10B豐度對(duì)核電廠硼表測(cè)量的影響與優(yōu)化分析

和嬌梅　王遠(yuǎn)　張澤浩　金燁凱　詹勇杰

【摘 要】目前壓水堆都是通過調(diào)節(jié)控制棒和一回路硼濃度來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)性控制，一回路硼濃度的監(jiān)測(cè)非常重要；尤其是作為實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)硼濃度的硼表系統(tǒng)，在提高核電站的安全性方面發(fā)揮著極其重要的作用。本文通過對(duì)硼表系統(tǒng)的工作原理、標(biāo)定方法的介紹分析，說明硼表直接測(cè)量的是核素10B的濃度，進(jìn)而引出10B豐度對(duì)硼表測(cè)量偏差的影響、特別是長(zhǎng)燃料循環(huán)換料時(shí)的影響，并提出優(yōu)化硼表標(biāo)定的方法和建議。

【關(guān)鍵詞】硼表10B豐度長(zhǎng)循環(huán)優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）09-0136-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.063

0 概述

目前壓水堆都是通過調(diào)節(jié)控制棒和一回路硼濃度來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)性控制，在反應(yīng)堆啟動(dòng)、功率運(yùn)行、停堆換料時(shí)對(duì)一回路的硼濃度監(jiān)測(cè)是非常重要。而硼表的主要作用就是連續(xù)測(cè)量壓水堆核電站一回路溶液的硼濃度，向運(yùn)行人員提供在線硼濃度的監(jiān)視，以便運(yùn)行人員可以安全地進(jìn)行反應(yīng)堆的硼化和稀釋操作。在核電廠機(jī)組運(yùn)行的大部分狀態(tài)下，都要求保證硼表系統(tǒng)的可用性，尤其在發(fā)生異常或事故的情況下，一回路硼濃度發(fā)生突變，硼表可以觸發(fā)聲光報(bào)警，及時(shí)警示運(yùn)行人員采取應(yīng)對(duì)措施。

1 硼表工作原理

1.1 硼表測(cè)量原理

目前，國內(nèi)壓水堆核電廠在線監(jiān)測(cè)硼濃度最常用的方法是中子吸收法。中子吸收法硼表的測(cè)量原理如圖1所示：

硼表的取樣管線并聯(lián)在主回路上，一回路的硼溶液可以連續(xù)地流過硼表的測(cè)量小室，保證了測(cè)量的連續(xù)性與實(shí)時(shí)性。由于硼溶液中10B對(duì)熱中子具有很大的吸收截面，中子源發(fā)出的熱中子在經(jīng)過測(cè)量小室時(shí)，一部分中子與10B發(fā)生（n，α）反應(yīng)（式1）而被吸收：

而剩余未被吸收的中子則被中子探測(cè)器測(cè)得。中子探測(cè)器一般為微型裂變電離室，在中子的作用下，探測(cè)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)率與探測(cè)器接收到的熱中子數(shù)成正比。

取樣回路（測(cè)量小室）中的硼濃度越高，被溶液吸收的中子越多，到達(dá)中子探測(cè)器的中子越少，最終得到的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)率也越小。即在一定條件下，兩者之間存在著對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，因而可以通過脈沖信號(hào)的測(cè)量來完成對(duì)硼濃度的在線測(cè)量。脈沖信號(hào)通過電纜送到電子機(jī)架進(jìn)行計(jì)算處理，消除噪音干擾，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，最后計(jì)算出硼濃度。

1.2 硼表標(biāo)定

根據(jù)計(jì)數(shù)率確定硼濃度的先決條件是計(jì)數(shù)率和硼濃度之間存在著明確的映射關(guān)系。然而實(shí)際上這一要求不能很好的被滿足。計(jì)數(shù)率不僅隨硼濃度變動(dòng)而變化，同時(shí)還與中子源強(qiáng)度，中子探測(cè)器的特性，中子探測(cè)器的極化電壓，脈沖信號(hào)的甑別電壓，及硼溶液溫度等因素有關(guān)。其中，硼溶液溫度的變化會(huì)導(dǎo)致水密度和硼核子密度的變化，影響較大，需要有一個(gè)補(bǔ)償措施來消除溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

在特定的實(shí)驗(yàn)條件下，即中子源強(qiáng)度、中子探測(cè)器的特性均為常量，極化電壓和甑別電壓均設(shè)置在最優(yōu)時(shí)，可通過測(cè)量計(jì)數(shù)率和溫度就能確定相應(yīng)的濃度了。這是硼表標(biāo)定的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)。

電廠的硼表標(biāo)定采用有源標(biāo)定、多點(diǎn)擬合方法。實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于給定溫度條件下，應(yīng)用二階多項(xiàng)式擬合函數(shù)即能較好的表達(dá)計(jì)數(shù)率與硼濃度之間的關(guān)系，即：

1/N=A×p2+B×p+C（2）

式中： p為硼濃度

N為單位時(shí)間內(nèi)接收到的脈沖個(gè)數(shù)（計(jì)數(shù)率）

A，B，C為待定常數(shù)，與安裝、測(cè)量系統(tǒng)有關(guān)，通過標(biāo)定來獲得。

硼表安裝完成后，利用硼表的標(biāo)定步驟來獲得A、B、C系數(shù)后，就可以通過測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)N（也就是計(jì)數(shù)率）來計(jì)算硼濃度p。

核電廠一般采用多點(diǎn)標(biāo)定法，即在0ppm～2500ppm范圍內(nèi)，選取10～15個(gè)硼濃度值的標(biāo)準(zhǔn)硼濃度進(jìn)行測(cè)量和記錄，采用最小二乘法擬合的方式計(jì)算待定常數(shù)A、B、C；同時(shí)為了驗(yàn)證標(biāo)定數(shù)據(jù)的有效性，還要對(duì)硼表進(jìn)行多點(diǎn)驗(yàn)證（如，選取2400ppm、1250ppm、500ppm、50ppm等），要求硼表顯示值與硼溶液滴定結(jié)果的誤差符合精度要求。

正常運(yùn)行期間，硼表在實(shí)際使用時(shí)一般認(rèn)為可接受誤差為±50ppm。若硼表值與化學(xué)分析值偏差超出這個(gè)范圍，則需對(duì)硼表進(jìn)行重新標(biāo)定。

2 10B豐度的影響分析

中子吸收法硼濃度測(cè)量的一個(gè)基本假設(shè)就是10B的豐度是恒定的——由于10B在自然界中的豐度是穩(wěn)定的（約占19.8%），這對(duì)于新堆沒有問題，但對(duì)于有了一定燃耗深度的反應(yīng)堆則需要考慮：隨著反應(yīng)堆的運(yùn)行，一回路冷卻劑中的10B會(huì)隨著10B（n，α）7Li反應(yīng)而消失，而11B則基本維持不變，因而在反應(yīng)堆一回路這個(gè)相對(duì)封閉的系統(tǒng)中10B豐度會(huì)逐漸降低，這樣就會(huì)導(dǎo)致硼表監(jiān)測(cè)到的硼濃度值與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室用酸堿中和滴定法測(cè)得的硼濃度值存在偏差，而且隨著反應(yīng)堆的運(yùn)行，這個(gè)偏差會(huì)逐漸加大（圖2）。

圖2 硼表值與分析硼濃度偏差

分析硼表的工作原理，容易知道在式（2）中得到的硼濃度是假設(shè)10B豐度為19.8%時(shí)的值p（19.8）；實(shí)際運(yùn)行過程中10B的豐度f會(huì)發(fā)生改變，其相對(duì)應(yīng)的實(shí)際硼濃度記為p（f），則有：

由于豐度f總是變小的，故一回路實(shí)際硼濃度p（f）總是大于硼表的顯示值p（19.8）。從圖2看到，在反應(yīng)堆運(yùn)行至壽期末時(shí)，兩者的偏差可以達(dá)到10%以上。

秦山第二核電廠在國內(nèi)核電廠中首次開展了對(duì)10B豐度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，由此得到了一回路硼酸中10B豐度變化的數(shù)據(jù)。將壽期初的10B豐度值作為參考（1.0），秦山核電廠2號(hào)機(jī)組第8循環(huán)的實(shí)測(cè)10B豐度變化如下圖3所示。該循環(huán)運(yùn)行過程中機(jī)組沒有發(fā)生停機(jī)停堆，其中9月份和2月初的兩個(gè)測(cè)量值反常變化，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)機(jī)組有較大的功率變化，因而有較大量的硼化操作導(dǎo)致豐度較高的新硼進(jìn)入一回路系統(tǒng)，10B豐度有所回升，與曲線變化趨勢(shì)吻合。

3 長(zhǎng)燃料循環(huán)的影響分析

隨著核電廠燃料管理策略的改進(jìn)，國內(nèi)各核電機(jī)組相繼開始長(zhǎng)燃料循環(huán)運(yùn)行，即一個(gè)燃料循環(huán)的運(yùn)行時(shí)間由1年延長(zhǎng)為1.5年，甚至是2年。實(shí)施長(zhǎng)燃料循環(huán)后，一回路的初始硼濃度更高，壽期初可以達(dá)到2000ppm以上；另一方面，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，硼在反應(yīng)堆受輻照的時(shí)間增加，因而對(duì)一回路中10B的消耗更大，對(duì)10B豐度的影響比年換料更加明顯。

在長(zhǎng)燃料循環(huán)的核設(shè)計(jì)上，對(duì)考慮和不考慮10B燃耗兩種情況下一回路的硼濃度分別進(jìn)行了理論計(jì)算（圖4），得到兩者的相對(duì)偏差在壽期末可達(dá)到24%左右！絕對(duì)偏差可達(dá)到100ppm左右。

實(shí)際運(yùn)行中，反應(yīng)堆一回路有補(bǔ)水、硼化等操作會(huì)引入新硼，而不是一個(gè)嚴(yán)格的密閉系統(tǒng)，因而10B的豐度降低比理論計(jì)算值要小些，但10B的燃耗效應(yīng)顯然是不可忽視的。否則，在機(jī)組運(yùn)行過程中，極易導(dǎo)致硼表出現(xiàn)較大的偏差，超過運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 硼表標(biāo)定的優(yōu)化探討

從前述分析可以看到，在一個(gè)燃料循環(huán)中，硼表值與化學(xué)分析值的偏差會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而增大，在循環(huán)壽期中達(dá)到一個(gè)最大值，然后由于一回路硼濃度值的逐漸降低，兩者的偏差逐漸變小，在壽期末時(shí)趨于一致。整個(gè)過程中，偏差呈一明顯的凹形曲線。

理論上說，解決這個(gè)偏差的最好方法是利用式（3），在硼表中增加10B豐度的修正，給出修正后的硼濃度值。但這需要修改硼表的計(jì)算模塊，同時(shí)目前核電廠很少進(jìn)行10B豐度的測(cè)量，因而實(shí)際應(yīng)用存在一定的難度。

對(duì)于工程應(yīng)用來說，另外一個(gè)簡(jiǎn)單、可行的方法是在運(yùn)行期間增加硼表的標(biāo)定頻度，從而降低超差風(fēng)險(xiǎn)。核電廠硼表的標(biāo)定周期一般是根據(jù)硼表測(cè)量值與化學(xué)分析值之間偏差的歷史統(tǒng)計(jì)情況確定的。在機(jī)組進(jìn)入長(zhǎng)燃料循環(huán)運(yùn)行后，需要縮短該標(biāo)定周期，以確保硼表的測(cè)量準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

硼表作為唯一的一回路硼濃度連續(xù)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)反應(yīng)性的控制有重要的意義，是保證核電廠安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要系統(tǒng)。而由于硼表本身特性原因以及機(jī)組各種復(fù)雜因素的影響，硼表對(duì)硼濃度的測(cè)量出現(xiàn)偏差的事件也時(shí)有發(fā)生。在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，一回路的硼酸處于一個(gè)相對(duì)封閉的系統(tǒng)，由于10B與堆芯熱中子的反應(yīng)，使得10B的豐度會(huì)逐漸降低。10B豐度的降低會(huì)使得硼表值與化學(xué)分析值之間產(chǎn)生偏差，這種偏差在壽期中比較明顯，在長(zhǎng)燃料循環(huán)中比年換料更加明顯，需要予以考慮和重視。

【參考文獻(xiàn)】

[1]譚世杰，等.壓水堆核電廠一回路硼濃度偏差分析與硼10豐度變化研究.核動(dòng)力工程.2012.第33卷第1期.112-116.

[2]繞仲群.在線硼濃度計(jì)在壓水堆核電站中的應(yīng)用.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù).2015.2第35卷第2期.185-187.