核反应堆初次装料过程中堆芯中子计数率监测装置的研制

刘 洋，何高魁，田华阳，赵江滨

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

对于有限大小的反应堆，其中子倍增系数为1即可保持临界状态，此时中子的产生率和消失率之间保持严格的平衡，使得链式反应以恒定的速率持续，达到临界状态的反应堆内核燃料的装载量称为临界质量。初次装料监测装置用于核反应堆首次装料期间的堆芯中子计数率监测，通过监测每装入一组燃料组件后堆芯的中子计数率和燃料组件的装载数量关系进行安全临界监督，为了确保在整个堆芯装料操作过程中不发生意外临界事故，导致易裂变物质意外发生的自持或发散的中子链式反应所造成的能量和放射性物质释放，应在核燃料组件装入堆芯的操作过程中，确保反应堆堆芯始终处于次临界状态，以实现堆装料、换料过程中的安全控制。本工作所研制的初次装料监测装置在中国原子能科学研究院微堆完成了台阶功率等相关测试，装置已经应用于红沿河核电站5、6号机组。

1 工作原理

初次装料监测装置的探测器为3He正比计数管，中子照射3He正比计数管时，中子与3He发生核反应，如式(1)，产生质子和氚，使气体发生电离产生电子离子对，电子向阳极漂移，电子在阳极丝附近倍增，形成电流脉冲信号，单位时间内脉冲个数与中子强度成正比。经过电荷灵敏前置放大器处理，产生一定幅值的电压脉冲信号[1-2]。

(1)

脉冲电压信号经过放大成形甄别器后，将产生的数字脉冲分别送入定标器、线性对数率表和脉冲计数音响装置。定标器对数字脉冲进行计数，得到单位时间累计计数信息；线性对数率表根据数字脉冲的频率得到与频率成对应比例的电压信号，线性率表输出信号送至四笔记录仪，对数率表输出信号送至声光报警装置，声光报警装置根据设定阈值与对数率表输出的信号电压幅值进行比较，如果超出所设置阈值则报警，反之，不报警；同时放大成形甄别器产生的数字信号送至脉冲计数音响装置，当信号频率超过设定阈值时，脉冲计数率音响装置会按照输入信号频率所在的范围发出不同的声音。

2 装置设计

2.1 任务和主要技术性能

1) 实时监测中子计数率信息，计数率范围0.1～105s-1。

2) 3个测量通道中子计数率超过设定的整定值时，给出灯光和报警信号。

3) 定标器、线性率表和对数率表保持一致，线性量程和对数量程的参数直观显示。

4) 装置所有通道有内部隔离。

5)3He正比计数管热中子灵敏度≥30 s-1/nv。

6) 仪表采用机柜、插件形式，便于维护。

7)3He正比计数管探头组件可在水下20 m长时间工作。

根据任务及技术要求，研制的初次装料监测装置系统主要由3He正比计数管组件(探头)和脉冲计数装置及仪表机柜两部分组成。装置结构示意图示于图1。

图1 初次装料监测装置系统结构示意图

2.2 3He正比计数管组件

3He正比计数管组件的作用是在水下环境中将3He正比计数管探测到的中子转换成电信号输出。

装置包括5个3He正比计数管组件。正常使用情况，同时使用3个组件，2个备用，装置最多可以同时使用4个组件。组件主体为不锈钢密封结构，包括密封承压套筒、电子线路安装骨架、防水电缆接头，如图2所示。其中316L不锈钢制作的外套筒与前后堵头采用双层密封圈侧密封；电缆接头使用测井用防水、承压、承重的马笼头结构电缆接头，如图3所示。该结构改变了原有传输电缆加钢丝的组件结构，组件机械结构更加合理，使用更加方便，可靠性更高，可以保证探测器及电子线路在水下20 m长时间安全稳定工作。

图2 3He正比计数管组件结构示意图

图3 马笼头结构电缆接头

组件电气结构主要包括：1)3He正比计数管。充气气压为0.4 MPa，直径为25 mm，长度500 mm，热中子灵敏度≥50 s-1/nv。2) 电荷灵敏前置放大器。输出信号幅度约为1 V，信号脉宽1 μs，最高脉冲计数率>105s-1，输出阻抗为50 Ω。3) 高压电源模块。考虑到远距离传输过程中，高压电源因线缆传输、接地连接过程中可能产生的噪声，高压模块置于3He正比计数管组件之中，高压实际设置为1 200 V。4) 组件连接电缆为定制核测承重多芯屏蔽电缆，用于组件的供电和信号传输，电缆分为两段(30 m和3～20 m)，30 m段配有绞车，中间使用转接头上机柜连接脉冲计数装置，如图4、图5所示。

图4 承重多芯屏蔽电缆结构图

图5 正比计数管探头组件连接电缆

2.3 脉冲计数装置

脉冲计数装置的作用是处理、采集、储存探头组件的输出电信号，得到中子注量率的信息，并根据设定给出声光报警信号，提醒操作者采取必要的措施，以达到监测、控制和保护反应堆运行的目的。

脉冲计数装置采用NIM插件、机箱和整体机柜结构。通道1、通道2、通道3、通道4(备用)为四个结构相同的测量通道，每个通道均由放大成形甄别器、线性对数率表、定标器和低压电源组成。通道5、通道6、通道7为声光报警通道，包括脉冲计数音响装置、声光报警装置、四笔记录仪、脉冲产生器和低压电源。通道1～4低压电源彼此独立，相互隔离，通道5～7低压电源共用。机柜底部设有总电源装置，包含5个隔离电源、1个交流滤波器以及空开和显示屏，主要用于隔离外界电网中的噪声，并为5路低压电源提供AC220V。

2.4 快电荷灵敏前置放大器

组件中的电荷灵敏前置放大器采用快电荷灵敏前置放大器形式，信噪比优于8∶1，最高计数率大于105s-1，经后续放大、驱动电路后，输出信号幅度约为1 V。

电荷灵敏前置放大器相较于电流灵敏和电压灵敏前置放大器而言，是噪声最小、信噪比最高的一种电路形式。但是由自身电路结构特点所决定，在保证信噪比好的前提下，传统电荷灵敏前置放大器的计数率较低[3]。

快电荷灵敏前置放大器(图6)在电荷灵敏环和电压灵敏环间没有使用极零相消网络(P/Z)，将反馈电阻Rf直接跨接到电压灵敏环(增益为A)输出端，这种反馈机制，导致在反馈电阻Rf的电压降比反馈电容Cf上的电压降高了A倍，所以电路相应的电荷泄放衰减时间常数τd也减少了A倍，τd=Rf·Cf/A。这种电路结构保证了在不减少反馈电阻阻值、增加电路噪声的情况下，减少脉冲后沿衰减时间，避免高计数率情况下信号的堆积[4]。

图6 传统电荷灵敏前置放大器(a)和快电荷灵敏前置放大器(b)的结构原理图

这种电路结构可以在保持电路稳定工作的情况下，采用相对较大容值的反馈电容，减少脉冲信号的上升时间。放大器前级可以采用数个低噪声、大跨导场效应管并联的电路形式，可以进一步减少上升时间，前置放大器可以降低噪声，提高计数率[5-6]。

2.5 脉冲计数装置中主要功能单元

2.5.1放大成形甄别器 电路主要由放大成形电路、甄别电路和驱动电路组成。放大成形电路将3He正比计数管组件的脉冲信号进一步放大成形，信号幅度约为4 V，脉宽1 μs。该信号进入甄别电路，转化成标准TTL信号输出，信号宽度0.3 μs。经实验测试，甄别阈设为0.7 V，阈值在0～5 V范围连续可调。标准TTL信号经驱动电路输出分别送入定标器、线性对数率表和脉冲计数音响装置。

2.5.2定标器、线性对数率表 定标器电路由输入电路、定标电路、时控电路、自动显示电路、开机复位电路等组成,采集放大成形甄别器输出标准TTL信号，可以实现自检、手动/自动脉冲定时计数、显示等功能，并传输标准TTL信号至线性对数率表。

线性对数率表由线性率表和对数率表两部分组成。线性率表电路由输入分频电路、成形电路、电流开关输出放大级电路以及量程控制电路、时间常数控制电路等组成，输入信号经3分频和10分频电路，与量程控制开关配合实现不同量程计数测量，在量程内实现输出电压与输入脉冲计数率成正比，表头显示计数率，并输出对应的直流电压(0～5 V)信号至四笔记录仪，实现显示、记录、储存功能。

对数率表电路由成形电路、对数唧筒电路、输出级电路组成，可以实现输出电压与输入脉冲计数率成对数关系，表头显示计数率，并输出对应的直流电压信号(0～5 V)至声光报警装置。

2.5.3脉冲计数音响装置与声光报警装置 脉冲计数音响装置由光电信号隔离电路、单片机采集控制电路、驱动电路组成。放大成形甄别器输出标准TTL信号至脉冲计数音响装置，经光电隔离电路进入单片机采集控制电路，单片机对采集数据进行计算和甄别，根据甄别的结果，经驱动电路触发产生相应通道的声光信号。装置分频倍数设为10、100、1 000、10 000、100 000五档，分别对应频率不同的声音，装置设有音量调节和阈值档位调节。

声光报警装置由隔离输入电路、成形甄别电路、信号调理电路、门控电路和驱动电路组成。对数率表输出直流电压信号经隔离输入电路进入甄别成形电路，过阈值输出标准TTL电平(阈值0～5 V连续可调)，经信号调理电路和门控电路产生控制信号，再经驱动电路实现产生相应通道的声光功能，装置设有音量调节和阈值连续调节。

3 装置测试结果

装置进行了3He正比计数管绝缘电阻测试、坪曲线测试、热中子灵敏度测试、阈值和计数率关系测试、3He正比计数管组件72 h浸水测试、3He正比计数管组件2 h水密封水压0.7 MPa打压测试、堆上台阶功率测试、装置总体性能测试[7](图7)。经验证，3He正比计数管组件热中子灵敏度≥50 s-1/nv、坪长约200 V、坪斜约3%/100 V，性能优于设计要求；水密封性能良好，满足长时间水下使用要求，同时，探头和电缆通过插接件连接，更加方便使用；装置所有通道有内部隔离，可以四路实时监测中子计数率信息，定标器、线性率表和对数率表保持一致，每个测量通道中子计数率超过设定的值时，可以给出灯光和报警信号。装置满足了设计要求，同时额外增加了一路备用测量通道；堆上台阶功率测试表明，随着堆芯中子通量的增加，探头所在位置的热中子通量不断增加，初次装料监测装置在计数率范围内，探测器基本保持良好线性度(图8)。

图7 装置在中国原子能科学研究院微堆进行测试

图8 装置中子通量响应曲线

4 结论

经测试，装置满足核反应堆装料过程中子注量率监测的各项技术要求。装置抗干扰性能强，操作简单，数据可靠。其中，探头组件采用新型结构，机械结构采用马笼头结构防水接头、防水屏蔽套筒和承重核测多芯屏蔽电缆组合的形式，探头组件电路结构采用快电荷灵敏前置放大器加高压模块一体化的形式，具有一定的先进性。装置已经应用于红沿河核电站5、6号机组。