一种浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测方法及系统与流程

1.本发明涉及核动力装置工艺辐射监测技术领域，具体涉及一种浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测方法及系统。


背景技术：

2.浮动式核电厂工艺辐射监测系统主要包括反应堆燃料元件破损监测、蒸汽发生器泄漏监测、设备冷却水放射性监测、余热排出冷却剂泄漏监测等通道，其中反应堆燃料元件破损监测系统主要功能是通过监测反应堆冷却剂的辐射水平来判断堆内燃料元件是否发生破损，提示操作人员采取措施，限制事故的进一步发展。当反应堆燃料破损时，大量裂变产物、缓发中子将进入冷却剂，一回路冷却剂中总γ放射性、缓发中子水平将持续上升，目前燃料破损监测主要有缓发中子监测、冷却剂总γ监测等，但缓发中子探测装置由于测量单元容易受环境因素影响，前级放大电路不稳定，容易产生自激，造成误报警。而在总γ监测时，由于一回路冷却剂总γ监测体现了回路中放射性的总体水平，既包含裂变产物，也包含腐蚀活化产物，在出现总γ偏高时，无法准确判断是裂变产物还是腐蚀活化产物引起的，另外冷却剂中腐蚀活化产物容易沉积在γ探头蛇形管中，引起γ放射性水平增加，导致误报警。当出现报警时，需要进一步做取样实验室分析确定是否燃料破损引起的，所以无法及时发现燃料元件破损状况，且一回路取样操作较麻烦，在取样时容易造成取样间气载放射性上升并报警。总体而言，目前的燃料破损监测系统无法满足实时监测的要求，亟需进行改进提升。
3.为了解决目前燃料元件破损监测存在的问题，本发明将燃料元件破损监测系统设置3个监测道，包括一回路总γ监测、典型核素监测和缓发中子监测，主要包括缓发中子探测装置、总γ探测装置、典型核素探测装置、信号处理箱、取样回路、流量计、反冲管路等部件，其中探测装置包含探测器、屏蔽体、慢化体、蛇形管等。信号处理箱具有信号放大、处理、显示报警以及通讯等功能，另外燃料破损分析软件能够对一回路冷却剂中总γ、缓发中子、多种典型核素进行分析和显示，可通过上述三个独立监测装置实现对冷却剂中放射性活度水平监测来科学判断燃料元件是否发生真实破损，并计算破损量。若发现燃料破损时，则基于动态阈值及时报警，并跟踪分析燃料元件的破损状态及变化趋势。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：传统的反应堆燃料元件破损监测方法容易受环境因素影响，产生自激造成误报警，且监测系统取样操作麻烦，难以分析确定报警信息是否为燃料破损引起的；本发明目的在于提供一种浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测方法，通过在线测量第一特征量和第二特征量，通过根据第一特征量和第二特征量进行破损判断实现对一回路冷却剂中总γ、缓发中子、典型核素的监测，通过反应堆作为第一特征量结合三种第二特征量互相补充验证破损判断，判断出反应堆燃料是否发生破损，提高了报警准确率；同时本发明还提供一种浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测系统，优化测量模块
设计，简化监测流程，提高破损发现的响应时间。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.本方案提供一种浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测方法，包括：
7.(1)在浮动式核电厂反应堆运行时，实时测量反应堆的第一特征量和第二特征量；
8.所述第一特征量包括反应堆的功率水平p；所述第二特征量包括反应堆一回路冷却剂中缓发中子水平、放射性核素水平和总γ辐射水平；
9.(2)基于第一特征量的状态，对第二特征量进行破损判断，并对破损判断结果进行相应的告警。
10.本方案工作原理：传统的反应堆燃料元件破损监测方法容易受环境因素影响，产生自激造成误报警，且监测系统取样操作麻烦，难以分析确定报警信息是否为燃料破损引起的；本方案提供一种浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测方法，通过在线测量第一特征量和第二特征量，通过根据第一特征量和第二特征量进行破损判断实现对一回路冷却剂中总γ、缓发中子、典型核素的监测，通过反应堆作为第一特征量结合三种第二特征量互相补充验证破损判断，判断出反应堆燃料是否发生破损，提高了报警准确率。
11.进一步优化方案为，所述破损判断包括以下过程：
12.当反应堆的功率水平p小于20％或反应堆在停堆状态时，在总γ辐射水平超出阈值时发出燃料元件破损告警信号；
13.当反应堆的功率水平p在20％～100％时，在满足条件a、条件b和条件c任意两项时发出燃料元件破损告警信号；
14.条件a：总γ辐射水平超出γ辐射阈值；
15.条件b：放射性核素水平超出对应放射性核素阈值；
16.条件c：缓发中子水平超出缓发中子阈值。
17.传统的方法会要求反应堆在一定的功率范围内监测才有效，在反应堆冷停堆状态或100％满功率状态就无法适用；本方案提供的方法，其量程覆盖全部功率的测量范围，能够满足反应堆从冷停堆水平到100％满功率的监测需求；且本方案通过第一特征量结合三种第二特征量互相补充验证破损判断反应堆燃料破损与否，根据反应堆不同的功率水平，确定判断依据，能够在反应堆不同的状态下，准确作出判断，及时、准确地发现燃料破损发现场，并实时提供有效的破损率。
18.进一步优化方案为，所述放射性核素包括：xe-133、xe-135、kr-87、kr-88、i-131、i-132、i-133、i-134、i-135中的任意一种。
19.本方案还提供一种浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测系统，用于实现上述方案所述的方法，包括：测量模块、判断模块和告警模块；
20.所述测量模块用于在浮动式核电厂反应堆运行时，实时测量反应堆的第一特征量和第二特征量；所述第一特征量包括反应堆的功率水平p；所述第二特征量包括反应堆一回路冷却剂中缓发中子水平、放射性核素水平和总γ辐射水平；
21.所述判断模块用于基于第一特征量的状态，对第二特征量进行破损判断；所述告警模块用于对破损判断结果进行相应的告警。
22.进一步优化方案为，所述测量模块包括：取样管路、反冲管路和测量管路；所述测量管路包括第一测量管路和第二测量管路，第一测量管路串连有缓发中子探测装置和总γ
辐射探侧装置，第二测量管路串连有典型核素探测装置；
23.取样管路在反应堆一回路rcv管下端采集取样水，然后分成两条支路：一条接入第一测量管路进行缓发中子探测和总γ辐射探侧，一条接入第二测量管路进行典型核素探测；
24.第一测量管路和第二测量管路输出端接入同一输出管路排出取样水；
25.反冲管路接入第二测量管路与输出管路的接点处。
26.进一步优化方案为，所述取样管路包括：截止阀、电动阀和电磁阀，截止阀、电动阀和电磁阀依次串联。
27.本方案优化取样管路和监测管路设计，串并联组合式管路大大简化系统设计和设备配置的复杂程度。
28.进一步优化方案为，所述缓发中子探测装置包括：3he正比计数管、电荷灵敏前置放大器、聚乙烯慢化体、蛇形管和铅屏蔽体，铅屏蔽体配置在蛇形管外；3he正比计数管实现对取样水中缓发中子的探测；
29.所述总γ探测装置包括双gm计数管，所述双gm计数管置于蛇形管的中心处。
30.进一步优化方案为，还包括延时管，延时管连接在截止阀与反应堆一回路rcv管下端之间用于使取样水的延迟时间小于50s，延时管还连接在缓发中子探测装置和总γ辐射探侧装置之间用于使取样水的延迟时间小于50s。
31.进一步优化方案为，所述典型核素探测装置包括：labr3探测器、sipm光电转换器和多道分析器。
32.进一步优化方案为，典型核素探测装置在配置特定核素匹配优先级的情况下，基于核素库引导的variable-gaussian寻峰方法确定一回路燃料破损裂变产物核素。
33.该方法基于能量峰两端点计算本底的运行模式，对净峰面积的进行估算，并对峰形中心点计算。只需要提供谱数据和全能峰半高宽估量值，该全能峰为核素库中已编辑完成的感兴趣核素，这些核素的半高宽估量值由能谱能量刻度时计算得出，寻峰算法应用简单，计算快速。
34.由于谱结构的复杂和统计涨落的影响，从谱中正确地找到全部存在的峰是比较困难的。尤其是找到位于较高本底上的弱峰，以及分辨出相互靠得很近的重峰。为尽快从复杂谱线中提取出有用峰信息，首先需要进行谱变换。谱变换一般采用线性滤波技术，其目的是减少谱数据的统计涨落，消除本底的影响，突出峰位信息。当谱线经过平滑处理后，交换谱f中每i道的计数值通过式(1)从平滑谱s中获取。
35.fi＝s
i-0.5
×
[s
i+fwhm(i)-s
i-fwhm(i)
]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0036]
其中，fwhm(i)为第i道的刻度半高宽值，fi为变换谱中第i道的计数值，si为平滑谱中第i道的半高宽值。当i＝峰的中心道址，即中心点正好与峰的中心点一致时，过滤后的谱存在一个最大值。如果平滑光谱包含一个峰值，则在该峰的两端均会出现一个最小值，且这些最小值为负值。在经过该滤波处理后，获得的最大幅度峰位道址将会被确认为可能的峰位，该“候选波峰”将会在后续进行二阶求导法寻峰。第二步是进行本底计算方法和初始峰估计，经过匹配滤波器滤波之后的谱数据在峰位两侧有两个负的极小值。可以把这两个极小值所对应的道址作为峰区的边界道址。在峰区内扣除本底方法中，产生误差的一个原因是由于在边界道中计数较低、统计涨落较大，从而造成了通过峰区边界点的本底直线的不
确定性。为了减小这种误差，左右边界道中的谱数据常常采用相邻几道谱数据的平均值，以减小统计涨落的影响，我们将高于和低于峰限值的三点确定为能量峰的本底。我们将高于和低于峰限值的三点确定为能量峰的本底。最后进行峰有效性判定，如果峰不能满足以下公式中的判定方法(如下式)，则在后续判断分析中将不会进行分析；
[0037]
峰有效性判断值
[0038]
σ2background variance为本地计数值方差。
[0039]
传统的监测系统在进行总γ辐射监测时，由于一回路冷却剂总γ辐射监测体现了回路中放射性的总体水平，既包含裂变产物，也包含腐蚀活化产物，在出现总γ偏高时，无法准确判断是裂变产物还是腐蚀活化产物引起的，另外冷却剂中腐蚀活化产物容易沉积在γ探头蛇形管中，引起γ放射性水平增加，导致误报警。当出现报警时，需要进一步做取样实验室分析确定是否燃料破损引起的，所以无法及时发现燃料元件破损状况，且一回路取样操作较麻烦，在取样时容易造成取样间气载放射性上升并报警。本方案中典型核素分析装置采用较高能量分辨率探测器，能够对液体中复杂混合核素的特征γ射线进行精细化测量，可替代传统的取样间离线取样测量方式，避免繁琐的实验室分析过程，能够及时、准确地发现燃料破损发现场，并实时提供有效的破损率。本方案中燃料元件破损监测系统优化取样回路设计，串并联组合式管线大大简化系统设计和设备配置的复杂程度。
[0040]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0041]
本发明提供的一种浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测方法，通过在线测量第一特征量和第二特征量，通过根据第一特征量和第二特征量进行破损判断实现对一回路冷却剂中总γ、缓发中子、典型核素的监测，通过反应堆作为第一特征量结合三种第二特征量互相补充验证破损判断，判断出反应堆燃料是否发生破损，提高了报警准确率。
[0042]
本发明提供的一种浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测系统，优化测量模块设计，简化监测流程，提高破损发现的响应时间。
附图说明
[0043]
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：
[0044]
图1为浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测方法流程示意图；
[0045]
图2为浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测系统结构示意图。
[0046]
附图中标记及对应的零部件名称：
[0047]
1-截止阀，2-电动阀，3-电磁阀，4-延时管，5-流量计，6-典型核素探测装置，7-缓发中子探测装置，8-总γ辐射探测装置。
具体实施方式
[0048]
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。
[0049]
实施例1
[0050]
本实施例提供一种浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测方法，如图1所示，包括：
[0051]
(1)在浮动式核电厂反应堆运行时，实时测量反应堆的第一特征量和第二特征量；
[0052]
所述第一特征量包括反应堆的功率水平p；所述第二特征量包括反应堆一回路冷却剂中缓发中子水平、放射性核素水平和总γ辐射水平；
[0053]
(2)基于第一特征量的状态，对第二特征量进行破损判断，并对破损判断结果进行相应的告警。
[0054]
所述破损判断包括以下过程：
[0055]
当反应堆的功率水平p小于20％或反应堆在停堆状态时，在总γ辐射水平超出阈值时发出燃料元件破损告警信号；
[0056]
当反应堆的功率水平p在20％～100％时，在满足条件a、条件b和条件c任意两项时发出燃料元件破损告警信号；
[0057]
条件a：总γ辐射水平超出γ辐射阈值；
[0058]
条件b：放射性核素水平超出对应放射性核素阈值；
[0059]
条件c：缓发中子水平超出缓发中子阈值。
[0060]
所述放射性核素包括：xe-133、xe-135、kr-87、kr-88、i-131、i-132、i-133、i-134、i-135中的任意一种。
[0061]
实施例2
[0062]
本实施例提供一种浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测系统，用于实现上一实施例所述的方法，包括：测量模块、判断模块和告警模块；
[0063]
所述测量模块用于在浮动式核电厂反应堆运行时，实时测量反应堆的第一特征量和第二特征量；所述第一特征量包括反应堆的功率水平p；所述第二特征量包括反应堆一回路冷却剂中缓发中子水平、放射性核素水平和总γ辐射水平；
[0064]
所述判断模块用于基于第一特征量的状态，对第二特征量进行破损判断；所述告警模块用于对破损判断结果进行相应的告警。
[0065]
如图2所示，测量模块包括：取样管路、反冲管路和测量管路；测量管路包括第一测量管路和第二测量管路，第一测量管路串连有缓发中子探测装置7和总γ辐射探侧装置8，第二测量管路串连有典型核素探测装置6；
[0066]
取样管路在反应堆一回路rcv管下端采集取样水，然后分成两条支路：一条接入第一测量管路进行缓发中子探测和总γ辐射探侧，一条接入第二测量管路进行典型核素探测；
[0067]
第一测量管路和第二测量管路输出端接入同一输出管路排出取样水；输出管路中依次串连一个流量计5、一个电磁阀3和一个截止阀1后排出取样水；
[0068]
浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测系统还包括信号处理单元，信号处理单元由通讯板、多道处理板、电源板、报警信号单元等构成，负责对探测装置脉冲信号的处理和信息报送等。考虑到浮动式核电厂上空间紧张，为节约燃料破损监测系统的体积和重量，将缓发中子探测装置、总γ探测装置、典型核素探测装置的信号处理单元集中在一个机箱内，
既节约了空间，也方便维护管理。
[0069]
反冲管路接入第二测量管路与输出管路的接点处。
[0070]
反冲管路由截止阀、电动阀和管路组成，当取样管内探测器发出异常报警时，打开反冲管路中的截止阀，引入反冲水，通过调节反冲管路中的电动阀，以一定的流量冲洗取样管路和测量管路，保障取样管路和测量管路中不存在放射性物质沉积，减少对特定放射性的测量干扰。
[0071]
所述取样管路包括：截止阀、电动阀和电磁阀，截止阀、电动阀和电磁阀依次串联。
[0072]
为有效测量取样回路中的缓发中子和总γ辐射的放射性，在缓发中子监测装置和总γ监测装置之间配置延迟管；
[0073]
另外还包括调节管路，调节管路由截止阀和电动串连构成，在取样回路进行分解为两个取样支路时，可通过调节管路上的截止阀和电动阀来调节，实现将第一测量管路和第二测量管路其中任何一个测量回路断开而不影响其它通道的测量。
[0074]
所述缓发中子探测装置包括：3he正比计数管、电荷灵敏前置放大器、聚乙烯慢化体、蛇形管和铅屏蔽体，铅屏蔽体配置在蛇形管外；实现对取样水中缓发中子的高灵敏探测；
[0075]
所述总γ探测装置包括双gm计数管，所述双gm计数管置于蛇形管的中心处。
[0076]
还包括延时管，延时管连接在截止阀与反应堆一回路rcv管下端之间用于使取样水的延迟时间小于50s，延时管还连接在缓发中子探测装置和总γ辐射探侧装置之间用于使取样水的延迟时间小于50s。
[0077]
所述典型核素探测装置实现对缓发中子的高灵敏探测，配置labr3探测器(能量分辨率不大于3％)、sipm光电转换器和多道分析器(道数不少于4096道)，同时基于遗传优化算法开发的能谱分析系统，在燃料元件破损特征核素库支持下，能够快速实现对
133
xe、
131
i、
133
i等核素的比活度计算。
[0078]
典型核素探测装置在配置特定核素匹配优先级的情况下，基于核素库引导的variable-gaussian寻峰方法确定一回路燃料破损裂变产物核素。
[0079]
该方法基于能量峰两端点计算本底的运行模式，对净峰面积的进行估算，并对峰形中心点计算。只需要提供谱数据和全能峰半高宽估量值，该全能峰为核素库中已编辑完成的感兴趣核素，这些核素的半高宽估量值由能谱能量刻度时计算得出，寻峰算法应用简单，计算快速。
[0080]
由于谱结构的复杂和统计涨落的影响，从谱中正确地找到全部存在的峰是比较困难的。尤其是找到位于较高本底上的弱峰，以及分辨出相互靠得很近的重峰。为尽快从复杂谱线中提取出有用峰信息，首先需要进行谱变换。谱变换一般采用线性滤波技术，其目的是减少谱数据的统计涨落，消除本底的影响，突出峰位信息。当谱线经过平滑处理后，交换谱f中每i道的计数值通过式(1)从平滑谱s中获取。
[0081]fi
＝s
i-0.5
×
[s
i+fwhm(i)-s
i-fwhm(i)
]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0082]
其中，fwhm(i)为第i道的刻度半高宽值。当i＝峰的中心道址，即中心点正好与峰的中心点一致时，过滤后的谱存在一个最大值。如果平滑光谱包含一个峰值，则在该峰的两端均会出现一个最小值，且这些最小值为负值。在经过该滤波处理后，获得的最大幅度峰位道址将会被确认为可能的峰位，该“候选波峰”将会在后续进行二阶求导法寻峰。第二步是
进行本底计算方法和初始峰估计，经过匹配滤波器滤波之后的谱数据在峰位两侧有两个负的极小值。可以把这两个极小值所对应的道址作为峰区的边界道址。在峰区内扣除本底方法中，产生误差的一个原因是由于在边界道中计数较低、统计涨落较大，从而造成了通过峰区边界点的本底直线的不确定性。为了减小这种误差，左右边界道中的谱数据常常采用相邻几道谱数据的平均值，以减小统计涨落的影响，我们将高于和低于峰限值的三点确定为能量峰的本底。我们将高于和低于峰限值的三点确定为能量峰的本底。最后进行峰有效性判定，如果峰不能满足以下公式中的判定方法(如下式)，则在后续判断分析中将不会进行分析。
[0083][0084]
还包括信号处理箱，信号处理箱具有信号放大、处理、显示报警以及通讯等功能，另外判断模块能够对一回路冷却剂中总γ辐射、缓发中子、多种典型核素进行分析和显示，可通过上述三个独立监测装置实现对冷却剂中放射性活度水平监测来科学判断燃料元件是否发生真实破损，并计算破损量。若发现燃料破损时，则基于动态阈值及时报警，并跟踪分析燃料元件的破损状态及变化趋势。
[0085]
该燃料元件破损监测系统中典型核素分析装置采用较高能量分辨率探测器，可同时实现对液体中低能γ射线的高效探测，可替代取样间离线取样、实验室分析方法，简化监测流程，提高破损发现的响应时间；同时降低了操作、维护人员的工作复杂程度。实现系统和设备的小型化，适用于浮动式核电厂的燃料破损监测系统。
[0086]
实施例3
[0087]
本实施例在上一实施例的基础上，对缓发中子探测装置、缓发中子监测装置和总γ辐射监测装置的性能指标进行限定：
[0088]
(1)典型核素监测装置
[0089]
a)测量范围：50bq/l～108bq/l；
[0090]
b)能量范围：50kev～7mev；
[0091]
c)相对探测效率：不小于30％。
[0092]
(2)总γ辐射监测装置
[0093]
a)监测对象：总γ辐射；
[0094]
b)测量范围：1
×
102bq/l～107bq/l；
[0095]
c)能量范围：80kev～3mev；
[0096]
d)相对误差：
±
20％。
[0097]
(3)缓发中子监测装置
[0098]
a)监测对象：缓发中子；
[0099]
b)测量范围：0.1cps～1
×
103cps；
[0100]
c)能量范围：50kev～2mev；
[0101]
d)相对误差：
±
20％。
[0102]
以上实施例提供的浮动式核电厂反应堆燃料元件破损监测系统，基于取样在线测量方式，配置缓发中子探测装置、总γ辐射探测装置、典型核素探测装置，实现对一回路冷却剂中总γ、缓发中子、典型核素(
133
xe、
131
i、
133
i等)监测，并通过三种方法互相补充验证，
判断反应堆燃料是否发生破损，提高了报警准确率。该燃料元件破损监测系统为一段式，即一种量程覆盖全部测量范围，能够满足反应堆从冷停堆水平到100％满功率的监测需求。同时当测量值超过相应功率下报警预设值时，系统发出声、光报警信号。该燃料元件破损监测系统中典型核素分析装置采用较高能量分辨率探测器，可同时实现对液体中低能γ射线的高效探测，可替代取样间离线取样、实验室分析方法，简化监测流程，提高破损发现的响应时间。同时降低了操作、维护人员的工作复杂程度。实现了系统和设备的小型化，适用于浮动式核电厂的燃料破损监测系统。
[0103]
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。