核电站仪表岗前培训反应堆仪表.ppt

1 核反应堆仪表苏杰 2 堆芯 裂变链式反应一回路 将堆芯热量导出二回路 将一回路热量通过蒸汽发生器交换热量 蒸汽发生器 产生蒸汽供汽轮机 稳压器 调节一回路水压汽轮机驱动发电机组 第1章绪论 核电站示意图 压水堆核电站五大控制系统1 核反应堆功率调节控制系统2 蒸汽排放控制系统3 蒸汽发生器给水调节系统4 稳压器压力 水位调节系统5 汽轮机调速系统 O 3 压水堆测量仪表布置示意图 T1进入反应堆的冷却剂温度 T0离开反应堆冷却剂温度 Tm慢化剂温度 Lm慢化剂水位 FC流量仪 PC冷却剂出口压力 FS蒸汽流量 4 核反应堆仪表的功能 一 测量项目 1 反应堆功率2 反应性3 冷却剂入 出口温度4 冷却剂的流量5 系统各测点的压力6 元件表面和冷却剂通道的沉淀物 5 二 检测参数1 链式反应产生的热量 热敏元件 2 链式反应产生的核辐射 核辐射敏感元件 3 离开反应堆以后冷却剂的放射性强度 4 冷却剂的温度 流量 流速 压力及纯度 5 堆内慢化剂水位及温度 6 控制棒的位置 功率棒 温度棒 停堆棒 等 三 指示调节及执行参数操控反应堆在一定功率下运行 必须根据调节仪表和执行仪表指示来操作控制棒 执行调节棒位 6 第2章测量的基本概念 2 1测量仪表的组成一 测量值的表示式x aUx其中 x是被测量值 a是仪表的读数 Ux是测量单位 二 测量流程 7 传感器 从测量对象提取信息 生成原始信号 对传感器性能的要求 1 输出与输入有稳定的单值关系 2 非被测量的影响应可忽略 如不能忽略 应能对其补偿或修正 3 应尽可能小的消耗被测对象的能量 传感器对于对象状态无大的干扰 变换器 为把传感器的信号进行远距离传送 用变换器对信号进行放大 线性化等 显示器 有瞬时量显示 累计量显示 极限显示等 指示有模拟 数字 屏幕显示等 1 模拟显示常以曲线形式记录数据 2 数字显示不会有视差 可打印数据 3 屏显能形象地显示信息 显示量大 可进行计算机操作 传输通道 连结输出与输入的信号设备 如 导线 管道 光导及无线通讯等 8 2 2测量仪表的性能指标 一 量程测量仪表能测量的最大输入量与最小输入量之间的范围 二 误差1 指示值的绝对误差 2 指示值的相对误差 x x0 x 测量的指示值x0 被测量的实际值3 引用误差 m 相对误差 其中 Am 仪表的量程范围4 基本误差基本误差是在规定的条件下 将仪表的示值和标准表的示值相比较 全量程中 当被测量平衡的增加或减小时 仪表全量程各个示值中引用误差的最大值 9 三 精度允许误差 即仪表出厂时规定的基本误差的最大值 精度 允许误差去掉百分号的数字 国家仪表的精度等级为 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 4级等 可见数字越小 仪表的精度等级越高 使用仪表时且勿升级使用 四 仪表的变差 附加误差及修正值1 变差又称 回差 升降变差或来回变差 v x x x x 分别为被测量值平稳增加和减小时 对仪表同一示值测得的实际值 2 附加误差对同一示值 在技术条件规定的正常与非正常条件下 所对应的被测量实际值之差 3 修正值由示值x得到实际值x0的修正量C x0 x CC f x 可查曲线或修正表求得 10 五 灵敏度和分辨力灵敏度S 设输入变化 x引起输出变化 L灵敏度高 不意味精确度会高 要与仪表的允许误差相适应 分辨力 也称鉴别力 是引起仪表可觉察示值变化的被测量值的最小变化 六 动态特性仪表指示值x跟随被测量值x0变化的反应能力 1 上升时间 示值从稳定态值的5 变化至95 所需的时间 2 响应时间 示值从开始变化到稳态值 Rm范围 所需的时间 3 过冲量 示值变化的最大振幅减去稳态值 对稳态值的百分数 11 七 可靠性仪表在正常工作条件下 保持产品技术性能指标的能力 仪表结构和环境的变化 一定程度上会影响可靠性 该指标决定了仪表的寿命 设 在1000小时实验下a类元件损坏零件的百分数为 a 仪表中有K种类别的元件 a种类型的元件数目为na 1000小时工作中仪表损坏的百分数为 八 稳定性稳定性表明仪表测量某固定量时 示值随时间及使用条件变化的性能 如 环境温度变化1度 示值X的变化值来确定的 九 复现性在同一条件下 对同一被测量X多次重复测量 示值一致的程度 12 第3章堆芯外核检测仪表及系统 3 1堆芯外的定义堆芯外是指在反应堆堆芯以外 中子注量率低于1011n Cm 2 S 1的辐照条件下布置辐射探测器 通常安置在压力壳外壁处 也可置于壳内的热屏蔽区内 堆功率仪表系统用来测量反应推功率及监视堆内中子通量密度 中子注量率 变化信息的 具有 1 运行功能监测堆功率 功率变化及分布 2 安全功能向保护系统提供停堆信号等 13 3 2反应堆功率的测量反应堆是依靠核燃料的链式反应来维持工作的 链式反应中产生初级碎片和一系列裂变产物 还有裂变中子 瞬发 等辐射线 它们都是裂变能的载体 它们的核辐射强度与反应堆功率成正比 它们消耗在堆内的热量也与堆功率成正比 因此 可以通过测量中子或 射线的强度 及测量堆芯温度等来间接测量反应堆的功率 通常是用堆芯外中子监测仪表来测量反应堆功率的 14 3 3中子探测器 作用 把正比于核功率的中子通量信号转变为电信号 原理 探测器的结构 测量方法各不相同 但归纳起来都是利用中子与核发生的各种反应 直接或间接地测量中子通量密度 3 3 1中子探测的基本方法方法有 核反应 核反冲 核裂变 激活化法等 不同能量的中子与物质相互作用的差别颇大 所以 相应它们的探测器在结构上及探测原理 也区别较大 中子是间接电离粒子 首先通过核反应等产生直接电离粒子被测量 15 一 核反应法主要测量慢中子 有以下三种核反应 10B n 7Li 2 792MeV 0 3840 11b6Li n 3T 4 786MeV 0 936 6b3He n p 3T 0 764MeV 0 5327 10b能量为En的中子微观截面 0 1 16 二 核反冲法中子与物质原子核发生弹性碰撞 原子核被反冲 且带一定正电荷 选用反冲核弹性碰撞截面大的材料作为探测器灵敏物质 就可以简接测量中子的注量率 通常是利用含氢物质作为灵敏体 反冲核的反冲能表示为 所以 反冲核的质量越小反冲动能越大 通常取氢物质 A 1 上式为 当En 20MeV时散射截面能谱见右图 在0 1 10MeV之间遵从1 定律 设 中子注量率为 单位体积靶物质的原子核数目为N 厚度为d 面积为S 散射截面为 s 则靶内单位时间的反冲核数Np为 Np ssNd s Sd 17 三 核裂变法由于裂变碎片是核裂变能量的载体 利用核裂变产生的两个碎片 使物质电离 可产生大的输出脉冲 极易甄别 射线对测量中子通量的干扰 233U 235U 239U对热中子的反应截面分别为 530b 580b 742b 所以常用作裂变探测器的灵敏体 许多重物质对中子裂变有一定阈值 可制成多阈探测器 以确定中子能量 常用裂变阈探测器材料的特性表 18 四 活化法稳定的原子核吸收中子后 转变为放射性原子核 它们通常在衰变时会放出带电粒子 由此可以简接测出中子的通量密度 例如 n 115In 116In 116In 116Sn 测量 的强度就能够确定中子的通量密度 以上四种探测中子的方法比较表 19 3 3 2中子探测器 电离室气体探测器 裂变室计数管常用的中子探测器 中子闪烁探测器固体探测器 自给能探测器核功率监测系统只使用了气体探测器 堆内所采用的核检测仪表是微型裂变室 堆外所采用的核检测仪表是涂硼正比计数管 补偿电离室及长电离室 20 正比区 V2 V3 电子在电场加速中获得能量足以产生二次电离 产生了电离雪崩 输出AN0正负离子对 脉冲幅度为 有限正比区 V3 V4当电压大于V3后 原电离电荷大的 比小的其放大倍数相对变小 即放大倍数A与人射粒子能量有关 G M区当电压大于V4以后 室内的激发光子起主导作用 使整个室内气体放大 发生电子雪崩 输出脉冲大小与粒子能量无关 一 气体探测器 复合区 0 V1 电离区 V1 V2 原电离离子全被电极收集 21 一 电离室 工作原理与结构中子在涂硼电极上产生带电粒子 当它进入室内时 与室内充气 氦 氩 体发生相互作用 产生正 负离子对 被收集极收集 产生输出电流I 这一电流量I的大小反映了中子注量率的大小 式中 V 电离室的有效体积 N0 单位体积 单位时间原电离子数 热中子的灵敏度为 3 1 10 13A ncm2s 适用于热中子注量率 102 1010n cm2s 22 2 电离室的输出脉冲电离室输出脉冲幅度Um为 式中 E 中子间接产生的粒子损失在电离室的能量 C 电离室输出有效电容 法 W 平均电离能 e是电子电荷量 3 电离室输出脉冲形状电离室输出脉冲形状反映了入射粒子的信息 与之连接的二次线路也要以此进行设计 尽量保持原有信息 所以 分析脉冲形状尤为重要 电离室电流是Ii由正 负离子电流I I 所组成的 即 Ii I I 首先讨论平行板电离室 设平行板电离室内 正 负离子都产生在x0处 以速度为w x 的正离子由x0到达b处的时间为T 则 正 负离子运动速度分别为 电场强度E x V b a 23 电离室电流是Ii由正 负离子电流I I 所组成的 即 Ii I I 平行板电离室内 负离子由x0以速度为w x 到达a处的时间为T 同理可以求得 4 平行板电离室输出电流I一个电子在电场E的作用下所作的功率为 eEw 又等于 V Ie所以V Ie eEw 其中 E V b a w E P一个电子生成的电流 一个入射粒子产生的电离电子数为n 则它产生的电流为I t 正离子电流为I t 24 5 平行板电离室输出电压脉冲电离室电流输出经过RC网络积分 就会得到一输出脉冲 RC时间常数不同 则脉冲形状不同 对于RC R1C1 R2C2 R3C3情况的电离室电压脉冲如右下图所示 25 6 圆柱形电离室输出电流及电压脉冲圆柱形电离室电流输出情况与平行板电离室电压脉冲相似 如图所示 圆柱形电极的电场强度为 通过同样计算可求得正 负离子的收集时间T T 及输出电流I I u max u max的表示式为 26 7 补偿电离室 在有强 场的情况下 要探测中子的强度 就需要消除 在电离室产生的电流的影响 通常使用 补偿电离室 参见右图就可了解其工作原理 在中子电离室区 中子产生的电流In 产生的电流I 在 电离室区内 只有 产生的电流I 它与前者的方向相反 所以 电流表的读数为 I In I I In通过调节电压V1使 电流值抵消 就可补偿 影响 测量电流即为中子产生的电流 它对热中子的灵敏度为 4 10 12A n cm2S 适用于热中子通量范围 2 5 102 1010n cm2S 27 8 长中子电离室 在反应堆功率测量中 中子通量很高 设计几个短中子电离室 组成一个长中子电离室 各短中子电离室的中子灵敏度可达 2 3 10 14A n cm2 s 电离室高压电极 负极 的内壁及收集极外壁涂硼 室内充1 的氦和6 的氮 93 的氩气 由于中子产生的电流较大 的影响较小 28 1 正比计数器10B n 7Li输出脉冲幅度为 A是正比计数器的气体放大倍数通常可达到103 105 En是中子的动能 Q是反应能 e是电子电荷量 W是平均电离能 C是计数器的等效输出电容 主要用于热中子的测量 二 正比计数器 有以下两种 充BF3气体的正比计数管 涂硼正比计数管在堆芯外源量程中配备 其灵敏度为 8counts n cm2 s 29 1 涂硼正比计数管中心阳极丝是由 25 m的不锈钢做成 圆筒形阴极是由高纯度铝制成 阴极内表面涂以丰度为92 的硼10B 两电极之间相互绝缘 计数管内充以氩气 Ar 和少量的二氧化碳 CO2 计数管长558mm 2 BF3正比计数管 30 2 长计数管所谓长计数管 是利用在很长能量范围内探测中子的效率平坦变化的材料 作为计数管的辐射体的正比计数管 目前性能最好的长计数管 探测中子的能量范围从热中子 快中子 31 二 固体探测器 固体物质作为探测中子的灵敏物质 有闪烁计数器 半导体计数器 活化球等中子闪烁计数器 具有计数效率高 时间响应快等优点 硫化锌快中子屏把ZnS Ag 粉与有机玻璃粉均匀混合 热压成圆柱形 为提高探测效率 把这种混合体嵌在有机玻璃筒内 制成花卷型快中子屏 见右图 利用快中子在有机玻璃中产生反冲质子使硫化锌闪烁体发光 经光电信增管输出 硫化锌慢中子屏把ZnS Ag 粉与B2O3均匀混合 中子与10B产生 和7Li与ZnS Ag 闪烁体作用产生荧光 被光电倍增管放大为电信号输出 闪烁体作成中空形 套在光电倍增管上 以提高探测效率 对热中子探测效率可达5 10 易于甄别 本底 32 含锂闪烁体一种锂闪烁体 LiO2 2AiO2 Ce 是锂玻璃 具有良好的化学稳定性 它的透光性 耐酸 耐腐蚀 耐高温很好 适于探测堆内中子 热中子效率很高 厚度为0 4cm的锂玻璃 效率达100 对6 5 的锂 其中6Li浓缩到96 的玻璃的锂玻璃闪烁体 厚度为2 54cm时 中子探测效率见下表 33 有机闪烁体由于有机闪烁体均为富含氢的CH化合物物质 发光时间短 适于高通量中子的测量 对 本底需作甄别处理 各种闪烁体测量中子的性能对比 34 3 4反应堆堆芯外核检测仪表系统 RPN 3 4 1堆外中子注量率测量堆外核测量系统的主要功能是 1 连续监测反应堆功率 功率变化及功率分布 对测得的各种模拟信号加以显示记录在反应堆装料 启动 停闭及功率运行时给操纵员提供反应堆内中子注量率的信息 2 监测反应堆径向功率倾斜和轴向功率偏差 3 向反应堆功率调节系统 反应堆保护系统提供中子功率信号 当中子注量率高 中子注量率变化率高时 触发反应堆紧急停闭 压水堆启动时 中子注量率的变化范围很大 从启动时功率至满功率时中子注量率变化可大到6至12个数量级 因此 如果只用一种探测器来覆盖所需要的整个测量范围 往往是很困难的 通常把所需测量范围分成几段 分别配以适当的核测量通道加以测定 一般分成源量程测量通道 中间量程测量通道和功率量程测量通道三段 各个测量通道所测定的范围见图 从图上可以看出 各个量程之间的衔接至少重叠一个数量级 以保证控制和保护的连续性 35 堆芯外中子探测器与相应的量程范围 36 3 4 2各个量程测量通道通常选用的探测器及仪表组成 压水堆堆外核测量系统的组成表 37 3 4 3核仪表系统 RPN 一 系统功能监督反应堆内中子通量的变化情况 并为反应堆运行及其安全提供信息 1 信息和控制功能 1 提供信号 记录和显示信号 向操纵员提供反应堆装料 停堆 启动和功率运行各工况下的反应堆状态信息 多种量程的堆外核仪表 监测反应堆功率 功率变化及功率分布 2 控制信号 功率量程的信号用于棒控程序 3 中子噪音测量线路的输出用来评估反应堆内部构件的松动和振动 4 监测径向功率倾斜和轴向功率偏差 停堆和启动期间中子视听计数 2 保护功能向反应堆保护系统RPR提供多个紧急停堆信号和允许信号 防止反应堆发生超功率 提供中子注量率高和注量率变化高信号 38 二 系统组成 2个源量程测量通道 正比计数管C P 2个中间量程测量通道 补偿电离室C L C 4个功率量程测量通道 非补偿电离室C L M C 长电离室 分6个灵敏段 分别测量堆芯上部 下部中子通量 39 反应堆运行时探测器的位置 40 3 4 4三个测量通道原理1 源量程测量通道 CNS 由两个独立的相同线路组成 在反应堆停堆期间和启动初始阶段 测量范围从10 1到2 105n cm2 s 探测器是正比计数管 计数管内壁涂硼 管内充以氩气和少量的二氧化碳 外加直流高压 900V 每个中子与硼 10发生核反应 10n 105B 73Li 42He Q 产生 粒子 73Li和 射线 粒子 73Li使计数管内的氩气电离 产生正 负离子形成电脉冲 射线也会产生电脉冲 但其幅值较小 可用甄别放大电路滤去 输出电流送到 周期计线路 用于显示 模拟量输出线路 用于指示和记录 逻辑量输出线路 用于启动报警及反应堆保护 41 42 甄别放大原理 射线也产生幅值较小的电流脉冲 故用甑别放大电路滤除它和反应堆内其他 射线产生的小幅度电流脉冲 放大粒子产生的电流脉冲 从而得到只与中子注量率成正比的计数脉冲 43 倍增周期 代表堆功率变化趋势 快慢和反应堆所处的状态 T 3s 说明堆功率每3s增加1倍 反应堆处于超临界状态 T 25s 说明堆功率每25s降低1倍 反应堆处于次临界状态 T 说明堆功率为常数 反应堆处于临界状态 如果倍增周期为一过小的正值 说明反应堆功率增加过快 容易失控 在启动反应堆升功率时 一定要时刻监视倍增周期 禁止其小于18s 周期计 在源量程和中间量程测量通道中都包括周期计 它产生功率倍增时间信号 送往显示器 以显示中子注量率变化一倍的时间T 反应堆功率变化遵守指数规律 其中 P0为t 0时的堆功率 P为t时刻的堆功率 T为功率倍增周期 倍增时间 上式两边取对数 由此可见 倍增时间T与功率对数的导数成反比 周期计正是产生功率对数的对数放大器的输出经过微分 取倒数运算以后 输出倍增时间T信号 44 45 探测器是涂硼补偿电离室 由两个同轴的圆柱形电离室组成 涂硼电离室对 粒子和 射线均敏感 在外电压作用下产生电离电流In I 1 不涂硼电离室仅对 射线敏感 在补偿电压作用下产生电离电流I 2 调整补偿电压使I 1 I 2 再经电路分向处理二者抵消 探测器最终输出电流In I 1 I 2 In输出电流送到 周期计线路 模拟量输出线路 逻辑量输出线路 2 中间量程测量通道 CNI 量程 10 11A到10 3A 46 功率量程测量通道由4个独立的相同线路组成 探测器是涂硼长电离室 由6个敏感段构成 该功率值送到下列线路中 反应堆棒控系统 移动控制棒 指示和记录仪表 指示记录堆功率 反应堆测量仪 计算反应性 对比线路 监视功率径向分布不平衡 功率分布监测线路 监视堆芯功率分布 反应堆保护线路 用于启动反应堆保护 3 功率量程测量通道 CNP 量程 1 7 10 7A 1 7 10 3A 47 第4章堆芯内中子注量测量及系统 在堆寿期内 堆的安全运行不能只依赖堆芯外仪表的信息 而要周期地根据芯内敏感元件测量数据 对堆芯外仪表校正 取得氙毒对功率的影响资料 及燃耗信息等 4 1堆芯环境 险恶 高中子通量 1012n cm 2 s 1 强 场 照射量 0 3C kg h 高温 2100C 高压 7 106Pa 振动 由冷却剂流动 沸腾引起 对仪表的要求 耐受高通量中子及 的辐照损伤 一次换料期间 敏感元件移动 更换要不多于1次 体积足够小 适应可利用的空间 采取防护措施 48 4 2堆芯仪表4 2 1堆芯裂变电离室 裂变电离室的一个电极涂层裂变物质 235U 碎片的能量比中子核反应产生的粒子能量大得多 所以它探测中子的灵敏度高 很容易甄别 本底 裂变碎片质量大 射程很短 所以裂变材料涂层很薄 一般 2mg cm2 灵敏度为 0 5s 1 n n为中子密度 为中子速度 最高计数率可达 105 s 裂变室的特性 1 铀的表面积要大 厚度与长度比要使信噪比最小 2 充惰性气氩 导热性 电离性好 热中子截面小 不会使中子核反应把它消耗 3 增大充气压力 会提高灵敏度 一般为几个大气压 4 裂变极与收集极间距大 产生原电离数多 电流大 49 大亚湾堆芯微型裂变电离室 探测器是堆芯中子通量 注量率 测量的敏感元件 大亚湾核电厂采用微型裂变室 其中央灵敏电极涂有235U富集度为90 的铀的氧化物 两层同心包壳之间充以氩气 裂变电离室端部连接驱动和导电两用的螺旋形电缆 探测器外径4 7mm 长度 包括头部 66mm 灵敏区长度27mm 它的外壳 外电极 及同轴电缆的材料均为不锈钢 50 4 2 2涂硼室 在电离室的一个电极上涂一层浓缩硼 10膜 其测量范围为 105 1010n cm2 s 由于10B的热中子反应截面比235U的大约6倍 导致燃耗太大 寿命缩短 所以 不宜作为固定式堆芯仪 而作为移动式堆芯功率仪 每次在堆芯内工作约3分钟 每月测一次 所以它可以满意地工作多年 51 4 2 3 温度计 温度计的优点是 1 结构简单 价格便宜 2 高辐射下寿命较长 3 信号大小正比于小范围内的功率水平 4 没有涂层仪由于燃耗降低灵敏度的缺点 射线引起包在热绝缘体中的材料发热 发热温度与 通量有线性关系 即可反映堆功率的大小 缺点是 1 外径尺寸较大 0 8cm 2 响应时间长 约几分钟 3 缓发 强度对温度的贡献 限制了量程 4 灵敏度受热通道温度影响 1600C时比2300C时大20 52 4 2 4自给能探测器 自给能探测器 Self powereddetector 自给能探测器是不需要外加偏压电源的核辐射探测器 它灵敏度很低 适于在强辐射场下工作 这是60年代中期出现的一种堆芯中子通量探测器 由中心发射体 绝缘体和收集体三部分按同轴排列而成 物质与辐射场相互作用 因发射和吸收荷电粒子而带电 置于辐射场中的两种相互绝缘的导体 或半导体 由于带电情况和程度不同 它们之间就产生了电势差 53 一 自给能探测器的种类和原理 自给能探测器主要有三种 流中子探测器 内转换中子探测器 自给能 探测器 1 自给能中子探测器 1 流中子探测器 又称延迟响应自给能探测器 发射体铑 钒或银 它们与中子发生 n 反应生成活化核 活化核发生 衰变 部分 粒子穿过绝缘体而到达收集体 平衡后形成与中子通量正比的电流信号 经过电缆传送到记录仪 当核反应平衡后 在外电路给出一个正比于中子注量率的稳定的电流信号 中子反应如 103Rh n 104Rh104Pd104Ag 铑 钯 银 54 几种发射体特性数据表 55 2 内转换中子探测器 又称快响应自给能探测器 发射体是钴 钴与中子发生 n 反应 出射的 射线打在发射体和绝缘体上 在其内打出次电子 当这些电子跑到收集极后 在外电路形成一个正比于中子注量率的电流信号 59Co n 60Co 60Co 60Co这一过程是在极短时间内发生的 时间响应快 可作为反应堆安全控制用 结构结构图见右图所示 它由探头 电缆和插件三部分组成 探头有 发射体 绝缘体 氧化铝陶瓷 收集极 镍管 同轴排列组成 探头的外径通常为2mm左右 其结构简单 形小 全固化 无需外加电源 适用于在高温 高辐照及强腐蚀场合长期工作 同轴电缆 要求材料对中子不灵敏 耐高温 辐照 通常用氧化铝做绝缘 不锈钢做外壳的同轴电缆可以满足测量需要 56 二 自给能 探测器自给能 探测器是以锆 铂 铅等作为发射体灵敏物质的一种自给能探测器 光子直接与它们作用 产生电流信号被外电路收集形成电流 常用于慢变化的强辐射 高温 强腐蚀的 辐射及堆芯 测量 同样具有结构简单 小型 全固化等优点 当 射线打在铂中 产生光电子 康普顿电子或电子对 这些次电子跑在收集极形成电流被外电路收集 采用这些灵敏物质是因为它们化学性质稳定 原子序数Z大 对 的线牲吸收系数大的缘故 其结构与自给能中子探测器相似 由于堆内 与中子的分布相近 因此 在反应堆保护系统和功率分布测量正在研究使用 优点1 射程大 可在更大体积内测量功率密度 2 燃耗可以忽略 3 灵敏度不随时间变化 57 4 3堆芯内中子通量检测系统 4 3 1检测仪的职能 启动时的职能 检查堆芯功率分布是否符合设计值 检查事故工况设计限值是否合理 校准堆外仪表 检查装料中可能出现的差错 正常运行的职能 检查与燃耗对应的功率分布 监测各燃料组件的燃耗 校准堆芯外核仪表 探测堆芯运行工况 58 4 3 2 系统组成 由驱动装置 组选择器 路选择器构成机械组件 驱动中子探头进行中子注量率测量 由安装在堆芯测量室的分配柜实现控制设备和机械组件之间的接口 由一组密封段和球阀来保证反应堆冷却剂和堆芯注量率测量系统之间的密封性 驱动装置通过驱动螺旋电缆在测量通道内移动探测器 驱动装置主要由传动电机 驱动轮 存储卷盘 位置发送器和安全保护装置等组成 59 2 选择器 选择器又称转换设备 有组选择器 路 组选择器和路选择器三种 虽然各种选择器的作用不同 但其内部结构和动作原理完全一样 惟一的区别就是通道数目不同 每个选择器由一个传动电机带动的选择器磁鼓和离合器系统组成 组选择器有一个输入通道 四个输出通道 组选择器可以将探测器从驱动机构的探测器起始位置分别引入正常测量通道 存贮通道 校准通道及救援通道 路 组选择器有二个或五个输入通道 该选择器接纳来自正常通道 求援通道的探测器 其中第4组路组选择器还作为公共核准通道 路选择器有一个输入通道 十个输出通道 路选择器把探测器导向10个测量通道中的任一个 60 4 3 3堆芯中子注量率测量系统描述 中子注量率测量通道共50个 分别布置在50个燃料组件中 每个测量通道都有特定的编号 在50个燃料组件的测量通道内 从堆芯底部插入指套管 探测器在指套管内移动 从而在堆芯整个高度上逐点测量中子注量率 61 指套管 活动套管 外径7 5mm 最大厚度1 1mm 长度13 3 16 2m不等 指套管的内壁是干燥的 微型裂变室可在内移动 外壁与一回路水直接接触 同样承受与反应堆压力相同的水压 指套管壁厚可比导向管薄 以易弯曲 指套管末端6m长度经热处理 涂有减摩涂层 可以由人工插入和抽拔 导向管有50根 呈L状 外径25 4mm 璧厚7 6mm 长8 11 5m不等 上端与压力容器底部对应的套管相焊接 而下部则通过生物屏蔽墙与位于堆芯仪表室中的手动阀密封段组件相焊接 密封一回路水 62 密封段用来保证导向管与指套管之间的静 动态密封 装有泄漏探测器 可以报警 如果密封发生泄漏 空腔中就有水滴出现 泄漏探测器报警 由于有第二道密封 泄漏水不会流入堆芯仪表室 可在下次计划停堆时更换密封圈 63 堆芯中子测量传递装置用于把中子注量率探测器插入堆芯的50个测量通道 传递装置分为5个组 每组对应10个堆芯测量通道 每组由下列几部分构成 一个中子注量率探测器 一套驱动装置 一个组选择器 一个路 组选择器 一个路选择器 10个自动控制隔离阀 整个传递装置位于安全壳底部标高为 3 5Om 的堆芯仪表室内 与密封段处在同一水平面 中子探测器传递系统 64 65 第5章核辐射剂量监测仪 在反应堆正常运行还是事故时刻 都有大量核辐射线和排出的放射性物质 为确保工作人员的安全 必须有一套完整的剂量监测系统和分析手段 用于探测核辐射的探测器有 一 气体探测器二 固体探测器 电离室 袖珍剂量计 闪烁计数器 正比计数器 半导体探测器 G M计数管3 热释光剂量计4 荧光玻璃剂量计 66 5 1 1气体探测器1 电离室工作电压V处在电离区的气体探测器 其输出脉冲幅度为 袖珍剂量计 袖珍剂量计是早期使用最广泛的个人剂量仪 是一种简单的电离室 它的构造简单 做成钢笔状 方便携带 粗石英丝 固定 与细石英丝 活动 表面镀银 并接 连在充电正极 充电后两石英丝相斥 张开一角度 细丝形在目镜内处在 0 位 当受辐照后室内气体被电离 负电子使丝极正电荷中和 夹角减小 示值偏大 标记着剂量的大小 67 2 正比计数器 工作电压在V2 V3之间 原电离电荷放大A倍 放大倍数A为常数 故可测量入射粒子能量与强度 气体放大倍数为 VT为阈电压 a为丝极半径 为产生二次电子的宏观截面 C为输出电容 f E为入射粒子能量 ev RC为时间常数 68 5 1 2闪烁计数器闪烁计数器是五十年代发展起来的核辐射探测器 时间分辨率和能量分辨率高于正比计数器而低于半导体探测器 探测效率可达20 卢瑟夫就是利用显微镜观测ZnS的质子闪光进行的第一个人工核反应的 五十年代后 随着光电倍增管的出现 配合发光闪烁体形成了完整的闪烁计数器 一 原理1 射线使闪烁晶体原子电离 激发退激时所发出的荧光 2 荧光进入光电倍增管 在其阴极上打出光电子 经多级放大 输出脉冲信号 被二次仪表记录 分析 69 二 闪烁体闪烁体分有机与无机体两种 1 有机闪烁体 CH化合物 固体有 蒽 芪 萘 对联三苯等 液体有 有机溶液加发光物质及波长转换剂 POPOP 塑料 有机闪烁液聚合而成 可做得较大 如苯乙烯等 2 无机闪烁体NaI Tl CsI Tl ZnS Ag 前两者可测 射线 后者用来测量 粒子 其探测原理是 射线进入晶体内产生电子 空穴对 导带上的自由电子经杂质带填充空穴 放出荧光光子 三 光电倍增管把闪烁体的荧光信号转变为电信号加以放大约105倍后 输出给前置放大器 它的外加高压电源约一千伏 70 71 72 锂漂移半导体探测器利用施主锂原子远小于硅原子 给P型硅加锂 再加温300 400C0温度 使锂原子向硅扩散 加反向几百伏偏压 形成较厚的P N结 探测灵敏区 可用来探测中子等 其原理如下图示 73 3 热释光剂量计TLD 具有晶格结构的固体材料中 常因杂质等原因 总存在许多晶格缺陷 这种缺陷导到它周围电中性状态的破坏 形成了一个带电中心 中心具有吸引异性电荷的本领 称为 陷阱 射线射入时 使物质原子电离 电子从满带跳到导带 被 陷阱 捕获 在常温下电子长久留在陷阱中 当加热固体时它才能从陷阱中跳到导带 由导带跃到满带时 会发出可见光 辐照时间越长 落入陷阱的电子越多 当加热以后 发光越强 经光电倍增管放大后记录 是常用剂量仪之一 通常使用的热释光元件有 CaF2 Mn LiF等 把它们制成粉末 压制成热释光片 供工作人员佩带 把热释光片在测光仪中加热 测量其光能确定剂量值 74 4 荧光玻璃剂量计RPD 用银激活的磷酸盐玻璃中 存在很深的陷阱 当射线射入时 形成稳定的光致发光中心 只有在紫外光照射下 电子由发光中心跳到激发能级 在它们退激时发出橙色荧光 发光量与辐照剂量成正比 测量照射量剂量范围 0 05R 103R 优点是可多次测量 量程宽 测量精确度高 性能稳定等 缺点是每次使用前要测本底剂量 低能响应差 玻璃易碎等 75 5 2核电厂辐射剂量监测 核电厂剂量监测系统 判断安全性 防止事故发生 燃料元件包壳破损的监测 蒸汽发生器管子破漏的放射性监测 冷却水及其管道放射性监测 厂房内 辐射场的监测 工作室放射性气体及气溶胶的监测 衣物 工具的表面污染测量 个人剂量监测 环境放射性监测 76 5 2 燃料元件包壳破损的监测 轻水堆燃料元件破损的探测方法测量冷却剂中的裂变产物浓度 即可确定元件破损情况 辐射探测法元件包壳破损 一回路水中的裂变产物会增加 用闪烁谱仪或锗 锂 谱仪就可测定放射性强度 比较由水中16O n 16N p 16N产生的固有 放射本底 加以认定 测量缓发中子法235U裂变产物中 有许多核素如 87Br 138I 142Cs等 具有缓发中子发射 约占裂变中子的1 测量冷却剂中缓发中子的强度 就可推算元件包壳的破损程度 缓发中子探测器由内装石蜡的螺旋管 中间放置BF3正比计数管组成 样品流入管中后其中子经石蜡慢化 被BF3计数管记录 77 燃料元件包壳破损的定位 粗定位方法 利用控制棒逐区调整 使堆芯通量倾斜 用探测器同步配合观察各区冷却剂放射性变化 达到分区定位 破损燃料组件定位 湿啜法 停堆换料时 将组件置于静水中浸泡一定时间后 抽取水样来对131I 133I测量 确定该元件是否有破损 它们都是 放射性核素 干啜法 停堆换料时 将组件放在一定容积的空气中 经过一定时间后 抽取气样 测量其含氪 氙量来判定元件是否破损 78 5 2 2蒸汽发生器管子破