核反应堆反应性测量技术研究
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【摘 要】反应性仪用于监测核电站反应堆物理启动、调试、临界运行等工况下的反应性状态，是确保反应堆安全运行的重要设备。本文介绍了一种基于逆动态理论的数字化反应性仪，主要由信号调理器和数据处理器两个部分构成。利用周期信号仪测试该反应性仪的反应性测量精度，并利用该设备在反应堆上开展动态刻棒试验测量控制棒的反应性微分价值。通过测试，该反应性仪能够满足反应堆反应性监测要求，可快速测量控制棒反应性价值，对于提升核电站安全性、可靠性、经济型具有重要价值。
【关键词】反应性测量;反应性仪;空间效应;动态刻棒
中图分类号： TM623.91 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）36-0112-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.051
0 引言
反应性是描述反应堆系统偏离临界程度的重要安全参数，在反应堆物理启动、装卸燃料、停堆检修以及机组临界运行过程中都需要实时监测反应堆系统的反应性状态及其变化情况，确保反应堆始终处于安全可控的运行状态。
近年来，随着计算机技术、数字化技术的发展，用于反应性测量的反应性仪也在向着小型化、多功能化、数字化、模块化的方向发展，例如西屋公司研发的ADRC型数字化反应性仪具有体积小、功耗低、界面友好、操作便捷的特点，同时该型数字化反应性仪还具有动态刻棒功能，这将大大缩短反应堆物理试验时间，提升核电站运行的经济性[1]。然而，我国在反应性仪研发方面的工作起步较晚，国内核电机组使用的反应性仪基本被国外几家公司所垄断。因此，针对我国已经投入建设的具有完全自主知识产权的第三代核电站堆型——“华龙一号”，自主研发适用于该堆型的数字化反应性仪，在反应性监测精度、动态刻棒等功能性能指标上与国外同类型设备相当，这对于提升“华龙一号”核电机组的国产化水平和经济性具有重要意义。本文介绍了中国核动力研究设计院研发的NADRC型数字反应性仪，主要包括反应性测量原理、设备组成、功能描述以及试验测试几个部分。
1 反应性测量原理
对于一个反应堆系统，在有外中子源存在的情况下，其点堆动力学模型为[2]：
其中，n（t）代表堆芯中子通量密度水平;ci（t）是第i组缓发中子先驱核的浓度;λi是第i组缓发中子先驱核的衰减常数;Λ为中子代时间;βi为第i群缓发中子有效份额;β为总的缓发中子有效份额;ρ为反应性;S（t）为外中子源强度。
反应性仪测量反应性的基本原理为逆动态法，由公式（1）可推导得出逆动态法的理论公式：
反应性测量原理（逆动态法）由点堆模型推导而来，但点堆模型只能描述反应堆的积分特性，不能描述反应堆内部与能量和空间有关的中子学问题。当有控制棒插入堆芯时，会引起堆内中子通量密度分布形状变化，点堆模型不再适用，需要引入空间修正因子修正这一效应的影响。控制棒插入会带来两种空间效应[3]：一是静态空间效应，控制棒插入之后瞬发中子通量密度发生变化，在极短时间内瞬发中子通量密度分布形状改变;二是动态空间效应，这是由缓发中子通量密度分布形状发生改变引起的，由于缓发中子先驱核衰减时间较长，控制棒插入之后通常需要十几分钟缓发中子分布形状才能达到稳定状态。
2 设备组成
图1 NADRC型数字反应性仪设备功能框图
NADRC型数字反应性仪设备功能框图如图1所示，由1台信号调理器和1台数据处理器构成，信号调理器和数据处理器之间通过网线连接。信号调理器可接收两路堆外核探测器输出的电流信号，对其进行放大、滤波处理之后通过以太网送往数据处理器;同时信号调理器还将接收控制棒棒位信号，用于动态刻棒数据处理。信号调理器通过网线与数据处理器通讯。数据处理器是一台笔记本电脑，，安装有NADRC型数字反应性仪软件。
3 设备功能及测试
3.1 连续反应性测量
为验证该反应性仪反应性测量的可靠性，使用周期信号仪产生按特定周期T上升的电流信号，将其接入反应性仪电流输入通道，由反应性仪测量该上升周期对应的反应性测量结果，并将该结果与理论反应性相比较，反应性测量结果列于表1中。
表1 NADRC型数字反应性仪测试结果
从表1中可看出，对于三个e倍增周期信号，两个电流通道所测量的反应性结果与理论反应性数值之间的最大误差为-0.745%，符合较好，NADRC型数字反应性仪能够满足核电厂对反应性测量精度的要求。
3.2 动态刻度控制棒价值
控制棒价值测量是反应堆物理启动、调试阶段的重要环节，其中，动态刻棒技术是当前国际上最为先进的快速测量控制棒价值的试验方法。因此，NADRC型数字反应性仪开发了动态刻棒功能，通过测量控制棒快速插入堆芯过程中堆外中子探测器输出的电流信号来计算控制棒的微分价值、积分价值。根据前文关于测量原理部分的介绍，控制棒插入过程中会引入空间效应的影响，导致控制棒反应性价值测量结果与真实值之间存在较大误差，因此NADRC型数字反应性仪动态刻棒功能必须考虑空间效应影响的修正。
空间效应的影响程度与控制棒和中子探测器之间的相对布局以及控制棒插入堆芯的深度有关，为降低空间效应的干扰，NADRC型数字反应性仪还将记录控制棒的棒位信息。动态刻棒测量分别引入静态修正因子（SSF）和动态修正因子（DSF）对空间效应进行修正。静态修正因子和动态修正因子由专用的反应堆物理计算软件模拟计算得到。动态刻棒过程中，数据处理器软件首先读入静态修正因子的数据文件，根据采集的控制棒棒位信息对修正因子进行查找，并利用该修正因子对相应棒位时刻的探测器信号（电流/计数率）进行修正，以修正的探测器信号作为输入数据按公式（2）计算反应性。然后再读入动态修正因子数据文件，并根据棒位进行查找，对逆动态中子动力学方程的求解结果进行动态修正，得到最终测量结果。
为验证反应性仪动态刻棒功能的可靠性，在反应堆上开展了动态刻棒试验，测量单根控制棒匀速插入堆芯期间中子通量密度的变化情况，结合空间效应修正因子计算出各控制棒的反应性微分价值曲线。控制棒反应性测量结果如图2所示，其中，横坐标为控制棒插入堆芯深度，相对棒位高度100%表示控制棒完全处于堆芯外部。控制棒积分反应性真實价值为1024pcm。
图2 NADRC型数字反应性仪动态刻棒测量结果
从图2中可以看出，随着控制棒插入堆芯深度增加，直接测量的反应性价值与理论值之间的偏差逐渐增大，相对棒位高度低于20%之后测量值与理论值之间的偏差约为200pcm，远不能满足核电厂对于反应性测量精度的要求。引入了空间效应修正因子之后，测量的积分反应性价值为1000pcm，与理论值之间的偏差显著减小，修正后的控制棒反应性微分价值曲线与理论曲线基本重叠。
4 结论
本文介绍了用于“华龙一号”核电机组反应性测量的NADRC型数字反应性仪，主要介绍了该型反应性仪的测量原理、设备构成及功能，并开展了相关测试及堆上试验。通过测量按特定周期指数增长的电流信号，表明测量的反应性结果与理论反应性数值之间的最大误差为-0.745%，符合较好，满足核电厂对于反应性测量精度的要求。此外，利用该反应性仪进行了动态刻棒试验，引入修正因子修正控制棒插入导致的空间效应的影响，试验结果表明经过修正之后的控制棒微分反应性价值曲线与理论值符合较好，显著降低了空间效应的影响，NADRC型数字反应性仪能够满足动态刻棒的要求。
【参考文献】
[1]胡汝平，李志军.动态刻棒技术的应用，核科学技术，2005（03）.
[2]史永谦.核反应堆中子学实验技术[M].北京：原子能出版社，2011.
[3]A M Yuan. Research on spatial effect based on point reactor model， Harbin Engineering University，2013.
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