核控制棒位置指示系统技术方案

一种利用核辐射和耐高温硬件的基于脉冲声纳的无线棒位置指示系统。基于脉冲声纳的棒位置指示系统可以通过测量发送信号的飞行时间并通过使用相同发送信号的相位和幅度信息来精确地定位棒位置。位于控制棒驱动棒行进壳体内部的主要和次要天线探针以及完全硬件冗余提供了改进的精度。将飞行时间、相位和幅度原始信号输入到无线数据发送器，该无线数据发送器能够将原始信号发送到位于安全壳内的其他地方的接收器天线以进行进一步处理。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】核控制棒位置指示系统相关申请的交叉引用本申请要求于2016年1月15日提交的美国专利申请序列号14/996439的权益，该申请通过引用结合于此。背景1.
本专利技术一般涉及核反应堆控制棒位置指示系统，更具体地涉及这种使用脉冲声纳来确定控制棒位置的系统。2.
技术介绍
控制棒位置指示系统通过对驱动棒位置的直接测量来导出控制棒的轴向位置。目前，模拟控制棒位置指示系统和数字控制棒位置指示系统都用于压水反应堆。传统的数字控制棒位置指示系统已在全球范围的核电站使用了30多年，并且目前正被用作WestinghouseElectricCompanyLLC，CranberryTownship,Pennsylvania(西屋电气公司，蔓越莓乡，宾夕法尼亚州)提供的新Westinghouse(西屋)设计中的控制棒位置指示系统的基础。传统的压水反应堆控制棒位置指示系统在图1中示出，并且包括容纳核堆芯28的反应堆容器10，控制棒30被插入核堆芯28中以及取出以控制核反应。控制棒30通常通过支架连接在一起，并通过驱动棒驱动进出堆芯，驱动棒通过控制棒驱动机构(CRDM)激活而步进地在压力壳体26内移动。控制棒30相对于芯28的位置由棒位置指示器12确定。传统的数字棒位置指示系统(诸如图1中示意性示出的系统)包括用于每个控制棒驱动棒的两个线圈堆叠12和用于处理来自线圈堆叠的信号的相关数字棒位置指示电子装置14，20。每个线圈堆叠12是放置在压力壳体26之上的独立线圈通道。每个通道包括二十一个线圈。线圈以3.75英寸(9.53厘米)的间隔交错和定位(六台阶(step))。每个控制棒驱动棒的每个线圈堆叠的数字棒位置指示电子装置位于一对冗余数据机柜14A和14B中。尽管旨在提供对控制棒位置的独立验证，但是传统的数字棒位置指示系统不精确到少于六台阶。数字棒位置指示系统的整体精度被认为是精确在加减3.75英寸(9.53厘米)以内(六台阶)，其中两个通道均运行，以及使用单个通道的加减7.5英寸(19.1厘米)(十二台阶)。与传统的数字棒位置指示系统相比，传统的模拟棒位置指示系统基于电线圈堆叠线性可变差动变压器的DC输出电压的幅度来确定位置。正确校准的模拟棒位置指示系统的总体精度被认为精确在加减7.2英寸(18.3)(十二台阶)以内。传统的模拟棒位置指示系统和传统的数字棒位置指示系统都不能确定控制棒的实际位置。应当注意，为了本申请的目的，短语“控制棒”通常用于指代保持单独的轴向位置信息的单元，诸如以集群组件物理连接的一组控制棒。控制棒的数量根据发电站设计而变化。例如，典型的四回路压水反应堆具有五十三个控制棒。在数字系统的情况下，每个控制棒需要其自己的一组线圈具有一个或多个通道，并且数字棒位置指示电子装置与每个通道相关联。因此，在典型的四回路压水反应堆中，整个数字棒位置指示系统将包括五十三个线圈堆叠，每个线圈堆叠具有两个独立的通道，以及106个数字棒位置指示电子单元。现有的控制棒位置指示系统使用从棒位置检测器12到棒位置指示电子机柜14以及从棒位置指示电子机柜14到显示器机柜20的硬连线连接。模拟棒位置指示系统采用位于安全壳外部的棒位置指示电子机柜，而数字棒位置指示系统采用位于安全壳内部的棒位置指示电子机柜。在停机(outage)期间，通过移除反应堆容器头部来替换燃料棒。为了移除头部，所有棒位置指示器检测器12必须是断开的。这可能需要几天时间，具体取决于是否存在集成头部封装。即使在使用集成头部的情况下，该过程仍可能需要一整天。所有线缆都被断开并被操纵，导致线缆组件受到应力和磨损。这可能导致连接问题，并最终可能对棒位置测量产生不利影响。目前，数字棒位置指示通过安装在外部并与位于反应器容器头部上方的棒行进壳体26同心的检测器(用于站的69个总检测器组件)来完成。这些检测器由滑套在管上并沿其长度以3.75英寸(9.53厘米)间隔隔开的盘绕线组成。管配合在驱动棒行进壳体上。当棒移动通过线圈时，来自线圈的磁通量改变。该磁通量变化由信号处理硬件处理，以产生棒位置的测量和报告。每个检测器组件都需要管，该管定位在棒行进壳体上方。而且，每个检测器组件48个检测器线圈中的每一个都需要多个线缆组件，以便提供产生电磁场所需的AC电流。他们还需要两个机柜进行信号处理。最后，检测器的分辨率仅为加减3.125英寸(7.938厘米)，受到线圈之间的磁场相互作用的限制。该限制使系统无法实现单台阶(5/8英寸(1.59厘米))精度。相反，该系统仅限于以五台阶为一组提供位置信息，因此为发电站安全裕度增加了不必要的保守性。因此，需要一种能够在加料停机期间提供更高的精度和效率的新控制棒位置指示系统。
技术实现思路
这些和其他目的是在如下的核反应堆系统中实现的，所述核反应堆系统具有反应堆容器，所述反应堆容器容纳其中在反应堆容器的压力边界内发生裂变反应的核堆芯，以及用于控制裂变反应的控制棒系统。所述控制棒系统包括控制棒，该控制棒被配置为在声波传导冷却剂内移入和移出核堆芯，以控制裂变反应。驱动系统被配置为驱动控制棒进出堆芯。控制棒位置监测系统还被设置为包括配置为生成一系列声纳脉冲的声纳脉冲发生器。天线固定地定位在压力边界内、在控制棒的行进上限之上，并且被配置成接收由声纳脉冲发生器生成的声纳脉冲并将这些声纳脉冲发送到控制棒的上部并接收来自控制棒的反射声纳信号，并将反射声纳信号传送到压力边界外部与天线相距间隔距离的选定位置。接收器定位在与天线相距的间隔距离处，并且被配置为接收反射声纳信号并将反射声纳信号传送到处理单元，所述处理单元被配置为分析反射声纳信号以确定控制棒位置。在一个实施例中，声纳脉冲发生器被支撑在冷却剂外部，并将所述一系列声纳脉冲无线地发送到天线，并且天线将反射声纳信号无线地发送到接收器。优选地，声纳信号是超声信号，并且声纳脉冲发生器是真空微电子器件。优选地，声纳脉冲发生器和接收器是真空微电子器件收发器。传统地，控制棒包括多个单独可移动的控制棒，单独可移动的控制棒中的每个具有相应的控制棒位置监测系统，其中根据本专利技术的一个实施例，用于单独可移动的控制棒位置监测系统中的每个的声纳脉冲具有其自己独特的频率。优选地，声纳脉冲的各频率不同于核反应堆系统内的电磁噪声的任何其他频率。在又一个实施例中，控制棒位置监测系统包括冗余控制棒位置监测系统，所述冗余控制棒位置监测系统包括彼此独立的两个不同的声纳脉冲发生器和彼此独立的两个不同的接收器。这种系统包括两个不同的、分开的天线。在一个这样的实施例中，从所述两个不同的声纳脉冲发生器发射的声纳脉冲基本上以相同的频率来发射。在另一个这样的情况中，从所述两个不同的声纳脉冲发生器发射的声纳脉冲以分开的不同频率来发射。优选地，天线是陶瓷天线。在又一个实施例中，控制棒包括控制棒驱动棒和围绕控制棒驱动棒的行进路径的上部的控制棒驱动棒壳体，其中天线支撑在控制棒驱动棒壳体的内部内。优选地，激励声纳脉冲发生器和接收器所需的功率由热电发电机提供，所述热电发电机具有附接到控制棒驱动棒壳体的热接点和位于热接点对面、远离控制棒驱动棒壳体的冷接点。该系统还可以包括数据发送器，所述数据发送器接收来自所述一系列声纳脉冲的原始声纳脉冲和反射声纳信号中相应的一个反射声纳信号，包括幅度和相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有反应堆容器(10)的核反应堆系统，所述反应堆容器(10)容纳其中在反应堆容器的压力边界内发生裂变反应的核堆芯(28)，以及用于控制裂变反应的控制棒系统，所述控制棒系统包括：控制棒(30)，配置为在声波传导冷却剂内移入和移出核堆芯(28)，以控制裂变反应；驱动系统(32)，用于驱动控制棒(30)进出堆芯(28)；以及控制棒位置监测系统，包括：声纳脉冲发生器(34)，配置为生成一系列声纳脉冲；天线(36)，固定地定位在压力边界内、在控制棒(30)的行进上限之上，并且配置成接收由声纳脉冲发生器(34)生成的声纳脉冲并将声纳脉冲发送到控制棒的上部并接收来自控制棒的反射声纳信号，并将反射声纳信号传送到压力边界外部与天线相距间隔距离的选定位置；以及接收器(52)，定位在与天线(36)相距的间隔距离处，并且配置为接收反射声纳信号并将反射声纳信号传送到处理单元(20)，所述处理单元(20)被配置为分析反射声纳信号以确定控制棒位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.15 US 14/996,4391.一种具有反应堆容器(10)的核反应堆系统，所述反应堆容器(10)容纳其中在反应堆容器的压力边界内发生裂变反应的核堆芯(28)，以及用于控制裂变反应的控制棒系统，所述控制棒系统包括：控制棒(30)，配置为在声波传导冷却剂内移入和移出核堆芯(28)，以控制裂变反应；驱动系统(32)，用于驱动控制棒(30)进出堆芯(28)；以及控制棒位置监测系统，包括：声纳脉冲发生器(34)，配置为生成一系列声纳脉冲；天线(36)，固定地定位在压力边界内、在控制棒(30)的行进上限之上，并且配置成接收由声纳脉冲发生器(34)生成的声纳脉冲并将声纳脉冲发送到控制棒的上部并接收来自控制棒的反射声纳信号，并将反射声纳信号传送到压力边界外部与天线相距间隔距离的选定位置；以及接收器(52)，定位在与天线(36)相距的间隔距离处，并且配置为接收反射声纳信号并将反射声纳信号传送到处理单元(20)，所述处理单元(20)被配置为分析反射声纳信号以确定控制棒位置。2.如权利要求1所述的核反应堆系统，其中声纳脉冲发生器(34)被支撑在冷却剂外部，并将所述一系列声纳脉冲无线地发送到天线(36)。3.如权利要求2所述的核反应堆系统，其中天线(36)将反射声纳信号无线地发送到接收器(34)。4.如权利要求1所述的核反应堆系统，其中声纳信号是超声信号。5.如权利要求1所述的核反应堆系统，其中声纳脉冲发生器(34)是真空微电子器件。6.如权利要求1所述的核反应堆系统，其中声纳脉冲发生器(34)和接收器(34)是真空微电子器件收发器。7.如权利要求1所述的核反应堆系统，其中控制棒(30)包括多个单独可移动的控制棒，单独可移动的控制棒中的每个具有相应的控制棒位置监测系统，其中用于单独可移动的控制棒位置监测系统中的每个的声纳脉冲具有其自己独特的频率。8.如权利要求7所述的核反应堆系统，其中声纳脉冲的各频率不同于核反应堆系统内的电磁噪声的任何其他频率。9.如权利要求1所述的核反应堆系统，其中控制棒位置监测系统包括冗余...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·V·卡瓦哈尔，M·D·海贝尔，N·G·阿利亚，R·W·弗拉曼，D·M·苏梅戈，M·A·詹姆斯，M·M·瓦尔特，
申请(专利权)人：西屋电气有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US