AP1000核電站核儀表系統(tǒng)信號(hào)側(cè)設(shè)計(jì)改進(jìn)

徐小寧，劉 國

（中核遼寧核電公司，遼寧 興城 125100）

0 引言

堆外核測系統(tǒng)（NIS，Nuclear Instrumentation System，在二代M310壓水堆中一般稱RPN系統(tǒng)）通過測量堆芯泄露中子通量來測量堆芯反應(yīng)性，進(jìn)而測得反應(yīng)堆的核功率。堆外核測系統(tǒng)作為反應(yīng)堆的“轉(zhuǎn)速表”，為保護(hù)系統(tǒng)提供監(jiān)視、控制和保護(hù)信號(hào)。堆外核測系統(tǒng)測量到的中子通量在探測器內(nèi)被轉(zhuǎn)化為脈沖或電流信號(hào)。堆外核測系統(tǒng)探測器的靈敏度、電磁干擾和信號(hào)衰減問題一直是困擾堆外核測系統(tǒng)工程師的難題。有鑒于此，AP1000核電站的NIS系統(tǒng)通過多種方法增強(qiáng)了探測器的靈敏度和信號(hào)強(qiáng)度。

1 源量程[1]

AP1000和M310核電站堆外核測系統(tǒng)的源量程探測器都采用硼10（10B）同位素作為轉(zhuǎn)換元素，10B中子截面較大，吸收熱中子后發(fā)生反應(yīng)：

下面將從探測器類型、緩沖層、靈敏度、探測器高壓、氣體放大效應(yīng)、脈沖強(qiáng)度、放大器等方面討論兩種堆外核測系統(tǒng)源量程信號(hào)側(cè)的異同及產(chǎn)生的影響。

1.1 探測器類型

AP1000核電站的NIS系統(tǒng)源量程探測器采用三氟化硼（BF3）正比計(jì)數(shù)器，BF3氣體既作為中子吸收物質(zhì)，也作為電離氣體和氣體放大效應(yīng)載體。采用三氟化硼作為填充氣體的好處是其性質(zhì)與氬氣等惰性氣體類似，不燃燒，不助燃，不與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

M310核電站的源量程探測器采用涂硼正比計(jì)數(shù)器型探測器，其在探測器內(nèi)壁涂硼10作為中子吸收物質(zhì)，探測器內(nèi)部空間充85%氬氣和15%二氧化碳作為電離氣體和氣體放大效應(yīng)載體。氬氣作為大氣含量較多的惰性氣體，較易制備，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用，而二氧化碳可以延緩因探測器老化，填充氣體污染造成的氣體放大效應(yīng)的減少。

這兩種探測器的原理相同，不存在孰優(yōu)孰劣的問題[1,6]。

1.2 緩沖層

AP1000核電站的NIS源量程探測器相比M310系統(tǒng)的探測器的一大不同點(diǎn)是，其在探測器的周圍包裹了0.3英寸高分子聚合物成分（Tivar HOT UHMW-PE）的緩沖層，可以將快中子轉(zhuǎn)變?yōu)闊嶂凶?，與中子吸收物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而大大的提高了探測器的靈敏度。

就源量程來說，AP1000的NIS系統(tǒng)探測器在沒有緩沖層情況下的靈敏度約為14.76cps/nv，相比M310源量程探測器的8cps/nv只提高了不到2倍；但是如果加上緩沖層，NIS探測器的靈敏度將達(dá)到40cps/nv，其靈敏度比M310源量程提高4倍。靈敏度的提升對(duì)于工作在中子通量較小環(huán)境的源量程探測器來說尤為重要[1,6]。

1.3 探測器高壓

相比于M310核電站RPN系統(tǒng)源量程探測器的800Vdc左右的高壓，AP1000的NIS系統(tǒng)源量程探測器高壓高達(dá)1500Vdc以上。

RPN系統(tǒng)源量程探測器工作的800V高壓，使探測器內(nèi)部僅僅存在有限的氣體放大效應(yīng)，對(duì)探測器脈沖幅值的增加效果十分有限，其正常工作時(shí)的脈沖幅值僅為7.5E-10至7.5E-2Vdc，極易受到電纜質(zhì)量和電磁干擾的影響。

而NIS系統(tǒng)源量程探測器工作在1500Vdc的高壓下，氣體放大效應(yīng)最小為1E3倍，最大可達(dá)1E4倍以上，如此大的氣體放大效應(yīng)使得NIS系統(tǒng)源量程探測器脈沖幅值最小即可達(dá)到1E-4V（0.1mV），比RPN系統(tǒng)的脈沖幅值高1E5倍，抗干擾能力更強(qiáng)，對(duì)于電纜質(zhì)量的要求也較寬松[1,6]。

1.4 放大器[2,6]

根據(jù)核電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，曾經(jīng)發(fā)生過多起因外界干擾導(dǎo)致堆外核測系統(tǒng)探測器信號(hào)波動(dòng)的情況，嚴(yán)重時(shí)甚至引起跳堆。因?yàn)槎淹夂藴y系統(tǒng)探測器測得的信號(hào)都較?。╩V級(jí)以下），所以兩種堆型的堆外核測系統(tǒng)都不約而同的采用了信號(hào)放大器以便提高信號(hào)的抗干擾能力。但在信號(hào)放大方面，NIS系統(tǒng)和RPN系統(tǒng)從設(shè)計(jì)理念到實(shí)際運(yùn)行存在較大差異。

RPN系統(tǒng)的信號(hào)放大器放置于機(jī)柜中，其主要用途是將探測器的脈沖信號(hào)與信號(hào)處理電路匹配、改善信噪比、甄別γ脈沖信號(hào)和將計(jì)數(shù)率信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)以供周期計(jì)電路和模擬量/邏輯量輸出電流處理，沒有考慮信號(hào)通道的防干擾問題。

NIS系統(tǒng)的信號(hào)放大器位于安全殼外，稱為前置放大器(Preamplifier)。前置放大器可將源量程脈沖信號(hào)的振幅從最小1E-5V放大至1.5V?？梢酝茖?dǎo)出，在安全殼外的信號(hào)通道中的信號(hào)，NIS系統(tǒng)比RPN系統(tǒng)將大1.5E9倍以上，抗干擾能力有質(zhì)的提升。因?yàn)樽钚?.5V的脈沖幅值已經(jīng)達(dá)到普通儀控電壓信號(hào)的強(qiáng)度水平（0-10Vdc），對(duì)于AP1000核電站投入運(yùn)行以后的維護(hù)來說，安全殼外電磁干擾導(dǎo)致源量程探測器信號(hào)波動(dòng)的可能性基本可以排除[2,6]。

綜上所述，NIS系統(tǒng)比RPN系統(tǒng)源量程信號(hào)側(cè)的改進(jìn)主要集中在3點(diǎn)：

1）緩沖層：NIS系統(tǒng)源量程探測器帶有可以將快中子緩沖為熱中子的緩沖層，提高靈敏度2.71倍。

2）探測器電壓：NIS源量程探測器高壓為1500Vdc，相比RPN源量程探測器的800Vdc高壓可以帶來更大的氣體放大效應(yīng)。

3）放大器：NIS系統(tǒng)在安全殼外設(shè)置了前置放大器，相比RPN系統(tǒng)位于機(jī)柜內(nèi)的放大器，減少了安全殼外信號(hào)被干擾的可能性。

得益于這3點(diǎn)，NIS系統(tǒng)源量程的靈敏度為40cps/nv，比RPN系統(tǒng)的8cps/nv高5倍；安全殼內(nèi)脈沖信號(hào)幅值為1E-5V以上，比RPN系統(tǒng)高1E4倍；安全殼外脈沖信號(hào)強(qiáng)度幅值為1.5V以上，比RPN系統(tǒng)高1E9倍。

2 中間量程

AP1000和M310核電站NIS系統(tǒng)的中間量程采用了不同的兩種探測器：NIS系統(tǒng)采用裂變室探測器，RPN系統(tǒng)采用10B同位素作為轉(zhuǎn)換元素的涂硼補(bǔ)償電離室探測器。RPN系統(tǒng)的涂硼補(bǔ)償電離室探測器的反應(yīng)公式依然和源量程的一樣，為：

RPN系統(tǒng)的中間量程探測器產(chǎn)生的信號(hào)一直為電流信號(hào)。

RPN系統(tǒng)的中間量程探測器采用了“補(bǔ)償”電離室來消除γ射線產(chǎn)生的干擾信號(hào)，原理詳見圖1。

圖1 RPN系統(tǒng)中間量程探測器信號(hào)示意圖Fig.1 Schematic diagram of signal intermediate range detector RPN system

AP1000核電站的NIS系統(tǒng)采用了裂變室作為中間量程的探測器。其探測器內(nèi)壁涂235U作為中子吸收物質(zhì)，探測器內(nèi)部充氬氣作為電離氣體。眾所周之，235U吸收熱中子后將發(fā)生裂變并且發(fā)出多種裂變碎片，并伴隨200MeV的能量，例如：

裂變室在1E5cps以下的低功率平臺(tái)下工作在脈沖模式，在1E5cps以上的功率平臺(tái)下工作在均方根電壓（MSV）模式。

相比起補(bǔ)償式電離室內(nèi)硼10涂層與中子反應(yīng)產(chǎn)生的鋰粒子、α粒子及2.32MeV的能量，裂變室的235U變產(chǎn)生的氙粒子、鍶粒子等粒子及200MeV的能量在探測器電極上產(chǎn)生的脈沖幅值和電壓強(qiáng)度要高的多，其在低功率平臺(tái)下的脈沖模式的精確度和靈敏度也高于RPN系統(tǒng)的中間量程探測器。

下面將從探測器類型、緩沖層、信號(hào)強(qiáng)度、放大器等方面討論兩種堆外核測系統(tǒng)中間量程信號(hào)側(cè)的異同及產(chǎn)生的影響[3,6]。

2.1 探測器類型

如上段所屬，NIS系統(tǒng)和RPN系統(tǒng)中間量程的探測器類型分別為裂變室和補(bǔ)償式電離室，兩種探測器因各自的結(jié)構(gòu)和工作原理而各有優(yōu)劣。

例如，RPN系統(tǒng)中間量程的補(bǔ)償式電離室探測器用補(bǔ)償電離室將γ射線產(chǎn)生的干擾直接消除，避免了甄別電路對(duì)信號(hào)靈敏度產(chǎn)生的影響，同時(shí)簡化了信號(hào)處理回路。

而NIS系統(tǒng)中間量程的裂變室探測器在惡劣條件下具有很高的可靠性，相比235U裂變產(chǎn)生的高能量，γ射線產(chǎn)生的干擾信號(hào)強(qiáng)度極小，可以有效甄別。更為重要的是，裂變室探測器的信號(hào)同時(shí)具有脈沖性和電流性兩種特性：在低中子通量下，裂變室可以作為普通計(jì)數(shù)器使用。因?yàn)榱炎兪姨綔y器高壓較低，所以探測器內(nèi)部氣體放大效應(yīng)有限。若不算緩沖層提供的增值，僅為0.94cps/nv，與靈敏度為8E-14A/nv（約為1cps/nv）的補(bǔ)償電離室大體相當(dāng)。在高中子通量下，裂變室內(nèi)的脈沖因?yàn)榛ハ喽逊e，將產(chǎn)生正比性很好的均方根電壓，該電壓同樣正比于中子通量。這兩種模式互相補(bǔ)償，使得裂變室探測器同時(shí)在低功率平臺(tái)下和高功率平臺(tái)下都具有較高的靈敏度。

裂變室探測器的缺點(diǎn)是，因?yàn)?35U中總是含有微量的234U，其自發(fā)衰變產(chǎn)生α粒子，給探測器信號(hào)帶來了干擾，用甄別器將α離子干擾信號(hào)甄別后將稍微降低探測器靈敏度（約1%）[3,6]。

2.2 緩沖層

M310核電站的RPN系統(tǒng)中間量程探測器沒有緩沖層，因此其靈敏度為探測器原始靈敏度8E-14A/nv(約1cps/nv)。

AP1000核電站的NIS系統(tǒng)的中間量程探測器外壁有厚度為0.3英寸的高分子聚合物SWX-237-0緩沖層，其能夠?qū)⒘炎兪姨綔y器的約0.94cps/nv的靈敏度提高2.76倍到2.6cps/nv[3,6]。

2.3 信號(hào)強(qiáng)度

對(duì)于RPN系統(tǒng)來說，因?yàn)槠渲虚g量程一直工作在直流模式下，因此它的信號(hào)強(qiáng)度以電流模式表示，因中子通量不同，它的信號(hào)強(qiáng)度為1E-11~8E-4A，若將探測器至機(jī)柜所有長度的阻抗統(tǒng)一為75Ω，則信號(hào)強(qiáng)度也可以表示為7.5E-10~6E-2V。

相比10B中子反應(yīng)放出的2.32MeV能量，NIS中間量程裂變室探測器的235U中子反應(yīng)放出200MeV以上的能量，因此其在探測器電極上將產(chǎn)生比補(bǔ)償式電離室大的多的脈沖信號(hào)和電壓信號(hào)。就脈沖模式而言，正常脈沖信號(hào)強(qiáng)度為0.1pC，若也將探測器至機(jī)柜所有長度的阻抗統(tǒng)一為75Ω，且脈沖寬度為100ns，那么正常情況下脈沖振幅約為7.5E-2V。也就是說，在低功率平臺(tái)下，裂變室的信號(hào)強(qiáng)度比補(bǔ)償電離室的強(qiáng)度大1E8倍。

就MSV模式而言，其電壓強(qiáng)度為160mV~5V，也就是說，裂變室的信號(hào)強(qiáng)度比補(bǔ)償電離室的強(qiáng)度大83倍[3,6]。

2.4 放大器

RPN系統(tǒng)中間量程的放大器與源量程一樣，都安裝在機(jī)柜中，并未考慮到放大信號(hào)通道中的信號(hào)以對(duì)抗電磁干擾。皮安級(jí)的微弱信號(hào)從探測器直接傳輸?shù)叫盘?hào)處理機(jī)柜，導(dǎo)致其極易受外界電磁干擾和信號(hào)電纜質(zhì)量的影響。

與RPN系統(tǒng)相比，AP1000的NIS系統(tǒng)的中間量程在探測器信號(hào)增大10E8倍之余，還在安全殼外設(shè)置了與源量程類似的前置放大器，進(jìn)一步放大探測器信號(hào)，并將脈沖信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)傳輸?shù)叫盘?hào)處理機(jī)柜。脈沖信號(hào)的振幅在前置放大器中由7.5E-2V被放大到1.5V，并且經(jīng)甄別后去除干擾信號(hào)，該“純凈”的脈沖信號(hào)接下來由光電調(diào)制器轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，由光纖送至信號(hào)處理機(jī)柜。MSV信號(hào)被調(diào)制為標(biāo)準(zhǔn)的0-5V信號(hào)送至信號(hào)處理機(jī)柜。這樣從根本上杜絕了電磁干擾帶來的信號(hào)波動(dòng)問題，也降低了對(duì)電纜質(zhì)量的要求[4,6]。

綜上所述，NIS系統(tǒng)比RPN系統(tǒng)中間量程信號(hào)側(cè)的改進(jìn)主要集中在3點(diǎn)：

1）探測器類型：NIS系統(tǒng)中間量程探測器為裂變室探測器，RPN中間量程探測器為補(bǔ)償式電離室，裂變室探測器工作范圍寬，信號(hào)強(qiáng)度高。

2）緩沖層：NIS系統(tǒng)中間量程探測器緩沖層提高了其靈敏度2.76倍。

3）放大器：NIS系統(tǒng)在安全殼外設(shè)置了前置放大器，相比RPN系統(tǒng)位于機(jī)柜內(nèi)的放大器，減少了安全殼外信號(hào)被干擾的可能性。

得益于這3點(diǎn)，NIS系統(tǒng)中間量程的靈敏度為2.6cps/nv，比RPN系統(tǒng)的1cps/nv高1.6倍；安全殼內(nèi)脈沖信號(hào)幅值為7.5E-2V以上，比RPN系統(tǒng)高1E8倍以上；安全殼外脈沖信號(hào)強(qiáng)度幅值為1.5V以上，并且轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳輸；MSV信號(hào)強(qiáng)度為160mV~5V，比RPN系統(tǒng)高83倍。

3 功率量程

AP1000核電站NIS系統(tǒng)和M310核電站RPN系統(tǒng)的功率量程探測器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)是類似的。它們都使用非補(bǔ)償電離室探測器測量中子，電離室內(nèi)涂的硼-10吸收中子并與填充氣體發(fā)生電離的反應(yīng)也都是相同的。

靈敏度和信號(hào)強(qiáng)度的差異主要是由于探測器材質(zhì)造成。二者的區(qū)別主要在于探測器分段、探測器填充氣體、緩沖層、靈敏度和信號(hào)強(qiáng)度。下面將從這幾點(diǎn)討論兩種堆外核測系統(tǒng)中間量程信號(hào)側(cè)的異同及產(chǎn)生的影響。

3.1 探測器分段

RPN系統(tǒng)功率量程探測器分為6段，并組合為上部和下部探測器。NIS系統(tǒng)功率量程只有上下兩段探測器。兩種布置形式性能基本相同[5,6]。

3.2 探測器填充氣體

RPN系統(tǒng)功率量程探測器內(nèi)填充氣體為1%氦氣+6%氮?dú)?93%氬氣；NIS系統(tǒng)功率量程探測器內(nèi)填充氣體為95%氮?dú)?5%氦氣[5,6]。

3.3 緩沖層

RPN系統(tǒng)功率量程探測器的緩沖層為聚乙烯。RPN系統(tǒng)功率量程探測器的外殼材料為鎘，鎘可以吸收絕大部分的熱中子，因此RPN系統(tǒng)功率量程探測器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的只有堆芯發(fā)射的快中子，經(jīng)過緩沖層后慢化的熱中子，這點(diǎn)與鋁外殼的NIS系統(tǒng)功率量程探測器有著較大區(qū)別。

NIS系統(tǒng)的功率量程探測器的緩沖層和源量程的相同，都是0.3英寸厚分子量極高的高分子聚合物成分（Tivar HOT UHMW-PE），比RPN系統(tǒng)的普通聚乙烯緩沖層的慢化效果更好，可以將探測器的靈敏度提高4.46倍以上[5,6]。

3.4 靈敏度

因?yàn)樘綔y器材質(zhì)和緩沖層的不同，RPN系統(tǒng)功率量程探測器的靈敏度僅2.3E-14A/nv，而NIS探測器的靈敏度比起提高了26倍達(dá)到6E-13A/nv[5,6]。

3.5 信號(hào)電流強(qiáng)度

因?yàn)闈M量程的中子通量大概為1E9nv，因此可以推導(dǎo)出在100%功率時(shí)，NIS系統(tǒng)功率量程探測器的信號(hào)電流強(qiáng)度正常值為0.6mA，RPN系統(tǒng)功率量程探測器的信號(hào)強(qiáng)度正常值為0.023mA，和靈敏度的對(duì)比值相同，NIS系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度是RPN系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度的26倍，提高了抗電磁干擾的能力。

與源量程和中間量程相比，AP1000核電站和M310核電站功率量程信號(hào)側(cè)方面差別較小，信號(hào)強(qiáng)度和靈敏度的提升主要是因?yàn)樘綔y器外殼、緩沖層材質(zhì)不同導(dǎo)致的，提升幅度僅26倍，未達(dá)到質(zhì)的差別。

4 其他

AP1000核電站NIS系統(tǒng)和M310核電站RPN系統(tǒng)因其安裝方式還有其他不同點(diǎn)，相應(yīng)的帶來了在信號(hào)防干擾、維護(hù)性等方面的差異，如下。

1）RPN系統(tǒng)的探測器在反應(yīng)堆水池生物屏蔽層下方有一個(gè)連接盤，用于將探測器一體化電纜連接到水池外壁的連接盒中，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該連接盤經(jīng)常因?yàn)檫\(yùn)行環(huán)境惡劣而導(dǎo)致阻抗過大導(dǎo)致探測器信號(hào)漂移。NIS系統(tǒng)沒有這個(gè)連接盤，探測器一體化電纜直接從反應(yīng)堆堆腔引出至連接盒，減少了信號(hào)被干擾的可能性。連接盤如下圖2所示。

但是這種布置方式帶來一個(gè)好處，RPN系統(tǒng)在需要更換探測器時(shí)可以將探測器通過小車?yán)?，并從上部直接取出，維修人員無需深入探測器安裝位置，減少了維修人員的劑量。而NIS系統(tǒng)的探測器若需要更換或目視檢查，維修人員必須深入反應(yīng)堆堆腔11105房間，電站投入運(yùn)行后該房間為紅區(qū)，在其中維修困難較大。

2）NIS系統(tǒng)探測器信號(hào)線引出到與主泵僅一門之隔的連接箱中，因此主泵啟動(dòng)/停運(yùn)時(shí),若連接箱外殼未完全閉合或接地不良，將干擾探測器信號(hào)。連接箱所在房間11204運(yùn)行后亦為紅區(qū)，維修難度很大。

圖2 M310核電站探測器布置方式Fig.2 M310 nuclear detector arrangement

6 總結(jié)

AP1000核電站堆外核測系統(tǒng)NIS相比M310核電站堆外核測系統(tǒng)RPN系統(tǒng)在信號(hào)側(cè)方面做了較大改進(jìn)，效果顯著。其中，源量程的靈敏度提高5倍，信號(hào)幅值在安全殼內(nèi)提高了1E4倍，安全殼外提高1E9倍；中間量程靈敏度提高2.76倍，信號(hào)幅值在低功率平臺(tái)下提高1E8倍，在高功率平臺(tái)下提高了83倍；功率量程的靈敏度與信號(hào)幅值都提高了26倍。得益于信號(hào)幅值的增強(qiáng)，NIS系統(tǒng)在防干擾和信號(hào)電纜/接頭的要求方面的要求比RPN系統(tǒng)都要寬松，提高了AP1000核電站啟動(dòng)和運(yùn)行期間反應(yīng)堆核功率信號(hào)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

但從維修策略來說，RPN系統(tǒng)在輻射區(qū)的工作量較小，且充分考慮到了維修可達(dá)性和便利性，極少有需在黃區(qū)以上的輻射區(qū)進(jìn)行的工作。

NIS系統(tǒng)需在設(shè)備制造、安裝、調(diào)試和大修期間嚴(yán)格保證質(zhì)量，盡量避免控制區(qū)內(nèi)設(shè)備留下隱患，在電廠投入運(yùn)行后，如需進(jìn)行控制區(qū)內(nèi)維修，大部分工作將在紅區(qū)內(nèi)進(jìn)行，給工業(yè)安全和輻射控制帶來很大難度。

[1]Paul A.Will.AP1000 Excore Source Range Detector Design Specification.Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-27.

[2]Paul A.Will.AP1000 Nuclear Instrumentation System Source Range Preamplifier Hardware Design Specification;Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-29

[3]Paul A.Will.AP1000 Excore Intermediate Range Detector Design Specification.Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-28

[4]Paul A.Will.AP1000 Nuclear Instrumentation System Intermediate Range Preamplifier Hardware Design Specification; Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-29

[5]Paul A.Will.AP1000 Excore Power Range Detector Design Specification.Westinghouse Electric,LLC.2009,08,Rev.1:20-29

[6]核電秦山聯(lián)營有限公司運(yùn)行處.秦山第二核電廠系統(tǒng)及運(yùn)行(上)[Z].2000,10(1):155-173.