核反应堆仪表5

1、School of Nuclear Science and Technology 堆芯内中子通量检测系统用来检测稳态工况下堆芯内中子通量检测系统用来检测稳态工况下 堆芯径向和轴向的热中子通量分布，积累燃堆芯径向和轴向的热中子通量分布，积累燃 耗数据，以制定最佳换料方案，监视可能发耗数据，以制定最佳换料方案，监视可能发 生的功率分布振荡。生的功率分布振荡。 即完成以下任务：即完成以下任务： 1.1.证实计算的堆芯性能；证实计算的堆芯性能； 2.2.证实堆芯的运行安全裕量；证实堆芯的运行安全裕量； 3.3.为燃料管理提供输入数据；为燃料管理提供输入数据； 4.4.探测氙引起的功率不对称或振荡。探测

2、氙引起的功率不对称或振荡。 第第4章章 堆芯内中子通量检测仪表及系统堆芯内中子通量检测仪表及系统 School of Nuclear Science and Technology 4.1 堆芯内的环境堆芯内的环境 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 第第4章章 堆芯内中子通量检测仪表及系统堆芯内中子通量检测仪表及系统 School of Nuclear Science and Technology 堆芯内的环境很恶劣：堆芯内的环境很恶劣： 高中子通量高中子通量（101012 12n.cm n.c

3、m-2 -2.s .s-1 -1); ); 强强场场（2.582.581010-1 -1c.kg c.kg-1 -1.h .h-1 -1); ); 高温（高温（210);210); 高压（高压（6.8947MPa6.8947MPa） 冷却剂流动或沸腾引起的振动等。冷却剂流动或沸腾引起的振动等。 空间的限制。空间的限制。 4.1 堆芯内的环境堆芯内的环境 School of Nuclear Science and Technology 满功率运行时满功率运行时 中子通量中子通量3-53-5101012 12n.cm n.cm-2 -2.s .s-1 -1，峰值超过 ，峰值超过101014 14：

4、探测器必 ：探测器必 须能够耐受中子损伤。须能够耐受中子损伤。 照射量率照射量率2.582.5810102 2c.kgc.kg-1 -1.h .h-1 -1： ：辐射损伤和辐射致辐射损伤和辐射致 热。热。 高温高温: :沸水堆平均温度沸水堆平均温度228228，高至，高至313;313;压水堆压水堆217-217- 332332；气冷堆；气冷堆343-788343-788；钠冷堆；钠冷堆370-540370-540。 高压：压水堆高压：压水堆15.5MPa15.5MPa；气冷堆；气冷堆2.07-4.82MPa2.07-4.82MPa；钠冷堆；钠冷堆 13.8MPa13.8MPa。 压水堆冷却剂

5、流速压水堆冷却剂流速4.6m/s4.6m/s，振动。，振动。 4.1 堆芯内的环境堆芯内的环境 School of Nuclear Science and Technology 2 2类：固定、移动类：固定、移动 各有利弊各有利弊 固定探测器：随时提供中子通量信息，发现异常产生报警固定探测器：随时提供中子通量信息，发现异常产生报警 信号；性能必须很强，在反应堆正常运行期间不需维修；信号；性能必须很强，在反应堆正常运行期间不需维修； 在换料期间必须检修或更换。在换料期间必须检修或更换。 移动探测器：不能在所有时刻提供整个堆芯中子通量及报移动探测器：不能在所有时刻提供整个堆芯中子通量及报 警；但可

6、以按需要测量一定位置的中子通量或扫描监测；警；但可以按需要测量一定位置的中子通量或扫描监测； 寿命长；需电动机或齿轮箱。寿命长；需电动机或齿轮箱。 寿命：中子灵敏度随辐照积累下降，信噪比降到一定值就寿命：中子灵敏度随辐照积累下降，信噪比降到一定值就 不能用了。不能用了。 用什么探测器？用什么探测器？ 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.1 4.2.1 堆芯裂变室堆芯裂变室 1 1）裂变室的原理和结构）裂变室的原理和结构 ？ 在电极上涂裂变物质在电极上涂裂变物质235 235U U

7、的电离室。 的电离室。 中子被中子被235 235U U俘获，发生裂变，裂变碎片在电离室产生电子离 俘获，发生裂变，裂变碎片在电离室产生电子离 子对而被记录，从而探测中子。子对而被记录，从而探测中子。 由于裂变反应放出的能量大，裂变室甄别由于裂变反应放出的能量大，裂变室甄别本底的本领比硼本底的本领比硼 电离室更大。电离室更大。 因为裂变碎片的射程很短，所以裂变材料涂层最厚不超过因为裂变碎片的射程很短，所以裂变材料涂层最厚不超过 2mg/cm2mg/cm2 2。 为了提高探测效率，做成多层裂变室。为了提高探测效率，做成多层裂变室。 国产裂变室热中子灵敏度国产裂变室热中子灵敏度0.5s0.5s-1

8、 -1/n.v /n.v；最高计数率；最高计数率1010-5 -5s s-1-1。 。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.1 4.2.1 堆芯裂变室堆芯裂变室 2 2）影响裂变室性能的因素）影响裂变室性能的因素 铀的状态：浓缩氧化铀镀层；浓缩铀铀的状态：浓缩氧化铀镀层；浓缩铀- -铝合金套筒。铝合金套筒。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.1 4.2.1 堆芯裂

9、变室堆芯裂变室 2 2）影响裂变室性能的因素）影响裂变室性能的因素 铀的浓缩度：对铀的浓缩度：对灵敏度没影响，提高浓缩度可提高中灵敏度没影响，提高浓缩度可提高中 子灵敏度。子灵敏度。 铀的表面积：中子、铀的表面积：中子、灵敏度与表面积有关，存在信噪灵敏度与表面积有关，存在信噪 比最高的探测器直径与长度比。比最高的探测器直径与长度比。 充气类型：通常为氩气（化学惰性、良好导热性、低的充气类型：通常为氩气（化学惰性、良好导热性、低的 热中子截面及合适的电离特性）。氦、氮或混合气体。热中子截面及合适的电离特性）。氦、氮或混合气体。 充气压力：只要裂变碎片的射程大于发射极与收集极的充气压力：只要裂变碎

10、片的射程大于发射极与收集极的 间隙，裂变室的中子和间隙，裂变室的中子和灵敏度就正比于充气压力。对灵敏度就正比于充气压力。对 寿命没有明显影响。寿命没有明显影响。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.1 4.2.1 堆芯裂变室堆芯裂变室 2 2）影响裂变室性能的因素）影响裂变室性能的因素 发射极与收集极的间隙：间隙大产生的电流大。需折中。发射极与收集极的间隙：间隙大产生的电流大。需折中。 尺寸的公差：公差积累效应。尺寸的公差：公差积累效应。 900MW900MW压水堆：压水堆： 裂

11、变室直径裂变室直径4.75mm4.75mm，长，长60mm60mm，电极，电极0.1mm0.1mm，235 235U U， ，ArAr，AlAl2 2O O3 3 绝缘。在不锈钢导管内移动，同轴电缆引出。绝缘。在不锈钢导管内移动，同轴电缆引出。 与与3.6m3.6m的燃料元件相比很小，引起的通量畸变可忽略。的燃料元件相比很小，引起的通量畸变可忽略。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.2 4.2.2 涂硼室涂硼室 在电极上涂一层浓缩在电极上涂一层浓缩10 10B B的电离室。 的

12、电离室。 1010B B（ （n n，）7 7LiLi反应产生反应产生粒子和粒子和7 7LiLi核，在气体中产生电核，在气体中产生电 离，引起的电离电流（累计电流）来确定入射中子通量。离，引起的电离电流（累计电流）来确定入射中子通量。 测量范围：测量范围：10105 5-10-1010 10n.cm n.cm-2 -2s s-1-1。 。 用作固定堆芯内中子通量探测器是不现实的。？用作固定堆芯内中子通量探测器是不现实的。？ 热中子截面大，导致燃耗大。热中子截面大，导致燃耗大。 可作为移动式堆芯内可作为移动式堆芯内 中子通量探测器。中子通量探测器。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通

13、量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.3 4.2.3 堆芯电离室堆芯电离室 普通电离室用于堆芯，需要：普通电离室用于堆芯，需要： 1 1）无机绝缘代替有机绝缘；）无机绝缘代替有机绝缘；2 2）用强度和熔点高的材料代）用强度和熔点高的材料代 替铝；替铝；3 3）增加间隙以适应各部件的膨胀；）增加间隙以适应各部件的膨胀；4 4）高温接头）高温接头 和电缆代替常规的；和电缆代替常规的；5 5）涂层能经受热考验。）涂层能经受热考验。 1.1.堆芯电离室的材料要求：堆芯电离室的材料要求： 1 1）非常低的中子俘获截面；）非常低的中子俘获

14、截面； 2 2）没有缓发）没有缓发衰变的放射性产物；衰变的放射性产物； 3 3）高温时有高的强度和耐腐蚀能力；）高温时有高的强度和耐腐蚀能力； 4 4）良好的机械加工性能和焊接性能；）良好的机械加工性能和焊接性能； 5 5）低的热膨胀系数。）低的热膨胀系数。 铝、不锈钢、钛等，需要权衡。绝缘材料：氧化铝铝、不锈钢、钛等，需要权衡。绝缘材料：氧化铝 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.3 4.2.3 堆芯电离室堆芯电离室 2.2.统计涨落技术统计涨落技术 电离室的电流是由一系列离散

15、的裂变现象所产生的，既有电离室的电流是由一系列离散的裂变现象所产生的，既有 直流成分又有交流成分。其幅值决定于单个脉冲的形状、直流成分又有交流成分。其幅值决定于单个脉冲的形状、 脉冲频率和电路的电阻、电感及电容。脉冲频率和电路的电阻、电感及电容。 从电离室信号的交流成分中提取信息的技术，称统计涨落从电离室信号的交流成分中提取信息的技术，称统计涨落 技术，即由随机电流脉冲源引起的电流的变化正比于平技术，即由随机电流脉冲源引起的电流的变化正比于平 均脉冲率和脉冲高度的平方。均脉冲率和脉冲高度的平方。 应用中子通量测量时，统计涨落技术的原理如图所示。应用中子通量测量时，统计涨落技术的原理如图所示。

16、4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.3 4.2.3 堆芯电离室堆芯电离室 2.2.统计涨落技术统计涨落技术 输出电压输出电压 为平均脉冲数，为平均脉冲数，s s-1 -1； ；Qe e为电荷乘以它通过的电势场的为电荷乘以它通过的电势场的 分数，分数，C C；Z Z为中频转移阻抗，为中频转移阻抗，；H H、L L为信号通过为信号通过 交流放大器的上、下截止频率，交流放大器的上、下截止频率，rad/s.rad/s. 结论：结论： 1 1）漏电流直流成分因耦合电容阻挡，对输出无影响）漏

17、电流直流成分因耦合电容阻挡，对输出无影响; ; 2 2）比中子产生的脉冲小很多的）比中子产生的脉冲小很多的和和产生的脉冲因产生的脉冲因Qe2项而项而 大大衰减了；大大衰减了； 3 3）电离室、电缆和放大器输入级的噪声减到最小。）电离室、电缆和放大器输入级的噪声减到最小。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 LH H e ZQNU 22 2 1 N School of Nuclear Science and Technology 4.2.3 4.2.3 堆芯电离室堆芯电离室 3.3.中子灵敏电离室的涂层中子灵敏电离室的涂层 硼混合物、裂变材料、可转换材料与裂变材料的混合

18、物。硼混合物、裂变材料、可转换材料与裂变材料的混合物。 一般选择一般选择与燃料相同的核素或混合物与燃料相同的核素或混合物。必须牢固。必须牢固。 改变厚度、同位素组分和表面积可以达到所要求的电离室改变厚度、同位素组分和表面积可以达到所要求的电离室 灵敏度。灵敏度。 高通量中子辐照下，灵敏度下降。由易裂变核素和可转换高通量中子辐照下，灵敏度下降。由易裂变核素和可转换 的核素的混合物所构成的涂层，可接受高通量辐照，灵的核素的混合物所构成的涂层，可接受高通量辐照，灵 敏度不变。敏度不变。 4.4. 连接电缆连接电缆 降低噪声和假信号；绝缘电阻低的电缆通常噪声大。电容降低噪声和假信号；绝缘电阻低的电缆通

19、常噪声大。电容 尽可能小。尽可能小。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.3 4.2.3 堆芯电离室堆芯电离室 5.5.应用应用 是唯一能从停堆到满功率范围测量中子通量水平的堆芯中是唯一能从停堆到满功率范围测量中子通量水平的堆芯中 子探测器。也有最快的响应时间。子探测器。也有最快的响应时间。 中子灵敏度对中子灵敏度对灵敏度之比（探测器的中子灵敏材料的允许灵敏度之比（探测器的中子灵敏材料的允许 燃耗值）和材料的辐照损伤限定探测器的寿命。燃耗值）和材料的辐照损伤限定探测器的寿命。 4

20、.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.4 4.2.4 用用温度计测量堆芯中子通量温度计测量堆芯中子通量 射线会引起材料发热，如果能射线会引起材料发热，如果能测量测量包裹在热绝缘中的温包裹在热绝缘中的温 升，就可以测量反应堆堆芯功率分布。？升，就可以测量反应堆堆芯功率分布。？ 动力堆动力堆和中子通量分布十分相近。和中子通量分布十分相近。 温度计如图所示温度计如图所示 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and

21、 Technology 4.2.4 4.2.4 用用温度计测量堆芯中子通量温度计测量堆芯中子通量 发热材料的选择：发热材料的选择：1）受）受辐照能够产生易于测量的温升；辐照能够产生易于测量的温升；2） 降低热辐射（低截面、内表面光亮、低热传导系数的气降低热辐射（低截面、内表面光亮、低热传导系数的气 体），减少发热体温度与体），减少发热体温度与通量的非线性。通量的非线性。 优点：优点：1）结构简单，价格便宜；）结构简单，价格便宜；2）不会因涂层燃耗使温）不会因涂层燃耗使温 度变化；信号大小正比于堆芯小范围内产生的功率；度变化；信号大小正比于堆芯小范围内产生的功率；4） 寿命长；寿命长；5）性能一

22、致性好，不需单独校验。）性能一致性好，不需单独校验。 缺点：缺点：1）较大的尺寸（外径）较大的尺寸（外径0.8cm）；）；2）响应时间长（几）响应时间长（几 分钟）；分钟）；3）缓发）缓发强度限制量程；强度限制量程；4）与热通道有关。）与热通道有关。 已用于反应堆元件通道功率和轴向功率分布测量。已用于反应堆元件通道功率和轴向功率分布测量。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.5 4.2.5 自给能探测器自给能探测器 1.1. 原理和种类原理和种类 任何物体都会因发射和吸收带电粒子

23、而带电。置于辐任何物体都会因发射和吸收带电粒子而带电。置于辐 射场中的两个相互绝缘的导体（或半导体）因辐照射场中的两个相互绝缘的导体（或半导体）因辐照 导致带电不同，两者之间就存在电势差，若用导线导致带电不同，两者之间就存在电势差，若用导线 连接，就会有电流流过。这种效应是辐射能量直接连接，就会有电流流过。这种效应是辐射能量直接 转换而来的，它的大小和变化反映出辐射场的特性转换而来的，它的大小和变化反映出辐射场的特性 和变化。和变化。 自给能探测器就是利用这种现象制成的。不需要电源自给能探测器就是利用这种现象制成的。不需要电源 两种测量方式：两种测量方式：1）测量两电极间的电势差；）测量两电极

24、间的电势差；2）弱电）弱电 流仪连接两电极，测量流过的电流。流仪连接两电极，测量流过的电流。 三种：三种：1）流中子探测器；流中子探测器；2）内转换中子探测器；）内转换中子探测器；3） 自给能自给能探测器。探测器。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.5 4.2.5 自给能探测器自给能探测器 2.2. 自给能中子探测器自给能中子探测器 结构：由发射体、绝缘体、收集体及电缆组成。结构：由发射体、绝缘体、收集体及电缆组成。 中心电极为发射体，由中子敏感材料制成。核心，决定中心电极为发

25、射体，由中子敏感材料制成。核心，决定 探测器的物理特性。探测器外壳为收集体，对中子不探测器的物理特性。探测器外壳为收集体，对中子不 敏感。绝缘体：无机材料。电缆：不能有机绝缘。敏感。绝缘体：无机材料。电缆：不能有机绝缘。 自给能中子探测器的外径一般自给能中子探测器的外径一般1-3mm,1-3mm,长度几长度几cmcm到几到几m m， 还可以螺旋形，提高灵敏度。还可以螺旋形，提高灵敏度。 种类：种类：流中子探测器和内转换中子探测器流中子探测器和内转换中子探测器 1）流中子探测器，又称延迟响应自给能中子探测器：流中子探测器，又称延迟响应自给能中子探测器： 发射体俘获中子后形成短寿命发射体俘获中子后

26、形成短寿命放射性核素，衰变放放射性核素，衰变放 出电子。平衡时，电极间的电子电流正比于中子通量。出电子。平衡时，电极间的电子电流正比于中子通量。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.5 4.2.5 自给能探测器自给能探测器 2.2. 自给能中子探测器自给能中子探测器 1）流中子探测器流中子探测器 这类探测器的发射体材料主要有铑、钒、银等。这类探测器的发射体材料主要有铑、钒、银等。 中子灵敏度取决于发射体材料的中子活化截面；中子灵敏度取决于发射体材料的中子活化截面； 响应时间取决于

27、活化后响应时间取决于活化后放射性核素的半衰期；放射性核素的半衰期； 寿命取决于发射体材料的燃耗，与中子活化截面和几寿命取决于发射体材料的燃耗，与中子活化截面和几 何结构有关。何结构有关。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.5 4.2.5 自给能探测器自给能探测器 2.2. 自给能中子探测器自给能中子探测器 2）内转换中子探测器）内转换中子探测器 又称为瞬时响应自给能中子探测器。结构相同。又称为瞬时响应自给能中子探测器。结构相同。 原理：发射体原子核俘获中子后形成处于激发态的复原

28、理：发射体原子核俘获中子后形成处于激发态的复 合核，退激发射合核，退激发射射线。射线。射线与探测器材料发生康射线与探测器材料发生康 普顿散射、光电效应和电子对效应产生电子，电子普顿散射、光电效应和电子对效应产生电子，电子 发射形成探测器电流。发射形成探测器电流。 发射体材料主要有钴、钪、镉等。发射体材料主要有钴、钪、镉等。 流中子探测器输出信号强度大，能给出精确的堆芯中流中子探测器输出信号强度大，能给出精确的堆芯中 子通量分布；内转换中子探测器用于反应堆安全和子通量分布；内转换中子探测器用于反应堆安全和 控制系统。控制系统。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 Sch

29、ool of Nuclear Science and Technology 4.2.5 4.2.5 自给能探测器自给能探测器 3.3. 自给能自给能探测器探测器 原理与原理与流中子探测器基本相同：发射体俘获流中子探测器基本相同：发射体俘获或散射或散射 后产生电子，电子逸出，发射体带正电，探测器输后产生电子，电子逸出，发射体带正电，探测器输 出小电流。平衡时，电流正比于周围出小电流。平衡时，电流正比于周围通量。通量。 与中子探测器相比，有以下优点：与中子探测器相比，有以下优点： 1）在更大的体积内测量功率密度；）在更大的体积内测量功率密度；2）燃耗率可以忽）燃耗率可以忽 略；略；3）灵敏度不随时

30、间变化。）灵敏度不随时间变化。 缺点：灵敏度低，容易受探测器材料和部件杂质活化缺点：灵敏度低，容易受探测器材料和部件杂质活化 影响。影响。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.5 4.2.5 自给能探测器自给能探测器 4.4. 自给能探测器连接电缆自给能探测器连接电缆 连接探测器和读数装置的电缆处在辐照环境中，辐照产生的假连接探测器和读数装置的电缆处在辐照环境中，辐照产生的假 电流对测量影响很大（因为电缆比探测器长很多），且与发电流对测量影响很大（因为电缆比探测器长很多），且与发

31、 射体产生的电流不易区分。？射体产生的电流不易区分。？ 可以两条相同的、相互平行的芯线。一条与探测器发射体相连；可以两条相同的、相互平行的芯线。一条与探测器发射体相连； 一条在探测器处断路。此电缆接差分放大器，从而补偿电缆一条在探测器处断路。此电缆接差分放大器，从而补偿电缆 响应。响应。 有探测器的电缆与无探测器的电缆在辐照环境中试验时，测得有探测器的电缆与无探测器的电缆在辐照环境中试验时，测得 的电流电压曲线相同，仅平移恒定距离。的电流电压曲线相同，仅平移恒定距离。 铝导管内同轴电缆产生的假电流是不锈钢导管内的假电流的铝导管内同轴电缆产生的假电流是不锈钢导管内的假电流的2倍。倍。 电缆外包裹

32、铅会导致假电流增加电缆外包裹铅会导致假电流增加1-2量级。量级。 研究表明：辐照对电缆的损伤可忽略。研究表明：辐照对电缆的损伤可忽略。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.2.5 4.2.5 自给能探测器自给能探测器 5.5. 应用应用 与电离室相比，堆芯功率测量用的与电离室相比，堆芯功率测量用的流中子探测器的优点：尺寸流中子探测器的优点：尺寸 小、费用低、电子设备简单；缺点：响应时间长、对中子能小、费用低、电子设备简单；缺点：响应时间长、对中子能 谱的变化较为敏感、探测器单位长度输

33、出电流较小。铑和钒谱的变化较为敏感、探测器单位长度输出电流较小。铑和钒 作为发射体，衰变常数是秒量级，因此，用于功率水平的自作为发射体，衰变常数是秒量级，因此，用于功率水平的自 动控制或快速停堆系统是不适合的，可用于中子通量分布测动控制或快速停堆系统是不适合的，可用于中子通量分布测 量。量。 与与流探测器相比，内转换探测器响应快，但灵敏度低。流探测器相比，内转换探测器响应快，但灵敏度低。 自给能自给能探测器灵敏度不随时间变化，对中子能量和裂变材料的探测器灵敏度不随时间变化，对中子能量和裂变材料的 浓度不敏感，因此，在反应堆堆芯寿命期间，在反应堆任何浓度不敏感，因此，在反应堆堆芯寿命期间，在反应

34、堆任何 位置，都会给出相对裂变率的指示值。铅、铝做发射体。位置，都会给出相对裂变率的指示值。铅、铝做发射体。 铑和钒作为发射体的几种探测器，需考虑铑和钒作为发射体的几种探测器，需考虑自屏效应。自屏效应。 用钒和钴作为发射体的中子探测器可工作到用钒和钴作为发射体的中子探测器可工作到3 3101022 22n.cm n.cm-2 -2。 。 4.2 堆芯内中子通量检测仪表系统堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 压水堆堆芯中子通量密度检测系统是为获得堆芯

35、功率分压水堆堆芯中子通量密度检测系统是为获得堆芯功率分 布（用堆芯中子通量密度分布表示）而专门设置的。布（用堆芯中子通量密度分布表示）而专门设置的。 堆芯中子通量密度分布是核反应堆的重要物理参数。堆芯中子通量密度分布是核反应堆的重要物理参数。 在反应堆启动过程中，堆芯中子通量密度测量较频繁，在反应堆启动过程中，堆芯中子通量密度测量较频繁， 而在反应堆正常功率运行期间，每月测量一次到二次，而在反应堆正常功率运行期间，每月测量一次到二次， 但是，中子通量密度数据不管在反应堆启动过程中还是但是，中子通量密度数据不管在反应堆启动过程中还是 在反应堆正常功率运行期间，都是很重要的反应堆控制在反应堆正常功

36、率运行期间，都是很重要的反应堆控制 用的数据，只是不用作闭环控制，也不直接用于反应堆用的数据，只是不用作闭环控制，也不直接用于反应堆 功率调节。功率调节。 检测系统将测量得到的各中子通量密度值以测量栅格的检测系统将测量得到的各中子通量密度值以测量栅格的 中子通量密度图形记录和显示，计算机将这些中子通量中子通量密度图形记录和显示，计算机将这些中子通量 密度数据处理后再以堆芯功率分布图的形式发出。密度数据处理后再以堆芯功率分布图的形式发出。 School of Nuclear Science and Technology 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 4

37、.3.1 4.3.1 堆芯中子通量密度检测系统的功能堆芯中子通量密度检测系统的功能 4.3.1.1 4.3.1.1 在反应堆启动过程中在反应堆启动过程中 1)1)验证反应堆寿期初的功率分布是否与设计要求相符；验证反应堆寿期初的功率分布是否与设计要求相符； 2)2)验证热点因子是否有余量（即验证用于事故分析中的热点验证热点因子是否有余量（即验证用于事故分析中的热点 因子相对于实际值确实是偏保守的）；因子相对于实际值确实是偏保守的）； 3 3）刻度反应堆功率测量系统的电离室；）刻度反应堆功率测量系统的电离室； 4 4）监测反应堆装料时可能出现的差错。）监测反应堆装料时可能出现的差错。 4.3.1.

38、2 4.3.1.2 在反应堆正常功率运行中在反应堆正常功率运行中 1 1）验证反应堆功率分布与燃耗的关系是否符合设计要求）验证反应堆功率分布与燃耗的关系是否符合设计要求 2 2）为换料方案最优化提供燃耗数据的历史资料；）为换料方案最优化提供燃耗数据的历史资料； 3 3）检验反应堆功率测量系统的电离室；）检验反应堆功率测量系统的电离室； 4 4）监测反应堆堆芯运行参数有无偏离正常值（即监测堆芯）监测反应堆堆芯运行参数有无偏离正常值（即监测堆芯 功率分布是否异常）。功率分布是否异常）。 School of Nuclear Science and Technology 4.3 压水堆堆芯内中子通量检

39、测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 4.3.2 4.3.2 堆芯中子通量密度检测系统的组成和布局堆芯中子通量密度检测系统的组成和布局 压水堆堆芯核燃料组件中安置有堆芯中子通量密度测量压水堆堆芯核燃料组件中安置有堆芯中子通量密度测量 导向管，这种导向管的数量和布局与堆芯设计有关。导向管，这种导向管的数量和布局与堆芯设计有关。 我国秦山我国秦山300MW300MW压水堆核电站的堆芯有压水堆核电站的堆芯有3030个中子通量密度个中子通量密度 测量导向管，大亚湾测量导向管，大亚湾900MW900MW压水堆核电站堆芯有压水堆核电站堆芯有5050个中子个中子 通密度测量导向管。通密度测量导向管。

40、900MW900MW压水堆核电站的压水堆核电站的5050个堆芯中子通量密度测量导向管个堆芯中子通量密度测量导向管 在堆芯燃料组件内的分布如图所示。在堆芯燃料组件内的分布如图所示。 School of Nuclear Science and Technology 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 4.3.2 4.3.2 堆芯中子通量密度检测系统的组成和布局堆芯中子通量密度检测系统的组成和布局 这这5050个导向管分成个导向管分成1010组，每组配置一个中子探测器，一组，每组配置一个中子探测器，一 套机电设备，一套电子学设备和控制设备。套机电设备，一套电子学

41、设备和控制设备。 具体由指套管、导向管、手动隔离阀、密封段、球检验具体由指套管、导向管、手动隔离阀、密封段、球检验 阀、自动阀、驱动装置、传送装置、读出和控制机柜、阀、自动阀、驱动装置、传送装置、读出和控制机柜、 探测器组成。探测器组成。 School of Nuclear Science and Technology 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 4.3.2 4.3.2 堆芯中子通量密度检测系统的组成和布局堆芯中子通量密度检测系统的组成和布局 探测器是微型裂变电离室（简称微裂变室）。微裂变室探测器是微型裂变电离室（简称微裂变室）。微裂变室 的结构如

42、图所示。的结构如图所示。 微裂变室由端塞、同心外壳、灵敏体、微裂变室由端塞、同心外壳、灵敏体、 同轴电缆等组成。同轴电缆等组成。 微裂变室电极表面涂一层微裂变室电极表面涂一层235 235U U，其质量厚度 ，其质量厚度 为为0.3mg/cm0.3mg/cm2 2。涂层的。涂层的235 235U U的丰度为 的丰度为93%93%。 在测量中子密度分布图时必须先进行校验。在测量中子密度分布图时必须先进行校验。 School of Nuclear Science and Technology 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 4.3.2 4.3.2 堆芯中子

43、通量密度检测系统的组成和布局堆芯中子通量密度检测系统的组成和布局 School of Nuclear Science and Technology 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 4.3.2 4.3.2 堆芯中子通量密度检测系统的组成和布局堆芯中子通量密度检测系统的组成和布局 机电设备放置在反应堆堆坑旁边的堆芯仪表室内，电子机电设备放置在反应堆堆坑旁边的堆芯仪表室内，电子 学设备和控制设备安装在测量与控制柜中。学设备和控制设备安装在测量与控制柜中。 由于堆芯内由于堆芯内5050个导向管的管壁直接与一回路水接触，由个导向管的管壁直接与一回路水接触，由 机

44、电设备驱动各探测器在导向管内移动以测量各导向管机电设备驱动各探测器在导向管内移动以测量各导向管 内各点的中子通量密度。所以，堆芯中子通量密度测量内各点的中子通量密度。所以，堆芯中子通量密度测量 系统的密封相当重要。系统的密封相当重要。 一回路水泄漏会影响探测器测量，密封段安装有泄漏探一回路水泄漏会影响探测器测量，密封段安装有泄漏探 测器。只有在泄漏检测器提供的信息为无泄漏时才允许测器。只有在泄漏检测器提供的信息为无泄漏时才允许 进行各种测量。进行各种测量。 School of Nuclear Science and Technology 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子

45、通量检测仪表系统 4.3.2 4.3.2 堆芯中子通量密度检测系统的组成和布局堆芯中子通量密度检测系统的组成和布局 先测量哪个通道，再测量哪个通道，可以利用程序的排先测量哪个通道，再测量哪个通道，可以利用程序的排 列自行确定。列自行确定。 为了避免探测器及电缆被强放射性辐照，在仪器维护期为了避免探测器及电缆被强放射性辐照，在仪器维护期 间和系统不工作期间，必须将间和系统不工作期间，必须将5 5个探测器送到贮藏通道贮个探测器送到贮藏通道贮 藏起来。藏起来。 School of Nuclear Science and Technology 4.3.3 APl0004.3.3 APl000堆芯中子通

46、量密度分布测量系统堆芯中子通量密度分布测量系统 采用固定式自给能探测器。采用固定式自给能探测器。 在总共在总共157157组燃料组件中有组燃料组件中有4242组设置了测量通道导向管，组设置了测量通道导向管， 安装有自给能探测器的堆内仪表指套管组件通过反应堆安装有自给能探测器的堆内仪表指套管组件通过反应堆 压力容器顶盖插入到这些燃料组件的导向管内，自给能压力容器顶盖插入到这些燃料组件的导向管内，自给能 探测器位于堆芯活性区。每个指套管组件内置有探测器位于堆芯活性区。每个指套管组件内置有7 7个自给个自给 能探测器和能探测器和1 1个热电偶个热电偶( (测量堆芯出口温度测量堆芯出口温度) )，采集

47、到的信，采集到的信 号通过电缆从压力容器顶盖穿出传送到不同的数据调理号通过电缆从压力容器顶盖穿出传送到不同的数据调理 和处理工作站。和处理工作站。 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.3.3 APl0004.3.3 APl000堆芯中子通量密度分布测量系统堆芯中子通量密度分布测量系统 APl000APl000堆芯中子通量密度分布测量的自给能探测器采用堆芯中子通量密度分布测量的自给能探测器采用 钒材料钒材料( (51 51V) V)，由于，由于51 51V V材料的热中子俘

48、获截面较小 材料的热中子俘获截面较小( (只有只有5 5 Barns)Barns)，而发射体直径又受制于指套管的尺寸大小，所，而发射体直径又受制于指套管的尺寸大小，所 以为使测量有足够的热中子灵敏度，以为使测量有足够的热中子灵敏度，APl000APl000把其中一个把其中一个 钒探测器的灵敏带对应整个堆芯高度，约钒探测器的灵敏带对应整个堆芯高度，约1414英尺，其余英尺，其余6 6 个钒探测器的长度以最长钒探测器个钒探测器的长度以最长钒探测器l l7 7的长度顺序依次的长度顺序依次 递减，这样通过测量递减，这样通过测量7 7个堆芯轴向区域相同长度产生的功个堆芯轴向区域相同长度产生的功 率比例来

49、确定功率分布。率比例来确定功率分布。 与铑探测器相比，采用钒探测器的好处是使用寿命更长，在与铑探测器相比，采用钒探测器的好处是使用寿命更长，在 101014 14n.cm n.cm-2 -2s s-1-1的中子注量率下钒探测器的燃耗是每年约 的中子注量率下钒探测器的燃耗是每年约1.61.6。 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.3.3 APl0004.3.3 APl000堆芯中子通量密度分布测量系统堆芯中子通量密度分布测量系统 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水

50、堆堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.3.3 APl0004.3.3 APl000堆芯中子通量密度分布测量系统堆芯中子通量密度分布测量系统 传送到电站监测总线上的三维堆芯功率分布计算软件传送到电站监测总线上的三维堆芯功率分布计算软件 (BEACON)(BEACON)。BEACONBEACON处理这些数据，计算出反应堆的三维处理这些数据，计算出反应堆的三维 堆芯功率分布，用于刻度反应堆超温堆芯功率分布，用于刻度反应堆超温T T和超功率和超功率T T停停 堆整定值。结合其它参数信号，还可评估偏离泡核沸腾堆整定值。结合其它

51、参数信号，还可评估偏离泡核沸腾 比比(DNBR)(DNBR)和线性功率密度和线性功率密度(LPD)(LPD)的裕量。的裕量。 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.3.4 EPR堆芯中子通量分布测量系统堆芯中子通量分布测量系统 EPR的反应堆核燃料组件数量高达的反应堆核燃料组件数量高达241组，堆芯中子注组，堆芯中子注 量率测量系统采用了两套原理和设计完全不同的装置实量率测量系统采用了两套原理和设计完全不同的装置实 现对反应堆堆芯中子注量率的测量，即气动球测量系统现对反应堆

52、堆芯中子注量率的测量，即气动球测量系统 (AMS)和自给能中子探测器系统和自给能中子探测器系统(SPND)。 图图3给出了给出了EPR堆芯中子测量仪表的位置图。堆芯中子测量仪表的位置图。 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.3.4 EPR堆芯中子通量分布测量系统堆芯中子通量分布测量系统 1) 气动球中子测量系统气动球中子测量系统(AMS) 这是一种通过中子活化分析来测量反应堆堆芯中子注量这是一种通过中子活化分析来测量反应堆堆芯中子注量 率和反应堆功率密度分布的方法。率和反

53、应堆功率密度分布的方法。 在燃料组件内安装有专门的测量孔道，一系列的高中子在燃料组件内安装有专门的测量孔道，一系列的高中子 俘获截面的金属球被气动系统俘获截面的金属球被气动系统“吹吹”入到测量孔道内，入到测量孔道内， 待活化一定时间后，再把这些金属球待活化一定时间后，再把这些金属球“抽回抽回”，通过离，通过离 线测量其放射性水平，从而得到相应活性区的中子注量线测量其放射性水平，从而得到相应活性区的中子注量 率水平。率水平。 离线测量活化球的感生放射性，只能用来进行定期的寻离线测量活化球的感生放射性，只能用来进行定期的寻 检和标定、校准而无法实现堆芯中子通量的实时测量。检和标定、校准而无法实现堆

54、芯中子通量的实时测量。 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.3.4 EPR堆芯中子通量分布测量系统堆芯中子通量分布测量系统 1) 气动球中子测量系统气动球中子测量系统(AMS) EPR的的AMS共包括共包括40个测量通道，当需要进行反应堆个测量通道，当需要进行反应堆 中子注量率测量时，金属球被由计算机精确控制的氮气中子注量率测量时，金属球被由计算机精确控制的氮气 流送入堆内流送入堆内40个测量通道，每个通道内金属球的累积高个测量通道，每个通道内金属球的累积高 度与堆芯轴向

55、高度保持一致，结构见图度与堆芯轴向高度保持一致，结构见图4。 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.3.4 EPR堆芯中子通量分布测量系统堆芯中子通量分布测量系统 1) 气动球中子测量系统气动球中子测量系统(AMS) 金属球材料为钒，直径金属球材料为钒，直径1.7 mm。经过一定时间的辐照。经过一定时间的辐照 活化后，金属球由堆芯送至测量台测量活度，活化后，金属球由堆芯送至测量台测量活度，AMS计算计算 机对测量结果进行计算修正，得到各小球对应位置上的机对测量结果进行计算修

56、正，得到各小球对应位置上的 功率密度值。进而得到堆芯的三维功率分布。功率密度值。进而得到堆芯的三维功率分布。 通过该系统提供的测量数据，可以校准自给能中子探通过该系统提供的测量数据，可以校准自给能中子探 测器测器(SPND)；校准堆外中子探测器；校准保护系；校准堆外中子探测器；校准保护系 统阈值；检查堆芯布置，燃耗情况及探测异常状况。统阈值；检查堆芯布置，燃耗情况及探测异常状况。 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.3.4 EPR堆芯中子通量分布测量系统堆芯中子通量分布测

57、量系统 2) 自给能中子探测器系统自给能中子探测器系统(SPND) 使用钴使用钴(59Co)作为自给能中子探测器材料具有对中子作为自给能中子探测器材料具有对中子 通量变化瞬时响应通量变化瞬时响应(10s)的突出特点，既能用于连续监的突出特点，既能用于连续监 测测 和描绘反应堆堆芯中子通量分布和变化，又可用作功率和描绘反应堆堆芯中子通量分布和变化，又可用作功率 控制和功率保护系统的堆芯中子探测元件。控制和功率保护系统的堆芯中子探测元件。 在在EPR整个整个241组燃料组件内，共选定了组燃料组件内，共选定了12组设置有组设置有 SPND的测量组件导向管，见图的测量组件导向管，见图3。 4.3 压水

58、堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.3.4 EPR堆芯中子通量分布测量系统堆芯中子通量分布测量系统 2) 自给能中子探测器系统自给能中子探测器系统(SPND) 每个每个SPND测量组件内有测量组件内有6个沿堆芯轴向高度均匀布置个沿堆芯轴向高度均匀布置 的钴自给能探测器。的钴自给能探测器。 执行的功能包括：执行的功能包括：(1)监测典型堆芯参数；监测典型堆芯参数；(2)控制轴向控制轴向 功率畸变；功率畸变；(3)限制运行条件限制运行条件(LCO)的堆芯监测；的堆芯监测；(4)堆堆 芯保

59、护。芯保护。 由于要参与到反应堆的保护功能，由于要参与到反应堆的保护功能，12组组SPND测量组件测量组件 根据保护系统的功能设置分成了根据保护系统的功能设置分成了4个系列，每个系列包个系列，每个系列包 括括3组探测器组件。同一系列测量组件产生的探测器信组探测器组件。同一系列测量组件产生的探测器信 号送号送 入相同分区的仪控机柜中进行处理，如图入相同分区的仪控机柜中进行处理，如图5所示。所示。 4.3 压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统压水堆堆芯内中子通量检测仪表系统 School of Nuclear Science and Technology 4.3.5 二者（二者（AP1000与与EPR）堆芯中子通量分布测量）堆芯中子通量分布测量 系统比较系统比较 由于由于APl000在堆芯的设计理念上仍保持与传统核电站在堆芯的设计理念上仍保持与传统核电站 一致，采用反应堆超温一致，采用反应堆超温T和超功率和超功率T停堆的保护。停堆的保护。 APl000采用了固定式自给能中子探测器，实现了反应采用了固定式自给能中子探测器，实现了反