經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 484141 A7 B7 五、發明說明（） 發明背景 發明領域 本發明係有關一種用於水反應槽的核燃料總成，且更特 別的是以模擬之核燃料總成的測試去決定模擬之燃料總成 內的空泡分布。特別的是揭示了一種裝置及方法以便爲總 成內的所有模擬燃料棒或是總成內的一或更多模擬燃料棒 決定出模擬之核燃料總成內的空泡分布。 相關技術說明 因爲存在著沸水和高壓水反應槽燃料總成在設計上的異 質結構以及在空泡比例預測計算的性能中達成更高的準確 度的持續需求，故對水反應槽核燃料總成中副通路內空泡 比例分布或是等效冷媒/緩和劑密度的決定變得愈益重要 〇 吾人在用來產生電力的核反應槽中習慣上使用的是呈棒 狀型式的核燃料總成，其中分別將各伸長形的核燃料棒支 持或定位於它們落在下上連結板之間的下端點和上端點之 上，且使它們以一般性方形構造排列於緊密間隔開的平行 陣列內，並限制其橫向振動或是藉由空間層將它們支持或 定位在燃料總成高度的方向上。如同吾人所熟知的，通常 每一用於沸水式水冷反應槽（BWR)的燃料總成都是圍繞著 經常呈方形的外側通路，此外側通路會將進入該燃料總成 的冷媒限制在那個特殊燃料總成上直到冷媒由反應槽核心 頂部離開總成爲止。通過燃料總成的冷媒是由液態水及水 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 丨：---l· — —-------------訂---------線· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 484141 A7 B7 五、發明說明（） 蒸汽的混合物構成的。在燃料總成的底部入口處，冷媒是 一種液態水且當冷媒向上流經總成時會使功率從燃料棒傳 輸到冷媒上而產生水蒸汽並增加了冷媒內水蒸汽的比例。 BWR核心上區域內出現水蒸汽高容積比例的結果，較之可 裂變鈾或钍原子的數目此核心上區域會因爲出現的氫原子 太多而變得緩和不足或過度濃縮。 習知設計中曾經多次嘗試增加BWR燃料總成上部分內緩 和劑的量額以改良中子的效率。一種常用的設計已結合了 一或更多水柱、內側水通路、或是其他緩和劑流通導管或 通道，用來當作冷媒/緩和劑的單-相液態水會在這類通 路內以足以防止這種流體沸騰的速率從總成底部朝頂部流 動。不過，包含這種器件的設計存在有一些缺點。例如， 因爲必須供應給水柱/通路以排除這些柱/通路內部發生 沸騰現象的冷媒/緩和劑流量是以能夠用於冷卻核燃料棒 內冷媒/緩和劑流量的代價下發生的，故而發生了使臨界 熱能通量（CHF )性能減低的現象。 吾人也熟知沸水反應槽燃料設計中燃料總成內包含具部 分長度的燃料棒以便使核心上區域內的過度濃縮以及緩和 不足條件變緩和。據此，於核心內的某個中間高度上截短 某一燃料總成內的某些燃料棒。這麼做會在那個高度上方 留下未塡充的冷媒通路或副通路。有些部分會因爲缺少具 部分長度之燃料棒的截面積而導致減低了這種副通路的防 水性。已由具部分長度之燃料棒所佔據的空間加上圍繞具 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) —-----訂---------線' 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
484141 A7 B7 五、發明說明（） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 部分長度之燃料棒所在位置的四個流動副通路會在具部分 長度的燃料棒上方形成一極大的開放空間或副通路β這個 極大的副通路是比由具完整長度之燃料棒形成的其他冷媒 流動副通路更大。這個極大副通路內會發生大量通量增加 的現象，結果使得周圍副通路內發生大量通量減少的現象 。交叉流入和流出此極大副通路的現象特別會發生在（a) 緊鄰具部分長度之燃料棒頂部上方之極大副通路的開始處 (b)具部分長度之燃料棒上方的空間層位置。這種交叉流動 能夠耗盡具完整長度之燃料棒鄰近處以及周圍的液態膜。 熱能的傳輸作用以及更特別的是其燃料耗盡性能會因這類 交叉流動而受到嚴重的影響。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 除了上區域內的緩和不足以及過度濃縮的現象之外，標 準沸水反應槽的另一問題是沿著燃料總成軸的中央區域也 可能呈現出緩和不足以及過度濃縮的現象。爲了增加緩和 劑的量額以改良中子的緩和度以及其經濟效益，吾人能夠 以一種伸長形的中央水通路而在燃料棒的長度方向但是依 實體上係間隔開的方式爲緩和劑/冷媒的流動提供一呈中 央配置的通道。使足夠的液態冷媒透過此中央通路進行循 環以保持其內含冷媒中大多數或完全都是呈液相的。此中 央水通路可以具有呈中央定位以及於外側通路內呈對稱或 是與外側通路內中央軸有不對稱位移的任何一種截面積及 /或幾何形狀，且能夠繞其中央軸而定向使得沿總成長度 延伸的各壁是與外側通路的各壁呈平行或不平行的。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 484141 A7 B7 五、發明說明（） 中央水通路的另一種屬性係指其活性之空泡常數會是一 比較小的負數。因爲其空泡常數是一比小的負數，故反應 槽的穩定度會因核心活性與核心緩和熱學水力條件之間耦 合程度的降低而得到改良。吾人將不落在中央水通路以內 之燃料總成中的緩和劑稱作圍繞核燃料棒的活性冷媒且藉 由傳導/對流作用爲活性冷媒加熱。活性冷媒的加熱作用 會隨著活性的增加而擴大。已擴大的活性冷媒加熱作用會 導致更多水蒸汽空泡的形成以及其緩和度的減低。空泡增 多並減低緩和度會造成活性降低。對落在中央水通路以內 之冷媒/緩和劑的加熱作用是相當小的且大槪不致受到由 燃料棒所釋出之熱能的影響。因此，一具有中央水通路的 總成在活性增加時其核心內會有更大比例的緩和劑不致變 爲空泡。因此其中出現更少用來推動空泡之形成的活性減 低作用。 一旦已於燃料總成內放置了最大數量的核燃料，若能增 加可以在燃料總成內安全地生產的功率量額則能夠達成對 核反應槽的進一步改良。由於反應槽的功率位準是受到流 經總成之冷媒量額以及出現在燃料棒表面的區域熱能傳輸 條件的限制，故吾人所高度期望的是一種對冷媒流產生的 阻抗愈小愈好的空間層柵極。 吾人熟知的是若在核燃料表面維持連續的水膜便能強化 其熱能傳輸且因此強化了功率效能。 空間層柵極的習知設計也會對在核燃料棒表面維持水膜 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 484141 A7 B7 五、發明說明（） 有助益或貢獻。無論其設計爲何，空間層柵極都會去除或 剝除凝結於外側通路內壁以及沸水式反應槽燃料總成之中 央通路外壁上之液態水中的一部分並將某些凝結水傳輸到 燃料棒表面，因此增加了燃料棒上水膜的厚度。空間層柵 極的功能也扮演著使出現冷媒流內之小液滴合倂成較大液 滴且有助於將更大數量的這種較大液滴引導到燃料棒表面 而做出進一步的貢獻且增加了燃料棒上水膜的厚度。 因此，在上述若干有關目前沸水式反應槽以及未來沸水 .式反應槽及高壓水反應槽之燃料總成設計特性實例的觀點 下，吾人會因爲存在著先前已作簡略討論的理由亦即在設 計上的異質結構以及在空泡比例預測計算的性能中達成更 高的準確度的持續需求，而使對水反應槽核燃料總成中副 通路內空泡比例分布或是等效冷媒/緩和劑密度的決定變 得愈益重要。沸水式水冷反應槽模擬密碼仰賴的是軸向燃 料總成-平均空泡的比例以取代燃料總成或是由燃料棒構 成的陣列中副通路內的詳盡空泡分布（亦即因爲會在每一 副通路與平均有差異時忽略中子緩和作用的效應而造成插 針功率分佈內不準度的一種分布）。也會在像流動速率以 及跨越燃料總成的壓力液滴之類水力參數中造成不準度。 通常會使用模擬的核反應槽燃料總成以執行單-相（液 體或蒸氣）及二-相（液體及蒸氣）液體流以及在臨界條 件作用下進行熱能傳輸的實驗室量測，以模擬核反應槽燃 料總成的正常作業或意外事件的環境。通常此裝置或測試 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---------訂---------線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 484141 A7 B7 五、發明說明（） 總成的組成是由其長度通常爲12呎或更長之導管構成的 垂直陣列，每一導管的外徑都是與核燃料棒的外徑相同的 ，且將這些導管依與實際燃料總成相似的方式排列於相同 的構造或晶格陣列或副陣列內。藉由電流對這些模擬燃料 棒中的每一進行加熱以取代核反應的加熱作用。模擬總成 是封裝於一容器內且通常爲水的冷媒是透過此容器而從底 部到頂部通過此總成。因此將冷媒引導到此空間亦即落在 由模擬燃料棒進行加熱的各導管之間的副通路之內。因爲 副通路內冷媒的沸騰作用而產生了空泡。 由於根據歷史經驗BWR副通路內的空泡分布太複雜而無 法在實驗上作出準確的決定，故無法爲相關的空泡分布取 得既準確又詳盡的資訊和資料。吾人會將這種資料用在設 計方法以驗證並修正副通路的電腦密碼及/或直接用來爲 中子對緩和劑密度變化的反饋作用產生更準確的相互關聯 〇 利用塞進副通路之流動路徑內的探針而施行的直接量測 會因爲這類探針出現在流動路徑內對它們打算決定的流動 及空泡圖案造成影響而受到干擾，且它們的讀數會受到副 通路內未知空泡分布的影響。類似地，定位在已加熱燃料 棒表面上的探針對副通路核心的條件而言是不靈敏的。 一種於副通路內直接量測空泡分布之已發展技術的說明 可以參見由電力硏究院（EPRI)在1997年3月提出標題爲「 設計及分析用的空泡比例技術（Void Fraction Technology 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 丨 j----：----------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 484141 A7 B7 五、發明說明（） for Design and Analysis)」的第 TR- 1 06326 號報告。這 份報告提供了幾種空泡比例量測技術的摘要說明以及參考 文獻，其中包含利用快中子散射及消散的技術。其中也說 明了利用加馬射線、X -射線、以及其他槪念的其他空泡量 測技術。其他的方法係仰賴塞進冷媒流的量測探針，因此 干擾了它們要量測的數値。 利用輻射施行的習知空泡比例量測技術主要是將一射源 放在測試總成外側並將一偵測器放在測試總成的另一側。 所量測輻射的消散作用與總成內的平均空泡含量是相互關 聯的。大部分使用的是加馬射線，雖然過去也使用來自燃 料總成外部射源的X-射線以及中子東，應用的是取決於空 泡含量的可變消散原理。 如美國專利第5,098,641號文件中所說明的吾人也可以 將一射源以及一偵測器放在燃料總成內側。此專利技術利 用的是使某一副通路內的各視線上以取代通過許多副通路 的一視線上加馬幅射減弱的原理。此專利的課程無法正確 地考量水膜的出現。同時此專利也無法將水/空泡分布於 副通路內所造成的各種效應列入考量，這些效應是不同於 沿視線的水膜以及水/空泡分布所造成的效應。此專利的 方法無法應用在同時有多種射源及/或多重偵測器出現的 燃料總成內，因爲輻射干涉會使資料變成不堪使用。 利用核心內中子偵測器的噪訊分析技術已被用在BWRs 上作空泡比例的量測。已於1982年6月提出的EPRI NP- 2041， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 484141 A7 B7 五、發明說明（）
Proj ect 1 384 - 2文件中說明了一用於探究BWR燃料總成內 軸向空泡行進速率輪廓圖的實例。以三呎的軸向間隔以及 二呎的徑向間隔並依橫遍整個BWR核心的方式散布此技術 中所用核心內的子偵測器（平常稱爲區域電力範圍監視器 ，或LPRMs)。另外，使偵測器落在燃料總成通路外側與BWR 控制桿位置相對的角落上。這種偵測器的主要限制是對應 到偵測器間隔的粗劣空間解析度。此外，由於偵測器是定 位在燃料總成通路外側，故系統不能量測通路內的空泡分 布。必然地，這種技術的基礎應用是用於決定空泡行進速 率輪廓圖且有扮演流量感測器的潛力。 吾人也可以使用外部射源/偵測器配置推斷有關利用 X·射線斷層攝影技術的空泡分布資訊如同由Haico Kok在 1998年6月16日於荷蘭德福大學（Delft University)提出 標題爲「一些有關從空泡比例到已耦合核熱水力機構之自 然循環迴路的實驗（Experiments on a Natural Circulation Loop from Vo i d -F rac t i on to Coupled Nuclear The rraa 1 -Hydau lies)」的博士論文中說明的。吾人應該注意的是所導 致的誤差是不容忽視的因爲與在對稱位置中副通路內已報 告的空泡比例有顯著的差異。 日本和瑞典都已經利用X-射線斷層攝影技術（上述EPRI 報告第TR- 1 06326號文件）而使模擬BWR測試總成內的二-相流量圖案變爲可見的。X -射線斷層攝影技術是極昂貴 的且尙未充分發展以供由具原物尺寸的測試棒構成的陣例 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) ' --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 484141 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 使用，其中存在的許多測試棒會干擾利用外部射源及偵測 器的量測準確度。 所以比習知設計有利的裝置及方法是不受干擾且不會影 響量測得的數値、具有高準確度，且能夠依從一模擬燃料 棒到模擬之測試核燃料總成內的所有模擬燃料棒的相關方 式量測空泡分布以及平均空泡含量。 因此，存在著對一種用於量測模擬燃料棒陣列之副通路 內水緩和劑密度或空泡比例之新裝置及新技術的需求。 發明槪述 根據本發明而提供的一種模擬核燃料棒包括：一其內放 置有可裂變材料的中空導管、一中子射源、以及一中子偵 測器。 根據本發明的另一槪念，一種模擬核燃料棒之陣列包括 :許多中空導管；許多可裂變材料，其中至少一可裂變材 料是放置於許多中空導管中對應的一中空導管之內：許多 中子射源，其中至少一中子射源是放置於許多中空導管中 對應的一中空導管之內；以及許多中子偵測器，其中至少 一中子偵測器是放置於許多中空導管中對應的一中空導管 之內。 圖式簡單說明 第1圖 係用以顯示第2圖模擬之核燃料總成陣列中一 已預先縮短其長度之模擬核燃料棒的軸向層析截面圖示。 第2圖 係用以顯示一模擬的BWR核燃料總成的截面圖 -11 - 本紙張尺度適<中關家鮮（CNS)A4規格⑽X 297公釐） I ^----^---------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 484141 A7 -- B7 五、發明說明（） 示’此總成包括一般而言由10 X 10個模擬核燃料棒構成 的陣列並去除中心由3 X 3個燃料棒構成的陣列而取代爲 中央水通路。 K圭實施例說明 根據本發明的空泡分布量測裝置包括有一些落在模擬之 測試燃料總成10(如第2圖截面圖示中顯示的模擬燃料總 成）中的幾個且最好是全部模擬核燃料棒30內側的中子射 源。雖然如第2圖所示的特殊模擬燃料總成是一種包括一 般而言由10 X 10個模擬核燃料棒構成的陣列並去除中心 由3 X 3個燃料棒構成的陣列而取代爲中央水通路的BWR 總成，本發明能夠以任何模擬之核燃料總成或是由任何不 形成模擬之核燃料總成之模擬核燃料棒的陣列加以施行。 各中子偵測器（最好是標準射源範圍的監視用中子偵測器） 也是落在中子射源位處的相同幾個且最好是全部模擬核燃 料內側。較佳型式的射源範圍偵測器是一種平常用來當作 BWRs內射源範圍監視器的裂變脈波計數器。可替代地，吾 人也能夠使用會產生電流信號且平常用來當作BWRs內的 區域電力範圍監視器（LPRMs)的裂變-離子室以及平常用 於實驗室應用且涉及熱中子量測的脈波-型式氟化硼（BF3) 偵測器。 中子射源會發射快中子，若使用的是光中子射源則這種 快中子就是一種含中等能量的中子，若使用的是裂變射源 則這種快中子就是一種含高能量的中子。一種標準的光中 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） -------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 484141 A7 B7 五、發明說明（） 子射源是銻-鈹構成的（混合）射源。具放射性的銻射源會 發射加馬射線而在26keV的能量下與由鈹射源產生的中子 發生反應。 根據本發明的中子射源包括一單一中子射源或是幾個由 像鈾- 235之類裂變材料膠囊構成之陣列加以補充的分散 中子射源。將由一射源產生的中子全都吸收到鈾- 235原子 核內以產生裂變反應而發射其平均能量爲l.OMeV的高能 裂變中子。本發明使用的裂變中子射源是一種稱爲次臨界 增殖中子射源的射源。 由裂變中子射源產生的快中子會於模擬之測試燃料總成 或是由模擬核燃料棒構成的陣列內與緩和劑及其周圍材料 進行散射碰撞，且必然地中子會損失能量亦即平常所熟知 的減緩或緩和程序。在與緩和媒體發生幾次碰撞之後，高 能中子會變得溫熱化也就是說它們會與它們的緩和媒體趨 近熱平衡的低能或是慢中子。水（測試總成中的冷媒以及實 際輕水反應槽內的冷媒/緩和劑）是一種有效緩和媒體。更 特別的是，減緩效率是正比於水的密度而反比於空泡比例 。圍繞模擬核燃料棒30之副通路50內的平均空泡是與熱 中子通量有關的。更明確地說，具有高液態水含量之副通 路50內的熱中子聚焦密度或熱中子通量是比具有低液態 水含量之副通路50內的熱中子聚焦密度更高。 本發明之空泡分布量測裝置中使用的中子偵測器在對照 中間以及快中子而量測熱中子通量時是極靈敏的。因此， -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 484141 A7 B7 五、發明說明（） 這些中子偵測器對直接由任何射源發出的中間以及快中子 而言是不靈敏的且不致受到水之存在以及其量額的影響。 對包括每一中子射源以及中子偵測器之裝置而言，吾人 能夠將其動作中的長度選擇爲隨通常是六到十二吋的燃料 總成參數。包括此中子偵測器之空泡分布量測裝置的動作 中長度通常是壹吋。通常是將所有的偵測器定位在模擬之 測試總成內相同的軸向高度上以便在模擬之測試總成內相 同的軸向高度上得到資料。吾人可以取決於最佳化的硏究 而選出裝置的動作中以及靈敏尺度。吾人能夠將空泡分布 量測裝置的靈敏長度定位在沿模擬之測試總成高度方向的 任何預定軸向高度上。空泡分布量測裝置是於模擬燃料棒 內一起移動以確保當空泡分布量測裝置透過模擬測試總成 而垂直移動時偵測器的位置與射源的相對位置會保持是定 常的。 此模擬燃料棒含有一中子增殖器（亦即自然或濃縮的鈾 金屬或是氧化物）、一中子射源、以及一些中子偵試器。 因此，此空泡分布量測裝置包含添加增殖媒體以及量測 中子通量分布以獲取有關已加熱陣列之副通路50內空泡 比例的資訊。 此空泡分布量測裝置也會使爲活性反饋決定施行空泡量 測之特殊應用的量測偏差中和掉。更明確地說，本發明的 空泡量測技術會依相反的方式經由一些中子遷移計算將相 同的物理原理應用在決定燃料總成活性的作業上，而這類 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 484141 A7 B7 五、發明說明（） 計算是包含在中子和散布於燃料棒與其周圍燃料總成間緩 和劑之交互作用的基本元素。萬一空泡量測內存在有偏差 ’則會有逆向的偏差出現在上述活性計算中而仍然能夠得 到對燃料設計及分析的應用而言是足夠準確的正確活性。 本發明的一項重要應用是以實驗方式進行探究且進一步了 解並將輕水反應槽（LWR)內的沸騰現象特徵化。本發明同時 適用於沸水反應槽（BWR)以及高壓水反應槽（PWR)內的核燃 料總成應用。利用本發明的空泡分布量測裝置以及方法得 到的資訊是用在核燃料總成之設計以及性能分析上。 例如，副通路的配置以及出現於副通路內的任何障礙物（ 空間層、連結板、內部冷媒通路、流體流量轉向器等）都會 改變流體流量以及總成的沸騰特徵。同時，出現於某些燃 料內的可燃吸收器以及可移動的控制桿會改變模擬核燃料 棒的功率分布；而副通路內的空泡分布則同時既受到模擬 燃料棒功率內這種變化的影響並且也會影響到模擬燃料棒 功率內的這種變化。於幾個或全部的副通路內準確地量測 其平均空泡的能力會在吾人作設計決定時提供保貴的資訊 〇 根據本發明的空泡分布量測裝置使用的是由已加熱而具 有完整-長度之模擬燃料棒30或具部分-長度之模擬燃 料棒構成的具原物尺寸或作比例縮放的模擬之核燃料總成 1 0以施行像壓力液滴、空泡比例、以及臨界熱能通量之類 的水力量測。模擬燃料棒30是由一些中空導管31構成的 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---------訂---------線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 484141 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ______B7_____ 五、發明說明（） 且係由通過導管的電流依電氣方式進行加熱，而想要的軸 向加熱分布則是藉由變化每一導管31的軸向厚度以改變 其電氣阻抗而達成的。將由像一或更多其組成爲二氧化鈾 的核燃料小球33之類可裂變材料構成的膠囊、一中子射源 35、以及一中子偵測器37放在幾個已加熱導管的內側’這 些導管之一是依預先縮短其長度的方式顯示於第1圖中。 於一較佳實施例中，將一或更多核燃料小球33、一中子射 源35、以及一中子偵測器37放在每一已加熱導管的內側 。然而，不需要所有的模擬核燃料棒都含有射源材料。若 使用的是二氧化鈾的核燃料小球，它們可以是由自然或是 濃縮鈾構成的以致爲了臨限安全的理由其最大可能有效增 殖倍數是小於一單位。 吾人能夠改變核燃料的量額或二氧化鈾小球的數目且必 然地能夠改變空泡分布量測裝的長度以使實驗準確度最佳 化。對空泡軸向變化的解析度而言，必需使裝置的動作中 長度（例如核燃料的量額或二氧化鈾小球的數目）具有與想 要的軸向解析長度相當或更小的量値。另一方面，比較長 的動作中長度能夠改良裝置對空泡徑向變化之解析度以及 平均二維數値的靈敏度。 偵測器的安置以及射源的型式和安置都是可以改變的； 例如，吾人能夠將二氧化鈾小球或鈾金屬棒與射源材料放 在一起，或是將一或更多由射源材料構成的小球放在由二 氧化鈾小球構成的堆叠內。 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 484141 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 雖則本發明係藉由每一導管內所含有的一偵測器爲某一 模擬之測試總成內的每一模擬燃料棒量測空泡分布，然而 本發明可以包括任意數目的偵測器（每一導管內是少於一） 。由於冷媒容積的某個部分或百分比是與各偵測器有關的 ，而每一相關冷媒容積內的平均空泡是藉由本發明的空泡 分布量測裝置量而測得的數量，以空泡分布量測裝置進行 量測時其空泡分布的空間解析度是受到定位在模擬之測試 總成中空泡分布量測裝置內之偵測器數目的影響。因此， 已量測空泡分布的空間解析度會隨偵測器數目（例如偵測 器陣列的密度）的增加而改良。 根據本發明，由模擬核燃料棒構成的模擬之核燃料總成 內的空泡比例係藉由利用使高能中子溫熱化並藉由以定位 在燃料總成的模擬棒內的熱中子偵測器施行熱中子通量量 測而得到的。利用一個由熱中子偵測器構成的陣列取代單 一的熱中子偵測器以量測各種副通路內的空泡分布亦即平 均空泡比例。利用空泡分布量測裝置時，其空泡分布量測 的空間解析度會取決於使用的偵測器數目。若各導管都含 有一偵測器，則可以決定出副通路內與各導管相關的平均 空泡。另一方面，若使用比較少的偵測器（例如，於某一組 四個燃料棒中使用一偵測器或是於每一組四個燃料棒中使 用一偵測器，或者於某一組九個燃料中使用一偵測器或是 於每一組九個燃料棒中使用一偵測器），則可以決定出這些 組副通路內的平均空泡比例。明確地說，將要藉由空泡分 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------線^^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 484141 Α7 Β7 五、發明說明（） 布量測裝置進行量測的模擬核燃料棒構造以及與這種構造 相關的副通路都能決定偵測器的配置。這麼做會爲本發明 的裝置提供了構造上的弾性以適用於每一種特殊應用或作 最佳化以利每一種特殊應用。 當使用N個偵測器時，每一偵測器上都含有大槪是1/N 比例（或100/N個百分比）的相關冷媒容積。對應的已量測 空泡分布是表爲N個點。因此這種構造會構成最好的空間 解析度亦即能夠在N等於燃料棒總數時達成的空間解析度 。本發明的空泡分布量測裝置能夠在利用更少偵測器下使 用並發揮其功能。不過，隨著偵測器數目的減小其解析度 會變得比較不精確。例如，若使用N/2個偵測器時，與每 一偵測器相關冷媒容積大槪是總冷媒容積的200/N個百分 比而對應的已量測空泡分布是表爲N/2個點。空泡分布之 空間解析度的最小精確是在只使用兩偵測器時得到的。於 這種構造中，與每一偵測器相關的冷媒容積大槪是總冷媒 容積的50%而對應的已量測空泡分布是表爲兩點。 一偵測器的使用令吾人能夠只在一感興趣的平面上量測 其平均空泡含量，但是無法像通常在習知設計的情形一般 得到有關空泡分布的資訊。因此，例如美國專利第 5，098，641號文件中使用的是加馬射線而本發明使用的是 中子。這個專利也應用視線減弱原理，其中吾人想要的信 號是對未經散射之輻射進行偵測的結果而對已散射輻射的 偵測結果則是吾人不想要的信號；且本發明仰賴的只是對 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------------訂---------線^^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 484141 A7 B7 五、發明說明（） 未經散射之輻射進行偵測的結果。此外，這個專利所揭示 的一種偵測器是同時對未經散射及已散射的輻射具有靈敏 度；而本發明則選擇射源和偵測器的性質以致偵測器對射 源的中子能量不具靈敏度，因此大致排除了不想要的偵測 事件。也許最重要的是，這個專利在成對的單一射源/偵 測器下其工作效率最好；而本發明則在成對的多數射源以 及多數個偵測器下其工作效率最好。必然地，這個專利會 需要很多實驗量測以便在BWR測試總成的特殊平面上得到 空泡分布：而本發明則只需要一實驗量測便能得到相同的 資訊。也許一樣重要的是，這個專利對每一量測事件而言 都是受限於單一副通路的視線部分上空泡含量的量測；而 本發明則因爲使用多數個偵測器故能夠同時於多數個副通 路內量測其平均空泡含量（爲陣列內的每一個偵測器定義 到一個副通路上）。 根據本發明的程序而施行的空泡分布量測方法在已於測 試總成內建立了想要的加熱以及流動條件之後會涉及以下 的步驟： a) 將空泡量測裝置放在想要的高度上： b) 量測並記錄來自每一中子偵測器的輸出資料： c )將空泡量測裝置移到另一高度上； d)量測並記錄來自每一中子偵測器的輸出資料； e )重複步驟c )和d )直到已對所有想要的高度施行量測 爲止；以及 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------------------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 484141 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___B7___ 五、發明說明（） η以每一組的偵測器回應對副通路的空泡分布和空泡含 量進行評估。 本發明中更重要的益處之一是允許吾人對總成內的水分 布進行直接量測因此使燃料總成的設計得到實質的改良。 如第2圖中實例所顯示的模擬之燃料總成是以標準的遷 移密碼或是標準的蒙地卡羅密碼製作成模型以便分別依二 維或三維的方式描述測試總成解析度的模型。改變每一個 副通路的空泡比例而藉由校準實驗決定出通量內的變化， 或是藉由一種中子遷移密碼或是顯示如下的一種三維蒙地 卡羅密碼進行計算： r ( i , j ) = Δ ph i ( ί ) / Δ a 1 pha ( j ) [方程式 1] 其中r(i，j)是一個矩陣，其對角元素在數値上是大於非 對元素，phi(i)是模擬燃料棒（i)上的中子通量而alpha (j )是副通路（j )內的空泡比例；以及 Aphi(i)=phi mmm (i)-phi#% (i),and [方程式 2]
Aalpha(j) = alpha*»» (j)-alpha#% (j) [方程式 3] 其中phi 是當某一副通路具有含空泡的緩和劑時 在導管U)上的中子通量；而
Phi i^(i)是當由模擬燃料棒構成之陣列內的某一副通 路塡充有不含空泡的緩和劑時在導管（i)上的中子通量；且 alpha㈣》( ί )是於爲施行微擾量測而選出的副通路（j ) 內所引進的空泡比例；以及 alpha 是當陣列內塡充有不含空泡的水時的空泡 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 484141 A7 B7 五、發明說明（） 比例且因此係等於〇。 爲了定義回應矩應，對將要在某一裝置上得到的phi*微* 向量所作決定的次數是至少等於那個裝置上的中子偵測器 (以及相關的副通路）數目。由於構成一回應矩陣R的各元 素r(i，j)中對角元素是大於非對角元素，所以很容易就能 將它轉換成： F = inv (R). [方程式 4] 得到的空泡分布變化量測是呈△ a 1 ph a (j )的形式亦即向 量△ a lph a的元素。後者是依下列方式從量測得的通量向量 △ phi計算出來的，其中Aalpha等於R矩陣（亦即F)的逆 矩陣以及Ziphi點乘積： Δ alpha = F · Δ phi . [方程式 5] 這是從量測模擬燃料棒通量得到副通路空泡比例的基礎。 遷移計算不是用來從裝置得到資訊的唯一方式，因爲可 以藉由直接校準量測而完全對矩陣元素r(i，j)的決定。這 些矩陣元素可以例如（但是不受限於）藉由塞入中空的鋁棒 以產生副通路內的已知空泡，並對模擬燃料棒的通量執行 直接的量測。 很多有關核反應槽燃料總成設計的決定都是以利用將詳 細數學模型結合到複雜的電腦程式（例如設計密碼）而執行 的計算爲基礎的。在改變流體的流動及加熱條件下對測試 總成內空泡分布得準確量測會爲設計密碼提供保貴的資料 。這種量測也提供了一種方法係以實驗方式驗證產品製造 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 484141 A7 B7 五、發明說明（） 時流體的流動以及沸騰特徵（例如於由來自裝配線的組件 建造成的測試總成內施行的量測）。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 吾人無法對二相流動作很好的比例縮放。必然地，領域 內幾乎所有的工業應用都是以典型幾何構造在典型溫度和 壓力下執行的。本發明的實質優點是在不致干擾其他實驗 條件下提供了空泡比例的資訊，亦即本發明是一種非千擾 型的量測技術且能在感興趣的壓力、溫度、以及幾何構造 下工作。 本發明的主要優點是使吾人能夠同時在選出的所有副通 路內進行空泡比例的量測。空泡量測裝置不會阻礙流體的 流動因爲整個裝置包括有射源、偵測器、電纜、以及一含 藏於中空模擬燃料棒內的支持結構β 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明的另一優點是在測試總成環境內測試總成尺度與 裂變中子減緩（遷徙）長度間的對應關係。本發明的環境內 由裂變中子從生成（射源能量）到被偵測（熱學能量）期間所 行經的平均距離是落在6-12公分的範圍內。遷徙長度（¢¢) 也是對環境的緩和劑密度非常敏感的（標準數値有對〇%的 空泡而言M = 6，對80%的空泡而言M=12等）。由於BWR燃料 總成（因此模擬BWR燃料總成之測試總成）的截面是大槪1 5 X 15平方公分，絕大多數由本發明所含射源釋出的裂變中 子都會在測試總成的容積內取得熱學能量。更重要的是， 有顯著比例的射源中子會在本發明的動作中（偵測）容積內 取得熱學能量。因此，本發明不只對接受量測的數量而言（ -22- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 484141 A7 B7 五、發明說明（） 測試總成環境的空泡含量）是非常靈敏的，同時對射源中子 的利用而言也是很有效率的。後面這個槪念在實驗室中是 非常重要的’因爲匕的意思是本發明利用的是一^很小的射 源強度，故因爲脫離輻射而產生的外部劑量比率也是很小 的。 雖然前述說明及附圖代表的是本發明的較佳實施例，對 熟悉習知設計的人而言明顯地應該能在不偏離本發明所附 申請專利範圍之精神及架構下作各種變化及修飾。 主元件之對照表 --------------------訂---------線· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -23- 10 模 擬 之 測 試燃料總成 30 模 擬 燃 料 棒 31 中 空 導 管 33 核 燃 料 小 球 35 中 子 射 源 37 中 子 偵 測 器 50 副 通 路 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）