基于中子噪聲分析的某核電廠堆芯吊籃梁型振動特征研究

楊泰波，劉才學(xué)，羅 婷，簡 捷

(中國核動力研究設(shè)計院，四川成都610041)

基于中子噪聲分析的某核電廠堆芯吊籃梁型振動特征研究

楊泰波，劉才學(xué)，羅 婷，簡 捷

(中國核動力研究設(shè)計院，四川成都610041)

研究了基于堆外電離室中子噪聲信號監(jiān)測壓水堆核電廠反應(yīng)堆吊籃的方法，通過計算電離室中子噪聲的互功率密度譜、相干和相位，分析得到了堆芯吊籃梁型振動的頻率；利用該方法，計算獲得了某正常運行狀態(tài)下壓水堆核電廠換料周期內(nèi)堆芯吊籃梁型振動頻率和中子噪聲功率譜幅度的變化趨勢，結(jié)果說明了在反應(yīng)堆正常運行狀態(tài)下，隨著堆芯燃耗的增加，吊籃梁型振動頻率發(fā)生了微小漂移，頻率變小，該頻率處中子噪聲功率譜幅度變大。

中子噪聲；吊籃梁型振動；漂移

壓水堆核電廠反應(yīng)堆吊籃主要用于安裝并固定堆芯所需的燃料組件，是核電廠堆芯主設(shè)備之一，堆芯吊籃為上端簡支的中長圓柱殼結(jié)構(gòu)，堆芯吊籃主要振型有梁模態(tài)和殼模態(tài)。目前壓水堆核電廠無法直接測量堆芯吊籃的振動，一般通過堆外電離室的中子噪聲信號間接監(jiān)測堆芯吊籃的振動[1]，基于中子噪聲的堆內(nèi)構(gòu)件振動分析技術(shù)應(yīng)用于壓水堆的核電廠，主要是通過利用堆外核測系統(tǒng)提供的中子噪聲信號，對堆芯吊籃的振動情況進(jìn)行監(jiān)測與分析，以便及時發(fā)現(xiàn)堆芯的異常情況。

反應(yīng)堆堆外電離室的中子噪聲譜中，主要出現(xiàn)堆芯吊籃的梁式振型。堆芯吊籃梁式振動是由于吊籃與壓力容器之間的固緊耦合發(fā)生了一定的松動。資料表明，通過對臨界裝置堆芯吊籃激勵振動引發(fā)中子噪聲的試驗得到的功率譜密度進(jìn)行分析，證實了從中子噪聲功率譜密度中獲得吊籃振動特性是可行的[2]。

本文研究基于壓水堆堆外電離室的中子噪聲信號分析堆芯吊籃梁型振動的方法和過程，利用在役核電站的換料周期內(nèi)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展堆芯吊籃梁型振動特性研究，計算獲得堆芯吊籃梁型振動頻率和功率譜幅度變化趨勢，為壓水堆核電廠堆芯吊籃的振動監(jiān)測和診斷分析提供方法和參考數(shù)據(jù)，確保壓水堆核電廠反應(yīng)堆的可靠運行。

1 基于中子噪聲監(jiān)測堆芯吊籃梁型振動的原理

壓水堆核電站反應(yīng)堆吊籃的振動監(jiān)測是基于中子輸運到探測器時所形成的中子注量率的變化。堆芯吊籃的振動引起結(jié)構(gòu)和中子探測器之間的水層厚度變化，其結(jié)果因水層厚度變化造成阻尼變化，使到達(dá)堆外探測器的中子注量率隨著這些結(jié)構(gòu)的振動頻率(梁式振型)變得更大或更小。如圖1所示的基于中子噪聲監(jiān)測堆芯吊籃梁型振動的原理，從位于堆芯直徑相對位置的兩個中子探測器出來的信號是強(qiáng)相關(guān)的(在梁型振型頻率處相干通常高于0.7)，并在堆芯吊籃的一階梁型模態(tài)頻率處呈反相。

圖1 基于中子噪聲監(jiān)測堆芯吊籃梁型振動的原理Fig.1 Theory of Monitoring Core Barrel of PWR Based on Neutron Noise

2 中子噪聲信號分析計算方法[3]

(1)

x(t)的自譜Gxx(f)定義為：

Gxx(f)=E{|X(f)|2}

(2)

其含意是由x(t)的富氏變換模的平方計算得到的期望值(在整個時窗數(shù)上的平均值)。功率譜密度(PSD)的為：

(3)

它以(物理單位)2Hz-1表示。

歸一化功率譜密度(NPSD)表示歸一化的中子波動的PSD。它以Hz-1表示。

代號為SB2中子電離室輸出的信號為y(t)。x(t)和y(t)之間的互譜為：

兩位女生進(jìn)去了，還不到五分鐘便一個個垂頭喪氣，耷拉著臉出來了。前面二個男生也進(jìn)去了，一個垂著頭出來了，一個趾高氣揚地出來，望了望還在等著的殷明，露出一種蔑視的笑，走了。殷明看著他的這副表情，不禁緊張起來。輪到他了！

Gxy(f)=E{X(f)′Y(f)}

(4)

式中：X(f)*——X(f)的共軛復(fù)數(shù)。

互功率譜密度(CPSD)為：

(5)

相位函數(shù)Φ(f)是互譜的幅角，或：

Φ(f)=Arg·Gxy(f)

(6)

復(fù)相干函數(shù)Cxy(f)為：

(7)

用Γ2表示的相干函數(shù)為：

(8)

式中：其值在0和1之間。

單通道函數(shù)是建立在單信號(自譜)基礎(chǔ)上的。

交互通道函數(shù)是建立在兩個信號(互譜、相干和相位)基礎(chǔ)上的。

通過對中子噪聲的相干、相位和互譜的分析，識別堆芯吊籃梁型振動的頻率和幅度，并對吊籃梁型特征信息的變化趨勢進(jìn)行分析，診斷堆芯吊籃的正常與異常振動。

3 核電站監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

核電廠堆內(nèi)構(gòu)件振動監(jiān)測為定期監(jiān)測模式，中子噪聲信號的采集和分析是在無任何控制棒運動、無硼稀釋或加硼情緒情況下，且反應(yīng)堆達(dá)到滿功率穩(wěn)定運行狀態(tài)時進(jìn)行。用于分析吊籃梁型振動的中子噪聲信號包括四個呈90°角布置的中子電離室信號，在每個方向取上下兩段電離室信號。

3.1 吊籃梁型振動模態(tài)分析方法

圖2～圖4是某壓水堆核電廠新?lián)Q料周期的前期，滿功率運行時的中子噪聲信號分析結(jié)果，為減小噪聲的干擾，信號計算分析時進(jìn)行了64次平均。

圖2 NB1通道和NB2通道中子噪聲互功率譜Fig.2 Neutron Noise CPSD of Channel NB1 and NB2

圖3 NB1通道和NB2通道中子噪聲相關(guān)Fig.3 Neutron Noise Phase of Channel NB1 and NB2

圖4 NB1通道和NB2通道中子噪聲相位Fig.4 Neutron Noise coherent of Channel NB1 and NB2

圖2為堆外電離室NB1通道和NB2通道中子噪聲互功率譜，可知在8.4Hz處NB1通道和NB2通道的中子噪聲信號互功率譜為區(qū)域峰值，通過圖3中NB1通道和NB2通道中子噪聲相關(guān)性可知，在8.4Hz處，NB1通道和NB2通道中子噪聲信號的相干為0.9，兩通道的中子噪聲信號相關(guān)性強(qiáng)，說明該頻率為對堆芯吊籃的固有振動頻率，從圖4 NB1通道和NB2通道中子噪聲相位譜可知，頻率為8.4Hz處NB1通道和NB2通道中子噪聲信號的相位差為-172.9°，說明在8.4Hz處，兩個相對通道中子噪聲信號的相位相反，由此可判斷該頻率為吊籃的梁式振型模態(tài)。

3.2 燃料期內(nèi)吊籃梁型振動特征分析

利用上述方法，對某壓水堆核電站2012年1月開始至2012年7月和2012年9月至2013年4月(8月份大修)的中子噪聲信號進(jìn)行分析，獲得堆芯吊籃梁型模態(tài)的頻率，并計算分析該頻率處中子噪聲的功率譜幅度，獲得燃料期內(nèi)吊籃梁型振動頻率變化趨勢和功率譜幅度變化趨勢。

圖5 NB1通道中子噪聲功率譜Fig.5 Neutron Noise PSD of Channel NB1

由圖6和圖7燃料期內(nèi)吊籃梁型模態(tài)頻率趨勢可知，隨著反應(yīng)堆的運行，吊籃梁型振動的頻率變小，由燃料循環(huán)的初期8.4Hz到燃料循環(huán)末期的8Hz，說明隨著堆芯燃耗的增加，吊籃梁型模態(tài)的頻率發(fā)生了微小漂移，屬于正常運行狀態(tài)。

圖6 燃料期內(nèi)吊籃梁型振動頻率趨勢圖(2012年1月開始至2012年7月)Fig.6 Frequency Trending of Core Barrel Beam Vibration during Refueling Cycle(January 2012～July 2013)

圖7 燃料期內(nèi)吊籃梁型振動頻率趨勢圖(2012年9月開始至2013年4月)Fig.7 Frequency Trending of Core Barrel Beam Vibration during Refueling Cycle(September 2012～April 2013)

由圖8和圖9燃料期內(nèi)吊籃梁型振動功率譜幅度變化趨勢圖可知，燃料期內(nèi)吊籃梁型模態(tài)功率譜幅度增大。2012年1月開始至2012年7月的換料周期內(nèi)，功率譜幅度由-70.1dB增大到-66.7dB，換料后新?lián)Q料周期，2012年9月開始至2013年4月，功率譜幅度由-69.2dB增大到-65.6db。說明隨著堆芯燃耗的增加，壓水堆核電廠吊籃梁型振動頻率處的功率譜幅度增大，吊籃的振動處于正常狀態(tài)。

圖8 燃料期內(nèi)吊籃梁型振動功率譜幅度趨勢圖(2012年1月開始至2012年7月)Fig.8 CPSD Trending of Core Barrel Beam Vibration during Refueling Cycle(January 2012～July 2013)

圖9 燃料期內(nèi)吊籃梁型振動功率譜幅度趨勢圖(2012年9月開始至2013年4月)Fig.9 CPSD Trending of Core Barrel Beam Vibration during Refueling Cycle(September 2012～April 2013)

4 結(jié)論

本文研究基于中子噪聲分析壓水堆核電廠反應(yīng)堆吊籃的方法，并利用核電廠現(xiàn)場數(shù)據(jù)對吊籃在燃料周期內(nèi)吊籃的振動趨勢進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

1.利用堆外電離室中子噪聲信號，分析獲得堆芯吊籃的梁型振動模態(tài)，計算堆芯吊籃的梁型振動的頻率；

2.反應(yīng)堆正常運行狀態(tài)下，隨著堆芯燃耗的增加，吊籃梁型模態(tài)的頻率將發(fā)生微小漂移，頻率變小，該頻率處中子噪聲功率譜幅度變大；

3.基于中子噪聲分析技術(shù)能有效的對堆芯吊籃進(jìn)行振動分析，識別堆芯吊籃的振動狀態(tài)，為核電站安全、穩(wěn)定運行提供依據(jù)。

[1] TurkcanE.On-Line Monitoring of A PWR for Plant Surveillance by Noise Analysis[J].Progress in Nuclear Energy，1985，15：365-378.

[2] 劉才學(xué)等.中子噪聲在核反應(yīng)堆吊籃振動監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].核動力工程，2006，27(1)：30-33.

[3] IEC 61502.Nuclear Power Plants-Pressurized Water Reactors-Vibration Monitoring of Internal Structures[S].International Electrotechnical Commission，1999-11.

Study on Character of Core Barrel Beam ModeVibration During PWR Refueling Cycle

YANG Tai-bo，LIU Cai-xue，LUO Ting，JIAN Jie

(Nuclear Power Institute of China，Chengdu，610041，China)

The method of monitoring core barrel of PWR is studied based on neutron noise which is from ex-core neutron detector.Through aclculating CPSD，coherent and phase of the relative channel ionization chamber，the frequency of core barrel beam mode vibration is obtaioned.With the method，we calculated the trends of core barrel beam vibration frequency and CPSD amplitude in PWR refueling cycle under normal operation state.The results illustrate that in the condition of normal operation of reactor，the core barrel beam vibration frequency turns out to drifts and decreases，and the magnitude of CPSD at this frequency along with corresponding the core burnup increasing.

Neutron Noise; Core Barrel Beam Vibration; Drift

2016-10-27

楊泰波(1986—)，男，四川廣漢人，助理研究員，碩士學(xué)位，現(xiàn)從事核反應(yīng)堆故障監(jiān)測與診斷技術(shù)研究與設(shè)備研發(fā)工作

TL48

A

0258-0918(2017)01-0042-06