核電站堆外核測量系統(tǒng)的原理及工程實踐

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1、NuclearElectronics＆DetectionTechnology2014年6月June．2014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)06-0758-04TL48A壓水堆核

2、電站堆外核測量系統(tǒng)用于向反應(yīng)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

3、應(yīng)堆軸向功率分布，對測得的各種模擬信號予以顯示，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

4、中子注量率水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1BF3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10B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，主要從事核電廠運行

5、安全審評工作。通信作者:熊文彬，電子郵箱:xiongwb84@126．com。110740n+5B→3Li+2He+2．793MeV74→3Li+2He+2．793MeV75873Li+γ(0．48MeV)(1)在計數(shù)管氣體中產(chǎn)生具有很強致電離作用的α粒子和鋰離子，α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)堆從啟動到滿功率運行，其功率1.2裂變室裂變室

6、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235U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10－1n．－2－110－2－1cm．s到10n．cm．s)，使用一種探測器無法滿足測量要求。因此，

7、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α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

8、集到一個電流。由于γ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γ射線敏感，不涂硼電離室只對γ射線