htr-pm学习课件18燃耗测量系统

燃耗测量系统

制作人：王远磊华能山东石岛湾核电有限公司运行部前言■课程基本要求一．燃耗测量相关知识二.燃耗测量系统综述三．燃耗测量系统设备组成四．燃耗测量系统运行特性一、燃耗测量相关知识

1.燃耗测量的意义燃耗是评价堆物理设计、堆功率分布校算、堆安全运行、同位素生产、燃料元件制造以及核燃料循环管理等工作的一个重要参数。对于球床高温气冷堆，要保证其长期连续运行，必须有一套或多套燃料装卸系统，在堆运行时，燃料装卸料系统不断地把球形燃料元件从堆芯卸出。来自堆芯的燃料元件需要逐个进行在线燃耗测量，将已达到的预定燃耗值的燃料元件输送到乏燃料罐中，燃耗未达到预定值的则返回堆芯继续燃烧。2.燃耗的定义及单位燃耗也称为燃耗深度。定义：燃耗深度是装入堆芯的单位质量核燃料所产生的总能量的一种度量。单位：Fima和MWD/tUFima含义为已裂变的原子数与初始装料时的总的重金属原子数之比。MWD/tU含义为装入堆芯内每吨铀所发出的能量。

Σf-235U的中子宏观裂变截面σf-235U的微观裂变截面

V-燃料元件的体积

m-燃料元件中的235U质量

Nu-燃料元件中铀的原子数目

C5,0-235U的初始富集度

Φ-t时刻的中子注量率，简化成为常数，即取值为φ；

T-燃料球在堆芯内辐照时间；

Ef-每次裂变时放出的能量。2.燃耗的定义及单位（续）3.燃耗的测量方法测量燃耗通常是与裂变产物相联系的，通过对燃烧过的燃料元件中某些核素的测量，可以估算燃料元件的燃耗。燃耗的测量方法：破环性测定方法非破坏性测定方法（Non-DestructiveAnalysis,NDA）4.破环性测定方法及特点方法：乏燃料化学溶解裂变核素进行放射化学分析和质谱分析确定燃耗。特点：具有直接性的特点，测量准确，能把U和Pu分开；测量时间周期长，对测量的环境要求高，测量程序比较复杂。通常用作反应堆乏燃料测量的一种补充测量手段，一般用于为燃料化学后处理厂或为燃料循环的监督和管理部门提供信息。5.非破坏性测量方法及特点

方法：直接用谱仪测量裂变核素中的某种核素与燃耗量相关的射线或测量自发或诱发裂变中子确定燃耗。特点：测量方法简单和测量的时间周期短。HTR-10和HTR-PM采用非破坏性测量方法测量燃料球燃耗。6.非破坏性测量分类非破坏性测量方法类别：利用γ测量利用中子的测量多探头组合测量临界装置测量7.非破坏性测量-利用γ射线测量

原理：燃烧过的乏燃料中某些核素的活度与其燃耗值有一一对应关系，通过测量乏燃料中的标示性核素的γ活度即可确定其燃耗。利用γ谱分析仪测量核素的γ活度，目前科研和工业上常用于燃耗测量的γ谱仪有两种：高纯锗（HPGe）谱仪高纯锗谱仪分辨率高；不受乏燃料放置时间的长短限制。碲化锌镉（CdZnTe）谱仪分辨率差（约为10keV）；适用冷却时间较长的乏燃料燃耗测量；可以在常温下使用。7.非破坏性测量-利用γ射线测量（续）因乏燃料的γ射线比较强，大多数探测器需要进行远距离测量，且探头设有准直器，现有的大多数反应堆所使用的燃料元件体积都比较大，因此在测量时需要对乏燃料元件进行分段扫描测量。

标示性放射性裂变核素选择的基本要求一般根据乏燃料冷却的时间长短和燃耗的深浅选择测量的标示性放射性裂变核素。一般要求：裂变产额比较高；衰变时γ射线能量比较高；中子俘获截面较低；不考虑裂变产物在燃料元件内的迁徙。7.非破坏性测量-利用γ射线测量（续）对受照时间和冷却时间较短的燃料元件，选择半衰期较短的核素97Zr（16.9h）/97Nb（1.20h）；锆，铌132I（2.30h）；140La（40.27h）；镧考虑上述核素的来源U的裂变产额；同位素发生（n，γ）核反应的贡献；母核的β-衰变；此法需要知道燃料照射史，故不适合球床式高温堆的燃耗测量特点。7.非破坏性测量-利用γ射线测量（续）传统γ谱仪燃耗测量选择长寿命裂变核素134Cs（2.06a）/137Cs（30.2a）；85Kr（10.7a）；氪137Cs（30.2a）；105Ru（1.02a）/137Cs（30.2a）；钌除134Cs外，上述其他核素中子反应截面或吸收截面都很小（<2×10-28m2），可以忽略不计；对134Cs，要考虑（n，γ）核反应的贡献；7.非破坏性测量-利用γ射线测量（续）原理：乏燃料中除了有235U和238U以外，还残存大量半衰期较长的超U核素如：Np(镎)、Pu（钚）、Am（镅）和Cm（锔）等，这些核素以自发裂变或（α，n）核反应形式产生中子。通过测量中子相关参数的方法也可以确定燃耗。两种测量方法：直接测乏燃料的中子产额（中子计数率）确定燃耗：中子计数率与倍增因子密切相关，倍增因子的大小依赖于测量的条件、燃耗深度和燃料元件的初始富集度等。外加中子照射，使易裂变核素发生诱发裂变，测量裂变时相关的γ射线符合事件或测量临界装置的反应性来确定燃耗。7.非破坏性测量-利用中子测量使用两种中子探测器有源探测器，如裂变电离室正比计数器无源探测器核乳胶核径迹气泡7.非破坏性测量-利用中子测量（续）有源中子测量方法的应用实例简介IAEA联合阿根廷和巴西开发的SFNC系统探测器-裂变电离室；方法-测量乏燃料组件的轴向计数率分布确定燃耗；适用范围-冷却时间较长（20a）的乏燃料组件；测量对象-PWR和CANDU的乏燃料组件；日本探测器-BF3正比计数器；使用准直器；方法-通过对燃料棒的中子扫描确定燃耗；7.非破坏性测量-利用中子测量（续）无源中子测量方法-在乏燃料组件周围多点布置探测器，一次采样；原理-通过测量乏燃料组件的位置计数分布估算燃耗；优点-体积小；不足-受无准直器、温度不均匀性等因素影响，误差较大；7.非破坏性测量-利用中子测量（续）8.破坏性测量应用范围：用于长期贮存的核燃料燃耗分析测量对象：选择稳定的或半衰期长的核素作为测量对象，包括锕系十多种核素和裂变产物三十多种核素测量方法：

化学分析；测量设备：质谱仪；分光光度计；γ谱仪；β谱仪；α谱仪；破坏性采样通常在热室中进行；为具有可比性，选择的采样点具有代表性且与非破坏性扫描测量点相关；化学分析仅作为物理测量结果或物理计算结果的一种有效验证；大批量的乏燃料组件需要NDA物理测量设备完成；对NDA，多探头燃耗测量是发展趋势。8.破坏性测量（续）二、HTR-PM燃耗测量系统综述1.燃耗测量系统的功能要求对燃料球和石墨球进行在线非破坏性测量，并能实现对燃料球与石墨球的识别；由测到的放射性量可以直接确定燃耗值；燃耗的测量结果要及时反馈到燃料装卸系统和反应堆控制系统；燃耗深度的测量范围：8000~100000MWD/tU；每球的测量时间大约为10~25秒，平均每球测量时间为20秒对于达到卸料燃耗的燃料球，测量的统计不确定度控制在5%左右（不确定度：是目前对于误差分析中的最新理解和阐述，以前称为测量误差．现在更准确地定义为测量不确定度．是指测量获得的结果的不确定的程度。）；测量的量可直接表达燃耗值；实现系统的自动连续运行。设计参数HTR-10HTR-PM堆功率10MW250MW/每堆燃料球在堆芯循环次数5次15次每堆平衡堆芯装载量27000个370000个平均最大满功率天数1080天1057天球中的铀金属含量5克7克燃料富集度17%8.5%燃料球平均卸料燃耗80000MWDt-1（U）90000MWDt-1（U）燃料球最大燃耗100000MWDt-1（U）100000MWDt-1（U）每堆每天排出球数125个6000个每堆燃耗测量系统套数1套2套每套测量系统测球量125个3000个燃耗测量前燃料球冷却时间～30天50小时2.系统参数3.燃耗测量方法的选定

测量种类的选择：只有采用非破坏性方法测量才能满足球床式高温堆燃耗的在线测量要求；测量法选择：要求测量时间短和统计不确定度小。这就排除了选用测量中子法的可能性，由于测量中子的方法比较复杂、且测量时间长或统计不确定度大，难以满足高温堆燃耗测量系统的要求；测量仪器选择：市场现有的高纯锗（HPGe）和碲化锌镉（CdZnTe）两种谱仪均可以用于一般要求的燃耗测量。由于HTR-PM中燃料球冷却时间短，所发射γ射线成分复杂，因此要求燃耗测量谱仪具有较高的分辨率，以将关键核素的典型射线分离出来。碲锌镉探测器的分辨率约为10keV，高纯锗探测器分辨率为1.85keV，HTR-PM设计方案拟选用高分辨率高纯锗γ分析谱仪。4.关键核素的选择具有较高的裂变产额；半衰期比较长；中子吸收截面要小；特征γ射线的能量较高，干扰的γ射线影响不明显；特征γ射线测量结果与燃耗之间有较好的一一对应关系；裂变产物在燃料球内迁徙可以忽略。根据上述条件并参照HTR-10等相关的实践经验，HTR-PM燃耗测量选定137Cs作为关键核素，即通过测量燃料球中137Cs的活度从而确定燃料球燃耗深度。137Cs核素的半衰期较长为30.2a，热中子吸收截面很小，只有0.11barn。5.燃耗值与活度的关系确定核燃料中的裂变产物活度与燃耗之间有一定的关系，因此可以通过测定裂变产物活度来计算燃耗。137Cs的燃耗深度方程为：式中：N—单球中137Cs原子数目；

—可裂变核素i的裂变截面，b；Yi—可裂变核素i对137Cs的裂变产额；Ni—单球中可裂变核素i的原子数目；φ—中子通量密度，n·m-2s-1；λ—137Cs的衰变常数，s-1；σa—137Cs的中子吸收截面，b。其解析解为：式中：A—单球中137Cs活度，Bq;其余同上式。而燃耗的定义为单位质量的核燃料发出的能量，即其中：BU—燃耗值，MWDt-1（U）；

Ei—裂变核素i的裂变能量，MWD；

G—初始铀的装载量，t。由于各个可裂变核素的裂变能量与其生成的137Cs的裂变产额的比值很相近，所以可以结合上述两式得到如下的方程：5.燃耗值与活度的关系确定（续）其中：E—各裂变核素的平均裂变能，MWD；

Y—137Cs的平均裂变产额；

f—为辐照历史依赖函数。HTR-PM设计拟采用这样的方程形式（其中f取为与时间相关的幂指数函数），拟合由KORIGEN软件计算燃耗与单球中137Cs活度的关系，从而建立燃耗与137Cs活度之间的关系式；这样燃耗的确定方法与堆物理分析所用方法一致，更适于燃料管理。5.燃耗值与活度的关系确定（续）6.系统的总体布置HTR-PM燃耗测量系统在布置核岛-15米层的两个工艺房间中，每个房间安装两套测量系统，安装位置见下图。137Cs活度测量装置是本系统的核心，主要包括三个关键设备，即：高纯锗谱仪系统准直器和刻度校准设备三、燃耗测量系统设备组成1.燃耗测量系统标准设备清单序号设备名称型号规格单位数量生产厂家备注1HPGe探头GEM30个6ORTEC每堆2个在役，每堆1备用2数字化谱仪DSPEC-Plus台6ORTEC每堆2台在役，每堆1备用3电冷却器X-Cooler-Ⅱ台6ORTEC每堆2台在役，每堆1备用4计算机台4每堆2台2.燃耗测量系统非标设备清单序号设备名称单位数量备注1准直器个4每套测量系统1个2预埋件及相关连接件个4每套测量系统1个3探头铅室个4每套测量系统1个4效率监督源-137Cs个4每套测量系统1个5效率监督源控制装置个4每套测量系统1个6探头及冷却系统支架个4每套测量系统1个3.准直器准直器为限制探测器对放射源所张的立体角而设。作用：只让直射的γ射线在准直器内腔通过（即“透明”），并到达探测器上“全部”挡住（即“黑”）任何进入内腔的非直射的γ射线，不让它到达探测器为达上述目的，应该适当选择准直器的材料，厚度，形式，安装位置等。准直器材料的选择主要考虑其对γ射线的阻挡能力和加工性能。参照HTR-10的设计和经验，选定高密度WNiFe合金作为准直器的材料，密度为17~18g/cm3（屏蔽效果是铅的1.3-1.8倍）。准直器采用双锥内孔的形式，其优点是对待测燃料球的位置变化不敏感，也有利于减少散射份额。同时可以保证球上各点对准直器所张的立体角基本相等，利于准直器修正因子的设计实现。准直器单端长度取为270mm，总长度540mm（参见图2）；其能使最难阻挡的3~4MeV的γ射线的穿透系数降至10-6以下，实现了“黑”的功能。为限制进入探测器的射线束流，将最大死时间控制在30%左右，准直器修正因子设计为2.334×10-8，即准直距离为3600mm，准直器喉部直径2.2mm。3.准直器（续）

4.谱仪设备谱仪选择主要综合考虑以下因素：系统的分辨率；死时间校正精度和控制目标；系统稳定性；运行成本。HTR-PM拟选择美国ORTEC公司的高纯锗γ谱仪系统，其主要组件包括高纯锗探头GEM30P4-Plus数值谱仪DSPEC-Plus，包含偏置高压电冷却装置CFG-X-Cooler-Ⅱ-230,包含PopTop冷指等谱获取与分析软件GammaVision32（A66-B32）谱仪控制接口UMCBIProgrammer′sToolkit（A11-B32）该系统对1.332MeV能量的γ射线分辨率好于1.85keV（FWHM）；对于122keV射线的分辨率好于0.85keV。峰康比60：1。采用电冷却的方式，可以保证对500keV以上的射线的分辨率无影响。可以通过控制接口软件（A11-B32）实现对谱仪的完全控制，包括测量开始与终止，数据传输等。4.谱仪设备（续）5.排球复核测量设计为判定被测球是乏燃料球还是石墨球，在选择其最终去向之前要经过再一次的复核测量，以免将乏燃料球误排入石墨球罐中。复核测量拟选用气体探测器测量待判断球的γ剂量率，通过判断剂量率阈值的方法判定球的类别。6.活度识别定位器在乏燃料卸料缓冲管段后的乏燃料二次提升管前，设置了一套乏燃料活度识别装置，避免将高放射性的乏燃料球被输送至石墨球贮存罐。活度识别的时间短，不要求对球形元件精确定位，但要求停球快捷，因此，设计了电磁驱动定位器。该定位器类似于一个电磁滑阀，能有效密封管路气体，在堆芯石墨球全部排出后，可以拧紧锁紧螺栓锁死电磁驱动机构，以避免误动作。一体化卸料装置中用于破桥的电磁驱动机构与该电磁驱动机构的结构和原理相同。1.检测管段2.锁紧螺栓3.电磁驱动机构6.活度识别定位器7.燃耗测量系统的初步技术规格（1）测量对象和范围：第一次到第十五卸出堆芯的燃料球，燃耗深度范围为

8000~100000MWD/t（U）（2）燃料球冷却时间：50小时（3）每球处理时间：平均每球处理时间为20秒（4）能量分辨率：对1.33MeV的γ射线其FWHM＜

1.85keV，当死时间为30%左右时，对1.33MeV的γ

射线其FWHM＜2.0keV；而对于0.661MeV的γ射线，其对应FWHM分别为1.30keV和1.50keV（5）谱仪计数率：＜5.0×104脉冲数/秒（死时间＜30%）（6）本底要求：用铅室屏蔽后，在137Cs峰感兴区间内＜

0.5计数/秒，总计数＜80计数/秒（7）工作负荷能力：约3000球/天/套（8）连续运行，自动零死时间修正，自动极零补偿，数字稳谱开启，稳定度：＜0.5keV/24小时（9）正常工作的条件：高压偏置电源：5000V

采用电冷却装置冷却，不间断电源供电电源：~220V±10%，4A

环境：相对湿度10%~90%，无冷凝，温度5~30℃，电磁场干扰小（10）可将系统状态和测量结果在本地计算机上显示，并能以串口通讯的方式将上述信号反馈给主控系统。7.燃耗测量系统的初步技术规格（续）（11）运行期间能够分析0.661MeV射线的峰位，半高宽FWHM值（12）定期利用监督源对探头探测效率进行测量，能够根据测量结果对系统刻度因子自动修正。7.燃耗测量系统的初步技术规格（续）四、燃耗测量系统运行特性1.测量与控制本系统作为球床式高温堆燃料装卸系统不可或缺的一部分，获取排球的燃耗信息，为燃料装卸系统的正常运行提供动作信号。系统内数字谱仪与计算机之间通过高速以太网接口传递数据与控制信息；系统通过DCS或者PLC与燃料装卸系统的分控制系统相互交换信息。系统通过串行通讯接口将测量结果和系统主要设备状态信息传递给主控系统。系统布置及工作原理示意图参见图3，工作流程逻辑图参见图4。2.燃耗测量方案的设计需考虑的因素：每套燃耗测