HFETR变流量下16Nγ监测反应堆功率的应用研究

2019-06-20 01:22林建华陆星李林洪
科技视界 2019年11期
关键词:剂量率水流量堆芯

林建华 陆星 李林洪

【摘 要】本文推导了HFETR变流量下16Nγ剂量率、一次水流量Q和反应堆功率P之间的数学模型,并在HFETR上将采集到的HFETR流量信号和16Nγ剂量率信号按数学模型编程计算反应堆实时的16Nγ功率。通过历史运行数据和实时运行数据与热功率进行对比,验证数学模型的正确性和可用性。通过数学模型建立的16Nγ功率值与热功率值一致。

【关键词】137Cs活度浓度;137Cs产额;50%燃耗;裂变核素;元件破损

中图分类号: TL352 文献标识码: A 文章编号: 2095-2457(2019)11-0070-002

DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.032

0 前言

HFETR16Nγ监测系统是通过监测一回路水中16N放射性活度从而间接监测反应堆功率的一套系统。该系统监测功率的响应时间介于核功率与热功率之间,且16Nγ监测系统的报警信号通过2/2的逻辑符合参与反应堆保护,对反应堆安全起着重要作用。在流量恒定的情况下,一回路水中16N的浓度和反应堆功率成正比,现有的HFETR16Nγ监测系统正是基于此规律建立起来的,但反应堆一回路水流量波动较大,特别是不同炉之间,不同主泵组合运行时一回路水流量差别较大,同一炉次中一回路水流量也会存在小范围波动,现有的16Nγ监测系统没有考虑流量对功率的影响,同时测量值与功率关系不直观,因此,本文研究变流量下反应堆功率和16N浓度之间的关系,并在此基础上建立新的监测报警系统,使得16Nγ监测功率更准确直观。

1 HFETR16Nγ监测反应堆功率的数学模型建立

反应堆运行时一回路水经过堆芯,16O受中子辐照发生核反应生成16N,16N再发生β衰变生成16O,同时发射三种高能量γ射线:7.12MeV(5%),6.13MeV(69%),2.75MeV(1%)。16N半衰期只有7.13秒,HFETR一回路水在堆内循环一周的时间在160~200秒之间,远大于16N的半衰期,可以近似认为一回路水循环一周到堆入口处16N基本衰变完,堆入口处16N浓度趋于零,水流经过堆芯,16O受中子辐照产生核反应生成16N,微观反应截面为σ[1],宏观反应截面为∑[1],一次水经过堆芯时流速为υ芯(m/S)。

一次水从左向右流动,堆芯长度L米,一次水流经x距离处,单位体积内的16N个数为Nx,经过一个无限小距离dx,在x+dx处,单位体积内的16N个数增加至Nx+dNx,水流速为υ芯(m/S),中子通量密度为Φ,在计算时忽略16N衰变的减少(水流经过堆芯相对于16N半衰期时间短),则有如下微分方程:

其中N0为阿伏伽德罗常數6.022×1023mol-1,ρ水为水的密度1g/cm3,A水为水分子质量数18g/mol,∑x为x距离处16O(n,p)16N宏观反应截面,设N0ρ水/A水=θ,把(2)式代入(1)式得:

HFETR中子通量密度的量级为1014cm-2s-1,微观反应截面σ单位量级在10-28m2左右,υ芯量级为10(m/S),x最大为1米,因此φσx/υ芯﹤﹤1,把 作泰勒展开,并只取前两项得 ,所以(4)简化为

一次水流经堆芯活性区后单位体积内生成的16N数目为N1,16Nγ监测探头处一次水单位体积内16N数目为N,堆芯沿一次水管道到16Nγ探头安装处为L米,时间t,母管一次水流速度υ母(m/S),一次水流量Q(t/h)时,一回路母管直径D(m),则有如下关系:

(14)式中,λ、L、D、S芯、θ、σ、均为常数,且中子通量Φ和反应堆功率P有如下关系P=∑f·V芯·Ef·Φ,其中∑f为裂变截面;V芯反应堆堆芯体积,Ef为每次裂变释放的能量。因此(14)式可变为:

由于目前一次水16Nγ的监测并不是比活度监测,而是将探测器放置在一次水母母管道上探测器放置位置的所有γ产生的剂量率H,该点γ剂量率H正比于此处一次水16Nγ的比活度α,H=η·α;η为该点比活度与剂量率的转换系数。因此(16)式可转换为:

由(15)式是在不考虑中子通量变化时,即认为反应堆活性区中子通量密度是较为均匀的前提下推导的,从(15)式中可以看出,功率一定时,流量对16N活度的影响主要有两个:一为反应堆活性区水流量与16N生成反比,即流量越大,16N生成量越小,二是从活性区到探测器位置时;流量越大,时间约小,16N衰变越少,16Nγ剂量率越大。

2 16Nγ监测反应堆功率的数学模型应用

2.1 一次水流量信号和16Nγ测量信号采集

一次水流量信号为模拟量信号,输出0-10V电压信号,对应0-6000t/h,因此采用I/O模块将模拟量信号转化为数字量信号输入计算机,I/O模块采用ADAM4017模数转化器,从过程测量机柜一次水输出端接入流量信号到ADAM4017信号采集端。16Nγ监测仪可直接输出485测量信号,计算机直接采集16Nγ测量信号。两路信号最终都采集到计算机上统一读取。

2.2 数学模型计算和软件编程界面

计算机将一次水流量信号和16Nγ测量信号采集后,通过计算计软件自动按公式计算反应堆功率并实时显示。软件编程采用组态王6.53编程软件,将数学模型通过编程计算并实时显示结果。界面设置显示反应堆功率P,16Nγ测量值和一次水流量Q值,同时16Nγ监测功率监测的软件界面还设置参数设定值K和b值。HFETR16Nγ探测器距离压力容器堆芯一次水出口41米,根据公式算得b值为5455,K值根据功率刻度算得0.02897。探测器位置改变或者测量条件改变可通过修改b与K的参数计算反应堆功率。

3 16Nγ监测反应堆功率的数学模型验证

3.1 不同流量下16Nγ功率与热功率比较

为验证一次水流量、16Nγ剂量率和反应堆功率的数学模型的正确性与可用性,需要变流量下的测量数据与热功率值进行比较,从HFETR运行历史数据中找到不同流量下的16Nγ测量值与热功率值做比较。HFETR高浓运行和低浓运行堆芯中子通量率随局部有变化,但反应堆整个活性区中子通量率变化不大[2],数据可作为对比。数据的选取为HFETR运行以来记录的数据为准,找到不同流量的16Nγ测量值和当时的热功率。数据包含某一时刻的热功率,16Nγ剂量率值和一回路水流量。根据一回路水流量和16Nγ剂量率值按数学模型计算出16Nγ功率,将计算的16Nγ功率值与当时记录的热功率值作比较。

16Nγ测量仪为FJ-36016Nγ监测仪,探测器安装位置和目前一致,即距离压力容器出口41米处。16Nγ功率是通过公式(17)计算得出,其中b值为5455,K值为9.787×10-6。可以看出流量从约1800t/h跨度到5000t/h,但通过公式计算得16Nγ功率值和热功率符合的很好,数据对比图见图1。

图2中热功率的正负偏差线设定为3%,从图中可以看出,16Nγ功率值相对热功率偏差不超过3%。只有极个别数据超过这个值。由此可見变流量下根据公式计算得16Nγ功率值与热功率在在误差范围内一致,可以认为16Nγ功率计算数学模型是正确的,是可以应用的,能真实反映不同流量下的真实功率。

3.2 同一炉次16Nγ功率与热功率比较

取本炉次堆运行中某段时间的16Nγ功率与热功率测量结果比较,见图2,由图2可以看出,16Nγ功率与热功率测量结果符合得非常好。

图2中的16Nγ功率是直接读取软件上显示的功率,图中两者偏差线设定为2%。由此可见16Nγ功率与热功率测量结果符合得非常好,两者比较偏差不超过2%。16Nγ功率很好的反应反应堆功率的变化情况。

4 结束语

通过对变流量下16Nγ剂量率与反应堆功率关系的研究,建立了HFETR变流量下16Nγ监测反应堆功率的数学模型,并将研究结果运用到HFETR上应用,通过试验对比验证了反应堆功率、16Nγ剂量率与流量的数学模型的正确性与可用性,达到了良好效果。16Nγ功率值与热功率一致,真实直观的显示了HFETR反应堆实时功率变化情况,使得一次水16Nγ剂量率从间接反映反应堆功率变成可直读反应堆功率。

【参考文献】

[1]《核反应堆物理分析》谢仲生原子能出版社.

[2]《HFETR安全分析报告》中国核动力研究设计院

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