CN110853782B - 一种反应堆堆芯中子通量三维分布测量系统及其测量方法 - Google Patents

一种反应堆堆芯中子通量三维分布测量系统及其测量方法 Download PDF

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CN110853782B CN201911172870.6A CN201911172870A CN110853782B CN 110853782 B CN110853782 B CN 110853782B CN 201911172870 A CN201911172870 A CN 201911172870A CN 110853782 B CN110853782 B CN 110853782B
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Abstract

本发明公开了一种反应堆堆芯中子通量三维分布测量系统及其测量方法，包括：两个分别设置在压力容器上端和下端的圆周导轨；多个轴向滑轨，其分别设置在两个圆周导轨之间；CT探测器，其具有数据处理和成像单元；多个γ射线探头，其分别滑动安装在轴向滑轨上；γ射线探头分别与数据处理和成像单元相接；γ射线探头测量压力容器所有断层外围的γ射线活度，计算得到堆芯断层γ射线活度投影值，并重构成断层γ射线活度2D径向分布，最后组合构成γ射线活度在径向和轴向3D分布，由中子通量分布与γ射线活度分布的相似性，得到堆芯的中子通量三维分布；本测量系统避开了堆芯内部高温、高压、高中子通量的苛刻条件，测量精度高，测量范围广，便于维护修理。

Description

一种反应堆堆芯中子通量三维分布测量系统及其测量方法
技术领域
本发明属于中子通量测量技术领域，更具体地说，本发明涉及一种反应堆堆芯中子通量三维分布测量系统及其测量方法。
背景技术
在目前的核反应堆中，堆芯中子通量分布的监测对于核反应堆的安全运行具有非常重要的作用，通过测量中子注量率可知反应堆功率，中子注量率也称中子通量。为了得到合乎要求的堆芯中子通量分布，目前的采用的方法有堆内和堆外测量两种，堆内测量是在堆芯内部的径向和轴向的不同位置测量中子通量，中子探测器从堆内参数测量通道置入在堆芯内部不同的位置，利用测量到的中子通量可以得到堆芯的中子通量的轴向和径向三维分布，但是，中子通量分布的精度和实时性却受到中子探测器的数量和位置的制约，数量众多的中子探测器通道为堆芯的布置和压力容器的安全性带来了挑战，堆芯内部高温、高压、高中子通量的苛刻条件对探测器提出了很高的要求；堆外测量是通过在堆外四周不同的高度上测量中子泄露通量，利用测量值重构中子轴向上的中子通量分布，重构精度与空间响应函数的选取有很大的关系。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种反应堆堆芯中子通量三维分布测量系统，包括：
反应堆堆芯，其γ射线活度分布与中子通量分布相似；压力容器，所述反应堆堆芯设置于压力容器中；
滑轨，其固定在所述压力容器的外围；所述滑轨的结构包括：两个分别设置在压力容器上端和下端的圆周导轨；多个轴向滑轨，其分别设置在两个圆周导轨之间；
CT探测器，其具有数据处理和成像单元；多个γ射线探头，其位于所述压力容器外围，且分别滑动安装在轴向滑轨上；所述γ射线探头分别与CT探测器的数据处理和成像单元相接。
优选的是，其中，所述圆周导轨内侧设置有固定端，整个滑轨通过固定端固定在所述压力容器外围。
优选的是，其中，所述两个圆周导轨可带动轴向滑轨顺时针或逆时针转动。
优选的是，其中，反应堆堆芯中子通量三维分布测量系统的测量方法包括以下步骤：
步骤一、两个圆周导轨带动两个轴向滑轨做圆周运动，γ射线探头围绕压力容器断层做圆周运动，γ射线探头测量得到压力容器外围上的γ射线活度；
步骤二、γ射线探头在轴向滑轨上做轴向运动，然后按照步骤一的测量方法分别探测得到压力容器下一个断层的γ射线活度，直到完成压力容器所有断层的γ射线活度测量；
步骤三、根据测量得到的压力容器外围断层径向上的γ射线活度
Figure BDA0002289208010000021
和反应堆堆芯边界到γ射线探头的夹层厚度，计算得到反应堆堆芯断层边界径向
Figure BDA0002289208010000022
上的γ射线活度
Figure BDA0002289208010000023
步骤四、运用反应堆堆芯的衰减和散射校正系数，补偿γ射线探头的测量偏差，得到校正后的γ射线活度
Figure BDA0002289208010000024
步骤五、由于获得的反应堆堆芯在断层径向
Figure BDA0002289208010000025
上的γ射线活度
Figure BDA0002289208010000026
实际上得到了断层γ射线活度的2D径向分布A(θ，r)在
Figure BDA0002289208010000027
上的投影值；数据处理单元利用反投影CT技术容易把
Figure BDA0002289208010000028
重构成断层γ射线活度的2D径向分布A(θ，r)；
步骤六、组合反应堆堆芯所有断层的断层γ射线活度的2D径向分布，构成γ射线活度在径向和轴向的3D分布A(θ,r，M)，也就得到了中子通量在反应堆堆芯径向和轴向的3D近似分布n′(θ,r,M)，并对n′(θ,r,M)进行校正，得到更精确的反应堆堆芯中子通量分布n(θ,r,M)；
步骤七、由数据处理和成像单元对反应堆堆芯中子通量分布进行处理，并由图像的形式显示出来。
优选的是，其中，所述步骤三中的
Figure BDA0002289208010000031
表示反应堆堆芯中心到反应堆堆芯外围圆周上某点的方向向量，用L表示γ射线探头需要在压力容器一个断层上的测量次数，则：
Figure BDA0002289208010000032
其中，θ为γ射线探头在反应堆堆芯一个断层上做一次测量的角位移，N为使用γ射线探头的个数。
优选的是，其中，所述步骤三中反应堆堆芯断层边界径向
Figure BDA0002289208010000033
上的γ射线活度
Figure BDA0002289208010000034
的计算公式为：
Figure BDA0002289208010000035
其中，
Figure BDA0002289208010000036
表示γ射线活度在反应堆堆芯边界与γ射线探头之间夹层中的衰减量，其夹层材料厚度为
Figure BDA0002289208010000037
优选的是，其中，所述步骤四中γ射线活度
Figure BDA0002289208010000038
的校正公式为：
Figure BDA0002289208010000039
其中，b1、b2分别为γ射线沿反应堆堆芯径向传播的衰减校正系数和散射校正系数。
优选的是，其中，所述步骤六中M表示γ射线探头需要在反应堆堆芯轴向H高度上测试的断层数，则：
Figure BDA00022892080100000310
其中，h为γ射线探头每完成一个断层的测量后在轴向上的位移量，所以只需要γ射线探头在反应堆堆芯轴向上完成M个断层的测量，就可以得到M个断层γ射线活度的2D径向分布A(θ,r)组合成的γ射线活度在径向和轴向的3D分布A(θ,r，M)。
优选的是，其中，所述步骤六中对n′(θ,r,M)的校正方法为：由于γ射线探头探测到的γ射线包括两部分，一部分γ射线与中子通量成正比关系，记为γ′，另一部分与中子通量相对保持不变，可以认为是本底γ射线，记为γ″，它们之间的关系为：
γ＝γ′+γ″
故需要去除本底γ的办法来进行校正，假如γ″射线引起γ射线探头测量值的变化量为
Figure BDA0002289208010000041
则校正后的测量值
Figure BDA0002289208010000042
为：
Figure BDA0002289208010000043
再用校正后的测量值
Figure BDA0002289208010000044
重构得到γ射线在反应堆堆芯的径向和轴向的3D分布α(θ,r,M)，也就得到了中子通量在反应堆堆芯径向和轴向的3D分布n(θ,r,M)；当然也可以直接测量γ′射线引起γ射线探头的测量值变化量
Figure BDA0002289208010000045
重构得到n(θ,r,M)。
优选的是，其中，所述步骤六中得到更精确的反应堆堆芯中子通量分布n(θ,r,M)后，每隔一定的时间Δt对反应堆堆芯进行一次测量，就可以得到中子通量在径向和轴向的3D分布n(θ,r,M,kΔt)。
本发明至少包括以下有益效果：本测量系统设置在反应堆堆芯和压力容器外，避开了堆芯内部高温、高压、高中子通量的苛刻条件，测量精度高，测量范围广，维护修理方便；通过γ射线探头测量得到压力容器每个断层外围的γ射线活度，计算得到反应堆堆芯断层γ射线的2D径向分布，最后组合所有断层γ射线的2D径向分布，得到反应堆堆芯轴向和径向γ射线的3D分布，也就得到了中子通量的三维分布。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明提供的反应堆堆芯中子三维分布测量系统的安装结构示意图；
图2为本发明提供的圆周导轨、轴向滑轨、γ射线探头的结构示意图；
图3为本发明提供的γ射线探头圆周运动横截面示意图；
图4为本发明提供的γ射线探头轴向运动剖面示意图；
图5为本发明提供的反应堆堆芯中子通量三维分布测量系统完成一次测量的流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-5所示：本发明的一种反应堆堆芯中子通量三维分布测量系统，包括：
反应堆堆芯1，其γ射线活度分布与中子通量分布相似；压力容器2，所述反应堆堆芯1设置于压力容器2中；
滑轨，其固定在所述压力容器2的外围；所述滑轨的结构包括：两个分别设置在压力容器2上端和下端的圆周导轨3；多个轴向滑轨4，其分别设置在两个圆周导轨3之间；
CT探测器，其具有数据处理和成像单元6；多个γ射线探头5，其位于所述压力容器2外围，且分别滑动安装在轴向滑轨4上；所述γ射线探头5分别与CT探测器的数据处理和成像单元6相接。
测量原理：圆周导轨3带动轴向导轨4做圆周运动时，γ射线探头5也随着轴向导轨4在压力容器2外做圆周运动，测量压力容器2断层外围的γ射线活度；γ射线探头5在轴向滑轨4上做轴向运动，测量压力容器所有断层外围的γ射线活度，然后根据反应堆堆芯1边界到γ射线探头的夹层厚度，计算反应堆堆芯断层径向的γ射线活度，数据处理单元利用反投影CT技术把校正后的反应堆堆芯断层径向γ射线活度重构成断层γ射线活度的2D径向分布，组合所有断层的断层γ射线活度的2D径向分布，构成γ射线活度在径向和轴向的3D分布，也就得到了反应堆堆芯1的中子通量三维分布。
在上述技术方案中，所述圆周导轨3内侧设置有固定端31，整个滑轨通过固定端31固定在所述压力容器2外围。
在上述技术方案中，所述两个圆周导轨3可带动轴向滑轨4顺时针或逆时针转动。
在上述技术方案中，反应堆堆芯中子通量三维分布测量系统的测量方法包括以下步骤：
步骤一、两个圆周导轨3带动轴向滑轨4做圆周运动，γ射线探头5围绕压力容器2断层做圆周运动，γ射线探头5分别测量得到压力容器2外围上的γ射线活度；
步骤二、γ射线探头5在轴向滑轨上做轴向运动，然后按照步骤一的测量方法探测得到压力容器2下一个断层的γ射线活度，直到完成压力容器2所有断层的γ射线活度测量；
步骤三、根据测量得到的压力容器2外围断层径向上的γ射线活度
Figure BDA0002289208010000061
和反应堆堆芯1边界到γ射线探头的夹层厚度，计算得到反应堆堆芯1断层边界径向
Figure BDA0002289208010000062
上的γ射线活度
Figure BDA0002289208010000063
步骤四、运用反应堆堆芯1的衰减和散射校正系数，补偿γ射线探头的测量偏差，得到校正后的γ射线活度
Figure BDA0002289208010000064
步骤五、由于获得的反应堆堆芯1在断层径向
Figure BDA0002289208010000065
上的γ射线活度
Figure BDA0002289208010000066
实际上得到了断层γ射线活度的2D径向分布A(θ，r)在
Figure BDA0002289208010000067
上的投影值；数据处理单元利用反投影CT技术容易把
Figure BDA0002289208010000068
重构成断层γ射线活度的2D径向分布A(θ，r)；
步骤六、组合反应堆堆芯1所有断层的断层γ射线活度的2D径向分布，构成γ射线活度在径向和轴向的3D分布A(θ,r，M)，也就得到了中子通量在反应堆堆芯1径向和轴向的3D近似分布n′(θ,r,M)，并对n′(θ,r,M)进行校正，得到更精确的反应堆堆芯1中子通量分布n(θ,r,M)；
步骤七、由数据处理和成像单元6对反应堆堆芯中子通量分布进行处理，并由图像的形式显示出来。
在上述技术方案中，所述步骤三中的
Figure BDA0002289208010000069
表示反应堆堆芯中心1到反应堆堆芯1外围圆周上某点的方向向量，用L表示γ射线探头5需要在压力容器2一个断层上的测量次数，则：
Figure BDA00022892080100000610
其中，θ为γ射线探头5在反应堆堆芯一个断层上做一次测量的角位移，N为使用γ射线探头的个数。
在上述技术方案中，所述步骤三中反应堆堆芯断层边界径向
Figure BDA0002289208010000071
上的γ射线活度
Figure BDA0002289208010000072
的计算公式为：
Figure BDA0002289208010000073
其中，
Figure BDA0002289208010000074
表示γ射线活度在反应堆堆芯1边界与γ射线探头之间夹层中的衰减量，其夹层材料厚度为
Figure BDA0002289208010000075
在上述技术方案中，所述步骤四中γ射线活度
Figure BDA0002289208010000076
的校正公式为：
Figure BDA0002289208010000077
其中，b1、b2分别为γ射线沿反应堆堆芯1径向传播的衰减校正系数和散射校正系数。
在上述技术方案中，所述步骤六中M表示γ射线探头需要在反应堆堆芯轴向H高度上测试的断层数，则：
Figure BDA0002289208010000078
其中，h为γ射线探头每完成一个断层的测量后在轴向上的位移量，所以只需要γ射线探头在反应堆堆芯轴向上完成M个断层的测量，就可以得到M个断层γ射线活度的2D径向分布A(θ,r)组合成的γ射线活度在径向和轴向的3D分布A(θ,r，M)。
在上述技术方案中，所述步骤六中对n′(θ,r,M)的校正方法为：由于γ射线探头探测到的γ射线包括两部分，一部分γ射线与中子通量成正比关系，记为γ′，另一部分与中子通量相对保持不变，可以认为是本底γ射线，记为γ″，它们之间的关系为：
γ＝γ′+γ″
故需要去除本底γ的办法来进行校正，假如γ″射线引起γ射线探头5测量值的变化量为
Figure BDA0002289208010000079
则校正后的测量值
Figure BDA00022892080100000710
为：
Figure BDA00022892080100000711
再用校正后的测量值
Figure BDA0002289208010000081
重构得到γ射线在反应堆堆芯1的径向和轴向的3D分布α(θ,r,M)，也就得到了中子通量在反应堆堆芯径向和轴向的3D分布n(θ,r,M)；当然也可以直接测量γ′射线引起γ射线探头5的测量值变化量
Figure BDA0002289208010000082
重构得到n(θ,r,M)。
在上述技术方案中，所述步骤六中得到更精确的反应堆堆芯中子通量分布n(θ,r,M)后，每隔一定的时间Δt对反应堆堆芯进行一次测量，就可以得到中子通量在径向和轴向的3D分布n(θ,r,M,kΔt)。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种反应堆堆芯中子通量三维分布的测量方法，其特征在于，其所使用的反应堆堆芯中子通量三维分布测量系统的结构包括：
反应堆堆芯，其γ射线活度分布与中子通量分布相似；压力容器，所述反应堆堆芯设置于压力容器中；
滑轨，其固定在所述压力容器的外围；所述滑轨的结构包括：两个分别设置在压力容器上端和下端的圆周导轨；多个轴向滑轨，其分别设置在两个圆周导轨之间；
CT探测器，其具有数据处理和成像单元；多个γ射线探头，其位于所述压力容器外围，且分别滑动安装在轴向滑轨上；所述γ射线探头分别与CT探测器的数据处理和成像单元相接；
所述反应堆堆芯中子通量三维分布的测量方法包括以下步骤：
步骤一、两个圆周导轨带动轴向滑轨做圆周运动，γ射线探头围绕压力容器断层做圆周运动，γ射线探头测量得到压力容器外围上的γ射线活度；
步骤二、γ射线探头在轴向滑轨上做轴向运动，然后按照步骤一的测量方法探测得到压力容器下一个断层的γ射线活度，直到完成压力容器所有断层的γ射线活度测量；
步骤三、根据测量得到的压力容器外围断层径向上的γ射线活度
Figure FDA0003092811680000011
和反应堆堆芯边界到γ射线探头的夹层厚度，计算得到反应堆堆芯断层边界径向
Figure FDA0003092811680000012
上的γ射线活度
Figure FDA0003092811680000013
的计算公式为：
Figure FDA0003092811680000014
其中，
Figure FDA0003092811680000015
表示γ射线活度在反应堆堆芯边界与γ射线探头之间夹层中的衰减量，其夹层材料厚度为
Figure FDA0003092811680000016
表示反应堆堆芯中心到反应堆堆芯外围圆周上某点的方向向量，θ为γ射线探头在反应堆堆芯一个断层上做一次测量的角位移，用L表示γ射线探头需要在压力容器一个断层上的测量次数，则：
Figure FDA0003092811680000017
其中，N为使用γ射线探头的个数；
步骤四、运用反应堆堆芯的衰减和散射校正系数，补偿γ射线探头的测量偏差，得到校正后的γ射线活度
Figure FDA0003092811680000021
的校正公式为；
Figure FDA0003092811680000022
其中，b1、b2分别为γ射线沿反应堆堆芯径向传播的衰减校正系数和散射校正系数；
步骤五、由于获得的反应堆堆芯在断层径向
Figure FDA0003092811680000023
上的γ射线活度
Figure FDA0003092811680000024
实际上得到了断层γ射线活度的2D径向分布A(θ，r)在
Figure FDA0003092811680000025
上的投影值；数据处理单元利用反投影CT技术容易把
Figure FDA0003092811680000026
重构成断层γ射线活度的2D径向分布A(θ，r)；
步骤六、组合反应堆堆芯所有断层的断层γ射线活度的2D径向分布，构成γ射线活度在径向和轴向的3D分布A(θ,r，M)，也就得到了中子通量在反应堆堆芯径向和轴向的3D近似分布n′(θ,r,M)，并对n′(θ,r,M)进行校正，得到更精确的反应堆堆芯中子通量分布n(θ,r,M)，M表示γ射线探头需要在反应堆堆芯轴向H高度上测试的断层数，则：
Figure FDA0003092811680000027
其中，h为γ射线探头每完成一个断层的测量后在轴向上的位移量，所以只需要γ射线探头在反应堆堆芯轴向上完成M个断层的测量，就可以得到M个断层γ射线活度的2D径向分布A(θ,r)组合成的γ射线活度在径向和轴向的3D分布A(θ,r，M)；
步骤七、由数据处理和成像单元对反应堆堆芯中子通量分布进行处理，并由图像的形式显示出来。
2.如权利要求1所述的反应堆堆芯中子通量三维分布的测量方法，其特征在于，所述圆周导轨内侧设置有固定端，整个滑轨通过固定端固定在所述压力容器外围。
3.如权利要求1所述的反应堆堆芯中子通量三维分布的测量方法，其特征在于，所述两个圆周导轨可带动轴向滑轨顺时针或逆时针转动。
4.如权利要求1所述的反应堆堆芯中子通量三维分布的测量方法，其特征在于，所述步骤六中对n′(θ,r,M)的校正方法为：由于γ射线探头探测到的γ射线包括两部分，一部分γ射线与中子通量成正比关系，记为γ′，另一部分与中子通量相对保持不变，可以认为是本底γ射线，记为γ″，它们之间的关系为：
γ＝γ′+γ″
故需要去除本底γ的办法来进行校正，假如γ″射线引起γ射线探头测量值的变化量为
Figure FDA0003092811680000031
则校正后的测量值
Figure FDA0003092811680000032
为：
Figure FDA0003092811680000033
再用校正后的测量值
Figure FDA0003092811680000034
重构得到γ射线在反应堆堆芯的径向和轴向的3D分布α(θ,r,M)，也就得到了中子通量在反应堆堆芯径向和轴向的3D分布n(θ,r,M)；或直接测量γ′射线引起γ射线探头的测量值变化量
Figure FDA0003092811680000035
重构得到n(θ,r,M)。
5.如权利要求1所述的反应堆堆芯中子通量三维分布的测量方法，其特征在于，所述步骤六中得到更精确的反应堆堆芯中子通量分布n(θ,r,M)后，每隔一定的时间Δt对反应堆堆芯进行一次测量，就可以得到中子通量在径向和轴向的3D分布n(θ,r,M,kΔt)。
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