燃料破損1E級緩發(fā)中子探測裝置的設(shè)計研究

潘君艷中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413

燃料破損1E級緩發(fā)中子探測裝置的設(shè)計研究

潘君艷
中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413

中國實驗快堆（CEFR）燃料破損緩發(fā)中子探測裝置，是燃料組件流道局部堵塞事故監(jiān)測1E級電氣設(shè)備。本文以核電站核安全設(shè)備設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，根據(jù)CEFR燃料破損緩發(fā)中子監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場環(huán)境、設(shè)計功能和性能要求，詳細(xì)論述了1E級緩發(fā)中子探測裝置的設(shè)計，包括中子正比計數(shù)管類型的選擇、前置放大器安裝位置的設(shè)計、二次儀表插件設(shè)計、1E級和非1E級插件之間隔離設(shè)計。

1E級電氣設(shè)備；燃料破損緩發(fā)中子探測裝置；功能隔離；抗干擾

CEFR燃料破損緩發(fā)中子監(jiān)測系統(tǒng)在堆坑內(nèi)正對中間熱交換器入口區(qū)域設(shè)置緩發(fā)中子探測站。當(dāng)燃料組件流道部分堵塞事故影響組件流道冷卻劑的流量時，燃料冷卻不充分，會導(dǎo)致燃料包殼發(fā)生破損，包殼內(nèi)緩發(fā)中子先驅(qū)核會泄漏到冷卻劑中并流到中間熱交換器的入口區(qū)域，這時探測站內(nèi)的中子探測器恰好能監(jiān)測入口區(qū)域緩發(fā)中子先驅(qū)核釋放的緩發(fā)中子，給出燃料包殼破損信號［1］。因此，CEFR燃料破損緩發(fā)中子監(jiān)測系統(tǒng)作為燃料組件流道部分堵塞事故監(jiān)測的1E級系統(tǒng)，接入到保護(hù)系統(tǒng)中［2］。本系統(tǒng)的中子注量率監(jiān)測儀表——燃料破損緩發(fā)中子探測裝置，作為1E級電氣設(shè)備，其設(shè)計既要滿足燃料破損緩發(fā)中子監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求，也要符合1E級電氣設(shè)備的設(shè)計準(zhǔn)則。

1 燃料破損緩發(fā)中子探測裝置的組成

根據(jù)功能拆分，一套完整的燃料破損1E級緩發(fā)中子探測裝置其組成如下：

1）中子探測器：探測中子，將監(jiān)測區(qū)域的中子注量率信號轉(zhuǎn)換為中子脈沖弱信號。

2）前置放大器：對探測器輸送過來的中子脈沖弱信號進(jìn)行前置級放大。

3）放大甄別成形插件：進(jìn)一步放大前置級放大的中子脈沖信號，并甄別成形所需的中子脈沖。

4）脈沖計數(shù)及報警插件：通過單片機(jī)對放大甄別成形的中子脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，給出失效報警和警告報警。

5）安全觸發(fā)插件：通過硬件電路搭建實現(xiàn)對放大甄別成形的中子脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，給出安全觸發(fā)信號。

6）低壓電源插件：提供低壓直流電源給各二次儀表。

7）高壓電源：提供高壓直流電源給中子探測器。

其中，脈沖計數(shù)及報警插件和安全觸發(fā)插件都執(zhí)行中子脈沖信號計數(shù)的功能，但由于涉及軟件驗證與確認(rèn)技術(shù)問題，采用單片機(jī)讀數(shù)的脈沖計數(shù)及報警插件為非1E級電氣設(shè)備。硬件電路搭建的安全觸發(fā)插件為1E級設(shè)備，往保護(hù)系統(tǒng)輸送安全觸發(fā)信號。

2 燃料破損緩發(fā)中子探測裝置的關(guān)鍵設(shè)計點(diǎn)

2.1 中子探測器類型選擇

CEFR滿功率運(yùn)行時，經(jīng)中子試驗裝置測試，燃料破損緩發(fā)中子探測站的中子測量孔道內(nèi)本底中子注量率為1 000n·cm-2·s-1左右。根據(jù)理論計算，當(dāng)CEFR燃料包殼裸露性破損情況下中子注量率為本底3倍時，即3 000n·cm-2·s-1，燃料破損緩發(fā)中子監(jiān)測系統(tǒng)給出安全觸發(fā)信號觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)緊急停堆動作。基于上述兩數(shù)據(jù)，1E級燃料破損緩發(fā)中子探測裝置采用10B中子計數(shù)管，其中子探測靈敏度為4.6cps/n·cm-2·s-1，靈敏度雖然不高，但在本底注量率不低的情況下其計數(shù)滿足統(tǒng)計誤差要求；其中子輻照壽命＞1018n·v·t，該10B中子計數(shù)管滿足CEFR整個設(shè)計壽期30年的運(yùn)行要求；其耐γ照射量率為10R/h，符合堆坑內(nèi)γ環(huán)境。

2.2 前置放大器安裝位置的選擇

燃料破損1E級緩發(fā)中子探測裝置，其10B中子計數(shù)管安裝在緩發(fā)中子探測站的中子測量孔道里，位于現(xiàn)場控制區(qū)的反應(yīng)堆堆坑內(nèi)。但測量機(jī)柜內(nèi)的二次儀表插件位于控制區(qū)外的儀表控制間。兩者之間需要150m的K3類電纜連接，容易引入很多干擾，淹沒10B中子正比計數(shù)管的弱脈沖信號。因此，本設(shè)計中前置放大器與10B正比計數(shù)管作為整體部件設(shè)計，一端的正比計數(shù)管垂直吊入到緩發(fā)中子探測站內(nèi)，另一端的前置放大器固定于探測站上方的堆頂屏蔽層內(nèi)，這樣保證前置放大器距離正比計數(shù)管最近。前置放大器作為電子設(shè)備，要求環(huán)境溫度在45℃以下，中子和γ放射性水平要低，而開堆測試表明堆頂屏蔽層能滿足上述要求。因此，位于堆頂屏蔽層的前置放大器能在最短距離內(nèi)放大探測器過來的弱脈沖中子信號，經(jīng)前置放大后中子脈沖信號后能顯著提高150m長距離傳輸?shù)目垢蓴_能力。

2.3 脈沖計數(shù)及報警插件的隔離設(shè)計

由于脈沖計數(shù)及報警插件存在軟件驗證與確認(rèn)的設(shè)計問題，為非1E級電氣設(shè)備，根據(jù)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，該插件出現(xiàn)故障時不得影響其他1E級插件，需要與其他1E級二次儀表插件進(jìn)行功能隔離和實體隔離［3］。脈沖計數(shù)及報警插件與其他插件有兩個接口信號：低壓電源提供+5V電源信號和放大甄別成形插件輸送的中子脈沖信號。為此，低壓電源插件單獨(dú)設(shè)置了兩路+5V隔離電源，與輸送到1E級插件的電源不共地，不會拉低1E級電源值。其中，1路隔離電源輸送到脈沖計數(shù)及報警插件；另一路信號輸送到放大甄別成形插件中的光電隔離

器，將甄別成形后的1路中子脈沖信號經(jīng)光電隔離輸送到脈沖計數(shù)及報警插件。此外，脈沖計數(shù)及報警插件相關(guān)走線在測量機(jī)柜內(nèi)部與其他1E級插件走線分開。

2.4 報警觸點(diǎn)的設(shè)計

脈沖計數(shù)及報警插件提供失效報警和警告報警，設(shè)計中采用了無源常開觸點(diǎn)閉合進(jìn)行報警。與保護(hù)系統(tǒng)相連的1E級安全觸發(fā)插件提供安全觸發(fā)信號，設(shè)計中采用了無源常開觸點(diǎn)斷開進(jìn)行報警。安全觸發(fā)插件提供的是安全觸發(fā)信號，能觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)停堆動作。依據(jù)“故障安全”準(zhǔn)則，考慮設(shè)備出現(xiàn)故障時導(dǎo)致安全動作概率增加［3］。無源常開觸點(diǎn)斷開進(jìn)行報警，即觸點(diǎn)開關(guān)在不上電情況下處于斷開狀態(tài)，上電時處于閉合狀態(tài)，當(dāng)脈沖計數(shù)值越過保護(hù)設(shè)定值時觸點(diǎn)斷開給出安全觸發(fā)信號。一旦燃料破損緩發(fā)中子監(jiān)測系統(tǒng)處于斷電情況，觸點(diǎn)開關(guān)斷開，給出安全觸發(fā)信號觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)停堆動作，保證反應(yīng)堆的安全。

3 結(jié)論

在1E級電氣設(shè)備設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則的基礎(chǔ)上，根據(jù)CEFR燃料破損緩發(fā)中子監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場環(huán)境、設(shè)計功能和性能要求，1E級燃料破損緩發(fā)中子探測裝置明確了其功能部件組成，合理地制定了各功能部件的設(shè)計方案和部件之間的接口方案，保證緩發(fā)中子探測裝置的可靠性，滿足系統(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行和安全要求。

［1］田和春，劉國發(fā)，呂云彪，等.中國實驗快堆最終安全分析報告［R］.CEFRZ24ZTS02，北京：中國原子能科學(xué)研究院，2008.

［2］核安全重要儀表和控制功能分類［S］.GB/T15474-2010，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［3］核動力廠設(shè)計安全規(guī)定［S］.HAF 102-2004.北京：國家核安全局，2004.

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1674-6708（2016）168-0215-01

潘君艷，工程師，中國原子能科學(xué)研究院，研究方向為燃料破損機(jī)理研究和燃料破損探測設(shè)計。