核反應堆反應性測量技術研究

韓鈺　萬波　黎剛　李昆

【摘 要】反應性儀用于監(jiān)測核電站反應堆物理啟動、調試、臨界運行等工況下的反應性狀態(tài)，是確保反應堆安全運行的重要設備。本文介紹了一種基于逆動態(tài)理論的數(shù)字化反應性儀，主要由信號調理器和數(shù)據(jù)處理器兩個部分構成。利用周期信號儀測試該反應性儀的反應性測量精度，并利用該設備在反應堆上開展動態(tài)刻棒試驗測量控制棒的反應性微分價值。通過測試，該反應性儀能夠滿足反應堆反應性監(jiān)測要求，可快速測量控制棒反應性價值，對于提升核電站安全性、可靠性、經(jīng)濟型具有重要價值。

【關鍵詞】反應性測量;反應性儀;空間效應;動態(tài)刻棒

中圖分類號： TM623.91 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）36-0112-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.051

0 引言

反應性是描述反應堆系統(tǒng)偏離臨界程度的重要安全參數(shù)，在反應堆物理啟動、裝卸燃料、停堆檢修以及機組臨界運行過程中都需要實時監(jiān)測反應堆系統(tǒng)的反應性狀態(tài)及其變化情況，確保反應堆始終處于安全可控的運行狀態(tài)。

近年來，隨著計算機技術、數(shù)字化技術的發(fā)展，用于反應性測量的反應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)字化反應性儀具有體積小、功耗低、界面友好、操作便捷的特點，同時該型數(shù)字化反應性儀還具有動態(tài)刻棒功能，這將大大縮短反應堆物理試驗時間，提升核電站運行的經(jīng)濟性[1]。然而，我國在反應性儀研發(fā)方面的工作起步較晚，國內核電機組使用的反應性儀基本被國外幾家公司所壟斷。因此，針對我國已經(jīng)投入建設的具有完全自主知識產(chǎn)權的第三代核電站堆型——“華龍一號”，自主研發(fā)適用于該堆型的數(shù)字化反應性儀，在反應性監(jiān)測精度、動態(tài)刻棒等功能性能指標上與國外同類型設備相當，這對于提升“華龍一號”核電機組的國產(chǎn)化水平和經(jīng)濟性具有重要意義。本文介紹了中國核動力研究設計院研發(fā)的NADRC型數(shù)字反應性儀，主要包括反應性測量原理、設備組成、功能描述以及試驗測試幾個部分。

1 反應性測量原理

對于一個反應堆系統(tǒng)，在有外中子源存在的情況下，其點堆動力學模型為[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)中子先驅核的濃度;λi是第i組緩發(fā)中子先驅核的衰減常數(shù);Λ為中子代時間;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為反應性;S（t）為外中子源強度。

反應性儀測量反應性的基本原理為逆動態(tài)法，由公式（1）可推導得出逆動態(tài)法的理論公式：

反應性測量原理（逆動態(tài)法）由點堆模型推導而來，但點堆模型只能描述反應堆的積分特性，不能描述反應堆內部與能量和空間有關的中子學問題。當有控制棒插入堆芯時，會引起堆內中子通量密度分布形狀變化，點堆模型不再適用，需要引入空間修正因子修正這一效應的影響。控制棒插入會帶來兩種空間效應[3]：一是靜態(tài)空間效應，控制棒插入之后瞬發(fā)中子通量密度發(fā)生變化，在極短時間內瞬發(fā)中子通量密度分布形狀改變;二是動態(tài)空間效應，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)中子先驅核衰減時間較長，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到穩(wěn)定狀態(tài)。

2 設備組成

圖1 NADRC型數(shù)字反應性儀設備功能框圖

NADRC型數(shù)字反應性儀設備功能框圖如圖1所示，由1臺信號調理器和1臺數(shù)據(jù)處理器構成，信號調理器和數(shù)據(jù)處理器之間通過網(wǎng)線連接。信號調理器可接收兩路堆外核探測器輸出的電流信號，對其進行放大、濾波處理之后通過以太網(wǎng)送往數(shù)據(jù)處理器;同時信號調理器還將接收控制棒棒位信號，用于動態(tài)刻棒數(shù)據(jù)處理。信號調理器通過網(wǎng)線與數(shù)據(jù)處理器通訊。數(shù)據(jù)處理器是一臺筆記本電腦，，安裝有NADRC型數(shù)字反應性儀軟件。

3 設備功能及測試

3.1 連續(xù)反應性測量

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

表1 NADRC型數(shù)字反應性儀測試結果

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

3.2 動態(tài)刻度控制棒價值

控制棒價值測量是反應堆物理啟動、調試階段的重要環(huán)節(jié)，其中，動態(tài)刻棒技術是當前國際上最為先進的快速測量控制棒價值的試驗方法。因此，NADRC型數(shù)字反應性儀開發(fā)了動態(tài)刻棒功能，通過測量控制棒快速插入堆芯過程中堆外中子探測器輸出的電流信號來計算控制棒的微分價值、積分價值。根據(jù)前文關于測量原理部分的介紹，控制棒插入過程中會引入空間效應的影響，導致控制棒反應性價值測量結果與真實值之間存在較大誤差，因此NADRC型數(shù)字反應性儀動態(tài)刻棒功能必須考慮空間效應影響的修正。

空間效應的影響程度與控制棒和中子探測器之間的相對布局以及控制棒插入堆芯的深度有關，為降低空間效應的干擾，NADRC型數(shù)字反應性儀還將記錄控制棒的棒位信息。動態(tài)刻棒測量分別引入靜態(tài)修正因子（SSF）和動態(tài)修正因子（DSF）對空間效應進行修正。靜態(tài)修正因子和動態(tài)修正因子由專用的反應堆物理計算軟件模擬計算得到。動態(tài)刻棒過程中，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修正因子進行查找，并利用該修正因子對相應棒位時刻的探測器信號（電流/計數(shù)率）進行修正，以修正的探測器信號作為輸入數(shù)據(jù)按公式（2）計算反應性。然后再讀入動態(tài)修正因子數(shù)據(jù)文件，并根據(jù)棒位進行查找，對逆動態(tài)中子動力學方程的求解結果進行動態(tài)修正，得到最終測量結果。

為驗證反應性儀動態(tài)刻棒功能的可靠性，在反應堆上開展了動態(tài)刻棒試驗，測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，結合空間效應修正因子計算出各控制棒的反應性微分價值曲線?？刂瓢舴磻詼y量結果如圖2所示，其中，橫坐標為控制棒插入堆芯深度，相對棒位高度100%表示控制棒完全處于堆芯外部?？刂瓢舴e分反應性真實價值為1024pcm。

圖2 NADRC型數(shù)字反應性儀動態(tài)刻棒測量結果

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

4 結論

本文介紹了用于“華龍一號”核電機組反應性測量的NADRC型數(shù)字反應性儀，主要介紹了該型反應性儀的測量原理、設備構成及功能，并開展了相關測試及堆上試驗。通過測量按特定周期指數(shù)增長的電流信號，表明測量的反應性結果與理論反應性數(shù)值之間的最大誤差為-0.745%，符合較好，滿足核電廠對于反應性測量精度的要求。此外，利用該反應性儀進行了動態(tài)刻棒試驗，引入修正因子修正控制棒插入導致的空間效應的影響，試驗結果表明經(jīng)過修正之后的控制棒微分反應性價值曲線與理論值符合較好，顯著降低了空間效應的影響，NADRC型數(shù)字反應性儀能夠滿足動態(tài)刻棒的要求。

【參考文獻】

[1]胡汝平，李志軍.動態(tài)刻棒技術的應用，核科學技術，2005（03）.

[2]史永謙.核反應堆中子學實驗技術[M].北京：原子能出版社，2011.

[3]A M Yuan. Research on spatial effect based on point reactor model， Harbin Engineering University，2013.