鈉冷快堆堆外核測量系統(tǒng)設(shè)計

馮偉偉，賀長興，段天英，徐啟國，于 政

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

核測量系統(tǒng)是核電廠控制保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，用來測量反應(yīng)堆的功率及其變化，功率分布、功率變化率等。操縱員通過這些參數(shù)來監(jiān)督、控制反應(yīng)堆的運行，同時這些信息也會送給保護(hù)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，對電廠的運行過程進(jìn)行控制和防止反應(yīng)堆運行超出限制。

所以，從核電廠運行角度和核安全角度來說，都必須設(shè)置核測量系統(tǒng)，而由于核電廠的中子測量范圍比較寬（從完全停堆到滿功率，中子注量率相差約10 個量級），所以核測量系統(tǒng)一般設(shè)置多個量程，覆蓋搭接，來完成不同功率水平范圍的監(jiān)測。另外，為了能夠測量功率分布，還需要考慮空間的布置問題，在反應(yīng)堆不同角度上布置探測器，以及為了能夠得到精度更高的數(shù)據(jù)，與反應(yīng)堆堆芯的距離也要考慮。

圖1 壓水堆核電廠堆外中子注量率測量系統(tǒng)的量程搭接示意圖Fig.1 Measurement range overlap of PWR

由于受反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件限制，一般壓水堆很難在堆內(nèi)設(shè)置用于反應(yīng)堆控制和保護(hù)目的的中子注量率探測器。因此，一般核電廠根據(jù)中子注量率測量的功能要求，把中子注量率測量分為堆外中子注量率測量和堆內(nèi)中子注量率測量兩部分。堆外中子注量率測量是連續(xù)監(jiān)測，所測得的中子注量率信號用于核電廠的控制和保護(hù)；而堆內(nèi)中子注量率測量則是定期監(jiān)測，用于提供堆芯功率分布信息和校準(zhǔn)堆外核測儀表。

堆外核測量系統(tǒng)的主要作用如下：

1）在反應(yīng)堆從完全停堆的狀態(tài)到150%FP（有的反應(yīng)堆到200%FP）運行的全過程中，對反應(yīng)堆的啟動、功率運行、停堆等各種狀態(tài)下的反應(yīng)堆核功率、功率倍增周期、功率流量比等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，向操縱人員提供這些參數(shù)的指示、顯示和記錄。

2）當(dāng)反應(yīng)堆發(fā)生意外情況或操縱人員操作不當(dāng)，而導(dǎo)致核功率（計數(shù)率）、周期、功率變化率等超過各自的警告整定值或事故整定值時，給出警告信號或事故信號，相應(yīng)送至報警系統(tǒng)或保護(hù)系統(tǒng)，以便操縱員或者反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)采取相應(yīng)安全措施，以確保反應(yīng)堆的安全。

1 壓水堆核測量系統(tǒng)設(shè)計

與壓水堆相比，快堆的中子量程的測量需求是類似的，所以，目前壓水堆和快堆都采用了多個量程覆蓋搭接的方式如圖1 所示，完成從停堆到高功率的測量，其探測器的類型也基本相同。

以大亞灣壓水堆為例，堆外核測量系統(tǒng)分為3 個量程（源量程、中間量程、功率量程），使用的探測器分別為10B 計數(shù)管、γ補(bǔ)償電離室、長電離室。

探測器的選擇是從信號特點和環(huán)境γ的影響等角度考慮的，如在源量程，中子注量率較低，探測到的是一個一個的不連續(xù)信號，無法得到連續(xù)的電流信號，所以使用計數(shù)管進(jìn)行探測，其中的γ干擾可以利用中子和γ產(chǎn)生的電流脈沖幅度不同的特點，使用甄別放大器消除掉γ的影響。到中間量程，電離室可以探測到電流信號，此時為了補(bǔ)償γ的影響，使用補(bǔ)償電離室進(jìn)行測量，到了功率量程，中子注量率較高，γ貢獻(xiàn)的電流份額較少就可以使用非補(bǔ)償電離室。

另外，對于壓水堆，由于中子在反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行慢化，以及控制棒的布置，使得不同方向和位置上，中子分布也會不同，而中子注量率的水平與功率成正比，所以，除了功率水平外，還需要知道功率分布，所以壓水堆堆外探測器在功率量程設(shè)置了4 個對稱的測量通道，以及源量程和中間量程共6 個測量通道，如圖2 所示[3]。

探測器測量的電流或脈沖信號一般比較小(10-7A~10-4A),所以需要對信號進(jìn)行放大處理后送到其他系統(tǒng)。對于核電廠來說，包括功率水平（與探測器輸出的脈沖或者電流成正比）、反應(yīng)堆周期、反應(yīng)性等數(shù)據(jù)，這部分快堆與壓水堆基本相同。

在快堆核測量系統(tǒng)設(shè)計過程中，也需要考慮量程搭接、γ射線的干擾等內(nèi)容。除此之外，快堆核測量系統(tǒng)還有很多特點。

圖2 壓水堆核探測器徑向布置圖（大亞灣）Fig.2 Schematic diagram of detector distribution

首先，是中子的速度不同。壓水堆也叫熱中子堆，快堆是快中子堆的簡稱，一般探測器只能測量熱中子（因為對于10B 和235U 來說，熱中子吸收截面遠(yuǎn)大于快中子的吸收截面）[4]，所以核測量的第一步，就是快中子如何測量的問題；其次，快堆的堆芯外部是液態(tài)金屬池，包括堆芯外圍的增殖區(qū)和反射層都布置在液態(tài)金屬容器內(nèi)，這就涉及到中子的擴(kuò)散完全不同于壓水堆。因此，堆外探測器如何布置也是與壓水堆不同的；最后，由于快堆容器較大，需保證探測器位置的中子注量率水平，太低則探測器無法測得有效數(shù)據(jù)。

2 快堆的物理特點對測量的影響

快堆采用液態(tài)金屬作為冷卻劑，堆芯主要是快中子與核燃料反應(yīng)，所以不需要慢化劑，冷卻劑一般選擇鈉、鉛等，如中國實驗快堆和示范快堆均選擇液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑。所以在反應(yīng)堆附近，主要是快中子，一般的核測量儀表主要依靠10B、235U 等材料，而這些材料的快中子截面比熱中子截面小得多。而且由于鈉的活化，探測器環(huán)境里γ（伽馬）射線的水平相對壓水堆較高，所以對于測量的干擾也就較大，在滿功率水平下，快堆的γ水平無法像壓水堆一樣可以不用考慮。

中國主要發(fā)展的快堆是池式快堆，其主容器直徑較大，堆外探測器距離堆芯很遠(yuǎn)。容器外還有很多大型設(shè)備存在，進(jìn)一步排擠了探測器的位置空間，導(dǎo)致到達(dá)探測器位置的中子注量率水平低，加上伽馬干擾的影響，對測量的影響不利。

但是，快中子的平均自由程較大，所以當(dāng)堆芯不是特別大的時候，其中子注量率就與探測器的位置無關(guān)，只與探測器與堆芯的距離有關(guān)，無需考慮不同方位的中子分布不同，這個相比壓水堆就是個優(yōu)勢。

3 快堆核測量系統(tǒng)設(shè)計

由于快堆的物理特性，其中子探測就不需要進(jìn)行徑向功率分布的測量，只需要功率水平測量。所以，其探測器的布置就不需要考慮不同方位的分布，而是在可以的情況下，根據(jù)測量需要，盡可能靠近堆芯，使得探測器所處位置達(dá)到測量量程要求和最低測量要求。

所以，堆外中子測量需要考慮以下幾個方面的問題：

1）探測器由于是池式堆芯，主容器較大，距離堆芯較遠(yuǎn)（約10m），滿功率時探測器位置的中子注量率較壓水堆低，而伽馬射線水平較高，探測器選型問題。

2）探測器的快中子截面低。

3）鈉池、增殖區(qū)對于中子的屏蔽作用，會極大地降低探測器位置中子注量率的水平。

3.1 探測器選型

對于第一個問題，由于快堆的堆芯高度不大（中國實驗快堆堆芯活性區(qū)高度750mm），所以探測器可以做成與堆芯高度相當(dāng)或略大，以增加探測器的中子靈敏度。

快堆的探測器選型與示范快堆選型原理上基本相同，只有探測器的具體參數(shù)略有不同，考慮到伽馬射線對測量的影響，一般快堆堆外核測量系統(tǒng)探測器選型如下[1]。

源量程：

◇ 涂硼正比計數(shù)管

◇ 靈敏度約30 計數(shù)/(ncm2)

◇ 計數(shù)管外形尺寸Φ70-90mm

◇ 耐γ照射率103R/h

中間量程：

◇ 裂變室

◇ 中子計數(shù)靈敏度約0.8 計數(shù)/n/cm2

◇ 最大外形尺寸約Φ50

◇ 耐γ照射率104R/h

功率量程：

◇ 補(bǔ)償電離室

◇ 靈敏度≥1.55×10-13A/n/cm2s

◇ 外形尺寸約Φ70

◇γ感應(yīng)度5×10-12A/R/h

可見，對于中子注量率低的問題，快堆在中間量程使用裂變室，提高測量信號水平，在功率量程使用補(bǔ)償電離室，來消除γ 的影響。

3.2 探測器布置

圖3 量程搭接示意圖(CEFR)Fig.3 Measurement range overlap of CEFR

圖4 探測器布置示意圖Fig.4 Detector arrangement

由于快堆堆外設(shè)備較多，需要封閉換料等設(shè)備，所以國內(nèi)快堆均采用斜插的方式布置，通過懸掛裝置，使得探測器靈敏區(qū)域靠近堆芯。懸掛裝置還能起到屏蔽、保護(hù)等功能，快堆的探測器布置示意圖如圖4 所示[2]。為了增加探測效率，在探測器所在區(qū)域設(shè)置了一個探測器空間，周圍布置了石墨來進(jìn)行慢化，石墨層的厚度經(jīng)過理論計算，能都達(dá)到快中子慢化的效果。這樣，進(jìn)入的中子基本上變成了熱中子，然后進(jìn)行探測，其探測原理與壓水堆就完全相同了。

3.3 堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5 中子引出通道方向堆本體示意圖Fig.5 Neutron extraction channel

為了提高探測器位置的中子注量率水平，減少燃料和冷卻劑對中子的阻擋，在堆芯到探測器方向減少了組件布置，并設(shè)計了一個中子引出通道，如圖5 所示。

從俄羅斯BN600 的設(shè)計經(jīng)驗來看，這樣的設(shè)計是實際可行的。中國實驗快堆也采取了類似設(shè)計，為了使堆芯中子能夠更多地向堆外泄漏而到達(dá)堆外電離室處，在堆芯向堆內(nèi)換料機(jī)方向設(shè)計了一個屏蔽缺口，即取消了這個方向的含硼石墨屏蔽柱。根據(jù)BN600 的經(jīng)驗表明，除取消含硼石墨屏蔽柱外，還在此方向設(shè)置擠鈉腔，即用空腔取代堆容器內(nèi)的冷卻劑鈉，而更利于中子泄漏。

4 信號處理特點

中國實驗快堆由于探測器輸出信號較小，而干擾信號較大，所以在探測器二次儀表中使用了IF 變換，將探測器信號轉(zhuǎn)換為頻率來進(jìn)行測量，減少信號測量的誤差。

另外，快堆的核測量系統(tǒng)保護(hù)參數(shù)選擇了中子倍增周期，計數(shù)率作為監(jiān)測參數(shù)，而壓水堆選擇了計數(shù)率作為保護(hù)參數(shù)、周期作為監(jiān)測參數(shù)。雖然有一些區(qū)別，不過數(shù)據(jù)處理過程基本相同。

5 結(jié)論

本文從快堆核測量系統(tǒng)設(shè)置的需求和環(huán)境的特點，介紹了快堆核測量系統(tǒng)設(shè)計的各方面影響設(shè)計的因素和當(dāng)前的設(shè)計方案，快堆的核測量與壓水堆的確存在很大不同，特別是探測器的布置和安裝環(huán)境跟壓水堆存在本質(zhì)區(qū)別，但是探測器工作原理，數(shù)據(jù)處理等方面還是具有相似性的。所以，儀控系統(tǒng)的設(shè)計取決于堆芯物理和工藝的特點和測量需求，不同的設(shè)計理念體現(xiàn)了不同堆型的測量特點。