核電廠功率測量方法與展望

魏亞龍

摘 要：核反應(yīng)堆是通過核裂變而產(chǎn)生能量，所以經(jīng)常借助于觀察與核裂變過程相聯(lián)系的“輻射”來測量核反應(yīng)堆的功率水平。核測系統(tǒng)的作用是探測中子通量密度信號用于反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，對于功率水平的變化和堆芯的功率分布的連續(xù)監(jiān)測具有重要作用。論文通過收集國內(nèi)外資料文獻(xiàn)，分析各種類型核電廠堆外核測系統(tǒng)探測器測量功率分布方法以及趨勢。

關(guān)鍵詞：核電廠;核測系統(tǒng);探測器

0引言

對反應(yīng)堆功率分布的監(jiān)測可以直接反映堆芯是否安全可控。而堆外探測器對于堆芯功率分布的監(jiān)測起到了關(guān)鍵作用。本文是在搜集大量國內(nèi)外文獻(xiàn)資料的前提下，圍繞堆外核測系統(tǒng)的探測器進(jìn)行了一系列闡述，并對探測器的發(fā)展做了概括。

1 核測量系統(tǒng)

1.1 核測量系統(tǒng)簡述

反應(yīng)堆中先驅(qū)核每產(chǎn)生一次裂變，都會產(chǎn)生帶有動能的裂變碎片、γ光子、中子以及其他粒子，這些粒子的裂變概率與堆功率成正比，可以通過監(jiān)測核裂變的過程，為反應(yīng)堆的控制和保護(hù)提供數(shù)據(jù)。核電站的堆外核測系統(tǒng)可用來測量中子通量密度，在變化率以及非常高的中子通量密度的情況下會觸發(fā)緊急停堆信號。在壓水堆核電站中，核測系統(tǒng)，通常情況分為兩種類型：一是反應(yīng)堆功率測量系統(tǒng)，固定在反應(yīng)堆外部;二是布置在堆芯的中子通量密度測量系統(tǒng)。

1.2 核測量系統(tǒng)作用

在核電廠中，堆外核測量系統(tǒng)的作用主要是：（1）對反應(yīng)堆功率水平和軸向功率分布進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，在各種反應(yīng)堆工況下，為操作員監(jiān)測中子通量密度;（2）對反應(yīng)堆的軸向功率偏移和徑向功率傾斜情況進(jìn)行監(jiān)測;（3）為保護(hù)系統(tǒng)和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提供中子通量密度信息;（4）當(dāng)發(fā)生異常工況，引發(fā)緊急停堆信號。

2 常用于堆芯功率測量的探測器

2.1 探測器工作原理

由于中子不帶電，在通過物質(zhì)時，與物質(zhì)無法直接產(chǎn)生電離。所以，根據(jù)，中子與原子核發(fā)生相互作用時發(fā)出γ光子或其他帶電粒子。根據(jù)這一原理，間接進(jìn)行測量中子活動的。探測活動分為兩步：一是使中子與原子核產(chǎn)生作用，然后發(fā)出帶電粒子或者γ光子;二是利用第一步中產(chǎn)生的帶電粒子或γ光子引起的次級電離或激發(fā)出的次級電子進(jìn)行探測。

2.2 常見的探測器類型

堆芯功率測量的探測器主要有：正比計數(shù)管、裂變室、自給能探測器、電離室等。

正比計數(shù)管一般工作在脈沖工作方式，既可以測量中子注量率，又能夠測量入射粒子的能量。它的主要優(yōu)點(diǎn)有輸出的脈沖幅度大、輸出信號信噪比大、具有很強(qiáng)甄別能力，可以在強(qiáng)γ本底下測量中子或強(qiáng)β本底下測量α粒子。

在電離室中，中子與先驅(qū)核作用產(chǎn)生的粒子中，γ射線使得氦氣發(fā)生電離，對其進(jìn)行補(bǔ)償以減小誤差，此原理而制作成的電離室稱為補(bǔ)償電離室。補(bǔ)償電離室的組成成分由兩個同軸涂硼和不涂硼電離室組成。前者可對中子和γ射線發(fā)生作用，后者只對γ射線敏感，通過反向連接以后只剩下中子電離電流。當(dāng)中子通量密度飽和達(dá)到額定上限時，相比α粒子產(chǎn)生的電流，γ射線產(chǎn)生的電流實(shí)際小到可以不考慮時，不用補(bǔ)償?shù)碾婋x室叫做非補(bǔ)償電離室。

自給能型探測器又包括Pt型探測器和V型探測器，自給能探測器無需通過增加額外的工作電壓，用來區(qū)分和收集電離作用而產(chǎn)生的電子，從而生成電流脈沖。在強(qiáng)電離輻射場中使用這種探測器時，在發(fā)射電極一側(cè)產(chǎn)生電離反應(yīng)，生成的電子首先會離開發(fā)射電極，然后通過環(huán)形固體絕緣體，最后來到收集電極。

4 反應(yīng)堆功率測量系統(tǒng)

反應(yīng)堆功率和反應(yīng)堆周期這兩個因子，是反應(yīng)堆運(yùn)行的主要參數(shù)，它們兩個是裂變反應(yīng)中放出能量大小和直接測量裂變情況的重要參數(shù)。

4.1 反應(yīng)堆功率測量原理

我們以235U為燃料的反應(yīng)堆為例，假設(shè)反應(yīng)堆的平均熱中子通量密度為φ，熱中子宏觀裂變截面為∑ ，235U所占的體積為V，每次裂變放的能量為E ，則反應(yīng)堆功率P為：P=φ∑ V E ，根據(jù)上述可知，只要明確中子通量密度φ，便能計算反應(yīng)堆功率。當(dāng)我們用點(diǎn)堆動力學(xué)模型來對反應(yīng)堆進(jìn)行研究時，堆芯中子通量密度分布與時間的改變無關(guān)，且堆內(nèi)的中子通量密度都正比于功率水平。反應(yīng)堆的功率分布測量方法較為單一，多是依靠堆外中子通量密度的測量來確定。

4.2 反應(yīng)堆功率測量系統(tǒng)概述

反應(yīng)堆功率測量系統(tǒng)的功能有兩個：一是控制，功率測量系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地給反應(yīng)堆提供工況信息;二是保護(hù)功能，提供安全保護(hù)信號，如短周期保護(hù)信號、緊急停堆保護(hù)信號等。

反應(yīng)堆正常啟動后，再到滿功率運(yùn)行工況這一過程中，中子通量密度的變化量超過10個數(shù)量級。反應(yīng)堆周期大范圍快速波動，將量程劃分源量程、中間量程和功率量程，來覆蓋整個測量區(qū)間。利用涂硼正比計數(shù)管應(yīng)用于源量程通道測量，γ補(bǔ)償電離室應(yīng)用于中間量程通道，而非補(bǔ)償涂硼電離室則被應(yīng)用于功率量程。

4.2.1 源量程測量通道的工作原理

當(dāng)涂硼正比計數(shù)管將脈沖信號傳遞到放大器電路放大信號，脈沖處理電路通過增大或減小甄別閾值，過濾γ射線和噪聲的脈沖。將脈沖計數(shù)率變?yōu)橹绷麟娏餍盘?，通過G-M管的中子靈敏度量程與源量程監(jiān)測中子通量密度對比，能夠得到源量程通道的脈沖計數(shù)率范圍，可計算出對數(shù)放大器的電流輸出脈沖信號的范圍。輸出信號用于測量啟堆堆功率倍增時間。

4.2.2 中間量程測量通道的工作原理

當(dāng)反應(yīng)堆在啟堆至正常功率模式運(yùn)行的過程中，這期間的中子通量密度主要由中間量程通道測量，測算出堆功率分布和反應(yīng)堆周期。源量程通道中的周期計與中間量程測量通道中的周期計大概相同，對數(shù)放大器與探測器的連接方式是直接相連。中間量程測量通道的探測器，輸出脈沖電流信號的數(shù)值大于滿功率水平的四分之一時，反應(yīng)堆觸發(fā)緊急停堆信號導(dǎo)致停堆。

4.2.3 功率量程測量通道工作原理

功率量程有四個完全相同的獨(dú)立的測量通道并聯(lián)而成進(jìn)行測量工作，它的主要功能是測量反應(yīng)堆的功率水平以及徑向、軸向的功率分布水平偏差。

該通道對于探測器等設(shè)備的性能要求較高，探測器通常采用多點(diǎn)校準(zhǔn)的刻度方法，將額定功率的百分之零點(diǎn)一到百分之一百二十作為其測量范圍。

4.3 堆芯中子通量密度測量系統(tǒng)簡述

反應(yīng)堆的關(guān)鍵參數(shù)之一就是中子通量密度。當(dāng)反應(yīng)堆從啟動到維持一定功率水平時間內(nèi)，由于功率水平變化導(dǎo)致中子通量密度變化劇烈，需要多次測量。當(dāng)反應(yīng)堆已經(jīng)到達(dá)穩(wěn)定的功率水平后，不需要頻繁測量，僅需一個月1-2次即可。

4.3.1 堆芯中子通量密度測量系統(tǒng)的功能

堆芯中子通量密度測量系統(tǒng)用來測量各個監(jiān)測點(diǎn)的中子通量密度值，然后將測量結(jié)果用柵格形式存儲，以中子通量密度圖形的方式存儲和顯示。經(jīng)處理后以堆芯功率分布圖的方式處理。主要功能有：驗(yàn)證堆壽期初的功率分布、熱點(diǎn)因子裕量、刻度堆外功率測量電離室、燃耗深度、堆芯功率分布等。

5 總結(jié)與展望

我國對核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策是大力支持和鼓勵的，因此，核測系統(tǒng)作為核電廠反應(yīng)堆中最重要的系統(tǒng)之一，具有廣闊的發(fā)展前景。我國的堆外探測器國產(chǎn)化程度以及對于探測器刻度的國產(chǎn)化研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，很多情況下依賴于從國外進(jìn)口學(xué)習(xí)。因此，堆外探測器國產(chǎn)化程度依然任重而道遠(yuǎn)。

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