核反應(yīng)堆反應(yīng)性測(cè)量技術(shù)研究

韓鈺　萬(wàn)波　黎剛　李昆

【摘 要】反應(yīng)性儀用于監(jiān)測(cè)核電站反應(yīng)堆物理啟動(dòng)、調(diào)試、臨界運(yùn)行等工況下的反應(yīng)性狀態(tài)，是確保反應(yīng)堆安全運(yùn)行的重要設(shè)備。本文介紹了一種基于逆動(dòng)態(tài)理論的數(shù)字化反應(yīng)性儀，主要由信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)處理器兩個(gè)部分構(gòu)成。利用周期信號(hào)儀測(cè)試該反應(yīng)性儀的反應(yīng)性測(cè)量精度，并利用該設(shè)備在反應(yīng)堆上開(kāi)展動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)測(cè)量控制棒的反應(yīng)性微分價(jià)值。通過(guò)測(cè)試，該反應(yīng)性儀能夠滿足反應(yīng)堆反應(yīng)性監(jiān)測(cè)要求，可快速測(cè)量控制棒反應(yīng)性價(jià)值，對(duì)于提升核電站安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)型具有重要價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】反應(yīng)性測(cè)量;反應(yīng)性儀;空間效應(yīng);動(dòng)態(tài)刻棒

中圖分類號(hào)： TM623.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）36-0112-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.051

0 引言

反應(yīng)性是描述反應(yīng)堆系統(tǒng)偏離臨界程度的重要安全參數(shù)，在反應(yīng)堆物理啟動(dòng)、裝卸燃料、停堆檢修以及機(jī)組臨界運(yùn)行過(guò)程中都需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆系統(tǒng)的反應(yīng)性狀態(tài)及其變化情況，確保反應(yīng)堆始終處于安全可控的運(yùn)行狀態(tài)。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，用于反應(yīng)性測(cè)量的反應(yīng)性儀也在向著小型化、多功能化、數(shù)字化、模塊化的方向發(fā)展，例如西屋公司研發(fā)的ADRC型數(shù)字化反應(yīng)性儀具有體積小、功耗低、界面友好、操作便捷的特點(diǎn)，同時(shí)該型數(shù)字化反應(yīng)性儀還具有動(dòng)態(tài)刻棒功能，這將大大縮短反應(yīng)堆物理試驗(yàn)時(shí)間，提升核電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1]。然而，我國(guó)在反應(yīng)性儀研發(fā)方面的工作起步較晚，國(guó)內(nèi)核電機(jī)組使用的反應(yīng)性儀基本被國(guó)外幾家公司所壟斷。因此，針對(duì)我國(guó)已經(jīng)投入建設(shè)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電站堆型——“華龍一號(hào)”，自主研發(fā)適用于該堆型的數(shù)字化反應(yīng)性儀，在反應(yīng)性監(jiān)測(cè)精度、動(dòng)態(tài)刻棒等功能性能指標(biāo)上與國(guó)外同類型設(shè)備相當(dāng)，這對(duì)于提升“華龍一號(hào)”核電機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化水平和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。本文介紹了中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院研發(fā)的NADRC型數(shù)字反應(yīng)性儀，主要包括反應(yīng)性測(cè)量原理、設(shè)備組成、功能描述以及試驗(yàn)測(cè)試幾個(gè)部分。

1 反應(yīng)性測(cè)量原理

對(duì)于一個(gè)反應(yīng)堆系統(tǒng)，在有外中子源存在的情況下，其點(diǎn)堆動(dòng)力學(xué)模型為[2]：

其中，n（t）代表堆芯中子通量密度水平;ci（t）是第i組緩發(fā)中子先驅(qū)核的濃度;λi是第i組緩發(fā)中子先驅(qū)核的衰減常數(shù);Λ為中子代時(shí)間;βi為第i群緩發(fā)中子有效份額;β為總的緩發(fā)中子有效份額;ρ為反應(yīng)性;S（t）為外中子源強(qiáng)度。

反應(yīng)性儀測(cè)量反應(yīng)性的基本原理為逆動(dòng)態(tài)法，由公式（1）可推導(dǎo)得出逆動(dòng)態(tài)法的理論公式：

反應(yīng)性測(cè)量原理（逆動(dòng)態(tài)法）由點(diǎn)堆模型推導(dǎo)而來(lái)，但點(diǎn)堆模型只能描述反應(yīng)堆的積分特性，不能描述反應(yīng)堆內(nèi)部與能量和空間有關(guān)的中子學(xué)問(wèn)題。當(dāng)有控制棒插入堆芯時(shí)，會(huì)引起堆內(nèi)中子通量密度分布形狀變化，點(diǎn)堆模型不再適用，需要引入空間修正因子修正這一效應(yīng)的影響?？刂瓢舨迦霑?huì)帶來(lái)兩種空間效應(yīng)[3]：一是靜態(tài)空間效應(yīng)，控制棒插入之后瞬發(fā)中子通量密度發(fā)生變化，在極短時(shí)間內(nèi)瞬發(fā)中子通量密度分布形狀改變;二是動(dòng)態(tài)空間效應(yīng)，這是由緩發(fā)中子通量密度分布形狀發(fā)生改變引起的，由于緩發(fā)中子先驅(qū)核衰減時(shí)間較長(zhǎng)，控制棒插入之后通常需要十幾分鐘緩發(fā)中子分布形狀才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2 設(shè)備組成

圖1 NADRC型數(shù)字反應(yīng)性儀設(shè)備功能框圖

NADRC型數(shù)字反應(yīng)性儀設(shè)備功能框圖如圖1所示，由1臺(tái)信號(hào)調(diào)理器和1臺(tái)數(shù)據(jù)處理器構(gòu)成，信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)處理器之間通過(guò)網(wǎng)線連接。信號(hào)調(diào)理器可接收兩路堆外核探測(cè)器輸出的電流信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行放大、濾波處理之后通過(guò)以太網(wǎng)送往數(shù)據(jù)處理器;同時(shí)信號(hào)調(diào)理器還將接收控制棒棒位信號(hào)，用于動(dòng)態(tài)刻棒數(shù)據(jù)處理。信號(hào)調(diào)理器通過(guò)網(wǎng)線與數(shù)據(jù)處理器通訊。數(shù)據(jù)處理器是一臺(tái)筆記本電腦，，安裝有NADRC型數(shù)字反應(yīng)性儀軟件。

3 設(shè)備功能及測(cè)試

3.1 連續(xù)反應(yīng)性測(cè)量

為驗(yàn)證該反應(yīng)性儀反應(yīng)性測(cè)量的可靠性，使用周期信號(hào)儀產(chǎn)生按特定周期T上升的電流信號(hào)，將其接入反應(yīng)性儀電流輸入通道，由反應(yīng)性儀測(cè)量該上升周期對(duì)應(yīng)的反應(yīng)性測(cè)量結(jié)果，并將該結(jié)果與理論反應(yīng)性相比較，反應(yīng)性測(cè)量結(jié)果列于表1中。

表1 NADRC型數(shù)字反應(yīng)性儀測(cè)試結(jié)果

從表1中可看出，對(duì)于三個(gè)e倍增周期信號(hào)，兩個(gè)電流通道所測(cè)量的反應(yīng)性結(jié)果與理論反應(yīng)性數(shù)值之間的最大誤差為-0.745%，符合較好，NADRC型數(shù)字反應(yīng)性儀能夠滿足核電廠對(duì)反應(yīng)性測(cè)量精度的要求。

3.2 動(dòng)態(tài)刻度控制棒價(jià)值

控制棒價(jià)值測(cè)量是反應(yīng)堆物理啟動(dòng)、調(diào)試階段的重要環(huán)節(jié)，其中，動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際上最為先進(jìn)的快速測(cè)量控制棒價(jià)值的試驗(yàn)方法。因此，NADRC型數(shù)字反應(yīng)性儀開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)刻棒功能，通過(guò)測(cè)量控制棒快速插入堆芯過(guò)程中堆外中子探測(cè)器輸出的電流信號(hào)來(lái)計(jì)算控制棒的微分價(jià)值、積分價(jià)值。根據(jù)前文關(guān)于測(cè)量原理部分的介紹，控制棒插入過(guò)程中會(huì)引入空間效應(yīng)的影響，導(dǎo)致控制棒反應(yīng)性價(jià)值測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值之間存在較大誤差，因此NADRC型數(shù)字反應(yīng)性儀動(dòng)態(tài)刻棒功能必須考慮空間效應(yīng)影響的修正。

空間效應(yīng)的影響程度與控制棒和中子探測(cè)器之間的相對(duì)布局以及控制棒插入堆芯的深度有關(guān)，為降低空間效應(yīng)的干擾，NADRC型數(shù)字反應(yīng)性儀還將記錄控制棒的棒位信息。動(dòng)態(tài)刻棒測(cè)量分別引入靜態(tài)修正因子（SSF）和動(dòng)態(tài)修正因子（DSF）對(duì)空間效應(yīng)進(jìn)行修正。靜態(tài)修正因子和動(dòng)態(tài)修正因子由專用的反應(yīng)堆物理計(jì)算軟件模擬計(jì)算得到。動(dòng)態(tài)刻棒過(guò)程中，數(shù)據(jù)處理器軟件首先讀入靜態(tài)修正因子的數(shù)據(jù)文件，根據(jù)采集的控制棒棒位信息對(duì)修正因子進(jìn)行查找，并利用該修正因子對(duì)相應(yīng)棒位時(shí)刻的探測(cè)器信號(hào)（電流/計(jì)數(shù)率）進(jìn)行修正，以修正的探測(cè)器信號(hào)作為輸入數(shù)據(jù)按公式（2）計(jì)算反應(yīng)性。然后再讀入動(dòng)態(tài)修正因子數(shù)據(jù)文件，并根據(jù)棒位進(jìn)行查找，對(duì)逆動(dòng)態(tài)中子動(dòng)力學(xué)方程的求解結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，得到最終測(cè)量結(jié)果。

為驗(yàn)證反應(yīng)性儀動(dòng)態(tài)刻棒功能的可靠性，在反應(yīng)堆上開(kāi)展了動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)，測(cè)量單根控制棒勻速插入堆芯期間中子通量密度的變化情況，結(jié)合空間效應(yīng)修正因子計(jì)算出各控制棒的反應(yīng)性微分價(jià)值曲線?？刂瓢舴磻?yīng)性測(cè)量結(jié)果如圖2所示，其中，橫坐標(biāo)為控制棒插入堆芯深度，相對(duì)棒位高度100%表示控制棒完全處于堆芯外部?？刂瓢舴e分反應(yīng)性真實(shí)價(jià)值為1024pcm。

圖2 NADRC型數(shù)字反應(yīng)性儀動(dòng)態(tài)刻棒測(cè)量結(jié)果

從圖2中可以看出，隨著控制棒插入堆芯深度增加，直接測(cè)量的反應(yīng)性價(jià)值與理論值之間的偏差逐漸增大，相對(duì)棒位高度低于20%之后測(cè)量值與理論值之間的偏差約為200pcm，遠(yuǎn)不能滿足核電廠對(duì)于反應(yīng)性測(cè)量精度的要求。引入了空間效應(yīng)修正因子之后，測(cè)量的積分反應(yīng)性價(jià)值為1000pcm，與理論值之間的偏差顯著減小，修正后的控制棒反應(yīng)性微分價(jià)值曲線與理論曲線基本重疊。

4 結(jié)論

本文介紹了用于“華龍一號(hào)”核電機(jī)組反應(yīng)性測(cè)量的NADRC型數(shù)字反應(yīng)性儀，主要介紹了該型反應(yīng)性儀的測(cè)量原理、設(shè)備構(gòu)成及功能，并開(kāi)展了相關(guān)測(cè)試及堆上試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)量按特定周期指數(shù)增長(zhǎng)的電流信號(hào)，表明測(cè)量的反應(yīng)性結(jié)果與理論反應(yīng)性數(shù)值之間的最大誤差為-0.745%，符合較好，滿足核電廠對(duì)于反應(yīng)性測(cè)量精度的要求。此外，利用該反應(yīng)性儀進(jìn)行了動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)，引入修正因子修正控制棒插入導(dǎo)致的空間效應(yīng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)修正之后的控制棒微分反應(yīng)性價(jià)值曲線與理論值符合較好，顯著降低了空間效應(yīng)的影響，NADRC型數(shù)字反應(yīng)性儀能夠滿足動(dòng)態(tài)刻棒的要求。

【參考文獻(xiàn)】

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