快中子脉冲堆用快速响应保护仪
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第28 卷 第 5 期( 增刊)
2 0 0 7 年 1i 月
核 动 力 工 程
Nuclear Power Engineering
Vol. 28. No.5(S1)
N o v. 2 0 0 7
文章编号: 0258-0926(2007)05(S1)-0053-03
快 中子脉冲堆用快速响应保护仪
韩惠林， 李 勋， 郑 春， 张 翼
Vol. 28. No. 5(Sl). 2007
倍增管的阳极输出与反应堆功率成正比的信号电 流。前置放大器对信号进行预放大，以减小干扰
对长距离(30m 一 50m)传输的信号的影响。 2000V 高压电源给光电 倍增管供电。 小电流放大器由 运算放大器AD549 组成， 对 输人的光电信号电流进行线性放大， 提高输出信
率(U 0
本文介绍研制的快中子脉冲堆快速响应保护 仪的主要作用、系统结构、 工作原理、 技术指标 和在 CFBR-II 的实际应用情况。
2 快速响应保护仪 CFBR-II 是由 集 3U 的 铀 作为 高富 度25 纯 金属
活性区的快中子脉冲堆， 外有贫化铀和黄铜反射
图1 快速响应保护仪结构框图 Fig. 1 Block Diagram 要求在 looms 内 主安全块下降5mm， 由于机械系统动作时间大约 是 50- 80ms， 控制系统响应时间约 loms， 因此需 要快速响应保护仪的响应时间小于 lomsa
快速响应功率保护仪由闪 烁体探测器(和光
电倍增管、 前置放大器组成探头布置在反应堆大
厅)、 流 器、 器等 (图 1)。 输 电 放大 触发 组成 触发
Safety Instrument
层， 定脉冲 额 产额 1.5- 101 6次裂变11 于 2。由 这种
类型的快中子脉冲堆金属铀的应变限值， 脉冲产
探头由 有机塑料快中子闪烁体 ST401、 有机 玻璃光导、 GDB-44F 光电 倍增管、 前置放大器、 探测器外套管等组成。ST401 对快中子有较高的
额不能 大于3x101 裂变， 后 尽快 6次 脉冲 要 截坪，
以免总裂变 超过限值过多。采用快速响应保护
收稿日 期: 2007-09-18; 修回日 期: 2007-10-04
探测效率。 极光电 快中 阴 流与 子注量率成正比 (也 正比 反应堆功率 经多 于 )， 极倍增放大后， 从光电
核动力 工程
( 中国 工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳， 621900; 国家核技术工业应用工程技术研究中心，四 川绵阳， 621900 )
摘要: 为了保证快中子脉冲堆在爆发脉冲后迅速停堆， 研制子决 速响应保护仪。 该仪器采用 ST401快速 响应塑料闪 烁体配以 GDB-44F 型光电 倍增管作为探测器， 通过电 流放大 后输人触发器单元， 在功率超过保
和保护输出电 路组成。比 较器的 应时间簇 so 响 2R 当 输入的 信号(放大器的 输出 信号)幅 度高于预设
的触发闭值时， 其输出端从低电平突变为高电平。
由跟随器输出， 并由两级与非门构成的保护状态 锁定器锁定，同时输出低电平触发信号和触点信 号至控制系统， 使主传动电磁铁失电， 反应堆系
护仪输出电 位信号的 应时间 响 为5.8gs， 触点 输出
号幅度， 增强仪器的抗干扰性能。放大器的上升
侧1 寥1 中 华0
， 白
0 八
0 月 片
时间感logs， 保证信号实时放大输出， 满足子决
速响应的要求。 触发器由高速比较器、跟随器、状态锁定器
0
0.4
0 .8 只山_ / k W
1.2
1.6
图2 输出信号幅度与反应堆功率的关系 Fig. 2 Output Signal Amplitude vs. Reactor Power
统快速解体。只有按下“ 复位” 仪器的 键， 保护状 态才能解除。 自检单元可以对系统各部分的功能进行检 测。按下自 检按钮后， 安装在探测器套管的底部 的闪光器发光， 检验整套系统对闪光的响应， 如 闪烁体探测器能否探测到光信号， 输出电流信号，
触发单元能否产生触发信号等。
3 调试和试验
快速响应保护仪安装在 CFBR-II 堆上， 探头 固定在堆厅固定位置。 首先需要确定信号幅度和反应堆功率的关 系， 从而确定触发I 值，如果闽 K 值设定比 较低， 则干扰就可能误触发; 反之， 设定A值过高， 则 可能不能及时触发， 甚至不能触发。在 CFBR-I I 堆不同的稳定功率下运行， 测量放大器的输出电 压(图2)0 由图 2 可知， CFBR-II 堆功率在 400W 以 下 时， 探测器输出电流信号幅度与反应堆功率近似 为线性， 600W 以上将逐渐进人饱和区。由此 在 设定快速响应保护仪的触发闭值为 1.55V， 对应 的反应堆功率为 500W。高于 500W 以后， 输出 电压的幅度随功率变化缓慢，一 面影响响应时 间， 另一 面容易导致每次脉冲的触发功率不一
护 值后12p,s 内 触发信号， 设定 输出 触发主安全 块在looms 内 下降5mm， 处于 使堆 深次临 状态。 界 在CFBR-1 1
堆的200 余次脉冲运行中， 快速响应保护仪触发主安全块下降5mm 的时间小于9oms， 保障了堆的安全。 关键词: 快中子脉冲堆; 快速响应; 保护仪
中图分类号: TL364. 2 文章标识码: A
引 言 快中子脉冲堆爆发脉冲后，由于堆组件的热 膨胀而处于次瞬发临界， 在此后的约 looms 时间 内， 堆的状态如同含有外中子源的次临界系统， 外中子源就是脉冲峰期间产生的缓发中子先驱核 发射的缓发中子。在这段时间内， 堆内裂变率下 降的速率很缓慢，形成了一个“ 。为了 坪” 终止脉 冲的这个“ 尾巴，防止在超缓发临界下的中子 坪” 骤增， 需要一至两套快速响应保护仪触发主安全 块快速退出。快中子脉冲堆均采用快速响应保护 仪与控制系统、 机械系统配合作为脉冲后的快速 停堆装置。快速响应保护仪的主要作用是减小脉 冲后的效应， 限制燃料组件的最高温升和应力应 变等， 减小燃料组件损伤和释放放射性物质的概 1
信号的响应时间为 4.6ms。经上百次测量， 快速 响应保护仪触发主安全块退出5mm 的时间， 套 4 快速响应保护仪的平均值分别为64.1ms, 63.1ms, 62.8ms 和63.9ms， 满足要求。 在调试过程中， 发现快速响应保护仪有误触 发的现象。 经检查认为主要是干扰引起的误触发;
干扰主要来自电网电源波动和电磁铁断电。因此
出分为两种: 一种为电位信号接入主安全块保护 系统; 另一种为触点信号直接接人主安全块电磁 铁。这两种信号均可触发电磁铁断电。仪器内部 还设计了自 检单元， 一方面检查仪器的 本机性能， 另一方面输出保护信号检查系统逻辑控制保护系 统的保护功能。本机信号接人逻辑保护系统， 确 保了只有本机正常时才能启动堆系统。
2 0 0 7 年 1i 月
核 动 力 工 程
Nuclear Power Engineering
Vol. 28. No.5(S1)
N o v. 2 0 0 7
文章编号: 0258-0926(2007)05(S1)-0053-03
快 中子脉冲堆用快速响应保护仪
韩惠林， 李 勋， 郑 春， 张 翼
Vol. 28. No. 5(Sl). 2007
倍增管的阳极输出与反应堆功率成正比的信号电 流。前置放大器对信号进行预放大，以减小干扰
对长距离(30m 一 50m)传输的信号的影响。 2000V 高压电源给光电 倍增管供电。 小电流放大器由 运算放大器AD549 组成， 对 输人的光电信号电流进行线性放大， 提高输出信
率(U 0
本文介绍研制的快中子脉冲堆快速响应保护 仪的主要作用、系统结构、 工作原理、 技术指标 和在 CFBR-II 的实际应用情况。
2 快速响应保护仪 CFBR-II 是由 集 3U 的 铀 作为 高富 度25 纯 金属
活性区的快中子脉冲堆， 外有贫化铀和黄铜反射
图1 快速响应保护仪结构框图 Fig. 1 Block Diagram 要求在 looms 内 主安全块下降5mm， 由于机械系统动作时间大约 是 50- 80ms， 控制系统响应时间约 loms， 因此需 要快速响应保护仪的响应时间小于 lomsa
快速响应功率保护仪由闪 烁体探测器(和光
电倍增管、 前置放大器组成探头布置在反应堆大
厅)、 流 器、 器等 (图 1)。 输 电 放大 触发 组成 触发
Safety Instrument
层， 定脉冲 额 产额 1.5- 101 6次裂变11 于 2。由 这种
类型的快中子脉冲堆金属铀的应变限值， 脉冲产
探头由 有机塑料快中子闪烁体 ST401、 有机 玻璃光导、 GDB-44F 光电 倍增管、 前置放大器、 探测器外套管等组成。ST401 对快中子有较高的
额不能 大于3x101 裂变， 后 尽快 6次 脉冲 要 截坪，
以免总裂变 超过限值过多。采用快速响应保护
收稿日 期: 2007-09-18; 修回日 期: 2007-10-04
探测效率。 极光电 快中 阴 流与 子注量率成正比 (也 正比 反应堆功率 经多 于 )， 极倍增放大后， 从光电
核动力 工程
( 中国 工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳， 621900; 国家核技术工业应用工程技术研究中心，四 川绵阳， 621900 )
摘要: 为了保证快中子脉冲堆在爆发脉冲后迅速停堆， 研制子决 速响应保护仪。 该仪器采用 ST401快速 响应塑料闪 烁体配以 GDB-44F 型光电 倍增管作为探测器， 通过电 流放大 后输人触发器单元， 在功率超过保
和保护输出电 路组成。比 较器的 应时间簇 so 响 2R 当 输入的 信号(放大器的 输出 信号)幅 度高于预设
的触发闭值时， 其输出端从低电平突变为高电平。
由跟随器输出， 并由两级与非门构成的保护状态 锁定器锁定，同时输出低电平触发信号和触点信 号至控制系统， 使主传动电磁铁失电， 反应堆系
护仪输出电 位信号的 应时间 响 为5.8gs， 触点 输出
号幅度， 增强仪器的抗干扰性能。放大器的上升
侧1 寥1 中 华0
， 白
0 八
0 月 片
时间感logs， 保证信号实时放大输出， 满足子决
速响应的要求。 触发器由高速比较器、跟随器、状态锁定器
0
0.4
0 .8 只山_ / k W
1.2
1.6
图2 输出信号幅度与反应堆功率的关系 Fig. 2 Output Signal Amplitude vs. Reactor Power
统快速解体。只有按下“ 复位” 仪器的 键， 保护状 态才能解除。 自检单元可以对系统各部分的功能进行检 测。按下自 检按钮后， 安装在探测器套管的底部 的闪光器发光， 检验整套系统对闪光的响应， 如 闪烁体探测器能否探测到光信号， 输出电流信号，
触发单元能否产生触发信号等。
3 调试和试验
快速响应保护仪安装在 CFBR-II 堆上， 探头 固定在堆厅固定位置。 首先需要确定信号幅度和反应堆功率的关 系， 从而确定触发I 值，如果闽 K 值设定比 较低， 则干扰就可能误触发; 反之， 设定A值过高， 则 可能不能及时触发， 甚至不能触发。在 CFBR-I I 堆不同的稳定功率下运行， 测量放大器的输出电 压(图2)0 由图 2 可知， CFBR-II 堆功率在 400W 以 下 时， 探测器输出电流信号幅度与反应堆功率近似 为线性， 600W 以上将逐渐进人饱和区。由此 在 设定快速响应保护仪的触发闭值为 1.55V， 对应 的反应堆功率为 500W。高于 500W 以后， 输出 电压的幅度随功率变化缓慢，一 面影响响应时 间， 另一 面容易导致每次脉冲的触发功率不一
护 值后12p,s 内 触发信号， 设定 输出 触发主安全 块在looms 内 下降5mm， 处于 使堆 深次临 状态。 界 在CFBR-1 1
堆的200 余次脉冲运行中， 快速响应保护仪触发主安全块下降5mm 的时间小于9oms， 保障了堆的安全。 关键词: 快中子脉冲堆; 快速响应; 保护仪
中图分类号: TL364. 2 文章标识码: A
引 言 快中子脉冲堆爆发脉冲后，由于堆组件的热 膨胀而处于次瞬发临界， 在此后的约 looms 时间 内， 堆的状态如同含有外中子源的次临界系统， 外中子源就是脉冲峰期间产生的缓发中子先驱核 发射的缓发中子。在这段时间内， 堆内裂变率下 降的速率很缓慢，形成了一个“ 。为了 坪” 终止脉 冲的这个“ 尾巴，防止在超缓发临界下的中子 坪” 骤增， 需要一至两套快速响应保护仪触发主安全 块快速退出。快中子脉冲堆均采用快速响应保护 仪与控制系统、 机械系统配合作为脉冲后的快速 停堆装置。快速响应保护仪的主要作用是减小脉 冲后的效应， 限制燃料组件的最高温升和应力应 变等， 减小燃料组件损伤和释放放射性物质的概 1
信号的响应时间为 4.6ms。经上百次测量， 快速 响应保护仪触发主安全块退出5mm 的时间， 套 4 快速响应保护仪的平均值分别为64.1ms, 63.1ms, 62.8ms 和63.9ms， 满足要求。 在调试过程中， 发现快速响应保护仪有误触 发的现象。 经检查认为主要是干扰引起的误触发;
干扰主要来自电网电源波动和电磁铁断电。因此
出分为两种: 一种为电位信号接入主安全块保护 系统; 另一种为触点信号直接接人主安全块电磁 铁。这两种信号均可触发电磁铁断电。仪器内部 还设计了自 检单元， 一方面检查仪器的 本机性能， 另一方面输出保护信号检查系统逻辑控制保护系 统的保护功能。本机信号接人逻辑保护系统， 确 保了只有本机正常时才能启动堆系统。