核电站堆外核测量系统的原理及工程实践

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1、NuclearElectronics＆DetectionTechnology2014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)06-0758-04TL48A压水堆核

2、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

3、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

4、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1BF3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10B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

5、安全审评工作。通信作者:熊文彬，电子邮箱:xiongwb84@126．com。110740n+5B→3Li+2He+2．793MeV74→3Li+2He+2．793MeV75873Li+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

6、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235U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10－1n．－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，

7、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α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

8、集到一个电流。由于γ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γ射线敏感，不涂硼电离室只对γ射线