硼表在核電廠的應(yīng)用

劉 龍，姚 瑜，曹先慧，王福博，黃顯威，仵中行

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

壓水堆核電廠熱力發(fā)電的原理是核裂變反應(yīng)，其過程是中子與原子核的相互作用。在這個過程中，一個重原子核吸收一個中子后，立即分裂成兩個質(zhì)量相近的中等質(zhì)量數(shù)的核素（也稱為裂變碎片，三裂變碎片極少），同時放出能量和中子。核裂變反應(yīng)的重要性在于，在裂變反應(yīng)中不僅能夠釋放出可以被人類利用的巨大能量，同時裂變反應(yīng)中還釋放出有可能使裂變反應(yīng)能夠自動持續(xù)下去的次級中子，從而使人們持續(xù)不斷地獲取核能。熱中子反應(yīng)堆內(nèi)最常用的核燃料是裂變同位素鈾-235。鈾-235的裂變反應(yīng)一般為：

在適當?shù)臈l件下，這些裂變中子又會引起周圍其它裂變同位素的裂變反應(yīng)，如此連續(xù)不斷地下去，這種核反應(yīng)稱為鏈式裂變反應(yīng)。鏈式反應(yīng)過程是通過有效的控制方式進行的，比如通過調(diào)節(jié)溶解在冷卻劑系統(tǒng)中的硼濃度和調(diào)節(jié)棒控制在反應(yīng)堆中的插入深度[1]。改變硼酸濃度是為了補償反應(yīng)性的長期變化，如燃耗加深引起的剩余反應(yīng)性減小。控制反應(yīng)性的多種方法都是為了補償反應(yīng)堆的剩余反應(yīng)性以滿足長期穩(wěn)定經(jīng)濟運行的要求，保持整個堆芯在燃耗壽期內(nèi)堆芯功率分布較為平坦，且在事故情況下安全地緊急停閉反應(yīng)堆。

由此可見，控制硼酸濃度是確保核反應(yīng)堆內(nèi)安全的必要手段，是核電廠安全運行的重要基礎(chǔ)，這就要求對硼濃度進行連續(xù)、可靠地監(jiān)測。

1 硼濃度監(jiān)測的原理

硼濃度的測量有兩種實施方案：酸堿中和滴定法和儀表在線檢測法。滴定法需要手動采樣，然后在實驗室進行酸堿分析，有人員放射性污染的風險，且有一定的時間滯后性，不具有連續(xù)性，但滴定分析結(jié)果比較精準。儀表法是采用在線硼表測量，可以連續(xù)測量硼濃度。

硼表測量的工藝流程如圖1，反應(yīng)堆冷卻劑經(jīng)測量支管流入硼表，取樣水最終返回反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)。硼表由測量容器、中子源、中子探測器組成，乙烯的作用是緩沖中子流。中子源由镅、鈹粉狀物制成，可發(fā)出各向同性的快中子流。

圖1 硼表測量的工藝流程Fig.1 Process flow of boron meter measurement

中子流通過硼表中的硼水，發(fā)生如下反應(yīng)：

中子在經(jīng)過硼表時，被吸收一部分，中子密度的減小程度和硼水濃度大小相關(guān)。硼水濃度越高，中子密度減小愈多。使用中子探測器測量經(jīng)過硼表后的中子密度，就可計算得出硼酸濃度。中子探測器是裂變電離室型，結(jié)構(gòu)如圖2，硼表內(nèi)充以可電離氣體。硼表內(nèi)管外壁涂一層鈾235，鈾235和中子作用后發(fā)生裂變，裂變產(chǎn)物使氣體電離，通過正負電極測量電離電流，通過負載電阻轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，電壓脈沖的頻率與中子密度成線性關(guān)系[2]。此外，為了滿足核電廠輻射防護要求，還需要對中子源設(shè)置聚乙烯材料屏蔽體[3]。

圖2 裂變電離室型中子探測器Fig.2 Flly -lying chamber neutron detector

脈沖信號通過計算處理，并考慮消除噪音干擾[4]，且進行溫度補償[5]，計算得出硼濃度。計算公式如下：

式（2）中：p為B-10的濃度（以下簡稱硼濃度）；N為單位時間內(nèi)接收到的脈沖個數(shù)（計數(shù)率）；A，B，C為與安裝、測量系統(tǒng)有關(guān)的系數(shù)（通過標定來獲得）。

根據(jù)上述公式，可知只要確定A、B、C系數(shù)，就可以計算得出硼濃度。

2 影響硼表測量精確度的因素

理論上，經(jīng)過硼表后的中子計數(shù)率和硼濃度之間存在著映射關(guān)系，然而實際情況中有很多影響因素。如與中子源強度、探測器的特性、探測器的極化電壓，脈沖信號的甄別電壓以及硼水溫度等因素[6]，其函數(shù)關(guān)系式見公式（1），這就需要對硼表進行標定。

1）中子源強度

中子源強度隨著時間會有衰減，但其半衰期長達400多年，在兩次標定的時間內(nèi)，中子源強度可視為常數(shù)，忽略該因素的影響。

2）探測器的特性

中子密度和中子探測器測量的脈沖頻率在理論上是線性函數(shù)關(guān)系，隨著設(shè)備的老化，其轉(zhuǎn)換系數(shù)會發(fā)生變化。兩次標定間隔期間時間短，設(shè)備老化影響可忽略不計。

3）極化電壓

中子探測器的脈沖頻率與施加的極化電壓值有直接的關(guān)系，所以在硼表工作過程中要保證極化電壓的穩(wěn)定性。

4）甄別電壓

硼表中除了裂變產(chǎn)物產(chǎn)生脈沖電壓，鈾235的自然輻射等原因還會產(chǎn)生本底脈沖電壓。這就要求設(shè)置一個甄別電壓，對本地脈沖電壓進行閾值甄別過濾。

5）測量介質(zhì)溫度

當溫度增加時，水的密度減小：①經(jīng)水慢化后的中子數(shù)減少，對測量結(jié)果產(chǎn)生了負的效應(yīng)；②單位體積水中的硼也減少，被硼吸收的中子減少，對測量結(jié)果產(chǎn)生了正的效應(yīng)。硼表中設(shè)置一個測量硼水溫度的熱電阻，溫度信號送到硼濃度計算回路中，以實現(xiàn)溫度補償。

3 硼表的標定

硼表作為一臺精密的硼濃度測量儀器，同其他儀表一樣，為了保證測量數(shù)據(jù)的有效性，必須在定期或者在硼表的測量數(shù)據(jù)發(fā)生偏離化學滴定數(shù)據(jù)時，對其進行標定，以重新設(shè)定硼表的工作點（極化高壓值和噪音甄別電壓）[7]。根據(jù)硼表測量硼濃度的數(shù)學公式：1/N = A×p2+ B×p + C，可知，已知系數(shù)A、B、C，通過測量計數(shù)率N，就可以得到被測介質(zhì)的硼濃度。如果A、B、C系數(shù)存在誤差，則直接影響測量數(shù)據(jù)的準確性。因此，硼表標定的最終目的是確定系數(shù)A、B、C及標定時的溶液溫度Tr（參考溫度）。

通過設(shè)置一個恒溫箱來保證標定溶液的溫度穩(wěn)定。標定原理：一是中子探測器到電子機架，經(jīng)過電子機架計算、處理后，通過打印機打印出計數(shù)率N；二是化學分析人員經(jīng)過化學取樣，再通過化學滴定法計算出理論硼濃度p。這兩條主線最后會合，可以得到關(guān)于A、B、C的第一個方程式f（N，p）。從數(shù)學的角度來講，只要得到3個這樣的方程式，就可以求出系數(shù)A、B、C，實際工作中，選擇較多點（N，p），因為最后要將其中誤差過大的（N，p）點從中刪除掉。

4 不同狀態(tài)下的在線方式

核電廠因為計劃性停堆或者缺陷導(dǎo)致機組狀態(tài)被迫后撤等原因，需要改變反應(yīng)堆熱工水力工況，這個過程中為保證硼表的連續(xù)運行，需要改變硼表在工藝管線中的流程[8]，以M310壓水堆為例：

4.1 RCP（反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)）到RCV002BA（容控箱）方式

反應(yīng)堆冷卻劑的主泵處于運行狀態(tài)時，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主管路的冷卻劑處于流動狀態(tài)，取樣點位于1#或2#環(huán)路的熱段，經(jīng)過兩級冷卻器后再經(jīng)過硼表012MG和流量計007MD，返回至容控箱，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)與容控箱之間的壓差可以保證取樣流量，且容控箱用以回收反應(yīng)堆冷卻劑。

4.2 RRA（余熱排出系統(tǒng)）到RCV002BA（容控箱）方式

當反應(yīng)堆工況下行時，反應(yīng)堆冷卻劑的主泵即將停運，此時余熱排出泵投運，硼表取樣點轉(zhuǎn)至余熱排出泵的出口，以獲得更大的壓頭，取樣水仍然返回至容控箱。

4.3 RRA（余熱排出系統(tǒng)）到RCP（反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)）的2#環(huán)路方式

當反應(yīng)堆工況繼續(xù)往下走，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)為泄壓排水做準備，此時容控箱將失去作用，硼表的取樣水不再返回至容控箱，而回到反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的2#環(huán)路。

5 硼表參與防誤稀釋保護邏輯的應(yīng)用

硼酸作為反應(yīng)堆反應(yīng)性控制的重要介質(zhì)，設(shè)計上需嚴格避免發(fā)生硼酸誤稀釋的風險，硼表測量的硼濃度信號除了用作顯示監(jiān)測作用外，還送到防止反應(yīng)堆冷卻劑誤稀釋的邏輯保護中。與計算出的補給水硼濃度相比較，當實際測量的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)硼濃度和要求的補給硼濃度的差值大于保護閾值時，則產(chǎn)生補給水硼濃度異常報警信號，防誤稀釋保護動作，自動停止稀釋或補水[9]。

6 硼表不可用時的應(yīng)對措施

硼表作為反應(yīng)堆反應(yīng)性監(jiān)測的手段，在反應(yīng)堆內(nèi)核燃料未卸出時，要求連續(xù)運行。針對反應(yīng)堆不同的標準運行狀態(tài)，考慮反應(yīng)堆可接受的風險程度，對硼表的不可用有著不同的緩解應(yīng)對措施和檢修期限要求[10]，具體見表1（以M310壓水堆為例）。

表1 硼表不可用時的應(yīng)對措施Table 1 Countermeasures when the boron meter is unavailable

7 硼表故障處理

7.1 硼表斷流

硼表作為反應(yīng)堆冷卻劑硼酸濃度監(jiān)測的重要儀表，要求能夠連續(xù)運行監(jiān)測。在機組熱工水力工況變化時，尤其是改變硼表在線流程時，經(jīng)常發(fā)生硼表斷流的情況，導(dǎo)致反應(yīng)性監(jiān)測手段的冗余度的降低。該問題在多個核電廠發(fā)生，導(dǎo)致機組狀態(tài)轉(zhuǎn)化停止，大修工期受到影響，引起了電廠技術(shù)和管理人員的高度重視。

案例：2019年9月3日，國內(nèi)某核電廠4號機處于正常冷停堆，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)降壓至0.35MPa。根據(jù)規(guī)程要求，化學人員將硼表回水由回到容控箱改為回到RCP2#環(huán)路，隨后化學人員反饋硼表改在線后顯示無流量。由于在維修冷停堆下硼表不可用時，技術(shù)規(guī)范中明確規(guī)定禁止反應(yīng)堆工況的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致機組狀態(tài)轉(zhuǎn)換終止。

針對該問題，核電廠運行部門制定了硼表流量異常處理預(yù)案：

1）現(xiàn)象：化學人員將硼表按要求在線后3 REN 020 MD流量異常。

2）需要短時恢復(fù)硼表可用時，使用3 REN 007 MD替代，從RRA下游返回容控箱。

圖3 硼表流量異常處理流程圖Fig.3 Flow chart of abnormal flow of boron meter

3）需要查找原因時，按以下步驟進行：

步驟1：聯(lián)系儀控檢查流量計3 REN 020 MD是否故障，可進行硼表流量計比對。

注：硼表流量計異常的可能原因為單位設(shè)定錯誤、供電母線檢修后硼表上游開關(guān)未送電、斷電后流量計設(shè)置丟失。

步驟2：排查RRA上游→硼表→軟管是否堵塞。

步驟3：排查取RCP的2環(huán)路返回管線是否堵塞。

7.2 流量調(diào)節(jié)閥的故障導(dǎo)致硼表不可用

硼表上游的核取樣系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)閥是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)高壓取樣管線的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是將系統(tǒng)壓力從15.4MPa降到0.8MPa以下（以M310壓水堆為例），以滿足下游取樣以及在線儀表的安全和流量要求。該閥門需要具備調(diào)節(jié)特性好，靈敏度高等特性。國內(nèi)核電廠發(fā)生過多起因為流量調(diào)節(jié)閥的性能不滿足使用要求，而導(dǎo)致閥門自動關(guān)閉，硼表斷流，從而機組進入技術(shù)規(guī)范限制的情況。

案例：國內(nèi)某核電廠3號機組硼表目前在線反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)2#環(huán)，從4月17日開始，在系統(tǒng)和管線閥門未進行任何操作情況下，硼表流量每日都有不同程度的波動，時而持續(xù)下降到低于技術(shù)規(guī)范所要求的硼表流量下限，時而壓力持續(xù)上升至管線殼內(nèi)隔閥3REN102VP的保護壓力0.9Mpa。經(jīng)分析，該閥門經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)節(jié)性能差，閥門內(nèi)漏，閥門不能自動調(diào)節(jié)下游壓力等缺陷，解體閥門發(fā)現(xiàn)閥芯、閥座沖蝕嚴重，經(jīng)分析主要是閥門承受高壓差汽蝕閥芯造成，另外閥門設(shè)計的工況不合適，閥門長期工作在小開度區(qū)域也是原因之一。

目前針對該共性問題，各電廠采取了以下優(yōu)化措施：

1）調(diào)節(jié)閥上游增加集成多級孔板的手動減壓閥，多級孔板的設(shè)計按閥門全開來設(shè)計，閥門作為多級孔板的冗余措施，正常運行時手動調(diào)節(jié)閥保持全開，應(yīng)急時調(diào)節(jié)閥門。

2）優(yōu)化PID內(nèi)置參數(shù)，與現(xiàn)場實際工況進行重新匹配。

3）檢查調(diào)節(jié)閥卡件電壓和電流，必要時更換輸出卡件。

雖然采取了上述措施，該問題仍然未得到根本解決，故障頻率有所下降，但未根除。后續(xù)考慮如下方案：

a）調(diào)研國內(nèi)外應(yīng)用成熟的同類型高精度調(diào)節(jié)閥，推進技術(shù)變更改造。

b）統(tǒng)計缺陷類型，完善策略性維修數(shù)據(jù)庫。

c）短定期解體檢修的預(yù)防性維修周期。

8 結(jié)束語

綜上所述，硼表作為核電廠反應(yīng)堆的反應(yīng)性監(jiān)測的重要手段，對核安全起著至關(guān)重要的作用，核電廠營運單位必須給與足夠的重視。經(jīng)過多年的國內(nèi)外運行經(jīng)驗，在硼表的運行方式、異常處理、維修方案等方面已有相當?shù)膬?yōu)化改進，但仍有改進的必要和優(yōu)化的空間，如高壓差、低流量運行介質(zhì)的調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性差問題仍然未得到根本解決，除了對標改進之外，還需在專項設(shè)計研究中投入更多人力和物力來攻克共性問題，保證核反應(yīng)堆具有足夠的安全冗余度，保障核電機組安全穩(wěn)定運行。