高靈敏離線式硼表測量裝置研究

桂龍剛，石　苗，李　軍

高靈敏離線式硼表測量裝置研究

桂龍剛，石苗*，李軍

（江蘇省蘇北人民醫院，江蘇 揚州 225001）

本文針對壓水堆核電廠離線式硼表的圓柱形容器結構進行了改進優化，以減少流體通過探測裝置的滯留時間，并對該結構的測量靈敏度進行了分析。首先，采用Fluent模擬比較流體在圓柱形和蛇形管兩種結構中的滯留時間長短；其次，利用Geant4分別模擬蛇形管結構中的截面形狀、慢化厚度以及管壁材料這三種因素對測量靈敏度的影響。得出在相同條件下，流體在蛇形管結構中的滯留時間約為1 s，但在圓柱形容器結構中約為9.5 s，所以采用蛇形管結構可以有效減少流體在探測裝置中的滯留時間；當蛇形管結構同時采用矩形截面形狀、鋯合金材料和2 cm左右厚的聚乙烯慢化層時，可以獲得較高的測量靈敏度。

PWR；離線式硼表；蛇形管；Fluent；Geant4

壓水堆核電廠（PWR）在正常運行時，反應堆必須維持在臨界狀態，而這依賴于控制棒、可燃毒物以及含硼冷卻劑這三種反應性控制方式的共同控制[1]，并且以含硼冷卻劑控制的反應性所占的控制比例為最大[2]。所以，冷卻劑中硼濃度的連續監測對于反應堆安全運行是一項重要的工作，而離線式硼表則是專門用于監測冷卻劑中硼濃度的專用設備[3]。

核電廠典型的離線式硼表是將一回路中的被測溶液通過專門的取樣管路引入專門進行化學處理的房間進行測量，其測量精度高，但存在測量響應時間長的缺點[4]，造成其測量響應時間長的原因主要是由于取樣管路長，造成取樣時間長[5]。本研究根據硼表探測裝置的測量原理，分析了流體在流經圓柱形探測裝置時存在滯留時間長問題，優化蛇形管結構以減少流體流經探測裝置的滯留時間，并對蛇形管結構的測量靈敏度進行研究。

1　容器型離線式硼表測量原理及其缺點

典型的離線式硼表測量裝置如圖1所示，該測量裝置利用較細的取樣管路從一回路中連續取樣，送至位于反應堆外面的化學處理設備，流入一定容積的容器中。10B的熱中子俘獲截面高達3 837靶[6]。當中子源發出的中子穿過容器壁，經過含硼溶液的慢化和吸收，最后被中子計數管所探測并輸出脈沖信號。脈沖信號測量通道對脈沖信號進行采集并得到中子計數率。熱中子與10B發生（n，α）反應，其反應表達式[7]為：

當容器中的硼濃度發生變化時，被吸收的熱中子數也發生變化，進而使進入中子計數管的中子數量發生變化，從而導致中子計數管輸出的中子計數率發生變化，所以，經過信號采集得到的中子計數率是隨硼濃度變化的。反之，通過連續測量中子計數率，就能連續測量反應堆一回路中硼濃度的變化。

式中：——硼濃度，ppm；

——中子脈沖計數率；

0——冷卻劑中無硼時中子計數管探測的中子計數率；

將公式（2）按泰勒級數二次展開：

為了提高硼溶液的利用率，減小容器外圍散射中子的干擾，將中子探測器安裝在容器內部，如圖2所示。探測器接收的中子均經過硼溶液衰減，無干擾計數，中子源利用率高。

圖2　中子徑跡示意圖

如圖3所示，測量容器為近似為圓柱體結構。首先，當取樣溶液由取樣管路從底部進水口流至大容積的測量容器時，截面積由較小突變為較大，導致流體在容器中的流速變慢；其次，流體在容器壁，尤其在“角落”處容易形成“死區”。上述原因都會導致流體在測量容器中存在一定的滯留時間，不可能立即從容器出水口全部流出，這會導致了硼表測量數據滯后，不利于實時測量。

圖3　容器內流體運動示意圖

2　蛇形管結構

為克服容器型存在流體滯留的缺點，本文提出了用蛇形管結構來代替圓柱形容器結構，如圖4所示。

圖4　蛇形管硼表測量示意圖

在該裝置結構中，中子計數管被蛇形管纏繞，可充分接收來自四周被硼溶液衰減的熱中子，干擾計數小，保證較高的中子源利用率。蛇形管四周為一定厚度的慢化層，可將中子源發出的快中子慢化成熱中子，以提高計數率。慢化層四周是以含硼聚乙烯為材料的屏蔽層，其目的主要是為了吸收中子源發出的無效中子，使整個硼表裝置滿足表面劑量率限值要求。

3　滯留時間

為比較硼溶液在蛇形管結構與圓柱形容器結構的滯留時間的長短，我們利用Fluent軟件模擬流體在這兩種模型中的滯留時間情況。在相同條件下建立以下模型：進出口管道尺寸相同，進口處流體平均速度為10 m/s，流動的硼酸濃度恒為3 000×10-6。假設某時刻開始，注入容器的硼酸溶液改為注入純凈水，硼酸溶液濃度開始從3 000×10-6逐漸被稀釋趨近于0，此時可近似認為原硼酸溶液被流進的純凈水完全置換。基于Fluent分別模擬在圓柱形容器和蛇形管中殘存的硼酸溶液隨時間的變化過程，如圖5所示。

圖5　Fluent模擬硼酸溶液在容器型結構（a）和蛇形管結構（b）中的流動模擬

Fluent模擬結果如圖6所示，當硼濃度接近0時，圓柱形容器結構中的流體滯留時間約9.5 s，而蛇形管結構約1 s。所以在相同條件下，流體在蛇形管中的滯留時間更短，更有利于硼濃度的實時測量。分析其原因如下：蛇形管和取樣管路的流道截面未發生顯著變化，流體流速基本保持恒定；蛇形管管內容積較小，不易受不同濃度溶液擴散影響；流體在蛇形管內不易形成“死區”。

圖6　硼酸濃度隨時間變化曲線

4　靈敏度

4.1　Geant4模擬分析

設置硼表的Geant4蒙卡模擬條件時，中子源采用镅鈹（Am-Be）中子源（視為點源），其中子譜如圖7所示，計數管采用圓柱形BF3正比計數管，其氣體密度為0.002 786 g/cm3，靈敏體積為50 mm×450 mm，管壁材料為304鋼，管厚為1.5 mm。

圖7　241Am-Be中子源能譜

4.2　截面形狀

如圖8所示，蛇線管的截面形狀通常為圓形或矩形，在保證這兩種蛇形管的截面積和管壁厚度相等的情況下，基于Geant4建立這兩種蛇形管結構模型，并分析（n，a）反應次數（脈沖計數）隨硼濃度變化情況。

圖8　矩形截面（左）與圓形截面（右）蛇形管

圖9　不同截面形狀對曲線的影響

4.3　慢化層厚度

圖10　不同聚乙烯慢化厚度對的影響

如圖10所示，相同條件下，聚乙烯慢化層厚度影響測量的中子能譜，當聚乙烯厚度較小或較大，都會導致進入蛇形管內的低能中子較少，進而計數管探測的中子數也較少，當聚乙烯厚度在2 cm左右時，可得到相對更“陡峭”的曲線。為了對該結果進行進一步論證，我們還利用MCNP模擬了镅鈹中子源經過不同厚度的聚乙烯后的熱中子能譜，模擬結果如圖11所示，當聚乙烯厚度為2 cm時，在10-3～101MeV能段的中子通量最高，該結果進一步論證了圖 10模擬結果。

圖11　镅鈹中子源經過不同慢化層慢化后的中子能譜

4.4　管壁材料

圖12　不同蛇形管材料對曲線的影響

5　總結

本研究針對圓柱形容器結構的離線式硼表中流體在探測裝置中滯留時間長問題，提出采用蛇形管結構優化圓柱形容器結構以減少流體滯留時間，通過Fluent模擬結果表明：相同條件下，與圓柱形容器結構相比，蛇形管結構中的流體滯留時間更短，更有利于硼濃度的實時測量。

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Study on High Sensitive Off-line Boron Meter Measuring Device

GUI Longgang，SHI Miao*，LI Jun

（Northern Jiangsu People’s Hospital，Yangzhou of Jiangsu Prov. 225001，China）

Objective：This article improves and optimizes the cylindrical container structure of the offline boron meter of the PWR nuclear power plant to reduce the retention time of the fluid passing through the detection device，and analyzes the measurement sensitivity of the structure. Method：First，use the Fluent simulation to compare the fluid retention time in the cylindrical and serpentine tube structure；secondly，use Geant4 to simulate the effects of cross-sectional shape，moderation thickness and tube wall material on the measurement sensitivity in the serpentine tube structure. Conclusion：（1）Under the same conditions，the fluid retention time in the serpentine tube structure is about 1 s，but it is about 9.5 s in the cylindrical container structure. Therefore，the use of the serpentine tube structure can effectively reduce the fluid in the detection device.（2）When the serpentine tube structure adopts a rectangular cross-sectional shape，a zirconium alloy material and a polyethylene moderating layer of about 2 cm thick，and a relatively high measurement sensitivity can be obtained.

PWR；Off-line boron meter；Coil pipe system；Fluent；Geant4

TL816.9

A

0258-0918（2021）05-0914-06

2020-08-18

桂龍剛（1987—），男，揚州人，工程師，碩士，現主要從事加速器維修和輻射探測方面研究

石 苗，E-mail：18051062470@163.com