得更高的中子计数率。图3中的源量程探测器即位于A和B方位，实际达临界过程中将基于A和B方位探测器的计数率进行1/M外推和临界安全监督，这是传统压水堆核电厂的通用方法。

然而基于上述公式（1）、（2）和（3）的分析，可以得知中子源对达临界过程的中子通量分布有重要的影响。当中子源主导堆芯通量分布时，由于中子源的空间效应和探测器空间效应，1/M外推结果无法反映真实的堆芯次临界状态，外推结果将存在偏差。如中子源主导的堆芯通量分布与堆芯达临界的基波分布存在较大差异，则实际达临界过程中1/M外推曲线将会出现明显的畸变，如图2所示。对于新堆的首次启动，该效应可能更为明显：在达临界过程中中子源长期主导堆芯的通量分布，直至堆芯已十分接近临界点，方由链式裂变产生的中子占据主导，且实际达临界的中子通量分布与临界前中子有源主导的通量分布往往存在较大差异，导致1/M外推结果不准确。

由于堆内中子源的存在，一方面确保源量程探测器能获得足够的中子计数率，为堆芯临界状态监督提供了可能，但另一方面也会造成1/M外推临界方法得到的临界预计值存在较大偏差，易造成试验人员对临界点的误判，增大了临界安全风险。因此，有必要开发一种简单、可行的方法，确保堆芯的临界安全状态得到有效监督的前提下，同时能够准确预估堆芯的临界状态，确保反应堆能够安全、可控地达临界。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种既能获得足够中子探测器响应又能尽可能消除堆芯中子通量分布的“空间效应”影响的反应堆临界外推监督系统及方法。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

本发明一种反应堆临界外推监督系统，包括两个装载于堆芯中且对称分布的中子源组件、靠近中子源组件设置的第一源量程中子探测器和第二源量程中子探测器、远离中子源组件设置的第三源量程中子探测器和第四源量程中子探测器；所述第一源量程中子探测器和所述第二源量程中子探测器对称分布于两对称中子源组件所在连线上；所述第三源量程中子探测器和所述第四源量程中子探测器对称分布于两对称中子源组件所在连线的垂线上。

本发明一种反应堆临界外推监督方法，应用于上述反应堆临界外推监督系统，包括：

步骤S01,在堆芯处于较深次临界状态下，基于第一源量程中子探测器和第二源量程中子探测器的计数率进行临界安全监督，判断堆芯下一个状态点是否会意外临界；较深次临界状态为堆芯的有效增值因子K_eff≤0.95的状态；

步骤S02,随着正反应性操作引入堆芯，次临界度不断减小，第三源量程中子探测器和第四源量程中子探测器具有有效计数率后，基于第一源量程中子探测器、第二源量程中子探测器、第三源量程中子探测器、第四源量程中子探测器的计数率进行临界安全监督；

步骤S03，当堆芯达到临界状态时，停止向堆芯引入正反应性操作。

作为优选，步骤S02具体包括：

对比第一源量程中子探测器和第二源量程中子探测器的临界外推曲线，与第三源中子量程探测器和第四源量程中子探测器的临界外推曲线，判断临界外推结果受堆芯中子通量分布空间效应影响的程度，并选择基于受空间效应影响小的探测器计数率得到的临界外推计算结果作为最佳临界外推结果。

作为优选，判断临界外推结果受堆芯中子通量分布空间效应影响的程度是通过第一源量程中子探测器、第二源量程中子探测器、第三源量程中子探测器、第四源量程中子探测器的临界外推曲线的形状来判断。

作为优选，在堆芯向临界过渡的最后阶段，基于第三源量程中子探测器和第四源量程中子探测器的计数率获得临界外推计算结果。

作为优选，步骤S02中向堆芯引入正反应性操作包括提升控制棒、稀释硼浓度。

作为优选，步骤S03具体包括：

步骤S31, 当堆芯即将达到临界状态时，执行临界外推计算，确定预计临界状态点；

步骤S32,当临界外推结果1/M小于0.05时，停止临界外推计算，并监督堆芯临界状态特征参数，停止向堆芯引入正反应性的操作。

本发明具有以下有益效果：

本发明一种反应堆临界外推监督系统及方法，可以很好解决传统压水堆核电厂基于A和B方位探测器计数率的1/M临界外推偏差问题，确保反应堆在向临界过渡的关键阶段可以获得准确的预估临界状态，大大降低了意外临界的风险，针对不同类型、不同燃料装载方案的压水堆核电厂启动均有很好的应用价值。

附图说明

图1为堆芯达临界的1/M理论外推曲线；

图2为堆芯达临界的1/M外推曲线畸变示意图；

图3为本发明一种反应堆临界外推监督系统的示意图；

图4为本发明一种反应堆临界外推监督方法的流程图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

堆芯中装载的中子源组件可以为堆芯启动提供一个初始中子水平，以确保堆外中子探测器能够获得足够响应（图3中A和B方位探测器），为达临界期间的临界安全监督提供可能。但另一方面，由于中子源对堆芯中子通量分布的影响，堆外探测器的响应无法反映堆芯真实的中子增殖情况，由于“空间效应”的存在，基于1/M外推方法无法得出准确的临界外推结果。对于布置有大量可燃毒物的新堆，由于堆芯自发裂变中子水平低，在实际达临界过程中，中子源对堆芯中子通量分布的影响将更为明显和持久，即仅当堆芯已十分接近临界状态点后，堆芯中子通量分布从中子源主导向链式裂变反应中子主导的转变，导致实际的1/M外推曲线出现类似图2的形状。以图2为例，堆芯向临界过渡的前期大部分时间，1/M临界外推结果均比实际值偏大，而在最后阶段计数率才出现明显增大并迅速过渡到临界状态，由于没有足够时间和数据对临界状态进行预估，试验人员极易产生误判而导致意外临界，这对堆芯临界安全监督工作是极为不利的。

为解决这一问题，需要尽可能消除堆芯中子通量分布的“空间效应”影响，即确保堆外中子探测响应能够反映出堆芯真实的次临界增殖情况。如上文所述，堆芯需要通过中子源提供足够的启动计数率，并基于图3中A和B方位的探测器计数率进行临界安全监督。如移除中子源以消除“空间效应”，则堆外探测器将无法获得足够的有效计数率，这对临界安全更为不利。一种更为简单、可行的方法是在远离中子源的堆芯方位安装额外中子探测器，如图3中所示的C和D方位（部分堆型C和D方位自带有源量程中子探测器）。其中，A和B方位探测器在下文定义为第一源量程中子探测器和第二源量程中子探测器；C和D方位探测器在下文定义为第三源量程中子探测器和第四源量程中子探测器。

本发明一种反应堆临界外推监督系统包括两个装载于堆芯中且对称分布的中子源组件S、靠近中子源组件设置的第一源量程中子探测器A和第二源量程中子探测器B、远离中子源组件设置的第三源量程中子探测器和C第四源量程中子探测器D。所述第一源量程中子探测器A和所述第二源量程中子探测器B对称分布于两对称中子源组件S所在连线上。所述第三源量程中子探测器C和所述第四源量程中子探测器D对称分布于两对称中子源组件S所在连线的垂线上。

图4示出了应用于上述系统的反应堆临界外推监督方法。方法包括：

步骤S01,在堆芯处于较深次临界状态下，基于第一源量程中子探测器和第二源量程中子探测器的计数率进行临界安全监督，判断堆芯下一个状态点是否会意外临界。

较深次临界状态为堆芯的有效增值因子K_eff≤0.95的状态，表明需要引入超过5000pcm的反应性才能让堆芯达临界。

意外临界指的是当前时刻/状态预期不会达到临界，但实际上堆芯已经临界，在监督预计之外的临界。

步骤S02,随着正反应性操作引入堆芯，次临界度不断减小，第三源量程中子探测器和第四源量程中子探测器具有有效计数率后，基于第一源量程中子探测器、第二源量程中子探测器、第三源量程中子探测器、第四源量程中子探测器的计数率进行临界安全监督。

步骤S03，当堆芯达到临界状态时，停止向堆芯引入正反应性操作。

具体地，步骤S01中，当堆芯处于较深次临界状态下，由于堆芯中子通量水平较低，第三源量程中子探测器和第四源量程中子探测器无法得到有效计数率，因此仍基于第一源量程中子探测器和第二源量程中子探测器的计数率进行临界安全监督。由于此阶段堆芯距离临界点尚远，没有必要获得准确的临界外推结果，因此无需通过第一源量程中子探测器和第二源量程中子探测器的计数率来计算临界外推结果，只需要判断堆芯在下一个状态点不会临界即可。

步骤S02中，随着正反应性操作引入，如控制棒提升、硼浓度稀释，堆芯的次临界度不断减小，位于第三源中子量程探测器C和第四源量程中子探测器D的将获得有效计数率，此时需要增加基于第三源中子量程探测器C和第四源量程中子探测器D的临界外推监督。通常认为探测器具备稳定的、大于0.5cps的计数率是有效计数率。在次临界度较深的情况下，第三源中子量程探测器C和第四源量程中子探测器D计数率通常小于0.5cps甚至没有计数，且计数率存在较大的波动，因此无法用于外推计算（即临界安全监督）。当前第三源中子量程探测器C和第四源量程中子探测器D计数率稳定大于0.5cps后，则可用于外推计算。

步骤S02具体包括：对比第一源量程中子探测器A和第二源量程中子探测器B的临界外推曲线，与第三源中子量程探测器C和第四源量程中子探测器D的临界外推曲线，判断临界外推结果受堆芯中子通量分布空间效应影响的程度，并选择基于受空间效应影响小的探测器计数率得到的临界外推计算结果作为最佳临界外推结果。

尽管大部分时间段，第三源中子量程探测器C和第四源量程中子探测器D的计数率远低于第一源量程中子探测器A和第二源量程中子探测器B，但由于远离中子源组件的干扰，第三源中子量程探测器C和第四源量程中子探测器D的响应趋势更能真实地反应堆芯次临界增值的情况，其1/M外推结果相较于第一源量程中子探测器A和第二源量程中子探测器B的外推结果更加准确、可信。该阶段的监督目的是为了判断下一个状态点会不会临界，而非获得精确的外推计算值，因此需要基于四个探测器的外推曲线进行综合判断，开展临界安全监督。

其中，判断临界外推结果受堆芯中子通量分布空间效应影响的程度是通过第一源量程中子探测器A、第二源量程中子探测器B、第三源量程中子探测器C、第四源量程中子探测器D的临界外推曲线的形状来判断，如曲线的“外凸”程度来判断临界外推结果受堆芯中子通量分布空间效应影响的程度。

当堆芯进入到向临界过渡的最后阶段（通常Keff接近于0.99），及时获取准确的临界外推结果是反应堆能够安全、可控地达临界的关键，由于第三源量程中子探测器C、第四源量程中子探测器D受“空间效应”的影响较小，其1/M临界外推结果相较于仍受中子源影响的第一源量程中子探测器A、第二源量程中子探测器B更为准确，通过增加第三源量程中子探测器C、第四源量程中子探测器D的临界外推可以大大保障临界过程的安全。在堆芯向临界过渡的最后阶段，基于第三源量程中子探测器和第四源量程中子探测器的计数率执行临界外推计算，能够及时获得更为准确的临界外推结果。

步骤S03具体包括：

步骤S31, 当堆芯即将达到临界状态时，执行临界外推计算，确定预计临界状态点。

步骤S32,当临界外推结果1/M小于0.05时，此时堆芯已十分接近临界，可停止临界外推计算，并加强对堆芯临界状态特征参数的监督，以及时停止向堆芯引入正反应性的操作。

当堆芯即将达临界时，中子源组件对堆芯中子通量分布的影响已大大削弱，此时第一源量程中子探测器A、第二源量程中子探测器B和第三源量程中子探测器C、第四源量程中子探测器D的外推曲线将交汇于同一点，提醒堆芯即将临界；在预计临界状态点已确定、1/M数值小于0.05时，注意对计数率增长趋势、启动率等参数的监督，当自动化监督设备指示有明显的计数率指数增长趋势和稳定的启动率，则可以判定堆芯已达临界并停止向堆芯引入正反应性。

该发明可以很好解决传统压水堆核电厂基第一源量程中子探测器A、第二源量程中子探测器B计数率的1/M临界外推偏差问题，确保反应堆在向临界过渡的关键阶段可以获得准确的预估临界状态，大大降低了意外临界的风险，针对不同类型、不同燃料装载方案的压水堆核电厂启动均有很好的应用价值。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (7)

1.一种反应堆临界外推监督系统，其特征在于，包括两个装载于堆芯中且对称分布的中子源组件、靠近中子源组件设置的第一源量程中子探测器和第二源量程中子探测器、远离中子源组件设置的第三源量程中子探测器和第四源量程中子探测器；所述第一源量程中子探测器和所述第二源量程中子探测器对称分布于两对称中子源组件所在连线上；所述第三源量程中子探测器和所述第四源量程中子探测器对称分布于两对称中子源组件所在连线的垂线上。

2.一种反应堆临界外推监督方法，应用于权利要求1所述反应堆临界外推监督系统，其特征在于，包括：

步骤S01,在堆芯处于较深次临界状态下，基于第一源量程中子探测器和第二源量程中子探测器的计数率进行临界安全监督，判断堆芯下一个状态点是否会意外临界；较深次临界状态为堆芯的有效增值因子K_eff≤0.95的状态；

步骤S02,随着正反应性操作引入堆芯，次临界度不断减小，第三源量程中子探测器和第四源量程中子探测器具有有效计数率后，基于第一源量程中子探测器、第二源量程中子探测器、第三源量程中子探测器、第四源量程中子探测器的计数率进行临界安全监督；

步骤S03，当堆芯达到临界状态时，停止向堆芯引入正反应性操作。

3.根据权利要求2所述的一种反应堆临界外推监督方法，其特征在于，步骤S02具体包括：

对比第一源量程中子探测器和第二源量程中子探测器的临界外推曲线，与第三源中子量程探测器和第四源量程中子探测器的临界外推曲线，判断临界外推结果受堆芯中子通量分布空间效应影响的程度，并选择基于受空间效应影响小的探测器计数率得到的临界外推计算结果作为最佳临界外推结果。

4.根据权利要求3所述的一种反应堆临界外推监督方法，其特征在于，判断临界外推结果受堆芯中子通量分布空间效应影响的程度是通过第一源量程中子探测器、第二源量程中子探测器、第三源量程中子探测器、第四源量程中子探测器的临界外推曲线的形状来判断。

5.根据权利要求3所述的一种反应堆临界外推监督方法，其特征在于，在堆芯向临界过渡的最后阶段，基于第三源量程中子探测器和第四源量程中子探测器的计数率获得临界外推计算结果。

6.根据权利要求2所述的一种反应堆临界外推监督方法，其特征在于，步骤S02中向堆芯引入正反应性操作包括提升控制棒、稀释硼浓度。

7.根据权利要求2所述的一种反应堆临界外推监督方法，其特征在于，步骤S03具体包括：

步骤S31, 当堆芯即将达到临界状态时，执行临界外推计算，确定预计临界状态点；

步骤S32,当临界外推结果1/M小于0.05时，停止临界外推计算，并监督堆芯临界状态特征参数，停止向堆芯引入正反应性的操作。