CN115274156A - 反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法及装置 - Google Patents

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张伟
章振宇
郑皓
方金土
杨康
雷夏生
王欣
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Abstract

本发明提供一种反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法及装置，方法包括：探测器探测一回路蒸汽发生器的传热管泄漏处的N‑16衰变产生的γ射线，并转换为电信号输出，所述探测器安装在二回路主蒸汽管道的监测点处，信号采集处理单元接收所述电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，并计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。本发明能够准确得出反应堆低功率下主蒸汽管道的泄漏率，避免异常高计数报警现象的发生。

Description

反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法及装置
技术领域
本发明具体涉及一种反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法及装置。
背景技术
N-16监测仪用于连续监测核电站正常运行和事故工况情况下，压水堆核电站蒸汽发生器U型管破损所致一回路水向二回路侧的泄漏率。目前国内外使用的N-16监测仪在反应堆高于20％功率时直接测量N-16衰变产生的6.128MeV的γ射线全能峰，通过全能峰计数计算主蒸汽管道泄漏率，低于20％功率时，只能测量0.2～2.2MeV总γ计数，对于主蒸汽管道泄漏率并不能得出准确数值，低功率条件下经常出现误报警，十分影响核电站的正常运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法及装置，能够准确得出反应堆低功率下主蒸汽管道的泄漏率，避免异常高计数报警现象的发生。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法，包括：
探测器探测一回路蒸汽发生器的传热管泄漏处的N-16衰变产生的γ射线，并转换为电信号输出，所述探测器安装在二回路主蒸汽管道的监测点处，
信号采集处理单元接收所述电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，并计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
反应堆低功率指的是反应堆功率低于20％的工况。
可选地，采用式(1)计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率：
q＝n/c (1)
式中：
q为主蒸汽管道泄漏率，单位为L/h；
n为进入探测器中的能量为511KeV的γ射线对应的脉冲计数值，单位为cps；
c为传热管的泄漏传输系数，单位为h/(L×s)。
可选地，所述传热管的泄漏传输系数c采用式(2)计算：
c＝K×Av (2)
式中：
K为MCNP程序计算得到的N16探测效率，单位为c×s-1/(Bq×m-3)；
Av为传热管泄漏时主蒸汽管道监测点处的N16放射性活度，单位为Bq×m-3/(l×h-1)。
可选地，所述传热管泄漏时主蒸汽管道监测点处的N16放射性活度Av采用式(3)计算：
Av＝Ap×(ρP/1000)×ρv×e-λt/(Q×3600) (3)
式中：
Ap：一回路中N-16的比活度，Bq·kg-1；
ρP：一回路中冷却剂的密度，kg·m-3；
ρv：蒸汽发生器出口的蒸汽密度，kg·m-3；
Q：主蒸汽管道中的蒸汽流速，kg·s-1；
λ：N-16的γ衰变常数，0.0972s-1；
t：N-16从传热管泄漏点到主蒸汽管道监测点之间的传递时间，s。
可选地，所述信号采集处理单元包括信号转换模块和数据处理模块，
所述信号转换模块与所述探测器电连接，用于接收所述电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，
所述数据处理模块与所述信号转换模块电连接，用于计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
本发明还提供一种反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测装置，包括：探测器和信号采集处理单元，所述探测器安装在二回路主蒸汽管道的监测点处，
所述探测器用于探测一回路蒸汽发生器的传热管泄漏处的N-16衰变产生的γ射线，并转换为电信号输出，
所述信号采集处理单元与所述探测器电连接，用于接收所述电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，并计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
可选地，所述信号采集处理单元包括信号转换模块和数据处理模块，
所述信号转换模块与所述探测器电连接，用于接收所述电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，
所述数据处理模块与所述信号转换模块电连接，用于计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
可选地，所述数据处理模块根据期内存储的式(1)计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率：
q＝n/c (1)
式中：
q为主蒸汽管道泄漏率，单位为L/h；
n为进入探测器中的能量为511KeV的γ射线对应的脉冲计数值，单位为cps；
c为传热管的泄漏传输系数，单位为h/(L×s)。
可选地，所述数据处理模块还根据期内存储的式(2)计算所述传热管的泄漏传输系数c：
c＝K×Av (2)
式中：
K为MCNP程序计算得到的N16探测效率，单位为c×s-1/(Bq×m-3)；
Av为传热管泄漏时主蒸汽管道监测点处的N16放射性活度，单位为Bq×m-3/(l×h-1)。
可选地，所述数据处理模块还根据期内存储的式(3)计算所述传热管泄漏时主蒸汽管道监测点处的N16放射性活度Av：
Av＝Ap×(ρP/1000)×ρv×e-λt/(Q×3600) (3)
式中：
Ap：一回路中N-16的比活度，Bq·kg-1；
ρP：一回路中冷却剂的密度，kg·m-3；
ρv：蒸汽发生器出口的蒸汽密度，kg·m-3；
Q：主蒸汽管道中的蒸汽流速，kg·s-1；
λ：N-16的γ衰变常数，0.0972s-1；
t：N-16从传热管泄漏点到主蒸汽管道监测点之间的传递时间，s。
申请人的研究表明，根据现场数据及源项计算，反应堆低功率下N-16的逃逸峰占比较高，同时可根据计算并扣除相应核素得到较为准确的泄漏率。因而，本发明在反应堆低功率下通过测量高能γ射线电子对效应产生的逃逸峰，即能量为511keV的γ射线计数来计算N-16的活度，以此计算得到较为准确的反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率，避免了异常高计数报警现象的发生。
附图说明
图1为本发明实施例2提供的探测器的结构示意图；
图2为泄漏率探测器的蒙卡模拟示意图；
图3为低功率工况环境下泄漏率探测器的能谱图；
图4为信号采集处理单元的框架图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法，包括：
探测器探测一回路蒸汽发生器的传热管泄漏处的N-16衰变产生的γ射线，并转换为电信号输出，所述探测器安装在二回路主蒸汽管道的监测点处，
信号采集处理单元接收所述电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，并计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
本发明还提供一种反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测装置，包括：探测器和信号采集处理单元，所述探测器安装在二回路主蒸汽管道的监测点处，
所述探测器用于探测一回路蒸汽发生器的传热管泄漏处的N-16衰变产生的γ射线，并转换为电信号输出，
所述信号采集处理单元与所述探测器电连接，用于接收所述电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，并计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
实施例1：
本实施例提供一种反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法，包括：
探测器探测一回路蒸汽发生器的传热管泄漏处的N-16衰变产生的γ射线，并转换为电信号输出，探测器安装在二回路主蒸汽管道的监测点处，
信号采集处理单元接收电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，并计算与脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
基于目前运行核电厂主蒸汽管道泄漏率测量中存在的异常高计数报警现象，考虑到在低功率情况下，N-16的γ射线全能峰计数会减少，同时NaI对高能粒子的探测效率变差。根据现场数据及源项计算，反应堆低功率下N-16的逃逸峰占比较高，同时可根据计算并扣除相应核素得到较为准确的泄漏率。因而，本发明在反应堆低功率下通过测量高能γ射线电子对效应产生的逃逸峰，即能量为511keV的γ射线计数来计算N-16的活度，以此计算得到较为准确的反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率，避免了异常高计数报警现象的发生。
本实施例中，
采用式(1)计算与脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率：
q＝n/c (1)
式中：
q为主蒸汽管道泄漏率，单位为L/h；
n为进入探测器中的能量为511KeV的γ射线对应的脉冲计数值，单位为cps；
c为传热管的泄漏传输系数，单位为h/(L×s)。
本实施例中，传热管的泄漏传输系数c与探测器几何因子k1、探测器效率因子k2及从传热管泄漏点到主蒸汽管道监测点之间的传递时间有关。
具体地，传热管的泄漏传输系数c采用式(2)计算：
c＝K×Av (2)
式中：
K(k1×k2)为MCNP程序计算得到的N16探测效率，单位为c×s-1/(Bq×m-3)；
Av为传热管泄漏时主蒸汽管道监测点处的N16放射性活度，单位为Bq×m-3/(l×h-1)。
其中，k1为探测器设备固有属性，k2通过蒙卡模拟计算得出，Av可通过核电站设计数据计算得出。
具体地，传热管泄漏时主蒸汽管道监测点处的N16放射性活度Av采用式(3)计算：
Av＝Ap×(ρP/1000)×ρv×e-λt/(Q×3600) (3)
式中：
Ap：一回路中N-16的比活度，Bq·kg-1；
ρP：一回路中冷却剂的密度，kg·m-3；
ρv：蒸汽发生器出口的蒸汽密度，kg·m-3；
Q：主蒸汽管道中的蒸汽流速，kg·s-1；
λ：N-16的γ衰变常数，0.0972s-1；
t：N-16从传热管泄漏点到主蒸汽管道监测点之间的传递时间，s。
实施例2：
本实施例提供一种反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测装置，包括：探测器1和信号采集处理单元，其中，探测器1安装在二回路主蒸汽管道的监测点处；
探测器1用于探测一回路蒸汽发生器的传热管泄漏处的N-16衰变产生的γ射线，并转换为电信号输出，
信号采集处理单元与探测器电连接，用于接收电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，并计算与脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
本实施例中，信号采集处理单元包括信号转换模块2和数据处理模块3，
信号转换模块2与探测器1电连接，用于接收电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，
数据处理模块3与信号转换模块2电连接，用于计算与脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
低功率下探测器1的结构见附图1，通过MCNP建模得到低功率下探测器模型，见附图2。
百万千瓦核电站反应堆典型主蒸汽管道几何尺寸：
探测器位置的主蒸汽管道外径(m)：0.813
主蒸汽管道厚度(m)：0.037
蒸汽密度(kg/m3)：35.750
主蒸汽管道材质：P280GH
主蒸汽管道保温层厚度(m)：0.12
保温层密度(kg/m3)：80
保温层材质：玻璃纤维
探头技术参数：
低功率下探测器通常使用的材料密度如表下表所示：
Figure BDA0003789127420000081
Figure BDA0003789127420000091
采用蒙卡程序计算低功率工况下能谱，得到计算结果如图3所示。可看出511KeV处探测效率及分辨率都满足要求。
参见图1，本实施例的探测器1包括包壳，以及包裹于包壳内的NaI晶体11和光电倍增管12，NaI晶体11用于探测泄漏的N-16发射的γ射线，光电倍增管12用于将γ射线信号转换为电信号输出。包壳包括内筒13和外筒14，以及位于内筒13和外筒14之间的隔热层15，此外，包壳外还设有铅屏蔽层16。
参见图2，信号转换模块2用于将从探测器1传输过来的光电转换信号进行处理，包括采集，整形，幅度甄别，有用信号选择，数字信号转换以及脉冲计数，最后将脉冲计数值发送给数据处理模块3。
数据处理模块3将N-16的511KeVγ辐射计数率通过传输系数计算公式：q＝n/c，得出反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率。
本实施例中，
数据处理模块3根据期内存储的式(1)计算与脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率：
q＝n/c (1)
式中：
q为主蒸汽管道泄漏率，单位为L/h；
n为进入探测器中的能量为511KeV的γ射线对应的脉冲计数值，单位为cps；
c为传热管的泄漏传输系数，单位为h/(L×s)。
本实施例中，传热管的泄漏传输系数c与探测器几何因子k1、探测器效率因子k2及从传热管泄漏点到主蒸汽管道监测点之间的传递时间有关。
具体地，数据处理模块还根据期内存储的式(2)计算传热管的泄漏传输系数c：
c＝K×Av (2)
式中：
K(k1×k2)为MCNP程序计算得到的N16探测效率，单位为c×s-1/(Bq×m-3)；
Av为传热管泄漏时主蒸汽管道监测点处的N16放射性活度，单位为Bq×m-3/(l×h-1)。
本实施例中，数据处理模块还根据期内存储的式(3)计算传热管泄漏时主蒸汽管道监测点处的N16放射性活度Av：
Av＝Ap×(ρP/1000)×ρv×e-λt/(Q×3600) (3)
式中：
Ap：一回路中N-16的比活度，Bq·kg-1；
ρP：一回路中冷却剂的密度，kg·m-3；
ρv：蒸汽发生器出口的蒸汽密度，kg·m-3；
Q：主蒸汽管道中的蒸汽流速，kg·s-1；
λ：N-16的γ衰变常数，0.0972s-1；
t：N-16从传热管泄漏点到主蒸汽管道监测点之间的传递时间，s。
信号转换模块2和数据处理模块3采用常规设计方法即可得到，在此不再赘述。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法，其特征在于，包括：
探测器探测一回路蒸汽发生器的传热管泄漏处的N-16衰变产生的γ射线，并转换为电信号输出，所述探测器安装在二回路主蒸汽管道的监测点处，
信号采集处理单元接收所述电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，并计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
2.根据权利要求1所述的反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法，其特征在于，
采用式(1)计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率：
q＝n/c (1)
式中：
q为主蒸汽管道泄漏率，单位为L/h；
n为进入探测器中的能量为511KeV的γ射线对应的脉冲计数值，单位为cps；
c为传热管的泄漏传输系数，单位为h/(L×s)。
3.根据权利要求2所述的反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法，其特征在于，
所述传热管的泄漏传输系数c采用式(2)计算：
c＝K×Av (2)
式中：
K为MCNP程序计算得到的N16探测效率，单位为c×s-1/(Bq×m-3)；
Av为传热管泄漏时主蒸汽管道监测点处的N16放射性活度，单位为Bq×m-3/(l×h-1)。
4.根据权利要求3所述的反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法，其特征在于，所述传热管泄漏时主蒸汽管道监测点处的N16放射性活度Av采用式(3)计算：
Av＝Ap×(ρP/1000)×ρv×e-λt/(Q×3600) (3)
式中：
Ap：一回路中N-16的比活度，Bq·kg-1；
ρP：一回路中冷却剂的密度，kg·m-3；
ρv：蒸汽发生器出口的蒸汽密度，kg·m-3；
Q：主蒸汽管道中的蒸汽流速，kg·s-1；
λ：N-16的γ衰变常数，0.0972s-1；
t：N-16从传热管泄漏点到主蒸汽管道监测点之间的传递时间，s。
5.根据权利要求1-4任一项所述的反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测方法，其特征在于，所述信号采集处理单元包括信号转换模块和数据处理模块，
所述信号转换模块与所述探测器电连接，用于接收所述电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，
所述数据处理模块与所述信号转换模块电连接，用于计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
6.一种反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测装置，其特征在于，包括：探测器和信号采集处理单元，所述探测器安装在二回路主蒸汽管道的监测点处，
所述探测器用于探测一回路蒸汽发生器的传热管泄漏处的N-16衰变产生的γ射线，并转换为电信号输出，
所述信号采集处理单元与所述探测器电连接，用于接收所述电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，并计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
7.根据权利要求6所述的反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测装置，其特征在于，所述信号采集处理单元包括信号转换模块和数据处理模块，
所述信号转换模块与所述探测器电连接，用于接收所述电信号，并对其进行处理，以得到与能量为511keV的γ射线对应的脉冲计数值，
所述数据处理模块与所述信号转换模块电连接，用于计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率。
8.根据权利要求7所述的反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测装置，其特征在于，
所述数据处理模块根据期内存储的式(1)计算与所述脉冲计数值对应的主蒸汽管道泄漏率：
q＝n/c (1)
式中：
q为主蒸汽管道泄漏率，单位为L/h；
n为进入探测器中的能量为511KeV的γ射线对应的脉冲计数值，单位为cps；
c为传热管的泄漏传输系数，单位为h/(L×s)。
9.根据权利要求8所述的反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测装置，其特征在于，
所述数据处理模块还根据期内存储的式(2)计算所述传热管的泄漏传输系数c：
c＝K×Av (2)
式中：
K为MCNP程序计算得到的N16探测效率，单位为c×s-1/(Bq×m-3)；
Av为传热管泄漏时主蒸汽管道监测点处的N16放射性活度，单位为Bq×m-3/(l×h-1)。
10.根据权利要求9所述的反应堆低功率下主蒸汽管道泄漏率的监测装置，其特征在于，
所述数据处理模块还根据期内存储的式(3)计算所述传热管泄漏时主蒸汽管道监测点处的N16放射性活度Av：
Av＝Ap×(ρP/1000)×ρv×e-λt/(Q×3600) (3)
式中：
Ap：一回路中N-16的比活度，Bq·kg-1；
ρP：一回路中冷却剂的密度，kg·m-3；
ρv：蒸汽发生器出口的蒸汽密度，kg·m-3；
Q：主蒸汽管道中的蒸汽流速，kg·s-1；
λ：N-16的γ衰变常数，0.0972s-1；
t：N-16从传热管泄漏点到主蒸汽管道监测点之间的传递时间，s。
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