具有在线动态刻度控制棒价值功能的反应性仪及控制方法

摘要

本发明公开了具有在线动态刻度控制棒价值功能的反应性仪及控制方法，包括通过数据线相连的数据处理器(1)与信号调理器(2)，信号调理器(2)的印刷电路板(6)上焊装有采集处理通讯印刷电路板(9)和通过导线与采集处理通讯印刷电路板(9)连接的棒位信号接口(7)、中间区电压放大器(10)、功率区电压放大器(11)和电离室电流放大器(12)，本发明的有益效果是：实现了在线动态刻度控制棒价值功能，使控制棒刻度工作时间大大压缩，工作复杂度极大的下降，将动态刻度控制棒价值方法仪表化实现，实现了实验过程的规范化和自动化。

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆测量装置技术领域，具体地，涉及具有在线动态刻度控制棒价值功能的反应性仪及控制方法。

背景技术

在反应堆首次启动和换料后进行的反应堆物理实验环节通过刻度控制棒价值是一项必不可少的实验环节，该实验环节按照传统的刻度控制棒价值的规程和方法进行是一项操作复杂、费时费力的工作，为提高该项物理实验内容的效率，简化实验的操作复杂度，由美国西屋公司提出了一种名为“动态刻度控制棒价值”的实验方法，该方法利用预先计算的静态修正因子和动态修正因子修正控制棒动作引起的空间效应，结合逆动态法计算出控制棒的积分价值和微分价值。

目前动态刻度控制棒价值的实验程序和计算方法已成熟，并已公开发表的方式见诸于专业论文。但利用该方法并将该方法仪表化，实现动态刻度棒价值功能的仪表化仍然面临诸多技术难题。

已有技术存在以下局限：

a.已有的反应性仪不具备在线动态刻度控制棒价值功能，无法实现在线动态刻度控制棒价值的操作；

b.已有的动态刻度控制棒价值方法没有实现仪表化应用，只停留在数据后处理的方法验证上，缺乏规范操作性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种将动态刻度控制棒价值方法仪表化实现、具有在线动态刻度控制棒价值功能的反应性仪及控制方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

具有在线动态刻度控制棒价值功能的反应性仪，包括通过数据线相连的数据处理器与信号调理器，数据处理器包括一个便携式计算机，便携式计算机具有数据接口A；信号调理器由机箱和印刷电路板组成，印刷电路板设置在机箱中，印刷电路板上焊装有棒位信号接口、采集处理通讯印刷电路板、中间区电压放大器、功率区电压放大器和电离室电流放大器，棒位信号接口的输入端设置有棒位信号输入口，中间区电压放大器和功率区电压放大器的输入端均设置有中子注量率电压输入口，电离室电流放大器的输入端设置有电离室电流输入口，棒位信号接口、中间区电压放大器、功率区电压放大器和电离室电流放大器分别通过导线与采集处理通讯印刷电路板连接，采集处理通讯印刷电路板上设有数据接口B，数据接口B和数据接口A通过数据线连接，实现数据处理器与信号调理器间通过串行通讯总线进行数据交互，机箱内还设置有低压电源，低压电源通过导线与印刷电路板连接。

本发明增设了测量控制棒棒位信号的采集通道，实现了控制棒棒位的测量，在通过数据处理器内部实现的数字化反应性逆动态计算方法实现反应性测量的基础上，实现了在线动态刻度控制棒价值功能，取代了以往的控制棒刻度方法，使控制棒刻度工作时间大大压缩，工作复杂度极大的下降，有效提高了核动力装置的运行效率。另外动态刻度控制棒价值方法的仪表化实现，使动态刻度控制棒价值的工作更加程序化和智能化，实现了实验过程的规范化和自动化。

优选的，所述的数据接口A为USB接口或串行通讯接口，便携式计算机与采集处理通讯印刷电路板之间通过USB通讯进行信息交互，增强了装置连接的便利性和通用性。

优选的，所述的棒位信号接口的输入端设置有多个棒位信号输入口，从而实现对多个控制棒的检测，提高装置的工作效率。

采用所述的具有在线动态刻度控制棒价值功能的反应性仪动态刻度控制棒价值的方法，包括以下步骤：

S1、使反应堆处于临界附近，并保持反应堆通量基本稳定，堆芯内插入的控制棒棒价值为60pcm，将棒提出活性区，反应性仪识别该目标控制棒抽出动作，使用逆动态法测量控制棒抽出引入的60pcm的正反应性并记录，当通量水平增加到零功率物理试验的通量上限，将待测棒组以最大可控速度的插入堆芯，反应性仪读入功率量程探测器的信号，求解逆动态方程，得到反应性，不断的记录控制棒棒位和通量测量结果，在控制棒到底后程序将自动结束目标控制棒的测量；

S2、记录的通量值通过预先设置在程序中的静态修正因子SSF表进行修正，静态修正因子SSF是一个控制棒棒位相关的一维数组，不同棒位情况下的静态修正因子SSF不同，将对应棒位的静态修正因子SSF乘以对应棒位情况下记录的通量值得到静态修正的通量值，该通量值是时间相关的一维数组，以此数组为数据源使用逆动态方程计算反应性曲线，计算得到的反应性曲线为静态反应性曲线，该静态反应性曲线是时间相关的一维数组，将静态反应性曲线的每个时刻值与预先设置在程序中的与棒位相关的对应的动态修正因子DSF相乘，得到最终的动态反应性曲线，该曲线的最大值为目标控制棒的积分价值，而其单位控制棒行程的差分值为目标控制棒的微分价值。

所述的动态刻度控制棒价值的方法根据动态刻度控制棒价值的理论模型，合理的设计了静态通量计算、逆动态方法计算静态反应性和动态反应性的计算，在反应性仪上实现了动态刻度控制棒价值的方法，并取得了良好的试验效果，试验表明控制棒积分价值测量精度在±4％范围内；科学的设计了修正因子的计算方法，修正因子的计算模型正确，计算精度高。

优选的，测量程序根据控制棒微分处理方法，识别控制棒下插的初始时间和下插到底的结束时间，并选取这一时间段的通量数据进行动态刻度目标控制棒棒价值计算。

优选的，所述的根据控制棒微分处理方法识别控制棒下插的初始时间和下插到底的结束时间，并选取这一时间段的通量数据进行动态刻度目标控制棒棒价值计算，包括以下步骤：对控制棒棒位信号进行微分处理，选择第一个向下变化的曲线拐点和第一个向上曲线拐点之间的数据进行棒位信号处理。

所述的控制棒动作识别技术解决了控制棒启动和停止时信号抖动带来的起始点和停止点判定不准确的难题。

综上，本发明的有益效果是：

1、本发明增设了测量控制棒棒位信号的采集通道，实现了控制棒棒位的测量，在通过数据处理器内部实现的数字化反应性逆动态计算方法实现反应性测量的基础上，实现了在线动态刻度控制棒价值功能，使用先进的动态刻度控制棒价值方法取代了以往的控制棒刻度方法，使控制棒刻度工作时间大大压缩，工作复杂度极大的下降，有效提高了核动力装置的运行效率。该反应性仪能够规范的实现动态控制棒价值的方法，将动态刻度控制棒价值方法仪表化实现，使动态刻度控制棒价值的工作更加程序化和智能化，实现了实验过程的规范化和自动化。

2、根据动态刻度控制棒价值的理论模型，合理的设计了静态通量计算、逆动态方法计算静态反应性和动态反应性的计算，在反应性仪上实现了动态刻度控制棒价值的方法，并取得了良好的试验效果，试验表明控制棒积分价值测量精度在±4％范围内。

3、本发明对传统反应性仪设备硬件进行了升级，针对动态刻度控制棒价值实验的需要，实现了量程自动切换、控制棒棒位采集和动作识别等智能化技术，消除控制棒动作引起的空间效应等功能；科学的设计了修正因子的计算方法，修正因子的计算模型正确，计算精度高。

4、本发明除能够利用逆动态方法测量反应性外具有在线动态测量控制棒价值的功能，根据动态刻度控制棒价值方法的实际需求，综合引用各种软硬件技术，并结合独有的动态测量范围切换技术、控制棒动作识别技术和动态棒价值计算流程方法等，实现了具有在线动态刻度控制棒价值功能的新型仪表，能够实现测量信号的自动测量范围切换、控制棒动作识别、可有效缩短控制棒刻度实验时间。整个计算过程自动化程度和准确度高，速度快，操作简便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明自动测量范围切换硬件原理；

附图中标记及相应的零部件名称：

1-数据处理器，2-信号调理器，3-便携式计算机，4-数据接口A，5-机箱，6-印刷电路，7-棒位信号接口，8-低压电源，9-采集处理通讯印刷电路板，10-中间区电压放大器，11-功率区电压放大器，12-电离室电流放大器，13-棒位信号输入口，14-电离室电流输入口，15-中子注量率电压输入口，16-数据接口B。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1所示，具有在线动态刻度控制棒价值功能的反应性仪，包括通过数据线相连的数据处理器1与信号调理器2，数据处理器1包括一个便携式计算机3，便携式计算机3具有数据接口A4，数据接口A4通过数据线与信号调理器2相连；信号调理器2由机箱5和印刷电路板6组成，印刷电路板6设置在机箱5中，印刷电路板6上焊装有棒位信号接口7、采集处理通讯印刷电路板9、中间区电压放大器10、功率区电压放大器11和电离室电流放大器12，棒位信号接口7的输入端设置有多个棒位信号输入口13，本实施例中棒位信号接口7的输入端设置有8个棒位信号输入口13，中间区电压放大器10和功率区电压放大器11的输入端均设置有中子注量率电压输入口15，电离室电流放大器12的输入端设置有电离室电流输入口14，棒位信号接口7、中间区电压放大器10、功率区电压放大器11和电离室电流放大器12分别通过导线与采集处理通讯印刷电路板9连接，采集处理通讯印刷电路板9上设有数据接口B16，数据接口B16和数据接口A4通过数据线连接，实现数据处理器1与信号调理器2间通过串行通讯总线进行数据交互，机箱5内还设置有低压电源8，低压电源8通过导线与印刷电路板6连接。

信号调理器2具有1路电离室电流测量通道，采集电离室探测器电流信号，测量范围为10^-10A～10^-4A，用以测量电离室探测器发出的中子电流信号；信号调理器2具有8路控制棒棒位测量通道，用于测量RGL棒控棒位系统转换的棒位信号，测量范围为0V～10V或者4mA～20mA。

所述的数据接口A4为USB接口，便携式计算机3与采集处理通讯印刷电路板9之间通过USB通讯进行信息交互。

采用所述的具有在线动态刻度控制棒价值功能的反应性仪动态刻度控制棒价值的方法，包括以下步骤：

S1、使反应堆处于临界附近，并保持反应堆通量基本稳定，堆芯内插入的控制棒棒价值为60pcm，将棒提出活性区，反应性仪识别该目标控制棒抽出动作，使用逆动态法测量控制棒抽出引入的60pcm的正反应性并记录，当通量水平增加到零功率物理试验的通量上限，将待测棒组以最大可控速度的插入堆芯，反应性仪读入功率量程探测器的信号，求解逆动态方程，得到反应性，不断的记录控制棒棒位和通量测量结果，在控制棒到底后程序将自动结束目标控制棒的测量；

功率量程探测器是核电厂堆外核仪表系统的一种探测器，不适于反应性本身的设备，属于反应性仪借用的设备，是反应性仪信号的来源。功率量程探测器布置在反应堆压力容器外，用于将泄露出反应堆的中子信号转化为电信号。功率量程探测器与反应性仪的14相连。其工作的原理是电离室探测器原理，中子入射到探测器内，与涂覆在探测器内的硼反应，产生的离子在探测器空间内电离，探测器内部的高压使电离的离子定向漂移从而在探测器外的电子学电路中产生电流信号。

待棒组插到堆底即完成一组棒价值的测量，再将该棒组以最大可控速度提出堆外，待堆芯通量水平再次接近零功率物理试验的通量上限，进行下一组棒组的测量。

S2、记录的通量值通过预先设置在程序中的静态修正因子SSF表进行修正，静态修正因子SSF是一个控制棒棒位相关的一维数组，不同棒位情况下的静态修正因子SSF不同，将对应棒位的静态修正因子SSF乘以对应棒位情况下记录的通量值得到静态修正的通量值，该通量值是时间相关的一维数组，以此数组为数据源使用逆动态方程计算反应性曲线，计算得到的反应性曲线为静态反应性曲线，该静态反应性曲线是时间相关的一维数组，将静态反应性曲线的每个时刻值与预先设置在程序中的与棒位相关的对应的动态修正因子DSF相乘，得到最终的动态反应性曲线，该曲线的最大值为目标控制棒的积分价值，而其单位控制棒行程的差分值为目标控制棒的微分价值。

优选的，测量程序根据控制棒微分处理方法，识别控制棒下插的初始时间和下插到底的结束时间，并选取这一时间段的通量数据进行动态刻度目标控制棒棒价值计算。

所述的根据控制棒微分处理方法识别控制棒下插的初始时间和下插到底的结束时间，并选取这一时间段的通量数据进行动态刻度目标控制棒棒价值计算，包括以下步骤：对控制棒棒位信号进行微分处理，选择第一个向下变化的曲线拐点和第一个向上曲线拐点之间的数据进行棒位信号处理。

所述的静态修正因子SSF的计算方法为：

式中P为归一化的节块功率密度，W为探测器响应因子，V为节块体积，下标k为节块编号，INI对应试验初始的堆芯状态；

所述的动态修正因子DSF的计算方法为：

式中为最终测量棒价值，动态反应性，为试验初始引入的反应性，上标“sim”表示数值模拟。

电离室探测器电流信号连续测量

为在本发明的新型反应性仪上实现动态刻度控制棒价值功能，电离室探测器电流信号的测量需至少实现3个半量级的连续测量，且测量精度需在此量程范围内保持基本一致。为满足这项技术指标本发明的新型反应性仪的电离室电流放大器12应用了多路线性电流放大技术配合测量范围自动切换技术实现了在整个电流测量范围10^-10A～10^-4A内等精度连续测量能力，为实现动态刻度控制棒价值奠定了测量基础，其基本原理如图2所示，电离室电流放大器12将高阻抗的补偿电离室输出的微弱电流进行放大，当电离室电流放大器12的输入阻抗很高、开环增益趋于无穷大时，输出电压U≈输入电流I·R_f,正比于输入电流I，根据不同的输入电流的大小，选择合适的反馈电阻R_f值进行自动换挡，即可得到输出电压值，电容C_f值用于降低输出噪声。

本实施例中便携式计算机3使用Windows XP操作系统，运行反应性仪运行程序。

反应性测量

反应性测量是反应性仪的基础功能和实现动态刻度控制棒价值的基础。反应性测量时，根据反应堆功率水平的不同，由相应探测器输出的信号经电路放大处理后输入到本发明的反应性仪中。电离室探测器电流信号通过电离室电流输入口14输入电离室电流放大器12，经电离室电流放大器12放大的信号送入采集处理通讯印刷电路板9；中子注量率信号通过中子注量率电压输入口15分别输入中间区电压放大器10和功率区电压放大器11，经中间区电压放大器10和功率区电压放大器11放大的信号送入采集处理通讯印刷电路板9，采集处理通讯印刷电路板9将获得的数据信号通过数据线送入便携式计算机3，便携式计算机3配合反应性测量处理软件对数据进行记录和处理，计算出反应性。该反应性测量处理软件为传统反应性测量软件，该软件通过对电离室电流放大结果或中间区/功率区电压采集结果应用逆动态法实时计算反应性实现传统反应性测量。

本发明的新型反应性仪通过数据处理器1内部实现的数字化反应性逆动态计算方法实现反应性测量，保证了反应性测量精度在±4％范围内的高准确性，为实现动态刻度控制棒价值提供可靠的数据源。其基本测量原理如下：

反应性和中子通量密度满足如下的中子动力学方程：

其中：

ρ—反应性；

n(t)—平均中子密度；

Λ—瞬发中子寿命；

β—缓发中子有效份额；

β_i—第i组缓发中子份额；

C_i(t)—第i组缓发中子先驱核浓度；

λ_i(t)—第i组缓发中子先驱核衰变常数。

数字反应性仪的计算原理应基于逆动态方程：

动态刻度控制棒价值方法的在线实现方法

动态刻度控制棒价值的试验过程如下：

在堆芯反应性平稳且在临界附近，堆芯内插入的控制棒棒价值约60pcm。将棒提出活性区，堆芯引入约60pcm的正反应性，当通量水平增加到零功率物理试验的通量上限，将待测棒组以最大可控速度的插入堆芯约70步/分钟，反应性仪读入功率量程探测器的信号，求解逆动态方程，得到反应性。待棒组插到堆底即完成一组棒价值的测量，再将该棒组以最大可控速度提出堆外，待堆芯通量水平再次接近零功率物理试验的通量上限，进行下一组棒组的测量。

试验过程中硼浓度保持不变，非测量棒组在活性区外，堆芯最大的正反应性约60pcm，典型堆芯的计算表明测量一组棒用时约15min，具有很强的工程应用价值。

在线实现方法：

以传统反应性测量为基础，便携式计算机3配合动态刻度控制棒价值软件进行控制棒积分价值和微分价值测量。动态刻度控制棒价值软件以传统反应性测量为基础，应用动态刻度控制棒价值方法进行控制棒积分价值和微分价值测量，其测量步骤为：

首先，使反应堆处于临界附近，并保持反应堆通量基本稳定，堆芯内插入的控制棒棒价值为60pcm，点击“开始动态刻棒实验”按钮开始进行动态刻度控制棒价值实验，实验开始前确认被测目标控制棒与采集的控制棒编号一致；

识别目标控制棒抽出动作，使用逆动态法测量控制棒抽出引入的60pcm的正反应性并记录，之后在进入控制棒最大棒速下插的实验步骤中，不断的记录控制棒棒位和通量测量结果，在控制棒到底后程序将自动结束目标控制棒的测量。

测量程序根据控制棒微分处理方法，识别控制棒下插的初始时间和下插到底的结束时间，并选取这一时间段的通量数据进行动态刻度目标控制棒棒价值计算。

实验过程中记录的通量值通过预先设置在程序中的静态修正SSF因子表进行修正，静态修正SSF因子表是一个控制棒棒位相关的一维数组，不同棒位情况下的静态修正因子SSF不同，将对应棒位的静态修正因子SSF乘以对应棒位情况下记录的通量值得到静态修正的通量值，该通量值是时间相关的一维数组。以此数组为数据源使用逆动态方程计算反应性曲线，计算得到的反应性曲线为静态反应性曲线，该静态反应性曲线是时间相关的一维数组。将静态反应性曲线的每个时刻值与预先设置在程序中的与棒位相关的对应的动态修正因子DSF相乘，得到最终的动态反应性曲线，该曲线的最大值为目标控制棒的积分价值，而其单位控制棒行程的差分值为目标控制棒的微分价值。

控制棒位置信号的智能处理

本发明的新型反应性仪实现动态刻度控制棒价值需要较为精确的控制棒位置信号作为计算控制棒积分价值的起始、结束依据和微分价值计算的刻度，新型反应性仪以棒位测量系统输出的棒位信号为信号输入进行棒位信号采集，采集接口兼容0V～10V或者4mA～20mA标准工业模拟量信号，采集精度达到±1％，满足计算控制棒微分价值的需要；另外，通过使用棒位信号微分判别方法解决了控制棒启动和停止时信号抖动带来的起始点和停止点判定不准确的难题。为新型反应性仪实现在线动态测量控制棒价值扫清了障碍，其基本原理为对控制棒棒位信号进行微分处理，选择第一个向下变化的曲线拐点和第一个向上曲线拐点之间的数据进行棒位信号处理。

动态刻度控制棒价值方法修正因子的计算方法

试验过程中反应性仪采集功率量程探测器的信号，基于逆动态方法得到反应性。为了消除堆芯功率相对分布变化对探测器信号的影响，采用静态修正因子修正探测器信号后用于逆动态计算。静态修正因子和棒位相关，见式(1)，信号修正表达式为式(2)。逆动态方法得到的反应性为动态反应性，减去试验初始引入的反应性为动态棒价值，采用动态修正因子修正得到最终测量棒价值，修正表达式为式(3)。试验初始引入的反应性通过逆动态方法直接求得。

P为归一化的节块功率密度，W为探测器响应因子，V为节块体积，下标k为节块编号，INI对应试验初始的堆芯状态。

n＝R/SSF(2)

R为探测器信号，n为堆芯平均功率。

Δρ_rod＝DSF×(ρ_dyn-ρ_INI)(3)

动态修正因子的计算是通过数值模拟试验过程和反应性仪工作过程，包括求解瞬态中子动力学、计算并修正探测器信号得到的动态反应性，进而得到动态修正因子。

上标“sim”表示数值模拟。

确定论方法计算探测器响应因子时，无法精确描述探测器的几何结构，而且不同的堆型其截面库也需要进行验证。本发明采用蒙特卡罗方法计算探测器响应因子，采用连续能量点截面，不受几何和能群的限制。求解固定源问题，得到不同节块的中子源对探测器区域中子通量的贡献即探测器响应因子。这样得到的探测器响应因子是三维分布。

堆芯稳态和瞬态计算采用节块格林函数方法，计算考虑不连续因子。瞬态计算中采用2级2阶的对角线隐式龙格库塔格式DIRK(2,2)进行时间离散，通过嵌入1阶格式，实现时间步长自适应，通过用户输入最大可接受的计算误差自调节时间步长计算，毋需用户设定计算的时间步长划分，能在保证计算精度的同时提高计算效率。

采用静态修正因子和动态修正因子修正测量结果，从理论上保证了测量的精度。采用能群和几何适应性较强的蒙特卡罗方法计算三维的探测器响应因子，采用龙格库塔格式离散瞬态时间导数项，保证了计算精度并提高了计算效率。

如上所述，可较好的实现本发明。