CN115688358A - 基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统 - Google Patents

基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统 Download PDF

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CN115688358A CN202211017258.3A CN202211017258A CN115688358A CN 115688358 A CN115688358 A CN 115688358A CN 202211017258 A CN202211017258 A CN 202211017258A CN 115688358 A CN115688358 A CN 115688358A
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廖鸿宽
陈飞飞
刘同先
李庆
胡钰莹
王丹
蔡云
刘佳艺
吴屈
肖鹏
谢运利
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Abstract

本发明公开了基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统，涉及核反应堆物理试验领域，其技术方案要点是：模拟各瞬态下的堆芯精细功率分布后建立堆芯理论数据库，并以耦合系数方法建立各燃料组件中各节块的耦合系数；获取以堆内自给能探测器采集的固定与离散的实测电流数据，并采用高阶拟合方法拓展得到连续功率分布信息；依据耦合系数和连续功率分布信息，采用在线功率分布拓展软件拓展得到全堆实测功率分布；将瞬态下的堆芯精细功率分布与全堆实测功率分布对比，得到功率分布偏差试验结果。本发明在瞬态的堆芯功率分布计算基础上，与实时的堆内自给能探测器电流相结合，可给出当前堆芯状态的实测功率分布。

Description

基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统
技术领域
本发明涉及核反应堆物理试验领域，更具体地说，它涉及基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统。
背景技术
由于核电厂经济效益与满功率运行时间密切相关，功率分布试验的稳定时间直接影响核电厂负荷因子，过长的稳定时间直接降低了电厂经济效益，因此很多核电厂在实际运行中已经开展了升功率试验优化研究，目前主要思路是通过模拟计算，在升功率完成之后等待不同时间间隔，找到与理论氙平衡状态堆芯关键参数偏差较小的等待时间间隔，以此间隔作为升功率等待时间，完成理论计算值对比分析之后确定出每一个升功率平台下等待时间间隔，在此间隔下进行理论值与实测值对比，验证相关验收准则是否满足。上述方法能够在部分核电厂启动物理试验中采用，主要由于在等待使得参数偏差较小的时间间隔之后，堆芯数据测量需要大约2小时才能完成，而在完成等待时间间隔之后，开始测量，堆芯参数变化较小，可以将整个测量过程中的数据看作是完成等待之后立刻进行测量而得到的数据，但该方法存在的主要问题在于需要依靠试验数据的具体结果确定是否可能缩短等待时间，通常来说缩短等待时间堆芯内部氙毒物浓度未达到平衡状态，计算结果相对于氙平衡状态偏于保守，因此很容易出现当缩短等待时间之后相关验收准则无法满足导致超限的情况，仍然需要等待24小时后进行补充试验，导致试验操作的额外增加。同时，此方法的主要理论依据在于缩短时间后的实测数据与理论设计值的偏差大于平衡氙状态下的实测值与理论设计值的偏差，但非平衡态的氙分布对于功率分布的扰动并不一定是增大偏差，从而使得反应堆的安全无法得到验证。
为此，现有技术中记载有公开号为CN114266157A的、名称为实现任意时刻反应堆功率分布试验的方法、装置和设备的中国专利申请。其采用高精度堆芯计算程序进行堆芯建模，精确计算任意时刻下的反应堆堆芯理论数据库，结合当前时刻探测器实测电流数据获取实测堆芯功率分布，以此与高精度堆芯计算程序获得的堆芯理论设计值进行对比，达到验证堆芯功率分布的目的，解决了升功率试验需要等待堆芯达到氙平衡状态的问题。然而，上述文献中针对的是二代加核电厂，堆内电流采用可移动式探测器开展堆内电流获取，仅能在固定的周期(一般为30等效满功率天)情况下进行堆内电流测量。具体为，采用移动小车逐步插入和提出探测器，获取各探测器组件的实测电流信息，其特点是非实时，多点连续测量。
随着三代核电厂的不断发展，堆内配置有固定式自给能探测器，采用传统非实时、连续测量的功率分布拓展方法不再适用。因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统，基于耦合系数方法、高阶拟合方法以及堆内精细功率分布计算的功率分布重构方法，有效解决了在固定、离散电流数据下的全堆三维功率分布拓展问题；在瞬态的堆芯功率分布计算基础上，与实时的堆内自给能探测器电流相结合，可给出当前堆芯状态的实测功率分布。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法，包括以下步骤：
采用三维堆芯精细功率分布计算软件模拟各瞬态下的堆芯精细功率分布后建立堆芯理论数据库，并以耦合系数方法建立各燃料组件中各节块的耦合系数；
获取以堆内自给能探测器采集的固定与离散的实测电流数据，并采用高阶拟合方法拓展得到连续功率分布信息；
依据耦合系数和连续功率分布信息，采用在线功率分布拓展软件拓展得到全堆实测功率分布；
将瞬态下的堆芯精细功率分布与全堆实测功率分布对比，得到功率分布偏差试验结果。
进一步的，所述堆芯精细功率分布的模拟过程具体为：
模拟反应堆功率分布试验过程，完成模拟堆芯升功率达目标功率平台后，在预设等待时间X之后计算堆芯功率分布，并根据堆芯功率分布计算得到堆芯关键参数理论值；
模拟堆芯升功率过程，进入下一功率平台试验模拟，完成所有功率平台下的堆芯关键参数理论计算，得到试验过程的堆芯理论数据库。
进一步的，所述堆芯精细功率分布模拟通过考虑燃料燃耗和短半衰期高吸收截面核素燃耗以计算三维堆芯中各堆芯节块的通量分布和功率分布。
进一步的，所述燃料燃耗的模拟计算公式具体为：
Figure BDA0003810974990000021
其中，Ni表示第i个核素的核子密度；n表示系统中核素的总数；β表示核素之间的反应系数，包括衰变、裂变以及俘获反应过程；βj→i表示由第j个核素生成第i个核素的反应率，βi表示第i个核素的消失率；Nj(0)表示第j个核素在0时刻的核子密度；N0,j表示第j个核素初始时刻的核子密度。
进一步的，所述短半衰期高吸收截面核素燃耗包括碘核素燃耗和氙核素燃耗。
进一步的，所述碘核素燃耗的模拟计算公式具体为：
Figure BDA0003810974990000031
其中，NI(t)表示碘在t时的核子密度；γI表示碘的裂变份额；Σf表示裂变截面；φ(t)表示t时的中子通量；λI表示碘的衰变常数。
进一步的，所述氙核素燃耗的模拟计算公式具体为：
Figure BDA0003810974990000032
其中，NXe(t)表示在氙t时的核子密度；γXe表示氙的裂变份额；Σf表示裂变截面；φ(t)表示t时的中子通量；λI表示碘的衰变常数；NI(t)表示碘在t时的核子密度；λXe表示氙的衰变常数；σa,Xe表示氙的微观吸收截面。
第二方面，提供了基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验系统，包括：
仿真模块，用于采用三维堆芯精细功率分布计算软件模拟各瞬态下的堆芯精细功率分布后建立堆芯理论数据库，并以耦合系数方法建立各燃料组件中各节块的耦合系数；
测量模块，用于获取以堆内自给能探测器采集的固定与离散的实测电流数据，并采用高阶拟合方法拓展得到连续功率分布信息；
重构模块，用于依据耦合系数和连续功率分布信息，采用在线功率分布拓展软件拓展得到全堆实测功率分布；
验证模块，用于将瞬态下的堆芯精细功率分布与全堆实测功率分布对比，得到功率分布偏差试验结果。
第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法。
第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法，基于耦合系数方法、高阶拟合方法以及堆内精细功率分布计算的功率分布重构方法，有效解决了在固定、离散电流数据下的全堆三维功率分布拓展问题；在瞬态的堆芯功率分布计算基础上，与实时的堆内自给能探测器电流相结合，可给出当前堆芯状态的实测功率分布。
2、本发明无需进行任何硬件改造即可完成功率分布试验，且将升功率平台等待时间的减少并不会影响其他试验进行。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的流程图；
图2是本发明实施例中的系统框图；
图3是本发明实施例中华龙一号典型堆芯装载图；
图4是本发明实施例中50％功率平台组件功率分布；
图5是现有技术稳定24h结果的50％功率平台组件功率偏差；
图6是本发明实施例中稳定0结果的50％功率平台组件功率偏差。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法，包括以下步骤：
S1：采用三维堆芯精细功率分布计算软件模拟各瞬态下的堆芯精细功率分布后建立堆芯理论数据库，并以耦合系数方法建立各燃料组件中各节块的耦合系数；三维堆芯精细功率分布计算软件可采用CORCA-3D；
S2：获取以堆内自给能探测器采集的固定与离散的实测电流数据，并采用高阶拟合方法拓展得到连续功率分布信息；
S3：依据耦合系数和连续功率分布信息，采用在线功率分布拓展软件拓展得到全堆实测功率分布；在线功率分布拓展软件可采用RAINBOW；
S4：将瞬态下的堆芯精细功率分布与全堆实测功率分布对比，得到功率分布偏差试验结果。
本发明通过高精度堆芯计算程序，实现在堆内非氙平衡条件下堆芯参数的准确计算，同时按照设定的反应堆工况变化水平获得设定的稳定时间之后的堆芯理论数据库，结合堆芯自给能探测器信号，得到设定的稳定时间之后的全堆实测电流数据，从而获得任意时刻的堆芯实测参数，与理论设计值比较，完成升功率平台试验中的试验参数对比与验收。本发明无需进行任何硬件改造和附件设备采购即可完成功率分布试验。另外，将升功率平台等待时间的减少并不会影响其他试验进行。
以海南昌江核电厂为例，该电厂根据相关设计要求，在换料堆芯物理启动试验过程中升功率试验平台包括：50％FP、75％FP、100％FP共计三个功率平台，其中前两个升功率平台最多可有效缩短等待时间总计48小时，对于整体启动物理试验过程优化效果明显，可以显著提高反应堆堆芯负荷因子，初步估计将增加经济效益一千万元左右。
堆芯精细功率分布的模拟过程具体为：
(1)模拟反应堆功率分布试验过程，完成模拟堆芯升功率达目标功率平台后，在预设等待时间X之后计算堆芯功率分布，并根据堆芯功率分布计算得到堆芯关键参数理论值；
(2)模拟堆芯升功率过程，进入下一功率平台试验模拟，完成所有功率平台下的堆芯关键参数理论计算，得到试验过程的堆芯理论数据库。
堆芯精细功率分布模拟通过考虑燃料燃耗和短半衰期高吸收截面核素燃耗以计算三维堆芯中各堆芯节块的通量分布和功率分布。
燃料燃耗的模拟计算公式具体为：
Figure BDA0003810974990000051
其中，Ni表示第i个核素的核子密度；n表示系统中核素的总数；β表示核素之间的反应系数，包括衰变、裂变以及俘获反应过程；βj→i表示由第j个核素生成第i个核素的反应率，βi表示第i个核素的消失率；Nj(0)表示第j个核素在0时刻的核子密度；N0,j表示第j个核素初始时刻的核子密度。
短半衰期高吸收截面核素燃耗包括碘核素燃耗和氙核素燃耗。
碘核素燃耗的模拟计算公式具体为：
Figure BDA0003810974990000052
其中，NI(t)表示碘在t时的核子密度；γI表示碘的裂变份额；Σf表示裂变截面；φ(t)表示t时的中子通量；λI表示碘的衰变常数。
氙核素燃耗的模拟计算公式具体为：
Figure BDA0003810974990000061
其中，NXe(t)表示在氙t时的核子密度；γXe表示氙的裂变份额；Σf表示裂变截面；φ(t)表示t时的中子通量；λI表示碘的衰变常数；NI(t)表示碘在t时的核子密度；λXe表示氙的衰变常数；σa,Xe表示氙的微观吸收截面。
以华龙一号堆芯(一个百万千瓦级核电厂反应堆堆芯，该堆芯由177组燃料组件构成)为例，该示例中其典型堆芯装载方式如图3所示，通过模拟得到从0功率平台按照3％FP/min的升功率速度提升至50％FP功率平台时刻堆内自给能探测器时刻以及稳定24小时时刻的堆芯理论电流值，再通过工程设计软件包(SCIENCE V2)模拟得到刚达到50％FP时刻以及稳定24小时后的堆芯理论数据库，分别采用本发明中方法和传统方法建立了50％FP功率平台的堆芯通量图测量结果，对比组件功率分布见图4，应用传统方法和本申请方法计算得到的燃料组件功率分布偏差见图5与图6，相关试验验收结果见表1。可以看出，本发明中给出的方法与传统方法的验收项均满足验收准则，可满足通量图试验的要求，且本发明采用的方法的计算结果相对于传统方法更加保守，可确保堆芯的安全性得到满足。
表1典型工况下通量图试验结果示例
Figure BDA0003810974990000062
实施例2：基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验系统，该系统用于实现实施例1中所记载的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验，如图2所示，包括仿真模块、测量模块、重构模块和验证模块。
其中，仿真模块，用于采用三维堆芯精细功率分布计算软件模拟各瞬态下的堆芯精细功率分布后建立堆芯理论数据库，并以耦合系数方法建立各燃料组件中各节块的耦合系数；测量模块，用于获取以堆内自给能探测器采集的固定与离散的实测电流数据，并采用高阶拟合方法拓展得到连续功率分布信息；重构模块，用于依据耦合系数和连续功率分布信息，采用在线功率分布拓展软件拓展得到全堆实测功率分布；验证模块，用于将瞬态下的堆芯精细功率分布与全堆实测功率分布对比，得到功率分布偏差试验结果。
工作原理：本发明采用高精度堆芯计算程序，从理论上确保未达氙平衡状态下理论状态与实测堆芯状态保持一致，避免了由于理论数据库与实测状态不一致导致的参数超限以及额外的试验操作；对于我国现有的压水堆核电厂来说，采用本发明所记载的技术只需利用现有硬件设计进行堆芯参数测量，通过本发明提出的自动化功率分布试验装置，通过仿真模块完成任意时刻堆芯状态的理论关键参数计算与理论数据库产生。重构模块结合堆内实测数据与高精度功率分布拓展程序获得堆内实测功率分布，由实测功率分布计算得到堆内实测关键参数；通过验证模块完成堆芯关键参数理论值与实测值对比，实现升功率平台任意时刻的功率分布试验。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法，其特征是，包括以下步骤：
采用三维堆芯精细功率分布计算软件模拟各瞬态下的堆芯精细功率分布后建立堆芯理论数据库，并以耦合系数方法建立各燃料组件中各节块的耦合系数；
获取以堆内自给能探测器采集的固定与离散的实测电流数据，并采用高阶拟合方法拓展得到连续功率分布信息；
依据耦合系数和连续功率分布信息，采用在线功率分布拓展软件拓展得到全堆实测功率分布；
将瞬态下的堆芯精细功率分布与全堆实测功率分布对比，得到功率分布偏差试验结果。
2.根据权利要求1所述的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统，其特征是，所述堆芯精细功率分布的模拟过程具体为：
模拟反应堆功率分布试验过程，完成模拟堆芯升功率达目标功率平台后，在预设等待时间X之后计算堆芯功率分布，并根据堆芯功率分布计算得到堆芯关键参数理论值；
模拟堆芯升功率过程，进入下一功率平台试验模拟，完成所有功率平台下的堆芯关键参数理论计算，得到试验过程的堆芯理论数据库。
3.根据权利要求1所述的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统，其特征是，所述堆芯精细功率分布模拟通过考虑燃料燃耗和短半衰期高吸收截面核素燃耗以计算三维堆芯中各堆芯节块的通量分布和功率分布。
4.根据权利要求3所述的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统，其特征是，所述燃料燃耗的模拟计算公式具体为：
Figure FDA0003810974980000011
其中，Ni表示第i个核素的核子密度；n表示系统中核素的总数；β表示核素之间的反应系数，包括衰变、裂变以及俘获反应过程；βj→i表示由第j个核素生成第i个核素的反应率，βi表示第i个核素的消失率；Nj(0)表示第j个核素在0时刻的核子密度；N0,j表示第j个核素初始时刻的核子密度。
5.根据权利要求3所述的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统，其特征是，所述短半衰期高吸收截面核素燃耗包括碘核素燃耗和氙核素燃耗。
6.根据权利要求5所述的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统，其特征是，所述碘核素燃耗的模拟计算公式具体为：
Figure FDA0003810974980000021
其中，NI(t)表示碘在t时的核子密度；γI表示碘的裂变份额；Σf表示裂变截面；φ(t)表示t时的中子通量；λI表示碘的衰变常数。
7.根据权利要求5所述的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法及系统，其特征是，所述氙核素燃耗的模拟计算公式具体为：
Figure FDA0003810974980000022
其中，NXe(t)表示在氙t时的核子密度；γXe表示氙的裂变份额；Σf表示裂变截面；φ(t)表示t时的中子通量；λI表示碘的衰变常数；NI(t)表示碘在t时的核子密度；λXe表示氙的衰变常数；σa,Xe表示氙的微观吸收截面。
8.基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验系统，其特征是，包括：
仿真模块，用于采用三维堆芯精细功率分布计算软件模拟各瞬态下的堆芯精细功率分布后建立堆芯理论数据库，并以耦合系数方法建立各燃料组件中各节块的耦合系数；
测量模块，用于获取以堆内自给能探测器采集的固定与离散的实测电流数据，并采用高阶拟合方法拓展得到连续功率分布信息；
重构模块，用于依据耦合系数和连续功率分布信息，采用在线功率分布拓展软件拓展得到全堆实测功率分布；
验证模块，用于将瞬态下的堆芯精细功率分布与全堆实测功率分布对比，得到功率分布偏差试验结果。
9.一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任意一项所述的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法。
10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1-7中任意一项所述的基于堆内自给能探测器的反应堆功率分布试验方法。
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