TMSR物理啟動測量系統設計

黃國慶，嚴慧娟，賴 偉，陳永忠

（中國科學院 上海應用物理研究所，上海 201800）

0 引言

釷基熔鹽堆（TMSR）核能系統項目是中科院先導研究專項之一，其研究目標是研發第4 代裂變反應堆核能系統，掌握相關的關鍵技術，實現改進的開環模式下的釷鈾燃料循環[1]。作為6 種第四代反應堆候選堆型之一，TMSR 具有良好的經濟性、安全性、可持續性和防核擴散性。

反應堆物理啟動測量系統主要用于監測換料裝料及首次臨界時的中子注量率，并由此推導臨界質量，進行控制棒價值刻度等。由于初始裝料及首次臨界過程中，中子注量率極低，利用堆外中子注量率監測系統很難測量出實驗過程中的中子注量率的變化，所以一般在堆芯內安裝物理啟動中子探測器來監測[2]。同樣為了進行物理啟動實驗，TMSR 也在堆內設計了一套獨立的物理啟動測量系統。其最大的難點在于TMSR 屬于高溫反應堆，其堆芯溫度高達650℃。目前沒有成熟的商業化中子探測器可以在這樣高溫環境下工作，所以需要采用額外的冷卻措施，以保證探測器可以正常工作。

圖1 TMSR物理啟動測量系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of TMSR physical startup measurement system

1 系統概述

反應堆初始裝料及首次臨界是反應堆重要的物理實驗之一，主要采用臨界外推法來得到反應堆臨界質量。首先確定一個安全的初始裝載量，然后逐步增加反應堆的裝載，同時測量每種狀態下的中子注量率，繪出臨界外推曲線，從而得到反應堆臨界時的裝載量，即臨界質量。為了準確地推導出臨界質量，需要3 個探測器來相互校核，取其最保守的值作為結果。

TMSR 屬于第4 代先進反應堆，物理啟動測量系統將采用先進的數字化系統，包括3 套中子探測器、高壓電源、前置放大器、信號處理器、顯示處理計算機、冷卻孔道等。整個TMSR 物理啟動測量系統如圖1 所示。

首先，中子探測器將中子信號轉換為電信號，經前置放大器放大后，送入信號處理器，進行信號調理和數字化處理，計算出中子注量率等物理參數；最后，通過數字通訊接口RS485 送入計算機，進行數據顯示與存儲，并可以將整個測量結果等數據傳輸到整個反應堆的控制網內。由于物理啟動中子探測器處溫度高達650℃，需要額外增加冷卻孔道，以保證探測器正常工作。

圖2 物理啟動探測器布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of physical startup detector layout

2 探測器布局

首次臨界實驗時，中子探測器所測量的中子N 主要由兩部分組成：

式（1）中，S 為中子源的強度，l 為代時間，keff 為有效增殖因數，A、B 為常數，由反應堆、中子源和探測器的相對位置決定。式（1）中第一項為中子源直接貢獻的中子，第二項為經過反應堆增值后的中子。所以需要選擇好中子源、探測器和反應堆三者的相對位置，所探測中子的主要部分是經過反應堆增殖后的中子，以增加臨界外推曲線的可信程度[3,4]。

TMSR 10MW 固態反應堆采用固態燃料球，FliBe 鹽為冷卻劑，石墨作為慢化劑。由于堆芯內沒有空間，中子源及3 個中子探測器安裝在反應堆石墨慢化層內，如圖2 所示。其中，1#、3#孔道用于安裝物理啟動中子探測器，孔徑為130mm，基本在中子源的相對位置，這樣保證中子探測器所探測中子的主要部分是經過反應堆增殖后的中子。1#孔道內上下相連安裝兩個中子探測器，3#孔道安裝一個中子探測器，3 個探測器相互獨立，相互校核，取其中最保守值，以保證臨界實驗的安全。

3 探測器類型

由于凈堆首次裝料、首次臨界時，即使加入中子源，探測器處的中子注量率也相對較低，需要選用高靈敏探測器，靈敏度不小于20cps/nv。TMSR 考慮采用He3 正比計數管，其測量原理是利用入射中子與He3 產生反應：

所產生的質子和氚離子使探測器內的氣體電離，在外電場的作用下，形成脈沖電流。單位時間內產生的脈沖個數與入射的中子注量率成正比，通過計數單位時間內的脈沖個數就可得到對應的中子注量率，從而得到對應的反應堆功率。

由于物理啟動中子探測器安裝在堆芯，輻射劑量大，探測器及電纜材料不適合使用有機材料，需要使用礦物絕緣電纜，并與探測器直接焊接在一起，以增加其可靠性。對于1#孔道，需要將兩個中子探測器加工成一個組件形式，兩個探測器形成一個整體，便于安裝。

4 電子學系統

TMSR 物理啟動測量系統中的前置放大器將安裝在堆倉外，以縮短探測器與前置放大器之間的距離，減小信號干擾。對于He3 正比計數管，將采用脈沖計數處理電路。首先對信號進行放大濾波處理，然后對信號進行甄別處理，最后對信號進行反符合處理。輸出脈沖信號到計數模塊，設定時間，進行計數，多次平均，從而得到計數率。最后結果將通過數字總線RS485 傳輸到處理計算機，進行計算、顯示、存儲等操作。

整個電子學系統包括3 套獨立的探測器信號處理電路，并集成3 套高壓模塊，給探測器提供高壓。測量時，根據探測器工作坪曲線要求，設置好高壓值和甄別閾值，所有測量將自動完成，并在計算機上顯示和存儲。通過前面裝料測量所得的計數值，自動繪制中子計數倒數外推曲線，自動得到下次裝料值和臨界質量等。整個系統還可以計算反應堆的倍增周期，計算反應性，用來刻度控制棒價值、反應堆溫度系統等。

通過以太網通訊，處理計算機可以把各種測量結果傳輸給反應堆控制系統，并將數據存于歷史服務器中，便于操作人員在中控室查看、參考。

5 探測器冷卻系統

物理啟動中子探測器工作在高溫區域，溫度高達650℃，目前沒有這樣的商業化高溫探測器，直接可行的辦法就是對探測器進行冷卻。由于TMSR 一大特點就是無水，所以將采用氣體對其冷卻。熱的傳遞方式有3 種：對流、輻射、傳導，為了實現最優的冷卻效果，要減小環境熱量對探測器的傳遞，同時加大冷卻氣體帶走的熱量。

冷卻測量孔道采用多層結構，最外層填加隔熱材料，減少熱的傳導和輻射，冷卻氣體從內管吹入，從中間孔道吹出，從而帶走熱量，起到冷卻探測器的目的。整個測量孔道的結構如圖3 所示。

比較目前市場上常用探測器的工作溫度，將目標冷卻溫度定為100℃以下，通過ANSYS 軟件建模計算，分析了空氣、氮氣、氬氣3 種氣體的冷卻效果。入口氣體溫度假設為30℃，3 種氣體的冷卻效果相差不大。當通入3m/s（即508l/min）的氣體可以將探測器溫度冷卻到100℃以下，具體結果如圖4 所示。TMSR 采用氬氣作為覆蓋氣體，所以將采用氬氣來冷卻。

圖3 物理啟動測量孔道結構Fig.3 Structure of physical startup measurement hole

圖4 仿真建模計算結果Fig.4 Results of simulation and calculation

6 結語

釷基熔鹽堆（TMSR）核能系統作為第4 代核能系統，物理啟動測量系統是其重要系統之一。它屬于非安全級設備，其基本原理和基本功能相對之前反應堆并未發生變化，TMSR 將采用數字化處理技術，從而自動完成以前復雜的臨界實驗計算及推導，測量精度也大大提高。另外，TMSR物理啟動測量系統最大的挑戰是高溫問題，其環境溫度遠遠高于探測器的工作溫度，直接可行的方法是對探測器進行冷卻。