一种核反应堆次临界下控制棒价值测量方法及系统与流程

1.本发明涉及核反应堆物理试验技术领域，具体涉及一种核反应堆次临界下控制棒价值测量方法及系统。


背景技术：

2.根据核安全法规要求，核电厂在启动前需进行一系列的调试，主要目的包括：验证核电厂能在所有运行工况下安全运行；验证构筑物、系统和部件的性能符合设计和安全要求；对系统和设备进行考验，暴露并消除缺陷，以提高核电厂运行的安全可靠性；验证运行规程、定期试验规程以及某些异常工况下使用的规程；调整运行参数，以便制定合理的运行方式；等等。
3.调试的基本原则包括：调试工作分阶段进行；试验按顺序进行；试验尽可能模拟正常运行条件；试验应模拟运行参数最大可能达到的范围；必要时，只要无损于调试人员的安全、设备的完整性以及系统的清洁度，也可以模拟异常运行工况。最重要的是：调试试验中核电厂的安全决不能只依赖于未经试验的构筑物、系统和部件；等等。
4.核电厂调试中，装料后的试验可分为临界前试验、首次临界和低功率试验两个阶段。其中，临界前试验包括冷停堆状态和热停堆状态下的控制棒驱动机构性能检查、控制棒束组件落棒时间测量、堆芯中子通量测量仪表试验等；首次临界和低功率试验包括首次临界、控制棒价值测量、等温温度系数测量、临界硼浓度测量、中子通量分布测量等。
5.控制棒价值作为堆芯紧急停堆负反应性的主要贡献者，且作为多种控制棒异常移动引起的事故安全分析的重要输入条件，对堆芯安全起着非常重要的作用。控制棒价值测量试验就是为了验证实际控制棒价值与理论预计值的符合程度，从而保证堆芯设计的可靠性，确保堆芯安全。
6.传统的棒价值测量采用“硼稀释/硼化测量 棒刻棒”方法。首先采用硼稀释/硼化测量方法对具有最大积分反应性价值的控制棒组进行微分/积分价值测量，然后再使用棒刻棒方法对其它棒组进行微分/积分价值测量。这种传统的棒价值测量方法存在以下缺陷：一方面，该试验方法是基于准静态的点堆模型得到的，试验过程要求一次引入的反应性不能过大，堆芯必须维持在临界附近，这样导致试验非常耗时；另一方面，采用硼稀释/硼化测量方法还会产生大量的硼废水，进一步影响了核电厂的经济性。
7.近年来，国内核电厂逐渐采用动态刻棒试验方法来进行控制棒价值测量。该方法不要求堆芯维持在临界附近，只需要将待测棒组以最大允许速度从全提状态插入堆芯，插到堆底后再以最大允许速度提出堆芯，记录整个动态过程中的堆外探测器信号，结合理论计算得到的修正因子，消除静态空间效应和动态效应的影响，得到准确的控制棒价值。该方法与传统的硼刻法 棒刻棒方法相比，试验过程耗时大大减少，提高了电厂的经济性。但是，该方法要求在测量待测棒组价值之前，要将堆芯置于所有控制棒全提的临界状态，然后才能开始下插待测棒组进行测量。占用了堆芯临界后的关键路径，限制对总试验时间的减少程度。
8.次临界控制棒价值测量方法是一种能够在反应堆处于较深次临界时进行控制棒价值测量的方法。日本北海道大学、西屋公司都公开发表过相关的试验原理。本质上来说，都是通过求解带外源的中子扩散方程，计算得到一系列的修正因子，从而消除外源的空间效应、中子通量高阶谐波等因素的影响，得到准确的控制棒价值。次临界刻棒试验是在反应堆处于次临界状态下进行的，不占用临界后的关键路径，且具有试验固有安全性的特点，可以避免包括动态刻棒在内的现有刻棒试验中由于操作失误可能导致反应堆紧急停堆的风险。
9.尽管国内外已有较多关于次临界控制棒价值测量原理的公开文献，但它们都没有明确该试验应该在什么阶段、什么堆芯条件下进行，也没有说明在不同的堆芯条件下该如何进行该试验。若在核电厂临界前随意选择一个时间开展控制棒价值测量试验，则一方面上述过程所需的时间无法节省，另一方面可能因为不满足调试基本原则而带来安全方面的风险。


技术实现要素：

10.本发明所要解决的技术问题是现有的次临界控制棒价值测量方法，不能明确该试验应该在什么阶段、什么堆芯条件下进行，也没有说明在不同的堆芯条件下该如何进行该试验，若在核电厂临界前随意选择一个时间开展控制棒价值测量试验，一方面需要单独的控制棒价值测量试验时间而且单独试验的条件也需要单独准备，另一方面可能因为不满足调试基本原则而带来安全方面的风险；本发明目的在于提供一种核反应堆次临界下控制棒价值测量方法及系统，以解决上述问题。
11.本发明通过下述技术方案实现：本方案提供一种核反应堆次临界下控制棒价值测量方法，在核反应堆处于次临界状态下进行控制棒价值测量，包括：在监管部门释放临界控制点之前：与控制棒束组件落棒时间测量相结合进行控制棒价值测量，或与控制棒驱动机构性能检查相结合进行控制棒价值测量，或在热态落棒时间测量之后直接进行控制棒价值测量；在监管部门释放临界控制点之后，核反应堆临界前直接进行控制棒价值测量。
12.本方案工作原理：本方案将次临界控制棒价值测量试验与现有调试试验（热态或冷态下控制棒束组件落棒时间测量，热态或冷态下控制棒驱动机构性能检查）相结合，与分开进行两个实验相比，不仅节省了将堆芯调整到基准状态所需的时间，还节省了将堆芯调整到待测状态的时间，更大程度地减少了核电厂大修总时间；在进行次临界控制棒价值测量试验时，试验条件以现有调试试验为准，不需要单独准备次临界控制棒价值测量试验条件，减少试验占用的关键路径，提高核电厂的经济性。本文中的控制棒步数的单位均为提出步。
13.在监管部门释放临界控制点之前进行控制棒价值测量，将原来监管部门释放临界控制点之后才能进行的控制棒价值测量试验挪到监管部门释放临界控制点之前进行，可以减少临界控制点释放较晚带来的总大修时间延长的程度；如附图1所示，假设单独进行控制棒价值测量耗时为t1，临界控制点释放后除控制棒价值测量以外的其他所有试验总耗时为t2，为了便于理解和描述，假设控制棒价值测量试验是大修的最后一个试验，该试验完成就
意味着大修结束。又假设由于某种原因导致临界控制点释放时间比大修原计划时间晚了t3，若控制棒价值测量在临界控制点释放后进行，则由于临界控制点晚释放导致总大修时间比原计划长了t3；如附图2所示，采用本方案后，在临界控制点释放前的计划试验都已完成后，等待临界控制点释放时，可以进行次临界控制棒价值测量试验，基于相同的假设，临界控制点晚释放导致总大修时间只比原计划长了(t3-t1)。
14.进一步优化方案为，与控制棒驱动机构性能检查相结合进行控制棒价值测量方法为：s1、将所有控制棒组提升到n步位置，待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集得到基准状态中子计数率；s2、使待测棒组a从n步位置落入0步位置；s3、将待测棒组a从0步位置提升到n步位置，记录0步到n步之间的控制棒驱动机构电流；s4、将待测棒组a从n步位置提升至全提位置，记录n步到全提之间的控制棒驱动机构电流，并待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集得到待测状态中子计数率；s5、将待测棒组a从全提位置插回到n步位置，记录全提到n步之间的控制棒驱动机构电流；其中n步位置对应正常运行时控制棒组完全插入的位置。
15.进一步优化方案为，在装料后冷态下，与控制棒驱动机构性能检查相结合进行控制棒价值测量的试验条件为：一回路冷却剂的硼浓度不低于运行技术规范规定的换料停堆模式下的最小硼浓度；一回路冷却剂温度和压力处于运行技术规范规定的正常冷停堆范围之内；在装料后热态下，与控制棒驱动机构性能检查相结合进行控制棒价值测量的试验条件为：一回路冷却剂的硼浓度不低于运行技术规范规定的换料停堆模式下的最小硼浓度；一回路冷却剂温度和压力处于运行技术规范规定的正常热停堆范围之内。
16.上述方案将次临界控制棒价值测量试验与现有控制棒驱动机构性能检查调试试验相结合，与分开进行两个实验相比，不仅节省了将堆芯调整到基准状态所需的时间，还节省了将堆芯调整到待测状态以及恢复到基准状态的时间，最大程度地减少了核电厂大修总时间。
17.进一步优化方案为，与控制棒束组件落棒时间测量相结合进行控制棒价值测量方法为：t1、将所有控制棒组提升到n步位置，待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集得到基准状态中子计数率；t2、将待测棒组a提升至全提位置，待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集得到待测状态中子计数率；t3、将待测棒组a中子组a的动力电源开关断开，同时记录其落棒曲线；t4、将待测棒组a中子组b的动力电源开关断开，同时记录其落棒曲线；t5、将待测棒组a从全插位置提出到n步位置；t6、重复步骤t2-t5，依次对所有待测棒组完成测量。
18.进一步优化方案为，在装料后冷态下，与控制棒束组件落棒时间测量相结合进行控制棒价值测量的试验条件为：一回路冷却剂的硼浓度不低于运行技术规范规定的换料停堆模式下的最小硼浓度；一回路冷却剂温度和压力处于运行技术规范规定的正常冷停堆范围之内；在装料后热态下，与控制棒束组件落棒时间测量相结合进行控制棒价值测量的试验条件为：一回路冷却剂的硼浓度不低于运行技术规范规定的换料停堆模式下的最小硼浓度；一回路冷却剂温度和压力处于运行技术规范规定的正常热停堆范围之内。
19.进一步优化方案为，在热态落棒时间测量之后直接进行控制棒价值测量方法为：h1、将所有控制棒组提到全提位置，待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集得到基准状态中子计数率；h2、将待测棒组a以最大允许速度从全提位置插入n步位置，待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集得到待测状态中子计数率；h3、将待测棒组a以最大允许速度从n步位置提到全提位置；h4、重复步骤h2-h3，对所有待测棒组完成测量。
20.进一步优化方案为，在热态落棒时间测量之后直接进行控制棒价值测量的条件为：已完成热态落棒时间测量试验且监管部门未释放临界控制点；一回路冷却剂温度和压力处于运行技术规范规定的热停堆范围之内。
21.进一步优化方案为，在监管部门释放临界控制点之后，核反应堆临界前直接进行控制棒价值测量方法为：g1、将主调节棒组以外的所有控制棒组逐步提升到全提位置，将主调节棒组提升至130~150步位置，并执行紧急停堆；g2、重新将主调节棒组以外的所有控制棒组逐步提升到全提位置，并将主调节棒组提升到全提位置；g3、开始稀释达临界，并选择一个状态点进行控制棒价值测量试验，当源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集得到基准状态中子计数率；g4、将待测棒组a以最大允许速度从全提位置插入5步位置，待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集得到待测状态中子计数率；g5、将待测棒组a以最大允许速度从5步位置提到全提位置；g6、重复步骤g4和g5，对所有待测棒组完成测量；g7、所有待测棒组价值测量完成后，将主调节棒组从全提位置下插到130~150步位置，继续稀释达临界试验。
22.进一步优化方案为，步骤g3具体为：从步骤g2的所有控制棒组全部提升到全提位置开始，至达到临界之前，选择任意一个状态点进行控制棒价值测量试验，在选择的状态点等待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集得到基准状态中子计数率。
23.本方案提供一种核反应堆次临界下控制棒价值测量系统，应用于上述的核反应堆次临界下控制棒价值测量方法，在核反应堆处于次临界状态下进行控制棒价值测量，包括：同步落棒时间测量模块、同步控制棒驱动机构性能测量模块、第一直接测量模块和第二直接测量模块；所述同步落棒时间测量模块用于在监管部门释放临界控制点之前，与落棒时间测
量相结合进行控制棒价值测量；所述同步控制棒驱动机构性能测量模块用于在监管部门释放临界控制点之前，与控制棒驱动机构性能检查相结合进行控制棒价值测量；所述第一直接测量模块用于在监管部门释放临界控制点之前，在热态落棒时间测量之后直接进行控制棒价值测量；所述第二直接测量模块用于在监管部门释放临界控制点之后，核反应堆临界前直接进行控制棒价值测量。
24.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：1、本发明提供的一种核反应堆次临界下控制棒价值测量方法及系统，能够在反应堆首次达到临界前进行控制棒价值测量，通过将次临界控制棒价值测量与现有调试试验相结合，以提高试验的固有安全性，减少试验占用的关键路径，可以减少总的大修时间，提高电厂的经济性；2、本发明提供的一种核反应堆次临界下控制棒价值测量方法及系统，避免了包括动态刻棒在内的现有刻棒试验中由于操作失误可能导致反应堆紧急停堆的风险，具有试验固有安全性；3、本发明提供的一种核反应堆次临界下控制棒价值测量方法及系统，在保证试验安全的前提下，尽量减少试验占用的关键路径，甚至减少总试验时间，提高电厂的经济性。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：图1为未使用本发明方法核反应堆试验时间轴示意图；图2为使用本发明方法核反应堆试验时间轴示意图；图3为次临界下与现有调试试验相结合控制棒价值测量过程简要示意图；图4为次临界下控制棒价值直接测量过程简要示意图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
27.以国内海南核电厂1、2号机组为例，本发明的具体实施方式如下：实施例1本实施例的控制棒价值测量与装料后冷态控制棒驱动机构性能检查相结合。
28.试验条件：一回路冷却剂的硼浓度必须不低于运行技术规范规定的换料停堆模式下的最小硼浓度（2300ppm）；一回路冷却剂温度和压力必须处于运行技术规范规定的正常冷停堆范围之内。
29.试验主要步骤为：
1、将所有控制棒组提到5步位置，待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集，作为基准状态中子计数率。
30.2、使一个待测棒组d落入0步；3、将该待测棒组d提升到5步，记录0步到5步之间的控制棒驱动机构电流；4、将该待测棒组d提升至全提（225步），记录5步到全提（225步）之间的控制棒驱动机构电流。待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集，作为待测状态中子计数率；5、将该待测棒组d插回到5步位置。记录全提到5步之间的控制棒驱动机构电流。
31.6、重复以上2-5步，依次对各棒组（d、c、b、a、s）完成测量。
32.实施例2本实施例的控制棒价值测量与装料后冷态控制棒束组件落棒时间测量相结合；试验条件：一回路冷却剂的硼浓度必须不低于运行技术规范规定的换料停堆模式下的最小硼浓度（2300ppm）；一回路冷却剂温度和压力必须处于运行技术规范规定的正常冷停堆范围之内。
33.试验主要步骤：1、将所有控制棒组提到5步位置，待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集，作为基准状态中子计数率。
34.2、将一个待测棒组d提升至全提（225步）。待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集，作为待测状态中子计数率；3、将该待测棒组d的动力电源开关断开，同时记录其落棒曲线；4、将该待测棒组d提到5步位置；5、重复以上2-4步，依次对各棒组（d、c、b、a、s）完成测量。
35.实施例3本实施例控制棒价值测量与装料后热态控制棒驱动机构性能检查相结合；试验条件：一回路冷却剂的硼浓度必须不低于运行技术规范规定的换料停堆模式下的最小硼浓度（2300ppm）；一回路冷却剂温度和压力必须处于运行技术规范规定的热停堆范围之内。
36.试验主要步骤：1、将所有控制棒组提到5步位置，待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集，作为基准状态中子计数率。
37.2、使一个待测棒组d落入0步；3、将该待测棒组d提升到5步，记录0步到5步之间的控制棒驱动机构电流；4、将该待测棒组d提升至全提（225步），记录5步到全提（225步）之间的控制棒驱动机构电流。待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集，作为待测状态中子计数率；5、将该待测棒组d插回到5步位置。记录全提到5步之间的控制棒驱动机构电流。
38.6、重复以上2-5步，依次对各棒组（d、c、b、a、s）完成测量。
39.实施例4本实施例控制棒价值测量与装料后热态控制棒束组件落棒时间测量相结合；
试验条件：一回路冷却剂的硼浓度必须不低于运行技术规范规定的换料停堆模式下的最小硼浓度（2300ppm）；一回路冷却剂温度和压力必须处于运行技术规范规定的热停堆范围之内。
40.试验主要步骤：1、将所有控制棒组提到5步位置，待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集，作为基准状态中子计数率。
41.2、将一个待测棒组d提升至全提（225步）。待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集，作为待测状态中子计数率；3、将该待测棒组d的动力电源开关断开，同时记录其落棒曲线；4、将该待测棒组d提到5步位置；5、重复以上2-4步，依次对各棒组（d、c、b、a、s）完成测量。
42.实施例5本实施例控制棒价值测量在装料后热态落棒时间测量试验之后、监管部门释放临界控制点之前进行；试验条件：一回路冷却剂的硼浓度必须不低于热停堆、控制棒全提状态要求的最小硼浓度(根据具体堆芯装载方案的设计确定)；一回路冷却剂温度和压力必须处于运行技术规范规定的热停堆范围之内。
43.试验主要步骤：1、将所有控制棒组提到全提（225步）位置，待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集，作为基准状态中子计数率。
44.2、将一个待测棒组d以最大允许速度插入到5步。待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集，作为待测状态中子计数率；3、将该待测棒组d以最大允许速度提出到全提（225步）。
45.4、重复以上2-3步，依次对各棒组完成测量。
46.实施例6控制棒价值测量在监管部门释放临界控制点之后、反应堆临界前进行;试验条件：一回路冷却剂的硼浓度介于换料停堆模式要求的硼浓度与控制棒全提状态下的临界硼浓度之间；一回路冷却剂温度和压力必须处于运行技术规范规定的反应堆临界阶段范围之内。
47.试验主要步骤：1、将除了主调节棒组d之外的所有控制棒组（c、b、a、s）逐步提到全提（225步）位置；然后将主调节棒组d提升约130~150步；执行手动紧急停堆；2、重新将除了主调节棒组d之外的所有控制棒组（c、b、a、s）逐步提到全提（225步）位置，然后将主调节棒组d也提升到全提（225步）位置；3、开始稀释达临界。从上一步所有控制棒组全部提出开始，到达到临界之前，可以任意选择一个状态点进行控制棒价值测量试验。在选择的状态点等待，当源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集，作为基准状态中子计数率；4、将一个待测棒组d以最大允许速度插入到5步。待源量程测量通道计数率稳定后，进行中子计数率的采集，作为待测状态中子计数率；
5、将该待测棒组d以最大允许速度提出到全提（225步）；6、重复以上两步，依次对各棒组（c、b、a、s）完成测量；7、所有控制棒价值测量完成后，将主调节棒组d下插到130~150步，继续稀释达临界试验。
48.实施例1-4为次临界下与现有调试试验相结合控制棒价值测量简要过程如图3所示；实施例5-6为次临界下控制棒价值直接测量过程简要示意图，简要过程如图4所示。
49.利用理论修正因子修正测量计数率，得到控制棒价值的试验值；在次临界刻棒试验前基于基准状态及待测状态对应的控制棒棒位通过理论计算得到各待测状态对应的次临界修正因子；基于上述试验过程得到的基准状态和待测状态的中子计数率，叠加修正因子，推算出控制棒价值的试验值。
50.特别地，实施例2和实施例4，将次临界控制棒价值测量试验与现有调试试验相结合，与分开进行两个实验相比，不仅节省了将堆芯调整到基准状态所需的时间，还节省了将堆芯调整到待测状态的时间，更大程度地减少了核电厂大修总时间；特别地，实施例1和实施例3，将次临界控制棒价值测量试验与现有调试试验相结合，与分开进行两个实验相比，不仅节省了将堆芯调整到基准状态所需的时间，还节省了将堆芯调整到待测状态以及恢复到基准状态的时间，最大程度地减少了核电厂大修总时间。
51.以上所述的具体实施方式，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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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。