鈉冷快堆堆外核測量系統設計

馮偉偉，賀長興，段天英，徐啟國，于 政

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

核測量系統是核電廠控制保護系統的重要組成部分，用來測量反應堆的功率及其變化，功率分布、功率變化率等。操縱員通過這些參數來監督、控制反應堆的運行，同時這些信息也會送給保護系統和控制系統，對電廠的運行過程進行控制和防止反應堆運行超出限制。

所以，從核電廠運行角度和核安全角度來說，都必須設置核測量系統，而由于核電廠的中子測量范圍比較寬（從完全停堆到滿功率，中子注量率相差約10 個量級），所以核測量系統一般設置多個量程，覆蓋搭接，來完成不同功率水平范圍的監測。另外，為了能夠測量功率分布，還需要考慮空間的布置問題，在反應堆不同角度上布置探測器，以及為了能夠得到精度更高的數據，與反應堆堆芯的距離也要考慮。

圖1 壓水堆核電廠堆外中子注量率測量系統的量程搭接示意圖Fig.1 Measurement range overlap of PWR

由于受反應堆的結構和環境條件限制，一般壓水堆很難在堆內設置用于反應堆控制和保護目的的中子注量率探測器。因此，一般核電廠根據中子注量率測量的功能要求，把中子注量率測量分為堆外中子注量率測量和堆內中子注量率測量兩部分。堆外中子注量率測量是連續監測，所測得的中子注量率信號用于核電廠的控制和保護；而堆內中子注量率測量則是定期監測，用于提供堆芯功率分布信息和校準堆外核測儀表。

堆外核測量系統的主要作用如下：

1）在反應堆從完全停堆的狀態到150%FP（有的反應堆到200%FP）運行的全過程中，對反應堆的啟動、功率運行、停堆等各種狀態下的反應堆核功率、功率倍增周期、功率流量比等參數進行監測，向操縱人員提供這些參數的指示、顯示和記錄。

2）當反應堆發生意外情況或操縱人員操作不當，而導致核功率（計數率）、周期、功率變化率等超過各自的警告整定值或事故整定值時，給出警告信號或事故信號，相應送至報警系統或保護系統，以便操縱員或者反應堆保護系統采取相應安全措施，以確保反應堆的安全。

1 壓水堆核測量系統設計

與壓水堆相比，快堆的中子量程的測量需求是類似的，所以，目前壓水堆和快堆都采用了多個量程覆蓋搭接的方式如圖1 所示，完成從停堆到高功率的測量，其探測器的類型也基本相同。

以大亞灣壓水堆為例，堆外核測量系統分為3 個量程（源量程、中間量程、功率量程），使用的探測器分別為10B 計數管、γ補償電離室、長電離室。

探測器的選擇是從信號特點和環境γ的影響等角度考慮的，如在源量程，中子注量率較低，探測到的是一個一個的不連續信號，無法得到連續的電流信號，所以使用計數管進行探測，其中的γ干擾可以利用中子和γ產生的電流脈沖幅度不同的特點，使用甄別放大器消除掉γ的影響。到中間量程，電離室可以探測到電流信號，此時為了補償γ的影響，使用補償電離室進行測量，到了功率量程，中子注量率較高，γ貢獻的電流份額較少就可以使用非補償電離室。

另外，對于壓水堆，由于中子在反應堆內進行慢化，以及控制棒的布置，使得不同方向和位置上，中子分布也會不同，而中子注量率的水平與功率成正比，所以，除了功率水平外，還需要知道功率分布，所以壓水堆堆外探測器在功率量程設置了4 個對稱的測量通道，以及源量程和中間量程共6 個測量通道，如圖2 所示[3]。

探測器測量的電流或脈沖信號一般比較小(10-7A~10-4A),所以需要對信號進行放大處理后送到其他系統。對于核電廠來說，包括功率水平（與探測器輸出的脈沖或者電流成正比）、反應堆周期、反應性等數據，這部分快堆與壓水堆基本相同。

在快堆核測量系統設計過程中，也需要考慮量程搭接、γ射線的干擾等內容。除此之外，快堆核測量系統還有很多特點。

圖2 壓水堆核探測器徑向布置圖（大亞灣）Fig.2 Schematic diagram of detector distribution

首先，是中子的速度不同。壓水堆也叫熱中子堆，快堆是快中子堆的簡稱，一般探測器只能測量熱中子（因為對于10B 和235U 來說，熱中子吸收截面遠大于快中子的吸收截面）[4]，所以核測量的第一步，就是快中子如何測量的問題；其次，快堆的堆芯外部是液態金屬池，包括堆芯外圍的增殖區和反射層都布置在液態金屬容器內，這就涉及到中子的擴散完全不同于壓水堆。因此，堆外探測器如何布置也是與壓水堆不同的；最后，由于快堆容器較大，需保證探測器位置的中子注量率水平，太低則探測器無法測得有效數據。

2 快堆的物理特點對測量的影響

快堆采用液態金屬作為冷卻劑，堆芯主要是快中子與核燃料反應，所以不需要慢化劑，冷卻劑一般選擇鈉、鉛等，如中國實驗快堆和示范快堆均選擇液態金屬鈉作為冷卻劑。所以在反應堆附近，主要是快中子，一般的核測量儀表主要依靠10B、235U 等材料，而這些材料的快中子截面比熱中子截面小得多。而且由于鈉的活化，探測器環境里γ（伽馬）射線的水平相對壓水堆較高，所以對于測量的干擾也就較大，在滿功率水平下，快堆的γ水平無法像壓水堆一樣可以不用考慮。

中國主要發展的快堆是池式快堆，其主容器直徑較大，堆外探測器距離堆芯很遠。容器外還有很多大型設備存在，進一步排擠了探測器的位置空間，導致到達探測器位置的中子注量率水平低，加上伽馬干擾的影響，對測量的影響不利。

但是，快中子的平均自由程較大，所以當堆芯不是特別大的時候，其中子注量率就與探測器的位置無關，只與探測器與堆芯的距離有關，無需考慮不同方位的中子分布不同，這個相比壓水堆就是個優勢。

3 快堆核測量系統設計

由于快堆的物理特性，其中子探測就不需要進行徑向功率分布的測量，只需要功率水平測量。所以，其探測器的布置就不需要考慮不同方位的分布，而是在可以的情況下，根據測量需要，盡可能靠近堆芯，使得探測器所處位置達到測量量程要求和最低測量要求。

所以，堆外中子測量需要考慮以下幾個方面的問題：

1）探測器由于是池式堆芯，主容器較大，距離堆芯較遠（約10m），滿功率時探測器位置的中子注量率較壓水堆低，而伽馬射線水平較高，探測器選型問題。

2）探測器的快中子截面低。

3）鈉池、增殖區對于中子的屏蔽作用，會極大地降低探測器位置中子注量率的水平。

3.1 探測器選型

對于第一個問題，由于快堆的堆芯高度不大（中國實驗快堆堆芯活性區高度750mm），所以探測器可以做成與堆芯高度相當或略大，以增加探測器的中子靈敏度。

快堆的探測器選型與示范快堆選型原理上基本相同，只有探測器的具體參數略有不同，考慮到伽馬射線對測量的影響，一般快堆堆外核測量系統探測器選型如下[1]。

源量程：

◇ 涂硼正比計數管

◇ 靈敏度約30 計數/(ncm2)

◇ 計數管外形尺寸Φ70-90mm

◇ 耐γ照射率103R/h

中間量程：

◇ 裂變室

◇ 中子計數靈敏度約0.8 計數/n/cm2

◇ 最大外形尺寸約Φ50

◇ 耐γ照射率104R/h

功率量程：

◇ 補償電離室

◇ 靈敏度≥1.55×10-13A/n/cm2s

◇ 外形尺寸約Φ70

◇γ感應度5×10-12A/R/h

可見，對于中子注量率低的問題，快堆在中間量程使用裂變室，提高測量信號水平，在功率量程使用補償電離室，來消除γ 的影響。

3.2 探測器布置

圖3 量程搭接示意圖(CEFR)Fig.3 Measurement range overlap of CEFR

圖4 探測器布置示意圖Fig.4 Detector arrangement

由于快堆堆外設備較多，需要封閉換料等設備，所以國內快堆均采用斜插的方式布置，通過懸掛裝置，使得探測器靈敏區域靠近堆芯。懸掛裝置還能起到屏蔽、保護等功能，快堆的探測器布置示意圖如圖4 所示[2]。為了增加探測效率，在探測器所在區域設置了一個探測器空間，周圍布置了石墨來進行慢化，石墨層的厚度經過理論計算，能都達到快中子慢化的效果。這樣，進入的中子基本上變成了熱中子，然后進行探測，其探測原理與壓水堆就完全相同了。

3.3 堆芯結構設計

圖5 中子引出通道方向堆本體示意圖Fig.5 Neutron extraction channel

為了提高探測器位置的中子注量率水平，減少燃料和冷卻劑對中子的阻擋，在堆芯到探測器方向減少了組件布置，并設計了一個中子引出通道，如圖5 所示。

從俄羅斯BN600 的設計經驗來看，這樣的設計是實際可行的。中國實驗快堆也采取了類似設計，為了使堆芯中子能夠更多地向堆外泄漏而到達堆外電離室處，在堆芯向堆內換料機方向設計了一個屏蔽缺口，即取消了這個方向的含硼石墨屏蔽柱。根據BN600 的經驗表明，除取消含硼石墨屏蔽柱外，還在此方向設置擠鈉腔，即用空腔取代堆容器內的冷卻劑鈉，而更利于中子泄漏。

4 信號處理特點

中國實驗快堆由于探測器輸出信號較小，而干擾信號較大，所以在探測器二次儀表中使用了IF 變換，將探測器信號轉換為頻率來進行測量，減少信號測量的誤差。

另外，快堆的核測量系統保護參數選擇了中子倍增周期，計數率作為監測參數，而壓水堆選擇了計數率作為保護參數、周期作為監測參數。雖然有一些區別，不過數據處理過程基本相同。

5 結論

本文從快堆核測量系統設置的需求和環境的特點，介紹了快堆核測量系統設計的各方面影響設計的因素和當前的設計方案，快堆的核測量與壓水堆的確存在很大不同，特別是探測器的布置和安裝環境跟壓水堆存在本質區別，但是探測器工作原理，數據處理等方面還是具有相似性的。所以，儀控系統的設計取決于堆芯物理和工藝的特點和測量需求，不同的設計理念體現了不同堆型的測量特點。