肖 偉,邱順利,董進(jìn)誠(chéng),葛孟團(tuán),胡 嬋,劉海峰,裴 煜,孫光智

(武漢第二船舶研究設(shè)計(jì)所,武漢 430064)

對(duì)于有限大小的反應(yīng)堆,其中子注量率變化以恒定的數(shù)值持續(xù)增長(zhǎng),中子產(chǎn)生率與消失率達(dá)到平衡時(shí),稱(chēng)之為臨界狀態(tài)。為了對(duì)每裝入燃料組件后的安全臨界有效監(jiān)督,防止堆芯裝料過(guò)程發(fā)生臨界事故[1-2]。核電站初次裝料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是在反應(yīng)堆首次裝料過(guò)程中通過(guò)此系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)堆芯中子注量率及變化,由于在裝料過(guò)程中組件釋放出的中子較少,且堆外核測(cè)量系統(tǒng)源量程探測(cè)器距離堆芯較遠(yuǎn),中子通量低于其探測(cè)下限導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。為了能更準(zhǔn)確的反映出堆芯的狀態(tài),需要在堆芯內(nèi)給出臨時(shí)探測(cè)器以確保反應(yīng)堆在裝料過(guò)程中不發(fā)生臨界及超臨界事故,保證反應(yīng)堆初次裝料的安全[3]。一旦發(fā)生事故,該系統(tǒng)給出報(bào)警信號(hào)使操作人員采取必要的措施保證反應(yīng)堆安全和組織人員及時(shí)撤離[4]。

目前常見(jiàn)的核電站初次裝料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器采用3He正比計(jì)數(shù)管,存在中子、γ分辨差,工作電壓高等缺點(diǎn)。此外,3He氣體較昂貴且只能依賴(lài)進(jìn)口。涂硼正比計(jì)數(shù)管具有探測(cè)效率隨中子能量的變化緩慢,易于甄別γ射線(xiàn),可在較高溫度下工作,脈沖上升時(shí)間快、工作電壓低、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)、量程范圍廣、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)調(diào)研,目前核電站對(duì)探測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)采用二次源(即通過(guò)γ激勵(lì)產(chǎn)生中子)進(jìn)行探測(cè)器測(cè)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(jì)數(shù)管的初次裝料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

初次裝料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由正比計(jì)數(shù)管組件(含一體化同軸有機(jī)電纜)和初次裝料監(jiān)測(cè)機(jī)柜組成。其中,探測(cè)器組件主要包括涂硼正比計(jì)數(shù)管、高屏蔽抗干擾同軸有機(jī)電纜、電纜接插件、電纜掛鉤、電纜壓塊等。初次裝料監(jiān)測(cè)機(jī)柜包括機(jī)柜柜體、測(cè)量通道機(jī)箱、脈沖發(fā)生器、無(wú)紙記錄儀和相關(guān)端子排等組成,每個(gè)測(cè)量通道機(jī)箱由前置放大插件、主放大插件、高壓插件、信號(hào)處理插件、信號(hào)顯示插件、高壓插件和電源插件等組成。

1.2 系統(tǒng)工作原理

中子探測(cè)器采用涂硼正比計(jì)數(shù)管,滿(mǎn)足0.1～3.3×104n·cm-2·s-1范圍內(nèi)中子注量率測(cè)量。涂硼正比計(jì)數(shù)管輸出與中子注量率成比例的計(jì)數(shù)率信號(hào),經(jīng)高屏蔽抗干擾測(cè)量電纜傳輸給測(cè)量機(jī)柜中相應(yīng)通道的脈沖計(jì)數(shù)裝置。測(cè)量通道機(jī)箱經(jīng)處理后向聲光報(bào)警器發(fā)送中子注量率高的撤退報(bào)警信號(hào),并將注量率信息轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)送至無(wú)紙記錄儀進(jìn)行集中顯示,并自動(dòng)記錄歷史值。脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生測(cè)試用的脈沖信號(hào),在機(jī)柜測(cè)試時(shí)模擬探測(cè)器信號(hào)使用。初次裝料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖示于圖1。

圖1 初次裝料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 部件設(shè)計(jì)

2.1 涂硼正比計(jì)數(shù)管組件設(shè)計(jì)

涂硼正比計(jì)數(shù)管組件是初次裝料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部件,采用中子核反應(yīng)的方法探測(cè)中子,該組件包括涂硼正比計(jì)數(shù)管(含鉛屏蔽)、與計(jì)數(shù)管連接的高屏蔽抗干擾測(cè)量電纜、吊裝鋼絲繩等。

涂硼正比計(jì)數(shù)管組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示于圖2。涂硼正比計(jì)數(shù)管由同軸圓柱形結(jié)構(gòu)的陰極外殼和中心陽(yáng)極細(xì)絲組成,且兩端用金屬陶瓷等絕緣材料進(jìn)行絕緣。外殼內(nèi)壁涂覆一定厚度的硼層以對(duì)中子靈敏,中子通過(guò)硼層時(shí)發(fā)生核反應(yīng),產(chǎn)生帶電粒子進(jìn)入靈敏氣體,引起靈敏氣體的電離,電離出的電子在接近陽(yáng)極絲時(shí)不斷增殖,產(chǎn)生大量電子-離子對(duì),電荷被中心陽(yáng)極絲收集并被引出,形成脈沖信號(hào)。

圖2 探測(cè)器組件結(jié)構(gòu)示意圖

探測(cè)器底部采用球底設(shè)計(jì),填料焊后車(chē)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(jì)數(shù)管和5 mm厚的鉛屏蔽壓緊在探測(cè)器管體里。其中設(shè)計(jì)鉛屏蔽緊貼計(jì)數(shù)管集成的外沿,用于吸收γ本底,以降低對(duì)中子監(jiān)測(cè)信號(hào)的影響。通過(guò)均布的內(nèi)六角螺釘壓緊頂蓋上的O型圈進(jìn)行密封以應(yīng)對(duì)所需的壓力;計(jì)數(shù)管引出信號(hào)線(xiàn)在電纜夾緊塊處設(shè)置一個(gè)填料函用于水下密封,對(duì)電纜進(jìn)行密封,用于水下20 m處長(zhǎng)期工作。

2.2 監(jiān)測(cè)機(jī)柜設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)機(jī)柜內(nèi)部安裝有相互獨(dú)立的4路測(cè)量通道機(jī)箱,對(duì)核電站安全起到重要作用。機(jī)柜設(shè)計(jì)需結(jié)構(gòu)牢固,便于移動(dòng)、操作和維修[5]。需完成涂硼正比計(jì)數(shù)管所需高壓供給、機(jī)柜內(nèi)部各插件低壓電源供給、中子計(jì)數(shù)率信號(hào)和報(bào)警信號(hào)輸出等功能。

機(jī)柜的結(jié)構(gòu)示意圖示于圖3,采用后進(jìn)線(xiàn)模式,優(yōu)質(zhì)鍍鋅鋼板,經(jīng)防腐處理,機(jī)柜內(nèi)電纜和材料均采用低煙無(wú)鹵阻燃型。各機(jī)箱及插件的面板用料和顏色一致,機(jī)柜前后有防護(hù)門(mén),均有鎖,相同插件滿(mǎn)足互換性。機(jī)柜底部安裝有自鎖式滾輪,頂部安裝有吊環(huán)。

圖3 監(jiān)測(cè)機(jī)柜結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 測(cè)量通道機(jī)箱設(shè)計(jì)

測(cè)量通道機(jī)箱包括前置放大插件、信號(hào)處理插件、信號(hào)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(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行放大、甄別成形處理,并將中子計(jì)數(shù)率、撤退報(bào)警信號(hào)通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)柜端子排送往聲光報(bào)警器及無(wú)紙記錄儀進(jìn)行記錄,測(cè)量通道機(jī)箱設(shè)計(jì)示于圖4。

圖4 測(cè)量通道機(jī)箱設(shè)計(jì)

前置放大插件用于放大和成形正比計(jì)數(shù)管傳輸過(guò)來(lái)的微弱脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)調(diào)理后的信號(hào)波形傳輸給主放大插件進(jìn)行處理,主放大插件將來(lái)自計(jì)數(shù)管的中子脈沖信號(hào)放大、甄別、濾波整形后,送到信號(hào)處理插件。信號(hào)處理插件對(duì)來(lái)自放大插件的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)處理,得到中子計(jì)數(shù)率信號(hào),送至信號(hào)顯示插件。信號(hào)顯示插件將信號(hào)處理插件處理后的計(jì)數(shù)率值、周期值顯示在液晶顯示屏,該插件采用獨(dú)立處理器與信號(hào)處理插件進(jìn)行隔離通信,進(jìn)一步保證系統(tǒng)可靠性。

2.4 吊裝方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求在設(shè)備安裝、運(yùn)行、退出期間,需合理設(shè)計(jì),避免探測(cè)器組件及附屬設(shè)備損壞燃料組件。在安裝過(guò)程中初裝料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探頭組件需要由線(xiàn)纜吊裝放入堆芯水池中。裝料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探頭組件通過(guò)燃料水池上方PMC平臺(tái)布置到壓力容器內(nèi)部,如圖5所示的黃色圓形腔體(黃十字星),該區(qū)域有很高的異物墜落風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)盡量避免在此區(qū)域安裝探頭和抽出壓力容器。綠十字星區(qū)域?yàn)樘筋^等設(shè)備從燃料水池中抽出時(shí)位置,該區(qū)域相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較低,可進(jìn)行一些復(fù)雜程度較高的操作。

圖5 燃料水池PMC平臺(tái)

為避免探頭線(xiàn)纜及鋼絲繩在PMC平臺(tái)下方燃料水池內(nèi)動(dòng)作范圍過(guò)大,探頭線(xiàn)纜和鋼絲繩采用折線(xiàn)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(hù),保證不會(huì)發(fā)生因探頭尾夾松動(dòng)而導(dǎo)致的跌落事件。擬采用的吊裝方案示于圖6。

3 主要性能測(cè)試

3.1 耐水壓密封測(cè)試

初次裝料系統(tǒng)探測(cè)器組件在實(shí)際工況使用時(shí),需要具備良好的水密性能,探測(cè)器組件應(yīng)滿(mǎn)足水下20 m使用的條件。將涂硼正比計(jì)數(shù)管探測(cè)器組件進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn),完全浸入到加壓水箱中,持續(xù)承受0.2 MPa壓力(等效浸水深度20 m)72 h。在保壓過(guò)程中,未發(fā)生壓力泄漏,結(jié)構(gòu)未破損,無(wú)變形和滲透現(xiàn)象。壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,探測(cè)器組件絕緣電阻、輻射探測(cè)性能均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將涂硼正比計(jì)數(shù)管探測(cè)器組件與機(jī)柜連接整體浸入20 m深的水池中,持續(xù)運(yùn)行240 h,連續(xù)監(jiān)測(cè)信號(hào)輸出。結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的涂硼正比計(jì)數(shù)管探測(cè)器組件在液壓實(shí)驗(yàn)中密封性能良好,滿(mǎn)足水下20 m工作的設(shè)計(jì)需求。

3.2 坪特性測(cè)試

將涂硼正比計(jì)數(shù)管探測(cè)器放置于標(biāo)準(zhǔn)中子場(chǎng)中,搭建整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)信號(hào)處理裝置調(diào)節(jié)涂硼正比計(jì)數(shù)管工作電壓,讀出脈沖計(jì)數(shù)率值,繪制計(jì)數(shù)率隨工作電壓的變化曲線(xiàn)結(jié)果示于圖7。由圖7可知,涂硼正比計(jì)數(shù)管的高壓坪區(qū)范圍為850～1 000 V,根據(jù)坪特性計(jì)算坪長(zhǎng)為200 V,坪斜為29.8%/100 VDC[6]。

圖7 涂硼正比計(jì)數(shù)管探測(cè)器高壓坪曲線(xiàn)

3.3 熱中子靈敏度測(cè)試

將涂硼正比計(jì)數(shù)管探測(cè)器置于中國(guó)計(jì)量院標(biāo)準(zhǔn)熱中子場(chǎng)中,熱中子場(chǎng)覆蓋整個(gè)探測(cè)器靈敏體積。該熱中子場(chǎng)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(jìn)行熱中子注量率的測(cè)量,測(cè)量結(jié)果表明其豎直面內(nèi)區(qū)域均勻性為1%,水平面內(nèi)區(qū)域均勻性為5.2%[7]。標(biāo)定時(shí)探測(cè)器所在位置的熱中子注量率為509 n·cm-2·s-1。完成實(shí)驗(yàn)配置后讀取探測(cè)器平均輸出計(jì)數(shù)率為9 875 s-1,則該涂硼正比計(jì)數(shù)管靈敏度為:

注:1 nv=1 n·cm-2·s-1。

3.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

為了保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行及可靠性驗(yàn)證,對(duì)該初次裝料系統(tǒng)進(jìn)行約144 h的長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)將涂硼正比計(jì)數(shù)管組件置于經(jīng)聚乙烯慢化的中子場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)試,測(cè)量結(jié)果示于圖8。由圖8可知,在中子場(chǎng)中監(jiān)測(cè)機(jī)柜記錄其計(jì)數(shù)率在1 100～1 162 s-1之間,測(cè)量平均值為1 127,相對(duì)誤差最大值為3.11%,測(cè)量值的最大變異系數(shù)為4.93%,表明該系統(tǒng)長(zhǎng)期工作時(shí)具備優(yōu)良的穩(wěn)定性能。

圖8 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

4 結(jié)論

采用涂硼正比計(jì)數(shù)管為中子探測(cè)器,研制了一款核反應(yīng)堆初次裝料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。探測(cè)器組件進(jìn)行耐壓、密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其密封性能可滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)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(shè)計(jì)保證信號(hào)傳輸穩(wěn)定性,插件式設(shè)計(jì)的信號(hào)監(jiān)測(cè)機(jī)柜實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理、脈沖計(jì)數(shù)、報(bào)警顯示、周期值計(jì)算及歷史記錄等功能。性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,該輻射監(jiān)測(cè)儀具有優(yōu)良的耐壓密封性及穩(wěn)定性,輻射特性可滿(mǎn)足反應(yīng)堆初次裝料情況下中子注量率監(jiān)測(cè)需求。