AP1000核電站核儀表系統信號側設計改進

徐小寧，劉 國

（中核遼寧核電公司，遼寧 興城 125100）

0 引言

堆外核測系統（NIS，Nuclear Instrumentation System，在二代M310壓水堆中一般稱RPN系統）通過測量堆芯泄露中子通量來測量堆芯反應性，進而測得反應堆的核功率。堆外核測系統作為反應堆的“轉速表”，為保護系統提供監視、控制和保護信號。堆外核測系統測量到的中子通量在探測器內被轉化為脈沖或電流信號。堆外核測系統探測器的靈敏度、電磁干擾和信號衰減問題一直是困擾堆外核測系統工程師的難題。有鑒于此，AP1000核電站的NIS系統通過多種方法增強了探測器的靈敏度和信號強度。

1 源量程[1]

AP1000和M310核電站堆外核測系統的源量程探測器都采用硼10（10B）同位素作為轉換元素，10B中子截面較大，吸收熱中子后發生反應：

下面將從探測器類型、緩沖層、靈敏度、探測器高壓、氣體放大效應、脈沖強度、放大器等方面討論兩種堆外核測系統源量程信號側的異同及產生的影響。

1.1 探測器類型

AP1000核電站的NIS系統源量程探測器采用三氟化硼（BF3）正比計數器，BF3氣體既作為中子吸收物質，也作為電離氣體和氣體放大效應載體。采用三氟化硼作為填充氣體的好處是其性質與氬氣等惰性氣體類似，不燃燒，不助燃，不與鐵發生化學反應。

M310核電站的源量程探測器采用涂硼正比計數器型探測器，其在探測器內壁涂硼10作為中子吸收物質，探測器內部空間充85%氬氣和15%二氧化碳作為電離氣體和氣體放大效應載體。氬氣作為大氣含量較多的惰性氣體，較易制備，在工業上廣泛應用，而二氧化碳可以延緩因探測器老化，填充氣體污染造成的氣體放大效應的減少。

這兩種探測器的原理相同，不存在孰優孰劣的問題[1,6]。

1.2 緩沖層

AP1000核電站的NIS源量程探測器相比M310系統的探測器的一大不同點是，其在探測器的周圍包裹了0.3英寸高分子聚合物成分（Tivar HOT UHMW-PE）的緩沖層，可以將快中子轉變為熱中子，與中子吸收物質發生反應，從而大大的提高了探測器的靈敏度。

就源量程來說，AP1000的NIS系統探測器在沒有緩沖層情況下的靈敏度約為14.76cps/nv，相比M310源量程探測器的8cps/nv只提高了不到2倍；但是如果加上緩沖層，NIS探測器的靈敏度將達到40cps/nv，其靈敏度比M310源量程提高4倍。靈敏度的提升對于工作在中子通量較小環境的源量程探測器來說尤為重要[1,6]。

1.3 探測器高壓

相比于M310核電站RPN系統源量程探測器的800Vdc左右的高壓，AP1000的NIS系統源量程探測器高壓高達1500Vdc以上。

RPN系統源量程探測器工作的800V高壓，使探測器內部僅僅存在有限的氣體放大效應，對探測器脈沖幅值的增加效果十分有限，其正常工作時的脈沖幅值僅為7.5E-10至7.5E-2Vdc，極易受到電纜質量和電磁干擾的影響。

而NIS系統源量程探測器工作在1500Vdc的高壓下，氣體放大效應最小為1E3倍，最大可達1E4倍以上，如此大的氣體放大效應使得NIS系統源量程探測器脈沖幅值最小即可達到1E-4V（0.1mV），比RPN系統的脈沖幅值高1E5倍，抗干擾能力更強，對于電纜質量的要求也較寬松[1,6]。

1.4 放大器[2,6]

根據核電站的運行經驗，曾經發生過多起因外界干擾導致堆外核測系統探測器信號波動的情況，嚴重時甚至引起跳堆。因為堆外核測系統探測器測得的信號都較?。╩V級以下），所以兩種堆型的堆外核測系統都不約而同的采用了信號放大器以便提高信號的抗干擾能力。但在信號放大方面，NIS系統和RPN系統從設計理念到實際運行存在較大差異。

RPN系統的信號放大器放置于機柜中，其主要用途是將探測器的脈沖信號與信號處理電路匹配、改善信噪比、甄別γ脈沖信號和將計數率信號轉換為直流信號以供周期計電路和模擬量/邏輯量輸出電流處理，沒有考慮信號通道的防干擾問題。

NIS系統的信號放大器位于安全殼外，稱為前置放大器(Preamplifier)。前置放大器可將源量程脈沖信號的振幅從最小1E-5V放大至1.5V。可以推導出，在安全殼外的信號通道中的信號，NIS系統比RPN系統將大1.5E9倍以上，抗干擾能力有質的提升。因為最小1.5V的脈沖幅值已經達到普通儀控電壓信號的強度水平（0-10Vdc），對于AP1000核電站投入運行以后的維護來說，安全殼外電磁干擾導致源量程探測器信號波動的可能性基本可以排除[2,6]。

綜上所述，NIS系統比RPN系統源量程信號側的改進主要集中在3點：

1）緩沖層：NIS系統源量程探測器帶有可以將快中子緩沖為熱中子的緩沖層，提高靈敏度2.71倍。

2）探測器電壓：NIS源量程探測器高壓為1500Vdc，相比RPN源量程探測器的800Vdc高壓可以帶來更大的氣體放大效應。

3）放大器：NIS系統在安全殼外設置了前置放大器，相比RPN系統位于機柜內的放大器，減少了安全殼外信號被干擾的可能性。

得益于這3點，NIS系統源量程的靈敏度為40cps/nv，比RPN系統的8cps/nv高5倍；安全殼內脈沖信號幅值為1E-5V以上，比RPN系統高1E4倍；安全殼外脈沖信號強度幅值為1.5V以上，比RPN系統高1E9倍。

2 中間量程

AP1000和M310核電站NIS系統的中間量程采用了不同的兩種探測器：NIS系統采用裂變室探測器，RPN系統采用10B同位素作為轉換元素的涂硼補償電離室探測器。RPN系統的涂硼補償電離室探測器的反應公式依然和源量程的一樣，為：

RPN系統的中間量程探測器產生的信號一直為電流信號。

RPN系統的中間量程探測器采用了“補償”電離室來消除γ射線產生的干擾信號，原理詳見圖1。

圖1 RPN系統中間量程探測器信號示意圖Fig.1 Schematic diagram of signal intermediate range detector RPN system

AP1000核電站的NIS系統采用了裂變室作為中間量程的探測器。其探測器內壁涂235U作為中子吸收物質，探測器內部充氬氣作為電離氣體。眾所周之，235U吸收熱中子后將發生裂變并且發出多種裂變碎片，并伴隨200MeV的能量，例如：

裂變室在1E5cps以下的低功率平臺下工作在脈沖模式，在1E5cps以上的功率平臺下工作在均方根電壓（MSV）模式。

相比起補償式電離室內硼10涂層與中子反應產生的鋰粒子、α粒子及2.32MeV的能量，裂變室的235U變產生的氙粒子、鍶粒子等粒子及200MeV的能量在探測器電極上產生的脈沖幅值和電壓強度要高的多，其在低功率平臺下的脈沖模式的精確度和靈敏度也高于RPN系統的中間量程探測器。

下面將從探測器類型、緩沖層、信號強度、放大器等方面討論兩種堆外核測系統中間量程信號側的異同及產生的影響[3,6]。

2.1 探測器類型

如上段所屬，NIS系統和RPN系統中間量程的探測器類型分別為裂變室和補償式電離室，兩種探測器因各自的結構和工作原理而各有優劣。

例如，RPN系統中間量程的補償式電離室探測器用補償電離室將γ射線產生的干擾直接消除，避免了甄別電路對信號靈敏度產生的影響，同時簡化了信號處理回路。

而NIS系統中間量程的裂變室探測器在惡劣條件下具有很高的可靠性，相比235U裂變產生的高能量，γ射線產生的干擾信號強度極小，可以有效甄別。更為重要的是，裂變室探測器的信號同時具有脈沖性和電流性兩種特性：在低中子通量下，裂變室可以作為普通計數器使用。因為裂變室探測器高壓較低，所以探測器內部氣體放大效應有限。若不算緩沖層提供的增值，僅為0.94cps/nv，與靈敏度為8E-14A/nv（約為1cps/nv）的補償電離室大體相當。在高中子通量下，裂變室內的脈沖因為互相堆積，將產生正比性很好的均方根電壓，該電壓同樣正比于中子通量。這兩種模式互相補償，使得裂變室探測器同時在低功率平臺下和高功率平臺下都具有較高的靈敏度。

裂變室探測器的缺點是，因為235U中總是含有微量的234U，其自發衰變產生α粒子，給探測器信號帶來了干擾，用甄別器將α離子干擾信號甄別后將稍微降低探測器靈敏度（約1%）[3,6]。

2.2 緩沖層

M310核電站的RPN系統中間量程探測器沒有緩沖層，因此其靈敏度為探測器原始靈敏度8E-14A/nv(約1cps/nv)。

AP1000核電站的NIS系統的中間量程探測器外壁有厚度為0.3英寸的高分子聚合物SWX-237-0緩沖層，其能夠將裂變室探測器的約0.94cps/nv的靈敏度提高2.76倍到2.6cps/nv[3,6]。

2.3 信號強度

對于RPN系統來說，因為其中間量程一直工作在直流模式下，因此它的信號強度以電流模式表示，因中子通量不同，它的信號強度為1E-11~8E-4A，若將探測器至機柜所有長度的阻抗統一為75Ω，則信號強度也可以表示為7.5E-10~6E-2V。

相比10B中子反應放出的2.32MeV能量，NIS中間量程裂變室探測器的235U中子反應放出200MeV以上的能量，因此其在探測器電極上將產生比補償式電離室大的多的脈沖信號和電壓信號。就脈沖模式而言，正常脈沖信號強度為0.1pC，若也將探測器至機柜所有長度的阻抗統一為75Ω，且脈沖寬度為100ns，那么正常情況下脈沖振幅約為7.5E-2V。也就是說，在低功率平臺下，裂變室的信號強度比補償電離室的強度大1E8倍。

就MSV模式而言，其電壓強度為160mV~5V，也就是說，裂變室的信號強度比補償電離室的強度大83倍[3,6]。

2.4 放大器

RPN系統中間量程的放大器與源量程一樣，都安裝在機柜中，并未考慮到放大信號通道中的信號以對抗電磁干擾。皮安級的微弱信號從探測器直接傳輸到信號處理機柜，導致其極易受外界電磁干擾和信號電纜質量的影響。

與RPN系統相比，AP1000的NIS系統的中間量程在探測器信號增大10E8倍之余，還在安全殼外設置了與源量程類似的前置放大器，進一步放大探測器信號，并將脈沖信號經光電轉換器轉變為光信號傳輸到信號處理機柜。脈沖信號的振幅在前置放大器中由7.5E-2V被放大到1.5V，并且經甄別后去除干擾信號，該“純凈”的脈沖信號接下來由光電調制器轉變為光信號，由光纖送至信號處理機柜。MSV信號被調制為標準的0-5V信號送至信號處理機柜。這樣從根本上杜絕了電磁干擾帶來的信號波動問題，也降低了對電纜質量的要求[4,6]。

綜上所述，NIS系統比RPN系統中間量程信號側的改進主要集中在3點：

1）探測器類型：NIS系統中間量程探測器為裂變室探測器，RPN中間量程探測器為補償式電離室，裂變室探測器工作范圍寬，信號強度高。

2）緩沖層：NIS系統中間量程探測器緩沖層提高了其靈敏度2.76倍。

3）放大器：NIS系統在安全殼外設置了前置放大器，相比RPN系統位于機柜內的放大器，減少了安全殼外信號被干擾的可能性。

得益于這3點，NIS系統中間量程的靈敏度為2.6cps/nv，比RPN系統的1cps/nv高1.6倍；安全殼內脈沖信號幅值為7.5E-2V以上，比RPN系統高1E8倍以上；安全殼外脈沖信號強度幅值為1.5V以上，并且轉換為光信號傳輸；MSV信號強度為160mV~5V，比RPN系統高83倍。

3 功率量程

AP1000核電站NIS系統和M310核電站RPN系統的功率量程探測器的工作原理和基本結構是類似的。它們都使用非補償電離室探測器測量中子，電離室內涂的硼-10吸收中子并與填充氣體發生電離的反應也都是相同的。

靈敏度和信號強度的差異主要是由于探測器材質造成。二者的區別主要在于探測器分段、探測器填充氣體、緩沖層、靈敏度和信號強度。下面將從這幾點討論兩種堆外核測系統中間量程信號側的異同及產生的影響。

3.1 探測器分段

RPN系統功率量程探測器分為6段，并組合為上部和下部探測器。NIS系統功率量程只有上下兩段探測器。兩種布置形式性能基本相同[5,6]。

3.2 探測器填充氣體

RPN系統功率量程探測器內填充氣體為1%氦氣+6%氮氣+93%氬氣；NIS系統功率量程探測器內填充氣體為95%氮氣+5%氦氣[5,6]。

3.3 緩沖層

RPN系統功率量程探測器的緩沖層為聚乙烯。RPN系統功率量程探測器的外殼材料為鎘，鎘可以吸收絕大部分的熱中子，因此RPN系統功率量程探測器內發生反應的只有堆芯發射的快中子，經過緩沖層后慢化的熱中子，這點與鋁外殼的NIS系統功率量程探測器有著較大區別。

NIS系統的功率量程探測器的緩沖層和源量程的相同，都是0.3英寸厚分子量極高的高分子聚合物成分（Tivar HOT UHMW-PE），比RPN系統的普通聚乙烯緩沖層的慢化效果更好，可以將探測器的靈敏度提高4.46倍以上[5,6]。

3.4 靈敏度

因為探測器材質和緩沖層的不同，RPN系統功率量程探測器的靈敏度僅2.3E-14A/nv，而NIS探測器的靈敏度比起提高了26倍達到6E-13A/nv[5,6]。

3.5 信號電流強度

因為滿量程的中子通量大概為1E9nv，因此可以推導出在100%功率時，NIS系統功率量程探測器的信號電流強度正常值為0.6mA，RPN系統功率量程探測器的信號強度正常值為0.023mA，和靈敏度的對比值相同，NIS系統的信號強度是RPN系統信號強度的26倍，提高了抗電磁干擾的能力。

與源量程和中間量程相比，AP1000核電站和M310核電站功率量程信號側方面差別較小，信號強度和靈敏度的提升主要是因為探測器外殼、緩沖層材質不同導致的，提升幅度僅26倍，未達到質的差別。

4 其他

AP1000核電站NIS系統和M310核電站RPN系統因其安裝方式還有其他不同點，相應的帶來了在信號防干擾、維護性等方面的差異，如下。

1）RPN系統的探測器在反應堆水池生物屏蔽層下方有一個連接盤，用于將探測器一體化電纜連接到水池外壁的連接盒中，根據運行經驗，該連接盤經常因為運行環境惡劣而導致阻抗過大導致探測器信號漂移。NIS系統沒有這個連接盤，探測器一體化電纜直接從反應堆堆腔引出至連接盒，減少了信號被干擾的可能性。連接盤如下圖2所示。

但是這種布置方式帶來一個好處，RPN系統在需要更換探測器時可以將探測器通過小車拉出，并從上部直接取出，維修人員無需深入探測器安裝位置，減少了維修人員的劑量。而NIS系統的探測器若需要更換或目視檢查，維修人員必須深入反應堆堆腔11105房間，電站投入運行后該房間為紅區，在其中維修困難較大。

2）NIS系統探測器信號線引出到與主泵僅一門之隔的連接箱中，因此主泵啟動/停運時,若連接箱外殼未完全閉合或接地不良，將干擾探測器信號。連接箱所在房間11204運行后亦為紅區，維修難度很大。

圖2 M310核電站探測器布置方式Fig.2 M310 nuclear detector arrangement

6 總結

AP1000核電站堆外核測系統NIS相比M310核電站堆外核測系統RPN系統在信號側方面做了較大改進，效果顯著。其中，源量程的靈敏度提高5倍，信號幅值在安全殼內提高了1E4倍，安全殼外提高1E9倍；中間量程靈敏度提高2.76倍，信號幅值在低功率平臺下提高1E8倍，在高功率平臺下提高了83倍；功率量程的靈敏度與信號幅值都提高了26倍。得益于信號幅值的增強，NIS系統在防干擾和信號電纜/接頭的要求方面的要求比RPN系統都要寬松，提高了AP1000核電站啟動和運行期間反應堆核功率信號的穩定性和可維護性。

但從維修策略來說，RPN系統在輻射區的工作量較小，且充分考慮到了維修可達性和便利性，極少有需在黃區以上的輻射區進行的工作。

NIS系統需在設備制造、安裝、調試和大修期間嚴格保證質量，盡量避免控制區內設備留下隱患，在電廠投入運行后，如需進行控制區內維修，大部分工作將在紅區內進行，給工業安全和輻射控制帶來很大難度。

[1]Paul A.Will.AP1000 Excore Source Range Detector Design Specification.Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-27.

[2]Paul A.Will.AP1000 Nuclear Instrumentation System Source Range Preamplifier Hardware Design Specification;Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-29

[3]Paul A.Will.AP1000 Excore Intermediate Range Detector Design Specification.Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-28

[4]Paul A.Will.AP1000 Nuclear Instrumentation System Intermediate Range Preamplifier Hardware Design Specification; Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-29

[5]Paul A.Will.AP1000 Excore Power Range Detector Design Specification.Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-29

[6]核電秦山聯營有限公司運行處.秦山第二核電廠系統及運行(上)[Z].2000,10(1):155-173.