基于正比計數管的核反應堆初次裝料監測系統研制

肖 偉,邱順利,董進誠,葛孟團,胡 嬋,劉海峰,裴 煜,孫光智

(武漢第二船舶研究設計所,武漢 430064)

對于有限大小的反應堆,其中子注量率變化以恒定的數值持續增長,中子產生率與消失率達到平衡時,稱之為臨界狀態。為了對每裝入燃料組件后的安全臨界有效監督,防止堆芯裝料過程發生臨界事故[1-2]。核電站初次裝料監測系統的主要功能是在反應堆首次裝料過程中通過此系統來監測堆芯中子注量率及變化,由于在裝料過程中組件釋放出的中子較少,且堆外核測量系統源量程探測器距離堆芯較遠,中子通量低于其探測下限導致無法進行有效監測。為了能更準確的反映出堆芯的狀態,需要在堆芯內給出臨時探測器以確保反應堆在裝料過程中不發生臨界及超臨界事故,保證反應堆初次裝料的安全[3]。一旦發生事故,該系統給出報警信號使操作人員采取必要的措施保證反應堆安全和組織人員及時撤離[4]。

目前常見的核電站初次裝料監測系統探測器采用3He正比計數管,存在中子、γ分辨差,工作電壓高等缺點。此外,3He氣體較昂貴且只能依賴進口。涂硼正比計數管具有探測效率隨中子能量的變化緩慢,易于甄別γ射線,可在較高溫度下工作,脈沖上升時間快、工作電壓低、穩定性好、使用壽命長、量程范圍廣、可靠性高等優點。經調研,目前核電站對探測器現場采用二次源(即通過γ激勵產生中子)進行探測器測試,中子的γ占比較高,因此有必要研制一套基于涂硼正比計數管的初次裝料監測系統。

1 系統總體方案設計

1.1 系統組成

初次裝料監測系統主要由正比計數管組件(含一體化同軸有機電纜)和初次裝料監測機柜組成。其中,探測器組件主要包括涂硼正比計數管、高屏蔽抗干擾同軸有機電纜、電纜接插件、電纜掛鉤、電纜壓塊等。初次裝料監測機柜包括機柜柜體、測量通道機箱、脈沖發生器、無紙記錄儀和相關端子排等組成,每個測量通道機箱由前置放大插件、主放大插件、高壓插件、信號處理插件、信號顯示插件、高壓插件和電源插件等組成。

1.2 系統工作原理

中子探測器采用涂硼正比計數管,滿足0.1～3.3×104n·cm-2·s-1范圍內中子注量率測量。涂硼正比計數管輸出與中子注量率成比例的計數率信號,經高屏蔽抗干擾測量電纜傳輸給測量機柜中相應通道的脈沖計數裝置。測量通道機箱經處理后向聲光報警器發送中子注量率高的撤退報警信號,并將注量率信息轉化為模擬量信號送至無紙記錄儀進行集中顯示,并自動記錄歷史值。脈沖發生器用于產生測試用的脈沖信號,在機柜測試時模擬探測器信號使用。初次裝料系統結構框圖示于圖1。

圖1 初次裝料系統結構框圖

2 部件設計

2.1 涂硼正比計數管組件設計

涂硼正比計數管組件是初次裝料監測系統的核心部件,采用中子核反應的方法探測中子,該組件包括涂硼正比計數管(含鉛屏蔽)、與計數管連接的高屏蔽抗干擾測量電纜、吊裝鋼絲繩等。

涂硼正比計數管組件結構設計示于圖2。涂硼正比計數管由同軸圓柱形結構的陰極外殼和中心陽極細絲組成,且兩端用金屬陶瓷等絕緣材料進行絕緣。外殼內壁涂覆一定厚度的硼層以對中子靈敏,中子通過硼層時發生核反應,產生帶電粒子進入靈敏氣體,引起靈敏氣體的電離,電離出的電子在接近陽極絲時不斷增殖,產生大量電子-離子對,電荷被中心陽極絲收集并被引出,形成脈沖信號。

圖2 探測器組件結構示意圖

探測器底部采用球底設計,填料焊后車圓,可防止尖銳截面劃傷水池壁;頂部采用自溶焊密封頂蓋,將計數管和5 mm厚的鉛屏蔽壓緊在探測器管體里。其中設計鉛屏蔽緊貼計數管集成的外沿,用于吸收γ本底,以降低對中子監測信號的影響。通過均布的內六角螺釘壓緊頂蓋上的O型圈進行密封以應對所需的壓力;計數管引出信號線在電纜夾緊塊處設置一個填料函用于水下密封,對電纜進行密封,用于水下20 m處長期工作。

2.2 監測機柜設計

監測機柜內部安裝有相互獨立的4路測量通道機箱,對核電站安全起到重要作用。機柜設計需結構牢固,便于移動、操作和維修[5]。需完成涂硼正比計數管所需高壓供給、機柜內部各插件低壓電源供給、中子計數率信號和報警信號輸出等功能。

機柜的結構示意圖示于圖3,采用后進線模式,優質鍍鋅鋼板,經防腐處理,機柜內電纜和材料均采用低煙無鹵阻燃型。各機箱及插件的面板用料和顏色一致,機柜前后有防護門,均有鎖,相同插件滿足互換性。機柜底部安裝有自鎖式滾輪,頂部安裝有吊環。

圖3 監測機柜結構示意圖

2.3 測量通道機箱設計

測量通道機箱包括前置放大插件、信號處理插件、信號顯示插件、高壓插件、電源插件、放大插件、主放大插件等。主要對探測器輸出信號進行放大、甄別成形處理,并將中子計數率、撤退報警信號通過監測機柜端子排送往聲光報警器及無紙記錄儀進行記錄,測量通道機箱設計示于圖4。

圖4 測量通道機箱設計

前置放大插件用于放大和成形正比計數管傳輸過來的微弱脈沖信號,經過調理后的信號波形傳輸給主放大插件進行處理,主放大插件將來自計數管的中子脈沖信號放大、甄別、濾波整形后,送到信號處理插件。信號處理插件對來自放大插件的脈沖進行計數處理,得到中子計數率信號,送至信號顯示插件。信號顯示插件將信號處理插件處理后的計數率值、周期值顯示在液晶顯示屏,該插件采用獨立處理器與信號處理插件進行隔離通信,進一步保證系統可靠性。

2.4 吊裝方案設計

系統要求在設備安裝、運行、退出期間,需合理設計,避免探測器組件及附屬設備損壞燃料組件。在安裝過程中初裝料監測系統探頭組件需要由線纜吊裝放入堆芯水池中。裝料監測系統探頭組件通過燃料水池上方PMC平臺布置到壓力容器內部,如圖5所示的黃色圓形腔體(黃十字星),該區域有很高的異物墜落風險,應盡量避免在此區域安裝探頭和抽出壓力容器。綠十字星區域為探頭等設備從燃料水池中抽出時位置,該區域相對風險較低,可進行一些復雜程度較高的操作。

圖5 燃料水池PMC平臺

為避免探頭線纜及鋼絲繩在PMC平臺下方燃料水池內動作范圍過大,探頭線纜和鋼絲繩采用折線布置,在掛鉤與探頭之間增加一段鋼絲繩以提供額外的保護,保證不會發生因探頭尾夾松動而導致的跌落事件。擬采用的吊裝方案示于圖6。

3 主要性能測試

3.1 耐水壓密封測試

初次裝料系統探測器組件在實際工況使用時,需要具備良好的水密性能,探測器組件應滿足水下20 m使用的條件。將涂硼正比計數管探測器組件進行水壓實驗,完全浸入到加壓水箱中,持續承受0.2 MPa壓力(等效浸水深度20 m)72 h。在保壓過程中,未發生壓力泄漏,結構未破損,無變形和滲透現象。壓力實驗結束后,探測器組件絕緣電阻、輻射探測性能均滿足設計要求。實驗結束后,將涂硼正比計數管探測器組件與機柜連接整體浸入20 m深的水池中,持續運行240 h,連續監測信號輸出。結果表明,設計的涂硼正比計數管探測器組件在液壓實驗中密封性能良好,滿足水下20 m工作的設計需求。

3.2 坪特性測試

將涂硼正比計數管探測器放置于標準中子場中,搭建整套監測系統。通過信號處理裝置調節涂硼正比計數管工作電壓,讀出脈沖計數率值,繪制計數率隨工作電壓的變化曲線結果示于圖7。由圖7可知,涂硼正比計數管的高壓坪區范圍為850～1 000 V,根據坪特性計算坪長為200 V,坪斜為29.8%/100 VDC[6]。

圖7 涂硼正比計數管探測器高壓坪曲線

3.3 熱中子靈敏度測試

將涂硼正比計數管探測器置于中國計量院標準熱中子場中,熱中子場覆蓋整個探測器靈敏體積。該熱中子場輻射裝置采用12枚241Am-Be中子源,分別由高純石墨和重水慢化而成。利用金箔活化法進行熱中子注量率的測量,測量結果表明其豎直面內區域均勻性為1%,水平面內區域均勻性為5.2%[7]。標定時探測器所在位置的熱中子注量率為509 n·cm-2·s-1。完成實驗配置后讀取探測器平均輸出計數率為9 875 s-1,則該涂硼正比計數管靈敏度為:

注:1 nv=1 n·cm-2·s-1。

3.4 系統穩定性測試

為了保證設備的穩定運行及可靠性驗證,對該初次裝料系統進行約144 h的長期運行實驗。實驗時將涂硼正比計數管組件置于經聚乙烯慢化的中子場中進行測試,測量結果示于圖8。由圖8可知,在中子場中監測機柜記錄其計數率在1 100～1 162 s-1之間,測量平均值為1 127,相對誤差最大值為3.11%,測量值的最大變異系數為4.93%,表明該系統長期工作時具備優良的穩定性能。

圖8 系統穩定性測試

4 結論

采用涂硼正比計數管為中子探測器,研制了一款核反應堆初次裝料監測系統。探測器組件進行耐壓、密封結構進行設計及實驗驗證,其密封性能可滿足長時間在水深20 m工況下的使用要求。一體化高屏蔽抗干擾電纜設計保證信號傳輸穩定性,插件式設計的信號監測機柜實現信號調理、脈沖計數、報警顯示、周期值計算及歷史記錄等功能。性能實驗測試表明,該輻射監測儀具有優良的耐壓密封性及穩定性,輻射特性可滿足反應堆初次裝料情況下中子注量率監測需求。