用于确定反应性的系统和方法
阅读说明：本技术 用于确定反应性的系统和方法 (System and method for determining reactivity ) 是由 迈克尔·C.·普里布勒 弗兰克·M.·内德维德克 克雷格·A.·切莱德妮克 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：一种由反应性计算机确定核反应堆的反应性的方法可以包括：在离散时间段内接收中子探测器响应；对中子探测器响应执行统计检查；基于统计检查确定中子探测器响应是否可接受；以及如果中子探测器响应是不可接受的,则使用先前的缓发中子浓度来计算反应性；以及如果中子探测器响应是可接受的,则使用新计算的缓发中子浓度来计算反应性。(A method of determining, by a reactivity computer, reactivity of a nuclear reactor may include: receiving the neutron detector response within a discrete time period; performing a statistical check on the neutron detector response; determining whether the neutron detector response is acceptable based on a statistical check; and if the neutron detector response is unacceptable, calculating reactivity using the previous delayed neutron concentration; and if the neutron detector response is acceptable, calculating reactivity using the newly calculated delayed neutron concentration.)
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年5月30日提交的题为“用于确定反应性的系统和方法(SYSTEMAND METHOD TO DETERMINE REACTIVITY)”的美国临时申请第62/854,453号的优先权和权益，其公开内容整体以引用的方式并入本文，并用于所有目的。
技术领域
所公开的概念大体上涉及核反应堆，更具体地，涉及在核反应堆的低功率物理测试范围内确定反应性。
背景技术
核电站的每次循环启动都需要对控制棒和停堆棒进行棒组价值测量(bank worthmeasurement)。对于压水反应堆(PWR)，棒组价值测量是低功率物理测试(LPPT)程序的一部分。在几乎所有的情况下，该程序在上升到功率期间处于关键路径上。公用事业行业迫切需要一种快速、可靠的控制棒的棒组价值的测量方法。
已经开发了各种测量控制棒的棒组价值的方法。一种方法是在商用PWR上进行棒价值测量的快速棒插入法，其中使用核心设计静态计算数据对探测器信号进行空间效应校正。另一种方法是动态棒价值测量(DRWMTM)方法，其使用严格的三维时空动力学核心建模，并且已经发展到已成功应用于许多PWR启动的成熟技术。
两种传统的PWR棒组价值测量方法是硼稀释法和棒交换法。在硼稀释法中，缓慢插入一组控制棒。在每个棒阶跃运动之后，保持棒的位置，同时稀释硼以补偿反应性损失。每个棒位置必须保持足够长的时间以避免空时效应，以便验证反应性计算机中使用的点核模型。因此，硼稀释法是非常缓慢的过程。棒交换法比硼稀释法快得多。在棒交换法中，首先用硼稀释法测量最重的(最高价值的)棒组(称为参考棒组)。然后，在插入另一个测试棒组时，部分地撤回参考棒组。通过利用参考棒组的部分价值来补偿测试棒组的价值，有效地确定测试棒组的价值。使用棒交换的典型LPPT耗时约24小时。DRWM技术是一种非常快速的方法，用于快速验证预测的棒组价值。其分开并独立地测量每个棒组，以其最大允许速度驱动每个棒组。该分析方法基于三维时空动力学理论，并利用先进数字反应计算机(ADRC)对测量数据进行处理。
图1是核电站的简化示意图，图2A是反应堆堆芯和相关探测器的示意性俯视图，以及图2B是反应堆堆芯和相关探测器的示意性侧视图。DRWM方法使用未补偿的离子室功率范围探测器10、12。功率范围探测器10、12提供核心象限的广视图，并且上功率范围探测器10和下功率范围探测器12各自大约5英尺长。一些工厂设计利用2个以上的分段探测器，如6个或更多个分段，但是仍然提供～10-12'的总有效探测器长度。这为典型的12-14'反应堆堆芯提供了宽轴向芯响应。使用用于DRWM的功率范围探测器10、12通常需要从服务中去除一个探测器通道，这使得它不能执行其安全功能。使用功率范围探测器10、12还包括精确地测量皮安级电流信号，这需要若干个专用的实验室级仪器，而这些仪器昂贵且庞大。
ADRC需要来自一个功率范围探测器的输入，这使得相应的核仪器通道停止服务。如果单元因为工厂在物理测试期间更接近停堆条件(trip)(即，当一个功率范围不能服务时为1/3停堆逻辑，而在所有功率范围信道可操作时为2/4停堆逻辑)而在功能上不能绕过功率范围信道，这从站的角度来说是不利的。
在另一种方法中，中间范围数字反应性计算机(IRDRC)利用中间范围探测器信号。IRDRC减少使功率范围信道停用以执行LPPT的工厂影响。然而，IRDRC在历史上仅用于进行传统的反应性计算机测量，诸如硼终点(BEP；boron endpoint)测量、等温温度系数(ITC)测量、通过稀释/硼化进行的棒组价值测量、以及棒交换。
核仪器系统(NIS)是一种与安全有关的系统，它通常利用3种探测器类型(通常为源范围、中间范围和功率范围，如图1所示)提供对反应堆功率的数十年的充分的监测。每个NIS可以用作反应性计算机的输入以计算各种核心设计参数，如例如在美国专利No.4,877,575中所实现的那样，该专利全文在此通过引用并入本文。中间范围和功率范围探测器信号表示与中子通量成正比的值，并用于求解反点动力学方程或其它反应性方程。反应性计算机可直接与探测器连接；然而，它不能执行其安全相关功能。因此，希望在可能时使用隔离的输出，从而探测器可以保持其安全相关功能。基于探测器电流或脉冲的范围，隔离的输出通常是0-5V或0-10V输出。例如，示例性的补偿离子室中间范围探测器的输出范围从10-11到10-3安培，并且其相关的处理柜产生0-5V或0-10V的输出。
使用富集的U-235的裂变室探测器(诸如在美国专利No.4,495,144中描述的那些，该专利全部内容在此通过引用并入本文)也通常用作堆芯内(incore)和堆芯外(excore)核仪器系统以监测反应堆功率。这种探测器类型可以具有几种操作模式；(1)检测并记录中子脉冲的脉冲模式；(2)均方电压(MSV)模式，其中使用前置放大器来放大脉冲信号并提供与反应堆功率的平方根成比例的信号。
对准两种操作模式之间的转换点是较困难的。在两种操作模式之间的转换点，探测器信号输出经历阶跃变化。一种现有方法试图通过使用变化速率电路的信号处理技术来校正这个问题，以减小瞬变的影响。尽管这种特定的探测器设计以及其它的探测器设计确实减少了来自较旧的探测器系统的瞬变，但是当使用探测器输出时，瞬变仍然足够大以对计算出的反应性具有显著的影响，这是因为信号具有与反应堆功率不成比例的跳变。现有方法也仅集中在探测器和信号处理电子设备上，而非集中于能够还是无法计算反应性。如果没有被校正的话，这种转换问题和随后对计算出的反应性的影响使得它不能用于低功率物理测试。
美国专利No.4,877,575(其全文以引用的方式并入本文中)使用两个或更多个中子探测器，且统计地比较其输出以执行对计算出的反应性的验证。然而，该方法需要使用两个或更多个中子探测器来验证计算出的反应性。
在核反应堆的低功率物理测试范围内计算反应性方面仍存在改进的空间。
发明内容
所公开概念的方面通过核反应堆的低功率物理测试范围提供改进的反应性计算。
作为所公开概念的一方面，一种用于确定核反应堆的反应性的方法包括：在离散时间段内接收中子探测器响应；对中子探测器响应执行统计检查；基于统计检查确定中子探测器响应何时是可接受的；以及当中子探测器响应不可接受时，使用先前的缓发中子浓度计算反应性，并且当中子探测器响应可接受时，使用新计算的缓发中子浓度。
作为所公开概念的另一方面，一种用于计算反应堆堆芯的反应性的系统包括：中子探测器，其被配置为检测在反应堆堆芯中产生的中子通量；以及反应性计算机，其被配置为接收基于中子探测器的输出的中子探测器响应，反应性计算机包括处理器和存储器，存储器包括反应性计算例程，并且处理器被配置为执行反应性计算例程。反应性计算例程包括：在离散时间段内接收中子探测器响应；对中子探测器响应执行统计检查；基于统计检查确定中子探测器响应何时是可接受的；以及当中子探测器响应不可接受时，使用先前的缓发中子浓度计算反应性，并且当中子探测器响应可接受时，使用新计算的缓发中子浓度。
附图说明
当结合附图阅读时，可以从以下对优选方面的描述中获得对本发明的进一步理解，其中：
图1是核电站的简化示意图；
图2A是反应堆堆芯和相关探测器的示意性俯视图；
图2B是反应堆堆芯和相关探测器的示意性侧视图；
图3是根据所公开概念的示例性方面的用于确定反应性的方法的流程图；
图4是根据所公开概念的示例性方面的中子探测器信号输出和反应性计算的图表；以及
图5是根据所公开概念的示例性方面的用于计算反应性的系统的简化示意图。
具体实施方式
图3是根据所公开概念的示例性方面的用于确定反应性的方法的流程图。该方法消除了当探测器在操作模式之间转换并且输出信号与反应堆功率不成比例时的探测器电流的阶跃变化的影响。
该方法在100处开始并进行到102。在102处，由反应性计算机接收中子探测器响应。由反应性计算机在离散时间量(例如一秒)内接收中子探测器响应。然而，应当理解，在不脱离所公开概念的范围的情况下，可以使用任何适当的离散时间量。在所公开概念的一些示例性方面，中子探测器可以是裂变室探测器，诸如在美国专利No.4,495,144中所描述的。在所公开概念的一些示例性方面，中子探测器具有两种操作模式：(1)脉冲模式，在其中检测和记录中子脉冲；以及(2)均方电压模式，其中使用前置放大器来放大脉冲信号并提供与反应堆功率的平方根成比例的信号。
该方法在104处继续，其中由反应性计算机执行中子探测器响应的统计检查。在所公开概念的一些示例性方面，通过统计检查来寻找中子探测器响应中的跳跃。例如，统计检查可以检查中子探测器响应在接收中子探测器响应的离散时间段内是否改变达预定数量的标准偏差(例如，但不限于，两个标准偏差)。然而，应当理解，在不脱离所公开概念的范围的情况下，可以使用其它统计方法来确定中子探测器响应在离散时间段内是否变化超过预定量。
在106处，反应性计算机可以确定中子探测器响应是否是可接受的。例如，基于由反应性计算机在104中执行的统计检查，如果中子探测器响应改变预定数量的标准偏差或以其它方式改变超过预定量，则确定中子探测器响应是不可接受的。这种改变表示中子探测器切换模式并导致其输出中的阶跃。如果中子探测器响应未改变预定数量的标准偏差或未改变超过预定量，则确定中子探测器响应是可接受的。
如果中子探测器响应由反应性计算机确定为不可接受，则该方法进行到108，而如果中子探测器响应由反应性计算机确定为可接受，则该方法进行到110。在108处，在反应性计算中使用最后有效的缓发中子浓度。最后有效的缓发中子浓度可以从该方法的先前迭代获得。例如，如果该方法运行的每个离散时间段为一秒，则如果该离散时间段的中子探测器响应是可接受的，则可以使用来自前一个一秒时间段的缓发中子浓度。在110处，由反应性计算机计算新的缓发中子浓度。该缓发中子浓度被认为是有效的，并且可以用于该方法的后续迭代中。
在112处，由反应性计算机计算反应性。如果中子探测器响应是不可接受的，则由反应性计算机使用最后有效的缓发中子浓度来计算反应性，或者如果中子探测器响应是可接受的，则反应性计算机使用新计算的缓发中子浓度来计算反应性。在一些示例性方面，由反应性计算机使用反点动力学方程计算反应性。下面提供根据所公开概念的示例性方面的反点动力学方程。
其中：
T(t)＝μDR(t)
在反点动力学方程中：Ci(t)是组i的缓发中子浓度；Λ是瞬时生成时间；ρ是反应性；常数βi和λi是组i的缓发中子先驱核的分数和衰减常数；DR是探测器响应信号的幅度；且μ是瞬时中子寿命。
中子探测器模式的变化引起中子探测器响应的阶跃转变，这可以在反点动力学方程中人为地偏斜预期的中子数和缓发中子浓度。通过在阶跃转变期间使用最后有效的缓发中子浓度，反应性计算机可以消除阶跃转变对反应性计算的影响。因此，使用上述方法，反应性计算机可以通过中子探测器的模式的变化来精确地计算反应性。
一旦在112处计算出反应性，该方法返回到100。该方法在每个离散时间段连续地重复。
例如，图4是根据所公开概念的示例性方面的中子探测器信号输出和反应性计算的图表。如图4所示，在正反应性添加期间(即，当反应堆功率增加时)，中子探测器输出信号200通常具有恒定的向上斜率。相反，当反应堆功率降低时，中子探测器输出信号200通常具有恒定的向下斜率。然而，中子探测器的模式变化引起阶跃转变206。使用传统的反应性计算202，该阶跃转变206引起所计算的反应性的尖峰。然而，使用改进的计算204计算的反应性消除了尖峰，并且允许通过中子探测器的模式的变化来精确计算反应性。改进的计算是使用结合图3描述的方法的计算。中子探测器的模式变化通常发生在低功率物理测试范围内，因此，传统的反应性计算不能用于低功率物理测试，而改进的反应性计算可以用于在核反应堆的低功率物理测试期间精确地计算反应性。另外，改进的反应性计算仅使用来自一个中子探测器而不是多个中子探测器的输出信号。
图5是根据所公开概念的示例性方面的用于计算反应性的系统的简化示意图。该系统可以实现结合图3描述的方法。该系统包括中子探测器200(诸如裂变室探测器)、信号调节单元202和反应性计算机204。中子探测器200检测在反应堆堆芯中产生的中子通量，并产生与检测到的通量成比例的电流信号。信号调节单元202处理中子探测器202的输出，处理中子探测器200的输出，使得它适合由反应性计算机204使用。
反应性计算机204包括处理器206和相关联的存储器208。存储器208被配置为存储一个或多个例程，并且处理器206被配置为执行该一个或多个例程。在所公开概念的一些示例性方面，存储器208存储改进的反应性计算例程。改进的反应性计算例程可以是结合图3描述的方法，其由处理器206来执行。因此，反应性计算机204能够实现结合图3描述的改进的反应性计算。
如本文所描述的，所公开概念的示例性方面提供了在仅使用一个中子探测器的输出时通过中子探测器的模式的改变来精确地计算反应性的系统和方法。所公开概念的示例性方面适于在核反应堆的低功率物理测试范围中计算反应性。
尽管已经详细描述了本发明的具体方面，但是本领域的技术人员将理解，可以根据本公开的总体教导来开发对这些细节的各种修改和替换，并且可以将一个或多个示例性方面的所选元素与来自其它方面的一个或多个元素组合，而不偏离所公开概念的范围。因此，所公开的特定方面仅是说明性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围涵盖所附权利要求及其任何和所有等同物的所有方面。