一种反应堆核功率监测方法及系统与流程

本发明涉及反应堆核功率监测领域，具体涉及一种基于中子噪声信号来刻度反应堆核功率监测方法及系统。

背景技术：

在反应堆零功率物理试验时，为确保运行功率不超过相关核安全法规以及运行限值和条件的要求，同时也为校核理论计算提供输入参数，需知道反应堆的绝对功率。

在热中子零功率堆中，刻度绝对功率通常采用活化分析法，这种方法修正因子很多，数据处理也比较复杂，对于游泳池堆或零功率反应堆，由于活性区的布置经常变动，要测量反应堆的绝对功率，就必须经常刻度，显得相当麻烦。还有一种根据反应堆冷却剂进出口温差和总流量来计算绝对功率的方法，但它仅适用于功率较高的动力堆。对于低功率反应堆或温差小、系统散热量很大的游泳池堆，用这种方法确定的绝对功率误差很大。其它方法如源引入法，由于中子源有效强度计算困难，中子源反应性价值存在不确定性，因此，测量结果不太可靠。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题提供一种反应堆核功率监测方法及系统，其在不干扰反应堆正常运行下进行参数测量，适用于所有的反应堆，测量方便且快捷。

本发明通过下述技术方案实现：

一种反应堆核功率监测方法，包括以下步骤：

a、在反应堆达临界功率水平稳定后，为了降低反应堆堆芯内中子通量的空间效应，采用两个对称布置的中子γ补偿电离室测量反应堆的中子噪声信号；

b、对两组中子噪声信号计算时间信号的fft，计算互功率谱密度φxy并归一化处理；

c、对互功率谱密度进行拟合，获得互功率谱密度拟合曲线，在拟合曲线上获得频率ω1时的互功率谱密度φ′xy(ω1)；

d、根据拟合得到的参数，得到反应堆裂变率f，从而得到反应堆绝对功率p。

本方案的方法部分包括反应堆中子噪声信号测量步骤和功率测量步骤，其中，步骤b、c、d均属于功率测量步骤，通过对中子噪声信号进行分析得到互谱密度并进行拟合得到动态参数，从而得到绝对功率。采用本方法的数据在不干扰反应堆正常运行下测量获得，适用于所有的反应堆，不需要经常刻度，测量方便且快捷，其测量精度高，有效的解决了现有低功率堆功率测量中误差大和过程繁杂等问题。

作为优选，步骤b中，还包括对互功率谱密度的平滑处理，所述平滑处理的次数大于等于8次。对互功率谱密度进行平滑处理，可有效降低随机噪声的干扰，平滑处理的次数在8次时，可基本排除或降低随机噪声的影响。

进一步的，所述平滑处理的方法具体为：将当前的互功率谱密度与上次有效测量计算得到的互功率谱密度进行平均，获得两组噪声信号的平均互功率谱密度，并绘出互功率谱密度曲线。

作为优选，归一化后互功率谱密度φ′xy为：

其中，a为与反应堆功率水平、电离室探测效率相关的常数？；β为缓发中子有效份额；ω为角频率；ι为瞬发中子寿命；

进一步的，步骤c采用非线性最小二乘法进行拟合，具体为：采用非线性最小二乘法拟合参数输入参数a、ι、β的拟合初始值，初始值的设置依据反应堆堆芯物理理论计算获得的动态参数值进行设置，获得拟合的反应堆动态参数a、ι、β。

作为优选，所述步骤d中，反应堆裂变率f为：

其中，d指驱动因子，β为缓发中子有效份额；

反应堆绝对功率p为：p＝p0f，其中，p0指一次核裂变所释放出的能量。

该测量方法是以大量中子所引起的平均电流或电压的统计涨落作为测量基础的，再根据反应堆的输出信号围绕其稳态平均值随机统计涨落的变化来确定反应堆动态参数的和绝对功率。这种技术具有不干扰反应堆正常运行测量参数的优点，且适用于游泳池式反应堆，是测量绝对功率较方便、快捷的测量方法。

一种反应堆核功率监测系统，包括：

两套用于对称分布采集反应堆中字噪声信号的中子γ补偿电离室；

用于对中子γ补偿电离室输出电流信号进行放大并转换为电压信号的微电流放大器；

对微电流放大器输出信号进行信号处理并将输出直流电平信号和中子噪声信号的转换为数字信号的信号调理电路；

根据信号调理电路输出信号对反应堆核功率进行分析处理并实现对微电流放大器、信号调理电路的控制的数据分析与处理单元。

所述信号调理电路包括依次连接的隔离电路、直流补偿电路、噪声放大电路、低通滤波电路、缓冲电路、将隔离电路一路输出信号和缓冲电路输出信号转换为数字信号的a/d转换电路。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明方法以大量中子所引起的平均电流或电压的统计涨落作为测量基础的，在不干扰反应堆正常运行下测量获得，适用于所有的反应堆，不需要经常刻度，测量方便且快捷，其测量精度高，有效的解决了现有低功率堆功率测量中误差大和过程繁杂的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本装置的安装使用情况图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种反应堆核功率监测方法，包括以下步骤：

a、在反应堆功率水平稳定后，采用两个对称布置的中子γ补偿电离室测量反应堆的中

子噪声信号；

b、对两组中子噪声信号计算时间信号的fft，计算互功率谱密度φxy并归一化处理；

c、对互功率谱密度进行拟合，并计算某一特定频率ω1时的互功率谱密度φ′xy(ω1)；

d、根据拟合得到的参数，得到反应堆裂变率f，从而得到反应堆绝对功率p。

该测量方法是以大量中子所引起的平均电流或电压的统计涨落作为测量基础的，再根据反应堆的输出信号围绕其稳态平均值随机统计涨落的变化来确定反应堆动态参数的和绝对功率。这种技术具有不干扰反应堆正常运行测量参数的优点，且适用于游泳池式反应堆，是测量绝对功率较方便、快捷的测量方法，实现了对反应堆绝对功率的自动化测量。

功率测量步骤具体为：

对得到的两组中子噪声信号计算时间信号的fft，即快速傅氏变换；然后计算互功率谱密度φxy，对互功率谱密度进行至少8次的平滑处理后绘制互功率谱密度曲线。

平滑处理的方法具体为：将当前的互功率谱密度与上次平均过程重新开始后的最后一次计算得到的互功率谱密度进行平均，获得两组噪声信号的平均互功率谱密度，并绘出互功率谱密度曲线。

根据科恩噪声等效中子源的假设，处于临界状态的反应堆，两个电离室测量到的反应堆噪声互功率谱密度为：

其中：wx、wy分别为两个电离室的探测器效率；因子，即驱动因子，对u²³⁵作燃料的反应堆，d＝0.795；f为反应堆的绝对裂变率；为每探测一个中子所转化的平均电荷；h(ω)为反应堆的传递函数。

电离室输出的平均电流可表示为：

对于临界反应堆来说，传递函数可近似表示为：

其中：为反应堆处于缓发临界状态下得瞬发中子衰变常数；β为缓发中子有效份额；ω为角频率。

由此可变换导出：

对互功率谱密度进行归一化处理，获得归一化后的互功率谱密度φ′xy：

其中：vx、vy分别为两组噪声信号电压幅值；ax、ay分别为两组噪声信号放大倍数。

然后将互功率谱密度表达式变换为

通过上式建立参数拟合模型y＝f(x,ai)非线性函数，反映了ω与φ′xy的依赖关系，a、ι、β相当于ai为待定参数。利用labview虚拟仪器软件开发平台，运用非线性最小二乘法拟合工具，即采用使用levenberg-marquardt算法决定参数的最小二乘集合，该集合是输入数据点(x,y)的最佳拟合，数据点可由非线性函数y＝f(x,ai)表示，其中ai是参数的集合。

采用非线性最小二乘法拟合参数输入参数a、ι、β的拟合初始值，初始值的设置依据反应堆堆芯物理理论计算获得的动态参数值进行设置，获得拟合的反应堆动态参数a、ι、β。

并利用拟合得到互功率谱密度，计算低频频率某一特定频率ω1时的互功率谱密度φ′xy(ω1)，所选ω1应满足λmax《ω1《αc，λmax＝14为六个缓发中子先驱核衰变常数的最大值，即14《ω1，因此可取f1＝3，ω1》18.84，αc是变化值，而ω1的值越小越好，一般取18.84。

中子噪声信号的互功率谱密度经归一化处理后，反应堆裂变率f应表示为

通过利用曲线拟合得到的参数以及计算的互功率谱密度φ′xy(ω1)，计算反应堆裂变率。

反应堆绝对功率p＝p0f，其中，p0指一次核裂变所释放出的能量。一个单独的u²³⁵核裂变时可以发出大约3.2×10^-11w/s的能量。对于采用u²³⁵作为燃料的反应堆，根据p＝3.2×10^-11f即可算出反应堆绝对功率p。

实施例2

如图1所示，基于上述方法的一种反应堆核功率监测系统，包括：

两套用于对称分布采集反应堆中字噪声信号的中子γ补偿电离室；

用于对中子γ补偿电离室输出电流信号进行放大并转换为电压信号的微电流放大器；

对微电流放大器输出信号进行信号处理并将输出直流电平信号和中子噪声信号的转换为数字信号的信号调理电路；

根据信号调理电路输出信号对反应堆核功率进行分析处理并实现对微电流放大器、信号调理电路的控制的数据分析与处理单元。

两套中子γ补偿电离室构成一次仪表，微电流放大器、信号调理电路和数据分析与处理单元构成二次仪表。具体的，如图2所示，在堆芯外围板与吊兰之间对称布置2支dl125型中子γ补偿电离室，用于采集反应堆中子噪声信号。中子γ补偿电离室设计组装成组件形式，电离室外壳状处于悬浮态，以减少干扰。采用高压电源为中子γ补偿电离室供电，采用了2个独立的连续可调的激式变换器型高压电源向两个电离室提供所需正/负电压，调节变换器驱动信号幅度，达到调整输出高压的目的，输出电压：0～±500v连续可调；低压电源提供给小电流放大器正常工作的必要直流电源。

2个中子γ补偿电离室输出的电流信号通过双层屏蔽电缆传输到微电流放大器，微电流放大器对电流信号进行放大并转换为0～10v的电压信号。微电流放大器设有不同的放大倍数档位，数据分析与处理单元根据获得的电流信号大小自动调整小电流放大器的放大档位。

信号调理电路有两路，各自连接在两个中子γ补偿电离室上，其包括依次连接的隔离电路、直流补偿电路、噪声放大电路、低通滤波电路、缓冲电路和a/d转换电路。

信号调理电路接收微电流放大器输出的两路直流电平信号对其进行隔离处理后一路直流信号直接传送给a/d转换电路，另一路经直流补偿、程控放大和低通滤波处理后传送给a/d转换电路。直流补偿电路、噪声放大电路其均受数据分析与处理单元的控制，通过16位da任意调节直接加入直流偏置分量，完成直流补偿，其直流补偿范围：0～10v，直流补偿精度：±1mv。同时还可以实现程控放大的任意配置，具体放大倍数有：1、10、50、100、200、500。数据分析与处理单元根据采集反馈的信号幅值自动调整直流补偿的大小和信号的放大倍数。

数据分析与处理单元包括处理器、操作系统和应用程序，完成信号的分析与处理。其应用程序基于实施例1中的方法完成，以labview虚拟仪器技术作为软件的开发平台；应用程序实现对小电流放大器档位进行设置和读取，控制其自动换档，并对其输出幅度进行检出；对直流电平进行自动补偿；对信号适配单元增益和滤波参数进行设置和读取；对a/d采样频率和采样长度进行设置；控制a/d转换启动与停止；a/d缓存数据读取与显示；自功率谱密度与互功率谱密度分析与显示；非线性最小二乘法动态参数拟合；绝对功率计算。

基于该系统，其具体实施为过程为：

当反应堆开始抬升功率时，启动功率监测系统，系统将自动测量反应堆噪声。微电流放大器设有不同的放大倍数档位，随着反应堆功率不断上升，通过labview软件自动控制微电流放大器不断变换档位，降低放大倍数，相反功率降低时，小电流放大器将增大放大倍数，然后小电流放大器将信号转换为电压信号输出。

当反应堆功率稳定后，对反应堆中子噪声信号进行调理和采集，两个补偿中子γ补偿电离室测量的两组中子噪声电流信号各分成两路，一路为直流电平通道，直接测量直流电平幅值；另一路为中子噪声通道，对中子噪声进行噪声信号调理，信号调理步骤如下：

直流补偿：依据中子噪声通道的电平大小对中子噪声信号进行直流补偿，去除中子噪声信号中的直流成分，补偿方式采用负反馈控制，直流补偿精度为2mv，即中子噪声通道时，将自动进行直流补偿，v为中子噪声通道电压，a为当前噪声放大倍数。

噪声放大：直流补偿后对中子噪声信号进行逐级放大，信号调理设备放大倍数有：1、10、50、100、200、500。预先计算中子噪声信号按照a1倍放大后，判断噪声信号是否超量程(±5v)，如未超量程，则设置噪声信号放大倍数为a1，然后再次预计算放大a2倍噪声信号是否超量程，如未超量程则噪声信号将继续放大，则已超量程则降低放大倍数返回至a1倍。

低通滤波：依据反应堆的互功率谱密度的转折频率ω等于瞬发中子衰变常数αc即ω＝2πf＝αc，则信号分析频率因此噪声信号首先选择设置大于频率进行低通滤波，信号调理设备低通滤波档位有：100hz、200hz、300hz、500hz。

当反应堆功率水平出现抬升或下降，则小电流放大器放大档位出现变化，此时中子噪声通道放大倍数将设置为1倍，然后功率水平稳定后，系统将再次对噪声信号进行滤波、直流补偿、噪声放大等操作。

两路中子噪声通道经信号调理后，与两路直流电平通道进行同步采集，获得两组中子γ补偿电离室的直流电平和中子噪声信号。

本发明所述系统采用基于pxi总线的标准化及模块化技术，提高了系统可靠性和维修方便性。实现了对反应堆绝对功率的自动化测量并提高了测量精度，有效地解决了现有低功率堆功率测量中误差大和过程繁杂等问题。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。