燃料破損1E級緩發中子探測裝置的設計研究

潘君艷中國原子能科學研究院，北京 102413

燃料破損1E級緩發中子探測裝置的設計研究

潘君艷
中國原子能科學研究院，北京 102413

中國實驗快堆（CEFR）燃料破損緩發中子探測裝置，是燃料組件流道局部堵塞事故監測1E級電氣設備。本文以核電站核安全設備設計標準為基礎，根據CEFR燃料破損緩發中子監測系統的現場環境、設計功能和性能要求，詳細論述了1E級緩發中子探測裝置的設計，包括中子正比計數管類型的選擇、前置放大器安裝位置的設計、二次儀表插件設計、1E級和非1E級插件之間隔離設計。

1E級電氣設備；燃料破損緩發中子探測裝置；功能隔離；抗干擾

CEFR燃料破損緩發中子監測系統在堆坑內正對中間熱交換器入口區域設置緩發中子探測站。當燃料組件流道部分堵塞事故影響組件流道冷卻劑的流量時，燃料冷卻不充分，會導致燃料包殼發生破損，包殼內緩發中子先驅核會泄漏到冷卻劑中并流到中間熱交換器的入口區域，這時探測站內的中子探測器恰好能監測入口區域緩發中子先驅核釋放的緩發中子，給出燃料包殼破損信號［1］。因此，CEFR燃料破損緩發中子監測系統作為燃料組件流道部分堵塞事故監測的1E級系統，接入到保護系統中［2］。本系統的中子注量率監測儀表——燃料破損緩發中子探測裝置，作為1E級電氣設備，其設計既要滿足燃料破損緩發中子監測系統的功能要求，也要符合1E級電氣設備的設計準則。

1 燃料破損緩發中子探測裝置的組成

根據功能拆分，一套完整的燃料破損1E級緩發中子探測裝置其組成如下：

1）中子探測器：探測中子，將監測區域的中子注量率信號轉換為中子脈沖弱信號。

2）前置放大器：對探測器輸送過來的中子脈沖弱信號進行前置級放大。

3）放大甄別成形插件：進一步放大前置級放大的中子脈沖信號，并甄別成形所需的中子脈沖。

4）脈沖計數及報警插件：通過單片機對放大甄別成形的中子脈沖信號進行計數，給出失效報警和警告報警。

5）安全觸發插件：通過硬件電路搭建實現對放大甄別成形的中子脈沖信號進行計數，給出安全觸發信號。

6）低壓電源插件：提供低壓直流電源給各二次儀表。

7）高壓電源：提供高壓直流電源給中子探測器。

其中，脈沖計數及報警插件和安全觸發插件都執行中子脈沖信號計數的功能，但由于涉及軟件驗證與確認技術問題，采用單片機讀數的脈沖計數及報警插件為非1E級電氣設備。硬件電路搭建的安全觸發插件為1E級設備，往保護系統輸送安全觸發信號。

2 燃料破損緩發中子探測裝置的關鍵設計點

2.1 中子探測器類型選擇

CEFR滿功率運行時，經中子試驗裝置測試，燃料破損緩發中子探測站的中子測量孔道內本底中子注量率為1 000n·cm-2·s-1左右。根據理論計算，當CEFR燃料包殼裸露性破損情況下中子注量率為本底3倍時，即3 000n·cm-2·s-1，燃料破損緩發中子監測系統給出安全觸發信號觸發保護系統緊急停堆動作。基于上述兩數據，1E級燃料破損緩發中子探測裝置采用10B中子計數管，其中子探測靈敏度為4.6cps/n·cm-2·s-1，靈敏度雖然不高，但在本底注量率不低的情況下其計數滿足統計誤差要求；其中子輻照壽命＞1018n·v·t，該10B中子計數管滿足CEFR整個設計壽期30年的運行要求；其耐γ照射量率為10R/h，符合堆坑內γ環境。

2.2 前置放大器安裝位置的選擇

燃料破損1E級緩發中子探測裝置，其10B中子計數管安裝在緩發中子探測站的中子測量孔道里，位于現場控制區的反應堆堆坑內。但測量機柜內的二次儀表插件位于控制區外的儀表控制間。兩者之間需要150m的K3類電纜連接，容易引入很多干擾，淹沒10B中子正比計數管的弱脈沖信號。因此，本設計中前置放大器與10B正比計數管作為整體部件設計，一端的正比計數管垂直吊入到緩發中子探測站內，另一端的前置放大器固定于探測站上方的堆頂屏蔽層內，這樣保證前置放大器距離正比計數管最近。前置放大器作為電子設備，要求環境溫度在45℃以下，中子和γ放射性水平要低，而開堆測試表明堆頂屏蔽層能滿足上述要求。因此，位于堆頂屏蔽層的前置放大器能在最短距離內放大探測器過來的弱脈沖中子信號，經前置放大后中子脈沖信號后能顯著提高150m長距離傳輸的抗干擾能力。

2.3 脈沖計數及報警插件的隔離設計

由于脈沖計數及報警插件存在軟件驗證與確認的設計問題，為非1E級電氣設備，根據法規標準要求，該插件出現故障時不得影響其他1E級插件，需要與其他1E級二次儀表插件進行功能隔離和實體隔離［3］。脈沖計數及報警插件與其他插件有兩個接口信號：低壓電源提供+5V電源信號和放大甄別成形插件輸送的中子脈沖信號。為此，低壓電源插件單獨設置了兩路+5V隔離電源，與輸送到1E級插件的電源不共地，不會拉低1E級電源值。其中，1路隔離電源輸送到脈沖計數及報警插件；另一路信號輸送到放大甄別成形插件中的光電隔離

器，將甄別成形后的1路中子脈沖信號經光電隔離輸送到脈沖計數及報警插件。此外，脈沖計數及報警插件相關走線在測量機柜內部與其他1E級插件走線分開。

2.4 報警觸點的設計

脈沖計數及報警插件提供失效報警和警告報警，設計中采用了無源常開觸點閉合進行報警。與保護系統相連的1E級安全觸發插件提供安全觸發信號，設計中采用了無源常開觸點斷開進行報警。安全觸發插件提供的是安全觸發信號，能觸發保護系統停堆動作。依據“故障安全”準則，考慮設備出現故障時導致安全動作概率增加［3］。無源常開觸點斷開進行報警，即觸點開關在不上電情況下處于斷開狀態，上電時處于閉合狀態，當脈沖計數值越過保護設定值時觸點斷開給出安全觸發信號。一旦燃料破損緩發中子監測系統處于斷電情況，觸點開關斷開，給出安全觸發信號觸發保護系統停堆動作，保證反應堆的安全。

3 結論

在1E級電氣設備設計標準導則的基礎上，根據CEFR燃料破損緩發中子監測系統的現場環境、設計功能和性能要求，1E級燃料破損緩發中子探測裝置明確了其功能部件組成，合理地制定了各功能部件的設計方案和部件之間的接口方案，保證緩發中子探測裝置的可靠性，滿足系統現場運行和安全要求。

［1］田和春，劉國發，呂云彪，等.中國實驗快堆最終安全分析報告［R］.CEFRZ24ZTS02，北京：中國原子能科學研究院，2008.

［2］核安全重要儀表和控制功能分類［S］.GB/T15474-2010，北京：中國標準出版社，2011.

［3］核動力廠設計安全規定［S］.HAF 102-2004.北京：國家核安全局，2004.

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1674-6708（2016）168-0215-01

潘君艷，工程師，中國原子能科學研究院，研究方向為燃料破損機理研究和燃料破損探測設計。