核电站堆外核测量系统的原理及工程实践.docx

Nuclear Electronics ＆ Detection Technology2014 年 6 月June．2014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，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． 793MeV74→3 Li + 2 He + 2． 793MeV75873 Li + γ( 0． 48MeV)( 1)在计数管气体中产生具有很强致电离作用的 α 粒子和锂离子，α 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－ 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