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浅议核电站数字仪表堆外核测量技术在第三代AP1000核电站中运用

最后更新时间:2024-01-21 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:16175 浏览:63409
论文导读:
摘要:堆外核测量系统是核电站重要的核安全级系统,该系统的正常运行为核电站的安全提供了重要的保障。本文着重介绍核测量技术在世界上最先进的第三代AP1000核电站的应用。
关键词:堆外核测量 测量技术 第三代AP1000核电站 应用
1007-9416(2012)12-0085-02

1、核测量的意义

核反应堆是通过核裂变过程产生热量,所以通常借助于观察与核裂变过程相联系的“辐射”来测量核反应堆的中子通量密度(功率)水平。在发生每一次裂变时,都产生带能量的裂变碎片、中子、光子以及其他粒子,这些辐射的数量和组成正比于裂变的数量,这些辐射的发生率正比于裂变率,因而正比于核反应堆的功率。因此,反应堆的功率应该通过探测瞬发裂变的辐射来测量。反应堆功率的测量技术就是基于探测中子、α射线和γ射线的技术。
反应堆功率测量公式为P=471.58ψm(MW),反应堆建成装料后核燃料的质量m(g)是一定的,由上公式可知,只要测得中子通量密度ψ(neutron/(cm2·s)),就可以得到反应堆功率P(MW)。

2、核侧仪表系统的功能

2.1 一般功能

核测仪表系统的功能是连续监测反应堆功率、功率水平的变化和功率分布。为了实现这一目的,核测仪表系统使用反应堆容器四周的一系列探测器测量反应堆中子注量率。

2.2 安全功能

堆外核测仪表系统作为反应堆保护系统的一部分,其安全功能是向反应堆保护系统提供中子注量率信号,在高中子注量率和高变化率的情况下,触发反应堆停堆。

3、核测仪表系统介绍

3.1 系统概况

核仪表系统属于核电厂保护和监测系统的一个子系统,为核安全相关设备。由四个相同且独立的设备序列组成,四个序列互为冗余,当其中一个序列出现故障时,另外三个序列可以执行相关逻辑的安全功能,因此大大提高了系统的安全性能。

3.2 系统探测器描述

从完全停堆状态到满功率期间,采用源量程、中间量程和功率量程三种中子探测器来监测中子注量率。这三种量程的探测器种类和数量如下:
(1)源量程——4个BF3比例计数器探测器;(2)中间/宽量程——4个裂变室探测器;(3)功率量程——4个非补偿电离室探测器。
探测器和仪表都是经过选择的,使源量程的上部测量范围和中间量程通道的下部测量范围之间相重叠。仪表的功率量程覆盖整个仪表量程大约2个量级,这是一个线性量程,并与中间量程的上部测量范围重叠。核探测器被安装在反应堆压力容器周围混凝土屏蔽层内的仪表通道内。
堆外核测仪表系统由三种类型的探测器组成,分别为:源量程探测器、中间量程探测器、功率量程探测器。下面将重点介绍这三种探测器的工作原理。
第一、源量程探测器:量程探测器测量反应堆停堆和反应堆启动的物理试验阶段的中子通量密度。测量的反应堆功率功率为10-9%满功率到10-5%满功率。
源量程探测器包括含硼正比计数管与三氟化硼(BF3)正比计数管两类,第三代核电AP1000采用三氟化硼(BF3)正比计数管,下面介绍一下此类探测器的基本原理:
BF3正比计数管最普通的结构是圆柱形状。中心阳极细丝用钨丝做成,通过玻璃或陶瓷与外壳绝缘。圆柱形外壳有金属和玻璃两种,若是金属兼作阴极。管内充三氟化硼(BF3)气体,其结构如图1所示。
入射中子和BF3反应产生电子和正离子。在外电场的作用下,电子和正离子分别向阳极和阴极运动,形成电脉冲(α脉冲)。在负载电阻上就产生一个电压脉冲,脉冲频率与中子通量密度水平成正比关系。从而可以得到与中子通量密度成比例的计数。
第二、中间量程探测器:不同的核电站,中间量程探测器测量原理不同,主要包括γ补偿电离室和裂变电离室两种。AP1000核电站采用裂变电离室探测器,该探测器原理如下:
裂变室(见图2)由测量区(即灵敏区)同心外壳,同轴电源于:论文大全www.7ctime.com
缆等组成。裂变室的外径为4.7mm,长度为66mm,灵敏区长27mm。它的外壳,外电极,芯极及同轴电缆的材料均为不锈钢,绝缘材料为三氧化二铝。灵敏区体积内充有纯度为99.9995%的氩气,裂变室的电极表面涂一层二氧化铀,其质量厚度为0.3mg/cm2。涂层的铀235丰度为93%。
裂变室的测量中子原理是这样的,反应堆堆芯的热中子射入裂变室的论文导读:
灵敏体积内打在涂有UO2的电极上,热中子时铀235核发生裂变,裂变碎片是重离子(即是一种重带电粒子),它使氩气电离而输出电流Io:Io=Snφ
式中:Sn为裂变室对热中子的灵敏度,φ为测点处的热中子通量密度,因此中子通量就可由电流测得。
第三、功率量程探测器:AP1000核电站功率量程探测器采用非补偿电离室,具体原理如下。
电离室主要是由高压电极、集电极以及电极之间绝缘支撑构成,如图3所示。电离室的电极之间充有气体。
进入电极之间空间的带电粒子将引起气体分子电离,从而产生正负离子对,由于离子电流与反应堆功率成正比,因此通过测量离子电离,就可以测得反应堆功率。

4、第三代AP1000核测量系统同二代核电站测量系统的区别

AP1000堆外核仪表系统基本上与中国其他核电站测量系统相似,但在信号处理方式和个别探测器的选型有所不同,下面具体介绍AP1000核电站堆外核仪表系统与其他堆外核仪表系统的比较。

4.1 中间量程采用裂变电离室

采用裂变电离室有以下特点:测量范围较宽;测量精度高;具备事故后测量功能。

4.2 采用四套相同的探测器序列

AP1000堆外核测量系统探测器数量为:源量程探测器4个,中间量程探测4个,功率量程探测4个。相比于其他核电站的,源量程2个,中间量程2个,功率量程4个,更为优越一些。当源量程通道只有2个时,其中一个探测器出现故障,就可导致反应堆停堆事故发生。而AP1000核电站具有4个源量程探测器,当其中一个探测器出现故障,另外三个探测器正常运行时,不会导致反应堆停堆事故,大大提高了核电站的安全性能与经济性能。