根据堆芯外检测器电流来准确计算PWR功率的方法和系统

本发明涉及利用堆芯外检测器系统来确定压水反应堆(PWR)的在线 堆全堆芯功率输出的方法和设备，以及对堆芯中三维功率分布和冷却剂密 度的改变所进行的校正。

PWR中的反应堆热功率水平的正式确定，是根据蒸汽发生器(S/G) 上的热平衡而进行的，这被称为二级量热测量。量热计算的结果被用来检 验反应堆是否正在核准的反应堆功率水平限度之内运行，并用来校准反应 堆功率水平的其他表示。

这种量热计算是离线进行的。反应堆功率水平的其他表示，诸如堆芯 外检测器信号电平和RCS环路温度显示值，是按照该量热而定期进行校准 的，并被用来向反应堆控制和保护系统提供在线反应堆功率水平输入。不 幸的是，反应堆热功率水平计算中的误差造成了反应堆功率的所有其他表 示的误差。目前，还没有方便的方式来检测并校正反应堆热功率计算中的 小的误差。

热平衡计算的主要部分，是进入S/G的供水的流量。流量的幅度通常 是利用安装在各个S/G的主供水管线中的流量文氏管来确定。该供水文氏 管流量读数受到系统和随机误差的影响，这导致了错误的反应堆功率水平 计算结果。最经常的系统误差，供水文氏管变脏，使得计算出的反应堆功 率比实际的反应堆功率水平大，因而需要净减小实际的反应堆功率以把视 在功率保持在运行限度之内。因而电厂产生的电输出量减小了， 而减小 了电力公司总收入。

因此，需要一种改进的方法和设备，用于对反应堆功率进行在线测 量，而不受热功率测量中的随机误差的影响。

还需要一种方法和设备，用于对供水文氏管变脏引起的反应堆功率量 热计算中的误差或其他类型的系统量热误差源进行校正。

本发明满足了这些和其他的需要，并涉及一种方法和设备：利用反应 堆堆芯中的三维功率分布的改变和冷却剂密度的改变而校正的堆芯外检测 器信号来对PWR功率进行在线确定。

已经发现，供水文氏管变脏是这样一种现象，即它倾向在燃料循环中 随着反应堆运行时间而增大。在该循环的早期里进行的热功率计算倾向于 比较不受文氏管变脏效应的影响，因而倾向于比较准确，从而使有关的功 率显示的功率校准相应地准确。为了在没有准确的热功率测量的情况下保 持堆芯外检测器给出的功率校准的准确性，需要能够对堆芯外检测器信号 的改变进行归一化-这些改变是由于堆芯的径向和轴向功率分布的改变而 造成的，而后一改变是在进行了最近一次准确的热功率测量之后发生的。 还需要校正冷却剂密度的改变对显示的功率的影响，而这种改变是当反应 堆入口温度改变时发生的。本发明涉及一种方法和系统，该方法和系统能 够使来自堆芯外检测器的信号被用作以绝对方式确定反应堆功率的独立手 段。实际上，根据本发明而从堆芯外检测器产生的功率测量，可被用来确 定热功率测量的准确性，并在需要时对热功率测量进行校正。

根据本发明，通过用反应堆循环的早期-此时热反应堆功率测量还是 准确的-的基准时间所进行的反应堆热功率计算，对检测器电流测量进行 校准，可使堆芯外检测器电流测量用于产生绝对的反应堆功率。在基准时 间还对三维堆芯功率分布和堆芯入口温度分布进行测量。因此，通过测量 当前的堆芯外检测器电流、最近的三维堆芯功率分布和当前的堆芯入口温 度，可进行当前堆芯功率测量。然后，按照当前检测器电流与基准时间 的检测器电流的比值乘以基准时间的反应堆热功率测量值，计算当前堆芯 功率。随后，该乘积由于从在基准时间测量了这些参数以来三维功率分布 和堆芯入口温度的改变而受到了校正。由于通常的PWR堆芯外检测器系统 包括多个堆芯外检测器-通常是四个等间隔地设置在反应堆容器周围的堆 芯外检测器，且其中每一个都包括一个顶检测器部分和一个底检测器部 分，故当前堆芯功率确定是对于各个检测器的每一个检测器部分进行的， 从而其结果得到了平均，得以确定当前堆芯功率。

该三维功率分布可借助一种堆芯内检测器系统而得到测量，该系统可 以或者采用固定的堆芯内检测器或者采用可移动的堆芯内检测器系统。在 前一种情况下，三维堆芯功率分布能够以例如每一分钟一次连续反复地得 到测量。该三维功率分布还可以借助在美国专利第4,774,049号中描 述的系统而产生，该专利利用入口温度和来自测量堆芯出口温度的热耦特 性曲线的读数，在线地计算三维堆芯功率分布。

本发明提供了一种简化的装置，用于为冷却剂密度的改变而校正堆芯 外测量。该校正因子是一个指数项-其中当前堆芯入口温度与基准时间的 堆芯入口温度之差被乘以一个常数。该常数是在两个不同的温度(最好在 反应堆启动期间里)下经验地确定的。

借助本发明，只需要对热反应堆功率进行单独的测量。在基准时间- 此时用于测量供水流量以进行量热计算的供水文氏管还未受遮挡且热反应 堆功率计算还是准确的-进行单独的计算。本发明包括用于绝对地确定堆 芯外检测器反应堆功率的方法和设备。

从以下结合附图对最佳实施例的描述，可以获得对本发明的全面理 解；在附图中：

图1是包含本发明的PWR的示意图。

图2显示了在图1所示的PWR中总检测器电流与加权组件功率之间的 关系曲线。

图3显示了用于产生图2的相互关系曲线的相对组件功率加权因子 图。

图4和5是功率监测系统为了监测PWR产生的功率而采用的程序的流 程图。

图1显示了一个核发电厂1-其中核蒸汽供应系统(NSSS)3提供 驱动涡轮发电机5的蒸汽，以产生电力。NSSS 3具有一个压水反应堆 (PWR)7-它包括容纳在反应堆容器11中的一个反应堆堆芯9。堆芯 9中的裂变反应产生热量，该热量被通过堆芯的反应堆冷却剂即轻水所吸 收。受热的冷却剂通过一个热支管13而循环至一个蒸汽发生器15。反 应堆冷却剂借助一个反应堆冷却剂泵(RCP)17而从蒸汽发生器通过一 个冷支管19返回到反应堆3。通常，PWR具有至少2个且经常是3或4 个蒸汽发生器15-其中每一个都通过热支管13而获得被加热的冷却剂， 而热支管13与冷支管和一个RCP 17形成了一个主回路，且每一个蒸汽 发生器15都向涡轮发电机5提供蒸汽。为了明确起见，只显示了一个回路。

返回到反应堆的冷却剂向下流过一个环形下水管18并随后向上沿着 图1中的箭头所示的方向流过堆芯9。堆芯9的反应性，因而反应堆的输 出功率，在短期里由控制棒20控制，而控制棒20可以被有选择地插入堆 芯9。长期的反应性通过控制诸如溶解在冷却剂中的硼的中子减速剂的浓 度而得到调节。由于冷却剂在整个堆芯中循环流动，因而硼浓度的调节对 整个堆芯范围内的反应性的影响是均匀的。另一方面，控制棒20影响着局 部的反应性，因而在堆芯9中产生了非对称的轴向和径向功率分布。

堆芯9中的条件由几个不同的检测器系统进行监测。这些包括测量从 反应堆容器逃出的中子通量的堆芯外检测器系统21。该堆芯外系统21包 括当反应堆被关闭时使用的源区段检测器(未显示)、在启动和关闭期间 使用的中间区段检测器(也未显示)、以及当反应堆在约5％功率之上时 使用的功率区段检测器。该功率区段堆芯外检测器包括顶部和底部等长度 未补偿离子腔21t和21b-这两个腔都在顶部互相重叠以形成一个功率区 段堆堆芯外检测器通道。有四个功率区段检测器通道(图1中只显示了两 个)，且它们沿着径向和轴向对称地被设置在反应堆容器11之外。

较早的PWR带有可移动堆芯内检测器系统23。该系统包括可移动检 测器25-它们通过管27而被插入反应堆堆芯中。这些可移动检测器25被 系统23用于描绘堆芯9中的轴向和径向功率分布。

较新的PWR带有固定且成串的堆芯内检测器29，用于取代或在某些 情况下附加于可移动堆芯内检测器系统23。可移动堆芯内检测器系统23 只是定期得到使用，诸如一个月一次。另一方面，固定的堆芯内检测器使 得能够对堆芯内的轴向和径向功率分布进行例如每几分钟一次的连续描 绘。

与本发明有关的仪器设备，还包括测量堆芯入口温度的电阻温度检测 器(RTD)31。RTD 31被设置在多环路系统的每一个环路上。在反应 堆堆芯的顶部上分布有堆芯出口热耦(TC)33，以测量堆芯出口温度。 这些堆芯出口温度可被诸如在美国专利第4,774,050中描述的系统所 利用-该专利在此被作为参考文献，并用作确定堆芯的轴向和径向功率分 布的另一种手段。

功率区段堆芯外检测器系统21的各个通道的检测器21t和21b所测量 的电流、RTD31测量到的入口温度以及可移动检测器系统23的输出以及 热耦33测量到的堆芯出口温度，都被提供给功率监测系统35，而功率监 测系统35以如下所述的方式提供了对堆芯功率的绝对测量。系统35所产 生的堆芯功率信号，能够以已知的方式被用于反应堆控制和保护系统中。

在通过反应堆堆芯9时得到加热的反应堆冷却剂，经过热支管13而被 传送至蒸汽发生器15-在热力学它把通过供水系统37而传送来的供水转 换成蒸汽，而这些蒸汽经过蒸汽管线39而被传送到涡轮发电机5。至蒸汽 发生器15的供水流量由文氏管41测量。

如上所述，用于核准目的的、能够由PWR7产生的功率，是借助由包 括文氏管41测量到的供水流量的诸参数而计算出的热量测量，而得到确 定的。只是这种文氏管41随着时间的变脏，造成了上述的热功率计算误 差。

根据本发明，只有在文氏管41没有变脏时的基准时间或者在热功率被 已知为准确的其他时间里所获得的热功率测量，被用来校准功率区段堆芯 外检测器功率测量。如上所述，从功率区段堆芯外检测器21t和21b确定 的反应堆功率受到由堆芯轴向和径向功率分布的相对改变所导致的功率显 示偏离的影响，还受到绝对堆芯功率输出偏离所引起的改变的影响。来自 功率区段通道的该显示功率也受到由于容器下水区18中的水的密度改变 以及当容器入口温度改变时发生的燃料密度改变所引起的误差的影响。为 了利用该功率范围通道来进行绝对的功率显示，必须了解造成堆芯外检测 器电流的非功率水平改变的因素，并对堆芯外检测器信号电平与堆芯功率 水平之间的关系进行补偿。

高度为H的堆芯的功率区段通道中的顶部检测器21t的功率区段堆芯 内检测器电流(It)可被表示如下： $I_t=A_t\exp -\left({\Sigma }_R{d}_t\right){\int }_0^H{W}_t\left(z\right)P_r{P}_{\mathrm{wa}}\left(z\right)\mathrm{dz}----\left(1\right)$ 其中：

At＝与顶部检测器的灵敏度和检测器/堆芯几何形状成比例的参数；

∑R＝在堆芯与检测器之间的材料的有效宏观移出快中子横截面；

dt＝在顶部堆芯外检测器与对检测器测量到的信号有影响的组件之间 的有效距离；

Wt(z)＝描述在堆芯外检测器附近在堆芯轴向位置z处产生的中子 对检测器测量到的总的信号的相对贡献的轴向加权因子；

Pr＝用满功率的比值描述的堆芯相对功率水平，且

Pwa(z)＝在堆芯高度z处的径向加权堆芯相对功率分布。等于相对 组件功率与相应的径向变化加权因子的乘积之和。

需要对此方法的每一个PWR应用建立一个Wt(z)函数。轴向功率 加权因子甚至对于每一个堆芯外检测器通道中的每一个检测器都是唯一 的。这种函数是利用现有技术中已知的屏蔽型中子输运编码来建立的，且 一旦建立就不应该被改变-除非检测器的物理特性或检测器/堆芯的几何特 性改变了。图2中显示了这种函数的一个例子，其中曲线45和47分别表 示了顶部和底部检测器加权因子。

用于获得Pwa(z)的值的径向相对组件功率加权因子不是轴向堆芯 位置的函数。它们是为每一种类型的电厂(例如2个环路、3个环路、4 个环路)，利用与轴向加权因子确定方法类似的方法，而确定的。在图3 中提供了用于4环路电厂的径向加权因子的一个例子。

公式1描述了在反应堆轴向和径向功率分布条件和堆芯功率水平的组 合下将观测到什么堆芯外检测器电流，其中对堆芯中的快中子源与检测器 之间的环境改变给予了直接的考虑。确定堆芯外检测器电流的影响的能 力，使得堆芯外检测器能够以绝对的方式被用于确定反应堆功率水平。确 定At和∑R的值的复杂性，使得公式1几乎没有实际价值。然而，公式1 的形式和方式的确使得能够对堆芯外检测器电流偏离基准条件的改变有比 较直观的确定。这些基准条件可以用以下形式的公式表示： $I_t^R=A_t^R\exp -\left({\Sigma }_R^R{d}_t\right){\int }_0^H{W}_t\left(z\right)P_r^R{P}_{\mathrm{Wa}}^R\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(2\right)$ 其中上角标R表示公式1定义的参数的基准条件值。由于堆芯功率分布和 检测器/堆芯环境条件从基准条件改变而导致的堆芯外检测器电流改变的确 定，使得能够从堆芯外检测器电流准确地确定反应堆功率水平。

为了使记号简单，把公式1和2中的积分部分定义成以下形式： ${\int }_0^H{W}_t\left(z\right)P_r{P}_{\mathrm{wa}}\left(z\right)\mathrm{dz}=P_r{Q}_{\mathrm{wa}}---\left(3\right)$ 和 ${\int }_0^H{W}_t\left(z\right)P_r^R{P}_{\mathrm{wa}}^R\left(z\right)\mathrm{dz}=P_r^R{Q}_{\mathrm{wa}}^R---\left(4\right)$ 其中上角标R表示基准值。

测量到的顶部检测器电流对在基准条件下测量到的检测器电流的比 值，可以被表示如下： $\frac{I_t}{I_t^R}=\left[\frac{A_t}{A_t^R}\right]\left[\frac{P_r}{P_r^R}\right]\left[\frac{Q_{\mathrm{wa}}}{Q_{\mathrm{wa}}^R}\right]\exp \left(({\Sigma }_R^R-{\Sigma }_R)d_t\right)---\left(5\right)$

值At应该与At的基准值相同，除非在基准与现行测量之间的时间间隔 里发生了检测器/堆芯的几何特性或检测器灵敏度改变。因此，A系数在公 式5中将被消掉，且实际的堆芯功率水平可被表示为： $P_r=P_r^R\left[\frac{I_t}{I_t^R}\right]\left[\frac{Q_{\mathrm{wa}}^R}{Q_{\mathrm{wa}}}\right]\exp -\left(({\Sigma }_R^R-{\Sigma }_R)d_t\right)---\left(6\right)$

公式6可利用测量到的有关除了∑R和dt以外的所有参数而直接被解 出。基准值和现行∑R值将具有未在公式6中表示出的温度依赖性。为了 考虑∑R值的这种温度依赖性，可以建立起∑R相对于∑R的基准的简单温 度依赖表示。

假定∑R在可应用范围中随着温度而线性改变，则在堆芯下水管和燃料 区水温度与基准条件发生偏离之后的∑R的值可以用以下公式表示： ${\Sigma }_R={\Sigma }_R^R+\frac{{\partial \Sigma }_R}{\partial T_i}(T_i^R-T_i)---\left(7\right)$ 其中：

Ti＝在位于距堆芯外检测器通道最近处的容器入口中由RTD33测量 到的容器入口温度，且

TiR＝当测量基准条件时出现的Ti值。

将∑R的该表达式代入公式6，得到： $P_r=P_r^R\left[\frac{I_t}{I_t^R}\right]\left[\frac{Q_{\mathrm{wa}}^R}{Q_{\mathrm{wa}}}\right]\exp \left(\frac{{\partial \Sigma }_R}{{\partial T}_i}(T_i^R-T_i)d_t\right)---\left(8\right)$

公式8包含了为下水和燃料区温度变化而补偿堆芯外检测器显示功率 所需的温度校正，但它要直到该公式中的指数部分中的偏微分项和有效距 离项是已知时才能解出。

为了适当地利用公式8来确定准确的补偿堆芯外检测器功率，并不需 要单独或解析地确定公式8中的偏微分和有效距离项。只要确定这些项的 乘积就足够了。就指数中的该乘积对公式8求解，得到： $d_t\frac{{\partial \Sigma }_R}{\partial T_i}=\frac{1}{\left(T_i^R{-T}_i\right)}\ln \left[\left(\frac{I_t^R}{I_t}\right)\left(\frac{P_t{Q}_{\mathrm{wa}}}{P_r^R{Q}_{\mathrm{wa}}^R}\right)\right]{=K}_t---\left(9\right)$

Kt的值可在反应堆启动测试期间从在两个不同温度和功率水平下的 测量确定，并应该在从一个周期至下一个周期中基本上保持为恒定。四环 路电厂中通常的Kt值为0.012/°F。利用公式9中的Kt定义，公式8变为： $P_r=P_r^R\left[\frac{I_t}{I_t^R}\right]\left[\frac{Q_{\mathrm{wa}}^R}{Q_{\mathrm{wa}}}\right]\exp \left(K_t(T_i^R-T_i)\right)---\left(10\right)$

对各个堆芯外检测器通道中的顶部和底部检测器，都可以建立起公式 10的表示形式。在通道中的底部检测器的公式10中，下角标t被下角标b 所取代。底部检测器需要单独的轴向功率加权因子。所有堆芯外检测器的 补偿相对功率值的平均值，相对于基准条件准确性来说，是能够从堆芯外 检测器获得的堆芯功率的最准确的表示。

图4是确定为温度改变而进行调节用的常数K的程序49的流程图。 K的值是为各个检测器计算出来的。如51所示，首先的步骤是在例如图3 中所示的各个x，y径向堆芯位置j为各个检测器通道i确定径向相对组件 功率加权因子。随后在53对于各个检测器j和各个通道i的径向加权的相 对组件功率，利用诸如图2所示的加权因子，确定出各个测量堆芯轴向间 隔z的轴向加权因子。然后，在55和57确定出在两个不同功率设定值P1 和P2下测量到的反应堆三维功率分布、热功率水平、堆芯外检测器信号以 及容器入口温度。然后，在59，计算出在功率水平P1和P2下各个通道i 的Qwa。最后，在61计算出各个检测器j的常数K。

图5是程序63的流程图，该程序可被堆芯监测系统35中的一个计算 机用来从堆芯外检测器电流确定现行输出功率P。在65用热量测量、每一 个检测器电流、以及各个通道的入口温度，确定堆芯功率的基准值，并把 它们用于确定各个通道的Qwa。程序随后进入一个环65，在其中从堆芯外 检测器定期地确定现行功率。这包括为在67计算出的各个检测器电流计算 相对功率。平均功率随后在69得到确定，并在71作为堆芯外检测器功率 确定而得到输出，以进行功率的各个新的确定。

虽然已经详细描述了本发明的具体实施例，但本领域的技术人员应该 理解的是，在考虑了本公布的总体教导的情况下，可以对这些细节作各种 修正和改变。因而，所公布的具体设置对于本发明的范围来说只是说明性 而非限定性的，而本发明的范围是由所附权利要求及其所有等价描述限定 的。