專利名稱:球床型模塊式高溫氣冷堆燃料元件燃耗深度在線測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明用于球床型模塊式高溫氣冷堆中燃料元件的燃耗深度測量方式，尤其涉及在線測量技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
模塊式高溫氣冷堆(MHTGR)是國際核能界公認(rèn)安全性好的堆型，其研發(fā)工作始于20世紀(jì)70年代，與氣冷堆不同，模塊式高溫氣冷堆采用陶瓷包覆顆粒燃料，氦氣作為冷卻劑。氦氣是惰性氣體，化學(xué)穩(wěn)定性好，不會(huì)發(fā)生相變，同時(shí)冷卻性能好，因此MHTGR冷卻劑的出口溫度可以非常高。
球床型模塊式高溫氣冷堆(PBMHTGR)采用不停堆連續(xù)裝卸料的燃料管理方式，這是利用了球形燃料元件可以滾動(dòng)的特點(diǎn)，形成一個(gè)具有流動(dòng)性的球床堆芯，使得新燃料元件的補(bǔ)給和乏燃料元件的卸出可以在不停堆的情況下連續(xù)進(jìn)行。PBMHTGR的燃料元件經(jīng)過燃料裝卸(FCA)系統(tǒng)多次通過堆芯達(dá)到卸料燃耗才作為乏燃料元件卸出，多次通過的燃料管理方式可以實(shí)現(xiàn)乏燃料元件的燃耗深度平均化。
世界首座球床型高溫氣冷堆(PBHTGR)為聯(lián)邦德國的AVR反應(yīng)堆，AVR采用了用包覆顆粒燃料制成的直徑為6cm的球形石墨燃料元件，由100000個(gè)球形燃料元件構(gòu)成球床型堆芯。AVR反應(yīng)堆熱功率為46MW，電功率為15MW，于1966年8月首次達(dá)到臨界，1967年12月17日開始并網(wǎng)發(fā)電。AVR原設(shè)計(jì)氦氣出口溫度為850℃，1974年2月氦氣出口溫度提升到950℃，一直到1988年12月關(guān)閉，共運(yùn)行了21年。
在20世紀(jì)70年代和80年代初國際上高溫氣冷堆商用電廠的設(shè)計(jì)主要朝著大型化的方向發(fā)展。在三哩島和切爾諾貝利核電廠事故之后，美國推出了先進(jìn)堆型發(fā)展計(jì)劃，使得模塊式高溫氣冷堆成為高溫氣冷堆的主要發(fā)展方向。模塊式高溫氣冷堆的基本特點(diǎn)是在任何事故條件下反應(yīng)堆堆芯的剩余發(fā)熱能夠通過非能動(dòng)(即依靠重力、自然循環(huán)等自然規(guī)律)的方式載出，堆芯包覆顆粒燃料的溫度不會(huì)超過允許的限值。這樣就可以避免發(fā)生堆芯熔化的可能，在發(fā)生嚴(yán)重事故的條件下核電廠廠外的放射性劑量仍在限值范圍之內(nèi)，而不用采用廠外的應(yīng)急計(jì)劃。因此，模塊式高溫氣冷堆是一種具有非能動(dòng)安全性的先進(jìn)堆型。
由西門子Interatom發(fā)展的80MW電功率的HTR-Module是世界上最先提出的小容量模塊式高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)概念，具有非能動(dòng)的安全特性，即堆芯的剩余發(fā)熱借助熱傳導(dǎo)、熱輻射等自然機(jī)制導(dǎo)出，保證在任意事故的條件下堆芯燃料元件的最高溫度不超過溫度限值，避免發(fā)生堆芯熔化的可能。HTR-Module采用包覆顆粒燃料制成的6cm直徑的石墨球形燃料元件，由36萬個(gè)球形燃料元件堆積形成球床堆芯。為了實(shí)現(xiàn)堆芯剩余發(fā)熱非能動(dòng)的載出，堆芯的直徑受到了限制，否則堆芯燃料的最高溫度有可能超過1600℃的限值。
自20世紀(jì)70年代起，中國在高溫氣冷堆技術(shù)領(lǐng)域：
開展過很多相關(guān)的工作，有一定的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累。考慮到高溫氣冷堆所具有的優(yōu)異安全特性和先進(jìn)性能，中國將其作為先進(jìn)反應(yīng)堆堆型，把相關(guān)技術(shù)開發(fā)工作列入了國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃。以清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院作為項(xiàng)目的主體實(shí)施單位，在該院的昌平院址建造了一座熱功率為10MW的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(HTR-10)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。HTR-10的設(shè)計(jì)遵循了PBMHTGR的設(shè)計(jì)原則，以下主要技術(shù)和安全特點(diǎn)基本體現(xiàn)了PBMHTGR的主要特點(diǎn)(1)HTR-10堆芯由27000個(gè)石墨球形燃料元件組成，燃料元件由包覆顆粒燃料構(gòu)成。包覆燃料顆粒為直徑只有0.9mm的微型小球，其核芯為二氧化鈾(UO2)顆粒，直徑為0.5mm。UO2顆粒外包了一層低密度熱解碳、兩層高密度熱解碳和一層碳化硅。包覆層將UO2顆粒中產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物充分地阻留在包覆顆粒內(nèi)，并能承受氣體裂變產(chǎn)物產(chǎn)生的內(nèi)壓力。
包覆顆粒燃料均勻彌散在石墨球體的內(nèi)層，直徑為5cm。其外層為石墨殼體，用以保護(hù)包覆顆粒燃料不受機(jī)械損傷。燃料元件外徑為6cm，每個(gè)燃料元件內(nèi)平均包含有8000個(gè)包覆顆粒燃料。
(2)球床型高溫氣冷堆最獨(dú)特的是燃料裝卸(FCA)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。HTR-10采用了反應(yīng)堆運(yùn)行過程中連續(xù)裝卸燃料，反應(yīng)堆的后備反應(yīng)性(冷態(tài)干凈堆芯的剩余反應(yīng)性)小。初始態(tài)堆芯由57％的燃料元件和43％的純石墨球組成，運(yùn)行過程中采用多次通過堆芯的燃料管理方式，將堆芯中卸出的石墨球逐漸排出堆外；燃料元件平均卸料燃耗深度(即乏燃料元件從堆芯卸出時(shí)所達(dá)到的平均燃耗深度)為80GWD/tU(1GWD/tU＝109瓦·天/噸鈾)，若燃料元件測量燃耗超過72GWD/tU，則作為乏燃料元件排出，而小于該值的燃料元件被送回堆芯內(nèi)繼續(xù)循環(huán)。因此每個(gè)燃料元件平均需經(jīng)5次循環(huán)才被排出堆芯，在實(shí)現(xiàn)較高的燃耗深度同時(shí)保證堆芯內(nèi)的功率分布更加均勻，也使卸出乏燃料元件的燃耗分布的偏差更小。
通過上述對(duì)PBMHTGR的分析，可以總結(jié)出PBMHTGR對(duì)其FCA系統(tǒng)的功能要求(1)在反應(yīng)堆的各種工況下，都可以進(jìn)行不停堆的燃料裝卸操作；(2)燃料裝卸循環(huán)實(shí)現(xiàn)以下的功能i)向堆芯補(bǔ)給新的燃料元件；ii)燃料元件從堆芯卸出，通過專門的“單列器”裝置，使燃料元件從堆積形狀變化為單一化的排列，在此過程中應(yīng)防止出現(xiàn)燃料元件之間形成搭橋堵塞而不能流動(dòng)的情況；iii)對(duì)燃料元件的完整性加以檢測，篩選出在裝卸過程中撞擊造成損壞的燃料元件和碎片；iv)對(duì)燃料元件逐個(gè)進(jìn)行燃耗測量，將達(dá)到卸料燃耗的乏燃料元件排出到乏燃料儲(chǔ)存罐內(nèi)，將未達(dá)到卸料燃耗的元件重新輸送回堆芯；v)從初始態(tài)堆芯向平衡態(tài)堆芯過渡的過程中，將堆芯中混裝的石墨球或摻有中子毒物的石墨球加以區(qū)分鑒別出，并逐個(gè)排除堆外；(3)燃料元件的輸送除了依靠重力的滾動(dòng)外，還可以采用氣動(dòng)力在管道內(nèi)輸送，輸送管道內(nèi)壁應(yīng)光滑，并且管道走向的坡度能保證球形元件依靠重力自由的滾動(dòng)；(4)向堆內(nèi)補(bǔ)給新燃料元件，或?qū)⒎θ剂显懦龆淹?，需進(jìn)行堆內(nèi)、外氣氛的隔離和切換，盡量減少此過程中冷卻劑(氦氣)的泄漏或空氣的混入；(5)經(jīng)輻照過的燃料元件具有很強(qiáng)的放射性，在裝卸過程中應(yīng)防止造成對(duì)操作人員的輻射影響，如發(fā)生設(shè)備故障時(shí)，應(yīng)有屏蔽設(shè)施以保證人員可以接近進(jìn)行檢修；(6)裝入的新燃料元件、卸出的乏燃料元件、排出的破損燃料元件、排出的石墨球以及循環(huán)回堆芯的燃料元件應(yīng)加以精確的計(jì)數(shù)。
綜上所述，HTR-10的技術(shù)特點(diǎn)必然要求設(shè)計(jì)者提出能夠滿足在線運(yùn)行的準(zhǔn)確可靠的燃料元件燃耗深度測量方法，該方法必須滿足以下要求(1)測量結(jié)果必須可以直接反映燃耗深度值；(2)測量過程中不得破壞燃料元件；(3)允許反應(yīng)堆以任何方式運(yùn)行，允許燃料元件以任何方式循環(huán)；(4)燃耗深度的測量范圍為100～105MWD/tU(1MWD/tU＝106瓦·天/噸鈾)；(5)測量相對(duì)誤差不大于±2％，在燃耗深度較低時(shí)，允許測量相對(duì)誤差為±10％；(6)測量時(shí)間大約為60秒；(7)能夠長期連續(xù)運(yùn)行；(8)測量結(jié)果必須實(shí)時(shí)送FCA系統(tǒng)及反應(yīng)堆控制系統(tǒng)，具有較高的傳輸率和較遠(yuǎn)的傳輸距離。
燃料元件的燃耗單位有兩種(1)fima(菲馬)；(2)MWD/tU。
其中，fima為已裂變的原子數(shù)與初始裝料時(shí)總的重金屬原子數(shù)之比，無量綱 式中C5為235U的富集度(核燃料純度)；Φ為熱中子通量(單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入以空間某點(diǎn)為中心的適當(dāng)小球體的熱中子數(shù))；T為燃料元件在堆芯的輻照時(shí)間；σf為235U的微觀裂變截面(單位面積有一個(gè)原子核時(shí)入射一個(gè)粒子發(fā)生核裂變的概率)；∑f為235U的宏觀裂變截面(σf與U單位體積內(nèi)原子核數(shù)的乘積)；V球?yàn)槿剂显捏w積；5為每個(gè)燃料元件所含的U的克數(shù)。
NU為每克U中所含原子數(shù) 為直觀說明基本的物理概念，假定C5、Φ、T都為常數(shù)，則得到燃耗深度表達(dá)式 式中Ef為每次裂變放出的能量Ef＝197MeV＝0.365×10-21MWD。
因此，可以得到fima與MWD/tU的關(guān)系MWDtU=0.927×106fima---(1)]]>由此可知，對(duì)特定的燃料(σf、C5為已知常數(shù))，燃耗深度實(shí)際上與燃料元件內(nèi)積分通量ΦT直接相關(guān)，也直接與裂變產(chǎn)物相聯(lián)系。因此，通過對(duì)燃料元件中某些裂變產(chǎn)物的測量，可以估算出燃料元件的燃耗深度。從測量方法看一般可分為兩類破壞法測量和非破壞法測量。
破壞法測量是把乏燃料元件進(jìn)行化學(xué)溶解，對(duì)溶解液中的某些裂變核素進(jìn)行放射化學(xué)分析或質(zhì)譜儀分析來確定燃耗深度。破壞法測量具有直接性的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，但該方法測量過程中工作人員所受照射量大、測量程序復(fù)雜、工作難度大、分析周期長、對(duì)環(huán)境要求高、分析成本高，通常用作乏燃料元件測量的輔助性手段。
非破壞性測量通常是直接用γ譜儀測量裂變產(chǎn)物中的某種核素與燃耗深度相關(guān)的γ射線來確定燃耗深度。非破壞性測量原理清晰、操作方便、結(jié)果可靠，得到了廣泛的應(yīng)用。其不破壞燃料組件的特點(diǎn)，顯然適合HTR-10的要求。
國內(nèi)外開發(fā)的燃耗深度測量方法，大部分都是把燃耗與裂變產(chǎn)物聯(lián)系起來。但目前已經(jīng)付諸使用的方法，皆不能全面滿足HTR-10對(duì)燃耗深度測量的基本要求，例如(1)用γ譜儀測量短壽命裂變產(chǎn)物的方法。已見諸文獻(xiàn)的有測量140La、154Eu的衰變率(單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的衰變次數(shù))等。由于上述核素壽命短，造成其衰變率不僅與輻射的具體歷史(如堆的功率漲落、燃料元件各次通過堆芯時(shí)在不同的徑向區(qū)等)有關(guān)，而且還強(qiáng)烈依賴于冷卻時(shí)間，使得測定的量與燃耗的關(guān)系復(fù)雜化，不能直接表達(dá)燃耗深度值；(2)化學(xué)(分離出特定的裂變產(chǎn)物)類的測定方法。該類方法通常需要對(duì)燃料元件進(jìn)行破壞性測量，不滿足非破壞性測量和在線、實(shí)時(shí)的要求；(3)中子測量的方法。該類方法或需要外加252Cf中子源，或裂變產(chǎn)物244Cm所發(fā)射的中子數(shù)量少；此外，在單個(gè)燃料元件所鈾富集度較低的情況下，還會(huì)引入過大的誤差；同時(shí)，僅當(dāng)冷卻時(shí)間大于1.5年后，244Cm才成為主要的中子發(fā)射體。因此，該類方法很難滿足及時(shí)、準(zhǔn)確的基本要求。

發(fā)明內(nèi)容
為滿足HTR-10對(duì)燃耗深度測量的要求，本發(fā)明提出一種適合PBMHTGR燃料元件燃耗深度測量的非破壞性方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的方案是以高純鍺γ能譜儀、鎢準(zhǔn)直器、可編程控制器(OMRON C200HS)為核心系統(tǒng)設(shè)備，組成燃耗深度測量及其控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，如圖3所示；同時(shí)采用REXX腳本語言編制自動(dòng)測量軟件，以此作為控制和測量軟件環(huán)境設(shè)計(jì)在線自動(dòng)測量流程；上述硬軟件系統(tǒng)加以配合能夠?qū)崿F(xiàn)燃耗深度在線測量過程。
原理上，本方法采用高分辨γ譜儀測量裂變產(chǎn)物中137Cs在衰變過程中所發(fā)射的0.661642MeV的γ射線的方法來計(jì)算燃料元件燃耗深度。裂變產(chǎn)物中137Cs的總量為 式中t1為輻照結(jié)束后的冷卻時(shí)間；
Y7為137Cs在總裂變產(chǎn)物中所占的份額；λ7為137Cs的蛻變常數(shù)。
由式(1)可知，式(2)所表示的137Cs總量是正比于燃耗深度的，其比例系數(shù)是已知的常數(shù)。而137Cs的總量可以通過測量137Cs放出的γ射線(例如能量為0.661642MeV的γ射線)的速率來確定，即對(duì)137Cs的探測率為 式中f為球狀源內(nèi)的自吸收修正因子；Ω為通過鎢準(zhǔn)直器后，能譜儀探測器對(duì)放射源所張的立體角；ε為能譜儀探測器對(duì)能量為0.661642MeV的γ射線的探測效率；RI7為能量為0.661642MeV的γ射線占137Cs衰變的相對(duì)份額。
本發(fā)明的特征在于所述方法依次含有以下步驟步驟(1).初始化在上位機(jī)中安裝Genie 2000頻譜處理軟件，并啟動(dòng)燃耗深度自動(dòng)測量REKX程序；步驟(2).燃料元件在堆芯內(nèi)經(jīng)過輻照后，經(jīng)單列器流至堆芯下部的卸料管內(nèi)，經(jīng)約40天的冷卻；步驟(3).可編程邏輯控制器在確認(rèn)完成上一次提升操作后，發(fā)出指令啟動(dòng)碎球分離器，將當(dāng)前燃料元件經(jīng)碎球分選后送至提升器接球位；步驟(4).該可編程邏輯控制器控制控制提升器把燃料元件從接球位送至提升位，使燃料元件與準(zhǔn)直器處于同一軸線上；步驟(5).可編程邏輯控制器向上位機(jī)發(fā)出計(jì)數(shù)開始指令，在該上位機(jī)控制下，完成下述測量流程當(dāng)前燃料元件中由于裂變產(chǎn)生的核素在衰變過程中發(fā)出的γ射線經(jīng)準(zhǔn)直器限定的立體角，到達(dá)能譜儀中的高純鍺晶體，產(chǎn)生電離效應(yīng)；在偏置高壓電源作用下，被能譜儀的前置放大器的輸入端收集成電荷脈沖，經(jīng)放大后成電壓脈沖，并具有低的輸出阻抗；經(jīng)過長電纜到能譜儀的主放大器繼續(xù)放大為約10V的正脈沖信號(hào)；進(jìn)入能譜儀的多道脈沖幅度分析器，按照脈沖高度分組；將按脈沖高度分組后的脈沖幅度譜送至上位機(jī)進(jìn)行包括死時(shí)間修正、扣除本底在內(nèi)的處理，最終得到137Cs在衰變過程中所發(fā)射的0.661642MeV的γ射線在60s內(nèi)的計(jì)數(shù)率，用R7表示；R7與燃耗(正比于輻照時(shí)間T)的關(guān)系由下式計(jì)算 其中，f為球狀源內(nèi)的自吸收修正因子；Ω為通過鎢準(zhǔn)直器后，能譜儀探測器對(duì)放射源所張的立體角；ε為能譜儀探測器對(duì)能量為0.661642MeV的γ射線的探測效率；RI7為能量為0.661642MeV的γ射線占137Cs衰變的相對(duì)份額；Y7為137Cs在總裂變產(chǎn)物中所占的份額；V球?yàn)槿剂显捏w積；Φ為熱中子通量，等于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入以空間某點(diǎn)為中心的適當(dāng)小球體的熱中子數(shù)；λ7為137Cs的蛻變常數(shù)；T為燃料元件在堆芯的輻照時(shí)間；t1為輻照結(jié)束后的冷卻時(shí)間；∑f為235U的宏觀裂變截面，等于σf與鈾單位體積內(nèi)原子核數(shù)的乘積，該σf為235U的微觀裂變截面，等于單位面積有一個(gè)原子核時(shí)入射一個(gè)粒子發(fā)生核裂變的概率；步驟(6).上述測量流程結(jié)束后，得到137Cs在衰變過程中所發(fā)射的0.661642MeV的γ射線在60s內(nèi)的計(jì)數(shù)率R7，將R7與根據(jù)設(shè)定燃耗推算的計(jì)數(shù)率閾值比較，確定是否需要排出堆芯或者返回堆芯繼續(xù)循環(huán)；步驟(7).將測量結(jié)果實(shí)時(shí)存入本地歷史數(shù)據(jù)庫并生成報(bào)告，同時(shí)將燃耗測量結(jié)果送可編程邏輯控制器及主控制系統(tǒng)DCS。
選取這種方法，有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)遵守非破壞性的測量原則；(2)137Cs的半衰期長達(dá)30.2年，可以忽略冷卻時(shí)間的影響，同時(shí)有利于進(jìn)一步與其他核素的分離；(3)137Cs的中子截面(原子核與中子發(fā)生作用的有效截面)小，不會(huì)在堆芯內(nèi)明顯地被中子場消耗掉，因此反應(yīng)堆的運(yùn)行方式及燃料元件的循環(huán)方式不受影響；(4)測量結(jié)果與燃耗深度之間存在單值關(guān)系。



圖1.HTR-10燃料裝卸系統(tǒng)示意圖；1-堆芯；2-單列器；3-手套箱；4-碎球分選器；5-脈沖罐；6-碎燃料罐；7-提升器；8-燃耗深度測量裝置；9-分配器；10-罐蓋封壓機(jī)構(gòu)；11-乏燃料裝運(yùn)罐；12-石墨元件容器；13-接球位；14-提升位；15-卸出位；51-電動(dòng)隔離閥；52-電磁閥；53-計(jì)數(shù)傳感器；54-電磁滑閥；-6-06-新燃料裝料室；-6-09-反應(yīng)堆艙室；-10-03-運(yùn)行氣閥艙室；-15-01-乏燃料儲(chǔ)存庫；-15-07-燃耗測量室；-15-08-燃料裝卸室；圖2.HTR-10反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)；16-控制棒驅(qū)動(dòng)裝置；17-吸收球儲(chǔ)罐；18-氦氣循環(huán)風(fēng)機(jī)；19-熱屏；20-頂反射層；21-冷氦氣聯(lián)箱；22-蒸汽發(fā)生器傳熱管；23-球床堆芯；24-中間換熱器；25-側(cè)反射層；26-堆芯殼；27-反應(yīng)堆壓力殼；28-蒸汽發(fā)生器壓力殼；29-底反射層；30-熱氣導(dǎo)管；31-熱氦氣聯(lián)箱；32-堆內(nèi)構(gòu)件支承結(jié)構(gòu)；33-卸料裝置；34-熱氣導(dǎo)管壓力殼；圖3.燃料裝卸系統(tǒng)燃耗深度測量系統(tǒng)示意圖；35-提升器；36-提升位；37-擋板；38-燃料元件；39-鎢準(zhǔn)直器；40-高純鍺晶體；41-校正源；42-多道脈沖幅度分析器；43-網(wǎng)關(guān)；44-以太網(wǎng)卡；45-以太網(wǎng)卡；46-上位機(jī)；47-RS-232C接口；48-RS-232C接口；49-OMRON C200HS；50-混凝土墻；圖4.燃料裝卸系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖5.Genie 2000軟件系統(tǒng)架構(gòu)；
圖6.燃耗深度在線測量方法流程圖；圖7.Windows操作系統(tǒng)內(nèi)置處理環(huán)境示意圖；圖8.REXX綁定處理環(huán)境示意圖。
具體實(shí)施方式
為實(shí)現(xiàn)上述燃耗深度測量流程，本方法在HTR-10的FCA系統(tǒng)中配備高純鍺γ能譜儀、鎢準(zhǔn)直器、可編程控制器(OMRON C200HS)三種核心系統(tǒng)設(shè)備(1)高純鍺γ能譜儀裂變產(chǎn)物發(fā)出較137Cs強(qiáng)近百倍的γ射線，其成分極為復(fù)雜，且有些γ射線的能量與137Cs譜線極為靠近，因此本方法采用高分辨率的高純鍺γ能譜儀分離137Cs的γ譜線。相關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)如下i)探測器P型高純鍺探測器，垂直放置，許可溫度循環(huán)，探測效率19～20％，探測γ射線的能量范圍為40KeV～10MeV；能量分辨率對(duì)1.33MeV的γ為1.8KeV～1.75KeV；高斯波型FW0.1M/FWHM＝1.85～1.9，F(xiàn)W0.02M/FWHM＝2.40～2.65，峰-康比為50。
ii)多道緩沖器放大器增益4～1000倍，增益溫度系數(shù)＜±0.005％/℃。噪聲等有效輸入＜4.5μVRMS，積分非線性≤±0.025％，反堆積(積分)成形時(shí)間為1μs。
ADC處理時(shí)間＜5μs，計(jì)數(shù)率＞105/s。
數(shù)字穩(wěn)譜，長時(shí)間穩(wěn)定度≤±0.018％，即＜1道/24小時(shí)，道數(shù)為16384，道寬～0.5KeV，有可調(diào)的對(duì)低能甄別的閾。高壓電源±5000V，輸入場效應(yīng)管保護(hù)。
放大器增益、模數(shù)轉(zhuǎn)換的增益、放大器成形時(shí)間、數(shù)字穩(wěn)壓器設(shè)置、零極調(diào)整等參數(shù)調(diào)節(jié)由上位機(jī)控制。
iii)上位機(jī)及處理軟件上位機(jī)CPU采用Pentium 4 3.0GHz，操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 2000 ProfessionalSP4。處理軟件為Genie 2000頻譜軟件系統(tǒng)，功能包括解譜、本底擬合、死時(shí)間修正、計(jì)算峰面積、任意開能窗。
iv)冷卻使用30升的杜瓦瓶或電冷器。
(2)鎢準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器的作用是限制能譜儀探測器對(duì)源所張的立體角，一方面只讓直射射線在其內(nèi)腔通過，即“透明”，并到達(dá)能譜儀探測器(的靈敏區(qū))上；另一方面，則“全部”擋住(即“黑”)任何不進(jìn)入內(nèi)腔的射線，防止其到達(dá)能譜儀探測器。為實(shí)現(xiàn)“透明”，準(zhǔn)直器采用雙圓錐幾何輪廓；為保證“黑”，準(zhǔn)直器采用高密度合金材料WNiFe切削加工完成。
(3)可編程控制器(OMRON C200HS)HTR-10總體設(shè)計(jì)對(duì)燃耗深度測量系統(tǒng)提出的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)儀器的要求，對(duì)其控制系統(tǒng)的要求更為嚴(yán)格i)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；ii)多角通信、控制與聯(lián)鎖“多角”是指包括反應(yīng)堆主控制系統(tǒng)DCS——FCA系統(tǒng)可編程邏輯控制器——上位機(jī)——高純鍺γ能譜儀；iii)較高的現(xiàn)場信號(hào)傳輸率；iv)較遠(yuǎn)的現(xiàn)場信號(hào)傳輸距離。
FCA系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。本方法將燃耗深度測量系統(tǒng)接入局域網(wǎng)，局域網(wǎng)使用CSMA/CD(載波偵聽多路存取與沖突檢測)技術(shù)的基帶數(shù)字信號(hào)傳輸，傳輸距離達(dá)1000M，傳輸速率達(dá)10兆位/秒，用同軸電纜RG62A/U連接。
本方法中，控制系統(tǒng)采用日本OMRON公司PLC產(chǎn)品C200HS，C200HS是OMRON公司在其小型PLC產(chǎn)品C200H基礎(chǔ)上開發(fā)出來的新型PLC產(chǎn)品。C200H具有模塊化、總線式、高性能的特點(diǎn)，采取緊湊型整體結(jié)構(gòu)。CPU單元為其核心，CPU單元包括系統(tǒng)電源、微處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、控制邏輯、總線接口及其它接口電路等。C200H的I/O系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有的I/O模塊均通過標(biāo)準(zhǔn)的總線SYSBUS與CPU單元連接。最大I/O點(diǎn)數(shù)為480點(diǎn)，支持遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，可將其I/O點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展至1792點(diǎn)，在相同的尺寸中具有最高的I/O密度。C200H適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用靈活。雖然屬于小型PLC，但是提供了許多大型PLC配置的功能，尤其是在處理速度、I/O系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)通信能力及抗干擾能力等方面有著杰出的表現(xiàn)。C200HS的性能與C200H相比有很多改進(jìn)，但在結(jié)構(gòu)、工作方式以及指令系統(tǒng)、I/O單元等方面仍與C200H保持一致，使得C200HS與C200H具有良好的兼容特性。
C200HS的基本組成及本方法選配模塊·提供系統(tǒng)總線和模塊插槽的安裝機(jī)架(母板)；·CPU單元；·用戶存儲(chǔ)器單元；·手持式編程器；·基本I/O單元；·位控單元NC111位置控制單元是C200HS PLC的特殊功能I/O單元之一，是專用于位置控制的智能單元。位控單元適用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或脈沖輸入的伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，一方面可以獨(dú)立地進(jìn)行脈沖輸出以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)被控點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，另一方面可以接受PLC發(fā)送的控制指令和控制參數(shù)，完成相應(yīng)的控制動(dòng)作，并將結(jié)果和狀態(tài)信息返回給PLC。其中NC111用于單坐標(biāo)控制，本方法采用NC111作為提升器位置控制單元。
·通信模塊在完成測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)HTR-10中FCA系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及分系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程，本方法對(duì)FCA系統(tǒng)運(yùn)行邏輯關(guān)系做出優(yōu)化，設(shè)計(jì)燃耗深度在線自動(dòng)測量軟件，實(shí)現(xiàn)燃耗深度測量過程的自動(dòng)運(yùn)行及測量結(jié)果的自動(dòng)建庫。一方面減少由于人為因素造成誤操作的可能，另一方面提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率和可靠性。
燃耗深度自動(dòng)測量軟件運(yùn)行于上位機(jī)，該軟件系基于Genie 2000頻譜軟件系統(tǒng)提供的開發(fā)工具包，采用REXX腳本語言在上位機(jī)上開發(fā)完成。Genie 2000是專用于多通道光譜采集與分析(Multichannel Analyzers，MCA)的綜合核測工具集，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。除具備MCA控制、譜線顯示與調(diào)節(jié)、常規(guī)分析與報(bào)告等標(biāo)準(zhǔn)功能外，Genie 2000還提供對(duì)α和γ譜儀的綜合譜線分析、品質(zhì)保障及對(duì)特殊專業(yè)應(yīng)用的整體支持方案。
Genie 2000軟件系統(tǒng)的核心是虛擬數(shù)據(jù)管理器(Virtual Data Manager，VDM)模塊，VDM的任務(wù)是管理該系統(tǒng)內(nèi)的全部信息流，完成與數(shù)據(jù)文件與MCA設(shè)備之間的通信。用戶層應(yīng)用軟件通過內(nèi)部處理通信(Inter Process Communication，IPC)層與VDM實(shí)現(xiàn)通信，IPC提供對(duì)單機(jī)和網(wǎng)絡(luò)用戶的支持，用戶結(jié)合自己的需要可以分別通過操作系統(tǒng)內(nèi)置處理環(huán)境或綁定處理環(huán)境進(jìn)行分析，兩種處理環(huán)境基于相同的計(jì)算模塊。
REXX語言誕生于IBM英國科學(xué)中心，最初用于IBM公司通用虛擬機(jī)(Virtual Machine，VM)操作系統(tǒng)的對(duì)話式監(jiān)控系統(tǒng)(Conversation Monitor System，CMS)部件，其設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)是希望參照PL/I語言開發(fā)出比其更易用的解釋性語言，以克服當(dāng)時(shí)IBM命令語言存在的不足。MS Windows操作系統(tǒng)關(guān)聯(lián)MS-DOS為基本指令處理環(huán)境，如圖7所示。不可否認(rèn)，DOS在交互性、計(jì)算能力、邏輯處理、分支等方面不能表現(xiàn)出令人滿意的性能。作為“指令過濾器”，REXX將Windows自身能夠運(yùn)行的指令直接交給系統(tǒng)指令處理器，而REXX語法指令則由REXX指令處理器解釋為Windows能夠運(yùn)行的指令再下傳給操作系統(tǒng)處理，如圖8所示。S561(Genie 2000綁定程序支持模塊)作為Genie 2000軟件系統(tǒng)龐大的應(yīng)用軟件包中的可選部分，為高級(jí)自動(dòng)流程開發(fā)提供了REXX腳本命令處理器。因此，本方法采用REXX腳本語言編制ASCII命令文件定制燃耗深度自動(dòng)測量流程。
燃耗深度自動(dòng)測量流程如圖6所示(1)燃耗深度測量進(jìn)程(以下簡稱“測量進(jìn)程”)初始化；(2)測量進(jìn)程進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，等待可編程邏輯控制器燃耗深度測量指令(以下簡稱“燃測指令”)；(3)提升器在接球位接燃料元件后，將燃料元件送至提升位；
(4)提升器達(dá)到接球位后，可編程邏輯控制器提示運(yùn)行人員當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)為“允許燃耗深度測量”，并通過通信接口向測量進(jìn)程發(fā)送燃測指令；(5)接收到指令后，測量進(jìn)程根據(jù)初始化過程預(yù)置的采集、分析算法和參數(shù)，計(jì)算規(guī)定時(shí)間內(nèi)137Cs衰變過程中所發(fā)射的0.661642MeV的γ射線的計(jì)數(shù)率，并實(shí)時(shí)顯示測量過程；(6)測量分析過程結(jié)束后，測量進(jìn)程在本地自動(dòng)保存當(dāng)前燃料元件的測量結(jié)果，數(shù)據(jù)文件格式為.cnf文件；(7)根據(jù)測量結(jié)果，測量進(jìn)程通過通信接口向可編程邏輯控制器傳送測量結(jié)果；(8)可編程邏輯控制器接收到測量結(jié)果后，提示運(yùn)行人員當(dāng)前測量元件類型(燃料元件、乏燃料元件、石墨球)，并根據(jù)不同類型元件的處理命令進(jìn)行相應(yīng)操作(提升到堆芯、卸出)；(9)可編程邏輯控制器確認(rèn)對(duì)當(dāng)前元件球的提升或卸出操作完成后，重置燃耗深度測量結(jié)果信號(hào)為初始狀態(tài)，進(jìn)程返回步驟(2)繼續(xù)監(jiān)聽可編程邏輯控制器指令，準(zhǔn)備下一次燃耗測量。
權(quán)利要求
1.球床型模塊式高溫氣冷堆燃料元件燃耗深度在線測量方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步驟步驟(1).初始化在上位機(jī)中安裝Genie 2000頻譜處理軟件，并啟動(dòng)燃耗深度自動(dòng)測量REXX程序；步驟(2).燃料元件在堆芯內(nèi)經(jīng)過輻照后，經(jīng)單列器流至堆芯下部的卸料管內(nèi)，經(jīng)約40天的冷卻；步驟(3).可編程邏輯控制器在確認(rèn)完成上一次提升操作后，發(fā)出指令啟動(dòng)碎球分離器，將當(dāng)前燃料元件經(jīng)碎球分選后送至提升器接球位；步驟(4).該可編程邏輯控制器控制提升器把燃料元件從接球位送至提升位，使燃料元件與準(zhǔn)直器處于同一軸線上；步驟(5).該可編程邏輯控制器向上位機(jī)發(fā)出計(jì)數(shù)開始指令，在該上位機(jī)控制下，完成下述測量流程當(dāng)前燃料元件中由于裂變產(chǎn)生的核素在衰變過程中發(fā)出的γ射線經(jīng)準(zhǔn)直器限定的立體角，到達(dá)能譜儀中的高純鍺晶體，產(chǎn)生電離效應(yīng)；在偏置高壓電源作用下，被能譜儀的前置放大器的輸入端收集成電荷脈沖，經(jīng)放大后成電壓脈沖，并具有低的輸出阻抗；經(jīng)過長電纜到能譜儀的主放大器繼續(xù)放大為約10V的正脈沖信號(hào)；進(jìn)入能譜儀的多道脈沖幅度分析器，按照脈沖高度分組；將按脈沖高度分組后的脈沖幅度譜送至上位機(jī)進(jìn)行包括死時(shí)間修正、扣除本底在內(nèi)的處理，最終得到137Cs在衰變過程中所發(fā)射的0.661642MeV的γ射線在60s內(nèi)的計(jì)數(shù)率，用R7表示；R7與燃耗的關(guān)系由下式計(jì)算，燃耗正比于輻照時(shí)間T 其中，f為球狀源內(nèi)的自吸收修正因子；Ω為通過鎢準(zhǔn)直器后，能譜儀探測器對(duì)放射源所張的立體角；ε為能譜儀探測器對(duì)能量為0.661642MeV的γ射線的探測效率；RI7為能量為0.661642MeV的γ射線占137Cs衰變的相對(duì)份額；Y7為137Cs在總裂變產(chǎn)物中所占的份額；V球?yàn)槿剂显捏w積；Φ為熱中子通量，等于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入以空間某點(diǎn)為中心的適當(dāng)小球體的熱中子數(shù)；λ7為137Cs的蛻變常數(shù)；T為燃料元件在堆芯的輻照時(shí)間；t1為輻照結(jié)束后的冷卻時(shí)間；∑f為235U的宏觀裂變截面，等于σf與鈾單位體積內(nèi)原子核數(shù)的乘積，該σf為235U的微觀裂變截面，等于單位面積有一個(gè)原子核時(shí)入射一個(gè)粒子發(fā)生核裂變的概率；步驟(6).上述測量流程結(jié)束后，得到137Cs在衰變過程中所發(fā)射的0.661642MeV的γ射線在60s內(nèi)的計(jì)數(shù)率R7，將R7與根據(jù)設(shè)定燃耗推算的計(jì)數(shù)率閾值比較，確定是否需要排出堆芯或者返回堆芯繼續(xù)循環(huán)；步驟(7).將測量結(jié)果實(shí)時(shí)存入本地歷史數(shù)據(jù)庫并生成報(bào)告，同時(shí)將燃耗測量結(jié)果送可編程邏輯控制器及主控制系統(tǒng)DCS。
專利摘要
本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆測試技術(shù)領(lǐng)域：
，其特征在于依次含有以下步驟上位機(jī)啟動(dòng)燃耗深度測量程序；燃料元件經(jīng)過輻射、冷卻；可編程邏輯控制器控制將燃料元件送到同準(zhǔn)直器處于同一軸線的提升位；可編程邏輯控制器通知上位機(jī)進(jìn)行測量；高純鍺γ能譜儀測量裂變產(chǎn)物中
文檔編號(hào)G21C17/06GKCN1866408SQ200610012145
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年6月7日
發(fā)明者馬濤, 胡守印, 梁錫華, 黃鵬 申請(qǐng)人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan