基于正比计数管的核反应堆初次装料监测系统研制

肖 伟,邱顺利,董进诚,葛孟团,胡 婵,刘海峰,裴 煜,孙光智

(武汉第二船舶研究设计所,武汉 430064)

对于有限大小的反应堆,其中子注量率变化以恒定的数值持续增长,中子产生率与消失率达到平衡时,称之为临界状态。为了对每装入燃料组件后的安全临界有效监督,防止堆芯装料过程发生临界事故[1-2]。核电站初次装料监测系统的主要功能是在反应堆首次装料过程中通过此系统来监测堆芯中子注量率及变化,由于在装料过程中组件释放出的中子较少,且堆外核测量系统源量程探测器距离堆芯较远,中子通量低于其探测下限导致无法进行有效监测。为了能更准确的反映出堆芯的状态,需要在堆芯内给出临时探测器以确保反应堆在装料过程中不发生临界及超临界事故,保证反应堆初次装料的安全[3]。一旦发生事故,该系统给出报警信号使操作人员采取必要的措施保证反应堆安全和组织人员及时撤离[4]。

目前常见的核电站初次装料监测系统探测器采用3He正比计数管,存在中子、γ分辨差,工作电压高等缺点。此外,3He气体较昂贵且只能依赖进口。涂硼正比计数管具有探测效率随中子能量的变化缓慢,易于甄别γ射线,可在较高温度下工作,脉冲上升时间快、工作电压低、稳定性好、使用寿命长、量程范围广、可靠性高等优点。经调研,目前核电站对探测器现场采用二次源(即通过γ激励产生中子)进行探测器测试,中子的γ占比较高,因此有必要研制一套基于涂硼正比计数管的初次装料监测系统。

1 系统总体方案设计

1.1 系统组成

初次装料监测系统主要由正比计数管组件(含一体化同轴有机电缆)和初次装料监测机柜组成。其中,探测器组件主要包括涂硼正比计数管、高屏蔽抗干扰同轴有机电缆、电缆接插件、电缆挂钩、电缆压块等。初次装料监测机柜包括机柜柜体、测量通道机箱、脉冲发生器、无纸记录仪和相关端子排等组成,每个测量通道机箱由前置放大插件、主放大插件、高压插件、信号处理插件、信号显示插件、高压插件和电源插件等组成。

1.2 系统工作原理

中子探测器采用涂硼正比计数管,满足0.1～3.3×104n·cm-2·s-1范围内中子注量率测量。涂硼正比计数管输出与中子注量率成比例的计数率信号,经高屏蔽抗干扰测量电缆传输给测量机柜中相应通道的脉冲计数装置。测量通道机箱经处理后向声光报警器发送中子注量率高的撤退报警信号,并将注量率信息转化为模拟量信号送至无纸记录仪进行集中显示,并自动记录历史值。脉冲发生器用于产生测试用的脉冲信号,在机柜测试时模拟探测器信号使用。初次装料系统结构框图示于图1。

图1 初次装料系统结构框图

2 部件设计

2.1 涂硼正比计数管组件设计

涂硼正比计数管组件是初次装料监测系统的核心部件,采用中子核反应的方法探测中子,该组件包括涂硼正比计数管(含铅屏蔽)、与计数管连接的高屏蔽抗干扰测量电缆、吊装钢丝绳等。

涂硼正比计数管组件结构设计示于图2。涂硼正比计数管由同轴圆柱形结构的阴极外壳和中心阳极细丝组成,且两端用金属陶瓷等绝缘材料进行绝缘。外壳内壁涂覆一定厚度的硼层以对中子灵敏,中子通过硼层时发生核反应,产生带电粒子进入灵敏气体,引起灵敏气体的电离,电离出的电子在接近阳极丝时不断增殖,产生大量电子-离子对,电荷被中心阳极丝收集并被引出,形成脉冲信号。

图2 探测器组件结构示意图

探测器底部采用球底设计,填料焊后车圆,可防止尖锐截面划伤水池壁;顶部采用自溶焊密封顶盖,将计数管和5 mm厚的铅屏蔽压紧在探测器管体里。其中设计铅屏蔽紧贴计数管集成的外沿,用于吸收γ本底,以降低对中子监测信号的影响。通过均布的内六角螺钉压紧顶盖上的O型圈进行密封以应对所需的压力;计数管引出信号线在电缆夹紧块处设置一个填料函用于水下密封,对电缆进行密封,用于水下20 m处长期工作。

2.2 监测机柜设计

监测机柜内部安装有相互独立的4路测量通道机箱,对核电站安全起到重要作用。机柜设计需结构牢固,便于移动、操作和维修[5]。需完成涂硼正比计数管所需高压供给、机柜内部各插件低压电源供给、中子计数率信号和报警信号输出等功能。

机柜的结构示意图示于图3,采用后进线模式,优质镀锌钢板,经防腐处理,机柜内电缆和材料均采用低烟无卤阻燃型。各机箱及插件的面板用料和颜色一致,机柜前后有防护门,均有锁,相同插件满足互换性。机柜底部安装有自锁式滚轮,顶部安装有吊环。

图3 监测机柜结构示意图

2.3 测量通道机箱设计

测量通道机箱包括前置放大插件、信号处理插件、信号显示插件、高压插件、电源插件、放大插件、主放大插件等。主要对探测器输出信号进行放大、甄别成形处理,并将中子计数率、撤退报警信号通过监测机柜端子排送往声光报警器及无纸记录仪进行记录,测量通道机箱设计示于图4。

图4 测量通道机箱设计

前置放大插件用于放大和成形正比计数管传输过来的微弱脉冲信号,经过调理后的信号波形传输给主放大插件进行处理,主放大插件将来自计数管的中子脉冲信号放大、甄别、滤波整形后,送到信号处理插件。信号处理插件对来自放大插件的脉冲进行计数处理,得到中子计数率信号,送至信号显示插件。信号显示插件将信号处理插件处理后的计数率值、周期值显示在液晶显示屏,该插件采用独立处理器与信号处理插件进行隔离通信,进一步保证系统可靠性。

2.4 吊装方案设计

系统要求在设备安装、运行、退出期间,需合理设计,避免探测器组件及附属设备损坏燃料组件。在安装过程中初装料监测系统探头组件需要由线缆吊装放入堆芯水池中。装料监测系统探头组件通过燃料水池上方PMC平台布置到压力容器内部,如图5所示的黄色圆形腔体(黄十字星),该区域有很高的异物坠落风险,应尽量避免在此区域安装探头和抽出压力容器。绿十字星区域为探头等设备从燃料水池中抽出时位置,该区域相对风险较低,可进行一些复杂程度较高的操作。

图5 燃料水池PMC平台

为避免探头线缆及钢丝绳在PMC平台下方燃料水池内动作范围过大,探头线缆和钢丝绳采用折线布置,在挂钩与探头之间增加一段钢丝绳以提供额外的保护,保证不会发生因探头尾夹松动而导致的跌落事件。拟采用的吊装方案示于图6。

3 主要性能测试

3.1 耐水压密封测试

初次装料系统探测器组件在实际工况使用时,需要具备良好的水密性能,探测器组件应满足水下20 m使用的条件。将涂硼正比计数管探测器组件进行水压实验,完全浸入到加压水箱中,持续承受0.2 MPa压力(等效浸水深度20 m)72 h。在保压过程中,未发生压力泄漏,结构未破损,无变形和渗透现象。压力实验结束后,探测器组件绝缘电阻、辐射探测性能均满足设计要求。实验结束后,将涂硼正比计数管探测器组件与机柜连接整体浸入20 m深的水池中,持续运行240 h,连续监测信号输出。结果表明,设计的涂硼正比计数管探测器组件在液压实验中密封性能良好,满足水下20 m工作的设计需求。

3.2 坪特性测试

将涂硼正比计数管探测器放置于标准中子场中,搭建整套监测系统。通过信号处理装置调节涂硼正比计数管工作电压,读出脉冲计数率值,绘制计数率随工作电压的变化曲线结果示于图7。由图7可知,涂硼正比计数管的高压坪区范围为850～1 000 V,根据坪特性计算坪长为200 V,坪斜为29.8%/100 VDC[6]。

图7 涂硼正比计数管探测器高压坪曲线

3.3 热中子灵敏度测试

将涂硼正比计数管探测器置于中国计量院标准热中子场中,热中子场覆盖整个探测器灵敏体积。该热中子场辐射装置采用12枚241Am-Be中子源,分别由高纯石墨和重水慢化而成。利用金箔活化法进行热中子注量率的测量,测量结果表明其竖直面内区域均匀性为1%,水平面内区域均匀性为5.2%[7]。标定时探测器所在位置的热中子注量率为509 n·cm-2·s-1。完成实验配置后读取探测器平均输出计数率为9 875 s-1,则该涂硼正比计数管灵敏度为:

注:1 nv=1 n·cm-2·s-1。

3.4 系统稳定性测试

为了保证设备的稳定运行及可靠性验证,对该初次装料系统进行约144 h的长期运行实验。实验时将涂硼正比计数管组件置于经聚乙烯慢化的中子场中进行测试,测量结果示于图8。由图8可知,在中子场中监测机柜记录其计数率在1 100～1 162 s-1之间,测量平均值为1 127,相对误差最大值为3.11%,测量值的最大变异系数为4.93%,表明该系统长期工作时具备优良的稳定性能。

图8 系统稳定性测试

4 结论

采用涂硼正比计数管为中子探测器,研制了一款核反应堆初次装料监测系统。探测器组件进行耐压、密封结构进行设计及实验验证,其密封性能可满足长时间在水深20 m工况下的使用要求。一体化高屏蔽抗干扰电缆设计保证信号传输稳定性,插件式设计的信号监测机柜实现信号调理、脉冲计数、报警显示、周期值计算及历史记录等功能。性能实验测试表明,该辐射监测仪具有优良的耐压密封性及稳定性,辐射特性可满足反应堆初次装料情况下中子注量率监测需求。