核反應堆初次裝料過程中堆芯中子計數(shù)率監(jiān)測裝置的研制

劉 洋，何高魁，田華陽，趙江濱

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

對于有限大小的反應堆，其中子倍增系數(shù)為1即可保持臨界狀態(tài)，此時中子的產(chǎn)生率和消失率之間保持嚴格的平衡，使得鏈式反應以恒定的速率持續(xù)，達到臨界狀態(tài)的反應堆內(nèi)核燃料的裝載量稱為臨界質(zhì)量。初次裝料監(jiān)測裝置用于核反應堆首次裝料期間的堆芯中子計數(shù)率監(jiān)測，通過監(jiān)測每裝入一組燃料組件后堆芯的中子計數(shù)率和燃料組件的裝載數(shù)量關系進行安全臨界監(jiān)督，為了確保在整個堆芯裝料操作過程中不發(fā)生意外臨界事故，導致易裂變物質(zhì)意外發(fā)生的自持或發(fā)散的中子鏈式反應所造成的能量和放射性物質(zhì)釋放，應在核燃料組件裝入堆芯的操作過程中，確保反應堆堆芯始終處于次臨界狀態(tài)，以實現(xiàn)堆裝料、換料過程中的安全控制。本工作所研制的初次裝料監(jiān)測裝置在中國原子能科學研究院微堆完成了臺階功率等相關測試，裝置已經(jīng)應用于紅沿河核電站5、6號機組。

1 工作原理

初次裝料監(jiān)測裝置的探測器為3He正比計數(shù)管，中子照射3He正比計數(shù)管時，中子與3He發(fā)生核反應，如式(1)，產(chǎn)生質(zhì)子和氚，使氣體發(fā)生電離產(chǎn)生電子離子對，電子向陽極漂移，電子在陽極絲附近倍增，形成電流脈沖信號，單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)與中子強度成正比。經(jīng)過電荷靈敏前置放大器處理，產(chǎn)生一定幅值的電壓脈沖信號[1-2]。

(1)

脈沖電壓信號經(jīng)過放大成形甄別器后，將產(chǎn)生的數(shù)字脈沖分別送入定標器、線性對數(shù)率表和脈沖計數(shù)音響裝置。定標器對數(shù)字脈沖進行計數(shù)，得到單位時間累計計數(shù)信息；線性對數(shù)率表根據(jù)數(shù)字脈沖的頻率得到與頻率成對應比例的電壓信號，線性率表輸出信號送至四筆記錄儀，對數(shù)率表輸出信號送至聲光報警裝置，聲光報警裝置根據(jù)設定閾值與對數(shù)率表輸出的信號電壓幅值進行比較，如果超出所設置閾值則報警，反之，不報警；同時放大成形甄別器產(chǎn)生的數(shù)字信號送至脈沖計數(shù)音響裝置，當信號頻率超過設定閾值時，脈沖計數(shù)率音響裝置會按照輸入信號頻率所在的范圍發(fā)出不同的聲音。

2 裝置設計

2.1 任務和主要技術性能

1) 實時監(jiān)測中子計數(shù)率信息，計數(shù)率范圍0.1～105s-1。

2) 3個測量通道中子計數(shù)率超過設定的整定值時，給出燈光和報警信號。

3) 定標器、線性率表和對數(shù)率表保持一致，線性量程和對數(shù)量程的參數(shù)直觀顯示。

4) 裝置所有通道有內(nèi)部隔離。

5)3He正比計數(shù)管熱中子靈敏度≥30 s-1/nv。

6) 儀表采用機柜、插件形式，便于維護。

7)3He正比計數(shù)管探頭組件可在水下20 m長時間工作。

根據(jù)任務及技術要求，研制的初次裝料監(jiān)測裝置系統(tǒng)主要由3He正比計數(shù)管組件(探頭)和脈沖計數(shù)裝置及儀表機柜兩部分組成。裝置結構示意圖示于圖1。

圖1 初次裝料監(jiān)測裝置系統(tǒng)結構示意圖

2.2 3He正比計數(shù)管組件

3He正比計數(shù)管組件的作用是在水下環(huán)境中將3He正比計數(shù)管探測到的中子轉(zhuǎn)換成電信號輸出。

裝置包括5個3He正比計數(shù)管組件。正常使用情況，同時使用3個組件，2個備用，裝置最多可以同時使用4個組件。組件主體為不銹鋼密封結構，包括密封承壓套筒、電子線路安裝骨架、防水電纜接頭，如圖2所示。其中316L不銹鋼制作的外套筒與前后堵頭采用雙層密封圈側密封；電纜接頭使用測井用防水、承壓、承重的馬籠頭結構電纜接頭，如圖3所示。該結構改變了原有傳輸電纜加鋼絲的組件結構，組件機械結構更加合理，使用更加方便，可靠性更高，可以保證探測器及電子線路在水下20 m長時間安全穩(wěn)定工作。

圖2 3He正比計數(shù)管組件結構示意圖

圖3 馬籠頭結構電纜接頭

組件電氣結構主要包括：1)3He正比計數(shù)管。充氣氣壓為0.4 MPa，直徑為25 mm，長度500 mm，熱中子靈敏度≥50 s-1/nv。2) 電荷靈敏前置放大器。輸出信號幅度約為1 V，信號脈寬1 μs，最高脈沖計數(shù)率>105s-1，輸出阻抗為50 Ω。3) 高壓電源模塊。考慮到遠距離傳輸過程中，高壓電源因線纜傳輸、接地連接過程中可能產(chǎn)生的噪聲，高壓模塊置于3He正比計數(shù)管組件之中，高壓實際設置為1 200 V。4) 組件連接電纜為定制核測承重多芯屏蔽電纜，用于組件的供電和信號傳輸，電纜分為兩段(30 m和3～20 m)，30 m段配有絞車，中間使用轉(zhuǎn)接頭上機柜連接脈沖計數(shù)裝置，如圖4、圖5所示。

圖4 承重多芯屏蔽電纜結構圖

圖5 正比計數(shù)管探頭組件連接電纜

2.3 脈沖計數(shù)裝置

脈沖計數(shù)裝置的作用是處理、采集、儲存探頭組件的輸出電信號，得到中子注量率的信息，并根據(jù)設定給出聲光報警信號，提醒操作者采取必要的措施，以達到監(jiān)測、控制和保護反應堆運行的目的。

脈沖計數(shù)裝置采用NIM插件、機箱和整體機柜結構。通道1、通道2、通道3、通道4(備用)為四個結構相同的測量通道，每個通道均由放大成形甄別器、線性對數(shù)率表、定標器和低壓電源組成。通道5、通道6、通道7為聲光報警通道，包括脈沖計數(shù)音響裝置、聲光報警裝置、四筆記錄儀、脈沖產(chǎn)生器和低壓電源。通道1～4低壓電源彼此獨立，相互隔離，通道5～7低壓電源共用。機柜底部設有總電源裝置，包含5個隔離電源、1個交流濾波器以及空開和顯示屏，主要用于隔離外界電網(wǎng)中的噪聲，并為5路低壓電源提供AC220V。

2.4 快電荷靈敏前置放大器

組件中的電荷靈敏前置放大器采用快電荷靈敏前置放大器形式，信噪比優(yōu)于8∶1，最高計數(shù)率大于105s-1，經(jīng)后續(xù)放大、驅(qū)動電路后，輸出信號幅度約為1 V。

電荷靈敏前置放大器相較于電流靈敏和電壓靈敏前置放大器而言，是噪聲最小、信噪比最高的一種電路形式。但是由自身電路結構特點所決定，在保證信噪比好的前提下，傳統(tǒng)電荷靈敏前置放大器的計數(shù)率較低[3]。

快電荷靈敏前置放大器(圖6)在電荷靈敏環(huán)和電壓靈敏環(huán)間沒有使用極零相消網(wǎng)絡(P/Z)，將反饋電阻Rf直接跨接到電壓靈敏環(huán)(增益為A)輸出端，這種反饋機制，導致在反饋電阻Rf的電壓降比反饋電容Cf上的電壓降高了A倍，所以電路相應的電荷泄放衰減時間常數(shù)τd也減少了A倍，τd=Rf·Cf/A。這種電路結構保證了在不減少反饋電阻阻值、增加電路噪聲的情況下，減少脈沖后沿衰減時間，避免高計數(shù)率情況下信號的堆積[4]。

圖6 傳統(tǒng)電荷靈敏前置放大器(a)和快電荷靈敏前置放大器(b)的結構原理圖

這種電路結構可以在保持電路穩(wěn)定工作的情況下，采用相對較大容值的反饋電容，減少脈沖信號的上升時間。放大器前級可以采用數(shù)個低噪聲、大跨導場效應管并聯(lián)的電路形式，可以進一步減少上升時間，前置放大器可以降低噪聲，提高計數(shù)率[5-6]。

2.5 脈沖計數(shù)裝置中主要功能單元

2.5.1放大成形甄別器 電路主要由放大成形電路、甄別電路和驅(qū)動電路組成。放大成形電路將3He正比計數(shù)管組件的脈沖信號進一步放大成形，信號幅度約為4 V，脈寬1 μs。該信號進入甄別電路，轉(zhuǎn)化成標準TTL信號輸出，信號寬度0.3 μs。經(jīng)實驗測試，甄別閾設為0.7 V，閾值在0～5 V范圍連續(xù)可調(diào)。標準TTL信號經(jīng)驅(qū)動電路輸出分別送入定標器、線性對數(shù)率表和脈沖計數(shù)音響裝置。

2.5.2定標器、線性對數(shù)率表 定標器電路由輸入電路、定標電路、時控電路、自動顯示電路、開機復位電路等組成,采集放大成形甄別器輸出標準TTL信號，可以實現(xiàn)自檢、手動/自動脈沖定時計數(shù)、顯示等功能，并傳輸標準TTL信號至線性對數(shù)率表。

線性對數(shù)率表由線性率表和對數(shù)率表兩部分組成。線性率表電路由輸入分頻電路、成形電路、電流開關輸出放大級電路以及量程控制電路、時間常數(shù)控制電路等組成，輸入信號經(jīng)3分頻和10分頻電路，與量程控制開關配合實現(xiàn)不同量程計數(shù)測量，在量程內(nèi)實現(xiàn)輸出電壓與輸入脈沖計數(shù)率成正比，表頭顯示計數(shù)率，并輸出對應的直流電壓(0～5 V)信號至四筆記錄儀，實現(xiàn)顯示、記錄、儲存功能。

對數(shù)率表電路由成形電路、對數(shù)唧筒電路、輸出級電路組成，可以實現(xiàn)輸出電壓與輸入脈沖計數(shù)率成對數(shù)關系，表頭顯示計數(shù)率，并輸出對應的直流電壓信號(0～5 V)至聲光報警裝置。

2.5.3脈沖計數(shù)音響裝置與聲光報警裝置 脈沖計數(shù)音響裝置由光電信號隔離電路、單片機采集控制電路、驅(qū)動電路組成。放大成形甄別器輸出標準TTL信號至脈沖計數(shù)音響裝置，經(jīng)光電隔離電路進入單片機采集控制電路，單片機對采集數(shù)據(jù)進行計算和甄別，根據(jù)甄別的結果，經(jīng)驅(qū)動電路觸發(fā)產(chǎn)生相應通道的聲光信號。裝置分頻倍數(shù)設為10、100、1 000、10 000、100 000五檔，分別對應頻率不同的聲音，裝置設有音量調(diào)節(jié)和閾值檔位調(diào)節(jié)。

聲光報警裝置由隔離輸入電路、成形甄別電路、信號調(diào)理電路、門控電路和驅(qū)動電路組成。對數(shù)率表輸出直流電壓信號經(jīng)隔離輸入電路進入甄別成形電路，過閾值輸出標準TTL電平(閾值0～5 V連續(xù)可調(diào))，經(jīng)信號調(diào)理電路和門控電路產(chǎn)生控制信號，再經(jīng)驅(qū)動電路實現(xiàn)產(chǎn)生相應通道的聲光功能，裝置設有音量調(diào)節(jié)和閾值連續(xù)調(diào)節(jié)。

3 裝置測試結果

裝置進行了3He正比計數(shù)管絕緣電阻測試、坪曲線測試、熱中子靈敏度測試、閾值和計數(shù)率關系測試、3He正比計數(shù)管組件72 h浸水測試、3He正比計數(shù)管組件2 h水密封水壓0.7 MPa打壓測試、堆上臺階功率測試、裝置總體性能測試[7](圖7)。經(jīng)驗證，3He正比計數(shù)管組件熱中子靈敏度≥50 s-1/nv、坪長約200 V、坪斜約3%/100 V，性能優(yōu)于設計要求；水密封性能良好，滿足長時間水下使用要求，同時，探頭和電纜通過插接件連接，更加方便使用；裝置所有通道有內(nèi)部隔離，可以四路實時監(jiān)測中子計數(shù)率信息，定標器、線性率表和對數(shù)率表保持一致，每個測量通道中子計數(shù)率超過設定的值時，可以給出燈光和報警信號。裝置滿足了設計要求，同時額外增加了一路備用測量通道；堆上臺階功率測試表明，隨著堆芯中子通量的增加，探頭所在位置的熱中子通量不斷增加，初次裝料監(jiān)測裝置在計數(shù)率范圍內(nèi)，探測器基本保持良好線性度(圖8)。

圖7 裝置在中國原子能科學研究院微堆進行測試

圖8 裝置中子通量響應曲線

4 結論

經(jīng)測試，裝置滿足核反應堆裝料過程中子注量率監(jiān)測的各項技術要求。裝置抗干擾性能強，操作簡單，數(shù)據(jù)可靠。其中，探頭組件采用新型結構，機械結構采用馬籠頭結構防水接頭、防水屏蔽套筒和承重核測多芯屏蔽電纜組合的形式，探頭組件電路結構采用快電荷靈敏前置放大器加高壓模塊一體化的形式，具有一定的先進性。裝置已經(jīng)應用于紅沿河核電站5、6號機組。