During an earthquake on December 29th 2020, the Krško NPP automatically shutdown due to the trigger of the negative neutron flux rate signal on the power range nuclear instrumentation. From the time course of the detector signal, it can be concluded that the fluctuation in the detector signal may have been caused by the mechanical movement of the ex-core neutron detectors or the pressure vessel components rather than the actual change in reactor power. The objective of the analysis was to evaluate the sensitivity of the neutron flux at the ex-core detector position, if the detector is moved in the radial or axial direction. In addition, the effect of the core barrel movement and core inside the baffle movement in the radial direction were analysed. The analysis is complemented by the calculation of the thermal and total neutron flux gradient in radial, axial and azimuthal directions. The Monte Carlo particle transport code MCNP was used to study the changes in the response of the ex-core detector for the above-mentioned scenarios. Power and intermediate-range detectors were analysed separately, because they are designed differently, positioned at different locations, and have different response characteristics. It was found that the movement of the power range ex-core detector has a negligible effect on the value of the thermal neutron flux in the active part of the detector. However, the radial movement of the intermediate-range detector by 5 cm results in 7%-8% change in the thermal neutron flux in the active part of the intermediate-range detector. The analysis continued with an evaluation of the effects of moving the entire core barrel on the ex-core detector response. It was estimated that the 2 mm core barrel radial oscillation results in ~4% deviation in the power and intermediate-range detector signal. The movement of the reactor core inside baffle can contribute ~6% deviation in the ex-core neutron detector signal. The analysis showed that the mechanical movement of ex-core neutron detectors cannot explain the fluctuations in the ex-core detector signal. However, combined core barrel and reactor core inside baffle oscillations could be a probable reason for the observed fluctuations in the ex-core detector signal during an earthquake.
An investigation of the sensitivity depletion laws for rhodium SPNDs was performed to reduce the uncertainty of the sensitivity depletion laws used in Combustion Engineering (CE) reactors and to develop calculational tools that provide the sensitivity depletion laws to interpret the signal of the newly designed rhodium SPND into the local neutron flux. The calculational tools developed in this work are computer programs for a time-dependent neutron flux distribution in the rhodium emitter during depletion and for a time-dependent beta escape probability that a beta particle generated in the emitter escapes into the collector. These programs provide the sensitivity depletion laws and show the reduction of the uncertainty by about 1 % compared to that of the method employed by CE in interpreting the signal into the local neutron flux. A reduction in the uncertainty by 1 % in interpreting the signal into the local neutron flux reduces the uncertainty tv about 1 % in interpreting the signal into the local power and lengthens the lifetime of the rhodium SPND by about 10% or more.
Co Self-Powered Neutron Detector (SPND) is confronted with the problem of material consumption, which causes the response current can neither reflect the change of neutron flux in time nor be proportional to the neutron flux. In this paper, a deconvolution-based method is established to solve this problem. First of all, a step signal of neutron flux is taken as an example to analyze its performance. When the material consumption of Co SPND is 10%, after compensation, the response current can be in correspondence of neutron flux. Finally, the effects of this model in different Signal-to-Noise Ratio are analyzed, which fully confirms the truth of its excellent performance for compensating Co SPND's signal.
The analog-based Ex-core Neutron Flux Monitoring System (ENFMS) in Korean Nuclear Power Plants (NPPs) has been performing its intended functions successfully for a long time. On the other hand, the primary concern with the extended use of analog systems is the aging effect, such as mechanical failures, environmental degradation, and obsolescence. The transition to a digital-based Man-Machine Interface Systems (MMIS) in Korea and other countries has been accelerating, but some systems are still analog-based IC systems, such as the ENFMS in APR1400 NPPs. Digitalized ENFMS can become a reality using computers and microprocessors owing to the progress in digital electronics and information technology. This paper presents the result of the first phase of the research on the digitalization of the ENFMS signal processing electronics for NPPs operated or produced in Korea. It has two main parts: (1) review engineering bases of ex-core neutron flux monitoring system, including nuclear engineering, instrumentation techniques, and analog and digital signal processing techniques, and (2) analysis of analog signal processing electronics of ENFMS for OPR1000 and APR1400 power plants. They are prerequisite to the second phase of the research which is the detailed implementation of the digitalization.
The application of neutron noise analysis (NNA) to the ex-core neutron detector signal for monitoring the vibration characteristics of a reactor core support barrel (CSB) was investigated. Ex-core flux data were generated by using a nonanalog Monte Carlo neutron transport method in a simulated CSB model where the implicit capture and Russian roulette technique were utilized. First and third order beam and shell modes of CSB vibration were modeled based on parallel processing simulation. A NNA module was developed to analyze the ex-core flux data based on its time variation, normalized power spectral density, normalized cross-power spectral density, coherence, and phase differences. The data were then analyzed with a fuzzy logic module to determine the vibration characteristics. The ex-core neutron signal fluctuation was directly proportional to the CSB's vibration observed at 8Hz and15Hzin the beam mode vibration, and at 8Hz in the shell mode vibration. The coherence result between flux pairs was unity at the vibration peak frequencies. A distinct pattern of phase differences was observed for each of the vibration models. The developed fuzzy logic module demonstrated successful recognition of the vibration frequencies, modes, orders, directions, and phase differences within 0.4 ms for the beam and shell mode vibrations.
Background: A nondestructive test is commonly used to inspect the surface defects and internal structure of an object without any physical damage. X-rays generated from an electron accelerator or a tube are one of the methods used for nondestructive testing. The high penetration of X-rays through materials with low atomic numbers makes it difficult to discriminate between these materials using X-ray imaging. The interaction characteristics of neutrons with materials can supplement the limitations of X-ray imaging in material discrimination. Materials and Methods: The radiation image acquisition process for air-cargo security inspection equipment using X-rays and neutrons was simulated using a GEometry ANd Tracking (Geant4) simulation toolkit. Radiation images of phantoms composed of 13 materials were obtained, and the R-value, representing the attenuation ratio of neutrons and gamma rays in a material, was calculated from these images. Results and Discussion: The R-values were calculated from the simulated X-ray and neutron images for each phantom and compared with those obtained in the experiments. The R-values obtained from the experiments were higher than those obtained from the simulations. The difference can be due to the following two causes. The first reason is that there are various facilities or equipment in the experimental environment that scatter neutrons, unlike the simulation. The other is the difference in the neutron signal processing. In the simulation, the neutron signal is the sum of the number of neutrons entering the detector. However, in the experiment, the neutron signal was obtained by superimposing the intensities of the neutron signals. Neutron detectors also detect gamma rays, and the neutron signal cannot be clearly distinguished in the process of separating the two types of radiation. Despite these differences, the two results showed similar trends and the viability of using simulation-based radiation images, particularly in the field of security screening. With further research, the simulation-based radiation images can replace ones from experiments and be used in the related fields. Conclusion: The Korea Atomic Energy Research Institute has developed air-cargo security inspection equipment using neutrons and X-rays. Using this equipment, radiation images and R-values for various materials were obtained. The equipment was reconstructed, and the R-values were obtained for 13 materials using the Geant4 simulation toolkit. The R-values calculated by experiment and simulation show similar trends. Therefore, we confirmed the feasibility of using the simulation-based radiation image.
A kernel regression filter with adaptive bandwidth is developed and successfully applied to digital reactivity meter for neutron signal measurement in nuclear reactors. The purpose of this work is not only reduction of the measurement noise but also the edge preservation of the reactivity signal. The performance of the filtering algorithm is demonstrated comparing with well known smoothing methods of conventional low-pass and bilateral filters. The developed method gives satisfactory filtering performance and edge preservation capability.
This manuscript describes a neutron counting system based on cylindrical fission counters that can monitor neutron activity for high-energy neutron flux above 10 MeV under electrically noisy environments with intense gamma rays. Miniature fission counters with depleted uranium as sensitive material and modular electronics were built for digital signal processing and high-countrate operation. The counters are 9.5 mm in diameter and 71.1 mm in active length. The author presents the results of Monte Carlo simulations of the fission-counter response for selected neutron sources and energies based on ENDF7.1, JENDL-5, and TENDL-2021 nuclear data libraries from 1 meV to 200 MeV. For a white neutron beam (Ē = 16.36 MeV) that irradiates the front face of a counter, the intrinsic efficiency is evaluated to be (2.24 ± 0.02) × 10-5 counts/n, while the efficiency of the counter in the array appears to increase by at most 6.7%.
In this study a new phase separated spectral analysis algorithm is proposed to identify CSB vibration mode directly from ex-core neutron signals. Ex-core neutron signals can be decomposed into the global, core support barrel (CSB) beam mode, and CSB shell mode components by the new phase separation algorithm based on the characteristics of Fourier transform. By using the proposed algorithm and the conventional spectral analysis the vibration mode of the CSB and the fuel assembly of Ulchin-1 NPP were identified from measured ex-core neutron signals.
본 논문에서는 중성자 방사선 측정을 위한 고속 고정밀 중성자 측정을 위한 하드웨어 설계방법을 제안한다. 제안된 고속 고정밀 중성자 측정 장치의 하드웨어 설계는 고성능 A/D 변환기를 사용하여 고정밀 고속의 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환할 수 있도록 구성된다. 중성자 센서를 사용하여 입사된 중성자 방사선 입자를 검출하고, 극저전류 정밀 측정 모듈을 통해 검출된 중성자 방사선을 보다 정밀하고 빠르게 측정하는 모듈을 설계한다. 고속 고정밀 중성자 측정을 위한 하드웨어 시스템은 중성자 센서부, 가변 고전압 발생부, 극저전류 정밀 측정부, 임베디드 시스템부, 디스플레이부 등으로 구성 된다. 중성자 센서부는 고밀도 폴리에틸렌을 통해 중성자 방사선을 검출하는 기능을 수행한다. 가변 고전압 발생부는 중성자 센서가 정상적으로 운영되기 위하여 발열 및 잡음 특성에 강인한 0 ~ 2KV 가변 고전압 발생장치의 기능을 수행한다. 극저전류 정밀 측정부는 중성자 센서에서 출력되는 고정밀 고속의 극저전류 신호를 고성능 A/D 변환기를 사용하여 정밀하고 빠르게 측정하고 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 기능을 수행한다. 임베디드 시스템부는 고속 고정밀 중성자 측정을 위한 중성자 방사선 측정 기능, 가변 고전압 발생장치 제어 기능, 유무선 통신 제어 기능, 저장 기능 등을 수행한다. 제안된 고속 고정밀 중성자 측정을 위한 하드웨어를 실험한 결과, 불확도, 중성자 측정 속도, 정확도, 중성자 측정 범위 등에서 기존의 장치보다 우수한 성능이 나타남을 확인할 수가 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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