一种动态氙条件下压水堆堆芯功率分布测量方法与流程

1.本发明涉及商用压水堆堆芯物理试验优化技术领域，具体涉及一种动态氙条件下压水堆堆芯功率分布测量方法。


背景技术：

2.为了保障压水堆堆芯燃料组件装载的正确性和堆芯升功率运行的安全性，商用压水堆核电厂在大修期间，会在堆芯指定的功率水平台阶（比如30%、50%、75%）实施堆芯功率分布测量试验，获得堆芯三维功率分布的测量值，并与堆芯程序提前计算得到的堆芯三维功率分布的计算值进行对比验证。在堆芯升功率后，核燃料裂变产生的氙会累积，并且氙浓度在堆芯径向和轴向上发生振荡现象，由此引发堆芯功率分布在径向和轴向上发生振荡现象。因此，传统方法在堆芯升至指定的功率水平台阶后，需要大约24小时等待堆芯的氙浓度分布才能达到平衡状态，然后在平衡氙条件下实施堆芯功率分布测量试验。上述传统方法需要花费大量的时间等待堆芯氙浓度分布达到平衡状态，极大地增加了压水堆核电厂大修后升至满功率运行的时间。


技术实现要素：

3.针对商用压水堆核电厂大修期间在指定功率水平台阶实施堆芯功率分布测量试验需要长时间等待平衡氙状态的现实问题，本发明提出了一种动态氙条件下压水堆堆芯功率分布测量方法，在堆芯升功率后的动态氙条件下实施堆芯功率分布测量试验，而不用等待堆芯达到平衡氙状态，并基于动态氙条件下堆芯功率分布测量试验的测量值推演获得平衡氙条件下堆芯功率分布的测量值，完成压水堆核电厂大修规程要求的堆芯功率分布测量试验。本发明避免了传统方法在堆芯升功率之后等待氙浓度分布达到平衡状态所需的时间，可极大地缩短商用压水堆核电厂大修后升至满功率运行的时间。
4.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种动态氙条件下压水堆堆芯功率分布测量方法，包括如下步骤：步骤1：在动态氙条件下实施压水堆堆芯功率分布测量试验，获取动态氙状态下的ric文件；ric文件中储存了以下信息：dcs系统信号和各探测器通道活度测量值，其中dcs系统信号包括热电偶温度、堆芯入口和出口温度、热功率和核功率、一回路压力和流量、硼浓度以及控制棒位；压水堆堆芯通过升功率操作达到指定功率水平后，记刚升至指定功率水平为零时刻t0，通过维持指定功率水平等待预设时间后堆芯才能达到平衡氙状态，记达到平衡氙状态时刻为t2，堆芯升至指定功率水平后、达到平衡氙状态前均为动态氙状态；在动态氙状态下实施堆芯功率分布测量试验，获得动态氙状态下的ric文件；将实施动态氙状态下压水堆堆芯功率分布测量试验的时刻记为t1，对应的动态氙状态下ric文件中各探测器通道活度测量值记为；
步骤2：模拟堆芯升功率至平衡氙状态的全过程，获得各探测器通道活度计算值的时间规律；根据压水堆升功率的速度，采用堆芯物理分析软件模拟堆芯升功率至指定功率水平且达到平衡氙状态的全过程，获得堆芯内各探测器通道活度计算值随时间的变化规律；根据微型裂变室探测器的测量机理：探测器的活度正比于微型裂变室探测器区域内u-235总裂变率，则第i个探测器通道在轴向第j个计算网格中心高度处活度的计算值表示为：
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公式（1）式中：——轴向第j个计算网格的中心高度；g——表示能群编号索引；ng——表示总能群数目；c——是英文calculation的简写，表示计算值的含义，与m表示测量值的含义相对应；——表示第i个探测器通道在轴向第j个计算网格中心高度处第g群中子通量密度的计算值；——表示第i个探测器通道在轴向第j个计算网格中心高度处第g群u-235核素微观裂变截面的计算值；——表示第i个探测器通道在轴向第j个计算网格中心高度处活度的计算值；通过上述数值模拟，获得实施动态氙状态下压水堆堆芯功率分布测量试验的时刻t1和平衡氙状态时刻t2下堆芯内各探测器通道活度的计算值，并在轴向上将活度计算值由计算网格映射到与ric文件中活度测量值相同的测量网格上，网格映射关系表示为：
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公式（2）式中：——表示轴向第n个测量网格的中心高度；——表示轴向第k个计算网格的中心高度；——表示第i个探测器通道在轴向第n个测量网格中心高度处活度的计算值；——表示第i个探测器通道在轴向第k个计算网格中心高度处活度的计算值；cj——表示轴向第j个计算网格活度计算值的线性插值系数；ck——表示轴向第k个计算网格活度计算值的线性插值系数；将t1时刻和t2时刻经过网格映射处理得到的活度计算值分别记为和，和的维度均为1
×nact
，n
act
表示堆芯活性区内轴向测量网格的总数目；
步骤3：推演平衡氙状态下堆芯功率分布测量试验测量值，并输出平衡氙状态下ric文件；压水堆堆芯功率至指定功率水平后，由于堆芯内裂变产物氙在轴向和径向上的振荡现象，将直接影响堆芯三维中子通量密度分布，进而影响探测器通道活度的测量值和计算值；因此，基于实施动态氙状态下压水堆堆芯功率分布测量试验的时刻t1和平衡氙状态时刻t2两个时刻下堆芯各探测器通道活度计算值与实施动态氙状态下压水堆堆芯功率分布测量试验的时刻t1测量获得的ric文件，推演获得平衡氙状态下堆芯功率分布测量试验的测量值；首先，将各探测器通道的活度分解为幅值和形状的乘积，表示为：
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公式（3）式中：——表示第i个探测器通道活度的轴向分布向量，维度为1
×nact
；——表示第i个探测器通道活度的轴向形状向量，维度为1
×nact
；——表示第i个探测器通道活度的幅值；各探测器通道活度幅值和形状向量的计算采用公式（4）：
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公式（4）式中：iz——表示轴向第iz个测量网格的编号；——表示第i个探测器通道在轴向第iz个测量网格处活度值；——表示第i个探测器通道在轴向第iz个测量网格处活度的形状向量的值；根据公式（4）的计算方式：t1时刻动态氙状态下各探测器通道活度测量值在活性区内分解为t1时刻各探测器通道活度测量值的幅值和t1时刻各探测器通道活度测量值的形状向量；t1时刻各探测器通道活度计算值分解为t1时刻各探测器通道活度计算值的幅值和t1时刻各探测器通道活度计算值的形状向量；t2时刻各探测器通道活度计算值分解为t2时刻各探测器通道活度计算值的幅值和t2时刻各探测器通道活度计算值的形状向量；对平衡氙状态下各探测器通道活度测量值的幅值进行推演，表示为：
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公式（5）式中：——表示动态氙状态时刻t1下第i个探测器通道活度计算值的幅值；——表示平衡氙状态时刻t2下第i个探测器通道活度计算值的幅值；——表示动态氙状态时刻t1下第i个探测器通道活度测量值的幅值；——表示推演得到平衡氙状态时刻t2下第i个探测器通道活度测量值的幅值；对平衡氙状态下各探测器通道活度测量值的形状向量进行推演，表示为：
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公式（6）
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公式（7）式中：——表示动态氙状态时刻t1下第i个探测器通道活度计算值在轴向第iz个测量网格的形状向量的值；——表示平衡氙状态时刻t2下第i个探测器通道活度计算值在轴向第iz个测量网格的形状向量的值；——表示动态氙状态时刻t1下第i个探测器通道活度测量值在轴向第iz个测量网格的形状向量的值；——表示推演得到平衡氙状态时刻t2下第i个探测器通道活度测量值在轴向第iz个测量网格的形状向量的值；——表示推演得到平衡氙状态时刻t2下第i个探测器通道活度测量值在轴向第iz个测量网格的归一化形状向量的值；基于推演得到平衡氙状态下各探测器通道活度测量值的幅值和归一化形状向量，根据公式（3）的思路推演得到平衡氙状态下各探测器通道活度测量值，表示为：
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公式（8）将推演获得的平衡氙状态时刻t2下各探测器通道活度测量值格式化输出为ric文件的形式；步骤4：采用堆芯功率重构软件，获得平衡氙条件下堆芯三维功率分布的测量值；采用压水堆堆芯物理分析软件产生平衡氙状态下的理论库，结合步骤3中推演得到的平衡氙状态下堆芯功率分布测量试验测量值ric文件，通过堆芯功率重构软件，完成平衡氙状态下堆芯功率重构，获得平衡氙状态下堆芯三维功率分布的测量值。
5.优选的，步骤1所述的动态氙条件下实施压水堆堆芯功率分布测量试验，具体为：采用ric系统实现压水堆堆芯功率分布测量试验，通过5个微型裂变室探测器按照计算机预先设定的扫描顺序对压水堆堆芯内布置的50个探测器通道进行扫描测量，并将实测数据输出到ric文件中。
6.优选的，步骤1所述的各探测器通道活度测量值包括轴向每8mm探测器活度测量值，共512个记录点以及轴向每64mm探测器活度测量值，共64个记录点。
7.优选的，步骤1中所述的预设时间为24小时。
8.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：在商用压水堆大修期间，堆芯升至指定功率水平后，在堆芯处于动态氙状态下即可实施堆芯功率分布测量试验，并推演获得堆芯平衡氙状态下堆芯功率分布的测量值，避免了现有技术要求堆芯达到平衡氙再实施堆芯功率分布测量试验的等待时间，极大地缩短了商用压水堆核电厂大修主线时间。
附图说明
9.图1为本发明方法流程图。
10.图2为田湾核电站6号机组c01循环大修升功率过程曲线图。
11.图3为推演获得的30%额定满功率水平平衡氙状态下堆芯功率分布测量值及重构误差。
12.图4为30%额定满功率水平平衡氙条件下堆芯功率分布推演测量值与测量值之间的相对误差。
13.图5为推演获得的75%额定满功率水平平衡氙条件下堆芯功率分布测量值及重构误差。
14.图6 为75%额定满功率水平平衡氙条件下堆芯功率分布推演测量值与测量值之间的相对误差。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的说明。
16.本发明在堆芯升至指定功率水平后的动态氙状态下实施堆芯功率分布测量试验，而不用等待堆芯达到平衡氙状态，并基于动态氙状态下堆芯功率分布的测量值推演获得平衡氙状态下堆芯功率分布的测量值，完成压水堆核电厂大修规程要求的堆芯功率分布测量试验，具体实施步骤如图1所示，包括如下步骤：步骤1：在动态氙条件下实施压水堆堆芯功率分布测量试验，获取动态氙状态下的ric文件；第二代商用压水堆核电厂均采用ric系统实现压水堆堆芯功率分布测量试验，通过5个微型裂变室探测器按照计算机预先设定的扫描顺序对堆芯内布置的50个探测器通道进行扫描测量，并将实测数据自动输出到ric文件中。
17.ric文件中储存了以下关键信息：dcs系统信号和各探测器通道活度测量值，其中dcs系统信号包括热电偶温度、堆芯入口和出口温度、热功率和核功率、一回路压力和流量、硼浓度以及控制棒位；本实施例各探测器通道活度测量值包括轴向每8mm探测器活度测量值，共512个记录点以及轴向每64mm探测器活度测量值，共64个记录点。
18.压水堆堆芯通过升功率操作达到指定功率水平后（记刚升至指定功率水平为零时刻t0），一般维持该功率水平等待24小时才能达到平衡氙状态（记达到平衡氙状态时刻为t2），而小于24小时的堆芯均处于动态氙状态。在堆芯升至指定功率水平后4小时或者6小时，在动态氙状态下实施堆芯功率分布测量试验，即可获得动态氙状态下的ric文件。将实施动态氙状态下压水堆堆芯功率分布测量试验的时刻记为t1，动态氙状态下ric文件中各探测器通道活度测量值记为 (i=1,2,
…
,50)，的维度为1
×
512。
19.本实施例中，田湾核电站6号机组在c01循环大修期间，在30%额定满功率和75%额定满功率水平的6小时和24小时均实施了堆芯功率分布测量试验，分别获得了30%额定满功率台阶6小时和24小时的ric文件以及75%额定满功率台阶6小时和24小时的ric文件。
20.步骤2：模拟堆芯升功率至平衡氙状态的全过程，获得各探测器通道活度计算值的时间规律；
根据压水堆升功率的速度，采用堆芯物理分析软件模拟堆芯升功率至指定功率水平且达到平衡氙状态的全过程，获得堆芯内各探测器通道活度计算值随时间的变化规律。图2是采用堆芯物理分析软件spark程序对田湾核电站6号机在c01循环大修期间升功率全过程进行模拟。
21.根据微型裂变室探测器的测量机理：探测器的活度正比于微型裂变室探测器区域内u-235总裂变率，则第i个探测器通道在轴向第j个计算网格中心高度处活度的计算值可以表示为：
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公式（1）式中：——轴向第j个计算网格的中心高度；g——表示能群编号索引；ng——表示总能群数目；c——是英文calculation的简写，表示计算值的含义，与m表示测量值的含义相对应；——表示第i个探测器通道在轴向第j个计算网格中心高度处第g群中子通量密度的计算值；——表示第i个探测器通道在轴向第j个计算网格中心高度处第g群u-235核素微观裂变截面的计算值；——表示第i个探测器通道在轴向第j个计算网格中心高度处活度的计算值。
22.通过上述数值模拟，可以获得实施动态氙状态下压水堆堆芯功率分布测量试验的时刻t1和平衡氙状态时刻t2下堆芯内各探测器通道活度的计算值，并在轴向上将活度计算值由计算网格映射到与ric文件中活度测量值相同的测量网格上，网格映射关系表示为：
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公式（2）式中：——表示轴向第n个测量网格的中心高度；——表示轴向第k个计算网格的中心高度；——表示第i个探测器通道在轴向第n个测量网格中心高度处活度的计算值；——表示第i个探测器通道在轴向第k个计算网格中心高度处活度的计算值；cj——表示轴向第j个计算网格活度计算值的线性插值系数；ck——表示轴向第k个计算网格活度计算值的线性插值系数。
23.将t1时刻和t2时刻经过网格映射处理得到的活度计算值分别记为 (i=1,2,
…
,50)和(i=1,2,
…
,50)，和的维度均为1
×nact
（n
act
表示堆芯活性区内轴
向测量网格的总数目，每个网格尺寸为8mm）。
24.步骤3：推演平衡氙状态下堆芯功率分布测量试验测量值，并输出平衡氙状态下ric文件；压水堆堆芯功率至指定功率水平后，由于堆芯内裂变产物氙在轴向和径向上的振荡现象，将直接影响堆芯三维中子通量密度分布，进而影响探测器通道内活度的测量值和计算值。因此，基于实施动态氙状态下压水堆堆芯功率分布测量试验的时刻t1和平衡氙状态时刻t2两个时刻下堆芯各探测器通道活度计算值与实施动态氙状态下压水堆堆芯功率分布测量试验的时刻t1测量获得的ric文件，推演获得平衡氙状态下堆芯功率分布测量试验的测量值。首先，将各探测器通道活度分解为幅值和形状的乘积，表示为：
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公式（3）式中：——表示第i个探测器通道活度的轴向分布向量，维度为1
×nact
；——表示第i个探测器通道活度的轴向形状向量，维度为1
×nact
；——表示第i个探测器通道活度的幅值。
25.各探测器通道活度幅值和形状向量的计算采用公式（4）：
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公式（4）式中：iz——表示轴向第iz个测量网格的编号；——表示第i个探测器通道在轴向第iz个测量网格处活度值；——表示第i个探测器通道在轴向第iz个测量网格处活度的形状向量的值。
26.根据公式（4）的计算方式：t1时刻动态氙状态下各探测器通道活度测量值在活性区内可以分解为t1时刻各探测器通道活度测量值的和t1时刻各探测器通道活度测量值的形状向量；t1时刻各探测器通道活度计算值可以分解为t1时刻各探测器通道活度计算值的幅值和t1时刻各探测器通道活度计算值的形状向量；t2时刻各探测器通道活度计算值可以分解为t2时刻各探测器通道活度计算值的幅值和t2时刻各探测器通道活度计算值的形状向量。对平衡氙状态下各探测器通道活度测量值的幅值进行推演，表示为：
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公式（5）式中：——表示动态氙状态时刻t1下第i个探测器通道活度计算值的幅值；——表示平衡氙状态时刻t2下第i个探测器通道活度计算值的幅值；——表示动态氙状态时刻t1下第i个探测器通道活度测量值的幅值；
——表示推演得到平衡氙状态时刻t2下第i个探测器通道活度测量值的幅值。
27.对平衡氙状态下各探测器通道活度测量值的形状向量进行推演，表示为：
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公式（6）
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公式（7）式中：——表示动态氙状态时刻t1下第i个探测器通道活度计算值在轴向第iz个测量网格的形状向量的值；——表示平衡氙状态时刻t2下第i个探测器通道活度计算值在轴向第iz个测量网格的形状向量的值；——表示动态氙状态时刻t1下第i个探测器通道活度测量值在轴向第iz个测量网格的形状向量的值；——表示推演得到平衡氙状态时刻t2下第i个探测器通道活度测量值在轴向第iz个测量网格的形状向量的值；——表示推演得到平衡氙状态时刻t2下第i个探测器通道活度测量值在轴向第iz个测量网格的归一化形状向量的值。
28.基于推演得到平衡氙状态下各探测器通道活度测量值 的幅值和归一化形状向量，根据公式（3）的思路推演得到平衡氙状态下各探测器通道活度测量值，表示为：
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公式（8）将推演获得的平衡氙状态时刻t2下各探测器通道活度测量值格式化输出为ric文件的形式。
29.步骤4：采用堆芯功率重构软件，获得平衡氙条件下堆芯三维功率分布的测量值。
30.采用压水堆堆芯物理分析软件产生平衡氙状态下的理论库，结合步骤3中推演得到的平衡氙状态下堆芯功率分布测量试验测量值ric文件，通过由cedric、carin和etalong组成的堆芯功率重构软件，完成平衡氙状态下堆芯功率重构，获得平衡氙状态下堆芯三维功率分布的测量值。使用堆芯物理分析软件spark程序产生田湾核电站30%额定满功率水平和75%额定满功率水平平衡氙条件下理论库。将本发明应用于田湾核电站6号机组c01循环大修期间30%额定满功率水平和75%fp额定满功率水平平衡氙条件下堆芯功率分布测量值的推演：图3为推演获得的30%额定满功率水平平衡氙条件下堆芯功率分布测量值及重构误差，图4为30%额定满功率水平平衡氙条件下堆芯功率分布推演的测量值与测量值之间的相对误差；图5为推演获得的75%额定满功率水平平衡氙条件下堆芯功率分布测量值及重构误差，图6为75%额定满功率水平平衡氙条件下堆芯功率分布推演的测量值与测量值之间的相对误差。数值结果表明：在30%额定满功率水平，本发明推演得到的平衡氙条件下堆芯功率
分布测量值的重构误差最大为-2.8%，与真实的平衡氙条件下堆芯功率分布测量值之间的相对误差仅为1.3%；在75%额定满功率水平，本发明推演得到的平衡氙条件下堆芯功率分布测量值的重构误差最大为-2.6%，与真实的平衡氙条件下堆芯功率分布测量值之间的相对误差仅为0.7%。