CN110739091A

CN110739091A - 一种核电厂次临界度直接测量系统及硬件平台和测量方法

Info

Publication number: CN110739091A
Application number: CN201911006596.5A
Authority: CN
Inventors: 张宏博; 汤春桃; 毕光文; 杨庆湘; 杨伟焱; 杨波; 秦玉龙
Original assignee: Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co Ltd
Current assignee: Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co Ltd
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2020-01-31
Anticipated expiration: 2039-10-22
Also published as: CN110739091B

Abstract

本发明提供一种核电厂次临界度直接测量系统及硬件平台和测量方法，系统包括反应堆测量数据收集模块、测量噪声处理模块、测量转换计算模块、堆芯次临界度参数计算模块。该测量系统采用“即插即用”式的设计理念，不需要改造核电厂软硬件系统，不占用反应堆启动阶段主线时间，可以有效提高核电厂在次临界阶段的安全性和经济性。

Description

一种核电厂次临界度直接测量系统及硬件平台和测量方法

技术领域

本发明属于核电厂的直接测量领域，特别涉及压水堆核电厂次临界度直接测量领域。

背景技术

压水堆核电厂在停堆和启动阶段，长期处于次临界状态。持续监测次临界反应堆的次临界度是确保反应堆安全、高效运行的关键手段。国际上陆续发展出了一些次临界度测量技术。一方面，大多数技术基于研究型反应堆系统开展，并未针对商用压水堆核电厂启动工况的特点进行充分考虑，技术实施和改造成本较高，难以满足商用压水堆核电厂的实际应用需求。另一方面，很多次临界度测量技术方法模型不确定性较大，必须留有较大的保守性裕量，才能满足监管要求。

本发明提供了一种适用于商用压水堆核电厂的堆芯次临界度直接测量系统。在不需额外改造的前提下，采用该系统可以准确、实时地测量次临界堆芯关键物理特性参数，从而有效提高核电厂的安全性和经济性。

发明内容

本发明的目的是为商用压水堆核电厂提供一套堆芯次临界度直接测量系统。基于该系统具有实时、准确测量次临界堆芯关键物理特性参数的特点。该测量系统采用“即插即用”式的设计理念，不需要改造核电厂软硬件系统，不占用反应堆启动阶段主线时间，可以有效提高核电厂在次临界阶段的安全性和经济性。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种核电厂次临界度直接测量系统，包括反应堆测量数据收集模块、测量噪声处理模块、测量转换计算模块、堆芯次临界度参数计算模块：

所述反应堆测量数据收集模块为收集特定工况点的堆芯状态测量数据，传递至系统内的测量噪声处理模块、测量转换计算模块和堆芯次临界度参数计算模块供后续使用；

所述测量噪声处理模块为确定堆外中子探测器的背景噪声并对探测器计数率进行除噪处理；

所述测量转换计算模块为基于目标堆芯的燃料装载、相关运行历史的模型信息，根据堆芯在目标次临界工况的状态参数测量值计算测量转换因子；

所述堆芯次临界度参数计算模块为计算目标堆芯次临界度相关的各项参数。

优选的，所述测量噪声处理模块包含实验法子模块和计算法子模块；所述实验法子模块为基于中子探测器测量数据和内置计算引擎，支持在线背景噪声计算及除噪处理；所述计算法子模块为基于预制的信噪比数据库，根据目标次临界工况状态进行除噪处理。

优选的，所述实验法子模块和所述计算法子模块可任选其一使用或同时并行启用。

优选的，所述堆芯次临界度参数计算模块，根据所述测量噪声处理模块提供的除噪后中子探测器计数率以及所述测量转换计算模块的测量转换因子，计算目标工况的次临界增殖因子及次临界度；根据特定工况点的堆芯次临界度，计算停堆裕量、控制棒组价值、可溶硼微分价值、等温温度系数等堆芯物理特性参数；根据各次临界工况点的次临界度监测数据，绘制“1/M”曲线，外推获得预估临界条件。

一种核电厂次临界度直接测量系统硬件平台，所述硬件平台包括处理器、存储器、数据接收单元、人机交互终端；所述数据接收单元通过网络收取目标次临界工况的各种状态参数测量值；所述处理器和所述存储器支持堆芯次临界度直接测量软件系统的控制、计算和存储操作指令；所述人机交互终端实现人机交互功能。

优选的，所述人机交互终端包括鼠标、键盘等输入设备以及图形人机接口单元。

一种核电厂次临界度直接测量方法，其特征在于包括在线监测方法和离线制库方法：

在线监测方法：根据实时的堆芯状态参数测量值，在线开展噪声信号处理及测量转换计算，获得当前工况的次临界度及各种需要关注的衍生数据；在线监测的测量频率包括两种设定方式：一是以时间间隔的方式设定测量频率，二是以工况状态的方式设定测量频率；

离线制库方法：将预先离线计算堆芯次临界度测量所需的部分关键数据存储于数据库中；在次临界度测量的现场实施过程中，堆芯次临界度直接测量系统根据目标工况的堆芯状态参数测量值，从预制数据库中提取相应数据，运算获得堆芯次临界度及各种需要关注的衍生数据。

本发明提供了一种商用压水堆核电厂的堆芯次临界度直接测量软件系统，可以准确、实时地测量反应堆堆芯的次临界度，获得精确的停堆裕量、控制棒组价值、临界硼浓度、可溶硼微分价值、等温温度系数等物理特性参数，并在线提供准确的预估临界条件，缩短反应堆启动阶段的主线时间，从而有效提高核电厂的安全性和经济性。

附图说明

图1为堆芯次临界度直接测量系统示意图。

图2为堆芯次临界度测量流程架构示意图。

图3为某1400MWe级核电站压水堆堆芯径向示意图。

图4为堆芯次临界度直接测量系统外推临界硼浓度过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

压水堆核电厂次临界度测量原理如下：

(1)在压水堆核电厂中，对于处于次临界工况的反应堆堆芯，通过采集堆外中子探测器计数率信号，并经堆芯次临界度直接测量系统的软硬件处理，获得该工况下的堆芯次临界度。基本原理为：

M^m＝f(CR^m)·T(M^c，CR^c)

其中，M为次临界堆芯的次临界增殖因子，CR为次临界工况堆外中子探测器计数率，f为测量噪声处理算子，T为测量转换因子，上标m表示测量值，上标c表示计算值。

次临界增殖因子与堆芯次临界度之间的关系为：

M＝1/(1-k_eff)

k_eff为次临界堆芯的有效增殖因子。

(2)测量转换因子实现中子探测器计数率到次临界增殖因子测量值之间的转换。它通过确定论三维堆芯中子学计算获得。这一过程的主要步骤包括：

1)根据目标堆芯的燃料装载方案，对此前相关燃料循环的运行/停堆历史开展确定论三维堆芯中子学燃耗跟踪计算，获得目标堆芯的初级/次级中子源同位素、辐照后燃料的自发裂变同位素、(α,n)反应中子源同位素核子密度分布。

2)根据目标堆芯的初级/次级中子源同位素、辐照后燃料的自发裂变同位素、(α,n)反应中子源同位素核子密度分布，以及相关核反应数据，计算三维堆芯内的中子源强度分布。

3)根据目标堆芯布置及堆内中子源强度分布，通过确定论三维堆芯中子学计算，获得次临界增殖因子、堆外中子探测器计数率等参数的计算值，用于计算测量转换因子。

(3)测量噪声处理算子用于去除堆外中子探测器计数率中的背景噪声。其中包含两种实现方式：

实验法。首先，对处于次临界工况的目标堆芯，保持一定的堆芯工况状态不变，采集可溶硼浓度、控制棒位、冷却剂温度、堆外中子探测器计数率等测量数据。然后，基于该工况的状态参数，采用确定论三维堆芯中子学计算获得堆芯次临界度预测值，并根据该预测值反推堆外中子探测器计数率预测值。而后，基于堆外中子探测器计数率预测值与测量值的偏差，确定该工况的计数率背景噪声。保持控制棒位及冷却剂温度不变，选取至少三个不同可溶硼浓度的次临界工况点，重复执行以上步骤，并以所得的计数率背景噪声平均值作为最终的背景噪声值。

计算法。首先，针对目标堆芯选取若干典型的次临界工况点；这些工况应能够覆盖次临界度测量试验过程的工况范围并具有代表性，如棒组移动的起始/终止工况、可溶硼稀释的起始/终止工况等。然后，针对这些典型工况，开展中子-光子耦合输运计算，确定堆外中子探测器在各工况下的信噪比。而后，对这些信噪比数据进行分段的插值或拟合处理，制作成数据库供后续次临界度测量使用。最后，在次临界度测量试验过程中，根据实际工况状态参数，从数据库中获取工况对应的信噪比值，计算出背景噪声。

实施例1：

为了更清晰地理解本发明，下面以某1400MWe级核电站压水堆堆芯的停堆裕量、控制棒价值及等温温度系数的测量为例进行阐述。

如图3所示的反应堆堆芯装载了193盒燃料组件1。堆内布置了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。

针对以上堆芯，在次临界工况下测量停堆裕量、控制棒价值及等温温度系数，实施方式如下：

1)停堆裕量测量：

a)反应堆处于待测的次临界工况状态；

b)数据收集模块收集待测工况的测量数据作为输入，包括可溶硼浓度、控制棒位、冷却剂温度、堆外中子探测器计数率等；

c)测量噪声处理模块根据预先基于实验法或计算法获得的噪声数据，计算探测器背景噪声，并为堆外中子探测器计数率测量数据进行消噪处理；

d)测量转换计算模块基于堆芯的模型信息及待测工况状态参数测量值，计算测量转换因子；

e)堆芯次临界度参数计算模块根据除噪后中子探测器计数率，以及测量转换因子，计算堆芯次临界增殖因子，并转换为停堆裕量；

f)当前工况停堆裕量及其变化趋势被输出至人机交互终端，以数字及图形等形式展示给用户。

2)控制棒价值测量：

a)反应堆处于模式3的次临界工况状态，待测棒组处于全插位置；

e)堆芯次临界度参数计算模块根据除噪后中子探测器计数率，以及测量转换因子，计算堆芯次临界增殖因子；

f)堆芯次临界度参数计算模块更新“1/M曲线”并外推临界棒位，输出至人机交互终端，以数字及图形等形式展示给用户；

g)将待测棒组提升至全提位置，重复步骤b)～f)；

h)根据全插位置和全提位置的堆芯次临界度，堆芯次临界度参数计算模块计算棒组价值；

i)棒组价值被输出至人机交互终端，以数字及图形等形式展示给用户；

j)对所有待测棒组重复步骤a)～i)，直至完成全部控制棒价值的测量。

3)等温温度系数测量：

a)反应堆处于模式3的次临界工况状态，保持控制棒组位置和可溶硼浓度等保持不变；

b)略微改变RCS温度并保持稳定；

c)数据收集模块收集待测工况的测量数据作为输入，包括可溶硼浓度、控制棒位、冷却剂温度、堆外中子探测器计数率等；

d)测量噪声处理模块根据预先基于实验法或计算法获得的噪声数据，计算探测器背景噪声，并为堆外中子探测器计数率测量数据进行消噪处理；

e)测量转换计算模块基于堆芯的模型信息及待测工况状态参数测量值，计算测量转换因子；

f)堆芯次临界度参数计算模块根据除噪后中子探测器计数率，以及测量转换因子，计算堆芯次临界增殖因子；

g)根据两个不同温度工况的堆芯次临界度，堆芯次临界度参数计算模块计算等温温度系数；

h)等温温度系数被输出至人机交互终端，以数字及图形等形式展示给用户；

i)测量完成，恢复RCS温度至初始状态。

实施例2：

本发明的另一个实施例是某1000MWe级核电站压水堆堆芯的临界硼浓度及硼微分价值的测量。该反应堆堆芯装载157盒燃料组件。

如图4所示，针对该堆芯，在次临界工况下预测临界硼浓度及硼微分价值，实施方式如下：

外推临界硼浓度及硼微分价值测量：

a)反应堆处于模式3的次临界工况状态，控制棒组处于全提位置；

b)按核电厂首次达临界规程进行稀释操作；

c)在选定的工况点，数据收集模块收集待测工况的测量数据作为输入，包括可溶硼浓度、控制棒位、冷却剂温度、堆外中子探测器计数率等；

g)堆芯次临界度参数计算模块更新“1/M曲线”，计算硼微分价值，外推临界硼浓度，并输出至人机交互终端，以数字及图形等形式展示给用户；

h)对所有选定的工况点，重复步骤b)～g)；直至满足临界判据后，停止硼稀释，反应堆到达临界。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种核电厂次临界度直接测量系统，其特征在于，包括反应堆测量数据收集模块、测量噪声处理模块、测量转换计算模块、堆芯次临界度参数计算模块：

2.如权利要求1所述的核电厂次临界度直接测量系统，其特征在于，所述测量噪声处理模块包含实验法子模块和计算法子模块；所述实验法子模块为基于中子探测器测量数据和内置计算引擎，支持在线背景噪声计算及除噪处理；所述计算法子模块为基于预制的信噪比数据库，根据目标次临界工况状态进行除噪处理。

3.如权利要求2所述的核电厂次临界度直接测量系统，其特征在于，所述实验法子模块和所述计算法子模块可任选其一使用或同时并行启用。

4.如权利要求1所述的核电厂次临界度直接测量系统，其特征在于，所述堆芯次临界度参数计算模块，根据所述测量噪声处理模块提供的除噪后中子探测器计数率以及所述测量转换计算模块的测量转换因子，计算目标工况的次临界增殖因子及次临界度；根据特定工况点的堆芯次临界度，计算停堆裕量、控制棒组价值、可溶硼微分价值、等温温度系数等堆芯物理特性参数；根据各次临界工况点的次临界度监测数据，绘制“1/M”曲线，外推获得预估临界条件。

5.一种核电厂次临界度直接测量系统硬件平台，其特征在于，所述硬件平台包括处理器、存储器、数据接收单元、人机交互终端；所述数据接收单元通过网络收取目标次临界工况的各种状态参数测量值；所述处理器和所述存储器支持堆芯次临界度直接测量软件系统的控制、计算和存储操作指令；所述人机交互终端实现人机交互功能。

6.如权利要求5所述的核电厂次临界度直接测量系统硬件平台，其特征在于，所述人机交互终端包括鼠标、键盘等输入设备以及图形人机接口单元。

7.一种核电厂次临界度直接测量方法，其特征在于包括在线监测方法和离线制库方法，可选任一方法操作；

所述在线监测方法：根据实时的堆芯状态参数测量值，在线开展噪声信号处理及测量转换计算，获得当前工况的次临界度及各种需要关注的衍生数据；在线监测的测量频率包括两种设定方式：一是以时间间隔的方式设定测量频率，二是以工况状态的方式设定测量频率；

所述离线制库方法：将预先离线计算堆芯次临界度测量所需的部分关键数据存储于数据库中；在次临界度测量的现场实施过程中，堆芯次临界度直接测量系统根据目标工况的堆芯状态参数测量值，从预制数据库中提取相应数据，运算获得堆芯次临界度及各种需要关注的衍生数据。