CN110689974B - 一种基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法，包括步骤：监测反应堆从稳定功率运行状态依靠控制棒快速插入堆芯停堆过程中堆内自给能中子探测器的响应信号，记录堆芯中所有自给能中子探测器响应信号随时间的变化；根据快速停堆前后记录的探测器响应电流，确定自给能探测器的瞬时伽马响应份额；通过堆芯在线监测系统，利用瞬时伽马响应份额修正测量过程中自给能中子探测器的测量电流或者预测过程中自给能中子探测器的预测电流，重构堆芯功率分布；有效改进堆内自给能中子探测器的测量电流‑预测电流偏差，改进堆芯在线监测系统的堆芯功率分布测量精度，提高最大线功率密度、核焓升热管因子和最小偏离泡核沸腾比等安全参数的监测精度。

Description

一种基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量方法，特别涉及一种基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法。
背景技术
堆芯功率分布是堆芯运行监测或监督的重要参数，以确保最大线功率密度、核焓升热管因子和最小偏离泡核沸腾比等参数满足安全限值，保证燃料棒屏障的完整性。堆芯功率分布测量在堆芯启动阶段用于验证堆芯设计参数合理性、事故分析参数保守性和校准堆外核探测器等，在堆芯运行阶段用于探测功率分布异常、监测燃料燃耗分布、验证与校准堆外核探测器。商用压水堆广泛基于实际测量的堆内中子探测器信号以及理论计算的中子学参数，采用离线或在线的方式，获得堆芯功率分布。但不同的核蒸汽供应商提供的手段有所差异。传统二代压水堆基于堆外探测器监测宏观堆芯功率分布，如轴向通量偏差、象限功率倾斜比，并通过移动式微型裂变室，采用周期性(如30天)的离线方式测量堆芯功率分布、监督功率分布限值参数、校准堆外核探测器。随着技术的发展，堆内固定式探测器以及建立在其基础上的堆芯在线监测系统在三代压水堆中得到广泛应用。
堆内固定式探测器广泛采用钒、铑、银等自给能中子探测器。自给能中子探测器的响应性能与材料、几何、辐照环境密切相关，并受加工工艺的影响。自给能中子探测器不仅与中子以及中子反应过程中产生的次级伽马射线发生作用，而且与外部伽马射线发生作用。目前商用压水堆采用的基于自给能中子探测器的功率分布测量方法不考虑瞬时伽马效应的影响。这种简化的处理方式使得在某些情况下部分中子探测器的预测电流与测量电流偏差较大，进而导致堆芯功率分布测量偏差较大。事实上，自给能中子探测器的瞬时伽马响应与光子能谱、光子通量密切相关，而且由于反应堆堆内各处的瞬时伽马能谱与光子能谱有所不同，使得不同位置的自给能中子探测器的瞬时伽马响应份额不同。针对此问题，期望有一种方法，可以精确考虑堆芯中各个自给能中子探测器的瞬时伽马响应份额，改进堆芯功率分布的测量精度；而且期望这种方法不会对现有商用核电站压水堆的设备或运行操作进行任何变更。
因此，特别需要一种基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法，以解决上述现有存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法，针对现有技术的不足，监测反应堆快速停堆瞬态过程堆内自给能中子探测器的响应信号，确定自给能探测器的瞬时伽马响应份额，利用瞬时伽马响应份额修正堆内自给能中子探测器的响应信号，改进堆芯功率分布测量精度。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法，其特征在于，它包括如下步骤：
(1)监测反应堆从稳定功率运行状态依靠控制棒快速插入堆芯停堆过程中堆内自给能中子探测器的响应信号，记录堆芯中所有自给能中子探测器响应信号随时间的变化，信号记录时间间隔小于等于2s；
(2)根据快速停堆前后记录的探测器响应电流，按下式确定各个自给能中子探测器的瞬时伽马响应份额γ＝(It-In)/It，其中，It为各个自给能探测器的总响应电流，In为净中子响应电流；
(3)通过堆芯在线监测系统，利用瞬时伽马响应份额修正测量过程中自给能中子探测器的测量电流或者预测过程中自给能中子探测器的预测电流，重构堆芯功率分布。
在本发明的一个实施例中，所述测量方法适用的反应堆至少设置1根控制棒或1束控制棒组件，且所有控制棒插入堆芯后使得堆芯进入次临界状态，即有效增殖系数keff小于1.0；所述测量方法适用的反应堆堆芯内设置至少2个以上堆内自给能中子探测器元件。
在本发明的一个实施例中，所述反应堆中设置的堆芯自给能中子探测器包括钒、铑、银及其它以(n,β)反应(探测器发射体与中子发生俘获反应后通过β衰变释放电子的反应)为主的自给能中子探测器中的一种或几种的组合。
在本发明的一个实施例中，在停堆前反应堆初始稳定功率水平在15％功率水平以上。
在本发明的一个实施例中，根据快速停堆前后记录的探测器响应电流，采用如下方式确定各个自给能探测器的总响应电流It与净中子响应电流In；停堆前反应堆稳定功率水平状态下堆芯自给能中子探测器元件的响应电流为It；根据停堆前后自给能中子探测器电流相对变化率(S)确定In，S定义为：S＝2*[I(Tk)-I(Tk+1)]/[I(Tk)+I(Tk+1)]/[Tk-Tk+1]，其中，I为探测器电流数值，Tk为第k个记录点的时间，Tk+1为第k+1个记录点的时间；
对于瞬时伽马响应份额为负值(即γ＜0)的情况，响应电流相对变化率S随时间先为正值，然后转为负值，此过程中S为0所在时间对应的探测器响应电流记为In；对于瞬时伽马响应份额为正值(即γ＞0)的情况，响应电流相对变化率S随时间先为较大的负值，然后转为较小的接近0的负值，第一个接近0的负值所在时间对应的探测器响应电流记为In。
在本发明的一个实施例中，所述测量方法利用瞬时伽马响应份额修正探测器电流通过修正作为堆芯在线监测系统输入的测量过程获得的自给能中子探测器电流Imc＝(1-γ)*Im，其中，Im为自给能中子探测器测量电流；堆芯在线监测系统利用修正后的中子自给能探测器测量电流Imc和自给能中子探测器预测电流Ip重构堆芯功率分布。
在本发明的一个实施例中，所述测量方法利用瞬时伽马响应份额修正探测器电流通过修正堆芯在线监测系统预测过程获得的自给能中子探测器预测电流Ipc＝Ip/(1-γ)，其中，Ip为自给能中子探测器预测电流；堆芯在线监测系统利用修正后的自给能中子探测器预测电流Ipc和自给能中子探测器测量电流Im重构堆芯功率分布。
本发明的基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法，与现有技术相比，可以有效改进堆内自给能中子探测器的测量电流-预测电流偏差，改进堆芯在线监测系统的堆芯功率分布测量精度，提高最大线功率密度、核焓升热管因子和最小偏离泡核沸腾比等安全参数的监测精度，实现本发明的目的。
本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。
附图说明
图1为本发明的基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布测量装置的结构示意图；
图2为本发明的控制棒及堆内自给能中子探测器布置的结构示意图；
图3为本发明的停堆前后自给能中子探测器电流相对变化率随时间变化的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明的基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法，它包括如下步骤：
(1)监测反应堆从稳定功率运行状态依靠控制棒快速插入堆芯停堆过程中堆内自给能中子探测器的响应信号，记录堆芯中所有自给能中子探测器响应信号随时间的变化，信号记录时间间隔小于等于2s；
(2)根据快速停堆前后记录的探测器响应电流，按下式确定各个自给能中子探测器的瞬时伽马响应份额γ＝(It-In)/It，其中，It为各个自给能探测器的总响应电流，In为净中子响应电流；
(3)通过堆芯在线监测系统，利用瞬时伽马响应份额修正测量过程中自给能中子探测器的测量电流或者预测过程中自给能中子探测器的预测电流，重构堆芯功率分布。
所述测量方法适用的反应堆至少设置1根控制棒或1束控制棒组件，且所有控制棒插入堆芯后使得堆芯进入次临界状态，即有效增殖系数keff小于1.0；所述测量方法适用的反应堆堆芯内设置至少2个以上堆内自给能中子探测器元件。
所述反应堆中设置的堆芯自给能中子探测器包括钒、铑、银及其它以(n,β)反应(探测器发射体与中子发生俘获反应后通过β衰变释放电子的反应)为主的自给能中子探测器中的一种或几种的组合。
在停堆前反应堆初始稳定功率水平在15％功率水平以上。
根据快速停堆前后记录的探测器响应电流，采用如下方式确定各个自给能探测器的总响应电流It与净中子响应电流In；停堆前反应堆稳定功率水平状态下堆芯自给能中子探测器元件的响应电流为It；根据停堆前后自给能中子探测器电流相对变化率(S)确定In，S定义为：S＝2*[I(Tk)-I(Tk+1)]/[I(Tk)+I(Tk+1)]/[Tk-Tk+1]，其中，I为探测器电流数值，Tk为第k个记录点的时间，Tk+1为第k+1个记录点的时间；
对于瞬时伽马响应份额为负值(即γ＜0)的情况，响应电流相对变化率S随时间先为正值，然后转为负值，此过程中S为0所在时间对应的探测器响应电流记为In；对于瞬时伽马响应份额为正值(即γ＞0)的情况，响应电流相对变化率S随时间先为较大的负值，然后转为较小的接近0的负值，第一个接近0的负值所在时间对应的探测器响应电流记为In。
所述测量方法利用瞬时伽马响应份额修正探测器电流通过修正作为堆芯在线监测系统输入的测量过程获得的自给能中子探测器电流Imc＝(1-γ)*Im，其中，Im为自给能中子探测器测量电流；堆芯在线监测系统利用修正后的中子自给能探测器测量电流Imc和自给能中子探测器预测电流Ip重构堆芯功率分布。
所述测量方法利用瞬时伽马响应份额修正探测器电流通过修正堆芯在线监测系统预测过程获得的自给能中子探测器预测电流Ipc＝Ip/(1-γ)，其中，Ip为自给能中子探测器预测电流；堆芯在线监测系统利用修正后的自给能中子探测器预测电流Ipc和自给能中子探测器测量电流Im重构堆芯功率分布。
实施例一：
为了更清晰地理解本发明，下面以某1400MWe级核电站压水堆的堆芯功率分布测量装置及操作方法为例进行阐述。
如图1所示，反应堆堆芯1装载了193盒燃料组件8，燃料组件8在堆芯中的排列如图2所示。反应堆堆芯1中布置89束控制棒2，用于反应堆运行过程中的反应性与功率分布控制，以及实现快速停堆，控制棒在堆芯中的布置如图2所示。堆芯中共布置48个自给能中子探测器组件，自给能中子探测器组件在堆芯中的布置如图2所示。每个自给能中子探测器组件中含有7个探测器元件，全堆共有336个探测器元件。每个探测器元件产生的电流信号通过与其连接的探测器信号电缆4输入给信号处理机柜5，信号处理机柜5将电流信号转化为数字信号，通过数据传输网络6传递给堆芯在线监测系统7；堆芯在线监测系统7利用修正后的自给能中子探测器测量电流Im和自给能中子探测器预测电流Ip重构堆芯测量功率分布。
针对上述堆芯功率分布测量装置，实施基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布测量的具体步骤如下：
1)在反应堆启动调试过程中，选择反应堆初始稳定功率水平在15％功率水平以上，采用控制棒快速落棒停堆的瞬态试验，利用计算机监测并记录反应堆快速停堆过程中堆内每个自给能中子探测器元件的响应电流随时间的变化(I(Tk)，I为探测器电流数值，Tk为第k个记录点的时间)，数据记录时间间隔为1s。
2)根据记录的快速停堆前后的探测器响应电流，按下式确定各个自给能中子探测器元件的瞬时伽马响应份额(γ＝(It-In)/It)。停堆前反应堆稳定功率水平状态下堆内自给能中子探测器元件的总响应电流记为It。根据停堆前后自给能中子探测器电流相对变化率(S)确定In，S定义为：
S＝2*[I(Tk)-I(Tk+1)]/[I(Tk)+I(Tk+1)]/[Tk-Tk+1]
如图3所示，探测器在稳定状态下，响应电流相对变化率为0。对于瞬时伽马响应份额为负值(即γ＜0)的情况，响应电流相对变化率S随时间先为正值，然后转为负值，此过程中S为0所在时间对应的探测器响应电流记为In；对于瞬时伽马响应份额为正值(即γ＞0)的情况，响应电流相对变化率S随时间先为较大的负值，然后转为较小的接近0的负值，第一个接近0的负值所在时间对应的探测器响应电流记为In。
3)将瞬态试验处理获得的瞬时伽马响应份额，输入至堆芯在线监测系统，堆芯在线监测系统通过以下两种处理方式之一实时修正自给能中子探测器响应电流，并重构堆芯测量功率分布。
方式一：修正作为堆芯在线监测系统输入的测量过程获得的自给能中子探测器电流(Imc＝(1-γ)*Im)，堆芯在线监测系统利用修正后的自给能中子探测器测量电流(Imc)和自给能中子探测器的预测电流(Ip)重构堆芯测量功率分布。
方式二：修正堆芯在线监测系统预测过程获得的自给能中子探测器电流(Ipc＝Ip/(1-γ))，堆芯在线监测系统利用修正后的自给能中子探测器预测电流(Ipc)和自给能中子探测器测量电流(Im)重构堆芯测量功率分布。
4)在重构堆芯测量功率分布中，堆芯在线监测系统自动计算并通过用户界面给出基于瞬时伽马响应修正的自给能中子探测器位置燃料组件功率的测量-预测统计偏差(包括均方根偏差、95％/95％偏差上限、95％/95％偏差下限)，同时给出不考虑瞬时伽马响应修正(即现有方法)的自给能中子探测器位置燃料组件功率的测量-预测统计偏差，以便反应堆运行操纵或试验人员对比分析。
实施例二：
本发明提出的方法已分别采用压水堆机组A、机组B运行获得的数据进行验证，首先监测反应堆稳定功率运行状态依靠控制棒快速落棒停堆过程中堆内自给能中子探测器的响应电流，记录堆内所有自给能中子探测器响应电流随时间的变化，记录时间间隔为1s；然后根据快速停堆前后记录的探测器响应电流，确定各个自给能中子探测器的瞬时伽马响应份额(γ＝(It-In)/It)；进而利用确定的瞬时伽马响应份额修正测量过程中自给能中子探测器的测量电流，改进堆芯功率分布测量精度。
表1展示了改进方法和现有方法自给能探测器位置燃料组件功率的测量-预测统计偏差结果。根据表1结果可以看出，本发明的改进效果在两个核电站机组中均得到有效体现。
表1
Figure BDA0001852505060000071
Figure BDA0001852505060000081
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法，其特征在于，它包括如下步骤：
(1)监测反应堆从稳定功率运行状态依靠控制棒快速插入堆芯停堆过程中堆内自给能中子探测器的响应信号，记录堆芯中所有自给能中子探测器响应信号随时间的变化，信号记录时间间隔小于等于2s；
(2)根据快速停堆前后记录的探测器响应电流，按下式确定各个自给能中子探测器的瞬时伽马响应份额γ＝(It-In)/It，其中，It为各个自给能探测器的总响应电流，In为净中子响应电流；
根据快速停堆前后记录的探测器响应电流，采用如下方式确定各个自给能探测器的总响应电流It与净中子响应电流In；停堆前反应堆稳定功率水平状态下堆芯自给能中子探测器元件的响应电流为It；根据停堆前后自给能中子探测器电流相对变化率(S)确定In，S定义为：S＝2*[I(Tk)-I(Tk+1)]/[I(Tk)+I(Tk+1)]/[Tk-Tk+1]，其中，I为探测器电流数值，Tk为第k个记录点的时间，Tk+1为第k+1个记录点的时间；
对于瞬时伽马响应份额为负值(即γ＜0)的情况，响应电流相对变化率S随时间先为正值，然后转为负值，此过程中S为0所在时间对应的探测器响应电流记为In；对于瞬时伽马响应份额为正值(即γ＞0)的情况，响应电流相对变化率S随时间先为较大的负值，然后转为较小的接近0的负值，第一个接近0的负值所在时间对应的探测器响应电流记为In；
(3)通过堆芯在线监测系统，利用瞬时伽马响应份额修正测量过程中自给能中子探测器的测量电流或者预测过程中自给能中子探测器的预测电流，重构堆芯功率分布。
2.如权利要求1所述的基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法，其特征在于，所述测量方法适用的反应堆至少设置1根控制棒或1束控制棒组件，且所有控制棒插入堆芯后使得堆芯进入次临界状态，即有效增殖系数keff小于1.0；所述测量方法适用的反应堆堆芯内设置至少2个以上堆内自给能中子探测器元件。
3.如权利要求1所述的基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法，其特征在于，所述反应堆中设置的堆芯自给能中子探测器包括钒、铑、银及其它以(n,β)反应(探测器发射体与中子发生俘获反应后通过β衰变释放电子的反应)为主的自给能中子探测器中的一种或几种的组合。
4.如权利要求1所述的基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法，其特征在于，在停堆前反应堆初始稳定功率水平在15％功率水平以上。
5.如权利要求1所述的基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法，其特征在于，所述测量方法利用瞬时伽马响应份额修正探测器电流通过修正作为堆芯在线监测系统输入的测量过程获得的自给能中子探测器电流Imc＝(1-γ)*Im，其中，Im为自给能中子探测器测量电流；堆芯在线监测系统利用修正后的中子自给能探测器测量电流Imc和自给能中子探测器预测电流Ip重构堆芯功率分布。
6.如权利要求1所述的基于瞬时伽马响应修正的改进堆芯功率分布的测量方法，其特征在于，所述测量方法利用瞬时伽马响应份额修正探测器电流通过修正堆芯在线监测系统预测过程获得的自给能中子探测器预测电流Ipc＝Ip/(1-γ)，其中，Ip为自给能中子探测器预测电流；堆芯在线监测系统利用修正后的自给能中子探测器预测电流Ipc和自给能中子探测器测量电流Im重构堆芯功率分布。
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