AP1000核电站核仪表系统信号侧设计改进

徐小宁，刘 国

（中核辽宁核电公司，辽宁 兴城 125100）

0 引言

堆外核测系统（NIS，Nuclear Instrumentation System，在二代M310压水堆中一般称RPN系统）通过测量堆芯泄露中子通量来测量堆芯反应性，进而测得反应堆的核功率。堆外核测系统作为反应堆的“转速表”，为保护系统提供监视、控制和保护信号。堆外核测系统测量到的中子通量在探测器内被转化为脉冲或电流信号。堆外核测系统探测器的灵敏度、电磁干扰和信号衰减问题一直是困扰堆外核测系统工程师的难题。有鉴于此，AP1000核电站的NIS系统通过多种方法增强了探测器的灵敏度和信号强度。

1 源量程[1]

AP1000和M310核电站堆外核测系统的源量程探测器都采用硼10（10B）同位素作为转换元素，10B中子截面较大，吸收热中子后发生反应：

下面将从探测器类型、缓冲层、灵敏度、探测器高压、气体放大效应、脉冲强度、放大器等方面讨论两种堆外核测系统源量程信号侧的异同及产生的影响。

1.1 探测器类型

AP1000核电站的NIS系统源量程探测器采用三氟化硼（BF3）正比计数器，BF3气体既作为中子吸收物质，也作为电离气体和气体放大效应载体。采用三氟化硼作为填充气体的好处是其性质与氩气等惰性气体类似，不燃烧，不助燃，不与铁发生化学反应。

M310核电站的源量程探测器采用涂硼正比计数器型探测器，其在探测器内壁涂硼10作为中子吸收物质，探测器内部空间充85%氩气和15%二氧化碳作为电离气体和气体放大效应载体。氩气作为大气含量较多的惰性气体，较易制备，在工业上广泛应用，而二氧化碳可以延缓因探测器老化，填充气体污染造成的气体放大效应的减少。

这两种探测器的原理相同，不存在孰优孰劣的问题[1,6]。

1.2 缓冲层

AP1000核电站的NIS源量程探测器相比M310系统的探测器的一大不同点是，其在探测器的周围包裹了0.3英寸高分子聚合物成分（Tivar HOT UHMW-PE）的缓冲层，可以将快中子转变为热中子，与中子吸收物质发生反应，从而大大的提高了探测器的灵敏度。

就源量程来说，AP1000的NIS系统探测器在没有缓冲层情况下的灵敏度约为14.76cps/nv，相比M310源量程探测器的8cps/nv只提高了不到2倍；但是如果加上缓冲层，NIS探测器的灵敏度将达到40cps/nv，其灵敏度比M310源量程提高4倍。灵敏度的提升对于工作在中子通量较小环境的源量程探测器来说尤为重要[1,6]。

1.3 探测器高压

相比于M310核电站RPN系统源量程探测器的800Vdc左右的高压，AP1000的NIS系统源量程探测器高压高达1500Vdc以上。

RPN系统源量程探测器工作的800V高压，使探测器内部仅仅存在有限的气体放大效应，对探测器脉冲幅值的增加效果十分有限，其正常工作时的脉冲幅值仅为7.5E-10至7.5E-2Vdc，极易受到电缆质量和电磁干扰的影响。

而NIS系统源量程探测器工作在1500Vdc的高压下，气体放大效应最小为1E3倍，最大可达1E4倍以上，如此大的气体放大效应使得NIS系统源量程探测器脉冲幅值最小即可达到1E-4V（0.1mV），比RPN系统的脉冲幅值高1E5倍，抗干扰能力更强，对于电缆质量的要求也较宽松[1,6]。

1.4 放大器[2,6]

根据核电站的运行经验，曾经发生过多起因外界干扰导致堆外核测系统探测器信号波动的情况，严重时甚至引起跳堆。因为堆外核测系统探测器测得的信号都较小（mV级以下），所以两种堆型的堆外核测系统都不约而同的采用了信号放大器以便提高信号的抗干扰能力。但在信号放大方面，NIS系统和RPN系统从设计理念到实际运行存在较大差异。

RPN系统的信号放大器放置于机柜中，其主要用途是将探测器的脉冲信号与信号处理电路匹配、改善信噪比、甄别γ脉冲信号和将计数率信号转换为直流信号以供周期计电路和模拟量/逻辑量输出电流处理，没有考虑信号通道的防干扰问题。

NIS系统的信号放大器位于安全壳外，称为前置放大器(Preamplifier)。前置放大器可将源量程脉冲信号的振幅从最小1E-5V放大至1.5V。可以推导出，在安全壳外的信号通道中的信号，NIS系统比RPN系统将大1.5E9倍以上，抗干扰能力有质的提升。因为最小1.5V的脉冲幅值已经达到普通仪控电压信号的强度水平（0-10Vdc），对于AP1000核电站投入运行以后的维护来说，安全壳外电磁干扰导致源量程探测器信号波动的可能性基本可以排除[2,6]。

综上所述，NIS系统比RPN系统源量程信号侧的改进主要集中在3点：

1）缓冲层：NIS系统源量程探测器带有可以将快中子缓冲为热中子的缓冲层，提高灵敏度2.71倍。

2）探测器电压：NIS源量程探测器高压为1500Vdc，相比RPN源量程探测器的800Vdc高压可以带来更大的气体放大效应。

3）放大器：NIS系统在安全壳外设置了前置放大器，相比RPN系统位于机柜内的放大器，减少了安全壳外信号被干扰的可能性。

得益于这3点，NIS系统源量程的灵敏度为40cps/nv，比RPN系统的8cps/nv高5倍；安全壳内脉冲信号幅值为1E-5V以上，比RPN系统高1E4倍；安全壳外脉冲信号强度幅值为1.5V以上，比RPN系统高1E9倍。

2 中间量程

AP1000和M310核电站NIS系统的中间量程采用了不同的两种探测器：NIS系统采用裂变室探测器，RPN系统采用10B同位素作为转换元素的涂硼补偿电离室探测器。RPN系统的涂硼补偿电离室探测器的反应公式依然和源量程的一样，为：

RPN系统的中间量程探测器产生的信号一直为电流信号。

RPN系统的中间量程探测器采用了“补偿”电离室来消除γ射线产生的干扰信号，原理详见图1。

图1 RPN系统中间量程探测器信号示意图Fig.1 Schematic diagram of signal intermediate range detector RPN system

AP1000核电站的NIS系统采用了裂变室作为中间量程的探测器。其探测器内壁涂235U作为中子吸收物质，探测器内部充氩气作为电离气体。众所周之，235U吸收热中子后将发生裂变并且发出多种裂变碎片，并伴随200MeV的能量，例如：

裂变室在1E5cps以下的低功率平台下工作在脉冲模式，在1E5cps以上的功率平台下工作在均方根电压（MSV）模式。

相比起补偿式电离室内硼10涂层与中子反应产生的锂粒子、α粒子及2.32MeV的能量，裂变室的235U变产生的氙粒子、锶粒子等粒子及200MeV的能量在探测器电极上产生的脉冲幅值和电压强度要高的多，其在低功率平台下的脉冲模式的精确度和灵敏度也高于RPN系统的中间量程探测器。

下面将从探测器类型、缓冲层、信号强度、放大器等方面讨论两种堆外核测系统中间量程信号侧的异同及产生的影响[3,6]。

2.1 探测器类型

如上段所属，NIS系统和RPN系统中间量程的探测器类型分别为裂变室和补偿式电离室，两种探测器因各自的结构和工作原理而各有优劣。

例如，RPN系统中间量程的补偿式电离室探测器用补偿电离室将γ射线产生的干扰直接消除，避免了甄别电路对信号灵敏度产生的影响，同时简化了信号处理回路。

而NIS系统中间量程的裂变室探测器在恶劣条件下具有很高的可靠性，相比235U裂变产生的高能量，γ射线产生的干扰信号强度极小，可以有效甄别。更为重要的是，裂变室探测器的信号同时具有脉冲性和电流性两种特性：在低中子通量下，裂变室可以作为普通计数器使用。因为裂变室探测器高压较低，所以探测器内部气体放大效应有限。若不算缓冲层提供的增值，仅为0.94cps/nv，与灵敏度为8E-14A/nv（约为1cps/nv）的补偿电离室大体相当。在高中子通量下，裂变室内的脉冲因为互相堆积，将产生正比性很好的均方根电压，该电压同样正比于中子通量。这两种模式互相补偿，使得裂变室探测器同时在低功率平台下和高功率平台下都具有较高的灵敏度。

裂变室探测器的缺点是，因为235U中总是含有微量的234U，其自发衰变产生α粒子，给探测器信号带来了干扰，用甄别器将α离子干扰信号甄别后将稍微降低探测器灵敏度（约1%）[3,6]。

2.2 缓冲层

M310核电站的RPN系统中间量程探测器没有缓冲层，因此其灵敏度为探测器原始灵敏度8E-14A/nv(约1cps/nv)。

AP1000核电站的NIS系统的中间量程探测器外壁有厚度为0.3英寸的高分子聚合物SWX-237-0缓冲层，其能够将裂变室探测器的约0.94cps/nv的灵敏度提高2.76倍到2.6cps/nv[3,6]。

2.3 信号强度

对于RPN系统来说，因为其中间量程一直工作在直流模式下，因此它的信号强度以电流模式表示，因中子通量不同，它的信号强度为1E-11~8E-4A，若将探测器至机柜所有长度的阻抗统一为75Ω，则信号强度也可以表示为7.5E-10~6E-2V。

相比10B中子反应放出的2.32MeV能量，NIS中间量程裂变室探测器的235U中子反应放出200MeV以上的能量，因此其在探测器电极上将产生比补偿式电离室大的多的脉冲信号和电压信号。就脉冲模式而言，正常脉冲信号强度为0.1pC，若也将探测器至机柜所有长度的阻抗统一为75Ω，且脉冲宽度为100ns，那么正常情况下脉冲振幅约为7.5E-2V。也就是说，在低功率平台下，裂变室的信号强度比补偿电离室的强度大1E8倍。

就MSV模式而言，其电压强度为160mV~5V，也就是说，裂变室的信号强度比补偿电离室的强度大83倍[3,6]。

2.4 放大器

RPN系统中间量程的放大器与源量程一样，都安装在机柜中，并未考虑到放大信号通道中的信号以对抗电磁干扰。皮安级的微弱信号从探测器直接传输到信号处理机柜，导致其极易受外界电磁干扰和信号电缆质量的影响。

与RPN系统相比，AP1000的NIS系统的中间量程在探测器信号增大10E8倍之余，还在安全壳外设置了与源量程类似的前置放大器，进一步放大探测器信号，并将脉冲信号经光电转换器转变为光信号传输到信号处理机柜。脉冲信号的振幅在前置放大器中由7.5E-2V被放大到1.5V，并且经甄别后去除干扰信号，该“纯净”的脉冲信号接下来由光电调制器转变为光信号，由光纤送至信号处理机柜。MSV信号被调制为标准的0-5V信号送至信号处理机柜。这样从根本上杜绝了电磁干扰带来的信号波动问题，也降低了对电缆质量的要求[4,6]。

综上所述，NIS系统比RPN系统中间量程信号侧的改进主要集中在3点：

1）探测器类型：NIS系统中间量程探测器为裂变室探测器，RPN中间量程探测器为补偿式电离室，裂变室探测器工作范围宽，信号强度高。

2）缓冲层：NIS系统中间量程探测器缓冲层提高了其灵敏度2.76倍。

3）放大器：NIS系统在安全壳外设置了前置放大器，相比RPN系统位于机柜内的放大器，减少了安全壳外信号被干扰的可能性。

得益于这3点，NIS系统中间量程的灵敏度为2.6cps/nv，比RPN系统的1cps/nv高1.6倍；安全壳内脉冲信号幅值为7.5E-2V以上，比RPN系统高1E8倍以上；安全壳外脉冲信号强度幅值为1.5V以上，并且转换为光信号传输；MSV信号强度为160mV~5V，比RPN系统高83倍。

3 功率量程

AP1000核电站NIS系统和M310核电站RPN系统的功率量程探测器的工作原理和基本结构是类似的。它们都使用非补偿电离室探测器测量中子，电离室内涂的硼-10吸收中子并与填充气体发生电离的反应也都是相同的。

灵敏度和信号强度的差异主要是由于探测器材质造成。二者的区别主要在于探测器分段、探测器填充气体、缓冲层、灵敏度和信号强度。下面将从这几点讨论两种堆外核测系统中间量程信号侧的异同及产生的影响。

3.1 探测器分段

RPN系统功率量程探测器分为6段，并组合为上部和下部探测器。NIS系统功率量程只有上下两段探测器。两种布置形式性能基本相同[5,6]。

3.2 探测器填充气体

RPN系统功率量程探测器内填充气体为1%氦气+6%氮气+93%氩气；NIS系统功率量程探测器内填充气体为95%氮气+5%氦气[5,6]。

3.3 缓冲层

RPN系统功率量程探测器的缓冲层为聚乙烯。RPN系统功率量程探测器的外壳材料为镉，镉可以吸收绝大部分的热中子，因此RPN系统功率量程探测器内发生反应的只有堆芯发射的快中子，经过缓冲层后慢化的热中子，这点与铝外壳的NIS系统功率量程探测器有着较大区别。

NIS系统的功率量程探测器的缓冲层和源量程的相同，都是0.3英寸厚分子量极高的高分子聚合物成分（Tivar HOT UHMW-PE），比RPN系统的普通聚乙烯缓冲层的慢化效果更好，可以将探测器的灵敏度提高4.46倍以上[5,6]。

3.4 灵敏度

因为探测器材质和缓冲层的不同，RPN系统功率量程探测器的灵敏度仅2.3E-14A/nv，而NIS探测器的灵敏度比起提高了26倍达到6E-13A/nv[5,6]。

3.5 信号电流强度

因为满量程的中子通量大概为1E9nv，因此可以推导出在100%功率时，NIS系统功率量程探测器的信号电流强度正常值为0.6mA，RPN系统功率量程探测器的信号强度正常值为0.023mA，和灵敏度的对比值相同，NIS系统的信号强度是RPN系统信号强度的26倍，提高了抗电磁干扰的能力。

与源量程和中间量程相比，AP1000核电站和M310核电站功率量程信号侧方面差别较小，信号强度和灵敏度的提升主要是因为探测器外壳、缓冲层材质不同导致的，提升幅度仅26倍，未达到质的差别。

4 其他

AP1000核电站NIS系统和M310核电站RPN系统因其安装方式还有其他不同点，相应的带来了在信号防干扰、维护性等方面的差异，如下。

1）RPN系统的探测器在反应堆水池生物屏蔽层下方有一个连接盘，用于将探测器一体化电缆连接到水池外壁的连接盒中，根据运行经验，该连接盘经常因为运行环境恶劣而导致阻抗过大导致探测器信号漂移。NIS系统没有这个连接盘，探测器一体化电缆直接从反应堆堆腔引出至连接盒，减少了信号被干扰的可能性。连接盘如下图2所示。

但是这种布置方式带来一个好处，RPN系统在需要更换探测器时可以将探测器通过小车拉出，并从上部直接取出，维修人员无需深入探测器安装位置，减少了维修人员的剂量。而NIS系统的探测器若需要更换或目视检查，维修人员必须深入反应堆堆腔11105房间，电站投入运行后该房间为红区，在其中维修困难较大。

2）NIS系统探测器信号线引出到与主泵仅一门之隔的连接箱中，因此主泵启动/停运时,若连接箱外壳未完全闭合或接地不良，将干扰探测器信号。连接箱所在房间11204运行后亦为红区，维修难度很大。

图2 M310核电站探测器布置方式Fig.2 M310 nuclear detector arrangement

6 总结

AP1000核电站堆外核测系统NIS相比M310核电站堆外核测系统RPN系统在信号侧方面做了较大改进，效果显著。其中，源量程的灵敏度提高5倍，信号幅值在安全壳内提高了1E4倍，安全壳外提高1E9倍；中间量程灵敏度提高2.76倍，信号幅值在低功率平台下提高1E8倍，在高功率平台下提高了83倍；功率量程的灵敏度与信号幅值都提高了26倍。得益于信号幅值的增强，NIS系统在防干扰和信号电缆/接头的要求方面的要求比RPN系统都要宽松，提高了AP1000核电站启动和运行期间反应堆核功率信号的稳定性和可维护性。

但从维修策略来说，RPN系统在辐射区的工作量较小，且充分考虑到了维修可达性和便利性，极少有需在黄区以上的辐射区进行的工作。

NIS系统需在设备制造、安装、调试和大修期间严格保证质量，尽量避免控制区内设备留下隐患，在电厂投入运行后，如需进行控制区内维修，大部分工作将在红区内进行，给工业安全和辐射控制带来很大难度。

[1]Paul A.Will.AP1000 Excore Source Range Detector Design Specification.Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-27.

[2]Paul A.Will.AP1000 Nuclear Instrumentation System Source Range Preamplifier Hardware Design Specification;Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-29

[3]Paul A.Will.AP1000 Excore Intermediate Range Detector Design Specification.Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-28

[4]Paul A.Will.AP1000 Nuclear Instrumentation System Intermediate Range Preamplifier Hardware Design Specification; Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-29

[5]Paul A.Will.AP1000 Excore Power Range Detector Design Specification.Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-29

[6]核电秦山联营有限公司运行处.秦山第二核电厂系统及运行(上)[Z].2000,10(1):155-173.