HFETR變流量下16Nγ監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率的應(yīng)用研究

1、HFETR變流量下16N監(jiān)測(cè)反響堆功率的應(yīng)用研究【摘要】本文推導(dǎo)了HFETR變流量下16N劑量率、一次水流量Q和反響堆功率P之間的數(shù)學(xué)模型，并在HFETR上將采集到的HFETR流量信號(hào)和16N劑量率信號(hào)按數(shù)學(xué)模型編程計(jì)算反響堆實(shí)時(shí)的16N功率。通過(guò)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)與熱功率進(jìn)行比照，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性和可用性。通過(guò)數(shù)學(xué)模型建立的16N功率值與熱功率值一致?！娟P(guān)鍵詞】137Cs活度濃度;137Cs產(chǎn)額;50%燃耗;裂變核素;元件破損中圖分類號(hào)：TL352文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-2457202111-0070-002DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457

2、.2021.11.0320前言HFETR16N監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)監(jiān)測(cè)一回路水中16N放射性活度從而間接監(jiān)測(cè)反響堆功率的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功率的響應(yīng)時(shí)間介于核功率與熱功率之間，且16N監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)通過(guò)2/2的邏輯符合參與反響堆保護(hù)，對(duì)反響堆平安起著重要作用。在流量恒定的情況下，一回路水中16N的濃度和反響堆功率成正比，現(xiàn)有的HFETR16N監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是基于此規(guī)律建立起來(lái)的，但反響堆一回路水流量波動(dòng)較大，特別是不同爐之間，不同主泵組合運(yùn)行時(shí)一回路水流量差異較大，同一爐次中一回路水流量也會(huì)存在小范圍波動(dòng)，現(xiàn)有的16N監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有考慮流量對(duì)功率的影響，同時(shí)測(cè)量值與功率關(guān)系不直觀，因此，本文研究變流

3、量下反響堆功率和16N濃度之間的關(guān)系，并在此根底上建立新的監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，使得16N監(jiān)測(cè)功率更準(zhǔn)確直觀。1HFETR16N監(jiān)測(cè)反響堆功率的數(shù)學(xué)模型建立反響堆運(yùn)行時(shí)一回路水經(jīng)過(guò)堆芯，16O受中子輻照發(fā)生核反響生成16N，16N再發(fā)生衰變生成16O，同時(shí)發(fā)射三種高能量射線：7.12MeV5%，6.13MeV69%，2.75MeV1%。16N半衰期只有7.13秒，HFETR一回路水在堆內(nèi)循環(huán)一周的時(shí)間在160200秒之間，遠(yuǎn)大于16N的半衰期，可以近似認(rèn)為一回路水循環(huán)一周到堆入口處16N根本衰變完，堆入口處16N濃度趨于零，水流經(jīng)過(guò)堆芯，16O受中子輻照產(chǎn)生核反響生成16N，微觀反響截面為【1】，宏觀

4、反響截面為【1】，一次水經(jīng)過(guò)堆芯時(shí)流速為芯m/S。一次水從左向右流動(dòng)，堆芯長(zhǎng)度L米，一次水流經(jīng)x距離處，單位體積內(nèi)的16N個(gè)數(shù)為Nx，經(jīng)過(guò)一個(gè)無(wú)限小距離dx，在x+dx處，單位體積內(nèi)的16N個(gè)數(shù)增加至Nx+dNx，水流速為芯m/S，中子通量密度為，在計(jì)算時(shí)忽略16N衰變的減少水流經(jīng)過(guò)堆芯相對(duì)于16N半衰期時(shí)間短，那么有如下微分方程：其中N0為阿伏伽德羅常數(shù)6.022×1023mol-1，水為水的密度1g/cm3，A水為水分子質(zhì)量數(shù)18g/mol，x為x距離處16On，p16N宏觀反響截面，設(shè)N0水/A水=，把2式代入1式得：HFETR中子通量密度的量級(jí)為1014cm-2s-1，微觀反

5、響截面單位量級(jí)在10-28m2左右，芯量級(jí)為10m/S，x最大為1米，因此x/芯1，把作泰勒展開，并只取前兩項(xiàng)得，所以4簡(jiǎn)化為一次水流經(jīng)堆芯活性區(qū)后單位體積內(nèi)生成的16N數(shù)目為N1，16N監(jiān)測(cè)探頭處一次水單位體積內(nèi)16N數(shù)目為N，堆芯沿一次水管道到16N探頭安裝處為L(zhǎng)米，時(shí)間t，母管一次水流速度母m/S，一次水流量Qt/h時(shí)，一回路母管直徑Dm，那么有如下關(guān)系：14式中，、L、D、S芯、均為常數(shù)，且中子通量和反響堆功率P有如下關(guān)系P=f·V芯·Ef·，其中f為裂變截面;V芯反響堆堆芯體積，Ef為每次裂變釋放的能量。因此14式可變?yōu)椋河捎谀壳耙淮嗡?6N的監(jiān)測(cè)并不是

6、比活度監(jiān)測(cè)，而是將探測(cè)器放置在一次水母母管道上探測(cè)器放置位置的所有產(chǎn)生的劑量率H，該點(diǎn)劑量率H正比于此處一次水16N的比活度，H=·為該點(diǎn)比活度與劑量率的轉(zhuǎn)換系數(shù)。因此16式可轉(zhuǎn)換為：由15式是在不考慮中子通量變化時(shí)，即認(rèn)為反響堆活性區(qū)中子通量密度是較為均勻的前提下推導(dǎo)的，從15式中可以看出，功率一定時(shí)，流量對(duì)16N活度的影響主要有兩個(gè)：一為反響堆活性區(qū)水流量與16N生成反比，即流量越大，16N生成量越小，二是從活性區(qū)到探測(cè)器位置時(shí);流量越大，時(shí)間約小，16N衰變?cè)缴伲?6N劑量率越大。216N監(jiān)測(cè)反響堆功率的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用2.1一次水流量信號(hào)和16N測(cè)量信號(hào)采集一次水流量信號(hào)為模擬量

7、信號(hào)，輸出0-10V電壓信號(hào)，對(duì)應(yīng)0-6000t/h，因此采用I/O模塊將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，I/O模塊采用ADAM4017模數(shù)轉(zhuǎn)化器，從過(guò)程測(cè)量機(jī)柜一次水輸出端接入流量信號(hào)到ADAM4017信號(hào)采集端。16N監(jiān)測(cè)儀可直接輸出485測(cè)量信號(hào)，計(jì)算機(jī)直接采集16N測(cè)量信號(hào)。兩路信號(hào)最終都采集到計(jì)算機(jī)上統(tǒng)一讀取。2.2數(shù)學(xué)模型計(jì)算和軟件編程界面計(jì)算機(jī)將一次水流量信號(hào)和16N測(cè)量信號(hào)采集后，通過(guò)計(jì)算計(jì)軟件自動(dòng)按公式計(jì)算反響堆功率并實(shí)時(shí)顯示。軟件編程采用組態(tài)王6.53編程軟件，將數(shù)學(xué)模型通過(guò)編程計(jì)算并實(shí)時(shí)顯示結(jié)果。界面設(shè)置顯示反響堆功率P，16N測(cè)量值和一次水流量Q值，同時(shí)16N監(jiān)測(cè)

8、功率監(jiān)測(cè)的軟件界面還設(shè)置參數(shù)設(shè)定值K和b值。HFETR16N探測(cè)器距離壓力容器堆芯一次水出口41米，根據(jù)公式算得b值為5455，K值根據(jù)功率刻度算得0.02897。探測(cè)器位置改變或者測(cè)量條件改變可通過(guò)修改b與K的參數(shù)計(jì)算反響堆功率。316N監(jiān)測(cè)反響堆功率的數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證3.1不同流量下16N功率與熱功率比較為驗(yàn)證一次水流量、16N劑量率和反響堆功率的數(shù)學(xué)模型的正確性與可用性，需要變流量下的測(cè)量數(shù)據(jù)與熱功率值進(jìn)行比較，從HFETR運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)中找到不同流量下的16N測(cè)量值與熱功率值做比較。HFETR高濃運(yùn)行和低濃運(yùn)行堆芯中子通量率隨局部有變化，但反響堆整個(gè)活性區(qū)中子通量率變化不大【2】，數(shù)據(jù)可作為

9、比照。數(shù)據(jù)的選取為HFETR運(yùn)行以來(lái)記錄的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，找到不同流量的16N測(cè)量值和當(dāng)時(shí)的熱功率。數(shù)據(jù)包含某一時(shí)刻的熱功率，16N劑量率值和一回路水流量。根據(jù)一回路水流量和16N劑量率值按數(shù)學(xué)模型計(jì)算出16N功率，將計(jì)算的16N功率值與當(dāng)時(shí)記錄的熱功率值作比較。16N測(cè)量?jī)x為FJ-36016N監(jiān)測(cè)儀，探測(cè)器安裝位置和目前一致，即距離壓力容器出口41米處。16N功率是通過(guò)公式17計(jì)算得出，其中b值為5455，K值為9.787×10-6?？梢钥闯隽髁繌募s1800t/h跨度到5000t/h，但通過(guò)公式計(jì)算得16N功率值和熱功率符合的很好，數(shù)據(jù)比照?qǐng)D見圖1。圖2中熱功率的正負(fù)偏差線設(shè)定為3%，從

10、圖中可以看出，16N功率值相對(duì)熱功率偏差不超過(guò)3%。只有極個(gè)別數(shù)據(jù)超過(guò)這個(gè)值。由此可見變流量下根據(jù)公式計(jì)算得16N功率值與熱功率在在誤差范圍內(nèi)一致，可以認(rèn)為16N功率計(jì)算數(shù)學(xué)模型是正確的，是可以應(yīng)用的，能真實(shí)反映不同流量下的真實(shí)功率。3.2同一爐次16N功率與熱功率比較取本爐次堆運(yùn)行中某段時(shí)間的16N功率與熱功率測(cè)量結(jié)果比較，見圖2，由圖2可以看出，16N功率與熱功率測(cè)量結(jié)果符合得非常好。圖2中的16N功率是直接讀取軟件上顯示的功率，圖中兩者偏差線設(shè)定為2%。由此可見16N功率與熱功率測(cè)量結(jié)果符合得非常好，兩者比較偏差不超過(guò)2%。16N功率很好的反響反響堆功率的變化情況。4結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)變流量下16N劑量率與反響堆功率關(guān)系的研究，建立了HFETR變流量下16N監(jiān)測(cè)反響堆功率的數(shù)學(xué)模型，并將研究結(jié)果運(yùn)用到HFETR上應(yīng)用，通過(guò)試驗(yàn)比照驗(yàn)證了反