HFETR变流量下16Nγ监测反应堆功率的应用研究

1、HFETR变流量下16N监测反响堆功率的应用研究【摘要】本文推导了HFETR变流量下16N剂量率、一次水流量Q和反响堆功率P之间的数学模型，并在HFETR上将采集到的HFETR流量信号和16N剂量率信号按数学模型编程计算反响堆实时的16N功率。通过历史运行数据和实时运行数据与热功率进行比照，验证数学模型的正确性和可用性。通过数学模型建立的16N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：2095-2457202111-0070-002DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457

2、.2021.11.0320前言HFETR16N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响堆功率的一套系统。该系统监测功率的响应时间介于核功率与热功率之间，且16N监测系统的报警信号通过2/2的逻辑符合参与反响堆保护，对反响堆平安起着重要作用。在流量恒定的情况下，一回路水中16N的浓度和反响堆功率成正比，现有的HFETR16N监测系统正是基于此规律建立起来的，但反响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异较大，同一炉次中一回路水流量也会存在小范围波动，现有的16N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

3、量下反响堆功率和16N浓度之间的关系，并在此根底上建立新的监测报警系统，使得16N监测功率更准确直观。1HFETR16N监测反响堆功率的数学模型建立反响堆运行时一回路水经过堆芯，16O受中子辐照发生核反响生成16N，16N再发生衰变生成16O，同时发射三种高能量射线：7.12MeV5%，6.13MeV69%，2.75MeV1%。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160200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根本衰变完，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响生成16N，微观反响截面为【1】，宏观

4、反响截面为【1】，一次水经过堆芯时流速为芯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，水流速为芯m/S，中子通量密度为，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，那么有如下微分方程：其中N0为阿伏伽德罗常數6.022×1023mol-1，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16On，p16N宏观反响截面，设N0水/A水=，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

5、响截面单位量级在10-28m2左右，芯量级为10m/S，x最大为1米，因此x/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N1，16N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16N探头安装处为L米，时间t，母管一次水流速度母m/S，一次水流量Qt/h时，一回路母管直径Dm，那么有如下关系：14式中，、L、D、S芯、均为常数，且中子通量和反响堆功率P有如下关系P=f·V芯·Ef·，其中f为裂变截面;V芯反响堆堆芯体积，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16N的监测并不是

6、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产生的剂量率H，该点剂量率H正比于此处一次水16N的比活度，H=·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，即认为反响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：一为反响堆活性区水流量与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，16N剂量率越大。216N监测反响堆功率的数学模型应用2.1一次水流量信号和16N测量信号采集一次水流量信号为模拟量

7、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。16N监测仪可直接输出485测量信号，计算机直接采集16N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16N测量信号采集后，通过计算计软件自动按公式计算反响堆功率并实时显示。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。界面设置显示反响堆功率P，16N测量值和一次水流量Q值，同时16N监测

8、功率监测的软件界面还设置参数设定值K和b值。HFETR16N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的参数计算反响堆功率。316N监测反响堆功率的数学模型验证3.1不同流量下16N功率与热功率比较为验证一次水流量、16N剂量率和反响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16N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，但反响堆整个活性区中子通量率变化不大【2】，数据可作为

9、比照。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16N测量值和当时的热功率。数据包含某一时刻的热功率，16N剂量率值和一回路水流量。根据一回路水流量和16N剂量率值按数学模型计算出16N功率，将计算的16N功率值与当时记录的热功率值作比较。16N测量仪为FJ-36016N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。16N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16N功率值和热功率符合的很好，数据比照图见图1。图2中热功率的正负偏差线设定为3%，从

10、图中可以看出，16N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16N功率值与热功率在在误差范围内一致，可以认为16N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16N功率与热功率比较取本炉次堆运行中某段时间的16N功率与热功率测量结果比较，见图2，由图2可以看出，16N功率与热功率测量结果符合得非常好。图2中的16N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16N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%。16N功率很好的反响反响堆功率的变化情况。4结束语通过对变流量下16N剂量率与反响堆功率关系的研究，建立了HFETR变流量下16N监测反响堆功率的数学模型，并将研究结果运用到HFETR上应用，通过试验比照验证了反