10B丰度对核电厂硼表测量的影响与优化分析

和娇梅　王远　张泽浩　金烨凯　詹勇杰

【摘 要】目前压水堆都是通过调节控制棒和一回路硼浓度来实现反应性控制，一回路硼浓度的监测非常重要；尤其是作为实时在线监测硼浓度的硼表系统，在提高核电站的安全性方面发挥着极其重要的作用。本文通过对硼表系统的工作原理、标定方法的介绍分析，说明硼表直接测量的是核素10B的浓度，进而引出10B丰度对硼表测量偏差的影响、特别是长燃料循环换料时的影响，并提出优化硼表标定的方法和建议。

【关键词】硼表10B丰度长循环优化

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）09-0136-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.063

0 概述

目前压水堆都是通过调节控制棒和一回路硼浓度来实现反应性控制，在反应堆启动、功率运行、停堆换料时对一回路的硼浓度监测是非常重要。而硼表的主要作用就是连续测量压水堆核电站一回路溶液的硼浓度，向运行人员提供在线硼浓度的监视，以便运行人员可以安全地进行反应堆的硼化和稀释操作。在核电厂机组运行的大部分状态下，都要求保证硼表系统的可用性，尤其在发生异常或事故的情况下，一回路硼浓度发生突变，硼表可以触发声光报警，及时警示运行人员采取应对措施。

1 硼表工作原理

1.1 硼表测量原理

目前，国内压水堆核电厂在线监测硼浓度最常用的方法是中子吸收法。中子吸收法硼表的测量原理如图1所示：

硼表的取样管线并联在主回路上，一回路的硼溶液可以连续地流过硼表的测量小室，保证了测量的连续性与实时性。由于硼溶液中10B对热中子具有很大的吸收截面，中子源发出的热中子在经过测量小室时，一部分中子与10B发生（n，α）反应（式1）而被吸收：

而剩余未被吸收的中子则被中子探测器测得。中子探测器一般为微型裂变电离室，在中子的作用下，探测器会产生一个脉冲信号，该脉冲信号计数率与探测器接收到的热中子数成正比。

取样回路（测量小室）中的硼浓度越高，被溶液吸收的中子越多，到达中子探测器的中子越少，最终得到的脉冲信号计数率也越小。即在一定条件下，两者之间存在着对应的函数关系，因而可以通过脉冲信号的测量来完成对硼浓度的在线测量。脉冲信号通过电缆送到电子机架进行计算处理，消除噪音干扰，进行温度补偿，最后计算出硼浓度。

1.2 硼表标定

根据计数率确定硼浓度的先决条件是计数率和硼浓度之间存在着明确的映射关系。然而实际上这一要求不能很好的被满足。计数率不仅随硼浓度变动而变化，同时还与中子源强度，中子探测器的特性，中子探测器的极化电压，脉冲信号的甑别电压，及硼溶液温度等因素有关。其中，硼溶液温度的变化会导致水密度和硼核子密度的变化，影响较大，需要有一个补偿措施来消除温度变化对测量结果的影响。

在特定的实验条件下，即中子源强度、中子探测器的特性均为常量，极化电压和甑别电压均设置在最优时，可通过测量计数率和温度就能确定相应的浓度了。这是硼表标定的出发点和归宿点。

电厂的硼表标定采用有源标定、多点拟合方法。实验经验表明，对于给定温度条件下，应用二阶多项式拟合函数即能较好的表达计数率与硼浓度之间的关系，即：

1/N=A×p2+B×p+C（2）

式中： p为硼浓度

N为单位时间内接收到的脉冲个数（计数率）

A，B，C为待定常数，与安装、测量系统有关，通过标定来获得。

硼表安装完成后，利用硼表的标定步骤来获得A、B、C系数后，就可以通过测量单位时间内的脉冲个数N（也就是计数率）来计算硼浓度p。

核电厂一般采用多点标定法，即在0ppm～2500ppm范围内，选取10～15个硼浓度值的标准硼浓度进行测量和记录，采用最小二乘法拟合的方式计算待定常数A、B、C；同时为了验证标定数据的有效性，还要对硼表进行多点验证（如，选取2400ppm、1250ppm、500ppm、50ppm等），要求硼表显示值与硼溶液滴定结果的误差符合精度要求。

正常运行期间，硼表在实际使用时一般认为可接受误差为±50ppm。若硼表值与化学分析值偏差超出这个范围，则需对硼表进行重新标定。

2 10B丰度的影响分析

中子吸收法硼浓度测量的一个基本假设就是10B的丰度是恒定的——由于10B在自然界中的丰度是稳定的（约占19.8%），这对于新堆没有问题，但对于有了一定燃耗深度的反应堆则需要考虑：随着反应堆的运行，一回路冷却剂中的10B会随着10B（n，α）7Li反应而消失，而11B则基本维持不变，因而在反应堆一回路这个相对封闭的系統中10B丰度会逐渐降低，这样就会导致硼表监测到的硼浓度值与化学实验室用酸碱中和滴定法测得的硼浓度值存在偏差，而且随着反应堆的运行，这个偏差会逐渐加大（图2）。

图2 硼表值与分析硼浓度偏差

分析硼表的工作原理，容易知道在式（2）中得到的硼浓度是假设10B丰度为19.8%时的值p（19.8）；实际运行过程中10B的丰度f会发生改变，其相对应的实际硼浓度记为p（f），则有：

由于丰度f总是变小的，故一回路实际硼浓度p（f）总是大于硼表的显示值p（19.8）。从图2看到，在反应堆运行至寿期末时，两者的偏差可以达到10%以上。

秦山第二核电厂在国内核电厂中首次开展了对10B丰度的实验测量，由此得到了一回路硼酸中10B丰度变化的数据。将寿期初的10B丰度值作为参考（1.0），秦山核电厂2号机组第8循环的实测10B丰度变化如下图3所示。该循环运行过程中机组没有发生停机停堆，其中9月份和2月初的两个测量值反常变化，是因为当时机组有较大的功率变化，因而有较大量的硼化操作导致丰度较高的新硼进入一回路系统，10B丰度有所回升，与曲线变化趋势吻合。

3 长燃料循环的影响分析

随着核电厂燃料管理策略的改进，国内各核电机组相继开始长燃料循环运行，即一个燃料循环的运行时间由1年延长为1.5年，甚至是2年。实施长燃料循环后，一回路的初始硼浓度更高，寿期初可以达到2000ppm以上；另一方面，随着机组运行时间延长，硼在反应堆受辐照的时间增加，因而对一回路中10B的消耗更大，对10B丰度的影响比年换料更加明显。

在长燃料循环的核设计上，对考虑和不考虑10B燃耗两种情况下一回路的硼浓度分别进行了理论计算（图4），得到两者的相对偏差在寿期末可达到24%左右！绝对偏差可达到100ppm左右。

实际运行中，反应堆一回路有补水、硼化等操作会引入新硼，而不是一个严格的密闭系统，因而10B的丰度降低比理论计算值要小些，但10B的燃耗效应显然是不可忽视的。否则，在机组运行过程中，极易导致硼表出现较大的偏差，超过运行标准要求。

4 硼表标定的优化探讨

从前述分析可以看到，在一个燃料循环中，硼表值与化学分析值的偏差会随着运行时间的增加而增大，在循环寿期中达到一个最大值，然后由于一回路硼浓度值的逐渐降低，两者的偏差逐渐变小，在寿期末时趋于一致。整个过程中，偏差呈一明显的凹形曲线。

理论上说，解决这个偏差的最好方法是利用式（3），在硼表中增加10B丰度的修正，给出修正后的硼浓度值。但这需要修改硼表的计算模块，同时目前核电厂很少进行10B丰度的测量，因而实际应用存在一定的难度。

对于工程应用来说，另外一个简单、可行的方法是在运行期间增加硼表的标定频度，从而降低超差风险。核电厂硼表的标定周期一般是根据硼表测量值与化学分析值之间偏差的历史统计情况确定的。在机组进入長燃料循环运行后，需要缩短该标定周期，以确保硼表的测量准确。

5 结束语

硼表作为唯一的一回路硼浓度连续监测手段，对反应性的控制有重要的意义，是保证核电厂安全、稳定运行的重要系统。而由于硼表本身特性原因以及机组各种复杂因素的影响，硼表对硼浓度的测量出现偏差的事件也时有发生。在反应堆运行过程中，一回路的硼酸处于一个相对封闭的系统，由于10B与堆芯热中子的反应，使得10B的丰度会逐渐降低。10B丰度的降低会使得硼表值与化学分析值之间产生偏差，这种偏差在寿期中比较明显，在长燃料循环中比年换料更加明显，需要予以考虑和重视。

【参考文献】

[1]谭世杰，等.压水堆核电厂一回路硼浓度偏差分析与硼10丰度变化研究.核动力工程.2012.第33卷第1期.112-116.

[2]绕仲群.在线硼浓度计在压水堆核电站中的应用.核电子学与探测技术.2015.2第35卷第2期.185-187.