燃料破损1E级缓发中子探测装置的设计研究

2016-11-30潘君艳中国原子能科学研究院北京102413

科技传播 2016年15期

潘君艳中国原子能科学研究院，北京 102413

潘君艳
中国原子能科学研究院，北京 102413

中国实验快堆（CEFR）燃料破损缓发中子探测装置，是燃料组件流道局部堵塞事故监测1E级电气设备。本文以核电站核安全设备设计标准为基础，根据CEFR燃料破损缓发中子监测系统的现场环境、设计功能和性能要求，详细论述了1E级缓发中子探测装置的设计，包括中子正比计数管类型的选择、前置放大器安装位置的设计、二次仪表插件设计、1E级和非1E级插件之间隔离设计。

1E级电气设备；燃料破损缓发中子探测装置；功能隔离；抗干扰

CEFR燃料破损缓发中子监测系统在堆坑内正对中间热交换器入口区域设置缓发中子探测站。当燃料组件流道部分堵塞事故影响组件流道冷却剂的流量时，燃料冷却不充分，会导致燃料包壳发生破损，包壳内缓发中子先驱核会泄漏到冷却剂中并流到中间热交换器的入口区域，这时探测站内的中子探测器恰好能监测入口区域缓发中子先驱核释放的缓发中子，给出燃料包壳破损信号［1］。因此，CEFR燃料破损缓发中子监测系统作为燃料组件流道部分堵塞事故监测的1E级系统，接入到保护系统中［2］。本系统的中子注量率监测仪表——燃料破损缓发中子探测装置，作为1E级电气设备，其设计既要满足燃料破损缓发中子监测系统的功能要求，也要符合1E级电气设备的设计准则。

1 燃料破损缓发中子探测装置的组成

根据功能拆分，一套完整的燃料破损1E级缓发中子探测装置其组成如下：

1）中子探测器：探测中子，将监测区域的中子注量率信号转换为中子脉冲弱信号。

2）前置放大器：对探测器输送过来的中子脉冲弱信号进行前置级放大。

3）放大甄别成形插件：进一步放大前置级放大的中子脉冲信号，并甄别成形所需的中子脉冲。

4）脉冲计数及报警插件：通过单片机对放大甄别成形的中子脉冲信号进行计数，给出失效报警和警告报警。

5）安全触发插件：通过硬件电路搭建实现对放大甄别成形的中子脉冲信号进行计数，给出安全触发信号。

6）低压电源插件：提供低压直流电源给各二次仪表。

7）高压电源：提供高压直流电源给中子探测器。

其中，脉冲计数及报警插件和安全触发插件都执行中子脉冲信号计数的功能，但由于涉及软件验证与确认技术问题，采用单片机读数的脉冲计数及报警插件为非1E级电气设备。硬件电路搭建的安全触发插件为1E级设备，往保护系统输送安全触发信号。

2 燃料破损缓发中子探测装置的关键设计点

2.1 中子探测器类型选择

CEFR满功率运行时，经中子试验装置测试，燃料破损缓发中子探测站的中子测量孔道内本底中子注量率为1 000n·cm-2·s-1左右。根据理论计算，当CEFR燃料包壳裸露性破损情况下中子注量率为本底3倍时，即3 000n·cm-2·s-1，燃料破损缓发中子监测系统给出安全触发信号触发保护系统紧急停堆动作。基于上述两数据，1E级燃料破损缓发中子探测装置采用10B中子计数管，其中子探测灵敏度为4.6cps/n·cm-2·s-1，灵敏度虽然不高，但在本底注量率不低的情况下其计数满足统计误差要求；其中子辐照寿命＞1018n·v·t，该10B中子计数管满足CEFR整个设计寿期30年的运行要求；其耐γ照射量率为10R/h，符合堆坑内γ环境。

2.2 前置放大器安装位置的选择

燃料破损1E级缓发中子探测装置，其10B中子计数管安装在缓发中子探测站的中子测量孔道里，位于现场控制区的反应堆堆坑内。但测量机柜内的二次仪表插件位于控制区外的仪表控制间。两者之间需要150m的K3类电缆连接，容易引入很多干扰，淹没10B中子正比计数管的弱脉冲信号。因此，本设计中前置放大器与10B正比计数管作为整体部件设计，一端的正比计数管垂直吊入到缓发中子探测站内，另一端的前置放大器固定于探测站上方的堆顶屏蔽层内，这样保证前置放大器距离正比计数管最近。前置放大器作为电子设备，要求环境温度在45℃以下，中子和γ放射性水平要低，而开堆测试表明堆顶屏蔽层能满足上述要求。因此，位于堆顶屏蔽层的前置放大器能在最短距离内放大探测器过来的弱脉冲中子信号，经前置放大后中子脉冲信号后能显著提高150m长距离传输的抗干扰能力。

2.3 脉冲计数及报警插件的隔离设计

由于脉冲计数及报警插件存在软件验证与确认的设计问题，为非1E级电气设备，根据法规标准要求，该插件出现故障时不得影响其他1E级插件，需要与其他1E级二次仪表插件进行功能隔离和实体隔离［3］。脉冲计数及报警插件与其他插件有两个接口信号：低压电源提供+5V电源信号和放大甄别成形插件输送的中子脉冲信号。为此，低压电源插件单独设置了两路+5V隔离电源，与输送到1E级插件的电源不共地，不会拉低1E级电源值。其中，1路隔离电源输送到脉冲计数及报警插件；另一路信号输送到放大甄别成形插件中的光电隔离

器，将甄别成形后的1路中子脉冲信号经光电隔离输送到脉冲计数及报警插件。此外，脉冲计数及报警插件相关走线在测量机柜内部与其他1E级插件走线分开。

2.4 报警触点的设计

脉冲计数及报警插件提供失效报警和警告报警，设计中采用了无源常开触点闭合进行报警。与保护系统相连的1E级安全触发插件提供安全触发信号，设计中采用了无源常开触点断开进行报警。安全触发插件提供的是安全触发信号，能触发保护系统停堆动作。依据“故障安全”准则，考虑设备出现故障时导致安全动作概率增加［3］。无源常开触点断开进行报警，即触点开关在不上电情况下处于断开状态，上电时处于闭合状态，当脉冲计数值越过保护设定值时触点断开给出安全触发信号。一旦燃料破损缓发中子监测系统处于断电情况，触点开关断开，给出安全触发信号触发保护系统停堆动作，保证反应堆的安全。