核监测系统教学课件

1、核 监 测 系 统2022年8月3日核电厂像任何其它工业设施一样，需要监控其工艺和设备的技术手段。这些手段总体上构成了电厂的仪控（I&C）系统，仪控系统实际上由多个系统及其电气、电子设备构成。仪控系统的组成基本上包括将物理变量转换成电气信号的传感器，处理这些信号并控制驱动器的可编程控制器，以及操纵员的监控实施。仪控系统及有关设备的整体设计必须符合工艺、核安全和运行条件的要求。概 述I&C的多层结构 0层：工艺过程接口，由传感器和开关装置构成 1层：系统自动化，反应堆保护， 反应堆控制、监督和限制功能， 安全自动化，过程自动化。2层：工艺过程监控，工作站和位于主控室内的仪表盘、应急停堆站和技术支

2、持中心，它们也被称作人机接口（MMI）。起到MMI和“系统自动化”之间连接作用的I&C系统。 3层：用于电厂管理功能主要I&C 类型通用仪表系统控制点厂各种机械与电气系统向操作人员提供用于监督和控制电厂运行的控制与信息手段反应堆保护与控制系统 (RPCS)控制反应堆功率并监视堆芯参数对反应堆进行保护并缓解可能导致放射性释放的事故汽机保护与控制系统 (TPCS)控制汽轮发电机负荷对汽轮发电机实施保护专用仪表系统包括堆芯通量监测、放射性监测、振动监测、地震仪表等水冷却控制、CRDM 供电发电机组控制 等特殊数据处理设备许多仪表通道为控制、监督和保护系统提供测量数据并为控制室工作人员提供信息。重要控

3、制功能采用多通道信息采集，例如一回路冷却剂压力和温度控制，反应堆压力容器液位控制。多通道和多样化数据采集方式得到了应用。压水堆控制 反应性控制和功率分布控制压水堆的快速变化反应性控制主要通过改变控制棒在堆芯中的位置来实现 功率调节根据汽轮机负荷和反应堆冷却剂的平均温度，操纵控制棒在堆芯中的位置，以调节反应堆的功率，使其与汽轮机组的出力相匹配 一回路系统压力控制借助稳压器的加热器(在水区内)或喷雾器(在蒸汽区内)，以保持稳压器压力在规定范围内 稳压器水位控制反应堆冷却剂系统内的水容量，即稳压器水位是靠化学和容积控制系统(CVCS)来保持的 蒸汽发生器水位控制基本功能是调节进入蒸汽发生器二次侧的给

4、水流量，使得在正常运行工况下蒸汽发生器的水位保持在规定范围内 蒸汽排放控制 蒸汽排放系统的作用是在汽轮机负荷突然大幅度减少之后，有控制地将蒸汽直接排放至凝汽器，从而在蒸汽发生器上保持一个人为的负荷以减小反应堆冷却剂系统的瞬态变化 压水堆保护反应堆保护系统是核电厂重要的安全系统之一，对限制核电厂事故的发展、减轻事故后果，保证反应堆及核电厂设备和人员的安全、防止放射性物质向周围环境的释放具有十分重要的作用 反应堆保护系统包括紧急停堆系统和专设安全设施驱动系统，监测经安全分析确定的保护参数，当这些参数超过预先确定的整定值时触发紧急停堆和/或启动专设安全设施。通过对停堆断路器和安全驱动器的控制，确保反

5、应堆的安全 反应堆控制系统调节与反应堆运行有关的重要参数，将这些参数限制在允许的范围内。在控制系统由于故障给出错误指令或发生异常事件（事故）时，反应堆保护系统动作，将重要参数维持在规定的范围内，保证反应堆的安全 压水堆测量 反应堆保护系统是核电厂重要的安全系统之一，对限制核电厂事故的发展、减轻事故后果，保证反应堆及核电厂设备和人员的安全、防止放射性物质向周围环境的释放具有十分重要的作用 反应堆保护系统包括紧急停堆系统和专设安全设施驱动系统，监测经安全分析确定的保护参数，当这些参数超过预先确定的整定值时触发紧急停堆和/或启动专设安全设施。通过对停堆断路器和安全驱动器的控制，确保反应堆的安全 反应

6、堆控制系统调节与反应堆运行有关的重要参数，将这些参数限制在允许的范围内。在控制系统由于故障给出错误指令或发生异常事件（事故）时，反应堆保护系统动作，将重要参数维持在规定的范围内，保证反应堆的安全 压水堆测量核电厂一回路监测系统 反应堆冷却剂进、出口温度测量；一回路压力测量；一回路流量测量；稳压器、蒸汽发生器、压力容器水位测量；一回路硼浓度测量；蒸汽品质检测；水质检测 燃料破损检测 蒸汽发生器传热管破损探测诊断与监测系统松脱部件监测系统振动监测系统泄漏监测系统（安全壳内）湿度泄漏监测系统（安全壳外）疲劳监测系统地震监测系统阀门、执行机构诊断系统机械转动部件诊断传感器响应时间和落棒时间测试装置Mi

7、d-loop运行监测系统核仪表（堆芯外测量）系统(RPN)的功能（1）提供监测信号（2）提供控制信号（3）安全功能测量内容：监测反应堆的功率，功率变化，功率分布显示，记录核监测系统在反应堆停堆、启动、正常运行、事故工况和事故后工况下对中子通量水平及其变化率进行监测，向反应堆保护系统、事故后监测系统、功率控制系统和控制室提供反应堆核功率和周期信号。核电站的核监测系统通过检测堆芯的泄漏中子和检测堆芯本身的中子通量水平来监测堆芯中子通量水平。中子监测的这两个不同的要求通过两个完全独立的中子监测系统得到满足，它们是堆芯外核监测系统和堆芯内核监测系统。第1章 堆芯外核监测系统（功率测量系统）伴随裂变而来

8、的所有辐射的相互作用都能产生热。因此，所产生的热量是核反应堆功率的直接度量。遗憾的是由于热惯性的原因，热是一种十分缓慢的指示量。反应堆的热功率正比于堆芯内中子注量率。中子注量率对反应堆功率变化的响应速度快（毫秒级），所以普遍用来监测堆的热功率。1.1 系统描述反应堆功率测量是通过反应堆堆芯外核检测仪表及系统（即中子通量密度测量仪表及系统）来实现的。反应堆堆芯外核检测仪表系统也是用来保护反应堆的。它监测中子通量，并提供事故停堆和报警信号。在启动和功率运行时，它通过指示反应堆的状态来提供间接的控制功能。1.2 测量量程分区与探测器选择反应堆长期停闭后再启动时，从中子源水平到满功率水平，中子注量率一

9、般要增长810个数量级，用一种探测器难以满足要求，通常把整个区段分为源区段、中间区段和功率区段，分别用不同的探测器进行测量。堆芯外核测量仪表系统使用了3种型式的仪表通道来提供3种功率水平的保护功能。在每一种仪表的测量范围内（源量程、中间量程和功率量程）都提供了反应堆在该范围内运行时所需要的必要的超功率保护。为避免出现盲区，相邻二种探测器的测量范围要求有12个量级的重叠。仪表测量范围的重迭提供了源量程和中间量程及功率量程的连续的保护。监测系统能在堆芯初始装料、停堆、启动和功率运行以及装卸料时，提供反应堆中子通量的指示和记录，并能把事故停堆信号、停棒控制信号以及报警信号发送到控制和保护系统。源量程

10、通道（CP正比计数管）测量范围：中子注量率：10-12105n/cm2对应功率：10-9 FP10-3 FP 中间量程通道（CIC补偿电离室）测量范围：中子注量率： 2.01025.01010n/cm2对应功率： 10-6 FP100FP 功率量程通道（CIMC 非补偿电离室）测量范围：中子注量率： 510251010n/cm2对应功率：10-1 FP200FP 探测器选择源区段中子注量率水平很低，且有较高的辐射场，探测器通常采用硼正比计数管，测量100106（cm2.s）-1中子注量率；中间区段用带补偿的电离室，测量1041010（cm2.s）-1范围的中子注量率；功率区段采用不带补偿的电离

11、室，测量1081010（cm2.s）-1范围的中子注量率。由于需测量堆芯轴向功率不平衡，功率区段探测器使用长度与堆芯高度相当的长中子电离室，且按堆芯中点对称沿轴向分为上下2节或上下各3节的电离室。探测器布置中子注量率三个区段的测量信号都必须输入到反应堆保护系统以作为保护系统的保护变量。为保证保护系统各个冗余通道的独立性，通常源区段和中间区段探测器设置2个独立的测量通道，相应安装2套独立的测量装置；功率区段探测器设置4个独立的测量通道，相应安装4套独立的测量装置。探测器布置1.3 系统组成和功能最低量程称为中子源启动量程，即源量程，其特点是中子通量密度小，本底较小。源量程核检测仪表系统一般采用B

12、F3正比计数管或涂硼正比计数管或裂变电离室。它有两个通道。每个通道均由探测器、前置放大器和脉冲计数率装置组成它的任务是指示反应堆启动过程中的功率和功率变化速度，同时为保护系统提供功率与周期保护信号。1.3.1 源量程核检测仪表系统探测器工作时需要由专用高压电源供电。脉冲计数率装置主要由处理单元、低压电源、高压电源和自检单元组成。探测器将中子信号转变成电脉冲信号，送到前置放大器。前置放大器将电脉冲信号进行放大、甄别、成形并转变成符合TTL电平标准的脉冲信号，送处理单元进行处理和计算，形成脉冲计数率和计数率变化率（周期）信号。脉冲计数率与中子注量率成正比。1.3.1 源量程核检测仪表系统脉冲计数率

13、装置产生的脉冲计数率和周期信号经信号隔离后形成多路测量信号，这些信号彼此独立并与脉冲计数率装置内部电路电气隔离。脉冲计数率装置可以进行在线自检和离线检验。仪器对高压电源、低压电源及本机电路进行在线自检，当发现故障时给出故障触点信号，分别送保护系统和DCS系统。装置内设有标准脉冲信号源供定期离线检验之用。1.3.1 源量程核检测仪表系统1.3. 2 中间量程核检测仪表系统每座反应堆设2个中间量程子系统，每个子系统的结构和工作原理完全相同。中间量程中子通量密度已大增，本底较大，所以通常采用补偿电流型硼电离室。它担任反应堆启动的后半部分测量功率和周期的任务。每个中间量程子系统由探测器、前置放大器和后

14、级测量装置组成。探测器工作时需要由专用高压电源供电。测量装置主要由放大器、处理单元、低压电源、高压电源和自检单元组成。1.3.3 功率量程核检测仪表系统每座反应堆设4个完全相同的功率量程通道。功率量程核测量仪表系统通常使用长中子电离室。一个功率量程通道的4个电离室探测器组装成一个探测器组件，4个电离室沿轴向均匀布置。长中子电离室输出的比较大的电流信号直接用直流放大器放大，放大后的信号送出进行功率指示、反应堆功率调节和安全保护。1.3.3 功率量程核检测仪表系统每个功率量程通道包括4个功率测量回路和1个信号加权平均装置。每个测量回路由1个探测器、1个前置放大器和1个功率测量装置组成。功率量程通道

15、的探测器为补偿电离室，探测器工作时由专用高压电源供电。每个功率测量装置主要由处理单元、低压电源、高压电源和自检单元组成。为了满足5个量级的测量范围，前置放大器实现量程自动切换。每个测量回路的探测器将中子信号转变成电流信号送到前置放大器，经前置放大器将电流信号转变成电压信号并放大后送功率测量装置的处理单元。其电流电压转换系数可调，以适应中子注量率与功率关系的变化。处理单元经过处理和计算后，形成本测量回路的分功率水平信号。4个功率测量回路得出的分功率水平信号包含了核功率的轴向分布信息，4个分功率水平信号经加权平均装置进一步处理得到该测量通道的核功率和核功率变化率（周期）信号。每个功率测量装置输出的

16、分功率水平信号经隔离后送DCS系统作功率分布计算使用。信号加权平均后产生的周期信号和核功率信号经隔离后形成多路输出信号，这些信号彼此独立并与测量装置内部电路电气隔离。每个功率测量装置可以进行在线自检和离线检验。仪器对高压电源、低压电源及本机电路进行在线自检，当发现故障时给出两个独立的故障触点信号，分别送保护系统和DCS系统。仪器内设置标准电流信号源，供仪器定期离线检验之用。1.3.4 宽量程中子周期监测系统如前所述，在一般反应堆中，从源水平到满功率对应的中子通量变化在十个数量级以上。通常测量这么宽范围的中子通量要用三种测量通道，使用不同的探测器（计数管、裂变室、电离室）相互叠加才能完成。实现反

17、应堆宽量程中子通量测量是简化反应堆测量系统、控制保护系统和反应堆结构的一个重要方面。宽量程中子周期监测系统应用脉冲测量技术和均方电压测量技术的结合，仅用一个固定位置的裂变电离室，完成十个数量级范围的中子通量连续测量，而且对射线有很好的甄别能力，它具有量程宽、功能多、自动化程度高等特点，可以简化反应堆控制和保护系统，减少堆内测量孔道。用于反应堆启动过程中的功率和周期测量及周期和小功率保护，测量从源区到满功率的中子通量。它给出反应堆对数功率指示和周期指示以及周期和小功率保护信号，它与探测器之间的连接电缆可达50米以上，便于实现远距离测量。它既可以用作保护系统中的安全监测装置，又可以作为核测系统中的

18、测量仪器。宽量程测量装置主要由处理单元、低压电源、高压电源和自检单元组成。探测器将中子信号转变成电信号送到前置放大器，在中子注量率低于105nv时向前置放大器提供电脉冲信号，供给前置放大器内的脉冲放大电路。当中子注量率大于105nv后，脉冲相互叠加形成统计涨落信号，供给前置放大器内的放大电路。前置放大器将来自探测器的脉冲或统计涨落信号放大后，输入处理单元进行处理和计算，形成周期信号和核功率信号。第2章 堆芯监测系统为正确掌握堆芯内功率分布状况，防止反应堆总功率虽在设计额定范围内，但由于堆芯功率分布过份不均匀或燃料组件内冷却水流道发生异常而出现局部功率或热力参数超过允许值，需要设置堆芯测量系统。

19、根据堆芯燃料组件出口温度和中子注量率分布测量系统得到的数据，分析计算即可确定堆芯功率分布，进一步计算出冷却剂焓的分布和燃耗分布以及估计冷却剂流量分布，判断堆芯出现局部容积沸腾的危险及程度。压水堆的堆芯测量系统由堆芯中子注量率测量和燃料组件冷却剂出口温度测量两部分组成。设计要求约1/3燃料组件设置有中子注量率测量通道或设置热电偶测堆芯燃料组件冷却剂出口温度，或两者都有。一座百万千瓦级的压水反应堆一般设有50个左右的中子注量率测量通道和40支左右的热电偶。 热电偶和通量测量套管分布堆芯中子注量率测量方法主要有利用小型裂变室进行直接测量和利用气动球活化进行间接测量等多种。利用小型裂变室的直接测量法为

20、更多的压水堆核电厂采用。该裂变室能在反应堆堆芯内部测量管道中移动，进行该测量管处堆芯垂直方向的中子注量率分布的局部测量，探测中子注量率分布的变化。通常一个探测器可轮流插入10个测量管道中进行测量，如果要测量堆芯内50个位置的垂直中子注量率分布，就需要有5个探测器，相应的要有5台驱动装置，并且要有一套测量用的管路系统。由于堆芯核测量系统仅间断地使用,同时还由于该系统从测量到获得可用数据之间的时间间隔太长,所以该系统在核电厂中不承担安全功能。该系统的功能是验证用于设计和事故分析的某些设计参数是否谨慎。当怀疑控制棒错放、燃料装载错误等时，该系统也可用于证实或探测这些错误或异常工况。在该系统不能使用的

21、情况下，反应堆仍可继续正常运行。直到按照运行技术规格书的要求，从最后一次提供中子通量图起最长一个月的时候，需要提供新的中子通量图（局部的或全堆的）。尽管堆芯核测量系统不承担安全功能，但系统中作为反应堆冷却剂边界的设备（导向管、密封组件和指套管等），应按反应堆冷却剂系统条件进行设计和制造，并符合核电厂安全准则的要求。在反应堆正常运行期间，堆芯核测量系统是间断式工作的，最长一个月应测绘一次中子通量图。在启堆物理试验期间，该系统需要更加频繁地使用。整个系统应能够在两次计划停堆之间完成上述功能，而无需运行人员进入到反应堆厂房内进行任何操作。根据系统内部各设备的功能和布置，堆芯核测量系统主要由以下几部分

22、设备组成：1安装在堆坑和堆芯仪表间，用于保证一回路压力边界完整性的机械设备，如指套管、导向管、手动隔离阀和密封组件等；2安装在堆芯仪表间，用于驱动和控制移动式微型裂变室进出堆芯的机电设备，如电动阀、选择器和驱动单元等；3安装在反应堆厂房环廊，用于为堆芯仪表间的机电设备供电的分配柜；4安装在电气厂房，起着整个系统测量和控制中枢作用的控制柜。在不同的核电厂，根据堆芯核设计所确定的测量要求，系统的总体规模也有所不同。例如，秦山二期核电厂采用4个微型裂变室在38根指套管中进行测量，因此整个系统配置了4个测量通道；大亚湾和岭澳核电厂则采用5个微型裂变室在50根指套管中进行测量，因此整个系统配置了5个测量

23、通道。第2章 核反应堆用中子探测器2.1 BF3正比计数管BF3正比计数管用金属园管做成，顺着管的轴向紧悬着一根小直径的集电极（通常用钨），管内充以三氟化硼气体，硼吸收中子后发出粒子使三氟化硼电离，一次电离所产生的电子在计数管内电场作用下加速并向集电极移动，它获得的能量足以使其它分子电离，这些电子全部到达中心电极后，在负载电阻上就产生一个电压脉冲，脉冲频率与中子通量水平成线性关系。当工作电压足够大时，入射中子使BF3气体发生所谓“气体放大”，即次电子在高电场作用下，在与气体或分子作相邻两次碰撞之间的自由程中积累了足够的能量，以致可以使气体分子再次被电离，每碰撞一次，电荷载流子的数目增加一倍，电

24、流以倍增系数 （n为初级电子到达阳极的路径上与气体分子碰撞的平均次数）被放大。中子探测器工作在“正比区”，利用正比气体放大特点制作的中子探测器叫“BF3正比计数管”，它的气体放大倍数A对一定的外加电压下是常数，A值甚至可达106。三氟化硼(BF_3)正比计数管是应用十分广泛的慢中子探测器之一,1939年可尔夫(Korff)首先制成了这种计数管,后来经过各国有关研究工作者进一步改进和提高,目前可作出阴极直径10厘米的BF_3计数管(充气到一大气压左右)。目前,它仍然在继续发展中,BF_3气体正比计数管对于固体和液体的慢中子探测器来说有它的优点:在技术上较简单;生产成本低;使用方便;对射线的分辨能

25、力高等,并且可获得较高的探测效率。2.2 硼正比计数管这是历史最久、技术生命最长的堆用探测器。1944年第一座原子核反应堆中应用了它，而现代反应堆中，它仍然是最主要的堆用探测器之一。硼计数管都是利用慢中子与10B原子核发生核反应所产生的和7Li核在工作气体中产生电离而输出信号核反应为：大部分（93.9）核反应产生的7Li核及粒子的能量为2.31MeV，另外还带有0.478 MeV的光子。一小部分（6.l）核反应不发出 光子，7Li核与粒子的总能量为2.79 MeV。由于7Li核及粒子都是重带粒子，因而其能量易于大部甚至全部消耗在工作气体中来产生离子对，输出脉冲信号。2.3 补偿电离室补偿电离室一般选用涂硼电流电离室。圆柱形补偿电离室由内外两个电离室构成（也有更多的，但原理相同）。连接两个电离室，使它们的输出电流极性刚好相反，因此来自探测器的净电流输出将是两个电离室电流的代数和。可以写成如下的数学式： 实际上两个电离室对射线的灵敏度不可能完全相同，受照射情况也有一定差异，因此不可能完全补偿。但是，可以尽可能使这些影响减到最小，甚至可以忽略。中间的圆柱体作为收集极，最外的圆柱体内表面涂硼，使用时加正高压（HV），收集极的外表面也涂硼。它们组成对中子和射线都灵敏的涂硼电离室；最内的圆柱体作为补偿电离室的电