10B豐度對核電廠硼表測量的影響與優化分析

和嬌梅　王遠　張澤浩　金燁凱　詹勇杰

【摘 要】目前壓水堆都是通過調節控制棒和一回路硼濃度來實現反應性控制，一回路硼濃度的監測非常重要；尤其是作為實時在線監測硼濃度的硼表系統，在提高核電站的安全性方面發揮著極其重要的作用。本文通過對硼表系統的工作原理、標定方法的介紹分析，說明硼表直接測量的是核素10B的濃度，進而引出10B豐度對硼表測量偏差的影響、特別是長燃料循環換料時的影響，并提出優化硼表標定的方法和建議。

【關鍵詞】硼表10B豐度長循環優化

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）09-0136-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.063

0 概述

目前壓水堆都是通過調節控制棒和一回路硼濃度來實現反應性控制，在反應堆啟動、功率運行、停堆換料時對一回路的硼濃度監測是非常重要。而硼表的主要作用就是連續測量壓水堆核電站一回路溶液的硼濃度，向運行人員提供在線硼濃度的監視，以便運行人員可以安全地進行反應堆的硼化和稀釋操作。在核電廠機組運行的大部分狀態下，都要求保證硼表系統的可用性，尤其在發生異常或事故的情況下，一回路硼濃度發生突變，硼表可以觸發聲光報警，及時警示運行人員采取應對措施。

1 硼表工作原理

1.1 硼表測量原理

目前，國內壓水堆核電廠在線監測硼濃度最常用的方法是中子吸收法。中子吸收法硼表的測量原理如圖1所示：

硼表的取樣管線并聯在主回路上，一回路的硼溶液可以連續地流過硼表的測量小室，保證了測量的連續性與實時性。由于硼溶液中10B對熱中子具有很大的吸收截面，中子源發出的熱中子在經過測量小室時，一部分中子與10B發生（n，α）反應（式1）而被吸收：

而剩余未被吸收的中子則被中子探測器測得。中子探測器一般為微型裂變電離室，在中子的作用下，探測器會產生一個脈沖信號，該脈沖信號計數率與探測器接收到的熱中子數成正比。

取樣回路（測量小室）中的硼濃度越高，被溶液吸收的中子越多，到達中子探測器的中子越少，最終得到的脈沖信號計數率也越小。即在一定條件下，兩者之間存在著對應的函數關系，因而可以通過脈沖信號的測量來完成對硼濃度的在線測量。脈沖信號通過電纜送到電子機架進行計算處理，消除噪音干擾，進行溫度補償，最后計算出硼濃度。

1.2 硼表標定

根據計數率確定硼濃度的先決條件是計數率和硼濃度之間存在著明確的映射關系。然而實際上這一要求不能很好的被滿足。計數率不僅隨硼濃度變動而變化，同時還與中子源強度，中子探測器的特性，中子探測器的極化電壓，脈沖信號的甑別電壓，及硼溶液溫度等因素有關。其中，硼溶液溫度的變化會導致水密度和硼核子密度的變化，影響較大，需要有一個補償措施來消除溫度變化對測量結果的影響。

在特定的實驗條件下，即中子源強度、中子探測器的特性均為常量，極化電壓和甑別電壓均設置在最優時，可通過測量計數率和溫度就能確定相應的濃度了。這是硼表標定的出發點和歸宿點。

電廠的硼表標定采用有源標定、多點擬合方法。實驗經驗表明，對于給定溫度條件下，應用二階多項式擬合函數即能較好的表達計數率與硼濃度之間的關系，即：

1/N=A×p2+B×p+C（2）

式中： p為硼濃度

N為單位時間內接收到的脈沖個數（計數率）

A，B，C為待定常數，與安裝、測量系統有關，通過標定來獲得。

硼表安裝完成后，利用硼表的標定步驟來獲得A、B、C系數后，就可以通過測量單位時間內的脈沖個數N（也就是計數率）來計算硼濃度p。

核電廠一般采用多點標定法，即在0ppm～2500ppm范圍內，選取10～15個硼濃度值的標準硼濃度進行測量和記錄，采用最小二乘法擬合的方式計算待定常數A、B、C；同時為了驗證標定數據的有效性，還要對硼表進行多點驗證（如，選取2400ppm、1250ppm、500ppm、50ppm等），要求硼表顯示值與硼溶液滴定結果的誤差符合精度要求。

正常運行期間，硼表在實際使用時一般認為可接受誤差為±50ppm。若硼表值與化學分析值偏差超出這個范圍，則需對硼表進行重新標定。

2 10B豐度的影響分析

中子吸收法硼濃度測量的一個基本假設就是10B的豐度是恒定的——由于10B在自然界中的豐度是穩定的（約占19.8%），這對于新堆沒有問題，但對于有了一定燃耗深度的反應堆則需要考慮：隨著反應堆的運行，一回路冷卻劑中的10B會隨著10B（n，α）7Li反應而消失，而11B則基本維持不變，因而在反應堆一回路這個相對封閉的系統中10B豐度會逐漸降低，這樣就會導致硼表監測到的硼濃度值與化學實驗室用酸堿中和滴定法測得的硼濃度值存在偏差，而且隨著反應堆的運行，這個偏差會逐漸加大（圖2）。

圖2 硼表值與分析硼濃度偏差

分析硼表的工作原理，容易知道在式（2）中得到的硼濃度是假設10B豐度為19.8%時的值p（19.8）；實際運行過程中10B的豐度f會發生改變，其相對應的實際硼濃度記為p（f），則有：

由于豐度f總是變小的，故一回路實際硼濃度p（f）總是大于硼表的顯示值p（19.8）。從圖2看到，在反應堆運行至壽期末時，兩者的偏差可以達到10%以上。

秦山第二核電廠在國內核電廠中首次開展了對10B豐度的實驗測量，由此得到了一回路硼酸中10B豐度變化的數據。將壽期初的10B豐度值作為參考（1.0），秦山核電廠2號機組第8循環的實測10B豐度變化如下圖3所示。該循環運行過程中機組沒有發生停機停堆，其中9月份和2月初的兩個測量值反常變化，是因為當時機組有較大的功率變化，因而有較大量的硼化操作導致豐度較高的新硼進入一回路系統，10B豐度有所回升，與曲線變化趨勢吻合。

3 長燃料循環的影響分析

隨著核電廠燃料管理策略的改進，國內各核電機組相繼開始長燃料循環運行，即一個燃料循環的運行時間由1年延長為1.5年，甚至是2年。實施長燃料循環后，一回路的初始硼濃度更高，壽期初可以達到2000ppm以上；另一方面，隨著機組運行時間延長，硼在反應堆受輻照的時間增加，因而對一回路中10B的消耗更大，對10B豐度的影響比年換料更加明顯。

在長燃料循環的核設計上，對考慮和不考慮10B燃耗兩種情況下一回路的硼濃度分別進行了理論計算（圖4），得到兩者的相對偏差在壽期末可達到24%左右！絕對偏差可達到100ppm左右。

實際運行中，反應堆一回路有補水、硼化等操作會引入新硼，而不是一個嚴格的密閉系統，因而10B的豐度降低比理論計算值要小些，但10B的燃耗效應顯然是不可忽視的。否則，在機組運行過程中，極易導致硼表出現較大的偏差，超過運行標準要求。

4 硼表標定的優化探討

從前述分析可以看到，在一個燃料循環中，硼表值與化學分析值的偏差會隨著運行時間的增加而增大，在循環壽期中達到一個最大值，然后由于一回路硼濃度值的逐漸降低，兩者的偏差逐漸變小，在壽期末時趨于一致。整個過程中，偏差呈一明顯的凹形曲線。

理論上說，解決這個偏差的最好方法是利用式（3），在硼表中增加10B豐度的修正，給出修正后的硼濃度值。但這需要修改硼表的計算模塊，同時目前核電廠很少進行10B豐度的測量，因而實際應用存在一定的難度。

對于工程應用來說，另外一個簡單、可行的方法是在運行期間增加硼表的標定頻度，從而降低超差風險。核電廠硼表的標定周期一般是根據硼表測量值與化學分析值之間偏差的歷史統計情況確定的。在機組進入長燃料循環運行后，需要縮短該標定周期，以確保硼表的測量準確。

5 結束語

硼表作為唯一的一回路硼濃度連續監測手段，對反應性的控制有重要的意義，是保證核電廠安全、穩定運行的重要系統。而由于硼表本身特性原因以及機組各種復雜因素的影響，硼表對硼濃度的測量出現偏差的事件也時有發生。在反應堆運行過程中，一回路的硼酸處于一個相對封閉的系統，由于10B與堆芯熱中子的反應，使得10B的豐度會逐漸降低。10B豐度的降低會使得硼表值與化學分析值之間產生偏差，這種偏差在壽期中比較明顯，在長燃料循環中比年換料更加明顯，需要予以考慮和重視。

【參考文獻】

[1]譚世杰，等.壓水堆核電廠一回路硼濃度偏差分析與硼10豐度變化研究.核動力工程.2012.第33卷第1期.112-116.

[2]繞仲群.在線硼濃度計在壓水堆核電站中的應用.核電子學與探測技術.2015.2第35卷第2期.185-187.