核电厂功率测量方法与展望

魏亚龙

摘 要：核反应堆是通过核裂变而产生能量，所以经常借助于观察与核裂变过程相联系的“辐射”来测量核反应堆的功率水平。核测系统的作用是探测中子通量密度信号用于反应堆保护系统，对于功率水平的变化和堆芯的功率分布的连续监测具有重要作用。论文通过收集国内外资料文献，分析各种类型核电厂堆外核测系统探测器测量功率分布方法以及趋势。

关键词：核电厂;核测系统;探测器

0引言

对反应堆功率分布的监测可以直接反映堆芯是否安全可控。而堆外探测器对于堆芯功率分布的监测起到了关键作用。本文是在搜集大量国内外文献资料的前提下，围绕堆外核测系统的探测器进行了一系列阐述，并对探测器的发展做了概括。

1 核测量系统

1.1 核测量系统简述

反应堆中先驱核每产生一次裂变，都会产生带有动能的裂变碎片、γ光子、中子以及其他粒子，这些粒子的裂变概率与堆功率成正比，可以通过监测核裂变的过程，为反应堆的控制和保护提供数据。核电站的堆外核测系统可用来测量中子通量密度，在变化率以及非常高的中子通量密度的情况下会触发紧急停堆信号。在压水堆核电站中，核测系统，通常情况分为两种类型：一是反应堆功率测量系统，固定在反应堆外部;二是布置在堆芯的中子通量密度测量系统。

1.2 核测量系统作用

在核电厂中，堆外核测量系统的作用主要是：（1）对反应堆功率水平和轴向功率分布进行连续监测，在各种反应堆工况下，为操作员监测中子通量密度;（2）对反应堆的轴向功率偏移和径向功率倾斜情况进行监测;（3）为保护系统和功率调节系统，提供中子通量密度信息;（4）当发生异常工况，引发紧急停堆信号。

2 常用于堆芯功率测量的探测器

2.1 探测器工作原理

由于中子不带电，在通过物质时，与物质无法直接产生电离。所以，根据，中子与原子核发生相互作用时发出γ光子或其他带电粒子。根据这一原理，间接进行测量中子活动的。探测活动分为两步：一是使中子与原子核产生作用，然后发出带电粒子或者γ光子;二是利用第一步中产生的带电粒子或γ光子引起的次级电离或激发出的次级电子进行探测。

2.2 常见的探测器类型

堆芯功率测量的探测器主要有：正比计数管、裂变室、自给能探测器、电离室等。

正比计数管一般工作在脉冲工作方式，既可以测量中子注量率，又能夠测量入射粒子的能量。它的主要优点有输出的脉冲幅度大、输出信号信噪比大、具有很强甄别能力，可以在强γ本底下测量中子或强β本底下测量α粒子。

在电离室中，中子与先驱核作用产生的粒子中，γ射线使得氦气发生电离，对其进行补偿以减小误差，此原理而制作成的电离室称为补偿电离室。补偿电离室的组成成分由两个同轴涂硼和不涂硼电离室组成。前者可对中子和γ射线发生作用，后者只对γ射线敏感，通过反向连接以后只剩下中子电离电流。当中子通量密度饱和达到额定上限时，相比α粒子产生的电流，γ射线产生的电流实际小到可以不考虑时，不用补偿的电离室叫做非补偿电离室。

自给能型探测器又包括Pt型探测器和V型探测器，自给能探测器无需通过增加额外的工作电压，用来区分和收集电离作用而产生的电子，从而生成电流脉冲。在强电离辐射场中使用这种探测器时，在发射电极一侧产生电离反应，生成的电子首先会离开发射电极，然后通过环形固体绝缘体，最后来到收集电极。

4 反应堆功率测量系统

反应堆功率和反应堆周期这两个因子，是反应堆运行的主要参数，它们两个是裂变反应中放出能量大小和直接测量裂变情况的重要参数。

4.1 反应堆功率测量原理

我们以235U为燃料的反应堆为例，假设反应堆的平均热中子通量密度为φ，热中子宏观裂变截面为∑ ，235U所占的体积为V，每次裂变放的能量为E ，则反应堆功率P为：P=φ∑ V E ，根据上述可知，只要明确中子通量密度φ，便能计算反应堆功率。当我们用点堆动力学模型来对反应堆进行研究时，堆芯中子通量密度分布与时间的改变无关，且堆内的中子通量密度都正比于功率水平。反应堆的功率分布测量方法较为单一，多是依靠堆外中子通量密度的测量来确定。

4.2 反应堆功率测量系统概述

反应堆功率测量系统的功能有两个：一是控制，功率测量系统可以快速准确地给反应堆提供工况信息;二是保护功能，提供安全保护信号，如短周期保护信号、紧急停堆保护信号等。

反应堆正常启动后，再到满功率运行工况这一过程中，中子通量密度的变化量超过10个数量级。反应堆周期大范围快速波动，将量程划分源量程、中间量程和功率量程，来覆盖整个测量区间。利用涂硼正比计数管应用于源量程通道测量，γ补偿电离室应用于中间量程通道，而非补偿涂硼电离室则被应用于功率量程。

4.2.1 源量程测量通道的工作原理

当涂硼正比计数管将脉冲信号传递到放大器电路放大信号，脉冲处理电路通过增大或减小甄别阈值，过滤γ射线和噪声的脉冲。将脉冲计数率变为直流电流信号，通过G-M管的中子灵敏度量程与源量程监测中子通量密度对比，能够得到源量程通道的脉冲计数率范围，可计算出对数放大器的电流输出脉冲信号的范围。输出信号用于测量启堆堆功率倍增时间。

4.2.2 中间量程测量通道的工作原理

当反应堆在启堆至正常功率模式运行的过程中，这期间的中子通量密度主要由中间量程通道测量，测算出堆功率分布和反应堆周期。源量程通道中的周期计与中间量程测量通道中的周期计大概相同，对数放大器与探测器的连接方式是直接相连。中间量程测量通道的探测器，输出脉冲电流信号的数值大于满功率水平的四分之一时，反应堆触发紧急停堆信号导致停堆。

4.2.3 功率量程测量通道工作原理

功率量程有四个完全相同的独立的测量通道并联而成进行测量工作，它的主要功能是测量反应堆的功率水平以及径向、轴向的功率分布水平偏差。

该通道对于探测器等设备的性能要求较高，探测器通常采用多点校准的刻度方法，将额定功率的百分之零点一到百分之一百二十作为其测量范围。

4.3 堆芯中子通量密度测量系统简述

反应堆的关键参数之一就是中子通量密度。当反应堆从启动到维持一定功率水平时间内，由于功率水平变化导致中子通量密度变化剧烈，需要多次测量。当反应堆已经到达稳定的功率水平后，不需要频繁测量，仅需一个月1-2次即可。

4.3.1 堆芯中子通量密度测量系统的功能

堆芯中子通量密度测量系统用来测量各个监测点的中子通量密度值，然后将测量结果用栅格形式存储，以中子通量密度图形的方式存储和显示。经处理后以堆芯功率分布图的方式处理。主要功能有：验证堆寿期初的功率分布、热点因子裕量、刻度堆外功率测量电离室、燃耗深度、堆芯功率分布等。

5 总结与展望

我国对核电产业发展政策是大力支持和鼓励的，因此，核测系统作为核电厂反应堆中最重要的系统之一，具有广阔的发展前景。我国的堆外探测器国产化程度以及对于探测器刻度的国产化研究还远远不够，很多情况下依赖于从国外进口学习。因此，堆外探测器国产化程度依然任重而道远。

参考文献：

[1]杨道广，陆双桐.百万千瓦级核电站M310堆型国产化堆外核探测器综述[J].核电子学与探测技术，2013.

[2]毛欢，熊文彬，阙骥，王桂敏.核电站堆外核测量系统的原理及工程实践[J].核电子学与探测技术，2014.

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