核電廠功率測量方法與展望

魏亞龍

摘 要：核反應堆是通過核裂變而產生能量，所以經常借助于觀察與核裂變過程相聯系的“輻射”來測量核反應堆的功率水平。核測系統的作用是探測中子通量密度信號用于反應堆保護系統，對于功率水平的變化和堆芯的功率分布的連續監測具有重要作用。論文通過收集國內外資料文獻，分析各種類型核電廠堆外核測系統探測器測量功率分布方法以及趨勢。

關鍵詞：核電廠;核測系統;探測器

0引言

對反應堆功率分布的監測可以直接反映堆芯是否安全可控。而堆外探測器對于堆芯功率分布的監測起到了關鍵作用。本文是在搜集大量國內外文獻資料的前提下，圍繞堆外核測系統的探測器進行了一系列闡述，并對探測器的發展做了概括。

1 核測量系統

1.1 核測量系統簡述

反應堆中先驅核每產生一次裂變，都會產生帶有動能的裂變碎片、γ光子、中子以及其他粒子，這些粒子的裂變概率與堆功率成正比，可以通過監測核裂變的過程，為反應堆的控制和保護提供數據。核電站的堆外核測系統可用來測量中子通量密度，在變化率以及非常高的中子通量密度的情況下會觸發緊急停堆信號。在壓水堆核電站中，核測系統，通常情況分為兩種類型：一是反應堆功率測量系統，固定在反應堆外部;二是布置在堆芯的中子通量密度測量系統。

1.2 核測量系統作用

在核電廠中，堆外核測量系統的作用主要是：（1）對反應堆功率水平和軸向功率分布進行連續監測，在各種反應堆工況下，為操作員監測中子通量密度;（2）對反應堆的軸向功率偏移和徑向功率傾斜情況進行監測;（3）為保護系統和功率調節系統，提供中子通量密度信息;（4）當發生異常工況，引發緊急停堆信號。

2 常用于堆芯功率測量的探測器

2.1 探測器工作原理

由于中子不帶電，在通過物質時，與物質無法直接產生電離。所以，根據，中子與原子核發生相互作用時發出γ光子或其他帶電粒子。根據這一原理，間接進行測量中子活動的。探測活動分為兩步：一是使中子與原子核產生作用，然后發出帶電粒子或者γ光子;二是利用第一步中產生的帶電粒子或γ光子引起的次級電離或激發出的次級電子進行探測。

2.2 常見的探測器類型

堆芯功率測量的探測器主要有：正比計數管、裂變室、自給能探測器、電離室等。

正比計數管一般工作在脈沖工作方式，既可以測量中子注量率，又能夠測量入射粒子的能量。它的主要優點有輸出的脈沖幅度大、輸出信號信噪比大、具有很強甄別能力，可以在強γ本底下測量中子或強β本底下測量α粒子。

在電離室中，中子與先驅核作用產生的粒子中，γ射線使得氦氣發生電離，對其進行補償以減小誤差，此原理而制作成的電離室稱為補償電離室。補償電離室的組成成分由兩個同軸涂硼和不涂硼電離室組成。前者可對中子和γ射線發生作用，后者只對γ射線敏感，通過反向連接以后只剩下中子電離電流。當中子通量密度飽和達到額定上限時，相比α粒子產生的電流，γ射線產生的電流實際小到可以不考慮時，不用補償的電離室叫做非補償電離室。

自給能型探測器又包括Pt型探測器和V型探測器，自給能探測器無需通過增加額外的工作電壓，用來區分和收集電離作用而產生的電子，從而生成電流脈沖。在強電離輻射場中使用這種探測器時，在發射電極一側產生電離反應，生成的電子首先會離開發射電極，然后通過環形固體絕緣體，最后來到收集電極。

4 反應堆功率測量系統

反應堆功率和反應堆周期這兩個因子，是反應堆運行的主要參數，它們兩個是裂變反應中放出能量大小和直接測量裂變情況的重要參數。

4.1 反應堆功率測量原理

我們以235U為燃料的反應堆為例，假設反應堆的平均熱中子通量密度為φ，熱中子宏觀裂變截面為∑ ，235U所占的體積為V，每次裂變放的能量為E ，則反應堆功率P為：P=φ∑ V E ，根據上述可知，只要明確中子通量密度φ，便能計算反應堆功率。當我們用點堆動力學模型來對反應堆進行研究時，堆芯中子通量密度分布與時間的改變無關，且堆內的中子通量密度都正比于功率水平。反應堆的功率分布測量方法較為單一，多是依靠堆外中子通量密度的測量來確定。

4.2 反應堆功率測量系統概述

反應堆功率測量系統的功能有兩個：一是控制，功率測量系統可以快速準確地給反應堆提供工況信息;二是保護功能，提供安全保護信號，如短周期保護信號、緊急停堆保護信號等。

反應堆正常啟動后，再到滿功率運行工況這一過程中，中子通量密度的變化量超過10個數量級。反應堆周期大范圍快速波動，將量程劃分源量程、中間量程和功率量程，來覆蓋整個測量區間。利用涂硼正比計數管應用于源量程通道測量，γ補償電離室應用于中間量程通道，而非補償涂硼電離室則被應用于功率量程。

4.2.1 源量程測量通道的工作原理

當涂硼正比計數管將脈沖信號傳遞到放大器電路放大信號，脈沖處理電路通過增大或減小甄別閾值，過濾γ射線和噪聲的脈沖。將脈沖計數率變為直流電流信號，通過G-M管的中子靈敏度量程與源量程監測中子通量密度對比，能夠得到源量程通道的脈沖計數率范圍，可計算出對數放大器的電流輸出脈沖信號的范圍。輸出信號用于測量啟堆堆功率倍增時間。

4.2.2 中間量程測量通道的工作原理

當反應堆在啟堆至正常功率模式運行的過程中，這期間的中子通量密度主要由中間量程通道測量，測算出堆功率分布和反應堆周期。源量程通道中的周期計與中間量程測量通道中的周期計大概相同，對數放大器與探測器的連接方式是直接相連。中間量程測量通道的探測器，輸出脈沖電流信號的數值大于滿功率水平的四分之一時，反應堆觸發緊急停堆信號導致停堆。

4.2.3 功率量程測量通道工作原理

功率量程有四個完全相同的獨立的測量通道并聯而成進行測量工作，它的主要功能是測量反應堆的功率水平以及徑向、軸向的功率分布水平偏差。

該通道對于探測器等設備的性能要求較高，探測器通常采用多點校準的刻度方法，將額定功率的百分之零點一到百分之一百二十作為其測量范圍。

4.3 堆芯中子通量密度測量系統簡述

反應堆的關鍵參數之一就是中子通量密度。當反應堆從啟動到維持一定功率水平時間內，由于功率水平變化導致中子通量密度變化劇烈，需要多次測量。當反應堆已經到達穩定的功率水平后，不需要頻繁測量，僅需一個月1-2次即可。

4.3.1 堆芯中子通量密度測量系統的功能

堆芯中子通量密度測量系統用來測量各個監測點的中子通量密度值，然后將測量結果用柵格形式存儲，以中子通量密度圖形的方式存儲和顯示。經處理后以堆芯功率分布圖的方式處理。主要功能有：驗證堆壽期初的功率分布、熱點因子裕量、刻度堆外功率測量電離室、燃耗深度、堆芯功率分布等。

5 總結與展望

我國對核電產業發展政策是大力支持和鼓勵的，因此，核測系統作為核電廠反應堆中最重要的系統之一，具有廣闊的發展前景。我國的堆外探測器國產化程度以及對于探測器刻度的國產化研究還遠遠不夠，很多情況下依賴于從國外進口學習。因此，堆外探測器國產化程度依然任重而道遠。

參考文獻：

[1]楊道廣，陸雙桐.百萬千瓦級核電站M310堆型國產化堆外核探測器綜述[J].核電子學與探測技術，2013.

[2]毛歡，熊文彬，闕驥，王桂敏.核電站堆外核測量系統的原理及工程實踐[J].核電子學與探測技術，2014.

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