核电站堆外核测量系统的原理及工程实践

1、Nuclear Electronics Detection Technology2014 年 6 月June2014核电站堆外核测量系统的原理及工程实践 毛欢，熊文彬，阙骥，王桂敏( 环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)摘要: 介绍了堆外核测量系统的原理和组成，比较了 AP1000 与二代加改进型压水堆核电站堆外核测量系统的异同，分析了各自的优缺点，并提出了堆外核测量系统的一个发展方向。关键词: 堆外核测量系统; AP1000; 二代加改进型压水堆中图分类号:文献标志码:文章编号:0258-0934( 2014) 06-0758-04TL 48A压水堆核电站堆外核测量系统用于向反应

2、堆保护系统提供中子注量率信号，在高中子注 量率和高变化率的情况下触发反应堆停堆，同 时连续监测反应堆功率、功率水平的变化和功 率分布，是关系到核安全的重要系统。反应堆在启动和运行过程 中，必 须 对 堆 芯 核功率进行连续不断的测量和监视，以保证反 应堆的安全。监测手段一般分为堆内和堆外两 种。堆内核测量系统由于受到堆内高辐射和探 测器寿命限制，一般仅用于定期获得堆芯功率 分布，无法做到连续监测。因此只能借 助 堆 外核测量系统对堆芯功率进行 连 续 监 测1。堆 外核测量系 统 在核电站中的主要作用是: ( 1 ) 连续监测反应堆功率、功率水平的变化及反应 堆轴向功率分布，对测得的各种模拟信

3、号予以 显示，为操纵员提供在装料、启动、功率 运 行 及 停堆等反应 堆 状态下中子注量率信息; ( 2 ) 监 测反应堆径向功率的倾斜和轴向的功率偏差;( 3) 向功率 调 节 系 统、反应堆保护系统提供功 率量程范围 内 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变化率高时触发反应堆紧急停堆。1堆外核探测器及其工作原理反应堆在进行核裂变的过 程 中，都 会 产 生具有一定能量的裂变碎片、中子、光子以及其他粒子，这些粒子和辐射的数量正比于裂变数量， 因此正比于反应堆功 率2。堆 外 核 测 量 系 统 基于此原理，通过测量泄露到堆外的中子注量 率水

4、平完成对堆芯功率的监测。通常，堆 外 核 探测器主要有正比计数管、裂变室、电离室 3 种 类型。1. 1正比计数管正比计数管分为涂硼正比计数管和 BF3 正比计数管。其工作原理基本相同。以 BF3 正比计数管为例，其形状为圆柱形。中心阳 极 细 丝 用钨丝做成，通过玻璃或陶瓷与外壳 绝 缘。圆 柱形外壳有金属和玻璃两种，若是金属则兼做 阴极。管内充 BF3 气体，其结构如图 1 所示。图 1 BF3 正比计数管结构图正比计 数 管的测量原理是利用入射中子 与10 B 产生如下反应:收稿日期: 2013 08 15作者 简 介: 毛 欢 ( 1982 ) ，男，湖 北 省 天 门 人，工 程 师

5、，主要从事核电厂运行安全审评工作。通信作者: 熊文彬，电子邮箱: xiongwb84 126 com。110740 n + 5 B 3 Li + 2 He + 2 793MeV743 Li + 2 He + 2 793MeV75873 Li + ( 0 48MeV)( 1)在计数管气体中产生具有很强致电离作用的 粒子和锂离子， 粒子使探测器内的气体 电离，在外电场的作用下，离子分别向阳极和阴 极运动，形成电脉冲。脉冲频率与中子 注 量 率 水平成正比关系，从而可以得到与中子注量率 成比例的计数。图 2 补偿电离室原理图堆外核测量系统在 AP1000 核 电 站 中 的 应用由于反应堆从启动到满

6、功 率 运 行，其 功 率1. 2裂变室裂变室由测量区同心外壳，同 轴 电 缆 等 组2. 1成，其外壳、外电极、芯级及同轴电缆材 料 均 为不锈钢，绝缘材料为三氧化二铝。裂变 室 内 部 充有氩气，电极表面涂一层二氧化铀。其 工 作原理 是: 中子束照射到涂有 UO2 的 阴 极 上，使235 U发生裂变，裂变碎片从涂层中射出，使电离 室中的氩气电离，电离产生的离子在外电场作 用下被收集，产生电脉冲或电流3。脉冲频率 或电流的大小与中子注量率成正比关系。变化 范 围 达 到 11 个 数 量 级 ( 额 定 功 率 的10 9 % 到 200% ，对应于中子注量率 10 1 n 2 110

7、2 1cm s到 10n cm s) ，使 用 一 种 探 测器无法满足测量要求。因此，堆外核测 量 系 统一般采用 3 种不同量程的核测仪表来测量反应 堆功率，即源量程探测器、中间量程探测器和功 率量程探测器，3 种量程之间两两相互重叠，确 保从停堆到满功率运行的整个阶段，系统都能 连续提供信号控制和保护反应堆。3 种探测器 的量程如图 3 所示。1. 3电离室电离室一般为圆柱形，主要由高压电极、集电极以及电极之间的绝缘支撑构成。电极之间充有氦气。电离室内部涂有硼。其工作原理与 正比计数管类 似，利用中子与硼反应产生的 粒子引起氦气电离，从而产生信号。在 中 子 注 量率很低的情况下，电离室

8、的电极上搜集到一 系列电流脉冲; 在中子注量率较高的情况下，电 离室的电极收集到一个电流。由于 射线也可使氦气电离，因此需采取 补偿的方式以避免误差，这种电离室称为补偿 电离室。一般采用两个同轴的圆柱形 电 离 室: 一个电离室是涂硼的，另一个是不涂 硼 的。涂 硼电离室对中子和 射线敏感，不涂硼电离室 只对 射线敏感，该两个电离室分别产生电离 电流，经反向连接后，就只剩下中子电 离 电 流。 其结构如图 2 所示。当中子注量率达到一定程 度，使 射线致电离产生的电流相对于 粒子 致电离产生的电流可以忽略不计时，就不需要 进行补偿了，这种电离室称为非补偿电离室。图 3 探测器量程范围源量程探测

9、器、中间量程探测器和功率量 程探测器各有 4 个测量通道，在反应堆压力容 器和一次屏蔽防护层之间的腔穴上沿反应堆周 向有 12 个径向位置。在这些位置 上 依 次 布 置 源量程探测器、中间量程探测器和功率量程探 测器，每个源量程、中间量程和功率量程探测器 组件为一组，共 4 组，互为冗余。相邻每组内相 同的探 测 器 互 为 90° 布 置，使 得 每 个 相 同 的 探 测器接收到的堆内泄露出的中子注量率相同， 以避免测量时的畸变。轴向上，源量程 探 测 器 和中间量程探测器分别位于堆芯中子注量率最 高的位置，即基准面位于堆芯高 度 约 1 /4 的 标 高处。源量程探测器采用的

10、是 BF3 正 比 计 数 管， 中间量程探测器采用的是裂变室，功率量程探7592堆外核测量系统在核电站 中 的 工 程实践目前，我国占主导地位的核电堆型有二代加改进型 和 AP1000 型 两 种，下面分别介绍堆 外核测量系统在这两种堆型中的应用情况。测器采用的是非补偿电离室。源量程和中间量程信号经过各自的前置放大器处理后，进入核 测仪表信号处理组件，功率量程信号直接进入 核测仪表信号处理组件，随后进行模数转换，最 终得到正比于堆芯功率的输出信号。每个量程的 4 个测量通道所测得的数据在 产生停堆信号时，通过 4 取 2 逻辑符合，如有一 个通道发生故障或在检修，则降级为 3 取 2 逻辑4

11、，这样既保证了能及时产生 停 堆 信 号，又 避免了误动作。信号时，由于源量程探测器和中间量程探测器各只有 2 个，因此它们只能采用 2 取 1 逻辑符 合。探测器所产生的信号也经放大器 处 理 后， 给出相 应 的 功 率 信 号，其 基 本 过 程 与 AP1000 类似。3AP1000 与二代加改进型压水堆核电站堆外核测量系统的差别源量程和中间量程探测器通道数不同二代加改进型压水堆的源量程和中间量程3. 12. 2堆外核测量系统在二代加改进型 核 电 站中的应用二代加改进型压水堆核电站堆外核测量系探测器分别为 2 个通道，其设计初衷为满足单一故障准则，这种设计导致二代加改进型压水 堆核电

12、站源量程高中子注量率停堆和中间量程 高中子注量率停堆只能采用 1 /2 逻 辑 ( 二 取 一) ，当一个通道发生故障或在维修时，剩下的 一个通道如果发生故障，就会导致误停堆或无 法停堆，影响电厂经济性和安全性。因此，在二 代加改进型压水堆电厂的运行技术规格书中， 对于源量程和中间量程的不可用，做了较严格 的规定。如: 在功率运行模式下，如果至少 1 个 中间量程测量通道不可用，则需在规定时间内 后撤到 NS / A 模式( 利用余热排出系统冷却的模式) ; 如果 2 个中间量程测量通道不可用， 则需在 1 h 内开始向 NS / A 模式后撤 ( 参考 宁德核电厂 1、2 号机组运行技术规范

13、) 。这对 于提高电厂可用率和经济性显然是不利的。而在 AP1000 中，源量程和中间量程探测 器也采用了 4 通道的设计。这种设计在假设 1 个通道故障、1 个通道维修的情况下，仍能满足 单一故障准则，其源量程高中子注量率停堆和 中间量程高中子注量率停堆可 采 用 2 /4 逻 辑， 在容错率和维修的灵活性上较高。基于这种四重冗余的设计，在 AP1000 的 运行技术规格书中，对于源量程和中间量程的 不可用，其措施比二代加改 进型电厂要宽松。 仍以中间量程测量通道不可用为例，在功率较 低的功率运行状态时，如果一个中间量程测量 通道不可用，其 措 施 为 在 2 h 内旁通或触发一 个不可运行

14、的通道; 如果 2 个中间量程测量通 道不可用，则需在 2 h 内旁通一个通道，并触发 另一个通道( 参考三门核电一期工程 1、2 号机组运行技 术 规 格 书 ) ，并没有要求后撤。在 相 同的故障下，其可用率和经济性比二代加改进 型电厂要高，但探测器及相关系统初始投资比统也分为源量程、中间量程和功率量程 3 个量程。其源量程探测器和中间量程探测器各有 2 个通道，功率量程探测器有 4 个通 道。由 于 压 力容器支承环的存在，探测器圆筒支架不能安 装于测量位置，因此在安装探测器时，需先将探 测器圆筒支架安装在可移动装置的拉出位置， 然后再移到测量位置 ( 参考大亚湾核电运营管 理有限责任公

15、司 培 训 教 材: 900MW 压 水 堆 核 电站系统与设备) 。如图 4 所示。图 4 探测器安装示意图在堆芯周 围 有 8 个仪表井用于布置探测 器。其中 4 个仪表井用于 布置功率量程探测 器，互相之间呈 90° 角; 2 个处于对称位置的仪 表井备用; 剩下的对称的 2 个仪表井，每个仪表 井中上下布置一个中间量程探测器和一个源量 程探测器。在同一个仪表井中，中间量 程 探 测 器位于上方，布置于堆芯中平面上，源量程位于 下方，布置于堆芯高度约 1 /4 的标高处。源量程探测器采用的是涂硼正比计数管， 中间量程探测器采用的是补偿电离室，功率量程探测器采用的是非补偿电离室。

16、在产生停堆760事故下， 剂量率很高 ( 105 h 1 ) 而中子注量率较低 ( 105 n cm 2 s 1 ) ，此 时 即 使 经 过 补 偿，按照 3% 补偿误差计算，补偿后的 信号仍 可达到中子注量信号的数十倍。因此，补 偿 电 离室在事故后的开始阶段无法如实反映中子注 量率，不具备事故后监测功能。而 AP1000 中间量程探测器采用的是裂变 室，它采用坎贝尔法对噪声信号进行抑制，系统 信 / 噪比通常都大于 1 000 /1，在 剂量率高而 中子注量率低的情况下仍能如实反映中子注量 率，具备事 故 后 监 测 功 能。因 此，AP1000 的 中 间量程探测器相对于二代加改进型反

17、应堆具有 测量范围较宽，测量精度高，具备事故后测量功能等特点5，在 美 国，很 多 核 电 厂 都 将 原 有 的 电离室系统升级为了裂变室系统。二代加改进型电厂要大。3. 2安装方式不同AP1000 的堆外 核 测 系 统 固定于反应堆压 力容器和一次屏蔽防护层之间，而二代加改进 型压水堆核电站是先安装到可移动装置上，然 后再推到测量位置。相对而言，AP1000 的安装 方式省掉了可运动的机构，结构简单，有利于维 护，但探测器从安装开始就处于探测位置，无法 改变，探测器持续受到较高中子注量率的照射， 其寿命会受到影响。而二代加改进型压水堆的安装方式在结构 上相对复杂，但探测器有探测位置和拉出

18、位置， 当探测器不需工作时，可将其置于拉出位置，远 离堆芯，所受到的中子注量率降低，有利于延长 探测器寿命。3. 3布置不同AP1000 的各个探测器独占一个仪表井，没 有留出备用井，源量程和中间量程探测器均布 置 在堆芯中子注量率最高的堆芯高度约 1 /4 处，其测量的准确度较高，但同时由于高中子注 量率，其寿命有限。而二代加改进型压水堆核电站源量程和中 间量程探测器共享仪表井，因此中间量程探测 器只能布置在堆芯中平面标高处，此处比堆芯 高度 1 /4 处的中子注量率低，有利 于 延 长 探 测 器寿命，其测量准确度满足要求，但 与 AP1000 相比相对较 低。同 时，这种布置方案留出了

19、2 个备用仪表井，有利于满足电厂的一些特殊需 求。3. 4中间量程探测器原理不同中间量程探测器测得的是由中子注量而激 发的电流，但其中有一部分是由于 射线产生 的噪声信号，且不能忽略。而且对噪声 信 号 的 抑制能保证在出现低中子注量率、高 率的情 况下仍保证信号的正确性，因此中间量程探测 器的主要问 题 就 是 要 对 射线产生的噪声信 号进行抑制。二代加改进型压水堆核电站采用的是补偿 电离室，理论上其补偿率通常在 95% 99% 之 间，但通 常 情 况 下 在 97% 左 右，因 此 我 们 可 以 认为其补偿误差在 3% 左右。在某些设计基准4结束语堆外核测量系统作为关系到核安全的重要

20、系统，其基本原理和基本功 能并未发生变化。但随着技术的发展进步，AP1000 相对于二代加 改进型压水堆核电厂而言，在堆外核测量系统 的系统配置、仪表选型、安装和布置上均做出了 有益的尝试，尤其是在中间量程探测器上选用 裂变室替代补偿电离室，应该是今后的一个发 展方向。参考文献:1周旭华，李富，韩松，等 堆外探测器读数与堆内功率分布 的 关 系 研 究J 核电子学与探测 技 术，2010，30( 2) : 166 1702 薛 莉 炯 数字仪表堆外核测量技术在 第 三 代AP1000 核电站 中 的 应 用J 数字技术与应用，2012，( 12) : 85 873 于青玉，刘书焕，仲云红，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