CN1283303A

CN1283303A - 数目减小的压水堆堆内仪器分布图形

Info

Publication number: CN1283303A
Application number: CN98812522A
Authority: CN
Inventors: M·L·坎特洛维茨; D·波拉卡萨; M·C·苏
Original assignee: ABB CE Nuclear Power Inc
Current assignee: ABB Combustion Engineering Inc; ABB CE Nuclear Power Inc
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2001-02-07
Also published as: KR100385197B1; KR20010032385A; AU1903199A; US6353650B1; WO1999033062A1

Abstract

提供用于确定数目减小的ICI分布图形的方法,以便使用较少的ICI就能够实现堆芯的监测和其它功能。首先按照预定的选择考虑选择相对于现存的分布图形ICI数目减小的候选的ICI分布图形。选择之后,按照预定的评估标准评估候选的分布图形。

Description

数目减小的压水堆堆内仪器分布图形

发明的领域

本发明涉及压水核反应堆(PWR)。具体来说，本发明涉及数目减小的压水核反应堆的堆内仪器分布图形。

发明的背景

压水核反应堆装配有仪器仪表设备，这些设备是为了定期地和远距离地测量反应堆堆芯的某些点的中子通量而制造的。安装有核动力装置中的测量仪器和传感器用来测量不同类型的辐射(主要是中子和γ射线)。此外，安装非核仪器仪表来测量工艺参数，如温度、压力、流量、等等。每个仪器都是一个通道的一部分，每个通道都包括传感器、信号传输线、放大器、或其它电子学仪器、以及测量仪器、指示器、或在另一端的记录器。可以用不同的方式并按照类型和重要性为测量参数分配通道。

PWR中的功率产生水平是通过两个仪器仪表系统监测的：堆外仪器和堆内仪器。堆外仪器测量总中子通量，因此测量总功率水平，而堆内仪器测量局部功率水平。所有的堆外中子探测器都分组定位在反应堆压力壳的外部，一般来说靠近屏蔽墙的内侧。每组中子探测器都超过一个单元，以提供由规则要求强制性规定的冗余度。当控制棒缓慢地从堆芯抽出时，在反应堆起动时，使用这些仪器确定中子的速率增量。除了提供中子通量水平的指示外，信号还要加到一个电子学差分电路，计算中子通量的变化速率。

在PWR中使用堆内仪器仪表提供堆芯内功率水平的更加详细的情况。通常使用多个这样的堆内探测器测量核反应堆中的局部功率密度，每个所说的堆内探测器都包含在一个细长的导管内，这个导管引导这种仪器穿过核燃料组件。仪器和导管加在一起一般称之为堆内仪器或仪器组件。堆内仪器(ICI)暴露在极高的放射水平，因此可能有极高的放射性。这个放射性使得在处置废弃的仪器时(通常在反应堆换装燃料的停堆期间)ICI管和仪器的处理是极其危险的。在常规的PWR中，堆内仪器还用于监测堆芯功率峰值和堆芯功率倾斜，并且用于探测燃料误装入。具体来说，ICI必须能够确定每个运行循环的堆芯功率峰值和堆芯功率倾斜，从而使这个计算的量的不确定性都落在由美国核规则委员会(USNRC)规定的这种设备允许的限值内。还有，ICI必须能够探测每个运行循环开始时堆芯内的任何燃料组件的误装入。

如以上所述，仪器在堆芯内是包含在一个导管内的。为了避免过多地扰动堆芯，必须使用小的通道和仪器，通常是自供电的极薄型。在整个堆芯中分配这些仪器的各种装置都是公知的。在典型的PWR堆芯中，堆芯中的大约25％的组件放在其中插入仪器的仪器通道内。而且，和仪器的引线连接必须通过各种形式的贯通进行，这种贯通或者是通过反应堆压力壳的底部提供，或者是通过反应堆压力壳的顶部提供。在换装燃料期间废弃的ICI的拆除和搬运整个都是在足够深的水下完成的，以便利用水的辐射屏蔽效应。但在反应堆换装燃料期间，尤其是在反应堆安装过程中，ICI是通过反应堆压力壳的顶部进入堆芯的，前面刚刚所说的这项要求通常使ICI的拆除活动处在危险的边缘。通常，在反应堆安装过程中，有足够大水深度的位置只在反应堆的正上方。因此，直到ICI更换操作完成才能进行主要的换装燃料操作。在一个典型的换装燃料期间，必须逐个地拆除和处置20-30个ICI。

最后，当前的ICI分布图形留有足够大的冗余度，以保证一旦出现意外的ICI失效可以使用ICI实现它们的预期的功能。

从以上所述可以看出，如果减少ICI的数目，就能实现换装燃料时间和成本的明显减小。

发明的概述

本发明的一个目的是提供一种用于减少压水反应堆中使用的堆内仪器(ICI)数目的方法。本发明的另一个目的是在保持ICI完成所有必要的功能的能力的同时减少ICI的数目。

本发明的另一个目的是，通过减小停堆时间、减小支持ICI系统必需的运行设备的数量、并且减小在运行设备有效期间需要更换的ICI数量，从而减小运行设备中的ICI的数目，以节约原始资金并处长循环寿命。

按照本发明，提供一种用于确定ICI数目减小的分布图形的方法，它的依据是USNRC建议的一些有关的考虑和按照适当的联邦规则(10C.F.R.50.59)制定的对于ICI系统的变化的评估。按照本发明的方法，首先选择相对于现有的分布图形的ICI数目减少的候选ICI分布图形。选定之后，对于候选的分布图形进行评估，以确保预计的堆芯功率分布和从数目减小的ICI分布图形综合出来的堆芯功率分布之间的任何差别都符合特定的PWR允许的限值。还要对候选的分布图形进行评估，以确保数目减小的ICI还能提供检测燃料组件误装入错误位置的能力。最后，对于候选的分布图形进行评估，以确保数目减小的ICI分布图形在当前的技术规范的ICI可操作性限值内仍旧是合格的。当前，技术规范按照设备的要求规定：当只有75％的ICI是可以操作时，这些ICI就能发挥所有功能。

每运行几个循环就必须更换ICI，这种要更换的ICI的数目减小，将导致在设备寿命期间需要更换的ICI数目的减小。结果，明显节省了ICI系统的寿命循环成本，这种节省来源于硬件更换费用和硬件处置费用这两者。此外，因为在每次换装燃料停堆期间必须更换的ICI的数目较少，所以还可以实现设备停堆时间的节省和对设备操作人员的辐射照射量的减小。最后，在尚未建成的设备中ICI数目的减小还将使支持ICI系统所需的设备附带减小。结果，可以实现新的PWR的总投资成本的明显减小以及这些设备的运行和维护的成本的减

附图简述

在阅读了下面的详细描述、权利要求书、和附图后，本发明的特征和创造性方面将变得更加清楚明白，以下是附图的简要描述。

图1-8是使用本发明的方法可以实现的所需ICI数目的减小的实例，具体来说：

图1表示用于241个燃料组件堆的当前的和数目减小的ICI分布图形，原来的ICI分布图形有61个ICI，数目减小的ICI分布图形有49个ICI；

图2表示用于217个燃料组件堆的当前的和数目减小的ICI分布图形，原来的ICI分布图形有56个ICI，数目减小的ICI分布图形有44个ICI；

图3表示用于217个燃料组件堆的当前的和数目减小的ICI分布图形，原来的ICI分布图形有45个ICI，数目减小的ICI分布图形有35个ICI；

图4表示用于217个燃料组件堆的当前的和数目减小的ICI分布图形，原来的ICI分布图形有45个ICI，数目减小的ICI分布图形有35个ICI，但和图3中的情况有所不同；

图5表示用于217个燃料组件堆的当前的和数目减小的ICI分布图形，原来的ICI分布图形有45个ICI，数目减小的ICI分布图形有35个ICI，这两者都和图3和4中的情况略有不同；

图6表示用于177个燃料组件堆的当前的和数目减小的ICI分布图形，原来的ICI分布图形有45个ICI，数目减小的ICI分布图形有39个ICI；

图7表示用于177个燃料组件堆的当前的和数目减小的ICI分布图形，原来的ICI分布图形有44个ICI，数目减小的ICI分布图形有36个ICI；

图8表示用于133个燃料组件堆的当前的和数目减小的ICI分布图形，原来的ICI分布图形有28个ICI，数目减小的ICI分布图形有25个ICI。

优选实施例的描述

本发明的用于确定堆内仪器(ICI)数目减小的分布图形的方法是以美国核规则委员会(USNRC)建议的一些有关的考虑和对于ICI系统的变化的评估为依据的。这些考虑是按照联邦规则(具体来说，10C.F.R.50.59)制定的。由USNRC归纳的这些考虑包括如下内容：

1、探测燃料组件偶然装入错误位置；

2、保证堆芯功率倾斜估算值的有效性；

3、维持仪器仪表的足够大的堆芯覆盖面；

4、限制测量值的不确定性以满足设备对于各种测量值的技术规范限制，其中包括测量的峰值线性加热速率、峰尖功率、径向峰值因子、和方位倾斜；和

5、在每个燃料循环的开始阶段，恢复ICI系统的全开放服务(或接近全开放服务)。

利用这样一些考虑，按照本发明的创造性的方法确定数目减小的ICI分布图形包括两个主要的部分。第一，按照特定的选择考虑来选择相对于现行的ICI分布图形具有数目减小的ICI的候选的分布图形。第二，按照特定的标准评估这个选择的候选的ICI分布图形。

按本发明创造性方法的第一部分，必须选择ICI数目减小的候选的ICI分布图形。为了按照本发明的有创造性的方法引导候选的ICI分布图形的选择，确定选择的考虑，以确保ICI的数目减小的分布图形能够完成全套ICI要求的所有的功能。数目减小的ICI分布图形所要求的功能包括：

1、维持堆芯功率倾斜的测量能力；

2、提供完成堆外探测器校准的能力；

3、提供整个堆芯覆盖面；

4、探测燃料的误装入；

5、检测控制棒引线排的误排列；和

6、提供足够大的冗余度。

第一，通过保持来自于属于功率倾斜组的现存在ICI分布图形的所有的ICI，使数目减小的ICI分布图形维持堆芯功率倾斜的测量能力。因为所有的和倾斜有关的ICI都保持不动，所以堆芯功率倾斜的测量能力不受数目减少的ICI分布图形的影响。

第二，通过保持来自于现存的ICI分布图形的、提供有关贡献大多数射向堆外探测器的中子通量的那些燃料组件中的功率分布信息的所有ICI不动，来保持堆外探测器校准的整体性。通过维持贡献大多数射向堆外探测器的中子通量的那些燃料组件中的测量能力，可以在保持的ICI和堆外探测器之间进行比较，以提供堆外探测器的完全校准。

第三，整个堆芯仪器仪表覆盖面和使用数目减小的ICI分布图形并不冲突，这是因为提供从堆芯的外周边到堆芯中心的装有仪表的燃料组件的均匀分布的那些ICI在所有的堆芯象限中保持不变。换句话说，通过保持ICI的均匀分布，虽然ICI的数目减小了，但通过本发明仍旧还可提供整个堆芯的仪器仪表覆盖面。

第四，通过数目减小的ICI分布图形必须能够探测到燃料的误装入。按照本发明的方法，在ICI分布图形评估过程期间通过模拟燃料的误装入来核实数目减小的ICI分布图形的燃料组件误装入的探测能力。下面将会更加详细地讨论这个评估过程。

第五，数目减小的ICI分布图形要保持探测控制棒引线排误排列的能力。这个能力通过保持充分接近控制棒位置的那些ICI不变从而能够探测到和控制棒引线排的移动有关的功率分布的任何扰动而得以保证。通过保持在探测由控制棒引线排的移动引起的功率分布变化的位置的那些ICI不变，就能够很容易地探测到控制棒引线排的误排列。

最后，通过评估数目减小的ICI分布图形的性能，并且结合考虑不期望的ICI失效，就可以证实数目减小的ICI分布图形的冗余度，从而证实：数目减小的ICI分布图形仍旧能够完成它们的预期功能。下面将要更加详细地讨论各种评估。

一旦根据以上提出的各种选择的考虑因素的综合结果选择了一个数目减小的ICI分布图形，就要对这个数目减小的ICI分布图形的结构进行评估，以确保：在预期的堆芯功率分布和从数目减小的ICI分布图形综合出来的堆芯功率分布之间的任何差别都落在设备的允许限值内。而且，要对数目减小的ICI分布图形进行评估，以证实数目减小的ICI分布图形的确能够探测错误定位的燃料组件的误装入。此外，要对数目减小的ICI分布图形进行测试，使只有75％的ICI是可操作的，并且迫使这75％的ICI就能满足全部评估标准，尽管25％的ICI是不可操作的。

因此，就本发明方法的评估部分而论，按照下述的标准评估候选的分布图形：

A、预计的堆芯功率分布和从数目减小的ICI分布图形综合出来的堆芯功率分布之间的差值符合这个设备允许的限值。

B、这个数目减小的ICI分布图形必须提供探测置于错误位置的燃料组件误装入的能力；

C、按照设备的技术规范，这个数目减小的ICI必须只用75％的可操作的ICI就能够完成所有预期的功能。

为了确定：功率分布的不确定性落在允许的限值内，要对设计计算获得的预计的功率分布和使用可以接受的允许的方法从ICI探测器信号获得的测量功率分布进行比较。有两种类型的不确定性需要评估：基本测量不确定性和综合不确定性。基本测量不确定性涉及到装有仪器的燃料组件的局部功率。综合不确定性和外推到非装有仪器的燃料组件的功率计算有关。为使数目减小的ICI分布图形能够被接纳，计算得到的基本测量不确定性和综合不确定性这两者都必须落在该设备的允许限值内。

在评估的第二部分，对于满足不确定性分析的候选的分布图形进行测试，以确保有探测燃料误装入的能力。通过模拟燃料误装入的一个谱并考察在一个正确装入的堆芯和一个模拟的误装入的堆芯之间的功率分布差别，可以核实一个数目减小的ICI分布图形的燃料误装入探测能力的测试，所说的模拟的误装入的堆芯的功率分布是通过数目减小的ICI分布图形测得的。可以使用公知的模拟技术进行这样的模拟。为了可以被接受，从正确装入的堆芯的ICI探测器信号获得的功率分布和从模拟的误装入的堆芯的ICI探测器信号获得的功率分布之间的差别必须是可以区别的。如果这个差别是可以区别的，则假定：这个数目减小的ICI分布图形是能够探测误装入的。

最后，对于每个数目减小的ICI分布图形以75％的可操作性完成它的预期的功能的能力进行评估。这就是说，进一步减小每个数目减小的ICI分布图形到它的数目的75％，以便证实：这个数目减小的ICI分布图形只用75％可操作的ICI就能完成它的预期的功能。ICI的可操作性限值是从设备的技术规范和设备的许可证书导出的。当前的设备技术规范规定了一个75％的ICI可操作性限值。如果ICI可操作性限值发生了变化，例如增加到90％或减小到70％，那么，就要在这个特定的技术规范ICI可操作性限值下对每个数目减小的ICI分布图形完成它的预期功能的能力进行评估。

在应用了上述的方法后，已经确定了几个数目减小的ICI分布图形，这些分布图形可以为各种堆芯结构所接受。下面作为例子给出这些可以接受的数目减小的ICI分布图形中的几个，并且将它们表示在图1-8中。应该理解，下面的实例只是示例性的，不会以任何方式限制本发明的范围。

在图1-8中表示出许多代表燃料组件的方框，在这种结构的当前堆芯中燃料组件包含一个ICI，这些方框具有明和暗两种交叉斜线，并且在括号中包括相应的数字标号。包括暗的交叉斜线的那些方框对应于使用本发明的方法已经省去ICI的那些燃料组件。包括亮的交叉斜线的那些方框对应于没有省去ICI的那些燃料组件。

例#1

图1表示一个241个燃料组件的PWR堆芯的平面图。在现有设备设计中，一个241个燃料组件的堆芯一般都具有由61个ICI组成的一个现有的ICI分布图形，这61个ICI按图1所示分布。使用这里所述的方法，省去了12个ICI(第13、22、23、25、27、30、34、35、37、43、44、和47号)，从而得到一个由49个ICI组成的数目减小的ICI分布图形。通过本发明的方法在图1中的ICI净减20％。

例#2

所示的具有217个燃料组件的堆芯的初始ICI分布图形有56个ICI。使用这里所述的方法，堆芯省去了12个ICI(第2、4、9、15、18、20、37、39、42、48、53、55号)。由此产生的数目减小的ICI分布图形只包括44个ICI，净减21％。

例#3

图3表示一个可替换的217个燃料组件的堆芯结构，它具有由45个ICI组成的一个初始的ICI分布图形。图3中的初始ICI分布图形和图2所示的不同。使用这里所述的方法，使堆芯省去了10个ICI(第9、12、18、19、20、27、28、33、35、37号)，从而得到一个由35个ICI组成的数目减小的ICI分布图形。ICI净减22％。

例#4

图4表示一个217个燃料组件的堆芯的另一个结构，它具有由45个ICI组成的一个初始的ICI分布图形。再次地，图4中所示的现存的ICI分布图形和图2或图3所示的都不同。使用这里所述的本发明的方法，省去了10个ICI(第8、12、18、19、20、27、31、33、35、37号)，从而得到一个由35个ICI组成的数目减小的ICI分布图形，减少了10个ICI，或22％。

例#5

图5表示另一个217个燃料组件的堆芯的分布图形，它具有由45个ICI组成的一个与图2、3、4所示不同的初始的ICI分布图形。使用这里所述的本发明的方法，省去了10个ICI(第9、12、18、19、20、27、28、33、35、37号)，从而得到一个由35个ICI组成的数目减小的ICI分布图形，ICI净减22％。

例#6

图6表示一个177个燃料组件的堆芯，它具有由45个ICI组成的一个初始的ICI分布图形。使用这里所述的本发明的方法，省去了6个ICI(第16、17、20、26、32、33号)，从而使ICI的数目减小到39，ICI净减13％。

例#7

图7表示另一个177个燃料组件的堆芯结构，它具有由44个ICI组成的一个初始的ICI分布图形。使用这里所述的本发明的方法，省去了8个ICI(第3、5、14、20、25、31、40、42号)，ICI的数目减小到36个，ICI净减18％。

例#8

图8表示一个133个燃料组件的堆芯，它具有由28个ICI组成的一个初始的ICI分布图形。使用这里所述的的本发明的方法，减少了3个ICI(第10、18、20号)，从而使ICI净减11％。

在例1-8中的每个例中，所示的数目减小的ICI分布图形满足ICI系统的所有的要求，同时ICI数目明显减小。ICI数目的减小使设备的运行成本和维护成本都减小。如果本发明的方法在新设备建设期间实施，有可能减小支持ICI系统所必须的附加设备的数量，这是因为必须支持的ICI的数目较少所致。结果，通过本发明的实施，明显减小了来源于建设以及来源于运行和维护的总的投资成本。而且，还要能降低在换装燃料停堆期间来源于反应堆停堆的相关成本，这是因为更换数目减小的备用ICI所需的时间较短的缘故。而且，因为相应地减小了在危险的路径上的时间，所以也减小了对于设备有关人员的潜在的辐射照射量。

已经公开了本发明的各种实施例。但应该认识到，可能存在的各种变化和改进对于本发明所属领域的普通技术人员来说都是不言而喻的，在不偏离本发明的范围的条件下可以作出这些改进和变化，本发明的范围只由所附的权利要求书限定。

Claims

1、一种用于减小压水核反应堆的堆内仪器(ICI)数目的方法，包括：

(a)按照预定的选择考虑选择具有数目减小的ICI的候选的ICI分布图形；和

(b)根据预定的评估标准评估所说的分布图形。

2、权利要求1的方法，其特征在于：第一选择考虑包括：维持堆芯功率倾斜的测量能力。

3、权利要求2的方法，其特征在于：所说第一选择考虑是通过保持属于倾斜组的所有ICI不变而得以满足的。

4、权利要求1的方法，其特征在于：第二选择考虑包括：提供完成堆外探测器的校准的能力。

5、权利要求4的方法，其特征在于：所说的第二选择考虑是通过保持提供有关贡献大多数击中所说堆外探测器的中子通量的燃料组件中功率分布的信息的所有ICI不变来满足的。

6、权利要求1的方法，其特征在于：第三选择考虑包括：提供从PWR堆芯的周边到PWR堆芯的中心的四个象限的整个堆芯的仪器仪表覆盖面。

7、权利要求6的方法，其特征在于：所说的第三选择考虑是通过保持提供从堆芯的周边到堆芯的中心的四个象限的装有仪器仪表的燃料组件的均匀分布的所有ICI不变来满足的。

8、权利要求1的方法，其特征在于：第四选择考虑包含：提供探测燃料误装入的能力。

9、权利要求8的方法，其特征在于：第四选择考虑是通过模拟所说评估步骤期间燃料的误装入来核实的。

10、权利要求1的方法，其特征在于；第五选择考虑包括：提供探测控制棒引线排的误排列的能力。

11、权利要求10的方法，其特征在于：所说第五选择考虑是通过保持充分靠近控制棒位置的ICI不变以便能够探测与所说控制棒引线排的移动有关的功率分布扰动而得以满足的。

12、权利要求1的方法，其特征在于：第六选择考虑包括：提供足够大的冗余度。

13、权利要求12的方法，其特征在于：所说第六选择考虑是通过在所说评估步骤期间按照技术规范的ICI可操作性限值进一步减小可操作的ICI的数目而得以核实的。

14、权利要求1的方法，其特征在于：第一评估标准包含：确保预计的堆芯功率分布和从所说数目减小的ICI综合出来的堆芯功率分布之间的差落在压水反应堆的允许限值内。

15、权利要求14的方法，其特征在于：当基本测量不确定性和综合不确定性都落在压水反应堆的允许限值内时满足所说第一评估标准。

16、权利要求1的方法，其特征在于：第二评估标准包含：确保所说数目减小的ICI分布图形能提供探测燃料误装入的能力。

17、权利要求16的方法，其特征在于：当从一个正确装入的堆芯的ICI探测器信号获得的功率分布差可以和从一个模拟的误装入的堆芯获得的功率分布差区分开来时，满足第二评估标准。

18、权利要求1的方法，其特征在于：当在所述评估步骤期间可操作的ICI的数目减小了约25％时，每个候选的ICI分布图形必须满足所说预定的评估标准。

19、权利要求1的方法，其特征在于所说的选择步骤进一步包括如下步骤：

(1)保持属于倾斜组的所有的ICI不变；

(2)保持提供有关向堆外探测器贡献大多数中子通量的那些燃料组件的功率分布信息的所有ICI不变；

(3)保持从堆芯的周边到堆芯中心并且在所有堆芯象限的装有仪器仪表的燃料组件均匀分布的那些ICI不变；

(4)保持ICI不变，以使通过这些ICI可以探测到在任何位置的燃料组件的误装入；

(5)保持充分靠近控制棒位置的ICI不变，以便能够探测到和控制棒引线排的移动有关的功率分布的扰动。

20、权利要求19的方法，其特征在于所说的评估步骤进一步包括如下步骤：

(1)评估所说候选的ICI分布图形，以使功率分布测量的不确定性最小；

(2)保证：所说数目减小的ICI可以提供探测燃料误装入的能力；

(3)在数目减小的ICI分布图形的25％为不可操作时，保证所说的候选的ICI分布图形的可操作性。