CN116206789B - 一种核反应堆在线次临界度监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核反应堆在线次临界度监测方法和系统，方法包括实时获取核反应堆堆内外若干中子探测器测量信号，并对测量信号进行优化得到中子信号以及第一测量信号优选判据；建立核反应堆堆芯三维分析物理模型，并基于反应堆堆芯三维分析物理模型计算得到探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值；采用修正算法计算得到中子探测器测量信号的修正因子以及第二测量信号优选判据；基于探测器测量信号的修正因子，对各探测器的中子信号进行修正并根据第一测量信号优选判据和第二测量信号优选判据确定次临界度监测结果。本发明弥补了现有测量及修正技术的不足，提高反应堆在线次临界度监测的准确性和修正计算分析的效率。

Description

一种核反应堆在线次临界度监测方法和系统

技术领域

本发明属于核反应堆监测技术领域，具体涉及一种核反应堆在线次临界度监测方法和系统。

背景技术

核反应堆堆芯的中子通量测量主要基于活化法离线测量或堆内探测器在线测量，而堆内探测器测量时可采用固定测量和移动测量方式。

根据法规要求，在反应堆装卸料过程、或物理启动试验前的控制棒调试过程，为确保核安全，需要测量反应堆的次临界度，在反应堆零功率物理试验时，也需要测量反应堆次临界度，为校核理论计算提供数据。

现有测量方法为中子源倍增法，该方法测量原理简单，测量设备容易获得，适用于各种复杂的情况。但该方法基于点堆模型，测量过程受中子通量高次谐波、中子通量分布空间效应以及源中子价值变化的影响，测量结果存在误差，在深次临界状态下进行测量误差较大，在某些接近临界的测量状态甚至会出现次临界度低估的情况。因此，在次临界度测量过程中直接使用该方法存在不确定性。

现有次临界度测量方法基于点堆模型，将探测器处的计数视为堆内的平均水平进行比较。然而对于堆芯局部引入反应性的状态，堆内各处中子通量分布、中子价值存在较大差异，不同状态下探测器处中子通量的差异则更为明显。在此种情况下直接使用源倍增法进行临界监督，测量结果存在较大误差。

为此，已有研究提出了基于高精度概率论计算软件的次临界度测量修正算法，需要计算堆外探测器中子通量、堆芯中子通量分布、共轭通量分布等物理参数，但该方法计算时间长、不确定度来源多，仅可通过预计算分析获得部分典型次临界状态的修正因子，进行修正测量，对于临时新增的待测状态无法快速实现预修正分析，较难基于现有的次临界度测量修正算法实现准确的在线次临界度监测。

发明内容

为了解决现有技术测量结果误差较大、计算时间长且不确定度来源多的问题，本发明提供了一种核反应堆在线次临界度监测方法。本发明基于三维时空动力学，缩短修正计算分析时间、减少不确定度来源，以快速减小次临界度在线监测过程中子通量高次谐波、中子通量分布空间效应以及源中子价值变化影响，弥补现有测量及修正技术的不足，提高反应堆在线次临界度监测的准确性和修正计算分析的效率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种核反应堆在线次临界度监测方法，包括：

实时获取核反应堆堆内外若干中子探测器测量信号，并采用伽马中子信号分离优化算法对测量信号进行优化得到中子信号以及第一测量信号优选判据；所述第一测量信号优选判据与中子探测器测量信号中的伽马信号和中子信号的信噪比相关；

建立核反应堆堆芯三维分析物理模型，并基于所述反应堆堆芯三维分析物理模型计算得到探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值；

基于探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值，采用修正算法计算得到中子探测器测量信号的修正因子以及第二测量信号优选判据；所述第二测量信号优选判据与修正因子接近1的程度相关；

基于探测器测量信号的修正因子，对各探测器的中子信号进行修正并根据第一测量信号优选判据和第二测量信号优选判据确定次临界度监测结果。

作为优选实施方式，本发明的伽马中子信号分离优化算法具体为：

实时获取核反应堆堆内外n个中子探测器的测量信号；

采用伽马分析识别技术，实现n个所述中子探测器测量信号中的中子信号与伽马信号的识别，将伽马信号识别分离，仅保留中子信号；

获得n个所述中子探测器测量信号中的伽马信号和中子信号的信噪比；

将n个所述信噪比按大小排序，作为第一测量信号优选判据。

作为优选实施方式，本发明的建立核反应堆堆芯三维分析物理模型，具体为：

采用蒙特卡罗方法进行核反应堆堆芯三维分析物理模型建模；

所述三维分析物理模型在开始在线监测前，进行典型工况验证校核，以保证所述三维分析物理模型在实测临界棒位计算获得k_eff值，其计算偏差在0.995～1.005范围内。

作为优选实施方式，本发明的基于所述反应堆堆芯三维分析物理模型计算得到探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值，具体包括：

基于所述三维分析物理模型，采用蒙特卡罗方法的固定源分析方法，计算得到基准次临界状态和待测次临界状态下的各探测器处中子通量；

基于所述三维分析物理模型，采用蒙特卡罗方法的临界源分析方法，计算得到基准临界状态和待测临界状态下的的k_eff值。

作为优选实施方式，本发明的计算得到基准次临界状态和待测次临界状态下的各探测器处中子通量，具体包括：

根据实际情况，在堆内或堆外中子源位置布置中子源及燃料裂变源，通过固定源问题求解方式，在测量开始前计算分析得到基准次临界状态下的探测器处中子通量，并在在线监测过程中，根据待测次临界状态下的控制棒参数，获得待测次临界状态下的探测器处中子通量；

根据实际情况，在堆内燃料处布置初始裂变源，跳出预设初始循环代后，通过临界源问题求解方式，在测量开始前计算分析得到基准次临界状态下的k_eff值，并在在线监测过程中，根据待测次临界状态的控制棒参数，获得待测次临界状态下的k_eff值。

作为优选实施方式，本发明的采用修正算法计算得到中子探测器测量信号的修正因子以及第二测量信号优选判据，具体包括：

采用优化算法计算得到堆内外n个所述中子探测器测量信号的修正因子；

将n所述修正因子按最接近1的程度排序，作为第二测量信号优选判据。

作为优选实施方式，本发明的优化算法表示为：

式中，k_eff，l为待测次临界状态下的k_eff值，k_eff，ref为基准次临界状态下的k_eff值，为基准次临界状态下的探测器处中子通量，/>为待测次临界状态下的探测处中子通量。

作为优选实施方式，本发明的对各探测器的中子信号进行修正并根据第一测量信号优选判据和第二测量信号优选判据确定次临界度监测结果，具体包括：

计算得到n个所述探测器测量信号的修正后的次临界度监测结果；

综合第一测量信号优选判据和第二测量信号优选判据，选取一个或至少两个优选探测器的次临界度监测结果作为最终结果。

作为优选实施方式，本发明的次临界度监测结果计算方式如下：

式中，ρ_l为探测器测量信号的修正后的次临界度监测结果，N_l和N_ref分别为待测次临界状态和基准次临界状态下某一探测器的中子信号，k_eff，ref为基准次临界状态下的k_eff值。

另一方面，本发明提出了一种核反应堆在线次临界度监测系统，包括：

中子信号优化模块，用于实时获取核反应堆堆内外若干中子探测器测量信号，并采用伽马-中子信号分离优化算法对测量信号进行优化得到中子信号以及第一测量信号优选判据；所述第一测量信号优选判据与中子探测器测量信号中的伽马信号和中子信号的信噪比相关；

物理参数计算模块，用于建立反应堆堆芯三维分析物理模型，并基于该反应堆堆芯三维分析物理模型计算得到探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值；

修正因子计算模块，基于探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值，采用修正算法计算得到中子探测器测量信号的修正因子以及第二测量信号优选判据；所述第二测量信号优选判据与修正因子接近1的程度相关；

在线监测模块，基于探测器测量信号的修正因子，对各探测器的中子信号进行修正并根据第一测量信号优选判据和第二测量信号优选判据确定次临界度监测结果。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明采用基于三维时空动力学的优化修正算法，减少了修正计算物理量，缩短了修正计算时间，减少了不确定度来源，使得在线次临界度监测过程中，能够实现快速实时在线修正分析，提高了在线次临界度监测的准确性和效率。

本发明提出的核反应堆在线次临界度监测技术，为进一步实现快速在线分析及高精度在线监测提供了可能。

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为本发明实施例的方法流程示意图。

图2为本发明实施例的计算机设备结构图。

图3为本发明实施例的系统原理框图。

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

针对次临界度在线监测过程中，中子通量高次谐波、中子通量分布空间效应以及源中子价值变化影响，以及监测过程中修正计算分析时间长、不确定度来源多的问题。本发明实施例提出了一种核反应堆在线次临界度监测方法，本发明实施例提出的方法采用基于三维时空动力学的优化修正方法，减少了修正计算物理量，缩短了修正计算时间，减少了不确定度来源，使得在线次临界度监测过程中，能够实现快速实时在线修正分析，提高了在线次临界度监测的准确性和效率。

具体如图1所示，本发明实施例提出的方法包括如下步骤：

步骤1，实时获取核反应堆堆内外若干中子探测器测量信号，并采用伽马中子信号分离优化算法对测量信号进行优化得到中子信号以及第一测量信号优选判据。

步骤2，建立核反应堆堆芯三维分析物理模型，并基于该反应堆堆芯三维物理模型计算得到探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值。

步骤3，基于探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值，采用修正算法计算得到中子探测器测量信号的修正因子以及第二测量信号优选判据。

步骤4，基于探测器测量信号的修正因子，对各探测器的中子信号进行修正并根据测量信号优选判据确定次临界度监测结果。

作为一种可选的实施方式，步骤1和步骤2无需按照顺序执行。

作为一种可选的实施方式，步骤1的伽马中子信号分离优化算法具体为：

步骤11，实时获取核反应堆堆内外n个中子探测器的测量信号；其中，n为正整数；

步骤12，采用伽马分析识别技术，根据信号的上升时间、幅度等基础特性实现中子信号与伽马信号的识别，将伽马信号识别分离，仅保留中子信号；

步骤13，获得堆内外n个中子探测器测量信号的伽马信号和中子信号的信噪比R_i(i＝1,2,3，…，n)；

步骤14，以信噪比的大小排序，作为第一测量信号优选判据。

作为一种可选的实施方式，步骤2具体包括如下子步骤：

步骤21，采用蒙特卡罗方法进行高精度核反应堆堆芯三维分析物理模型建模。具体基于实际制造尺寸及材料成分密度等参数，建立反应堆堆芯物理模型，堆芯物理模型在开始在线监测前，需经过典型工况验证校核，以保证堆芯物理模型在实测临界棒位计算获得k_eff值，即k_eff，0计算偏差应在0.995～1.005范围内。

步骤22，基于该三维分析物理模型，采用蒙特卡罗方法的固定源分析方法，计算得到基准次临界状态和待测次临界状态下的各探测器处中子通量。

具体的，基于上述三维分析物理模型，根据实际情况，在堆内或堆外中子源位置布置中子源及燃料裂变源，通过固定源问题求解方式，在测量开始前计算分析获得基准次临界状态的探测器处中子通量并在在线监测过程中，根据待测次临界状态的控制棒棒位等参数，获得待测次临界状态下的探测器处中子通量/>用于在线修正因子计算。

步骤23，基于该三维分析物理模型，采用蒙特卡罗方法的临界源分析方法，计算得到基准临界状态和待测临界状态下的的k_eff值。

基于上述三维分析物理模型，根据实际情况，在堆内燃料处布置初始裂变源，跳出足够初始循环代后，通过临界源问题求解方法，在测量开始前计算分析获得基准次临界状态的k_eff值(k_eff，ref)，并在在线监测过程中，根据待测次临界状态的控制棒棒位等参数，获得待测次临界状态下的k_eff值(k_eff，l)，用于在线修正因子计算。

作为一种可选的实施方式，现有的次临界度测量修正算法需要计算堆外探测器中子通量、堆芯中子通量分布、共轭通量分布等物理参数，计算时间长、不确定度来源多。现基于三维时空动力学，对修正公式进一步优化，得到下式(1)，采用优化后的修正公式，仅需要探测器处的中子通量及相应次临界状态的k_eff值，即可获得修正因子C_l，大幅提高了计算效率，并减少了不确定度来源，大幅降低了在线实时修正分析的时间。

式中，k_eff，l为待测次临界状态下的k_eff值，k_eff，ref为基准次临界状态下的k_eff值，为基准次临界状态下的探测器处中子通量，/>为待测次临界状态下的探测处中子通量。

步骤3具体包括以下子步骤：

步骤31，采用式(1)所示的优化算法计算得到堆内外n个中子探测器测量信号的修正因子。

步骤32，以修正因子最接近1的程度排序，作为第二测量信号优选判据。

作为一种可选的实施方式，步骤4具体包括如下子步骤：

步骤41，通过下式(2)获得各个探测器测量信号的修正后的次临界度监测结果。

式中，ρ_l为探测器测量信号的修正后的次临界度监测结果，N_l和N_ref分别为待测次临界状态和基准次临界状态下某一探测器的中子信号，k_eff，ref为基准次临界状态下的k_eff值。

步骤42，综合考虑修正因子和伽马-中子信噪比的排序情况，即上述第一测量信号优选判据和第二测量信号优选判据，选取一个或至少两个优选探测器的次临界度监测结果作为最终结果。

本实施例还提出了一种计算机设备，用于执行本实施例的上述方法。

具体如图2所示，计算机设备包括处理器、内存储器和系统总线；内存储器和处理器在内的各种设备组件连接到系统总线上。处理器是一个用来通过计算机系统中基本的算术和逻辑运算来执行计算机程序指令的硬件。内存储器是一个用于临时或永久性存储计算程序或数据(例如，程序状态信息)的物理设备。系统总线可以为以下几种类型的总线结构中的任意一种，包括存储器总线或存储控制器、外设总线和局部总线。处理器和内存储器可以通过系统总线进行数据通信。其中内存储器包括只读存储器(ROM)或闪存(图中未示出)，以及随机存取存储器(RAM)，RAM通常是指加载了操作系统和计算机程序的主存储器。

计算机设备一般包括一个外存储设备。外存储设备可以从多种计算机可读介质中选择，计算机可读介质是指可以通过计算机设备访问的任何可利用的介质，包括移动的和固定的两种介质。例如，计算机可读介质包括但不限于，闪速存储器(微型SD卡)，CD-ROM，数字通用光盘(DVD)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并可由计算机设备访问的任何其它介质。

计算机设备可在网络环境中与一个或者多个网络终端进行逻辑连接。网络终端可以是个人电脑、服务器、路由器、智能电话、平板电脑或者其它公共网络节点。计算机设备通过网络接口(局域网LAN接口)与网络终端相连接。局域网(LAN)是指在有限区域内，例如家庭、学校、计算机实验室、或者使用网络媒体的办公楼，互联组成的计算机网络。WiFi和双绞线布线以太网是最常用的构建局域网的两种技术。

应当指出的是，其它包括比计算机设备更多或更少的子系统的计算机系统也能适用于发明。

如上面详细描述的，适用于本实施例的计算机设备能执行核反应堆在线次临界度监测方法的指定操作。计算机设备通过处理器运行在计算机可读介质中的软件指令的形式来执行这些操作。这些软件指令可以从存储设备或者通过局域网接口从另一设备读入到存储器中。存储在存储器中的软件指令使得处理器执行上述的群成员信息的处理方法。此外，通过硬件电路或者硬件电路结合软件指令也能同样实现本发明。因此，实现本实施例并不限于任何特定硬件电路和软件的组合。

实施例2

本发明实施例提出了一种核反应堆在线次临界度监测系统，如图3所示，该系统包括：

中子信号优化模块，用于实时获取核反应堆堆内外若干中子探测器测量信号，并采用伽马-中子信号分离优化算法对测量信号进行优化得到中子信号以及第一测量信号优选判据。具体过程如上述实施例1中所述，此处不再赘述。

物理参数计算模块，用于建立反应堆堆芯三维分析物理模型，并基于该反应堆堆芯三维物理模型计算得到探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值。具体过程如上述实施例1中所述，此处不再赘述。

修正因子计算模块，基于探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值，采用修正算法计算得到中子探测器测量信号的修正因子以及第二测量信号优选判据。具体过程如上述实施例1中所述，此处不再赘述。

在线监测模块，基于探测器测量信号的修正因子，对各探测器的中子信号进行修正并根据测量信号优选判据确定次临界度监测结果。具体过程如上述实施例1中所述，此处不再赘述。

以上所述的具体实施方式，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，以上所述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 (6)

1.一种核反应堆在线次临界度监测方法，其特征在于，包括：

实时获取核反应堆堆内外若干中子探测器测量信号，并采用伽马中子信号分离优化算法对测量信号进行优化得到中子信号以及第一测量信号优选判据；所述第一测量信号优选判据与中子探测器测量信号中的伽马信号和中子信号的信噪比相关；

建立核反应堆堆芯三维分析物理模型，并基于所述反应堆堆芯三维分析物理模型计算得到探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值；

基于探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值，采用修正算法计算得到中子探测器测量信号的修正因子以及第二测量信号优选判据；所述第二测量信号优选判据与修正因子接近1的程度相关；采用修正算法计算得到中子探测器测量信号的修正因子以及第二测量信号优选判据，具体包括：

采用优化算法计算得到堆内外n个所述中子探测器测量信号的修正因子；

将n个所述修正因子按最接近1的程度排序，作为第二测量信号优选判据；

所述优化算法表示为：

式中，C_l为修正因子，k_eff，l为待测次临界状态下的k_eff值，k_eff，ref为基准次临界状态下的k_eff值，为基准次临界状态下的探测器处中子通量，/>为待测次临界状态下的探测处中子通量；

基于探测器测量信号的修正因子，对各探测器的中子信号进行修正并根据第一测量信号优选判据和第二测量信号优选判据确定次临界度监测结果；对各探测器的中子信号进行修正并根据第一测量信号优选判据和第二测量信号优选判据确定次临界度监测结果，具体包括：

计算得到n个所述探测器测量信号的修正后的次临界度监测结果；

综合第一测量信号优选判据和第二测量信号优选判据，选取一个或至少两个优选探测器的次临界度监测结果作为最终结果；所述次临界度监测结果计算方式如下：

式中，ρ_l为探测器测量信号的修正后的次临界度监测结果，N_l和N_ref分别为待测次临界状态和基准次临界状态下某一探测器的中子信号，k_eff，ref为基准次临界状态下的k_eff值。

2.根据权利要求1所述的一种核反应堆在线次临界度监测方法，其特征在于，所述伽马中子信号分离优化算法具体为：

实时获取核反应堆堆内外n个中子探测器的测量信号；

采用伽马分析识别技术，实现n个所述中子探测器测量信号中的中子信号与伽马信号的识别，将伽马信号识别分离，仅保留中子信号；

获得n个所述中子探测器测量信号中的伽马信号和中子信号的信噪比；

将n个所述信噪比按大小排序，作为第一测量信号优选判据。

3.根据权利要求1所述的一种核反应堆在线次临界度监测方法，其特征在于，建立核反应堆堆芯三维分析物理模型，具体为：

采用蒙特卡罗方法进行核反应堆堆芯三维分析物理模型建模；

所述三维分析物理模型在开始在线监测前，进行典型工况验证校核，以保证所述三维分析物理模型在实测临界棒位计算获得k_eff值，其计算偏差在0.995～1.005范围内。

4.根据权利要求3所述的一种核反应堆在线次临界度监测方法，其特征在于，基于所述反应堆堆芯三维分析物理模型计算得到探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值，具体包括：

基于所述三维分析物理模型，采用蒙特卡罗方法的固定源分析方法，计算得到基准次临界状态和待测次临界状态下的各探测器处中子通量；

基于所述三维分析物理模型，采用蒙特卡罗方法的临界源分析方法，计算得到基准临界状态和待测临界状态下的k_eff值。

5.根据权利要求4所述的一种核反应堆在线次临界度监测方法，其特征在于，计算得到基准次临界状态和待测次临界状态下的各探测器处中子通量，具体包括：

根据实际情况，在堆内或堆外中子源位置布置中子源及燃料裂变源，通过固定源问题求解方式，在测量开始前计算分析得到基准次临界状态下的探测器处中子通量，并在在线监测过程中，根据待测次临界状态下的控制棒参数，获得待测次临界状态下的探测器处中子通量；

根据实际情况，在堆内燃料处布置初始裂变源，跳出预设初始循环代后，通过临界源问题求解方式，在测量开始前计算分析得到基准次临界状态下的k_eff值，并在在线监测过程中，根据待测次临界状态的控制棒参数，获得待测次临界状态下的k_eff值。

6.一种核反应堆在线次临界度监测系统，其特征在于，包括：

中子信号优化模块，用于实时获取核反应堆堆内外若干中子探测器测量信号，并采用伽马-中子信号分离优化算法对测量信号进行优化得到中子信号以及第一测量信号优选判据；所述第一测量信号优选判据与中子探测器测量信号中的伽马信号和中子信号的信噪比相关；

物理参数计算模块，用于建立反应堆堆芯三维分析物理模型，并基于该反应堆堆芯三维分析物理模型计算得到探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值；

修正因子计算模块，基于探测器处中子通量及相应次临界状态的k_eff值，采用修正算法计算得到中子探测器测量信号的修正因子以及第二测量信号优选判据；所述第二测量信号优选判据与修正因子接近1的程度相关；采用修正算法计算得到中子探测器测量信号的修正因子以及第二测量信号优选判据，具体包括：

采用优化算法计算得到堆内外n个所述中子探测器测量信号的修正因子；

将n个所述修正因子按最接近1的程度排序，作为第二测量信号优选判据；

所述优化算法表示为：

式中，C_l为修正因子，k_eff，l为待测次临界状态下的k_eff值，k_eff，ref为基准次临界状态下的k_eff值，为基准次临界状态下的探测器处中子通量，/>为待测次临界状态下的探测处中子通量；

在线监测模块，基于探测器测量信号的修正因子，对各探测器的中子信号进行修正并根据第一测量信号优选判据和第二测量信号优选判据确定次临界度监测结果；对各探测器的中子信号进行修正并根据第一测量信号优选判据和第二测量信号优选判据确定次临界度监测结果，具体包括：

计算得到n个所述探测器测量信号的修正后的次临界度监测结果；

综合第一测量信号优选判据和第二测量信号优选判据，选取一个或至少两个优选探测器的次临界度监测结果作为最终结果；所述次临界度监测结果计算方式如下：

式中，ρ_l为探测器测量信号的修正后的次临界度监测结果，N_l和N_ref分别为待测次临界状态和基准次临界状态下某一探测器的中子信号，k_eff，ref为基准次临界状态下的k_eff值。