TWI734503B - 用以測定反應度之系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種藉由一反應度電腦測定一核反應器之反應度之方法，該方法可包含：在一離散時間段內接收一中子偵測器響應；對該中子偵測器響應執行一統計檢查；基於該統計檢查測定該中子偵測器響應是否為可接受的；及若該中子偵測器響應不可接受則使用一先前延遲中子濃度計算反應度，且若該中子偵測器響應可接受則使用一新計算之延遲中子濃度計算反應度。

Description

用以測定反應度之系統及方法
所揭示之概念大體上係關於核反應器，且更特定言之係關於在一核反應器之一低功率物理測試範圍中測定反應度。
一核電廠之每次循環起動都需要對控制棒及停機棒進行組值(bank worth)量測。對於壓水反應器(PWR)，組值量測係低功率物理測試(LPPT)程式之部分。在幾乎所有例項中，此程式在提升功率期間在關鍵路徑上。公用事業工業強烈希望具有量測控制棒之組值之一快速的且可靠的方法。
已發展出量測控制棒之組值之各種方法。一種方法係對商用PWR進行棒值量測之一快速棒插入方法，其中使用核心設計靜態計算資料對偵測器信號進行空間效應校正。另一方法係動態棒值量測(DRWMTM )方法，其使用嚴格的三維時空動力學核心模型化，且已演進成已成功應用於許多PWR起動之一成熟技術。
用於PWR之兩個傳統組值量測方法係硼稀釋法及棒交換法。在硼稀釋法中，緩慢插入一組控制棒。在每次棒步進移動之後，保持棒位置同時稀釋硼以補償反應度損失。每個棒位置必須保持足夠長時間以避免時空效應，以驗證反應度電腦中所使用之點核心模型。因此，硼稀釋法係一非常緩慢的程序。棒交換法比硼稀釋法快很多。在棒交換法中，首先用硼稀釋法量測最重(最高值)組(被稱為參考組)。接著，在插入另一測試組時部分取出參考組。使用參考組之部分值補償測試組之值有效地測定測試組之值。使用棒交換之一典型LPPT花費約24小時。DRWM技術係快速驗證預測組值之一遠更快的方法。其分開且獨立量測各組而以其最大可容許速度驅動各組。分析方法係基於三維時空動力學理論，且用一先進數位反應度電腦(ADRC)處理量測資料。
圖1係一核電廠之一簡化示意圖，圖2A係一反應器核心及相關聯偵測器之一示意性俯視圖，且圖2B係一反應器核心及相關聯偵測器之一示意性側視圖。DRWM方法論使用無補償離子腔室功率範圍偵測器10、12。功率範圍偵測器10、12提供一個核心象限之廣視野，且上功率範圍偵測器10及下功率範圍偵測器12各自為大約5英尺長。一些工廠設計利用2個以上分段式偵測器(諸如6個或更多個分段)但仍提供~10’至12’之總有效偵測器長度。此給予一典型12’至14’反應器核心以一廣軸向核心響應。使用功率範圍偵測器10、12用於DRWM通常需要停止使用偵測器通道之一者，此使得無法執行其安全功能。使用功率範圍偵測器10、12亦涉及準確地量測微微安培級電流信號，此需要昂貴的且笨重的數個專用、實驗室級儀器。
ADRC需要來自一個功率範圍偵測器之輸入，該輸入使對應核儀器通道失效。若單元因為在物理測試期間工廠更接近一跳脫條件(即，在一個功率範圍失效時為1/3跳脫邏輯，而在所有功率範圍通道可操作時為2/4跳脫邏輯)而無法在功能上繞過一功率範圍通道，則從站角度來看可能是不利的。
在另一方法中，一中間範圍數位反應度電腦(IRDRC)利用中間範圍偵測器信號。IRDRC降低使一功率範圍通道失效以執行LPPT之工廠影響。然而，IRDRC在歷史上僅用於執行傳統反應度電腦量測，諸如硼端點(BEP)量測、等溫溫度係數(ITC)量測、藉由稀釋/硼化之組值量測及棒交換。
核儀器系統(NIS)係一安全相關系統，其通常利用3種偵測器類型(通常為源範圍偵測器、中間範圍偵測器及功率範圍偵測器，如圖1中所展示)來提供對數十年之反應器功率之充分監測。各NIS可用作至一反應度電腦之一輸入以計算各種核心設計參數，舉例而言，如在美國專利第4,877,575號(其之全文以引用的方式併入本文中)中所進行。中間及功率範圍偵測器信號表示與中子通量成正比之一值且用於求解反演點動力學方程式或其他反應度方程式。一反應度電腦可直接連接至一偵測器；然而，其接著無法執行其安全相關功能。因此期望在可能時使用隔離輸出，因此偵測器可保持其安全相關功能。隔離輸出通常為基於偵測器電流或脈衝之範圍之一0 V至5 V或0 V至10 V輸出。例如，一例示性補償離子腔室中間範圍偵測器之輸出在10-11 安培至10-3 安培之範圍內，且其相關聯處理機櫃(cabinet)產生一0 V至5 V或0 V至10 V輸出。
使用濃化U-235之分裂腔室偵測器(諸如美國專利第4,495,144號中所描述之分裂腔室偵測器，該案之全文以引用的方式併入本文中)通常亦被用作用於監測反應器功率之核內(incore)及核外(excore)核儀器系統。此偵測器類型可具有數種操作模式：(1)脈衝模式，其中偵測並記錄中子脈衝；(2)均方電壓(MSV)模式，其中使用一前置放大器放大脈衝信號且提供與反應器功率之平方根成比例之一信號。
難以對準兩種操作模式之間的轉變點。在兩種操作模式之間的轉變點處，偵測器信號輸出經歷一階躍變化。一種先前方法試圖運用信號處理技術使用變化率電路減小瞬變之影響來校正此問題。儘管此特定偵測器設計及其他設計確實減少自舊式偵測器系統之瞬變，但瞬變仍然足夠大以致於在使用偵測器輸出時對經計算反應度有顯著影響，因為信號具有與反應器功率不成比例之一跳躍轉變。先前方法僅集中於偵測器及信號處理電子器件而非集中於能夠或無法計算反應度。若不加以校正，則此轉變問題及對經計算反應度之後續影響使其無法用於低功率物理測試中。
美國專利第4,877,575號(其之全文以引用的方式併入本文中)使用兩個或更多個中子偵測器且統計地比較其等輸出以執行經計算反應度之驗證。然而，此方法需要使用兩個或更多個中子偵測器來驗證經計算反應度。
在一核反應器之低功率物理測試範圍內，在計算反應度方面仍有改進空間。
所揭示概念之態樣透過一核反應器之低功率物理測試範圍提供改良之反應度計算。
作為所揭示概念之一個態樣，一種測定一核反應器之反應度之方法包括：在一離散時間段內接收一中子偵測器響應；對該中子偵測器響應執行一統計檢查；基於該統計檢查測定該中子偵測器響應何時可接受；及在該中子偵測器響應不可接受時使用一先前延遲中子濃度計算反應度，且在該中子偵測器響應可接受時使用一新計算之延遲中子濃度計算反應度。
作為所揭示概念之另一態樣，一種用於計算一反應器核心之反應度之系統包括：一中子偵測器，其經結構化以偵測在該反應器核心中產生之中子通量；及一反應度電腦，其經結構化以基於該中子偵測器之一輸出接收一中子偵測器響應，該反應度電腦包含一處理器及一記憶體，該記憶體包含一反應度計算常式且該處理器經結構化以執行該反應度計算常式。該反應度常式包括：在一離散時間段內接收該中子偵測器響應；對該中子偵測器響應執行一統計檢查；基於該統計檢查測定該中子偵測器響應何時可接受；及在該中子偵測器響應不可接受時使用一先前延遲中子濃度計算反應度，且在該中子偵測器響應可接受時使用一新計算之延遲中子濃度計算反應度。
優先權聲明
本申請案主張於2019年5月30日申請之標題為SYSTEM AND METHOD TO DETERMINE REACTIVITY之美國臨時申請案第62/854,453號之優先權及權利，該案之揭示內容以全文引用的方式且針對所有目的併入本文中。
圖3係根據所揭示概念之一例示性態樣之測定反應度之一方法的一流程圖。當偵測器在操作模式之間轉變且輸出信號與反應器功率不成比例時，該方法消除偵測器電流之一階躍變化之影響。
該方法開始於100且繼續進行至102。在102，藉由反應度電腦接收一中子偵測器響應。藉由反應度電腦在一離散時間量(諸如一秒)內接收中子偵測器響應。然而，將瞭解，在不脫離所揭示概念之範疇之情況下，可使用任何合適離散時間量。在所揭示概念之一些例示性態樣中，中子偵測器可為一分裂腔室偵測器，諸如美國專利第4,495,144號中所描述之分裂腔室偵測器。在所揭示概念之一些例示性態樣中，中子偵測器具有兩種操作模式：(1)一脈衝模式，其中偵測並記錄中子脈衝；及(2)一均方電壓模式，其中使用一前置放大器放大脈衝信號且提供與反應器功率之平方根成比例之一信號。
方法在104繼續，其中藉由反應度電腦執行中子偵測器響應之一統計檢查。在所揭示概念之一些例示性態樣中，統計檢查尋找中子偵測器響應之一跳躍。例如，統計檢查可檢查在其中接收中子偵測器響應之離散時間段內，中子偵測器響應是否改變達預定數目個標準偏差(例如但不限於兩個標準偏差)。然而，將瞭解，在不脫離所揭示概念之範疇之情況下，可使用其他統計方法來測定中子偵測器響應在離散時間段內是否改變超過一預定量。
在106，反應度電腦可測定中子偵測器響應是否為可接受的。例如，基於藉由反應度電腦在104執行之統計檢查，若中子偵測器響應改變達預定數目個標準偏差或以其他方式改變超過一預定量，則測定中子偵測器響應係不可接受的。此一變化指示中子偵測器切換模式且引起其輸出之一階躍。若中子偵測器響應未改變達預定數目個標準偏差或以其他方式未改變超過一預定量，則測定中子偵測器響應係可接受的。
若藉由反應度電腦測定中子偵測器響應不可接受，則方法繼續進行至108，且若藉由反應度電腦測定中子偵測器響應可接受，則方法繼續進行至110。在108，在反應度計算中使用最近有效延遲中子濃度。最近有效延遲中子濃度可自方法之一先前反覆獲得。例如，若方法運行一秒之各離散時間段，則若針對該離散時間段之中子偵測器響應係可接受的，則可使用來自先前一秒時間段之延遲中子濃度。在110，藉由反應度電腦計算一新延遲中子濃度。此延遲中子濃度被視為有效的且可用於方法之一後續反覆中。
在112，藉由反應度電腦計算反應度。若中子偵測器響應不可接受則藉由反應度電腦使用最近有效延遲中子濃度計算反應度，或若中子偵測器響應可接受則藉由反應度電腦使用新計算之延遲中子濃度計算反應度。在一些例示性態樣中，藉由反應度電腦使用一反演點動力學方程式計算反應度。如下提供根據所揭示概念之一例示性態樣之一反演點動力學方程式。
Figure 02_image001
Figure 02_image003
其中：
Figure 02_image005
Figure 02_image007
在反演點動力學方程式中：
Figure 02_image009
係群組i之延遲中子濃度；
Figure 02_image011
係瞬發每代時間；
Figure 02_image013
係反應度；常數
Figure 02_image015
及
Figure 02_image017
係群組i之延遲中子前驅體之分率及衰變常數；
Figure 02_image019
係偵測器響應信號之量值；且
Figure 02_image021
係瞬發中子壽命。
中子偵測器模式之變化引起中子偵測器響應之一階躍轉變，該階躍轉變可人為地使預期中子數量及反演點動力學方程式中之延遲中子濃度偏斜。藉由在階躍轉變期間使用最近有效延遲中子濃度，反應度電腦可消除階躍轉變對反應度計算之影響。因此，使用上文所描述之方法，可藉由反應度電腦透過中子偵測器之模式變化來準確地計算反應度。
一旦在112計算反應度，方法便返回至100。方法繼續重複各離散時間段。
例如，圖4係根據所揭示概念之一例示性態樣之一中子偵測器信號輸出及反應度計算之一圖表。如圖4中所展示，在一正反應度增加期間(即，當反應器功率增加時)，中子偵測器輸出信號200大體上具有一恆定向上斜率。相反地，當反應器功率減小時，中子偵測器輸出信號200將大體上具有一恆定向下斜率。然而，中子偵測器之一模式變化引起一階躍轉變206。此階躍轉變206引起使用傳統反應度計算所計算之反應度202之一尖峰。然而，使用經改良計算所計算之反應度204消除尖峰且容許透過中子偵測器之模式變化準確地計算反應度。經改良計算係使用結合圖3所描述之方法之計算。中子偵測器之模式變化通常在低功率物理測試範圍期間發生，且因此傳統反應度計算無法用於低功率物理測試，而經改良之反應度計算可用於在一核反應器之低功率物理測試期間準確地計算反應度。另外，經改良之反應度計算僅使用來自一個中子偵測器而非多個中子偵測器之輸出信號。
圖5係根據所揭示概念之一例示性態樣之用於計算反應度之一系統的一簡化示意圖。系統可實施結合圖3所描述之方法。系統包含一中子偵測器500 (諸如一分裂腔室偵測器)、一信號調節單元502及一反應度電腦504。中子偵測器500偵測在一反應器核心中產生之中子通量且產生與所偵測之通量成比例之電流信號。信號調節單元502處理中子偵測器500之輸出使得其適於由反應度電腦504使用。
反應度電腦504包含一處理器506及相關聯記憶體508。記憶體508經結構化以儲存一或多個常式且處理器506經結構化以執行該一或多個常式。在所揭示概念之一些例示性態樣中，記憶體508儲存一經改良之反應度計算常式。經改良之反應度計算常式可為結合圖3所描述之藉由處理器506執行之方法。因此，反應度電腦504能夠實施結合圖3所描述之經改良之反應度計算。
如本文中所描述，所揭示概念之例示性態樣提供在使用僅一個中子偵測器之輸出時透過一中子偵測器之一模式變化準確地計算反應度之系統及方法。所揭示概念之例示性態樣適於在一核反應器之低功率物理測試範圍中計算反應度。
雖然已詳細描述本發明之特定態樣，但熟習此項技術者將瞭解，在不改變所揭示概念之範疇之情況下，可鑑於本發明之總體教示發展該等細節之各種修改及替代，且可組合例示性態樣之一或多者之選定元件與來自其他態樣之一或多個元件。因此，關於將被給予隨附發明申請專利範圍及其所有等效物之全部廣度之本發明之範疇，所揭示之特定態樣僅意欲為闡釋性的而非限制性的。
10:無補償離子腔室功率範圍偵測器/上功率範圍偵測器 12:無補償離子腔室功率範圍偵測器/下功率範圍偵測器 100:開始 102:藉由反應度電腦接收中子偵測器響應 104:藉由反應度電腦執行中子偵測器響應之統計檢查 106:反應度電腦測定中子偵測器響應是否為可接受的 108:在反應度計算中使用最近有效延遲中子濃度 110:藉由反應度電腦計算新延遲中子濃度 112:藉由反應度電腦計算反應度 200:中子偵測器輸出信號(圖4)/中子偵測器(圖5) 202:使用傳統反應度計算所計算之反應度(圖4)/信號調節單元(圖5) 204:使用經改良計算所計算之反應度(圖4)/反應度電腦(圖5) 206:階躍轉變(圖4)/處理器(圖5) 208:記憶體 500:中子偵測器 502:信號調節單元 504:反應度電腦 506:處理器 508:記憶體
可在結合隨附圖式閱讀時自較佳態樣之以下描述獲得本發明之進一步理解，其中：
圖1係一核電廠之一簡化示意圖；
圖2A係一反應器核心及相關聯偵測器之一示意性俯視圖；
圖2B係一反應器核心及相關聯偵測器之一示意性側視圖；
圖3係根據所揭示概念之一例示性態樣之測定反應度之一方法的一流程圖；
圖4係根據所揭示概念之一例示性態樣之一中子偵測器信號輸出及反應度計算之一圖表；及
圖5係根據所揭示概念之一例示性態樣之用於計算反應度之一系統的一簡化示意圖。
100:開始
102:藉由反應度電腦接收中子偵測器響應
104:藉由反應度電腦執行中子偵測器響應之統計檢查
106:反應度電腦測定中子偵測器響應是否為可接受的
108:在反應度計算中使用最近有效延遲中子濃度
110:藉由反應度電腦計算新延遲中子濃度
112:藉由反應度電腦計算反應度

Claims (6)

  1. 一種測定一核反應器之反應度之方法，該方法包括：藉由包括一處理器及一記憶體之一反應度電腦在一離散時間段內接收一中子偵測器響應；藉由該反應度電腦對該中子偵測器響應執行一統計檢查；藉由該反應度電腦基於該統計檢查測定該中子偵測器響應何時可接受；及藉由該反應度電腦在該中子偵測器響應不可接受時使用一先前延遲中子濃度計算一反應度，且在該中子偵測器響應可接受時使用一新計算之延遲中子濃度計算該反應度。
  2. 如請求項1之方法，其中執行該統計檢查包括：藉由該反應度電腦測定在該離散時間段期間，該中子偵測器響應何時變化達預定數目個標準偏差，及其中藉由該反應度電腦測定該中子偵測器響應何時可接受包括：藉由該反應度電腦在該離散時間段期間在該中子偵測器響應變化達小於該預定數目個標準偏差時，測定該中子偵測器響應係可接受的，且在該離散時間段期間在該中子偵測器響應變化達該預定數目個標準偏差或更多時，測定該中子偵測器響應係不可接受的。
  3. 如請求項1之方法，其中藉由該反應度電腦執行該統計檢查包括：藉由該反應度電腦測定在該離散時間段期間，該中子偵測器響應何時變化達 一預定量，及其中藉由該反應度電腦測定該中子偵測器響應何時可接受包括：在該離散時間段期間在該中子偵測器響應變化達小於該預定量時，測定該中子偵測器響應係可接受的，且藉由該反應度電腦在該離散時間段期間在該中子偵測器響應變化達該預定量或更多時，測定該中子偵測器響應係不可接受的。
  4. 如請求項1之方法，其中藉由包括一處理器及一記憶體之一反應度電腦接收一中子偵測器響應包括：藉由該反應度電腦自在一第一模式中操作或在一第二模式中操作之該中子偵測器接收一響應，其中藉由一反應度電腦自在一第一模式中操作之該中子偵測器接收一響應包括：藉由一反應度電腦自在其中偵測並記錄複數個中子脈衝之一脈衝模式中操作之該中子偵測器接收一響應，及其中藉由一反應度電腦自在一第二模式中操作之該中子偵測器接收一響應包括：藉由一反應度電腦自在其中一前置放大器經組態以放大複數個脈衝信號且提供與一反應器功率之一平方根成比例之一信號之一均方電壓模式中操作的該中子偵測器接收一響應。
  5. 如請求項1之方法，其中藉由該反應度電腦計算反應度包括：藉由該反應度電腦計算一反演點動力學方程式以計算反應度。
  6. 一種用於計算一反應器核心之反應度之系統，該系統包括：一中子偵測器，其經組態以偵測在該反應器核心中產生之中子通 量；及一反應度電腦，其經組態以基於該中子偵測器之一輸出接收一中子偵測器響應，該反應度電腦包括一處理器及一記憶體，該記憶體經組態以儲存一反應度計算常式且該處理器經組態以執行該反應度計算常式，該反應度計算常式包括：藉由該反應度電腦在一離散時間段內接收該中子偵測器響應；藉由該反應度電腦對該中子偵測器響應執行一統計檢查；藉由該反應度電腦基於該統計檢查測定該中子偵測器響應何時可接受；及藉由該反應度電腦在該中子偵測器響應不可接受時使用一先前延遲中子濃度計算一反應度，且在該中子偵測器響應可接受時使用一新計算之延遲中子濃度計算該反應度。
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