阅读说明：本技术 用于测量快堆功率分布的方法及设备 (Method and device for measuring fast reactor power distribution ) 是由 陈效先 陈晓亮 胡晓 张强 王渊渊 王华才 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于测量快堆功率分布的方法,该方法包括以下步骤：在快堆的转运室的侧壁上设置准直孔,该准直孔贯穿转运室的侧壁；在转运室的侧壁的外部设置γ射线检测装置,该γ射线检测装置用于检测来自准直孔的γ射线；使快堆的燃料组件运转一定时间；使快堆停堆；将燃料组件运送至转运室内的对准准直孔的转运机构位置；利用γ射线检测装置对来自燃料组件的γ射线的参数进行测量；以及根据测量的γ射线的参数计算快堆的功率分布。根据本发明的方法简单易行,无需设计和制造专用的辐照实验组件及相关设备,因此成本较低,另外操作简单方便,不产生额外的放射性废物,安全性提高。还公开了一种执行上述方法的相关设备。(The invention discloses a method for measuring fast reactor power distribution, which comprises the following steps: arranging a collimation hole on the side wall of a transfer chamber of the fast reactor, wherein the collimation hole penetrates through the side wall of the transfer chamber; a gamma ray detection device is arranged outside the side wall of the transfer chamber and is used for detecting gamma rays from the collimation hole; operating a fuel assembly of a fast reactor for a certain time; stopping the fast reactor; transporting the fuel assembly to a transfer mechanism location within the transfer chamber aligned with the alignment aperture; measuring parameters of gamma rays from the fuel assembly by using a gamma ray detection device; and calculating the power distribution of the fast reactor according to the measured parameters of the gamma rays. The method is simple and easy to implement, and does not need to design and manufacture special irradiation experiment components and related equipment, so that the cost is lower, the operation is simple and convenient, no additional radioactive waste is generated, and the safety is improved. A related device for executing the method is also disclosed.)

用于测量快堆功率分布的方法及设备

技术领域

本发明涉及核反应堆领域，更具体地，涉及一种用于对反应堆的功率分布进行测量和计算的方法以及实现该方法的相关设备。

背景技术

随着我国经济的发展，对电力供应的需求越来越大，而非化石能源凭借着其清洁、可再生的优点，渐渐地取代了化石能源的作用。核能依靠其在资源、环境和经济性方面的优势，逐步成为能源界的新宠。随着核能的发展，核安全问题受到人们越来越多的关注，对于核电站有效控制和安全控制的要求越来越高。

反应堆堆芯功率分布是关系到反应堆安全运行的一项关键参数，一般核电厂满功率运行前均需要对堆芯功率分布进行测量。压水堆核电厂一般采用可移动式微型裂变电离室或固定式白供能探测器开展功率分布测量，这通常需要在反应堆堆芯中设置专用孔道并安装专用仪表来完成。通过上述自供能探测器来测量反应堆的堆芯内侧的周向方向和轴向方向的功率分布，而这些功率分布的测量信息被用于确定反应堆是否运行在核功率分布的极限范围内，以确保核反应堆的运行安全性。

然而，在快堆核电厂中通常无法在堆芯中设置专用的探测孔道，并且堆芯处于高温环境，因此无法采用压水堆电厂所采用的通用堆芯功率分布测量方法。快堆堆芯通常采用探测片活化法测量其功率分布，但这种方法过程繁琐、耗时长，实验人员承受辐照剂量较高，而且需要定制多种专用工具，以及产生大量放射性废物。比如探测片活化法测量功率分布的主要工艺环节包括探测片的选取和制备，辐照装置的封装，实验组件的入堆和堆内组件的替换，低功率辐照，辐照后辐照装置的解体及大量探测片的活度测量等。此外，探测片活化法还需要设计和制造专用的辐照实验组件，使得这种测量方法的成本较高。

因此，需要提供一种操作简单、安全可靠以及降低成本的快堆堆芯功率分布的测量方法。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种用于测量快堆功率分布的方法，该方法利用γ射线探测器直接对低功率辐照后的燃料组件的特定裂变产物的活度分布进行测量，进行相关修正后得到堆芯的裂变反应率分布，通过对修正后的堆芯的裂变反应率分布进行归一化处理而得到快堆的功率分布，以替代传统的利用探测片活化法测量快堆功率分布的方式。

本发明提供了一种用于测量快堆功率分布的方法，该方法包括以下步骤：

在所述快堆的转运室的侧壁上设置准直孔，所述准直孔贯穿所述转运室的侧壁；

在所述转运室的侧壁的外部设置γ射线检测装置，所述γ射线检测装置用于检测来自所述准直孔的γ射线；

使所述快堆的燃料组件运转一定时间；

使所述快堆停堆；

将所述燃料组件运送至所述转运室内的对准所述准直孔的转运机构位置；

利用所述γ射线检测装置对来自所述燃料组件的γ射线的参数进行测量；以及

根据测量的所述γ射线的参数计算所述快堆的功率分布。

根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法的一个优选的实施例，在所述准直孔的靠近所述γ射线检测装置的位置处设置能够过滤低能级γ射线的过滤部件。

在根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法的另一个优选的实施例中，所述过滤部件包括由不锈钢或铅制成的片状过滤器。

根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法的再一个优选的实施例，使所述快堆的燃料组件运转一定时间的步骤包括使所述燃料组件在堆内以低功率辐照数个小时。

在根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法的还一个优选的实施例中，使所述快堆停堆的步骤之后还包括使所述燃料组件冷却的步骤。

根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法的又一个优选的实施例，将所述燃料组件运送至所述转运室内的对准所述准直孔的位置的步骤包括：

利用所述快堆的堆内换料机构抓取所述燃料组件；

利用所述快堆的装料提升机构从所述堆内换料机构接收所述燃料组件，并将所述燃料组件运送至所述转运室的转运机构通道；以及

利用所述转运室的转运机构将所述燃料组件转运至对准所述准直孔的位置处。

在根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法的另一个优选的实施例中，利用所述γ射线检测装置对来自所述燃料组件的γ射线的参数进行测量的步骤包括：

在所述燃料组件的轴向位置和径向位置对来自所述燃料组件的γ射线的参数进行测量。

根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法的再一个优选的实施例，对来自所述燃料组件的γ射线的参数进行测量的步骤包括：

在一定时间内测量经过γ射线的死时间、γ射线的光电峰效率以及γ自吸收效应修正后的光电峰的累计计数。

在根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法的还一个优选的实施例中，根据测量的所述γ射线的参数计算所述快堆的功率分布的步骤包括：

根据所述γ射线的参数计算所述堆芯的多个选定位置的裂变反应率；以及

对所述多个选定位置的裂变反应率进行归一化处理，以获得所述堆芯的功率分布。

根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法的又一个优选的实施例，根据所述γ射线的参数计算所述堆芯的多个选定位置的裂变反应率的步骤包括：

根据以下公式计算裂变反应率：

其中，F_f为燃料组件的选定位置处的裂变反应率，C为测量得到的γ射线光电峰的累计计数，I_γ为待检测的具有特定能级的γ射线的绝对强度，ε为所测量的待检测的γ射线的光电峰效率，K为燃料组件中的待检测的γ射线的自吸收修正系数，τ为测量燃料组件的特定位置所发出的γ射线时系统的死时间，λ为燃料组件中的裂变产物的衰变常数，Y为该裂变产物的裂变产额，N为该裂变产物核素的核子数，T_M为燃料组件的辐照时间，T_W为燃料组件的从辐照结束到测量开始的等待时间，T_s为测量计数的时间。

本发明还提供了一种用于执行如上所述的用于测量快堆功率分布的方法的设备，该设备包括：

燃料组件，所述燃料组件设置在所述快堆的堆芯中；以及

转运室，所述转运室与所述快堆的堆芯连通，用于将所述燃料组件转运至所述堆芯的外部；

其中，在所述转运室的侧壁中设置有贯穿所述侧壁的准直孔，并且在所述转运室的侧壁的外部设置有γ射线检测装置，所述γ射线检测装置用于测量从所述燃料组件发出并穿过所述准直孔的γ射线。

在根据本发明的用于执行用于测量快堆功率分布的方法的设备一个优选的实施例中，在所述准直孔的靠近所述γ射线检测装置的位置处设置能够过滤低能级γ射线的过滤部件。

根据本发明的用于执行用于测量快堆功率分布的方法的设备另一个优选的实施例，所述过滤部件包括由不锈钢或铅制成的片状过滤器。

相对于现有技术中的快堆功率测量技术，本发明提供的用于测量快堆功率分布的方法及相关设备具有以下有益效果：

(1)根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法以及相关设备与探测片活化法相比操作简单方便，仅需要在快堆的转运室的侧壁上设置通孔即可，无需设计和制造专用的辐照实验组件及相关设备，或者无需对原有快堆设施进行大幅改造，因此建设成本较低。

(2)根据本发明的快堆功率分布测量方法占用调试主线的时间较少，人员操作安全可靠。

(3)根据本发明的方法对燃料组件进行直接测量，因此不产生额外的放射性废物，工作人员所承受的辐照剂量大大降低，操作安全性大大提高。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法的流程图。

图2为根据本发明的用于测量快堆功率分布的设备的示意图。

需要说明的是，以上全部附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

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，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明的一方面提供一种用于测量快堆功率分布的方法，在此对这种测量方法的原理加以说明。快堆的燃料组件在堆芯内进行低功率辐照，也就是快堆的燃料组件反应一段时间之后，燃料组件内将产生一定数量的裂变产物，该裂变产物的活性与在燃料组件中核材料的裂变率和该裂变产物的产额成正比。在此可以利用γ射线检测装置对特定裂变产物所发射出的特定能量的γ射线进行探测，从而获得燃料组件的特定位置处的裂变反应率，通过对燃料组件的轴向不同位置和周向不同位置处的特定能量的γ射线的探测来获得燃料组件的裂变反应率的分布，进而获得燃料组件的功率分布。

如图1所示，示出根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法的流程图。根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法包括以下步骤，首先进行相关测量所需部件的设置，以下结合图2进行说明，在快堆的转运室10的侧壁12上设置准直孔14，比如为通孔的形式，该准直孔14贯穿转运室10的侧壁12，由此能够使转运室10内的裂变产物所发射的γ射线从转运室10的侧壁12的内侧透射到侧壁12的外侧，以便于对透射出的γ射线进行检测和测量。进一步地，在转运室10的准直孔14的外部设置γ射线检测装置16，也就是在快堆的转运室10的侧壁12的外侧设置γ射线检测装置16，以使γ射线检测装置16能够对从准直孔14透射出的γ射线进行检测。在设置完用于γ射线测量的相关硬件设备之后，则可以启动快堆，以使快堆的燃料组件运转一定时间，比如可以使燃料组件在堆内低功率运行数个小时，例如2小时、3小时、4小时或其他时长。此后使快堆停堆，停堆后对由裂变产物产生的γ射线进行检测，比如停堆数天后进行后续检测操作，例如停堆2天、3天、4天或其他时长，使快堆的燃料组件充分冷却。燃料组件冷却之后，将燃料组件运送至转运室10内的对准准直孔14的转运机构位置处，以使燃料组件的裂变产物所发出的γ射线从准直孔14穿过，利用设置在准直孔14外部的γ射线检测装置16对来自燃料组件的某种裂变产物发出的γ射线的参数进行测量。最后，根据测量的γ射线的参数计算快堆的功率分布。

如上所述，根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法与探测片活化法相比简单易行，无需设计和制造专用的辐照实验组件及相关设备，因此成本较低。根据本发明的方法占用调试主线的时间较少，人员操作简单方便。另外，该方法对燃料组件进行直接测量，因此不产生额外的放射性废物，工作人员所承受的辐照剂量大大降低，安全性提高。

为了防止低能级的γ射线对γ射线检测装置16的检测结果产生影响，在准直孔14的靠近γ射线检测装置16的位置处设置能够过滤低能级γ射线的过滤部件18。也就是说，在转运室10的侧壁12的外侧设置覆盖准直孔14的过滤部件18，当然，也可以在准直孔14的其他位置处设置过滤部件18，只要该过滤部件18能够过滤掉来自裂变产物的低能级γ射线即可。有利地，该过滤部件18可以包括由不锈钢或铅制成的片状过滤器，比如可以为过滤片。

将燃料组件运送至转运室10内的对准准直孔14的位置的步骤可以包括，利用堆内换料机构抓取燃料组件，也就是通过快堆的现有换料机构实现燃料组件的抓取，换料机构将其抓取的燃料组件传送至装料提升机，利用装料提升机接收燃料组件并将燃料组件从堆芯运送至转运室10的转运机构通道，也就是转运室10的内腔，然后利用转运室10的转运机构20将燃料组件转运至对准准直孔14的转运机构位置处。在此，利用了快堆中现有的燃料组件的换料和转运机构，因此无需对快堆的主要结构进行改造，从而保持了快堆的原有结构，并且节省了实验成本。

利用γ射线检测装置16对来自燃料组件的γ射线进行检测的步骤包括，在燃料组件的不同的轴向位置和不同的周向位置对来自燃料组件的γ射线进行检测。在此可以通过转运室10内的转运机构20对燃料组件进行转运，以便在燃料组件的转运过程中使燃料组件的需要测量裂变产物所发出的γ射线的位置对准准直孔14，可以通过利用转运机构20的运动来带动燃料组件，使燃料组件的轴向方向的不同位置依次通过准直孔14，在测量燃料组件的不同的周向位置处的γ射线时，可以通过控制转运机构20使燃料组件旋转来使燃料组件的不同的周向位置对准准直孔14，以便测量燃料组件的不同的周向位置处所发出的γ射线。

对来自燃料组件的γ射线的参数进行测量的步骤包括，在一定时间内测量γ射线经死时间，γ射线的光电峰效率以及γ自吸收效应修正后的光电峰的累计计数。在此，可以通过利用例如为高纯锗γ谱仪的γ射线检测装置16对γ射线的上述参数进行测量，以便利用这些参数对燃料组件的特定位置处的核材料的裂变反应率进行计算。

根据测量的γ射线的参数计算快堆的功率分布的步骤可以包括，根据γ射线的参数计算燃料组件的多个选定位置的裂变反应率；对多个选定位置的裂变反应率进行归一化处理，以获得燃料组件的功率分布。也就是利用燃料组件的局部的裂变反应率归一化处理成燃料组件的整体的裂变反应率，并由此得到燃料组件的功率分布。

根据γ射线的参数计算燃料组件的多个选定位置的裂变反应率包括如下步骤：

根据以下公式(1)计算裂变反应率：

其中，F_f为堆芯燃料组件的选定位置处的裂变反应率，C为测量得到的γ射线光电峰的累计计数，I_γ为待检测的具有特定能级的γ射线的绝对强度，ε为所测量的待检测的γ射线的光电峰效率，K为燃料组件中的待检测的γ射线的自吸收修正系数，τ为测量燃料组件的特定位置所发出的γ射线时系统的死时间，λ为燃料组件中的裂变产物的衰变常数，Y为该裂变产物的裂变产额，N为该裂变产物核素的核子数，T_M为燃料组件的辐照时间，T_W为燃料组件的从辐照结束到测量开始的等待时间，T_s为测量计数的时间。

以下参照附图2对根据本发明的用于测量快堆功率分布的设备进行说明，该设备用于执行如上所述的用于测量快堆功率分布的方法。该设备包括设置在快堆的堆芯中的燃料组件和与快堆的堆芯连通的转运室10，转运室10用于将燃料组件转运至堆芯的外部，在此，转运室10一般设置在堆芯的上部，在对燃料组件进行换料时通常通过转运室10将燃料组件运送出去并通过转运室10换入新的燃料组件。进一步地，在转运室10的侧壁12中设置有贯穿侧壁12的准直孔14，并且在转运室10的侧壁12的外部设置有γ射线检测装置16，该γ射线检测装置16用于测量从燃料组件发出并穿过准直孔14的γ射线。通过测量由燃料组件的裂变产物所发出的γ射线的相关参数，对燃料组件的裂变反应率进行计算，进一步通过对燃料组件的多个位置处的裂变反应率的归一化处理，获得快堆的燃料组件的功率分布。

进一步地，在准直孔14的靠近γ射线检测装置16的位置处设置能够过滤低能级γ射线的过滤部件18。在此，过滤部件18可以设置在准直孔14的其他位置处，优选地，设置在如图2所示的转运室10的侧壁12的外侧。该过滤部件18可以包括由不锈钢或铅制成的片状过滤器，比如为过滤片。在转运室10的内部设置有转运机构20，用于对燃料组件进行加持和转运，以使待被检测的燃料组件的特定位置对准准直孔14，以使由特定位置上的裂变产物所发出的γ射线被γ射线检测装置16接受并进行检测。

根据本发明的用于测量快堆功率分布的方法以及相关设备与探测片活化法相比操作简单方便，仅需要在快堆的转运室的侧壁上设置通孔即可，无需设计和制造专用的辐照实验组件及相关设备，因此建设成本较低。根据本发明的快堆功率分布测量方法占用调试主线的时间较少，人员操作安全可靠。另外，该方法对燃料组件进行直接测量，因此不产生额外的放射性废物，工作人员所承受的辐照剂量大大降低，操作安全性大大提高。

以上所述的具体实施例，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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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。