核电站仪表岗前培训第九章中子注量率监测仪表全文案例分析电子版

第九章中子注量率（中子通量）监测仪表堆功率与每秒发生的裂变数成正比。设中子通量密度平均值为，可裂变核数为N，裂变截面为f，则每秒发生的核裂变数等于Nf。已知每次裂变释放能量E、堆芯体积V，可得到堆芯总功率的近似值为P=VENf式中E=200MeV=3.2×10-11J。由于反应堆的核功率正比于反应堆的注量率水平，所以可以通过测量反应堆的中子通注量率来反映反应堆的核功率。中子注量率测量分为：堆外中子注量率测量（连续监测）和堆内中子注量率测量（定期监测）。以1011（n.cm-2s-1)为界来划分堆内和堆外。测量中子注量率的核仪表中使用的敏感元件为中子探测器。堆内所采用的核检测仪表是微型裂变室或自给能探测器，堆外所采用的核检测仪表是涂硼正比计数管、γ补偿电离室及长电离室等第一节中子探测器作用：把正比于核功率的中子注量率信号转变为电信号。原理：探测器的结构、测量方法各不相同，但归纳起来都是利用中子与核发生的各种反应（例如核反应、核裂变等），直接或间接地测量中子通量密度。中子探测器分类电离室气体探测器{裂变室计数管常用的中子探测器{中子闪烁探测器固体探测器{自给能探测器一、固体探测器1.自给能探测器的原理物质与辐射场相互作用，因发射和吸收荷电粒子而带电。置于辐射场中的两种相互绝缘的导体（或半导体），由于带电情况和程度不同，它们之间就产生了电势差。2.自给能探测器的结构3.自给能探测器的种类（1）内转换自给能探测器：又称快响应自给能探测器。基本结构：发射体、绝缘体、收集体及电缆组成。发射体：铂或钴、钪、镉等材料制成。绝缘体：氧化镁制成。收集体：外径1.5mm的不锈钢制成。电缆：外径1.0mm的同轴电缆。工作原理（2）β流自给能探测器响应自给能探测器发射体：钒、铑、银等材料制成。绝缘体：氧化镁制成。收集体：外径1.5mm的不锈钢制成。电缆：外径1.0mm的同轴电缆。工作原理二、气体探测器1.工作原理：利用气体电离，电离的粒子在外加电场的作用下向收集极运动，从而在外电路形成电信号。基本结构：加速电压电极（高压电极）、收集电极、电极之间的气体以及支撑结构和绝缘体等组成。常用的中子探测器是基于10B(n,α)7Li反应。110740532743274322.7932.3160.48nBLiHeMeVLiHeMeVLiHeMeV2.气体探测器的输出与外加电压的关系坪：不随V而改变的一段曲线称为探测器的“坪”。坪长：坪的长度，坪长=VD-VG。坪斜：%1002）（）（坪斜GDGDGDVVNNNN3.反应堆中子注量率测量中常用的几种气体探测器（1）电离室用于收集和测量由入射辐射以及来自电离室结构的次级辐射与电离室内确定的已知体积的气体相互作用而产生的离子和电子电荷。有圆筒形和平板形两种结构。按产生的信号的不同可分为两类：♪脉冲电离室♫累计或电流型电离室1.长电离室长电离室与反应堆堆芯一样长，它由两个结构完全相同的短电离室构成，分为上下两段。它是一种硼电离室。入射中子与硼发生核反应：110740532743274322.7932.3160.48nBLiHeMeVLiHeMeVLiHeMeV主要特性-测量范围：约为102n/(cm2.s)~1010n/(cm2.s)-中子灵敏度:约为10-13A/(n.cm-2.s-1)-最高线性电流:约为10-3A;-工作电压:200V~1000V-坪斜1%/100V-绝缘电阻：信号线与管壳之间的电阻≥1012Ω-分布电容:≤200pf-所带电缆长度:15m2.γ补偿电离室在反应堆中，γ射线是很强的，对测量产生影响。采用γ补偿的方法消除其影响。主要特性-中子灵敏度:脉冲式约≥0.8c/n/.cm2.s)电流式约≥2×10-13A/n/.cm2.s)-最高线性计数率:约为5×105计数/S;-工作电压:200V~800V-坪长：约250V-坪斜3%/100V-绝缘电阻：信号线与管壳之间的电阻≥5×109Ω-分布电容:≤300pf-所带电缆长度:≥15m3、微型裂变室由焊接端塞、同芯包壳及测量体三部分组成。同心包壳氩气90%铀氧化物外电极内电极高纯氩气因为裂变碎片产生的能量比核反应产生次级粒子的能量大得多，所以裂变电离室的灵敏度比硼电离室更高，γ射线影响更小，更适合与更高γ辐射场内的中子探测。4、计数管正比计数管的脉冲信号与入射粒子在管内所产生的初级电离的离子对的数目成正比。如果粒子射程不长而可停止在管内气体中，则该粒子的种类、数目和个数可被探测到。在甄别电路的配合下，可把β、γ射线所产生的较小的脉冲甄别掉，而只记录α粒子。常有的计数管有涂硼正比计数管和BF3正比计数管。（1）涂硼正比计数管中心阳极丝是由Ø25μm的不锈钢做成，圆筒形阴极是由高纯度铝制成。阴极内表面涂以丰度为92％的硼10B，两电极之间相互绝缘，计数管内充以氩气(Ar)和少量的二氧化碳（CO2）。计数管长558mm。（2）BF3正比计数管第二节压水堆核电厂堆外中子注量率监测系统（堆外核仪表系统）压水堆核电厂中子注量率测量分为堆外中子注量率监测和堆内中子注量率监测两部分。要求中子注量率监测系统对反应堆的核功率进行连续不断的测量和监视，核功率的动态变化达10个数量级以上。堆外中子注量率监测系统通常采用三种不同量程的通道：源量程通道，中间量程通道和功率量程通道。（1）可移动式堆芯测量仪表用于刻度堆外核仪表、监测燃料孔道的热点因子变化，轴向和径向的功率分布，以提高燃料利用率。（2）堆外核仪表对反应堆总的核功率及功率的轴向分布进行测量，用作功率监视、控制、报警以及反应堆保护等。一、堆外中子注量率监测仪表的功能监督反应堆内中子通量的变化情况，并为反应堆运行及其安全提供信息。1.信息和控制功能(1)提供信号：记录和显示信号，向操纵员提供反应堆装料、停堆、启动和功率运行各工况下的反应堆状态信息。（多种量程的堆外核仪表，监测反应堆功率、功率变化及功率分布）。(2)控制信号:功率量程的信号用于棒控程序;(3)中子噪音测量线路的输出用来评估反应堆内部构件的松动和振动；(4)监测径向功率倾斜和轴向功率偏差，停堆和启动期间中子视听计数。2.保护功能向反应堆保护系统RPR提供多个紧急停堆信号和允许信号。防止反应堆发生超功率，提供中子注量率高和注量率变化高信号；二、核仪表系统的设计原则1.量程范围及量程内通道配置2个源量程通道（正比计数管CP）2个中间量程通道（补偿电离室CIC）4个功率量程通道（非补偿电离室CIMC）•源量程通道（正比计数管CP）测量范围：中子注量率：10-1～2×105n/cm2·ｓ对应功率：10-9％FP～10-3％FP•中间量程通道（补偿电离室CIC）测量范围：中子注量率：2.0×102～5.0×1010n/cm2·ｓ对应功率：10-6％FP～100％FP•功率量程通道（非补偿电离室CIMC）测量范围：中子注量率：5×102～5×1010n/cm2·ｓ对应功率：10-1％FP～100％FP2.核测量系统运行中操纵员干预的水平3.可靠性要求：要考虑－单一故障准则；－冗余；－通道的独立性；－在役检验；－检测系统和保护系统相互影响；－旁路控制．4.核测量仪表的特殊性5.核检测仪表设计中遵循的准则和标准至仪表柜004RPNAR至仪表柜002RPNAR至仪表柜003RPNAR至仪表柜001RPNAR反应堆堆坑防护墙探测器径向布置3、压水堆核电厂堆外核仪表系统一般结构以广东大亚湾核电站为例堆芯上部1/4线堆芯中平面堆芯下部1/4线源量程和中间量程探测井功率量程探测井源量程用的正比计数器中间量程用的补偿电离室功率量程用长电离室探测器轴向布置探测器圆筒形支架的安装机构探测器圆筒支架拉出时位置测量位置压力容器上封头盖子生物屏蔽塞可移动定位装置电缆压力容器支撑环核仪表系统运行时的探测位置1.源量程通道(1)探测器●测量范围：10-1~2×105n/(cm2·s)或10-9%FP~10-3%FP●类型：涂硼正比计数管●组成：密封包壳，内壁涂硼，管内充氩气和少量二氧化碳，外加高压直流电源。（2）两个独立的重复通道组成由2个独立的相同线路组成在停堆期间和启动初始阶段的中子注量率冗余测量源量程测量通道（CNS）源量程探测通道阴极阳极硼层绝缘10BA+COr2甑别器放大器试验模块计数率转换为直流电流甑别阈脉冲脉冲计数率I1I2logI1对数放大器周期计逻辑量输出模拟量输出指示记录报警保护（）RPR计数率的音响指示视听计数线路数值记录（局部）甄别放大原理γ射线也产生幅值较小的电流脉冲，故用甑别放大电路滤除它和反应堆内其他γ射线产生的小幅度电流脉冲，放大粒子产生的电流脉冲，从而得到只与中子注量率成正比的计数脉冲。源量程测量通道给主控室提供的信息（3）周期测量反应堆功率的变化可以表示成其中P0为t=0时的功率，T是反应堆功率增长的周期，它表示反应堆的功率水平变化e（=2.716）倍所需要的时间。TtePP0)/)(/1(1dtdPPTTd:倍增时间（也称倍增周期），它表示反应堆的功率水平变化1倍所需要的时间。根据上式可以写成：说明倍增时间Td与功率对数的导数成反比。结论：对数放大器的输出通过周期计的微分即可以得到表示倍增时间的信号，显示和记录；对数放大器的输出作为计数率显示和记录的信号；作为保护信号。)/(/12ln2lndtdPPTTd)(ln2lnPdtdTd2.中间量程测量通道(CNI)由2个独立的相同线路组成•测量范围：2×102~5×1010n/(cm2·s)或10-6%FP~100%FP•类型：γ补偿电离室•组成：两个同轴的圆柱形电离室，一个涂硼，一个不涂硼，电离室内充氩气。涂硼电离室外电极接正电压，内电极接负电压，不涂硼电离室外电极接负电压，内电极接正电压。中间量程测量通道(CNI)中间量程测量通道指示记录试验模块对数放大器模拟量输出周期计逻辑量输出I+InγIγInlogInI氩氩涂硼层3.功率量程通道●由4个独立的相同线路组成●在反应堆功率运行期间堆芯上部和下部以及平均功率的中子注量率冗余测量●测量范围：5×102~5×1010n/(cm2·s)或10-1%FP~200%FP●类型：长电离室组成：6个敏感段构成，3个布置于堆芯上部，3个布置于堆芯下部。●在功率量程阶段，γ产生的脉冲电流相对于α粒子产生的脉冲电流可以忽略不计，故不需甄别电路或进行γ补偿。功率量程测量通道(CNP)功率量程测量通道电源试验校核增益可调放大器棒控系统限于4(RGL)CNP增益可调放大器平均放大器RIC校核指示仪表自动记录反应性测量仪(CNP4)对比线路功率分布监测线路反应堆保护系统P(P%)rn堆芯上部堆芯下部•••计算反应性•监视堆芯的径向功率分布的不平衡度•监视堆芯的功率分布•第三节压水堆核电厂堆芯中子注量率测量系统堆芯的的环境一、堆内中子通量测量系统1.完成的任务（1）证实计算的堆芯性能；（2）证实堆芯的运行安全裕量；（3）为燃料管理提供输入数据；（4）探测氙引起的功率不对称性或振荡的出现；（5）校准堆外核检测仪表。2.测点位置大亚湾核电站3.系统组成共设50个探测点，只用了5个探测器，它们当中的每一个都可以通过一定的方式对10个通道中的中子通量密度进行测量。（1）测量通道测量通道、指套管、探测器和导向管之间的关系探测器驱动电缆可抽出指套管导向管导向管压力容器手动隔离阀密封段堆内中子注量率系统密封装置密封段正常工况静态密封换料动态密封手动隔离阀换料时关闭密封段泄露探测位于两道密封之间指套管泄露探测器自动阀测量时打开球形检验阀（2）操作系统SGV驱动装置组选择器路组选择器路选择器自动隔离阀手动隔离阀密封段仪表导向柱中子注量率仪表导管导向管指套管螺旋电缆（3）工作方式☆正常运行分两个阶段：第一阶段称顺序校准阶段；第二阶段为实际读出阶段，此阶段采用两种运行方式：组同步运行方式或组顺序同步运行方式☆特殊稳态运行（1）救援方式；（2）部分中子通量图绘制（3）独立的运行方式（4）工作时间◆间断进行；◆