核仪器概论1—堆芯中子测量

核仪器概论第十一节核电站与核反应堆用核仪器一、教学目的1）学习测量中子的方法和测量中子的仪器、仪表设计。2）掌握核电站与核反应堆用核仪器的设计原理和方法，关注理论与实践的结合。3）学习驾驭已学核仪器用于核电站与核反应堆的方法和构成系统的能力。4）了解工程项目实施的方法，遵循的标准和法规，了解工程项目从立项、设计、生产、验收的过程，提高协调各个接口的能力。3二、课程安排，（共5节）1、中子的测量1.1反应堆的中子注量率分布及测量1.2强辐射场下的中子注量率测量1.3高中子注量率的计数脉冲测量。2、中子的测量2.1中子注量率变化率的测量。2.2大型体中子源中子注量率的测量。2.3低中子注量率的测量。3、中子的控制3.1控制棒控制系统3.2棒位测量系统3.3停堆保护系统3.4保护系统相关法规和设计原则4、提高系统可靠性的方法4.1保护系统相关设计原则的实施4.2满足可靠性要求的方法4.3质量保证5、核电站的仪控系统5.1核电站仪控系统的设计原则5.2核电站数字化仪控系统简介5.3反应堆用核仪器的发展趋势*核电站与核反应堆用核仪器的特点1）使用环境的特殊性。高温、高湿、强辐射。2）方案选择的“多样性”。多种方案可选择，各有利弊。3）各学科知识的交叉，“拿来主义”。从使用的角度掌握。4）核仪器系统的待完善性。系统往往存在不足，需不断改进。压水堆核电站简介•核裂变的物理过程•235U+n→236U*+6.545MeV•236U*→X+Y+(2～3n)+208MeV104110-11021010-210-310310610510711010210310410-1(eV)σf裂变截面σf,单位“巴”b=10-24cm2核电站简介核电站主要设备1.反应堆厂房：内外壳2.环形吊车3.喷淋装置4.设备阀门5.换料机6.蒸汽发生器7.主蒸汽管道8.主给水管道9.控制棒驱动装置10.反应堆压力容器11.主泵12.主管道13.化学和容积控制系统热交换器14.堆芯熔融物展开区15.安全壳内换料水储存箱16.余热排出系统热交换器17.安注箱18.稳压器19.主蒸汽阀门20.给水阀21.主蒸汽安全和释放阀排放消音器22.安全厂房,2区23.主控制室24.计算机房25.除盐水池,2区27应急给水泵28.中压安注泵倒多数30.开关装置31.仪控机柜43.燃料转运管第一节中子注量率与反应堆功率第二节中子测量•慢中子：能量为0—1keV•中能中子：能量为1keV—100keV•快中子：能量为100keV—10MeV•热中子：是一个常用术语，它除了代表能量为0.005～0.5eV的中子之外，还常用来表示快中子慢化而达到与周围介质原子处于热平衡状态的中子。中子探测器的基本原理和过程•中子和原子核发生相互作用来探测中子，有下列四种基本过程：•核反应法。（n，α）（n，P）；•核反冲法（n，n）；•核裂变法。（n，f）；•活化法（n，γ）。第三节反应堆中的中子分布•通常用中子注量率表示中子场特征。反应堆活性区内平均中子通量（中子注量率）可按下式估算：•中子/cm2·秒•式中，N为中子密度，n/cm3；ν为中子速度，cm/s；P为反应堆功率（瓦），λ为中子在活性区的平均自由程，cm；V为活性区体积，cm3。•10106VpNv第四节堆芯中子注量率测量•1.堆芯主要测量控制的内容•1）堆芯中子通量分布；•了解反应堆功率密度分布。确定调整的方向和方法。•2）每个燃料组件的出水口温度；•燃料组件的反应程度和冷却水流动情况。防止燃料组件融化事故。•3）冷却水水位。•防止堆芯失水事故的发生。•1.1堆芯中子注量率测量技术•目前世界上核电站所采用的堆芯中子注量率测量系统分为三类。•以美国为代表的自给能（包括堆芯温度测量系统）测量系统，七十年代以后的设计，也称为固定式。•以法国为代表的“L”型和以美国为代表的“U”型堆芯中子注量率测量系统，它们均采用采用移动式微型裂变室为探测器的测量系统，也称为移动式。•以德国为代表的气动球测量系统。•这三类测量系统各有各自的优缺点，也有把两种系统结合起来，达到优势互补。1.2“L”型堆芯中子通量测量系统•“L”型以移动式微型裂变室为探测器的测量系统。•带有螺旋电缆的微型裂变室由驱动装置的齿轮驱动，经过选择器、电动阀、止回阀、密封段、手动阀等设备后，进入插在堆芯燃料组件的指套管，来测量堆芯内的中子注量率水平。所有机械设备、探测器和电气分配柜均放置在负标高的中子注量率测量室，而其他的控制柜，则放置在主控室附近，便于操作人员进行测量操作。•1.2.1系统功能•1）启动期间•ａ）检查堆芯初始功率分布与设计期望的功率分布是否相符。•ｂ）检验用于事故工况设计研究的热点因子是否保守。•Ｃ）校准堆外核测量系统的电离室。•ｄ）探测反应堆错装料事件。•2）正常运行期间•ａ）检查燃耗相对应的功率分布是否相符。•ｂ）监测燃料组件的燃耗，实现燃料最佳化管理。•Ｃ）校准堆外核测量系统仪表。•ｄ）探测堆芯功率倾斜。•3）裂变室探测器•利用某些重元素，如：铀，吸收中子，发生裂变，碎片产生电离，来探测中子。•电离气体：氩气；平均电离能：15.3eV•电离气体：氙气；平均电离能：12.1eV•a）输出脉冲型•b)输出电流型•探测效率(中子/cm2.s)；10-17A•累计注量率：1×1020中子。•外径:φ4.7mm•微型裂变室实例微型裂变室堆芯测量系统主要技术指标序号项目名称内容、指标1探测器定位指示精度±1mm2系统测量误差＜5%３显示读出CRT、打印４全中子注量率分布扫描时间60min５控制设备自诊断，探测器传动实时显示，自动、手动方式、保护６探测器灵敏度10-17Ａ/cm2s测量范围1010～1014n/cm2s7反应堆冷却剂密封静态密封；17.14MPa，100℃（正常）200℃（事故）动态密封；0.25～0.6MPa•1.2.2系统性能•中子注量率测量范围（电流）：•10-9—10-3A；•驱动机构运动速度：0-30m/min可调；•设定值：低速3m/min，高速18m/min；•测量数据：•--校刻测量管路、正常测量管路、救援测量管路；•--每个管路数据：每8mm测量1个数据，另测量若干个本底数据点。•--数据传输功能。•1.2.3系统运行方式•正常测量功能：全自动测量、半自动测量、单路测量、单点测量。•救援测量功能：各个通道可以实现互相救援测量。•校刻测量功能：将某一管路设定为校刻管路，每个探测器均可测量该管路，用于校刻探测器。•泄漏监测：监测和显示密封段和指套管的泄漏。测量管路的选择为了得到比较准确的堆芯中子注量率分布，需要测量多个管路。在30万千万电站中，设计测量30个管路，而对60万千瓦电站，则设计有40个测量管路。实际上并不是每个管路配置一个探测器，而是利用一台选择器，使一个探测器可分别测量10个管路；同时，利用选择器的组合，可以实现救援和校刻测量。1.2.4移动式微型裂变室需解决的技术难点：1）驱动装置2）定位精度3）密封性4）电缆携带微型裂变室，长距离传输。5）环境适应性6）控制系统探测器的驱动“L”型或“U”堆芯中子注量率测量系统的特点是：探测器采用带有螺旋电缆的微型裂变室，利用带齿轮的驱动装置来驱动探测器进出堆芯。驱动装置在控制系统的控制下，驱动探测器以高速18m/min或低速3m/min通过连接管、选择器、阀门，沿着指套管到达测量管路的预定高度，在回抽过程中测量堆芯中子注量率，然后再使微型裂变室返回到原点，完成测量过程。因此驱动装置是本系统的“动力”部件，起着重要的作用。联锁保护功能•联锁保护功能：实现各种联锁保护功能；如：•--泄漏联锁：发生泄漏的管路应闭锁，不可再测量；密封段泄漏，不影响测量，只给出报警；指套管泄漏，禁止该路测量，并给出报警。如果是在测量过程中发生指套管泄漏，探测器停止测量，高速回抽到原点，关闭电动阀•--探测器回抽时超过驱动装置出口处微动开关，系统收到该信号后，立即停止驱动电机；•--电动阀：选择器选择到位后，电动阀打开；探测器回原点后，关闭电动阀，如果路选择器出口位置微动开关未落下，则给出报警，不关闭电动阀，防止损坏探测器；•参数设置：可以设置各种运行参数。•状态显示：可以就地显示各种运行数据和状态。测控技术的选择当前测控技术有多种方式，主要可以分为逻辑电路控制技术和数字化控制技术。数字化控制技术中，又有微处理器控制技术、计算机（工控机）控制技术、DCS控制技术、PLC控制技术等，各种技术均有各自的特点。•结合本系统的特点，参照以前的工作经验，考虑采用PLC和计算机相结合的控制技术，控制和测量功能由PLC实现，而显示部分则由计算机完成。主要优点是：•--PLC适合恶劣工业环境使用，可靠性高；•--PLC采用梯形图编程，编程容易，便于测试；•--抗电磁干扰能力强；•--PLC的优势在于过程控制，弱点是数据处理、画面显示能力差，用计算机可以取长补短，同时兼作编程设备；•--远距离信号传输采用网络通讯方式，减少电缆数量。020000400006000080000100000120000140000115294357718599113127141155169183197211225239253267281295309323337351365379100%75%50测量数据处理1）中子注量率数据处理•注量率数据处理算法：•平均值法•提高采样频率，每1mm采样一次，在8mm范围内可以采集到8个数据，8个数据取平均值，得到该8mm段的数据，以降低采样数据误差。•限幅滤波法•为了进一步减少异常数据带来的误差，通过程序判断被测信号的变化幅度，从而消除缓变信号中的尖脉冲干扰。具体方法是，依赖已有的时域采样结果，将本次采样值与上次采样值进行比较，若它们的差值超出允许范围，则认为本次采样值受到了干扰，应予剔除。•1.3.自给能测量系统：•1）自给能探测器•利用某些金属在中子的轰击下；产生高能电子。电子穿过陶瓷绝缘层，被收集极收集，产生电流。因其不用外加电压，所以称为：自给能探测器。•金属靶探测效率(中子/cm2.s)•铑Re10-20A•钒V10-22A•钴Co10-24A•铂Pt10-24A•外径:φ2-φ3mmａ）自给能探测器•b）自给能探测器的选用•加拿大重水堆：钒（V）和铂（Pt）；•钒V10-22A•铂Pt10-24A•俄罗斯压水堆（田湾核电站）：铑（Re）和钴（Co）。•铑Re10-20A•钴Co10-24A•c）信号的放大Rf+Rr•d）信号的获取•e）自给能探测器与微型裂变室比较•（1）反应截面与寿命。•10-17A：10-20A：10-24A。•（2）时间补偿与温度补偿。V+-（1）联接处的绝缘。（2）良好接地。（3）表头接入。•（3）探测器数量：•四个：一百八十六个。•（4）驱动装置与测量装置：•复杂：没有。•简单：精度高。•（5）外加电源与影响•80—200V；不加。•放电——•（6）如何选择1.4气动球测量系统作业1、画出一个中子测量系统框图•从探测器开始，到显示记录止；•用框图表示各单元；•各单元用线段连接；•写出各单元的主要技术指标。2、第10章第8题。•下次上课时交作业。