htr-pm學(xué)習(xí)課件18燃耗測量系統(tǒng)

燃耗測量系統(tǒng)

制作人：王遠(yuǎn)磊華能山東石島灣核電有限公司運(yùn)行部前言■課程基本要求一．燃耗測量相關(guān)知識二.燃耗測量系統(tǒng)綜述三．燃耗測量系統(tǒng)設(shè)備組成四．燃耗測量系統(tǒng)運(yùn)行特性一、燃耗測量相關(guān)知識

1.燃耗測量的意義燃耗是評價(jià)堆物理設(shè)計(jì)、堆功率分布校算、堆安全運(yùn)行、同位素生產(chǎn)、燃料元件制造以及核燃料循環(huán)管理等工作的一個(gè)重要參數(shù)。對于球床高溫氣冷堆，要保證其長期連續(xù)運(yùn)行，必須有一套或多套燃料裝卸系統(tǒng)，在堆運(yùn)行時(shí)，燃料裝卸料系統(tǒng)不斷地把球形燃料元件從堆芯卸出。來自堆芯的燃料元件需要逐個(gè)進(jìn)行在線燃耗測量，將已達(dá)到的預(yù)定燃耗值的燃料元件輸送到乏燃料罐中，燃耗未達(dá)到預(yù)定值的則返回堆芯繼續(xù)燃燒。2.燃耗的定義及單位燃耗也稱為燃耗深度。定義：燃耗深度是裝入堆芯的單位質(zhì)量核燃料所產(chǎn)生的總能量的一種度量。單位：Fima和MWD/tUFima含義為已裂變的原子數(shù)與初始裝料時(shí)的總的重金屬原子數(shù)之比。MWD/tU含義為裝入堆芯內(nèi)每噸鈾所發(fā)出的能量。

Σf-235U的中子宏觀裂變截面σf-235U的微觀裂變截面

V-燃料元件的體積

m-燃料元件中的235U質(zhì)量

Nu-燃料元件中鈾的原子數(shù)目

C5,0-235U的初始富集度

Φ-t時(shí)刻的中子注量率，簡化成為常數(shù)，即取值為φ；

T-燃料球在堆芯內(nèi)輻照時(shí)間；

Ef-每次裂變時(shí)放出的能量。2.燃耗的定義及單位（續(xù)）3.燃耗的測量方法測量燃耗通常是與裂變產(chǎn)物相聯(lián)系的，通過對燃燒過的燃料元件中某些核素的測量，可以估算燃料元件的燃耗。燃耗的測量方法：破環(huán)性測定方法非破壞性測定方法（Non-DestructiveAnalysis,NDA）4.破環(huán)性測定方法及特點(diǎn)方法：乏燃料化學(xué)溶解裂變核素進(jìn)行放射化學(xué)分析和質(zhì)譜分析確定燃耗。特點(diǎn)：具有直接性的特點(diǎn)，測量準(zhǔn)確，能把U和Pu分開；測量時(shí)間周期長，對測量的環(huán)境要求高，測量程序比較復(fù)雜。通常用作反應(yīng)堆乏燃料測量的一種補(bǔ)充測量手段，一般用于為燃料化學(xué)后處理廠或?yàn)槿剂涎h(huán)的監(jiān)督和管理部門提供信息。5.非破壞性測量方法及特點(diǎn)

方法：直接用譜儀測量裂變核素中的某種核素與燃耗量相關(guān)的射線或測量自發(fā)或誘發(fā)裂變中子確定燃耗。特點(diǎn)：測量方法簡單和測量的時(shí)間周期短。HTR-10和HTR-PM采用非破壞性測量方法測量燃料球燃耗。6.非破壞性測量分類非破壞性測量方法類別：利用γ測量利用中子的測量多探頭組合測量臨界裝置測量7.非破壞性測量-利用γ射線測量

原理：燃燒過的乏燃料中某些核素的活度與其燃耗值有一一對應(yīng)關(guān)系，通過測量乏燃料中的標(biāo)示性核素的γ活度即可確定其燃耗。利用γ譜分析儀測量核素的γ活度，目前科研和工業(yè)上常用于燃耗測量的γ譜儀有兩種：高純鍺（HPGe）譜儀高純鍺譜儀分辨率高；不受乏燃料放置時(shí)間的長短限制。碲化鋅鎘（CdZnTe）譜儀分辨率差（約為10keV）；適用冷卻時(shí)間較長的乏燃料燃耗測量；可以在常溫下使用。7.非破壞性測量-利用γ射線測量（續(xù)）因乏燃料的γ射線比較強(qiáng)，大多數(shù)探測器需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量，且探頭設(shè)有準(zhǔn)直器，現(xiàn)有的大多數(shù)反應(yīng)堆所使用的燃料元件體積都比較大，因此在測量時(shí)需要對乏燃料元件進(jìn)行分段掃描測量。

標(biāo)示性放射性裂變核素選擇的基本要求一般根據(jù)乏燃料冷卻的時(shí)間長短和燃耗的深淺選擇測量的標(biāo)示性放射性裂變核素。一般要求：裂變產(chǎn)額比較高；衰變時(shí)γ射線能量比較高；中子俘獲截面較低；不考慮裂變產(chǎn)物在燃料元件內(nèi)的遷徙。7.非破壞性測量-利用γ射線測量（續(xù)）對受照時(shí)間和冷卻時(shí)間較短的燃料元件，選擇半衰期較短的核素97Zr（16.9h）/97Nb（1.20h）；鋯，鈮132I（2.30h）；140La（40.27h）；鑭考慮上述核素的來源U的裂變產(chǎn)額；同位素發(fā)生（n，γ）核反應(yīng)的貢獻(xiàn)；母核的β-衰變；此法需要知道燃料照射史，故不適合球床式高溫堆的燃耗測量特點(diǎn)。7.非破壞性測量-利用γ射線測量（續(xù)）傳統(tǒng)γ譜儀燃耗測量選擇長壽命裂變核素134Cs（2.06a）/137Cs（30.2a）；85Kr（10.7a）；氪137Cs（30.2a）；105Ru（1.02a）/137Cs（30.2a）；釕除134Cs外，上述其他核素中子反應(yīng)截面或吸收截面都很小（<2×10-28m2），可以忽略不計(jì)；對134Cs，要考慮（n，γ）核反應(yīng)的貢獻(xiàn)；7.非破壞性測量-利用γ射線測量（續(xù)）原理：乏燃料中除了有235U和238U以外，還殘存大量半衰期較長的超U核素如：Np(镎)、Pu（钚）、Am（镅）和Cm（鋦）等，這些核素以自發(fā)裂變或（α，n）核反應(yīng)形式產(chǎn)生中子。通過測量中子相關(guān)參數(shù)的方法也可以確定燃耗。兩種測量方法：直接測乏燃料的中子產(chǎn)額（中子計(jì)數(shù)率）確定燃耗：中子計(jì)數(shù)率與倍增因子密切相關(guān)，倍增因子的大小依賴于測量的條件、燃耗深度和燃料元件的初始富集度等。外加中子照射，使易裂變核素發(fā)生誘發(fā)裂變，測量裂變時(shí)相關(guān)的γ射線符合事件或測量臨界裝置的反應(yīng)性來確定燃耗。7.非破壞性測量-利用中子測量使用兩種中子探測器有源探測器，如裂變電離室正比計(jì)數(shù)器無源探測器核乳膠核徑跡氣泡7.非破壞性測量-利用中子測量（續(xù)）有源中子測量方法的應(yīng)用實(shí)例簡介IAEA聯(lián)合阿根廷和巴西開發(fā)的SFNC系統(tǒng)探測器-裂變電離室；方法-測量乏燃料組件的軸向計(jì)數(shù)率分布確定燃耗；適用范圍-冷卻時(shí)間較長（20a）的乏燃料組件；測量對象-PWR和CANDU的乏燃料組件；日本探測器-BF3正比計(jì)數(shù)器；使用準(zhǔn)直器；方法-通過對燃料棒的中子掃描確定燃耗；7.非破壞性測量-利用中子測量（續(xù)）無源中子測量方法-在乏燃料組件周圍多點(diǎn)布置探測器，一次采樣；原理-通過測量乏燃料組件的位置計(jì)數(shù)分布估算燃耗；優(yōu)點(diǎn)-體積??；不足-受無準(zhǔn)直器、溫度不均勻性等因素影響，誤差較大；7.非破壞性測量-利用中子測量（續(xù)）8.破壞性測量應(yīng)用范圍：用于長期貯存的核燃料燃耗分析測量對象：選擇穩(wěn)定的或半衰期長的核素作為測量對象，包括錒系十多種核素和裂變產(chǎn)物三十多種核素測量方法：

化學(xué)分析；測量設(shè)備：質(zhì)譜儀；分光光度計(jì)；γ譜儀；β譜儀；α譜儀；破壞性采樣通常在熱室中進(jìn)行；為具有可比性，選擇的采樣點(diǎn)具有代表性且與非破壞性掃描測量點(diǎn)相關(guān)；化學(xué)分析僅作為物理測量結(jié)果或物理計(jì)算結(jié)果的一種有效驗(yàn)證；大批量的乏燃料組件需要NDA物理測量設(shè)備完成；對NDA，多探頭燃耗測量是發(fā)展趨勢。8.破壞性測量（續(xù)）二、HTR-PM燃耗測量系統(tǒng)綜述1.燃耗測量系統(tǒng)的功能要求對燃料球和石墨球進(jìn)行在線非破壞性測量，并能實(shí)現(xiàn)對燃料球與石墨球的識別；由測到的放射性量可以直接確定燃耗值；燃耗的測量結(jié)果要及時(shí)反饋到燃料裝卸系統(tǒng)和反應(yīng)堆控制系統(tǒng)；燃耗深度的測量范圍：8000~100000MWD/tU；每球的測量時(shí)間大約為10~25秒，平均每球測量時(shí)間為20秒對于達(dá)到卸料燃耗的燃料球，測量的統(tǒng)計(jì)不確定度控制在5%左右（不確定度：是目前對于誤差分析中的最新理解和闡述，以前稱為測量誤差．現(xiàn)在更準(zhǔn)確地定義為測量不確定度．是指測量獲得的結(jié)果的不確定的程度。）；測量的量可直接表達(dá)燃耗值；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動連續(xù)運(yùn)行。設(shè)計(jì)參數(shù)HTR-10HTR-PM堆功率10MW250MW/每堆燃料球在堆芯循環(huán)次數(shù)5次15次每堆平衡堆芯裝載量27000個(gè)370000個(gè)平均最大滿功率天數(shù)1080天1057天球中的鈾金屬含量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）每堆每天排出球數(shù)125個(gè)6000個(gè)每堆燃耗測量系統(tǒng)套數(shù)1套2套每套測量系統(tǒng)測球量125個(gè)3000個(gè)燃耗測量前燃料球冷卻時(shí)間～30天50小時(shí)2.系統(tǒng)參數(shù)3.燃耗測量方法的選定

測量種類的選擇：只有采用非破壞性方法測量才能滿足球床式高溫堆燃耗的在線測量要求；測量法選擇：要求測量時(shí)間短和統(tǒng)計(jì)不確定度小。這就排除了選用測量中子法的可能性，由于測量中子的方法比較復(fù)雜、且測量時(shí)間長或統(tǒng)計(jì)不確定度大，難以滿足高溫堆燃耗測量系統(tǒng)的要求；測量儀器選擇：市場現(xiàn)有的高純鍺（HPGe）和碲化鋅鎘（CdZnTe）兩種譜儀均可以用于一般要求的燃耗測量。由于HTR-PM中燃料球冷卻時(shí)間短，所發(fā)射γ射線成分復(fù)雜，因此要求燃耗測量譜儀具有較高的分辨率，以將關(guān)鍵核素的典型射線分離出來。碲鋅鎘探測器的分辨率約為10keV，高純鍺探測器分辨率為1.85keV，HTR-PM設(shè)計(jì)方案擬選用高分辨率高純鍺γ分析譜儀。4.關(guān)鍵核素的選擇具有較高的裂變產(chǎn)額；半衰期比較長；中子吸收截面要小；特征γ射線的能量較高，干擾的γ射線影響不明顯；特征γ射線測量結(jié)果與燃耗之間有較好的一一對應(yīng)關(guān)系；裂變產(chǎn)物在燃料球內(nèi)遷徙可以忽略。根據(jù)上述條件并參照HTR-10等相關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，HTR-PM燃耗測量選定137Cs作為關(guān)鍵核素，即通過測量燃料球中137Cs的活度從而確定燃料球燃耗深度。137Cs核素的半衰期較長為30.2a，熱中子吸收截面很小，只有0.11barn。5.燃耗值與活度的關(guān)系確定核燃料中的裂變產(chǎn)物活度與燃耗之間有一定的關(guān)系，因此可以通過測定裂變產(chǎn)物活度來計(jì)算燃耗。137Cs的燃耗深度方程為：式中：N—單球中137Cs原子數(shù)目；

—可裂變核素i的裂變截面，b；Yi—可裂變核素i對137Cs的裂變產(chǎn)額；Ni—單球中可裂變核素i的原子數(shù)目；φ—中子通量密度，n·m-2s-1；λ—137Cs的衰變常數(shù)，s-1；σa—137Cs的中子吸收截面，b。其解析解為：式中：A—單球中137Cs活度，Bq;其余同上式。而燃耗的定義為單位質(zhì)量的核燃料發(fā)出的能量，即其中：BU—燃耗值，MWDt-1（U）；

Ei—裂變核素i的裂變能量，MWD；

G—初始鈾的裝載量，t。由于各個(gè)可裂變核素的裂變能量與其生成的137Cs的裂變產(chǎn)額的比值很相近，所以可以結(jié)合上述兩式得到如下的方程：5.燃耗值與活度的關(guān)系確定（續(xù)）其中：E—各裂變核素的平均裂變能，MWD；

Y—137Cs的平均裂變產(chǎn)額；

f—為輻照歷史依賴函數(shù)。HTR-PM設(shè)計(jì)擬采用這樣的方程形式（其中f取為與時(shí)間相關(guān)的冪指數(shù)函數(shù)），擬合由KORIGEN軟件計(jì)算燃耗與單球中137Cs活度的關(guān)系，從而建立燃耗與137Cs活度之間的關(guān)系式；這樣燃耗的確定方法與堆物理分析所用方法一致，更適于燃料管理。5.燃耗值與活度的關(guān)系確定（續(xù)）6.系統(tǒng)的總體布置HTR-PM燃耗測量系統(tǒng)在布置核島-15米層的兩個(gè)工藝房間中，每個(gè)房間安裝兩套測量系統(tǒng)，安裝位置見下圖。137Cs活度測量裝置是本系統(tǒng)的核心，主要包括三個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，即：高純鍺譜儀系統(tǒng)準(zhǔn)直器和刻度校準(zhǔn)設(shè)備三、燃耗測量系統(tǒng)設(shè)備組成1.燃耗測量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備清單序號設(shè)備名稱型號規(guī)格單位數(shù)量生產(chǎn)廠家備注1HPGe探頭GEM30個(gè)6ORTEC每堆2個(gè)在役，每堆1備用2數(shù)字化譜儀DSPEC-Plus臺6ORTEC每堆2臺在役，每堆1備用3電冷卻器X-Cooler-Ⅱ臺6ORTEC每堆2臺在役，每堆1備用4計(jì)算機(jī)臺4每堆2臺2.燃耗測量系統(tǒng)非標(biāo)設(shè)備清單序號設(shè)備名稱單位數(shù)量備注1準(zhǔn)直器個(gè)4每套測量系統(tǒng)1個(gè)2預(yù)埋件及相關(guān)連接件個(gè)4每套測量系統(tǒng)1個(gè)3探頭鉛室個(gè)4每套測量系統(tǒng)1個(gè)4效率監(jiān)督源-137Cs個(gè)4每套測量系統(tǒng)1個(gè)5效率監(jiān)督源控制裝置個(gè)4每套測量系統(tǒng)1個(gè)6探頭及冷卻系統(tǒng)支架個(gè)4每套測量系統(tǒng)1個(gè)3.準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器為限制探測器對放射源所張的立體角而設(shè)。作用：只讓直射的γ射線在準(zhǔn)直器內(nèi)腔通過（即“透明”），并到達(dá)探測器上“全部”擋?。础昂凇保┤魏芜M(jìn)入內(nèi)腔的非直射的γ射線，不讓它到達(dá)探測器為達(dá)上述目的，應(yīng)該適當(dāng)選擇準(zhǔn)直器的材料，厚度，形式，安裝位置等。準(zhǔn)直器材料的選擇主要考慮其對γ射線的阻擋能力和加工性能。參照HTR-10的設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)，選定高密度WNiFe合金作為準(zhǔn)直器的材料，密度為17~18g/cm3（屏蔽效果是鉛的1.3-1.8倍）。準(zhǔn)直器采用雙錐內(nèi)孔的形式，其優(yōu)點(diǎn)是對待測燃料球的位置變化不敏感，也有利于減少散射份額。同時(shí)可以保證球上各點(diǎn)對準(zhǔn)直器所張的立體角基本相等，利于準(zhǔn)直器修正因子的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。準(zhǔn)直器單端長度取為270mm，總長度540mm（參見圖2）；其能使最難阻擋的3~4MeV的γ射線的穿透系數(shù)降至10-6以下，實(shí)現(xiàn)了“黑”的功能。為限制進(jìn)入探測器的射線束流，將最大死時(shí)間控制在30%左右，準(zhǔn)直器修正因子設(shè)計(jì)為2.334×10-8，即準(zhǔn)直距離為3600mm，準(zhǔn)直器喉部直徑2.2mm。3.準(zhǔn)直器（續(xù)）

4.譜儀設(shè)備譜儀選擇主要綜合考慮以下因素：系統(tǒng)的分辨率；死時(shí)間校正精度和控制目標(biāo)；系統(tǒng)穩(wěn)定性；運(yùn)行成本。HTR-PM擬選擇美國ORTEC公司的高純鍺γ譜儀系統(tǒng)，其主要組件包括高純鍺探頭GEM30P4-Plus數(shù)值譜儀DSPEC-Plus，包含偏置高壓電冷卻裝置CFG-X-Cooler-Ⅱ-230,包含PopTop冷指等譜獲取與分析軟件GammaVision32（A66-B32）譜儀控制接口UMCBIProgrammer′sToolkit（A11-B32）該系統(tǒng)對1.332MeV能量的γ射線分辨率好于1.85keV（FWHM）；對于122keV射線的分辨率好于0.85keV。峰康比60：1。采用電冷卻的方式，可以保證對500keV以上的射線的分辨率無影響?？梢酝ㄟ^控制接口軟件（A11-B32）實(shí)現(xiàn)對譜儀的完全控制，包括測量開始與終止，數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?.譜儀設(shè)備（續(xù)）5.排球復(fù)核測量設(shè)計(jì)為判定被測球是乏燃料球還是石墨球，在選擇其最終去向之前要經(jīng)過再一次的復(fù)核測量，以免將乏燃料球誤排入石墨球罐中。復(fù)核測量擬選用氣體探測器測量待判斷球的γ劑量率，通過判斷劑量率閾值的方法判定球的類別。6.活度識別定位器在乏燃料卸料緩沖管段后的乏燃料二次提升管前，設(shè)置了一套乏燃料活度識別裝置，避免將高放射性的乏燃料球被輸送至石墨球貯存罐?；疃茸R別的時(shí)間短，不要求對球形元件精確定位，但要求停球快捷，因此，設(shè)計(jì)了電磁驅(qū)動定位器。該定位器類似于一個(gè)電磁滑閥，能有效密封管路氣體，在堆芯石墨球全部排出后，可以擰緊鎖緊螺栓鎖死電磁驅(qū)動機(jī)構(gòu)，以避免誤動作。一體化卸料裝置中用于破橋的電磁驅(qū)動機(jī)構(gòu)與該電磁驅(qū)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和原理相同。1.檢測管段2.鎖緊螺栓3.電磁驅(qū)動機(jī)構(gòu)6.活度識別定位器7.燃耗測量系統(tǒng)的初步技術(shù)規(guī)格（1）測量對象和范圍：第一次到第十五卸出堆芯的燃料球，燃耗深度范圍為

8000~100000MWD/t（U）（2）燃料球冷卻時(shí)間：50小時(shí)（3）每球處理時(shí)間：平均每球處理時(shí)間為20秒（4）能量分辨率：對1.33MeV的γ射線其FWHM＜

1.85keV，當(dāng)死時(shí)間為30%左右時(shí)，對1.33MeV的γ

射線其FWHM＜2.0keV；而對于0.661MeV的γ射線，其對應(yīng)FWHM分別為1.30keV和1.50keV（5）譜儀計(jì)數(shù)率：＜5.0×104脈沖數(shù)/秒（死時(shí)間＜30%）（6）本底要求：用鉛室屏蔽后，在137Cs峰感興區(qū)間內(nèi)＜

0.5計(jì)數(shù)/秒，總計(jì)數(shù)＜80計(jì)數(shù)/秒（7）工作負(fù)荷能力：約3000球/天/套（8）連續(xù)運(yùn)行，自動零死時(shí)間修正，自動極零補(bǔ)償，數(shù)字穩(wěn)譜開啟，穩(wěn)定度：＜0.5keV/24小時(shí)（9）正常工作的條件：高壓偏置電源：5000V

采用電冷卻裝置冷卻，不間斷電源供電電源：~220V±10%，4A

環(huán)境：相對濕度10%~90%，無冷凝，溫度5~30℃，電磁場干擾?。?0）可將系統(tǒng)狀態(tài)和測量結(jié)果在本地計(jì)算機(jī)上顯示，并能以串口通訊的方式將上述信號反饋給主控系統(tǒng)。7.燃耗測量系統(tǒng)的初步技術(shù)規(guī)格（續(xù)）（11）運(yùn)行期間能夠分析0.661MeV射線的峰位，半高寬FWHM值（12）定期利用監(jiān)督源對探頭探測效率進(jìn)行測量，能夠根據(jù)測量結(jié)果對系統(tǒng)刻度因子自動修正。7.燃耗測量系統(tǒng)的初步技術(shù)規(guī)格（續(xù)）四、燃耗測量系統(tǒng)運(yùn)行特性1.測量與控制本系統(tǒng)作為球床式高溫堆燃料裝卸系統(tǒng)不可或缺的一部分，獲取排球的燃耗信息，為燃料裝卸系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供動作信號。系統(tǒng)內(nèi)數(shù)字譜儀與計(jì)算機(jī)之間通過高速以太網(wǎng)接口傳遞數(shù)據(jù)與控制信息；系統(tǒng)通過DCS或者PLC與燃料裝卸系統(tǒng)的分控制系統(tǒng)相互交換信息。系統(tǒng)通過串行通訊接口將測量結(jié)果和系統(tǒng)主要設(shè)備狀態(tài)信息傳遞給主控系統(tǒng)。系統(tǒng)布置及工作原理示意圖參見圖3，工作流程邏輯圖參見圖4。2.燃耗測量方案的設(shè)計(jì)需考慮的因素：每套燃耗測