CN109767854B - 一种基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统，反应堆功率反演子系统用于获取反应堆周围区域中子测量值，堆外探测器子系统根据实时监测需要，改变探测器的个数、位置与探测方向；在线解谱子系统从堆外探测器子系统接收测量数据，并通过在线解谱方法，计算出探测器位置处的中子能谱，然后将每个探测位置能谱数据传入反应堆功率反演子系统；反应堆功率反演子系统通过堆外探测器处能谱数据计算出反应堆内不同空间位置处的中子能谱。本发明可以仅依赖堆外探测器，快速获得反应堆内中子在不同空间、能量分区内的分布情况，可应用于先进反应堆，如次临界驱动反应堆、聚变驱动反应堆、快中子堆的监测、诊断和分析中。
Description
技术领域
本发明涉及反应堆内中子能谱测算技术领域，尤其涉及一种基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统。
背景技术
中子能谱的测量与反应堆的安全性能和经济性能息息相关，中子能谱测量对燃料性能研究、屏蔽分析和材料活化研究至关重要，比如在次临界堆中，中子能谱对乏燃料嬗变效率影响显著，同时对精确计算功率分布具有重要意义。
早期的压水堆通常采用的移动式探测器，由于堆芯内部服役环境恶劣，无法实现堆内功率长期实时监测。目前，有能够在堆芯内长期服役的自给能探测器，不过需要在高功率的运行下才存在较好的响应。对于球床式高温气冷堆，由于堆芯的高温和流动的球床，很难在堆芯中安装中子测量探头，因此无法直接测量堆内功率分布。对于小型实验堆，由于其堆芯尺寸有限，因此无法在堆芯内布置探测器，堆芯内功率无法长期进行实时监测。综上所述，利用堆外探测器进行中子通量场探测/反演具有重要的意义。
现有堆外探测器堆芯中子通量场探测方法分为两类，一类可利用堆外探测器序列的数值，结合堆内测量获得的反应堆功率转换矩阵实时获得堆芯功率分布，另一类通过扫描准直探测器扫描堆芯获得堆芯功率二维分布。现有方法仅能够用于观测反应堆通量/功率分布，不考虑再进一步反演出中子能量分布。
据此，目前急需一种可进一步反演堆芯中子通量在不同位置不同能量分区的分布(即中子能谱)的基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统，对于先进反应堆有较强的实用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供种可进一步反演堆芯中子通量在不同位置不同能量分区的分布(即中子能谱)的基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统，包括反应堆功率反演子系统、在线解谱子系统与堆外探测器子系统；
所述反应堆功率反演子系统用于获取反应堆周围区域中子测量值，堆外探测器子系统根据实时监测需要，改变探测器的个数、位置与探测方向；
所述在线解谱子系统从堆外探测器子系统接收测量数据，并通过在线解谱方法，计算出探测器位置处的中子能谱，然后将每个探测位置能谱数据传入反应堆功率反演子系统；
所述反应堆功率反演子系统通过堆外探测器处能谱数据计算出反应堆内不同空间位置处的中子能谱。
作为本发明的优选方式之一，所述反应堆功率反演子系统为基于能谱分群响应矩阵的堆芯中子能谱反演方法的反应堆功率反演子系统。
作为本发明的优选方式之一，所述基于能谱分群响应矩阵的堆芯中子能谱反演方法的反应堆功率反演子系统包括以下步骤：
S1、建立反应堆包含反应堆结构材料、核燃料的中子输运模型M，输入入希望分析的中子确定的中子能量分区{e1,…,eE}，根据反应堆构造和特性，将反应堆分成R个空间分区形成空间分区集合为{a1,…,aR}，形成共计N＝E*R个空间能量分区，记各空间能量分区的中子通量为{φ1,…,φi…,φN}，其中能谱结构的划分可根据事先计算获得的不同区域间能谱变化情况，按通量变化程度将感兴趣的能量范围划分为E段；
S2、建立D个不同位置的探测器模型，计数分别记为{f1，...，fj...，fD}，进行中子输运计算，统计各空间能量分区的中子通量φi对探测器计数fi的贡献cj，i，形成能谱分群响应矩阵
S3、将总响应矩阵
按E个能段进行拆分，得到E个系数矩阵
每个系数矩阵表示R个空间分区内，某个能段中子对每个探测器的计数贡献概率；获得所有中子探测器的测量值共D1个{t1，...，tj...，tD}，组成测量结果矩阵
设某个能段中子在空间R的分布值为
联立E个：
构建最终的求解线性方程组；
S4、选取优化算法，将反应堆内功率分布规律作为约束条件和构建训练集，求解步骤三中方程组，得到R个空间分区内的中子能谱和中子通量。
作为本发明的优选方式之一，在所述步骤S1中：空间分区按照通量、能谱变化剧烈程度进行划分，使每个分区内中子通量与能谱变化低于一定的阈值。
作为本发明的优选方式之一，在计算之初，需设置足够多的探测器以保证能谱分区响应矩阵足够大的规模，但是在获得能谱分群响应矩阵后，可通过分析该矩阵，获得探测器向量的主成份，以删减探测器，获得优化精简后的探测器布置，设还剩下D1个探测器，所述步骤S2中获得能谱分群响应矩阵的具体流程为：
A1：在中子输运模型M中根据D1个探测器的探测器效率与中子能量关系添加代表D1个探测器的探测器计数；将中子输运模型复制N份，根据N个空间、能量分区，在不同的输运计算文件中，分别设置N个中子源，其中每个中子源对应一个空间能量分区的中子，最终形成N个中子输运计算模型；
A2：通过中子输运计算，计算N个中子输运计算模型各计数器对单位源强的响应计数，即各分区单位中子对各探测器计数的贡献概率，构成能谱分群响应矩阵的第i列，即
整合计算结果形成能谱分群响应矩阵
作为本发明的优选方式之一，所述步骤S4中的优化算法具体为遗传算法和神经网络算法中的一种。
作为本发明的优选方式之一，所述堆外探测器子系统可以为238U电离室、235U电离室、包镉的涂硼电离室和反冲质子探测器中的至少一种。
本发明相比现有技术的优点在于：现有方法多针对堆芯中子能谱一致的情况下的堆芯功率反演方法，本发明的测量系统，可在控制探测器数量并满足设计空间要求的前提下进一步反演堆芯含能量分布的中子通量场，对于需要测量堆芯中子能量分布的先进反应堆有较强的实用价值。
附图说明
图1是实施例中于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统结构示意图；
图2是实施例中反应堆周围探测器摆放以及反演中子通量场示意图；
图3是实施例中的堆芯分区域能谱分布情况以及基于能谱分布的能谱分区示意图；
图4是实施例中的堆芯通量径向、轴向分布情况示意图；
图5是实施例中基于通量分布和能谱分布的空间分区示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
参见图1：本实施例的一种基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统，包括反应堆功率反演子系统、在线解谱子系统与堆外探测器子系统；
所述反应堆功率反演子系统用于获取反应堆周围区域中子测量值，堆外探测器子系统根据实时监测需要，改变探测器的个数、位置与探测方向；
所述在线解谱子系统从堆外探测器子系统接收测量数据，并通过在线解谱方法，计算出探测器位置处的中子能谱，然后将每个探测位置能谱数据传入反应堆功率反演子系统；
所述反应堆功率反演子系统通过堆外探测器处能谱数据计算出反应堆内不同空间位置处的中子能谱。
实施例2
本实施例的一种基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统，其结构与实施例1基本相同，主要不同之处在于：所述反应堆功率反演子系统为基于能谱分群响应矩阵的堆芯中子能谱反演方法的反应堆功率反演子系统，所述基于能谱分群响应矩阵的堆芯中子能谱反演方法的反应堆功率反演子系统包括以下步骤：
S1、建立反应堆包含反应堆结构材料、核燃料的中子输运模型M，输入希望分析的中子确定的中子能量分区{e1,…,eE}，根据反应堆构造和特性，将反应堆分成R个空间分区形成空间分区集合为{a1，…,aR}，形成共计N＝E*R个空间能量分区，记各空间能量分区的中子通量为{φ1,…,φi…,φN}，其中能谱结构的划分可根据事先计算获得的不同区域间能谱变化情况，按通量变化程度将感兴趣的能量范围划分为E段，空间分区按照通量、能谱变化剧烈程度进行划分，使每个分区内中子通量与能谱变化低于一定的阈值；
S2、建立D个不同位置的探测器模型，计数分别记为{f1，...，fj...，fD}，进行中子输运计算，统计各空间能量分区的中子通量φi对探测器计数fj的贡献cj，i，形成能谱分群响应矩阵
在计算之初，需设置足够多的探测器以保证能谱分区响应矩阵足够大的规模，但是在获得能谱分群响应矩阵后，可通过分析该矩阵，获得探测器向量的主成份，以删减探测器，获得优化精简后的探测器布置，设还剩下D1个探测器，所述步骤S2中获得能谱分群响应矩阵的具体流程为：
A1：在中子输运模型M中根据D1个探测器的探测器效率与中子能量关系添加代表D1个探测器的探测器计数；将中子输运模型复制N份，根据N个空间、能量分区，在不同的输运计算文件中，分别设置N个中子源，其中每个中子源对应一个空间能量分区的中子，最终形成N个中子输运计算模型；
A2：执行N次中子输运计算，计算N个中子输运计算模型各计数器对单位源强的响应计数，即各分区单位中子对各探测器计数的贡献概率，构成能谱分群响应矩阵的第i列，即
整合计算结果形成能谱分群响应矩阵
S3、将总响应矩阵
按E个能段进行拆分，得到E个系数矩阵
每个系数矩阵表示R个空间分区内，某个能段中子对每个探测器的计数贡献概率；获得所有中子探测器的测量值共D1个{t1，…，tj…，tD}，组成测量结果矩阵
设某个能段中子在空间R的分布值为
联立E个：
构建最终的求解线性方程组；
S4、选取优化算法，将反应堆内功率分布规律作为约束条件，并选取输运计算求解的中子通量分布特征为优化目标，求解步骤三中欠定方程组，得到相对最优的中子能谱分布解。
优选的，所述步骤S4中的优化算法可以为遗传算法。
进一步的，所述堆外探测器子系统可以为238U电离室、235U电离室、包镉的涂硼电离室和反冲质子探测器中的至少一种。
实施例3
本实施例以次临界驱动反应堆的含能中子通量场反演为例，对本发明作整体的说明：
如图2所示，在反应堆堆芯外围布置三到四组多阈值探测器，并添加相应的驱动机构，构建可以在一定范围内移动的堆外探测器子系统，例如可以分别是238U电离室、235U电离室、包镉的涂硼电离室和反冲质子探测器；从而可以获得堆外不同区域不同能量阈值的测量值；
将测量值传递到在线解谱子系统，通过不同阈值探测器的测量值的比值关系构建预置谱,结合领域内已有的少道解谱方法，实现探测器位置中子能谱的测量；
将获取的能谱数据，传递到最后的反应堆功率反演子系统中，例如，对于具体的反应堆，其能谱在典型位置的分布如图3所示，其通量径向及轴向分布如图4所示，可以按照以下步骤完成堆内中子能谱的计算：
步骤一、根据能谱典型位置的分布曲线如图4，将中子场划分为四个能量区间，其范围分别为：[1E-8MeV,1E-4MeV]、(1E-4MeV,1E-2MeV]、(1E-2MeV，8MeV]和(8MeV,200MeV]。根据通量分布图4，结合能谱变化趋势，如图5将空间按径向分为4层，轴向分为6层共计24个空间分区，能量与空间共计96个分区。此外建立对应图中反应堆外展至探测器位置的中子输运模型；
步骤二、已建立的中子输运模型、空间能谱分区，在反应堆堆芯位置设置固定源，随机选择24个区，各区放置4个不同能量阈值共96个探测器。基于蒙特卡罗中子输运程序执行中子输运计算，对96个探测器分别统计各分区对其计数的贡献，即9216个贡献权重项。为缓解对9216个计数项的计算收敛所需海量粒子数的计算压力，对采用CADIS方法，以这些计数项为优化目标进行权窗生成和迭代计算，获得最终贡献值计算结果{C1,…,C9216}，即获得能谱分群响应矩阵:
基于矩阵C,通过列之间的相关性检验，删除C中相关的列(同时删除对应的探测器)，保留不相关的列，即可以真实布置探测器的位置，结合堆外探测器子系统和被探测反应堆的真实情况，选择一组可以切实可行的堆外探测器布置方案；含并获得最终的堆芯分区对实际探测器的能谱分群响应矩阵CR；
步骤三、在反应堆运行时，进行实际测量获得各中子探测器的测量值{m1,…,mn}，其中n为真实布置的探测器数量；
步骤四、选取遗传算法求解能谱，步骤如下：
输入参数G、M、O，G为遗传算法迭代过程的每代种群数量，M指每代保留精英样本的数量，O为候选样本的数量用于最终正向输运确认。
设置参数G＝10000、M＝5000、O＝10，设置各计数器偏差小于测量值1％为满足测量要求：
步骤A、通过中子输运计算，根据反应堆初始配置和通过主回路进出口温度、流量获得的反应堆总功率，计算一组反应堆内各空间能量分区的中子通量
对其施加随机微扰，形成一组分区分能段中子通量向量集合
步骤B、对子通量向量集合
中每个向量，使用能谱分群响应矩阵快速获得其对应的探测器计数向量集合
获得各通量向量对应的计数向量与真实计数器计数向量差距，如果种群中含有距离符合标准要求的向量，则转到步骤C，否则取距离最小的5000个通量向量通过交叉算子操作生成新的5000个通量向量，并对此5000个通量向量施加变异算子产生5000个新通量向量，形成下一代含G个通量向量的新种群，转到本步骤开头继续进行迭代。
步骤C、对于已获得的通量向量集合的前10个，基于正向中子输运计算获得其对应的计数值，取这10个通量向量中能够得到最接近实测计数值的通量向量作为最后的解输出。
本发明可以仅依赖堆外探测器，快速获得反应堆内中子在不同空间、能量分区内的分布情况，可应用于先进反应堆，如次临界驱动反应堆、聚变驱动反应堆、快中子堆的监测、诊断和分析中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统，其特征在于，包括反应堆功率反演子系统、在线解谱子系统与堆外探测器子系统；
所述反应堆功率反演子系统用于获取反应堆周围区域中子测量值，堆外探测器子系统根据实时监测需要，改变探测器的个数、位置与探测方向；
所述在线解谱子系统从堆外探测器子系统接收测量数据，并通过在线解谱方法，计算出探测器位置处的中子能谱，然后将每个探测位置能谱数据传入反应堆功率反演子系统；
所述反应堆功率反演子系统通过堆外探测器处能谱数据计算出反应堆内不同空间位置处的中子能谱，所述反应堆功率反演子系统为基于能谱分群响应矩阵的堆芯中子能谱反演方法的反应堆功率反演子系统，所述基于能谱分群响应矩阵的堆芯中子能谱反演方法的反应堆功率反演子系统包括以下步骤：
S1、建立反应堆包含反应堆结构材料、核燃料的中子输运模型M，输入希望分析的中子确定的中子能量分区{e1，...，eE}，根据反应堆构造和特性，将反应堆分成R个空间分区形成空间分区集合为{a1，...，aR}，形成共计N＝E*R个空间能量分区，记各空间能量分区的中子通量为{φ1，...，φi...，φN}，其中能谱结构的划分可根据事先计算获得的不同区域间能谱变化情况，按通量变化程度将感兴趣的能量范围划分为E段；
S2、建立D个不同位置的探测器模型，计数分别记为{f1，...，fj...，fD}，进行中子输运计算，统计各空间能量分区的中子通量φi对探测器计数fj的贡献cj，i，形成能谱分群响应矩阵
S3、将总响应矩阵
按E个能段进行拆分，得到E个系数矩阵
每个系数矩阵表示R个空间分区内，某个能段中子对每个探测器的计数贡献概率；获得所有中子探测器的测量值共D1个{t1，...，tj...，tD}，组成测量结果矩阵
设某个能段中子在空间R的分布值为
联立E个：
构建最终的求解方程组；
S4、选取优化算法，将反应堆内功率分布规律作为约束条件和构建训练集，求解步骤三中方程组，得到R个空间分区内的中子能谱和中子通量。
2.根据权利要求1所述的基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统，其特征在于，在所述步骤S1中：空间分区按照通量、能谱变化剧烈程度进行划分，使每个分区内中子通量与能谱变化低于一定的阈值。
3.根据权利要求1所述的基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统，其特征在于，设还剩下D1个探测器，所述步骤S2中获得能谱分群响应矩阵的具体流程为：
A1：在中子输运模型M中根据D1个探测器的探测器效率与中子能量关系添加代表D1个探测器的探测器计数；将中子输运模型复制N份，根据N个空间、能量分区，在不同的输运计算文件中，分别设置N个中子源，其中每个中子源对应一个空间能量分区的中子，最终形成N个中子输运计算模型；
A2：通过中子输运计算，计算N个中子输运计算模型各计数器对单位源强的响应计数，即各分区单位中子对各探测器计数的贡献概率，构成能谱分群响应矩阵的第i列，即
整合计算结果形成能谱分群响应矩阵
4.根据权利要求1所述的基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统，其特征在于，所述步骤S4中的优化算法具体为遗传算法、神经网络算法中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于堆外测量数据的反应堆内中子三维分布测量系统，其特征在于，所述堆外探测器子系统可以为238U电离室、235U电离室、包镉涂硼电离室和反冲质子探测器中的至少一种。
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