钠冷快堆堆外核测量系统设计

第28卷 第4期2021年4月仪器仪表用户INSTRUMENTATION
Vol.28
2021 No.4
钠冷快堆堆外核测量系统设计
冯伟伟，贺长兴，段天英，徐启国，于 政
（中国原子能科学研究院，北京 102413）
摘 要：
核测量系统是核电厂仪控系统信息功能中最重要的测量系统之一，核测量系统从反应堆完全停堆到150%额定功率的范围内，对反应堆的换料、启动、功率运行、停堆等各种状态下的反应堆核功率、周期等参数进行监测，并向保护系统、控制室系统等提供相关参数，用于控制显示或保护。

快堆的核测量系统与压水堆有较多不同，本文从快堆的特殊核物理现象，堆芯布置、探测器布置、探测孔道设置、探测器选型、量程覆盖设计等多个角度，对快堆核测量系统的设计进行对比研究分析，并结合实际工程设计，介绍快堆核测量系统的结构，探测器选型、数据处理的技术特点。

关键词：核测量系统；快堆；探测器布置；中子注量率
中图分类号：TL363 文献标志码：A
Design of Nuclear Measurement System for Fast Reactor
Feng Weiwei ，He Changxing ，Duan Tianying ，Xu Qiguo ，Yu Zheng
（China Institute of Atomic Energy, Beijing,102413, China）
Abstract：Nuclear measurement system is one of the most important measurement systems in the information function of Instru-ment and Control system of nuclear power plant. The nuclear measurement system monitors the nuclear power, power period and
other parameters of the reactor under various states, such as refueling, start-up, power operation and shutdown, from the complete shutdown to 150% power. The system provides relevant parameters for control system or protection system. There are many differ-ences between the nuclear measurement system of fast reactor and PWR. In this paper, the design of nuclear measurement system of fast reactor is compared and analyzed from the special physical characteristics of fast reactor, detector layout, detection channel setting, detector selection, range coverage design and other aspects. Combined with real project design, this paper introduces the structure of nuclear measurement system, detector selection and technical characteristics of data processing.Key words：nuclear measurement system；fast reactor；detector arrangement；neutron flux
DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2021.04.016
文章编号：1671-1041(2021)04-0056-04
收稿日期：2021-02-03
作者简介：冯伟伟（1982-），男，陕西韩城人，硕士，高级工程师，研究方向：反应堆仪表与控制（I&C）技术研究与应用。

通讯作者：贺长兴，男，工程师，研究方向：核测量仪表和系统设计。

0 引言
核测量系统是核电厂控制保护系统的重要组成部分，用来测量反应堆的功率及其变化，功率分布、功率变化率等。

操纵员通过这些参数来监督、控制反应堆的运行，同时这些信息也会送给保护系统和控制系统，对电厂的运行过程进行控制和防止反应堆运行超出限制。

所以，从核电厂运行角度和核安全角度来说，都必须设置核测量系统，而由于核电厂的中子测量范围比较宽（从完全停堆到满功率，中子注量率相差约10个量级），所以核测量系统一般设置多个量程，覆盖搭接，来完成不同功率水平范围的监测。

另外，为了能够测量功率分布，还需要考虑空间的布置问题，在反应堆不同角度上布置探测器，
冯伟伟·钠冷快堆堆外核测量系统设计
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图1 压水堆核电厂堆外中子注量率测量系统的量程搭接示意图
Fig.1 Measurement range overlap of PWR
以及为了能够得到精度更高的数据，与反应堆堆芯的距离也要考虑。

由于受反应堆的结构和环境条件限制，一般压水堆很难在堆内设置用于反应堆控制和保护目的的中子注量率探测器。

因此，一般核电厂根据中子注量率测量的功能要求，把中子注量率测量分为堆外中子注量率测量和堆内中子注量率测量两部分。

堆外中子注量率测量是连续监测，所测得的中子注量率信号用于核电厂的控制和保护；而堆内中子注量率测量则是定期监测，用于提供堆芯功率分布信息和校准堆外核测仪表。

堆外核测量系统的主要作用如下：
1）在反应堆从完全停堆的状态到150%FP（有的反应堆到200%FP）运行的全过程中，对反应堆的启动、功率运行、停堆等各种状态下的反应堆核功率、功率倍增周期、功率流量比等参数进行监测，向操纵人员提供这些参数的指示、显示和记录。

2）当反应堆发生意外情况或操纵人员操作不当，而导致核功率（计数率）、周期、功率变化率等超过各自的警告整定值或事故整定值时，给出警告信号或事故信号，相应送至报警系统或保护系统，以便操纵员或者反应堆保护系统采取相应安全措施，以确保反应堆的安全。

1 压水堆核测量系统设计
与压水堆相比，快堆的中子量程的测量需求是类似的，所以，目前压水堆和快堆都采用了多个量程覆盖搭接的方式如图1所示，完成从停堆到高功率的测量，其探测器的类型也基本相同。

以大亚湾压水堆为例，堆外核测量系统分为3个量程（源量程、中间量程、功率量程），使用的探测器分别为10B计数管、γ补偿电离室、长电离室。

探测器的选择是从信号特点和环境γ的影响等角度考虑的，如在源量程，中子注量率较低，探测到的是一个一个的不连续信号，无法得到连续的电流信号，所以使用计数管进行探测，其中的γ干扰可以利用中子和γ产生的电流脉冲幅度不同的特点，使用甄别放大器消除掉γ的影响。

到中间量程，电离室可以探测到电流信号，此时为了补偿γ的影响，使用补偿电离室进行测量，到了功率量程，中子注量率较高，γ贡献的电流份额较少就可以使用非补偿电离室。

另外，对于压水堆，由于中子在反应堆内进行慢化，以及控制棒的布置，使得不同方向和位置上，中子分布也会不同，而中子注量率的水平与功率成正比，所以，除了功率水平外，还需要知道功率分布，所以压水堆堆外探测器在功率量程设置了4个对称的测量通道，以及源量程和中间量程共6个测量通道，如图2所示[3]。

探测器测量的电流或脉冲信号一般比较小(10-7A~10-4A),所以需要对信号进行放大处理后送到其他系统。

对于核电厂来说，包括功率水平（与探测器输出的脉冲或者电流成正比）、反应堆周期、反应性等数据，这部分快堆与压水堆基本相同。

在快堆核测量系统设计过程中，也需要考虑量程搭接、γ射线的干扰等内容。

除此之外，快堆核测量系统还有很多特点。

首先，是中子的速度不同。

压水堆也叫热中子堆，快
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图2 压水堆核探测器径向布置图（大亚湾）
Fig.2 Schematic diagram of detector distribution
堆是快中子堆的简称，一般探测器只能测量热中子（因为对于10B和235U来说，热中子吸收截面远大于快中子的吸收截面）[4]，所以核测量的第一步，就是快中子如何测量的问题；其次，快堆的堆芯外部是液态金属池，包括堆芯外围的增殖区和反射层都布置在液态金属容器内，这就涉及到中子的扩散完全不同于压水堆。

因此，堆外探测器如何布置也是与压水堆不同的；最后，由于快堆容器较大，需保证探测器位置的中子注量率水平，太低则探测器无法测得有效数据。

2 快堆的物理特点对测量的影响
快堆采用液态金属作为冷却剂，堆芯主要是快中子与核燃料反应，所以不需要慢化剂，冷却剂一般选择钠、铅等，如中国实验快堆和示范快堆均选择液态金属钠作为冷却剂。

所以在反应堆附近，主要是快中子，一般的核测量仪表主要依靠10B、235U等材料，而这些材料的快中子截面比热中子截面小得多。

而且由于钠的活化，探测器环境里γ（伽马）射线的水平相对压水堆较高，所以对于测量的干扰也就较大，在满功率水平下，快堆的γ水平无法像压水堆一样可以不用考虑。

中国主要发展的快堆是池式快堆，其主容器直径较大，堆外探测器距离堆芯很远。

容器外还有很多大型设备存在，进一步排挤了探测器的位置空间，导致到达探测器位置的中子注量率水平低，加上伽马干扰的影响，对测量的影响不利。

但是，快中子的平均自由程较大，所以当堆芯不是特别大的时候，其中子注量率就与探测器的位置无关，只与探测器与堆芯的距离有关，无需考虑不同方位的中子分布不同，这个相比压水堆就是个优势。

3 快堆核测量系统设计
由于快堆的物理特性，其中子探测就不需要进行径向功率分布的测量，只需要功率水平测量。

所以，其探测器的布置就不需要考虑不同方位的分布，而是在可以的情况下，根据测量需要，尽可能靠近堆芯，使得探测器所处位置达到测量量程要求和最低测量要求。

所以，堆外中子测量需要考虑以下几个方面的问题：
1）探测器由于是池式堆芯，主容器较大，距离堆芯较远（约10m），满功率时探测器位置的中子注量率较压水堆低，而伽马射线水平较高，探测器选型问题。

2）探测器的快中子截面低。

3）钠池、增殖区对于中子的屏蔽作用，会极大地降低探测器位置中子注量率的水平。

3.1 探测器选型
对于第一个问题，由于快堆的堆芯高度不大（中国实验快堆堆芯活性区高度750mm），所以探测器可以做成与堆芯高度相当或略大，以增加探测器的中子灵敏度。

快堆的探测器选型与示范快堆选型原理上基本相同，只有探测器的具体参数略有不同，考虑到伽马射线对测量的影响，一般快堆堆外核测量系统探测器选型如下[1]。

源量程：
◇ 涂硼正比计数管
◇ 灵敏度约30计数/(ncm2)
◇ 计数管外形尺寸Φ70-90mm
◇ 耐γ照射率103R/h
中间量程：
◇ 裂变室
◇ 中子计数灵敏度约0.8计数/n/cm2
◇ 最大外形尺寸约Φ50
◇ 耐γ照射率104R/h
功率量程：
◇ 补偿电离室
◇ 灵敏度≥1.55×10-13A/n/cm2s
◇ 外形尺寸约Φ70
◇ γ感应度5×10-12A/R/h
可见，对于中子注量率低的问题，快堆在中间量程使用裂变室，提高测量信号水平，在功率量程使用补偿电离室，来消除γ的影响。

3.2 探测器布置
由于快堆堆外设备较多，需要封闭换料等设备，所以国内快堆均采用斜插的方式布置，通过悬挂装置，使得探
测器灵敏区域靠近堆芯。

悬挂装置还能起到屏蔽、保护等
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图4 探测器布置示意图Fig.4 Detector arrangement
图3 量程搭接示意图(CEFR)
Fig.3 Measurement range overlap of CEFR
功能，快堆的探测器布置示意图如图4所示[2]。

为了增加探测效率，在探测器所在区域设置了一个探测器空间，周围布置了石墨来进行慢化，石墨层的厚度经过理论计算，能都达到快中子慢化的效果。

这样，进入的中子基本上变成了热中子，然后进行探测，其探测原理与压水堆就完全相同了。

3.3 堆芯结构设计
为了提高探测器位置的中子注量率水平，减少燃料和冷却剂对中子的阻挡，在堆芯到探测器方向减少了组件布置，并设计了一个中子引出通道，如图5所示。

从俄罗斯BN600的设计经验来看，这样的设计是实际可行的。

中国实验快堆也采取了类似设计，为了使堆芯中子能够更多地向堆外泄漏而到达堆外电离室处，在堆芯向堆内换料机方向设计了一个屏蔽缺口，即取消了这个方向的含硼石墨屏蔽柱。

根据BN600的经验表明，除取消含硼石墨屏蔽柱外，还在此方向设置挤钠腔，即用空腔取代堆图5 中子引出通道方向堆本体示意图
Fig.5 Neutron extraction channel
（下转第39页）
第4期39王晓程·视频监控系统在长输管道及油气田高后果地区应用浅析
数，总的存储容量为：13608G
1.4 视频智能分析
借助智能化管道平台，通过智慧管道平台在智能视频分析、行为模式识别和基于深度学习的目标特征提取与分类技术的基础上，用大数据技术综合基准数据和历史数据完成对疑似违法行为的交叉信息验证，从而形成更精确的目标行为判读结果，更完备的目标行为模板库。

1.5 视频监控与其它泄漏检测系统融合
针对管道的破坏事件多发，安全巡护形势严峻，通过在管道高后果区、无伴行路巡线不便区及人口密集区增设区域设视频监控，并与负压波管道泄漏监控系统优势互补，实现对输油管道沿线24h实时监控，提前发现并制止针对管道的破坏活动；对突发事故快速应急响应，减少原油泄漏带来的经济损失及生态问题；同时，减少巡护人员用工量及巡护工作强度。

2 结束语
面临的各类突发事件压力、社会舆论压力加大，高后果区监控系统的建设为解决以上的问题和矛盾提供了管理手段和技术手段，主要表现在以下方面：
1）全面提升精细管理水平。

通过视频监控系统对管道周边的第三方施工、可疑人员动态等信息及时发现，准确掌握、调配力量、合理处置，管控由被动巡查向主动管控转变。

2）降低劳动强度
通过远程视频监控系统，可以直观地了解管道沿线状况，减少工作人员人工巡线次数，优化了人力资源，降低劳动强度，降低生产运行费用。

3）降低安全风险
通过现场视频远程信息系统的报警、预警等功能，可有效防范事故的发生，降低安全风险。

通过视频监控系统优势充分发挥，人防力量得到最大优化，人防力量和技防手段相辅相成，有效提升安全生产防控能力，全面提升精细管理水平。

参考文献：
高鹏,赵培,陈庆涛.3G、4G网络架构浅谈[M].北京：人民邮电出版社,2014:1-11.
林承德,李少林,谢雄.基于4G的无线视频监控业务[J].计算机系统应用,2012,21(3):209-212.
潘国辉.智能网络视频监控技术详解与实践[M].北京：清华大学出版社,2010.
[1]
[2]
[3]
（上接第59页）
容器内的冷却剂钠，而更利于中子泄漏。

4 信号处理特点
中国实验快堆由于探测器输出信号较小，而干扰信号较大，所以在探测器二次仪表中使用了IF变换，将探测器信号转换为频率来进行测量，减少信号测量的误差。

另外，快堆的核测量系统保护参数选择了中子倍增周期，计数率作为监测参数，而压水堆选择了计数率作为保护参数、周期作为监测参数。

虽然有一些区别，不过数据处理过程基本相同。

5 结论
本文从快堆核测量系统设置的需求和环境的特点，介绍了快堆核测量系统设计的各方面影响设计的因素和当前的设计方案，快堆的核测量与压水堆的确存在很大不同，特别是探测器的布置和安装环境跟压水堆存在本质区别，但是探测器工作原理，数据处理等方面还是具有相似性的。

所以，仪控系统的设计取决于堆芯物理和工艺的特点和测量需求，不同的设计理念体现了不同堆型的测量特点。

参考文献：
贺长兴,等 中国实验快堆核测量系统设计文件[Z].
中国实验快堆最终安全分析报告[R].
刘国发,郭文琪.核电厂仪表与控制核电培训教材[M].北京:原子能出版社,2008.
谢仲生.核反应堆物理分析[M].北京:原子能出版社,1980.
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[3]
[4]。