核電站堆外核測量系統(tǒng)的原理及工程實踐

1、Nuclear Electronics Detection Technology2014 年 6 月June2014核電站堆外核測量系統(tǒng)的原理及工程實踐 毛歡，熊文彬，闕驥，王桂敏( 環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)摘要: 介紹了堆外核測量系統(tǒng)的原理和組成，比較了 AP1000 與二代加改進型壓水堆核電站堆外核測量系統(tǒng)的異同，分析了各自的優(yōu)缺點，并提出了堆外核測量系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。關(guān)鍵詞: 堆外核測量系統(tǒng); AP1000; 二代加改進型壓水堆中圖分類號:文獻標志碼:文章編號:0258-0934( 2014) 06-0758-04TL 48A壓水堆核電站堆外核測量系統(tǒng)用于向反應(yīng)

2、堆保護系統(tǒng)提供中子注量率信號，在高中子注 量率和高變化率的情況下觸發(fā)反應(yīng)堆停堆，同 時連續(xù)監(jiān)測反應(yīng)堆功率、功率水平的變化和功 率分布，是關(guān)系到核安全的重要系統(tǒng)。反應(yīng)堆在啟動和運行過程 中，必 須 對 堆 芯 核功率進行連續(xù)不斷的測量和監(jiān)視，以保證反 應(yīng)堆的安全。監(jiān)測手段一般分為堆內(nèi)和堆外兩 種。堆內(nèi)核測量系統(tǒng)由于受到堆內(nèi)高輻射和探 測器壽命限制，一般僅用于定期獲得堆芯功率 分布，無法做到連續(xù)監(jiān)測。因此只能借 助 堆 外核測量系統(tǒng)對堆芯功率進行 連 續(xù) 監(jiān) 測1。堆 外核測量系 統(tǒng) 在核電站中的主要作用是: ( 1 ) 連續(xù)監(jiān)測反應(yīng)堆功率、功率水平的變化及反應(yīng) 堆軸向功率分布，對測得的各種模擬信

3、號予以 顯示，為操縱員提供在裝料、啟動、功率 運 行 及 停堆等反應(yīng) 堆 狀態(tài)下中子注量率信息; ( 2 ) 監(jiān) 測反應(yīng)堆徑向功率的傾斜和軸向的功率偏差;( 3) 向功率 調(diào) 節(jié) 系 統(tǒng)、反應(yīng)堆保護系統(tǒng)提供功 率量程范圍 內(nèi) 中子注量率信息; ( 3 ) 在 安 全 方 面，它的作用是在中子注量率高和中子注量率變化率高時觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆。1堆外核探測器及其工作原理反應(yīng)堆在進行核裂變的過 程 中，都 會 產(chǎn) 生具有一定能量的裂變碎片、中子、光子以及其他粒子，這些粒子和輻射的數(shù)量正比于裂變數(shù)量， 因此正比于反應(yīng)堆功 率2。堆 外 核 測 量 系 統(tǒng) 基于此原理，通過測量泄露到堆外的中子注量 率水

4、平完成對堆芯功率的監(jiān)測。通常，堆 外 核 探測器主要有正比計數(shù)管、裂變室、電離室 3 種 類型。1. 1正比計數(shù)管正比計數(shù)管分為涂硼正比計數(shù)管和 BF3 正比計數(shù)管。其工作原理基本相同。以 BF3 正比計數(shù)管為例，其形狀為圓柱形。中心陽 極 細 絲 用鎢絲做成，通過玻璃或陶瓷與外殼 絕 緣。圓 柱形外殼有金屬和玻璃兩種，若是金屬則兼做 陰極。管內(nèi)充 BF3 氣體，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。圖 1 BF3 正比計數(shù)管結(jié)構(gòu)圖正比計 數(shù) 管的測量原理是利用入射中子 與10 B 產(chǎn)生如下反應(yīng):收稿日期: 2013 08 15作者 簡 介: 毛 歡 ( 1982 ) ，男，湖 北 省 天 門 人，工 程 師

5、，主要從事核電廠運行安全審評工作。通信作者: 熊文彬，電子郵箱: xiongwb84 126 com。110740 n + 5 B 3 Li + 2 He + 2 793MeV743 Li + 2 He + 2 793MeV75873 Li + ( 0 48MeV)( 1)在計數(shù)管氣體中產(chǎn)生具有很強致電離作用的 粒子和鋰離子， 粒子使探測器內(nèi)的氣體 電離，在外電場的作用下，離子分別向陽極和陰 極運動，形成電脈沖。脈沖頻率與中子 注 量 率 水平成正比關(guān)系，從而可以得到與中子注量率 成比例的計數(shù)。圖 2 補償電離室原理圖堆外核測量系統(tǒng)在 AP1000 核 電 站 中 的 應(yīng)用由于反應(yīng)堆從啟動到滿

6、功 率 運 行，其 功 率1. 2裂變室裂變室由測量區(qū)同心外殼，同 軸 電 纜 等 組2. 1成，其外殼、外電極、芯級及同軸電纜材 料 均 為不銹鋼，絕緣材料為三氧化二鋁。裂變 室 內(nèi) 部 充有氬氣，電極表面涂一層二氧化鈾。其 工 作原理 是: 中子束照射到涂有 UO2 的 陰 極 上，使235 U發(fā)生裂變，裂變碎片從涂層中射出，使電離 室中的氬氣電離，電離產(chǎn)生的離子在外電場作 用下被收集，產(chǎn)生電脈沖或電流3。脈沖頻率 或電流的大小與中子注量率成正比關(guān)系。變化 范 圍 達 到 11 個 數(shù) 量 級 ( 額 定 功 率 的10 9 % 到 200% ，對應(yīng)于中子注量率 10 1 n 2 110

7、2 1cm s到 10n cm s) ，使 用 一 種 探 測器無法滿足測量要求。因此，堆外核測 量 系 統(tǒng)一般采用 3 種不同量程的核測儀表來測量反應(yīng) 堆功率，即源量程探測器、中間量程探測器和功 率量程探測器，3 種量程之間兩兩相互重疊，確 保從停堆到滿功率運行的整個階段，系統(tǒng)都能 連續(xù)提供信號控制和保護反應(yīng)堆。3 種探測器 的量程如圖 3 所示。1. 3電離室電離室一般為圓柱形，主要由高壓電極、集電極以及電極之間的絕緣支撐構(gòu)成。電極之間充有氦氣。電離室內(nèi)部涂有硼。其工作原理與 正比計數(shù)管類 似，利用中子與硼反應(yīng)產(chǎn)生的 粒子引起氦氣電離，從而產(chǎn)生信號。在 中 子 注 量率很低的情況下，電離室

8、的電極上搜集到一 系列電流脈沖; 在中子注量率較高的情況下，電 離室的電極收集到一個電流。由于 射線也可使氦氣電離，因此需采取 補償?shù)姆绞揭员苊庹`差，這種電離室稱為補償 電離室。一般采用兩個同軸的圓柱形 電 離 室: 一個電離室是涂硼的，另一個是不涂 硼 的。涂 硼電離室對中子和 射線敏感，不涂硼電離室 只對 射線敏感，該兩個電離室分別產(chǎn)生電離 電流，經(jīng)反向連接后，就只剩下中子電 離 電 流。 其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。當中子注量率達到一定程 度，使 射線致電離產(chǎn)生的電流相對于 粒子 致電離產(chǎn)生的電流可以忽略不計時，就不需要 進行補償了，這種電離室稱為非補償電離室。圖 3 探測器量程范圍源量程探測

9、器、中間量程探測器和功率量 程探測器各有 4 個測量通道，在反應(yīng)堆壓力容 器和一次屏蔽防護層之間的腔穴上沿反應(yīng)堆周 向有 12 個徑向位置。在這些位置 上 依 次 布 置 源量程探測器、中間量程探測器和功率量程探 測器，每個源量程、中間量程和功率量程探測器 組件為一組，共 4 組，互為冗余。相鄰每組內(nèi)相 同的探 測 器 互 為 90° 布 置，使 得 每 個 相 同 的 探 測器接收到的堆內(nèi)泄露出的中子注量率相同， 以避免測量時的畸變。軸向上，源量程 探 測 器 和中間量程探測器分別位于堆芯中子注量率最 高的位置，即基準面位于堆芯高 度 約 1 /4 的 標 高處。源量程探測器采用的

10、是 BF3 正 比 計 數(shù) 管， 中間量程探測器采用的是裂變室，功率量程探7592堆外核測量系統(tǒng)在核電站 中 的 工 程實踐目前，我國占主導地位的核電堆型有二代加改進型 和 AP1000 型 兩 種，下面分別介紹堆 外核測量系統(tǒng)在這兩種堆型中的應(yīng)用情況。測器采用的是非補償電離室。源量程和中間量程信號經(jīng)過各自的前置放大器處理后，進入核 測儀表信號處理組件，功率量程信號直接進入 核測儀表信號處理組件，隨后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最 終得到正比于堆芯功率的輸出信號。每個量程的 4 個測量通道所測得的數(shù)據(jù)在 產(chǎn)生停堆信號時，通過 4 取 2 邏輯符合，如有一 個通道發(fā)生故障或在檢修，則降級為 3 取 2 邏輯4

11、，這樣既保證了能及時產(chǎn)生 停 堆 信 號，又 避免了誤動作。信號時，由于源量程探測器和中間量程探測器各只有 2 個，因此它們只能采用 2 取 1 邏輯符 合。探測器所產(chǎn)生的信號也經(jīng)放大器 處 理 后， 給出相 應(yīng) 的 功 率 信 號，其 基 本 過 程 與 AP1000 類似。3AP1000 與二代加改進型壓水堆核電站堆外核測量系統(tǒng)的差別源量程和中間量程探測器通道數(shù)不同二代加改進型壓水堆的源量程和中間量程3. 12. 2堆外核測量系統(tǒng)在二代加改進型 核 電 站中的應(yīng)用二代加改進型壓水堆核電站堆外核測量系探測器分別為 2 個通道，其設(shè)計初衷為滿足單一故障準則，這種設(shè)計導致二代加改進型壓水 堆核電

12、站源量程高中子注量率停堆和中間量程 高中子注量率停堆只能采用 1 /2 邏 輯 ( 二 取 一) ，當一個通道發(fā)生故障或在維修時，剩下的 一個通道如果發(fā)生故障，就會導致誤停堆或無 法停堆，影響電廠經(jīng)濟性和安全性。因此，在二 代加改進型壓水堆電廠的運行技術(shù)規(guī)格書中， 對于源量程和中間量程的不可用，做了較嚴格 的規(guī)定。如: 在功率運行模式下，如果至少 1 個 中間量程測量通道不可用，則需在規(guī)定時間內(nèi) 后撤到 NS / A 模式( 利用余熱排出系統(tǒng)冷卻的模式) ; 如果 2 個中間量程測量通道不可用， 則需在 1 h 內(nèi)開始向 NS / A 模式后撤 ( 參考 寧德核電廠 1、2 號機組運行技術(shù)規(guī)范

13、) 。這對 于提高電廠可用率和經(jīng)濟性顯然是不利的。而在 AP1000 中，源量程和中間量程探測 器也采用了 4 通道的設(shè)計。這種設(shè)計在假設(shè) 1 個通道故障、1 個通道維修的情況下，仍能滿足 單一故障準則，其源量程高中子注量率停堆和 中間量程高中子注量率停堆可 采 用 2 /4 邏 輯， 在容錯率和維修的靈活性上較高。基于這種四重冗余的設(shè)計，在 AP1000 的 運行技術(shù)規(guī)格書中，對于源量程和中間量程的 不可用，其措施比二代加改 進型電廠要寬松。 仍以中間量程測量通道不可用為例，在功率較 低的功率運行狀態(tài)時，如果一個中間量程測量 通道不可用，其 措 施 為 在 2 h 內(nèi)旁通或觸發(fā)一 個不可運行

14、的通道; 如果 2 個中間量程測量通 道不可用，則需在 2 h 內(nèi)旁通一個通道，并觸發(fā) 另一個通道( 參考三門核電一期工程 1、2 號機組運行技 術(shù) 規(guī) 格 書 ) ，并沒有要求后撤。在 相 同的故障下，其可用率和經(jīng)濟性比二代加改進 型電廠要高，但探測器及相關(guān)系統(tǒng)初始投資比統(tǒng)也分為源量程、中間量程和功率量程 3 個量程。其源量程探測器和中間量程探測器各有 2 個通道，功率量程探測器有 4 個通 道。由 于 壓 力容器支承環(huán)的存在，探測器圓筒支架不能安 裝于測量位置，因此在安裝探測器時，需先將探 測器圓筒支架安裝在可移動裝置的拉出位置， 然后再移到測量位置 ( 參考大亞灣核電運營管 理有限責任公

15、司 培 訓 教 材: 900MW 壓 水 堆 核 電站系統(tǒng)與設(shè)備) 。如圖 4 所示。圖 4 探測器安裝示意圖在堆芯周 圍 有 8 個儀表井用于布置探測 器。其中 4 個儀表井用于 布置功率量程探測 器，互相之間呈 90° 角; 2 個處于對稱位置的儀 表井備用; 剩下的對稱的 2 個儀表井，每個儀表 井中上下布置一個中間量程探測器和一個源量 程探測器。在同一個儀表井中，中間量 程 探 測 器位于上方，布置于堆芯中平面上，源量程位于 下方，布置于堆芯高度約 1 /4 的標高處。源量程探測器采用的是涂硼正比計數(shù)管， 中間量程探測器采用的是補償電離室，功率量程探測器采用的是非補償電離室。

16、在產(chǎn)生停堆760事故下， 劑量率很高 ( 105 h 1 ) 而中子注量率較低 ( 105 n cm 2 s 1 ) ，此 時 即 使 經(jīng) 過 補 償，按照 3% 補償誤差計算，補償后的 信號仍 可達到中子注量信號的數(shù)十倍。因此，補 償 電 離室在事故后的開始階段無法如實反映中子注 量率，不具備事故后監(jiān)測功能。而 AP1000 中間量程探測器采用的是裂變 室，它采用坎貝爾法對噪聲信號進行抑制，系統(tǒng) 信 / 噪比通常都大于 1 000 /1，在 劑量率高而 中子注量率低的情況下仍能如實反映中子注量 率，具備事 故 后 監(jiān) 測 功 能。因 此，AP1000 的 中 間量程探測器相對于二代加改進型反

17、應(yīng)堆具有 測量范圍較寬，測量精度高，具備事故后測量功能等特點5，在 美 國，很 多 核 電 廠 都 將 原 有 的 電離室系統(tǒng)升級為了裂變室系統(tǒng)。二代加改進型電廠要大。3. 2安裝方式不同AP1000 的堆外 核 測 系 統(tǒng) 固定于反應(yīng)堆壓 力容器和一次屏蔽防護層之間，而二代加改進 型壓水堆核電站是先安裝到可移動裝置上，然 后再推到測量位置。相對而言，AP1000 的安裝 方式省掉了可運動的機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，有利于維 護，但探測器從安裝開始就處于探測位置，無法 改變，探測器持續(xù)受到較高中子注量率的照射， 其壽命會受到影響。而二代加改進型壓水堆的安裝方式在結(jié)構(gòu) 上相對復雜，但探測器有探測位置和拉出

18、位置， 當探測器不需工作時，可將其置于拉出位置，遠 離堆芯，所受到的中子注量率降低，有利于延長 探測器壽命。3. 3布置不同AP1000 的各個探測器獨占一個儀表井，沒 有留出備用井，源量程和中間量程探測器均布 置 在堆芯中子注量率最高的堆芯高度約 1 /4 處，其測量的準確度較高，但同時由于高中子注 量率，其壽命有限。而二代加改進型壓水堆核電站源量程和中 間量程探測器共享儀表井，因此中間量程探測 器只能布置在堆芯中平面標高處，此處比堆芯 高度 1 /4 處的中子注量率低，有利 于 延 長 探 測 器壽命，其測量準確度滿足要求，但 與 AP1000 相比相對較 低。同 時，這種布置方案留出了

19、2 個備用儀表井，有利于滿足電廠的一些特殊需 求。3. 4中間量程探測器原理不同中間量程探測器測得的是由中子注量而激 發(fā)的電流，但其中有一部分是由于 射線產(chǎn)生 的噪聲信號，且不能忽略。而且對噪聲 信 號 的 抑制能保證在出現(xiàn)低中子注量率、高 率的情 況下仍保證信號的正確性，因此中間量程探測 器的主要問 題 就 是 要 對 射線產(chǎn)生的噪聲信 號進行抑制。二代加改進型壓水堆核電站采用的是補償 電離室，理論上其補償率通常在 95% 99% 之 間，但通 常 情 況 下 在 97% 左 右，因 此 我 們 可 以 認為其補償誤差在 3% 左右。在某些設(shè)計基準4結(jié)束語堆外核測量系統(tǒng)作為關(guān)系到核安全的重要

20、系統(tǒng)，其基本原理和基本功 能并未發(fā)生變化。但隨著技術(shù)的發(fā)展進步，AP1000 相對于二代加 改進型壓水堆核電廠而言，在堆外核測量系統(tǒng) 的系統(tǒng)配置、儀表選型、安裝和布置上均做出了 有益的嘗試，尤其是在中間量程探測器上選用 裂變室替代補償電離室，應(yīng)該是今后的一個發(fā) 展方向。參考文獻:1周旭華，李富，韓松，等 堆外探測器讀數(shù)與堆內(nèi)功率分布 的 關(guān) 系 研 究J 核電子學與探測 技 術(shù)，2010，30( 2) : 166 1702 薛 莉 炯 數(shù)字儀表堆外核測量技術(shù)在 第 三 代AP1000 核電站 中 的 應(yīng) 用J 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012，( 12) : 85 873 于青玉，劉書煥，仲云紅，等

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24、 this paper，distributed underwater explosion transient signal acquisition and storage system is de-signed to capture the signals in the entire distributed system based on wireless sensor networks，data are trans- mitted between nodes and the master station by wireless network，wireless modules are based on the SPI bus protocol，the master station control nodes by sending commands to store and test the data and each sensor node is subject to the time synchronization，so that each node is i