核電廠(chǎng)功率測(cè)量方法與展望

魏亞龍

摘 要：核反應(yīng)堆是通過(guò)核裂變而產(chǎn)生能量，所以經(jīng)常借助于觀(guān)察與核裂變過(guò)程相聯(lián)系的“輻射”來(lái)測(cè)量核反應(yīng)堆的功率水平。核測(cè)系統(tǒng)的作用是探測(cè)中子通量密度信號(hào)用于反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)于功率水平的變化和堆芯的功率分布的連續(xù)監(jiān)測(cè)具有重要作用。論文通過(guò)收集國(guó)內(nèi)外資料文獻(xiàn)，分析各種類(lèi)型核電廠(chǎng)堆外核測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器測(cè)量功率分布方法以及趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：核電廠(chǎng);核測(cè)系統(tǒng);探測(cè)器

0引言

對(duì)反應(yīng)堆功率分布的監(jiān)測(cè)可以直接反映堆芯是否安全可控。而堆外探測(cè)器對(duì)于堆芯功率分布的監(jiān)測(cè)起到了關(guān)鍵作用。本文是在搜集大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料的前提下，圍繞堆外核測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)器進(jìn)行了一系列闡述，并對(duì)探測(cè)器的發(fā)展做了概括。

1 核測(cè)量系統(tǒng)

1.1 核測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)述

反應(yīng)堆中先驅(qū)核每產(chǎn)生一次裂變，都會(huì)產(chǎn)生帶有動(dòng)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(guò)監(jiān)測(cè)核裂變的過(guò)程，為反應(yīng)堆的控制和保護(hù)提供數(shù)據(jù)。核電站的堆外核測(cè)系統(tǒng)可用來(lái)測(cè)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(huì)觸發(fā)緊急停堆信號(hào)。在壓水堆核電站中，核測(cè)系統(tǒng)，通常情況分為兩種類(lèi)型：一是反應(yīng)堆功率測(cè)量系統(tǒng)，固定在反應(yīng)堆外部;二是布置在堆芯的中子通量密度測(cè)量系統(tǒng)。

1.2 核測(cè)量系統(tǒng)作用

在核電廠(chǎng)中，堆外核測(cè)量系統(tǒng)的作用主要是：（1）對(duì)反應(yīng)堆功率水平和軸向功率分布進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，在各種反應(yīng)堆工況下，為操作員監(jiān)測(cè)中子通量密度;（2）對(duì)反應(yīng)堆的軸向功率偏移和徑向功率傾斜情況進(jìn)行監(jiān)測(cè);（3）為保護(hù)系統(tǒng)和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提供中子通量密度信息;（4）當(dāng)發(fā)生異常工況，引發(fā)緊急停堆信號(hào)。

2 常用于堆芯功率測(cè)量的探測(cè)器

2.1 探測(cè)器工作原理

由于中子不帶電，在通過(guò)物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)無(wú)法直接產(chǎn)生電離。所以，根據(jù)，中子與原子核發(fā)生相互作用時(shí)發(fā)出γ光子或其他帶電粒子。根據(jù)這一原理，間接進(jìn)行測(cè)量中子活動(dòng)的。探測(cè)活動(dòng)分為兩步：一是使中子與原子核產(chǎn)生作用，然后發(fā)出帶電粒子或者γ光子;二是利用第一步中產(chǎn)生的帶電粒子或γ光子引起的次級(jí)電離或激發(fā)出的次級(jí)電子進(jìn)行探測(cè)。

2.2 常見(jiàn)的探測(cè)器類(lèi)型

堆芯功率測(cè)量的探測(cè)器主要有：正比計(jì)數(shù)管、裂變室、自給能探測(cè)器、電離室等。

正比計(jì)數(shù)管一般工作在脈沖工作方式，既可以測(cè)量中子注量率，又能夠測(cè)量入射粒子的能量。它的主要優(yōu)點(diǎn)有輸出的脈沖幅度大、輸出信號(hào)信噪比大、具有很強(qiáng)甄別能力，可以在強(qiáng)γ本底下測(cè)量中子或強(qiáng)β本底下測(cè)量α粒子。

在電離室中，中子與先驅(qū)核作用產(chǎn)生的粒子中，γ射線(xiàn)使得氦氣發(fā)生電離，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償以減小誤差，此原理而制作成的電離室稱(chēng)為補(bǔ)償電離室。補(bǔ)償電離室的組成成分由兩個(gè)同軸涂硼和不涂硼電離室組成。前者可對(duì)中子和γ射線(xiàn)發(fā)生作用，后者只對(duì)γ射線(xiàn)敏感，通過(guò)反向連接以后只剩下中子電離電流。當(dāng)中子通量密度飽和達(dá)到額定上限時(shí)，相比α粒子產(chǎn)生的電流，γ射線(xiàn)產(chǎn)生的電流實(shí)際小到可以不考慮時(shí)，不用補(bǔ)償?shù)碾婋x室叫做非補(bǔ)償電離室。

自給能型探測(cè)器又包括Pt型探測(cè)器和V型探測(cè)器，自給能探測(cè)器無(wú)需通過(guò)增加額外的工作電壓，用來(lái)區(qū)分和收集電離作用而產(chǎn)生的電子，從而生成電流脈沖。在強(qiáng)電離輻射場(chǎng)中使用這種探測(cè)器時(shí)，在發(fā)射電極一側(cè)產(chǎn)生電離反應(yīng)，生成的電子首先會(huì)離開(kāi)發(fā)射電極，然后通過(guò)環(huán)形固體絕緣體，最后來(lái)到收集電極。

4 反應(yīng)堆功率測(cè)量系統(tǒng)

反應(yīng)堆功率和反應(yīng)堆周期這兩個(gè)因子，是反應(yīng)堆運(yùn)行的主要參數(shù)，它們兩個(gè)是裂變反應(yīng)中放出能量大小和直接測(cè)量裂變情況的重要參數(shù)。

4.1 反應(yīng)堆功率測(cè)量原理

我們以235U為燃料的反應(yīng)堆為例，假設(shè)反應(yīng)堆的平均熱中子通量密度為φ，熱中子宏觀(guān)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(yīng)堆功率P為：P=φ∑ V E ，根據(jù)上述可知，只要明確中子通量密度φ，便能計(jì)算反應(yīng)堆功率。當(dāng)我們用點(diǎn)堆動(dòng)力學(xué)模型來(lái)對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行研究時(shí)，堆芯中子通量密度分布與時(shí)間的改變無(wú)關(guān)，且堆內(nèi)的中子通量密度都正比于功率水平。反應(yīng)堆的功率分布測(cè)量方法較為單一，多是依靠堆外中子通量密度的測(cè)量來(lái)確定。

4.2 反應(yīng)堆功率測(cè)量系統(tǒng)概述

反應(yīng)堆功率測(cè)量系統(tǒng)的功能有兩個(gè)：一是控制，功率測(cè)量系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地給反應(yīng)堆提供工況信息;二是保護(hù)功能，提供安全保護(hù)信號(hào)，如短周期保護(hù)信號(hào)、緊急停堆保護(hù)信號(hào)等。

反應(yīng)堆正常啟動(dòng)后，再到滿(mǎn)功率運(yùn)行工況這一過(guò)程中，中子通量密度的變化量超過(guò)10個(gè)數(shù)量級(jí)。反應(yīng)堆周期大范圍快速波動(dòng)，將量程劃分源量程、中間量程和功率量程，來(lái)覆蓋整個(gè)測(cè)量區(qū)間。利用涂硼正比計(jì)數(shù)管應(yīng)用于源量程通道測(cè)量，γ補(bǔ)償電離室應(yīng)用于中間量程通道，而非補(bǔ)償涂硼電離室則被應(yīng)用于功率量程。

4.2.1 源量程測(cè)量通道的工作原理

當(dāng)涂硼正比計(jì)數(shù)管將脈沖信號(hào)傳遞到放大器電路放大信號(hào)，脈沖處理電路通過(guò)增大或減小甄別閾值，過(guò)濾γ射線(xiàn)和噪聲的脈沖。將脈沖計(jì)數(shù)率變?yōu)橹绷麟娏餍盘?hào)，通過(guò)G-M管的中子靈敏度量程與源量程監(jiān)測(cè)中子通量密度對(duì)比，能夠得到源量程通道的脈沖計(jì)數(shù)率范圍，可計(jì)算出對(duì)數(shù)放大器的電流輸出脈沖信號(hào)的范圍。輸出信號(hào)用于測(cè)量啟堆堆功率倍增時(shí)間。

4.2.2 中間量程測(cè)量通道的工作原理

當(dāng)反應(yīng)堆在啟堆至正常功率模式運(yùn)行的過(guò)程中，這期間的中子通量密度主要由中間量程通道測(cè)量，測(cè)算出堆功率分布和反應(yīng)堆周期。源量程通道中的周期計(jì)與中間量程測(cè)量通道中的周期計(jì)大概相同，對(duì)數(shù)放大器與探測(cè)器的連接方式是直接相連。中間量程測(cè)量通道的探測(cè)器，輸出脈沖電流信號(hào)的數(shù)值大于滿(mǎn)功率水平的四分之一時(shí)，反應(yīng)堆觸發(fā)緊急停堆信號(hào)導(dǎo)致停堆。

4.2.3 功率量程測(cè)量通道工作原理

功率量程有四個(gè)完全相同的獨(dú)立的測(cè)量通道并聯(lián)而成進(jìn)行測(cè)量工作，它的主要功能是測(cè)量反應(yīng)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(duì)于探測(cè)器等設(shè)備的性能要求較高，探測(cè)器通常采用多點(diǎn)校準(zhǔn)的刻度方法，將額定功率的百分之零點(diǎn)一到百分之一百二十作為其測(cè)量范圍。

4.3 堆芯中子通量密度測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)述

反應(yīng)堆的關(guān)鍵參數(shù)之一就是中子通量密度。當(dāng)反應(yīng)堆從啟動(dòng)到維持一定功率水平時(shí)間內(nèi)，由于功率水平變化導(dǎo)致中子通量密度變化劇烈，需要多次測(cè)量。當(dāng)反應(yīng)堆已經(jīng)到達(dá)穩(wěn)定的功率水平后，不需要頻繁測(cè)量，僅需一個(gè)月1-2次即可。

4.3.1 堆芯中子通量密度測(cè)量系統(tǒng)的功能

堆芯中子通量密度測(cè)量系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的中子通量密度值，然后將測(cè)量結(jié)果用柵格形式存儲(chǔ)，以中子通量密度圖形的方式存儲(chǔ)和顯示。經(jīng)處理后以堆芯功率分布圖的方式處理。主要功能有：驗(yàn)證堆壽期初的功率分布、熱點(diǎn)因子裕量、刻度堆外功率測(cè)量電離室、燃耗深度、堆芯功率分布等。

5 總結(jié)與展望

我國(guó)對(duì)核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策是大力支持和鼓勵(lì)的，因此，核測(cè)系統(tǒng)作為核電廠(chǎng)反應(yīng)堆中最重要的系統(tǒng)之一，具有廣闊的發(fā)展前景。我國(guó)的堆外探測(cè)器國(guó)產(chǎn)化程度以及對(duì)于探測(cè)器刻度的國(guó)產(chǎn)化研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，很多情況下依賴(lài)于從國(guó)外進(jìn)口學(xué)習(xí)。因此，堆外探測(cè)器國(guó)產(chǎn)化程度依然任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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