桂龙刚，石　苗，李　军

高灵敏离线式硼表测量装置研究

桂龙刚，石苗*，李军

（江苏省苏北人民医院，江苏 扬州 225001）

本文针对压水堆核电厂离线式硼表的圆柱形容器结构进行了改进优化，以减少流体通过探测装置的滞留时间，并对该结构的测量灵敏度进行了分析。首先，采用Fluent模拟比较流体在圆柱形和蛇形管两种结构中的滞留时间长短；其次，利用Geant4分别模拟蛇形管结构中的截面形状、慢化厚度以及管壁材料这三种因素对测量灵敏度的影响。得出在相同条件下，流体在蛇形管结构中的滞留时间约为1 s，但在圆柱形容器结构中约为9.5 s，所以采用蛇形管结构可以有效减少流体在探测装置中的滞留时间；当蛇形管结构同时采用矩形截面形状、锆合金材料和2 cm左右厚的聚乙烯慢化层时，可以获得较高的测量灵敏度。

PWR；离线式硼表；蛇形管；Fluent；Geant4

压水堆核电厂（PWR）在正常运行时，反应堆必须维持在临界状态，而这依赖于控制棒、可燃毒物以及含硼冷却剂这三种反应性控制方式的共同控制[1]，并且以含硼冷却剂控制的反应性所占的控制比例为最大[2]。所以，冷却剂中硼浓度的连续监测对于反应堆安全运行是一项重要的工作，而离线式硼表则是专门用于监测冷却剂中硼浓度的专用设备[3]。

核电厂典型的离线式硼表是将一回路中的被测溶液通过专门的取样管路引入专门进行化学处理的房间进行测量，其测量精度高，但存在测量响应时间长的缺点[4]，造成其测量响应时间长的原因主要是由于取样管路长，造成取样时间长[5]。本研究根据硼表探测装置的测量原理，分析了流体在流经圆柱形探测装置时存在滞留时间长问题，优化蛇形管结构以减少流体流经探测装置的滞留时间，并对蛇形管结构的测量灵敏度进行研究。

1　容器型离线式硼表测量原理及其缺点

典型的离线式硼表测量装置如图1所示，该测量装置利用较细的取样管路从一回路中连续取样，送至位于反应堆外面的化学处理设备，流入一定容积的容器中。10B的热中子俘获截面高达3 837靶[6]。当中子源发出的中子穿过容器壁，经过含硼溶液的慢化和吸收，最后被中子计数管所探测并输出脉冲信号。脉冲信号测量通道对脉冲信号进行采集并得到中子计数率。热中子与10B发生（n，α）反应，其反应表达式[7]为：

当容器中的硼浓度发生变化时，被吸收的热中子数也发生变化，进而使进入中子计数管的中子数量发生变化，从而导致中子计数管输出的中子计数率发生变化，所以，经过信号采集得到的中子计数率是随硼浓度变化的。反之，通过连续测量中子计数率，就能连续测量反应堆一回路中硼浓度的变化。

式中：——硼浓度，ppm；

——中子脉冲计数率；

0——冷却剂中无硼时中子计数管探测的中子计数率；

将公式（2）按泰勒级数二次展开：

为了提高硼溶液的利用率，减小容器外围散射中子的干扰，将中子探测器安装在容器内部，如图2所示。探测器接收的中子均经过硼溶液衰减，无干扰计数，中子源利用率高。

图2　中子径迹示意图

如图3所示，测量容器为近似为圆柱体结构。首先，当取样溶液由取样管路从底部进水口流至大容积的测量容器时，截面积由较小突变为较大，导致流体在容器中的流速变慢；其次，流体在容器壁，尤其在“角落”处容易形成“死区”。上述原因都会导致流体在测量容器中存在一定的滞留时间，不可能立即从容器出水口全部流出，这会导致了硼表测量数据滞后，不利于实时测量。

图3　容器内流体运动示意图

2　蛇形管结构

为克服容器型存在流体滞留的缺点，本文提出了用蛇形管结构来代替圆柱形容器结构，如图4所示。

图4　蛇形管硼表测量示意图

在该装置结构中，中子计数管被蛇形管缠绕，可充分接收来自四周被硼溶液衰减的热中子，干扰计数小，保证较高的中子源利用率。蛇形管四周为一定厚度的慢化层，可将中子源发出的快中子慢化成热中子，以提高计数率。慢化层四周是以含硼聚乙烯为材料的屏蔽层，其目的主要是为了吸收中子源发出的无效中子，使整个硼表装置满足表面剂量率限值要求。

3　滞留时间

为比较硼溶液在蛇形管结构与圆柱形容器结构的滞留时间的长短，我们利用Fluent软件模拟流体在这两种模型中的滞留时间情况。在相同条件下建立以下模型：进出口管道尺寸相同，进口处流体平均速度为10 m/s，流动的硼酸浓度恒为3 000×10-6。假设某时刻开始，注入容器的硼酸溶液改为注入纯净水，硼酸溶液浓度开始从3 000×10-6逐渐被稀释趋近于0，此时可近似认为原硼酸溶液被流进的纯净水完全置换。基于Fluent分别模拟在圆柱形容器和蛇形管中残存的硼酸溶液随时间的变化过程，如图5所示。

图5　Fluent模拟硼酸溶液在容器型结构（a）和蛇形管结构（b）中的流动模拟

Fluent模拟结果如图6所示，当硼浓度接近0时，圆柱形容器结构中的流体滞留时间约9.5 s，而蛇形管结构约1 s。所以在相同条件下，流体在蛇形管中的滞留时间更短，更有利于硼浓度的实时测量。分析其原因如下：蛇形管和取样管路的流道截面未发生显著变化，流体流速基本保持恒定；蛇形管管内容积较小，不易受不同浓度溶液扩散影响；流体在蛇形管内不易形成“死区”。

图6　硼酸浓度随时间变化曲线

4　灵敏度

4.1　Geant4模拟分析

设置硼表的Geant4蒙卡模拟条件时，中子源采用镅铍（Am-Be）中子源（视为点源），其中子谱如图7所示，计数管采用圆柱形BF3正比计数管，其气体密度为0.002 786 g/cm3，灵敏体积为50 mm×450 mm，管壁材料为304钢，管厚为1.5 mm。

图7　241Am-Be中子源能谱

4.2　截面形状

如图8所示，蛇线管的截面形状通常为圆形或矩形，在保证这两种蛇形管的截面积和管壁厚度相等的情况下，基于Geant4建立这两种蛇形管结构模型，并分析（n，a）反应次数（脉冲计数）随硼浓度变化情况。

图8　矩形截面（左）与圆形截面（右）蛇形管

图9　不同截面形状对曲线的影响

4.3　慢化层厚度

图10　不同聚乙烯慢化厚度对的影响

如图10所示，相同条件下，聚乙烯慢化层厚度影响测量的中子能谱，当聚乙烯厚度较小或较大，都会导致进入蛇形管内的低能中子较少，进而计数管探测的中子数也较少，当聚乙烯厚度在2 cm左右时，可得到相对更“陡峭”的曲线。为了对该结果进行进一步论证，我们还利用MCNP模拟了镅铍中子源经过不同厚度的聚乙烯后的热中子能谱，模拟结果如图11所示，当聚乙烯厚度为2 cm时，在10-3～101MeV能段的中子通量最高，该结果进一步论证了图 10模拟结果。

图11　镅铍中子源经过不同慢化层慢化后的中子能谱

4.4　管壁材料

图12　不同蛇形管材料对曲线的影响

5　总结

本研究针对圆柱形容器结构的离线式硼表中流体在探测装置中滞留时间长问题，提出采用蛇形管结构优化圆柱形容器结构以减少流体滞留时间，通过Fluent模拟结果表明：相同条件下，与圆柱形容器结构相比，蛇形管结构中的流体滞留时间更短，更有利于硼浓度的实时测量。

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Study on High Sensitive Off-line Boron Meter Measuring Device

GUI Longgang，SHI Miao*，LI Jun

（Northern Jiangsu People’s Hospital，Yangzhou of Jiangsu Prov. 225001，China）

Objective：This article improves and optimizes the cylindrical container structure of the offline boron meter of the PWR nuclear power plant to reduce the retention time of the fluid passing through the detection device，and analyzes the measurement sensitivity of the structure. Method：First，use the Fluent simulation to compare the fluid retention time in the cylindrical and serpentine tube structure；secondly，use Geant4 to simulate the effects of cross-sectional shape，moderation thickness and tube wall material on the measurement sensitivity in the serpentine tube structure. Conclusion：（1）Under the same conditions，the fluid retention time in the serpentine tube structure is about 1 s，but it is about 9.5 s in the cylindrical container structure. Therefore，the use of the serpentine tube structure can effectively reduce the fluid in the detection device.（2）When the serpentine tube structure adopts a rectangular cross-sectional shape，a zirconium alloy material and a polyethylene moderating layer of about 2 cm thick，and a relatively high measurement sensitivity can be obtained.

PWR；Off-line boron meter；Coil pipe system；Fluent；Geant4

TL816.9

A

0258-0918（2021）05-0914-06

2020-08-18

桂龙刚（1987—），男，扬州人，工程师，硕士，现主要从事加速器维修和辐射探测方面研究

石 苗，E-mail：18051062470@163.com