压水堆核电站一回路硼浓度监测
第24卷 第3期核电子学与探测技术
V o l
.24 N o .3 2004年 5月
N uclear E lectron ics &D etecti on T echno logy
M ay 2004
压水堆核电站一回路硼浓度监测
卢才华1,2,饶贤明2,庄 昀2
(1上海交通大学,上海 200030;2秦山核电公司,浙江海盐 314300)
摘要:简要介绍了目前我国在役压水堆核电站用硼浓度监测仪的工作原理,分析了该仪器使用过
程中的标定方法及提高硼浓度测量可靠性的技术措施。
关键词:压水堆核电站;硼沉积正比计数管;硼浓度;标定
中图分类号: TL 362.2 文献标识码: A 文章编号: 025820934(2004)0320262203
收稿日期:2003207203
作者简介:卢才华(1963-),男,秦山核电公司高级工程师,上海交大核能与核技术工程专业工程硕士,从事核电站仪控设备维修管理工作。
0 引言
压水堆核电站反应堆功率的控制是通过调
节控制棒和硼浓度来实现的。在反应堆启动、功率运行和停堆换料时对堆芯硼浓度的监测是一项非常重要的工作,它是核电站安全、稳定和经济运行所不可缺少的。目前我国在役压水堆核电站秦山一期、秦山二期、大亚湾及岭澳核电站一回路水中硼浓度的在线连续监测用的均是同一型号的硼浓度监测仪,其原理是用一定大小的中子源辐照取样容器中的一回路水,再通过硼沉积正比计数管测量出穿过取样容器后中子注量率的变化来得出一回路水中硼的浓度值。核电站主控制室操纵员通过该监测仪可实时获得主回路水的硼浓度值,根据工况的变化对硼浓度进行必要的调整,可达到调节反应堆反应性的目的,任何误操作带来的一回路硼浓度突变,当其变化率超过设定限值时仪器会及时给出声光报警。由于硼浓度监测仪的长期连续运行,仪器工作点可能发生缓慢漂移,所以每个燃料循环周期后对硼浓度监测仪进行标定是必要的,这样可保证硼浓度测量值的准确性,这也是核电站正常运行的一项重要保障措施。
1 硼浓度监测仪原理
图1是硼浓度监测仪的原理图,实际的取样容器是并联在下泄管线上,探测器安装在辅助厂房以减少中子及Χ射线本底值,主回路水自堆芯到取样容器的时间足以使主回路水中的
16
N 衰变完。中子源为0.11TB q 的241
Am 2B e 中
子源,取样容器外壁包有聚乙烯中子慢化层以使中子源发射的快中子经过慢化层后成为慢中子进入硼酸溶液;取样容器壁上还装有一热电阻,用于测量取样水的温度,
以补偿不同温度下
图1 硼酸浓度监测仪原理框图
硼酸对中子吸收率的变化。
设到达中子探测器的中子注量率为Υ,则有[1]:
Υ=Υ0e
2Ρnl
(1)
式中Υ为中子注量率(c m-2?s-1);Υ0为硼浓度为零时的中子注量率(由中子源强决定,c m-2?s-1);Ρ为10B对中子的吸收截面(c m2);n为10B的核密度(与硼浓度成正比,c m-3);l为中子在硼酸溶液中的飞行距离(c m)。由于中子探测器的计数率与中子注量率成正比,设为N= KΥ,其中K是探测器的灵敏度(≈4s21 c m-2?s-1),N是中子探测器的计数率(s-1),则有1 N=eΡnl KΥ0。将该式用泰勒级数展开,合并常
数项并忽略3次方以后的高价项,整理后可得:
aP2+bP+c=1 N(2) 式中a、b、c为常数,由标定试验确定,P是硼浓度。
2 硼浓度监测仪的标定
由于实际的中子能量不可能是单一的,因而式(2)中的常数项理论计算很困难,通常是通过标定试验来确定。另外对硼沉积正比计数管来说,输出信号脉冲是由能量从0～1.47M eV 的Α粒子及能量从0～0.84M eV的锂反冲核电离形成的,因此计数管的坪不明显。为保证测量的准确性,仪器长时间运行后必须重新校准。具体的标定工作是通过对不同浓度的标准硼溶液分别测出对应的计数率值,代入式(2)便得到以a、b、c为参数的一组方程,最后利用最小二乘法求出参数值。由于温度的变化将带来硼酸溶液中子吸收截面的变化,标定时需一套恒温装置保持标准硼溶液的温度恒定,同时选择标定时溶液的温度与实际工作时的温度接近,将有利于减少温度补偿带来的误差。标定前应对取样容器进行冲洗以去除可能沉积在取样容器壁上的硼结晶,检查仪器对除盐水的测量值,可知道冲冼是否干净。在开始标定工作前首先要确定仪器的工作点,即选择合适的高压及甄别阈值。如图2、3分别是实测的高压坪曲线及阈值计数率曲线。
由图可见,高压计数率曲线的坪不明显,但还是可以找出曲线斜率较小的区域,工作高压可选在该区,高压选择应尽量低,减少工作气体的损耗以延长计数管寿命。这与阈值的选择道理相类似,但阈值的选择是在保证一定的探测效率的前提下应尽可能高,这样有利于提高Χ甄别能力,减少因主回路水中Χ放射性核素浓度变化时对测量结果的影响。
仪器的工作点确
图2 高压2
计数率曲线
图3 阈值2计数率曲线
定后,便可以开始进行标定测量,为了减少测量误差,标准溶液的配制应尽量接近实用的硼浓度值。压水堆核电站硼浓度质量分数最大值一般为24×10-4(停堆换料时),反应堆运行期间硼浓度质量分数在(130～1)×10-5之间变化,增加测量数组的个数有利于提高拟合曲线的准确性,高硼浓度测量时应适当增加测量次数或测量时间,以减少测量的统计误差。在对取样容器中的硼酸溶液进行稀释时,应注意不要使用温度过低的水,以避免硼酸结晶。图4是硼浓度监测仪实际的一次标定测量结果。
标定结束后,根据标定结果拟合曲线用不同硼质量分数浓度的标准溶液检查测量的误差,一般当浓度大于10-3时,测量浓度值与实际浓度值的误差应好于其浓度的±1%;当浓度质量分数小于10-3时,误差要求好于±10-5。当用一定浓度值的硼酸在系统回路中闭合循环,系统连续运行一星期,期间不同时间每次仪器测量出的平均浓度质量分数值变化应小于5×10-6。
图4 硼浓度监测仪标定结果拟合曲线
3 实用中常见问题分析
实用中该仪器最主要的问题是测量结果误差逐渐变大,这主要决定于仪器的高压、甄别器及放大器增益的长期稳定性。如果测量结果误差是固定的单方向漂移,则通过修正拟合曲线中的常数项可更正;若误差变化是随机的,可适当增加测量周期时间来减小误差。如果一回路的硼酸溶液是反复循环使用,很少更新,则由于10B在堆芯的大量消耗将造成化学分析值高于仪器测量值的虚假现象,这种效应在反应堆的每个循环后期最明显。进一步提高仪器的智能化水平,实现对仪器高压、甄别器阈值及放大器增益的自动监控与调节是提高该仪器长期稳定性的措施之一。
参考文献:
[1]格伦F.诺尔.辐射探测器与测量[M](李旭,等
译).北京:原子能出版社,1988,46.
Pr i m ary c ircu it boron m ea surem en t of pressur ized-wa ter reactor
LU Cai2hua,RAO X ian2m ing,ZHU AN G Yun
(Q in shan N uclear Pow er Company,H aiyan of Zhejiang P rov.314300,Ch ina)
Abstract T he article introduces briefly the p rinci p le of the Bo ron M eter used in Ch inese operating PW R,the calibrati on and i m p rovem ent p recisi on techno logy is analyzed.
Key words:p ressurized2w ater reacto r;bo ron depo sited p ropo rti onal counter tube;bo ron concentrati on; calibrati on.
(上接第238页,Con tinued from page238)
A m ethod for reduc i ng neutron sen sitiv ity of sc i n tilla ti ng detector
YAN G Hong2qi ong,TAN G Zheng2yuan,PEN G T ai2p ing,YAN G Gao2zhao,L I L in2bo, HU M eng2chun,W AN G Zhen2tong,ZHAN G J ian2hua,L I Zhong2bao,W AN G L i2zong
(In stitu te of N uclear Physics and Chem istry,CA EP,P.O.Box9192212,
M ianyang of Sichuan P rov.621900,Ch ina)
Abstract In o rder to perfo rm the detecti on of pulsed fissi on neutron from h igh2inertly radiati on sources,a slo t2calibrated device to reduce sensitivity w as designed and2.5M eV neutron sensitivity has been m easured.It is show n that the experi m ents result can be one tenth of the sh ield2co lli m ati on neutron sensitivity if the slo t2calibrated scintillating device has been put into use,w h ich are m ade up of slo t2calibrated sh ield2co lli m ati on and scintillating detecto r.A lso,the app licati on of scintillating detecto r fo r pulsed fissi on neutron could be broadened.
Key words:scintillating detecto r;slo t2calibrated system;neutron sensitivity