本發(fā)明涉及反應(yīng)堆核功率監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于中子噪聲信號(hào)來(lái)刻度反應(yīng)堆核功率監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在反應(yīng)堆零功率物理試驗(yàn)時(shí)，為確保運(yùn)行功率不超過(guò)相關(guān)核安全法規(guī)以及運(yùn)行限值和條件的要求，同時(shí)也為校核理論計(jì)算提供輸入?yún)?shù)，需知道反應(yīng)堆的絕對(duì)功率。

在熱中子零功率堆中，刻度絕對(duì)功率通常采用活化分析法，這種方法修正因子很多，數(shù)據(jù)處理也比較復(fù)雜，對(duì)于游泳池堆或零功率反應(yīng)堆，由于活性區(qū)的布置經(jīng)常變動(dòng)，要測(cè)量反應(yīng)堆的絕對(duì)功率，就必須經(jīng)?？潭?，顯得相當(dāng)麻煩。還有一種根據(jù)反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)出口溫差和總流量來(lái)計(jì)算絕對(duì)功率的方法，但它僅適用于功率較高的動(dòng)力堆。對(duì)于低功率反應(yīng)堆或溫差小、系統(tǒng)散熱量很大的游泳池堆，用這種方法確定的絕對(duì)功率誤差很大。其它方法如源引入法，由于中子源有效強(qiáng)度計(jì)算困難，中子源反應(yīng)性?xún)r(jià)值存在不確定性，因此，測(cè)量結(jié)果不太可靠。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題提供一種反應(yīng)堆核功率監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)，其在不干擾反應(yīng)堆正常運(yùn)行下進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，適用于所有的反應(yīng)堆，測(cè)量方便且快捷。

本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種反應(yīng)堆核功率監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

a、在反應(yīng)堆達(dá)臨界功率水平穩(wěn)定后，為了降低反應(yīng)堆堆芯內(nèi)中子通量的空間效應(yīng)，采用兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的中子γ補(bǔ)償電離室測(cè)量反應(yīng)堆的中子噪聲信號(hào)；

b、對(duì)兩組中子噪聲信號(hào)計(jì)算時(shí)間信號(hào)的fft，計(jì)算互功率譜密度φxy并歸一化處理；

c、對(duì)互功率譜密度進(jìn)行擬合，獲得互功率譜密度擬合曲線(xiàn)，在擬合曲線(xiàn)上獲得頻率ω1時(shí)的互功率譜密度φ′xy(ω1)；

d、根據(jù)擬合得到的參數(shù)，得到反應(yīng)堆裂變率f，從而得到反應(yīng)堆絕對(duì)功率p。

本方案的方法部分包括反應(yīng)堆中子噪聲信號(hào)測(cè)量步驟和功率測(cè)量步驟，其中，步驟b、c、d均屬于功率測(cè)量步驟，通過(guò)對(duì)中子噪聲信號(hào)進(jìn)行分析得到互譜密度并進(jìn)行擬合得到動(dòng)態(tài)參數(shù)，從而得到絕對(duì)功率。采用本方法的數(shù)據(jù)在不干擾反應(yīng)堆正常運(yùn)行下測(cè)量獲得，適用于所有的反應(yīng)堆，不需要經(jīng)?？潭龋瑴y(cè)量方便且快捷，其測(cè)量精度高，有效的解決了現(xiàn)有低功率堆功率測(cè)量中誤差大和過(guò)程繁雜等問(wèn)題。

作為優(yōu)選，步驟b中，還包括對(duì)互功率譜密度的平滑處理，所述平滑處理的次數(shù)大于等于8次。對(duì)互功率譜密度進(jìn)行平滑處理，可有效降低隨機(jī)噪聲的干擾，平滑處理的次數(shù)在8次時(shí)，可基本排除或降低隨機(jī)噪聲的影響。

進(jìn)一步的，所述平滑處理的方法具體為：將當(dāng)前的互功率譜密度與上次有效測(cè)量計(jì)算得到的互功率譜密度進(jìn)行平均，獲得兩組噪聲信號(hào)的平均互功率譜密度，并繪出互功率譜密度曲線(xiàn)。

作為優(yōu)選，歸一化后互功率譜密度φ′xy為：

其中，a為與反應(yīng)堆功率水平、電離室探測(cè)效率相關(guān)的常數(shù)？；β為緩發(fā)中子有效份額；ω為角頻率；ι為瞬發(fā)中子壽命；

進(jìn)一步的，步驟c采用非線(xiàn)性最小二乘法進(jìn)行擬合，具體為：采用非線(xiàn)性最小二乘法擬合參數(shù)輸入?yún)?shù)a、ι、β的擬合初始值，初始值的設(shè)置依據(jù)反應(yīng)堆堆芯物理理論計(jì)算獲得的動(dòng)態(tài)參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，獲得擬合的反應(yīng)堆動(dòng)態(tài)參數(shù)a、ι、β。

作為優(yōu)選，所述步驟d中，反應(yīng)堆裂變率f為：

其中，d指驅(qū)動(dòng)因子，β為緩發(fā)中子有效份額；

反應(yīng)堆絕對(duì)功率p為：p＝p0f，其中，p0指一次核裂變所釋放出的能量。

該測(cè)量方法是以大量中子所引起的平均電流或電壓的統(tǒng)計(jì)漲落作為測(cè)量基礎(chǔ)的，再根據(jù)反應(yīng)堆的輸出信號(hào)圍繞其穩(wěn)態(tài)平均值隨機(jī)統(tǒng)計(jì)漲落的變化來(lái)確定反應(yīng)堆動(dòng)態(tài)參數(shù)的和絕對(duì)功率。這種技術(shù)具有不干擾反應(yīng)堆正常運(yùn)行測(cè)量參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，且適用于游泳池式反應(yīng)堆，是測(cè)量絕對(duì)功率較方便、快捷的測(cè)量方法。

一種反應(yīng)堆核功率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括：

兩套用于對(duì)稱(chēng)分布采集反應(yīng)堆中字噪聲信號(hào)的中子γ補(bǔ)償電離室；

用于對(duì)中子γ補(bǔ)償電離室輸出電流信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的微電流放大器；

對(duì)微電流放大器輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理并將輸出直流電平信號(hào)和中子噪聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的信號(hào)調(diào)理電路；

根據(jù)信號(hào)調(diào)理電路輸出信號(hào)對(duì)反應(yīng)堆核功率進(jìn)行分析處理并實(shí)現(xiàn)對(duì)微電流放大器、信號(hào)調(diào)理電路的控制的數(shù)據(jù)分析與處理單元。

所述信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的隔離電路、直流補(bǔ)償電路、噪聲放大電路、低通濾波電路、緩沖電路、將隔離電路一路輸出信號(hào)和緩沖電路輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的a/d轉(zhuǎn)換電路。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明方法以大量中子所引起的平均電流或電壓的統(tǒng)計(jì)漲落作為測(cè)量基礎(chǔ)的，在不干擾反應(yīng)堆正常運(yùn)行下測(cè)量獲得，適用于所有的反應(yīng)堆，不需要經(jīng)常刻度，測(cè)量方便且快捷，其測(cè)量精度高，有效的解決了現(xiàn)有低功率堆功率測(cè)量中誤差大和過(guò)程繁雜的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本裝置的安裝使用情況圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說(shuō)明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

實(shí)施例1

一種反應(yīng)堆核功率監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

a、在反應(yīng)堆功率水平穩(wěn)定后，采用兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的中子γ補(bǔ)償電離室測(cè)量反應(yīng)堆的中

子噪聲信號(hào)；

b、對(duì)兩組中子噪聲信號(hào)計(jì)算時(shí)間信號(hào)的fft，計(jì)算互功率譜密度φxy并歸一化處理；

c、對(duì)互功率譜密度進(jìn)行擬合，并計(jì)算某一特定頻率ω1時(shí)的互功率譜密度φ′xy(ω1)；

d、根據(jù)擬合得到的參數(shù)，得到反應(yīng)堆裂變率f，從而得到反應(yīng)堆絕對(duì)功率p。

該測(cè)量方法是以大量中子所引起的平均電流或電壓的統(tǒng)計(jì)漲落作為測(cè)量基礎(chǔ)的，再根據(jù)反應(yīng)堆的輸出信號(hào)圍繞其穩(wěn)態(tài)平均值隨機(jī)統(tǒng)計(jì)漲落的變化來(lái)確定反應(yīng)堆動(dòng)態(tài)參數(shù)的和絕對(duì)功率。這種技術(shù)具有不干擾反應(yīng)堆正常運(yùn)行測(cè)量參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，且適用于游泳池式反應(yīng)堆，是測(cè)量絕對(duì)功率較方便、快捷的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)反應(yīng)堆絕對(duì)功率的自動(dòng)化測(cè)量。

功率測(cè)量步驟具體為：

對(duì)得到的兩組中子噪聲信號(hào)計(jì)算時(shí)間信號(hào)的fft，即快速傅氏變換；然后計(jì)算互功率譜密度φxy，對(duì)互功率譜密度進(jìn)行至少8次的平滑處理后繪制互功率譜密度曲線(xiàn)。

平滑處理的方法具體為：將當(dāng)前的互功率譜密度與上次平均過(guò)程重新開(kāi)始后的最后一次計(jì)算得到的互功率譜密度進(jìn)行平均，獲得兩組噪聲信號(hào)的平均互功率譜密度，并繪出互功率譜密度曲線(xiàn)。

根據(jù)科恩噪聲等效中子源的假設(shè)，處于臨界狀態(tài)的反應(yīng)堆，兩個(gè)電離室測(cè)量到的反應(yīng)堆噪聲互功率譜密度為：

其中：wx、wy分別為兩個(gè)電離室的探測(cè)器效率；因子，即驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)u²³⁵作燃料的反應(yīng)堆，d＝0.795；f為反應(yīng)堆的絕對(duì)裂變率；為每探測(cè)一個(gè)中子所轉(zhuǎn)化的平均電荷；h(ω)為反應(yīng)堆的傳遞函數(shù)。

電離室輸出的平均電流可表示為：

對(duì)于臨界反應(yīng)堆來(lái)說(shuō)，傳遞函數(shù)可近似表示為：

其中：為反應(yīng)堆處于緩發(fā)臨界狀態(tài)下得瞬發(fā)中子衰變常數(shù)；β為緩發(fā)中子有效份額；ω為角頻率。

由此可變換導(dǎo)出：

對(duì)互功率譜密度進(jìn)行歸一化處理，獲得歸一化后的互功率譜密度φ′xy：

其中：vx、vy分別為兩組噪聲信號(hào)電壓幅值；ax、ay分別為兩組噪聲信號(hào)放大倍數(shù)。

然后將互功率譜密度表達(dá)式變換為

通過(guò)上式建立參數(shù)擬合模型y＝f(x,ai)非線(xiàn)性函數(shù)，反映了ω與φ′xy的依賴(lài)關(guān)系，a、ι、β相當(dāng)于ai為待定參數(shù)。利用labview虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用非線(xiàn)性最小二乘法擬合工具，即采用使用levenberg-marquardt算法決定參數(shù)的最小二乘集合，該集合是輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)(x,y)的最佳擬合，數(shù)據(jù)點(diǎn)可由非線(xiàn)性函數(shù)y＝f(x,ai)表示，其中ai是參數(shù)的集合。

采用非線(xiàn)性最小二乘法擬合參數(shù)輸入?yún)?shù)a、ι、β的擬合初始值，初始值的設(shè)置依據(jù)反應(yīng)堆堆芯物理理論計(jì)算獲得的動(dòng)態(tài)參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，獲得擬合的反應(yīng)堆動(dòng)態(tài)參數(shù)a、ι、β。

并利用擬合得到互功率譜密度，計(jì)算低頻頻率某一特定頻率ω1時(shí)的互功率譜密度φ′xy(ω1)，所選ω1應(yīng)滿(mǎn)足λmax《ω1《αc，λmax＝14為六個(gè)緩發(fā)中子先驅(qū)核衰變常數(shù)的最大值，即14《ω1，因此可取f1＝3，ω1》18.84，αc是變化值，而ω1的值越小越好，一般取18.84。

中子噪聲信號(hào)的互功率譜密度經(jīng)歸一化處理后，反應(yīng)堆裂變率f應(yīng)表示為

通過(guò)利用曲線(xiàn)擬合得到的參數(shù)以及計(jì)算的互功率譜密度φ′xy(ω1)，計(jì)算反應(yīng)堆裂變率。

反應(yīng)堆絕對(duì)功率p＝p0f，其中，p0指一次核裂變所釋放出的能量。一個(gè)單獨(dú)的u²³⁵核裂變時(shí)可以發(fā)出大約3.2×10^-11w/s的能量。對(duì)于采用u²³⁵作為燃料的反應(yīng)堆，根據(jù)p＝3.2×10^-11f即可算出反應(yīng)堆絕對(duì)功率p。

實(shí)施例2

如圖1所示，基于上述方法的一種反應(yīng)堆核功率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括：

兩套用于對(duì)稱(chēng)分布采集反應(yīng)堆中字噪聲信號(hào)的中子γ補(bǔ)償電離室；

用于對(duì)中子γ補(bǔ)償電離室輸出電流信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的微電流放大器；

對(duì)微電流放大器輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理并將輸出直流電平信號(hào)和中子噪聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的信號(hào)調(diào)理電路；

根據(jù)信號(hào)調(diào)理電路輸出信號(hào)對(duì)反應(yīng)堆核功率進(jìn)行分析處理并實(shí)現(xiàn)對(duì)微電流放大器、信號(hào)調(diào)理電路的控制的數(shù)據(jù)分析與處理單元。

兩套中子γ補(bǔ)償電離室構(gòu)成一次儀表，微電流放大器、信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)分析與處理單元構(gòu)成二次儀表。具體的，如圖2所示，在堆芯外圍板與吊蘭之間對(duì)稱(chēng)布置2支dl125型中子γ補(bǔ)償電離室，用于采集反應(yīng)堆中子噪聲信號(hào)。中子γ補(bǔ)償電離室設(shè)計(jì)組裝成組件形式，電離室外殼狀處于懸浮態(tài)，以減少干擾。采用高壓電源為中子γ補(bǔ)償電離室供電，采用了2個(gè)獨(dú)立的連續(xù)可調(diào)的激式變換器型高壓電源向兩個(gè)電離室提供所需正/負(fù)電壓，調(diào)節(jié)變換器驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度，達(dá)到調(diào)整輸出高壓的目的，輸出電壓：0～±500v連續(xù)可調(diào)；低壓電源提供給小電流放大器正常工作的必要直流電源。

2個(gè)中子γ補(bǔ)償電離室輸出的電流信號(hào)通過(guò)雙層屏蔽電纜傳輸?shù)轿㈦娏鞣糯笃鳎㈦娏鞣糯笃鲗?duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為0～10v的電壓信號(hào)。微電流放大器設(shè)有不同的放大倍數(shù)檔位，數(shù)據(jù)分析與處理單元根據(jù)獲得的電流信號(hào)大小自動(dòng)調(diào)整小電流放大器的放大檔位。

信號(hào)調(diào)理電路有兩路，各自連接在兩個(gè)中子γ補(bǔ)償電離室上，其包括依次連接的隔離電路、直流補(bǔ)償電路、噪聲放大電路、低通濾波電路、緩沖電路和a/d轉(zhuǎn)換電路。

信號(hào)調(diào)理電路接收微電流放大器輸出的兩路直流電平信號(hào)對(duì)其進(jìn)行隔離處理后一路直流信號(hào)直接傳送給a/d轉(zhuǎn)換電路，另一路經(jīng)直流補(bǔ)償、程控放大和低通濾波處理后傳送給a/d轉(zhuǎn)換電路。直流補(bǔ)償電路、噪聲放大電路其均受數(shù)據(jù)分析與處理單元的控制，通過(guò)16位da任意調(diào)節(jié)直接加入直流偏置分量，完成直流補(bǔ)償，其直流補(bǔ)償范圍：0～10v，直流補(bǔ)償精度：±1mv。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)程控放大的任意配置，具體放大倍數(shù)有：1、10、50、100、200、500。數(shù)據(jù)分析與處理單元根據(jù)采集反饋的信號(hào)幅值自動(dòng)調(diào)整直流補(bǔ)償?shù)拇笮『托盘?hào)的放大倍數(shù)。

數(shù)據(jù)分析與處理單元包括處理器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，完成信號(hào)的分析與處理。其應(yīng)用程序基于實(shí)施例1中的方法完成，以labview虛擬儀器技術(shù)作為軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)；應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)小電流放大器檔位進(jìn)行設(shè)置和讀取，控制其自動(dòng)換檔，并對(duì)其輸出幅度進(jìn)行檢出；對(duì)直流電平進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償；對(duì)信號(hào)適配單元增益和濾波參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和讀??；對(duì)a/d采樣頻率和采樣長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)置；控制a/d轉(zhuǎn)換啟動(dòng)與停止；a/d緩存數(shù)據(jù)讀取與顯示；自功率譜密度與互功率譜密度分析與顯示；非線(xiàn)性最小二乘法動(dòng)態(tài)參數(shù)擬合；絕對(duì)功率計(jì)算。

基于該系統(tǒng)，其具體實(shí)施為過(guò)程為：

當(dāng)反應(yīng)堆開(kāi)始抬升功率時(shí)，啟動(dòng)功率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)將自動(dòng)測(cè)量反應(yīng)堆噪聲。微電流放大器設(shè)有不同的放大倍數(shù)檔位，隨著反應(yīng)堆功率不斷上升，通過(guò)labview軟件自動(dòng)控制微電流放大器不斷變換檔位，降低放大倍數(shù)，相反功率降低時(shí)，小電流放大器將增大放大倍數(shù)，然后小電流放大器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。

當(dāng)反應(yīng)堆功率穩(wěn)定后，對(duì)反應(yīng)堆中子噪聲信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和采集，兩個(gè)補(bǔ)償中子γ補(bǔ)償電離室測(cè)量的兩組中子噪聲電流信號(hào)各分成兩路，一路為直流電平通道，直接測(cè)量直流電平幅值；另一路為中子噪聲通道，對(duì)中子噪聲進(jìn)行噪聲信號(hào)調(diào)理，信號(hào)調(diào)理步驟如下：

直流補(bǔ)償：依據(jù)中子噪聲通道的電平大小對(duì)中子噪聲信號(hào)進(jìn)行直流補(bǔ)償，去除中子噪聲信號(hào)中的直流成分，補(bǔ)償方式采用負(fù)反饋控制，直流補(bǔ)償精度為2mv，即中子噪聲通道時(shí)，將自動(dòng)進(jìn)行直流補(bǔ)償，v為中子噪聲通道電壓，a為當(dāng)前噪聲放大倍數(shù)。

噪聲放大：直流補(bǔ)償后對(duì)中子噪聲信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)放大，信號(hào)調(diào)理設(shè)備放大倍數(shù)有：1、10、50、100、200、500。預(yù)先計(jì)算中子噪聲信號(hào)按照a1倍放大后，判斷噪聲信號(hào)是否超量程(±5v)，如未超量程，則設(shè)置噪聲信號(hào)放大倍數(shù)為a1，然后再次預(yù)計(jì)算放大a2倍噪聲信號(hào)是否超量程，如未超量程則噪聲信號(hào)將繼續(xù)放大，則已超量程則降低放大倍數(shù)返回至a1倍。

低通濾波：依據(jù)反應(yīng)堆的互功率譜密度的轉(zhuǎn)折頻率ω等于瞬發(fā)中子衰變常數(shù)αc即ω＝2πf＝αc，則信號(hào)分析頻率因此噪聲信號(hào)首先選擇設(shè)置大于頻率進(jìn)行低通濾波，信號(hào)調(diào)理設(shè)備低通濾波檔位有：100hz、200hz、300hz、500hz。

當(dāng)反應(yīng)堆功率水平出現(xiàn)抬升或下降，則小電流放大器放大檔位出現(xiàn)變化，此時(shí)中子噪聲通道放大倍數(shù)將設(shè)置為1倍，然后功率水平穩(wěn)定后，系統(tǒng)將再次對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行濾波、直流補(bǔ)償、噪聲放大等操作。

兩路中子噪聲通道經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，與兩路直流電平通道進(jìn)行同步采集，獲得兩組中子γ補(bǔ)償電離室的直流電平和中子噪聲信號(hào)。

本發(fā)明所述系統(tǒng)采用基于pxi總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化及模塊化技術(shù)，提高了系統(tǒng)可靠性和維修方便性。實(shí)現(xiàn)了對(duì)反應(yīng)堆絕對(duì)功率的自動(dòng)化測(cè)量并提高了測(cè)量精度，有效地解決了現(xiàn)有低功率堆功率測(cè)量中誤差大和過(guò)程繁雜等問(wèn)題。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。