1、第三章第三章 堆芯外核检测仪表及系统堆芯外核检测仪表及系统章节内容章节内容3.1 3.2 核反应堆功率的测量核反应堆功率的测量3.1 n堆芯外的定义堆芯外的定义习惯上把堆芯外中子敏感元件定习惯上把堆芯外中子敏感元件定义为受低于义为受低于10 11 n cm-2 s-1 的的中子通量照射的敏感元件。通常中子通量照射的敏感元件。通常安置在压力壳外壁处，也可置于安置在压力壳外壁处，也可置于热屏蔽区域内。热屏蔽区域内。堆功率仪表系统用来测量反应堆功率及监视堆内中子堆功率仪表系统用来测量反应堆功率及监视堆内中子通量密度通量密度(中子注量率中子注量率)变化信息的。具有：变化信息的。具有：1 1、运行功能、
2、运行功能 监测堆功率、功率变化及其分布。监测堆功率、功率变化及其分布。2 2、安全功能、安全功能 向保护系统提供停堆信号等向保护系统提供停堆信号等。3.2 核反应堆功率的测量核反应堆功率的测量 反应堆是依靠反应堆是依靠核燃料的链式反应核燃料的链式反应来维持工作的，链式反来维持工作的，链式反应中产生初级碎片和一系列裂变产物，还有裂变中子、瞬应中产生初级碎片和一系列裂变产物，还有裂变中子、瞬发发等辐射线，它们都是裂变能的载体，它们的等辐射线，它们都是裂变能的载体，它们的核辐射强核辐射强度度与反应堆功率成正比，它们消耗在堆内的与反应堆功率成正比，它们消耗在堆内的热量热量也与堆功也与堆功率成正比，因此
3、，可以通过测量中子或率成正比，因此，可以通过测量中子或射线的强度，及射线的强度，及测量堆芯温度等来间接测量反应堆的功率。测量堆芯温度等来间接测量反应堆的功率。通常是用通常是用堆芯外中子监测仪表堆芯外中子监测仪表来测量反应堆功率。来测量反应堆功率。3.3 中子探测仪表中子探测仪表3.3.1 3.3.1 中子探测的基本方法中子探测的基本方法基本原理：探测中子是通过中子与原子核相互作用，产生基本原理：探测中子是通过中子与原子核相互作用，产生可以被探测的次级粒子，并记录这些次级粒子。因此，中可以被探测的次级粒子，并记录这些次级粒子。因此，中子探测仪表必须具备子探测仪表必须具备“辐射体辐射体”，即能同中
4、子发生核相互，即能同中子发生核相互作用产生可被探测的次级粒子的物质。作用产生可被探测的次级粒子的物质。基本方法：基本方法：核反应法、核反冲法、核裂变法、活化法核反应法、核反冲法、核裂变法、活化法。特点：不同能量中子的探测原理和探测器结构差别较大。特点：不同能量中子的探测原理和探测器结构差别较大。3.3 中子探测仪表中子探测仪表一、核反应法一、核反应法主要测量慢中子，有以下三种主要测量慢中子，有以下三种核反应：核反应：1010 B(B(n,n,)7 7 Li +2.792 Li +2.792 MeVMeV 0 0=3840 =3840 11 b 11 b 6 6 Li(Li(n,n,)3 3 T
5、+4.786 T+4.786 MeVMeV 0 0=936 =936 6 b 6 b 3 3 He(n,p)He(n,p)3 3 T+0.764 T+0.764 MeVMeV 0 0=5327=5327 10 b 10 b能量为能量为E E n n 的中子微观截面的中子微观截面=0 0(1(1)3.3 中子探测仪表中子探测仪表二、核反冲法二、核反冲法 中子与物质原子核发生弹性碰撞，原子核被反冲，且带一定正电中子与物质原子核发生弹性碰撞，原子核被反冲，且带一定正电荷，选用反冲核弹性碰撞截面大的材料作为探测器灵敏物质，就可以荷，选用反冲核弹性碰撞截面大的材料作为探测器灵敏物质，就可以简接测量中子的
6、注量率。通常是利用简接测量中子的注量率。通常是利用含氢物质含氢物质作为辐射体。作为辐射体。反冲核的反冲能表示为：反冲核的反冲能表示为：所以，反冲核的质量越小反冲动能越大，通常取氢物质，所以，反冲核的质量越小反冲动能越大，通常取氢物质，A=1 A=1，上式为：上式为：22cos)1(4nAEAAE2cosnAEE 当当 En 20 MeVEn 20 MeV 时散射截面能谱见右图。时散射截面能谱见右图。在在 0.10.110 MeV 10 MeV 之间遵从之间遵从1 1 定律。定律。设：中子注量率为设：中子注量率为，单位体积靶物质的原单位体积靶物质的原子核数目为子核数目为 N N，厚度为，厚度为
7、d d，面积为，面积为S S，散射，散射截面为截面为 s s，则靶内单位时间的反冲核数，则靶内单位时间的反冲核数N N p p 为：为：snsnpdSNdSN3.3 中子探测仪表中子探测仪表三、核裂变法三、核裂变法 由于裂变碎片是核裂变能量的载体，利用核裂变产生由于裂变碎片是核裂变能量的载体，利用核裂变产生的两个碎片，使物质电离，可产生大的输出脉冲，极的两个碎片，使物质电离，可产生大的输出脉冲，极易甄易甄别别射线对测量中子通量的干扰射线对测量中子通量的干扰。233U、235 U、239 U 对热中子的裂变截面分别为：对热中子的裂变截面分别为：530b、580b、742b，所以常用作裂变探测器的
8、辐射体。，所以常用作裂变探测器的辐射体。许多重物质对中子裂变有一定阈值，可制成多阈探测许多重物质对中子裂变有一定阈值，可制成多阈探测器，以确定中子能量。器，以确定中子能量。裂变材料裂变材料热中子裂变截面热中子裂变截面 (b)裂变阈裂变阈 (MeV)3MeV时的裂时的裂变截面变截面(b)半衰期半衰期 (天天)232 Th 231Pa 234U 236U 238U 237Np 0 0.00020002 0.01 0.0006 0.0005 0.019 1.3 0.5 0.4 0.85 0.55 1.5 0.00019 0.0011 0.0015 0.00085 0.00055 0.0015 1.4
9、11010 3.381010 2.45105 2.34107 4.47109 2.4106常用裂变阈探测器材料的特性表常用裂变阈探测器材料的特性表3.3 中子探测仪表中子探测仪表四、活化法四、活化法 稳定的原子核吸收中子后，转变为放射性原子核，它稳定的原子核吸收中子后，转变为放射性原子核，它们通常在衰变时会放出带电粒子，由此可以间接测出中子们通常在衰变时会放出带电粒子，由此可以间接测出中子的通量密度。例如：的通量密度。例如：n+n+115115 In In 116116In+In+116116In In 116116Sn+Sn+测量测量 的强度就能够确定中子的通量密度。的强度就能够确定中子的通
10、量密度。小结小结从上述从上述4 4种中子探测方法可知，中子探测过程可分为种中子探测方法可知，中子探测过程可分为两个部分：（两个部分：（1 1）首先是中子和辐射体发生相互作用产生带）首先是中子和辐射体发生相互作用产生带电粒子或感生放射性；（电粒子或感生放射性；（2 2）其次是在某种探测仪表中记录）其次是在某种探测仪表中记录这些带电粒子或感生放射性。这些带电粒子或感生放射性。四种中子探测方法比较四种中子探测方法比较方法方法核反应靶材料截面 (b)用途核反应核反应(n,)(n,p)10B,6Li,3He103热、慢中子的注量率核反冲核反冲(n,n)H 1快中子注量率核裂变核裂变(n,f)233U,2
11、35U,239Pu 等 5102 热中子注量率活活 化化(n,)In,Au,Dy 等热中子：1102共振中子：103快中子：1慢中子的注量率3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类一、气体探测器一、气体探测器 正比区正比区：V V2 2VV3 3：电子在电场加速中电子在电场加速中获得能量足以产生二次电离，产生了电离获得能量足以产生二次电离，产生了电离雪崩。输出雪崩。输出ANAN0 0正负离子对，脉冲幅度为：正负离子对，脉冲幅度为：CWeEAUm G-M G-M区区 当电压大于当电压大于V V4 4 以后，室内的激发光子起主导作用，使整个以后，室内的激发光子起主导作用，使整个室内气体放大
12、，发生电子雪崩，输出脉冲大小与粒子能量无关。室内气体放大，发生电子雪崩，输出脉冲大小与粒子能量无关。、复合区、复合区：0 V0 V1 1 、电离区、电离区：V V1 1VV2 2，原电离离子全原电离离子全被电极收集。被电极收集。CWeEUm 有限正比有限正比 区区：V V3 3 V V4 4 当电压大于当电压大于V V3 3后，原电离电荷大的，比小的后，原电离电荷大的，比小的其放大倍数相对变小，其放大倍数相对变小，即放大倍数即放大倍数A A与人射粒子能量有关。与人射粒子能量有关。3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类(一一)、电离室、电离室 工作原理与结构工作原理与结构 中子在中子在
13、涂硼涂硼电极上产生带电粒子，当它进入室内时，与室内充气电极上产生带电粒子，当它进入室内时，与室内充气(氦氦、氩、氩)体发生相互作用，产生正、负离子对，被收集极收集，产生输出体发生相互作用，产生正、负离子对，被收集极收集，产生输出电流电流 I，这一电流量，这一电流量 I 的大小反映了中子注量率的大小。的大小反映了中子注量率的大小。式中：式中：V 电离室的有效体积电离室的有效体积;N0 单位体积、单位时间原电离子数单位体积、单位时间原电离子数;dvNeIV03.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类2.电离室的输出脉冲电离室的输出脉冲 电离室输出脉冲幅度电离室输出脉冲幅度 Um为：为：式中：
14、式中：E 中子间接产生的粒子损失在电离室的能量中子间接产生的粒子损失在电离室的能量;C 电离室电离室输出有效电容输出有效电容(法法);W 平均电离能平均电离能;e 是电子电荷量。是电子电荷量。3.3.电离室输出脉冲形状电离室输出脉冲形状 电离室输出脉冲形状反映了入射粒子的信息，与之连接的二次线路也电离室输出脉冲形状反映了入射粒子的信息，与之连接的二次线路也要以此进行设计，尽量保持原有信息。所以，分折脉冲形状尤为重要。要以此进行设计，尽量保持原有信息。所以，分折脉冲形状尤为重要。电离室电流是电离室电流是I Ii i由正、由正、负离子电流负离子电流 I I+、I I-所组成的。即：所组成的。即：I
15、 Ii i=I=I+I+I-CWeEUmPEPE;正、负离子运动速度分别为：正、负离子运动速度分别为：电场强度电场强度 E(x)=V(b-a)3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类首先讨论平行板电离室。设平行板电离室内，正、负离子首先讨论平行板电离室。设平行板电离室内，正、负离子都产生在都产生在x0处，以速度为处，以速度为w+(x)的正离子由的正离子由x0到达到达b 处的时处的时间为间为T，则，则)()()()()(000 xbVabPxEdxPxdxbTbxbx电离室电流是电离室电流是Ii由正、由正、负离子电流负离子电流 I+、I-所组成的。即：所组成的。即：Ii=I+I-_平行板
16、电离室内，负离子由平行板电离室内，负离子由x0以速度为以速度为w-(x)到达到达a 处的时处的时间为间为T-，同理可以求得：，同理可以求得：)()()(0axVabPaT4.平行板电离室输出电流平行板电离室输出电流 I 一个电子在电场一个电子在电场E的作用下所作的功率为的作用下所作的功率为eEw-，又等于，又等于VIe，所以，所以 VIe=eEw-其中：其中：E=V(b-a);w-=-.EP 一个电子生成的电流：一个电子生成的电流：假设一个入射粒子产生的电离电子数为假设一个入射粒子产生的电离电子数为n，则它产生的电，则它产生的电流为流为I-(t)，正离子电流为，正离子电流为I+(t)：3.3.
17、2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类22)()(abPVePVEeVEetIe2)()(abPVentI2)()(abPVentI3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类5.平行板电离室输出电压脉冲平行板电离室输出电压脉冲 电离室电流输出经过电离室电流输出经过RC 网网络积分，就会得到一输出脉冲，络积分，就会得到一输出脉冲，RC时间常数不同，则脉冲形状时间常数不同，则脉冲形状不同。对于不同。对于 RCR1C1 R2C2 R3C3 情况的电离室电压脉冲如情况的电离室电压脉冲如右下图所示。右下图所示。RCtRCteeCWeEtu1)(6 6.圆柱形电离室圆柱形电离室 输出电流及电压脉冲
18、输出电流及电压脉冲 圆柱形电离室电流输出圆柱形电离室电流输出 情况与平行板电离室电压情况与平行板电离室电压脉冲相似，如图所示。脉冲相似，如图所示。圆柱形电极的电场强度为：圆柱形电极的电场强度为：3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类2022lnxbVabPTabxVxEln)(1220202ln)(TtaxxabPVentI 通过同样计算可求得正、负离子的收集时间通过同样计算可求得正、负离子的收集时间 T T+、T T-，及输出电流及输出电流I I+、I I-，u u+max+max、u u-max-max的表示式为：的表示式为：1202202ln)(TtxbxabPVentI220
19、2lnaxVabpTabxbCneuabaxCneulnlnlnln0max0max3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类7.补补 偿偿 电电 离离 室室 在有强在有强场的情况下，要探测中子场的情况下，要探测中子的强度，就需要消除的强度，就需要消除在电离室产生的在电离室产生的电流的影响，通常使用电流的影响，通常使用补偿电离室。补偿电离室。参见右图就可了解其工作原理。参见右图就可了解其工作原理。在中子电离室区，中子产生的电流在中子电离室区，中子产生的电流In，产生的电流产生的电流I，在在电离室区内，电离室区内，只有只有产生的电流产生的电流I，它与前者的方向，它与前者的方向相反，所以，电
20、流表的读数为：相反，所以，电流表的读数为：I=(In+I)I =In 通过调节电压通过调节电压 V1 使使电流值抵消，电流值抵消，就可补偿就可补偿影响，测量电流即为中子产影响，测量电流即为中子产生的电流。生的电流。它对热中子的灵敏度为：它对热中子的灵敏度为：4 41010-12-12A A(n(ncmcm2 2 S)S)适用于热中子通量范围：适用于热中子通量范围：2.52.510102 2 10101010 n n(cm(cm2 2 S)S)3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类8.长中子电离室长中子电离室 在反应堆功率测量中，中子通量很高，设计几个短中子在反应堆功率测量中，中子通量
21、很高，设计几个短中子电离室，组成一个长中子电离室，各短中子电离室的中子灵电离室，组成一个长中子电离室，各短中子电离室的中子灵敏度可达敏度可达 2.310-14 A(n.cm2.s)。电离室高压电极电离室高压电极(负极负极)的内壁及收集极外壁涂硼，室内的内壁及收集极外壁涂硼，室内充充1的氦和的氦和6的氮，的氮，93的氩气。的氩气。由于中子产生的电流较大，由于中子产生的电流较大，的影响较小。的影响较小。3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类(二二)、BFBF3 3 正比计数器正比计数器1.BF3 正比计数器正比计数器 10B(n,)7Li 输出脉冲幅度为：输出脉冲幅度为：A是正比计数器的
22、气体放大倍数，通常可达到是正比计数器的气体放大倍数，通常可达到103 105；En是中子是中子的动能；的动能；Q是反应能；是反应能；e是电子电荷量；是电子电荷量；W 是平均电离能；是平均电离能；C是计数器的是计数器的等效输出电容。等效输出电容。主要用于热中子的测量。主要用于热中子的测量。CWeQEAUnm)(有以下两种：有以下两种：充充BF3气体的正比计数管气体的正比计数管涂硼正比计数管涂硼正比计数管 在堆芯外源量程中配备。其灵在堆芯外源量程中配备。其灵敏度为：敏度为：8 counts(ncm2.s)3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类应用应用 BF BF3 3 正比计数器正比计数
23、器可用于测量一回路冷可用于测量一回路冷却水的硼浓度却水的硼浓度 。引出一个测量回引出一个测量回路，两侧放置中子源路，两侧放置中子源和中子探测器进行比和中子探测器进行比较测量。较测量。一次冷却剂硼浓度测量原理图一次冷却剂硼浓度测量原理图3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类2.长计数管长计数管 所谓长计数管，是利用在很所谓长计数管，是利用在很长长能量范围能量范围内探测中子的内探测中子的效率平坦效率平坦变化变化的材料，作为计数管的辐射的材料，作为计数管的辐射体的正比计数管。体的正比计数管。目前性能最好的长计数管，探目前性能最好的长计数管，探测中子的能量范围从热中子测中子的能量范围从热中子
24、 快快中子。中子。长计数管中子探测效率与能量的关系长计数管中子探测效率与能量的关系3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类二、固体探测器二、固体探测器 固体物质作为探测中子的灵敏物质，有闪烁计数器、半固体物质作为探测中子的灵敏物质，有闪烁计数器、半导体计数器、活化球等中子闪烁计数器，具有计数效率高、导体计数器、活化球等中子闪烁计数器，具有计数效率高、时间响应快等优点。时间响应快等优点。（一）硫化锌快中子屏（一）硫化锌快中子屏工作原理：将工作原理：将ZnSZnS(Ag)(Ag)粉与有机玻璃粉均粉与有机玻璃粉均匀混合，利用匀混合，利用快中子快中子在有机玻璃中产生在有机玻璃中产生反反冲质子冲
25、质子使硫化锌使硫化锌闪烁体发光闪烁体发光，再经，再经光电倍光电倍增管增管将光信号转换成电信号输出。将光信号转换成电信号输出。为提高探测效率，常把这种混合体嵌为提高探测效率，常把这种混合体嵌在有机玻璃筒内，制成花卷型快中子屏。在有机玻璃筒内，制成花卷型快中子屏。花卷型快中子屏花卷型快中子屏ZnS(Ag)+C5H8O23.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类（二）硫化锌慢中子屏（二）硫化锌慢中子屏工作原理：工作原理：将将ZnSZnS(Ag)(Ag)粉与含硼化合物（如粉与含硼化合物（如B B2 2O O3 3）均匀混合，）均匀混合，慢慢中子中子与与 1010B B 产生的产生的 和和 7 7
26、Li Li 与与ZnSZnS(Ag)(Ag)闪烁体作用闪烁体作用产生荧光产生荧光，然后被，然后被光电倍增管放大为电信号输出。为提高效率，将闪烁体作成中空光电倍增管放大为电信号输出。为提高效率，将闪烁体作成中空形，套在光电倍增管上。形，套在光电倍增管上。特点：对热中子和慢中子的探测效率高，且易于甄别特点：对热中子和慢中子的探测效率高，且易于甄别 本底。本底。3.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类（三）含锂闪烁体（三）含锂闪烁体 一种锂闪烁体一种锂闪烁体(LiO2.2 SiO2(Ce)，是锂玻璃，具有良好的化学稳定性，是锂玻璃，具有良好的化学稳定性，其透光性、耐酸、耐腐蚀、耐高温很好，适
27、于探测，其透光性、耐酸、耐腐蚀、耐高温很好，适于探测堆内堆内中子。中子。特点：热中子效率很高，厚度为特点：热中子效率很高，厚度为 0.4 cm 的锂玻璃，效率可接近的锂玻璃，效率可接近100。下表给出了锂含量为。下表给出了锂含量为6.5(其中其中 6Li 浓缩到浓缩到96)的的锂玻璃闪烁体锂玻璃闪烁体，厚度，厚度为为 2.54cm时对各种能量中子的探测效率。时对各种能量中子的探测效率。中子中子能量能量(KeV)0.010.111010025051010602,1703360计算计算效率效率89.4258.5427.129.955.3016.53实测实测效率效率9.955.2014.903.50
28、1.561.091.363.3.2 中子探测仪表的种类中子探测仪表的种类（四）有机闪烁体（四）有机闪烁体 由于有机闪烁体均为富含由于有机闪烁体均为富含氢氢的的CHCH化合物物质，发光时间短，适于高化合物物质，发光时间短，适于高通量中子的测量，对通量中子的测量，对 本底需作甄别处理。本底需作甄别处理。各种闪烁体测量中子的性能对比各种闪烁体测量中子的性能对比名 称型 号规 格(cm)探测效 率光衰时间光谱峰(1010m)用 途ZnS 快中快中子屏子屏混合型混合型32,5010.2S4500快中子快中子花卷型花卷型502020.2S4500快中子快中子ZnS 慢中慢中子屏子屏浓缩硼浓缩硼501.51
29、00.2S4500慢中子慢中子天然硼天然硼501.550.2S4500慢中子慢中子锂玻璃锂玻璃浓缩锂浓缩锂40100.1S3950热中子、热中子、中能中子中能中子蒽蒽ST-501105030 ns4470发光标准发光标准塑料体塑料体ST-4014005 ns4200快中子计数快中子计数液闪烁体液闪烁体ST-501104,H303.7 ns4200特快中子特快中子3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统 堆外检测系统堆外检测系统包括包括堆外核测量系统堆外核测量系统和和热工参数测量系统热工参数测量系统。3.4.1 3.4.1 堆外中子注量率测量堆外中子注量率测量 堆外核测量系统
30、的主要功能是：堆外核测量系统的主要功能是：1.1.连续监测反应堆功率，功率变化及功率分布连续监测反应堆功率，功率变化及功率分布，对测得的各种对测得的各种信号加以显示记录在反应堆装料、启动、停闭及功率运行时给操信号加以显示记录在反应堆装料、启动、停闭及功率运行时给操纵员提供反应堆内中子注量率的信息纵员提供反应堆内中子注量率的信息；2.2.监测反应堆监测反应堆径向功率倾斜径向功率倾斜和和轴向功率偏差轴向功率偏差；3.3.向反应堆向反应堆功率调节功率调节系统，反应堆系统，反应堆保护系统保护系统提供中子信号，当提供中子信号，当中子注量率高、中子注量率变化率高时，触发反应堆中子注量率高、中子注量率变化率
31、高时，触发反应堆紧急停闭紧急停闭。压水堆启动时，中子注量率的变化范围很大，从启动时功率压水堆启动时，中子注量率的变化范围很大，从启动时功率至满功率时中子注量率变化可大到至满功率时中子注量率变化可大到6 6至至1212个数量级个数量级。因此，如果只。因此，如果只用一种探测器来覆盖所需要的整个测量范围很困难，通常把所需用一种探测器来覆盖所需要的整个测量范围很困难，通常把所需测量范围分成几段，分别配以适当的核测量通道加以测定。测量范围分成几段，分别配以适当的核测量通道加以测定。一般分成一般分成源量程测量通道源量程测量通道、中间量程测量通道中间量程测量通道和和功率量程测量通道功率量程测量通道三段，各个
32、测量通道所测定的范围见图。从图上可以看出，各个量程之三段，各个测量通道所测定的范围见图。从图上可以看出，各个量程之间的衔接至少重叠一个数量级，以保证控制和保护的连续性。间的衔接至少重叠一个数量级，以保证控制和保护的连续性。堆芯外中子探测器与堆芯外中子探测器与相应的量程范围相应的量程范围3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.2 3.4.2 各个量程测量通道通常选用的探测器及仪表组成各个量程测量通道通常选用的探测器及仪表组成压水堆堆外核测量系统的组成压水堆堆外核测量系统的组成 源量程测量通道源量程测量通道中间量程通道中间量程通道功率量程测量通道功率量程测量通道探测器探
33、测器灵敏度灵敏度硼正比计数管8counts/(n/cm2s)硼补偿电离室810-14A/(n/cm2s）长电离室 2.310-14A/（n/cm2s）探测器探测器量程量程10-110n/（cm2s）0.8 Cs1.6106Cs 210251010n/(cm2s)1.610-12410-3A510251010 n/（cm2s）11.510-121.15A 显示仪表显示仪表 量程量程1106 counts/s10-1110-3A1.710-71.710-3A（106%满功率）3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.3 3.4.3 核仪表系统核仪表系统 (RPN)一、系统
34、功能：一、系统功能：.提供信号：反应堆功率、功率变化及功率分布；提供信号：反应堆功率、功率变化及功率分布；.提供控制信号，移动控制棒；提供控制信号，移动控制棒；.监测功能监测功能:监测反应堆径向倾斜和轴向功率偏差。监测反应堆径向倾斜和轴向功率偏差。二、系统组成：二、系统组成：22个源量程测量通道（正比计数管）；个源量程测量通道（正比计数管）；22个中间量程测量通道（补偿电离室）；个中间量程测量通道（补偿电离室）；44个功率量程测量通道（非补偿电离室）长电离室，个功率量程测量通道（非补偿电离室）长电离室，分分6 6个灵敏段，分别测量堆芯上部、下部中子通量。个灵敏段，分别测量堆芯上部、下部中子通量
35、。反应堆运行时探测器的位置反应堆运行时探测器的位置探测器轴向布置探测器轴向布置探测器径向布置探测器径向布置3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.4 3.4.4 三个测量通道原理三个测量通道原理 1.1.源量程测量通道（源量程测量通道（CNS）由两个独立的相同线路组成。在反应堆停堆期间和启由两个独立的相同线路组成。在反应堆停堆期间和启动初始阶段，测量范围从动初始阶段，测量范围从1010-1-1到到2 2 10105 5 n/n/（cmcm2 2ss ），），探测器采用正比计数管，计数管内壁涂硼，管内充以探测器采用正比计数管，计数管内壁涂硼，管内充以氩气和少量的二氧化
36、碳，外加直流高压氩气和少量的二氧化碳，外加直流高压(900V(900V）。）。任务：指示反应堆启动过程中的功率和功率变化速度，任务：指示反应堆启动过程中的功率和功率变化速度，同时为保护系统系统功率与周期保护信号。同时为保护系统系统功率与周期保护信号。输出电流送到周期计线路用于显示；输出电流送到周期计线路用于显示；模拟量输出线路模拟量输出线路用于指示用于指示 和记录；逻辑量输出线路用于启动报警及反应堆和记录；逻辑量输出线路用于启动报警及反应堆保护。保护。源量程检测仪表系统源量程检测仪表系统3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统周周 期期 计计在源量程和中间量程测量通道中都包
37、括周期计，它产生功率倍增时间信号，送往在源量程和中间量程测量通道中都包括周期计，它产生功率倍增时间信号，送往显示器，以显示中子注量率变化一倍的时间显示器，以显示中子注量率变化一倍的时间T T。反应堆功率变化遵守指数规律：反应堆功率变化遵守指数规律：其中：其中：P P0 0为为t=0 t=0 时的堆功率；时的堆功率；P P为为t t时刻的堆功率；时刻的堆功率；T T为功率倍增周期为功率倍增周期(倍增时间倍增时间)。上式两边取对数：上式两边取对数：TtPP20PdtdTTPdtdTtPPlg2lg2lglg2lglglg0 倍增周期，代表堆功率变化趋势、快慢和反应堆所处的状态。倍增周期，代表堆功率
38、变化趋势、快慢和反应堆所处的状态。T=3sT=3s，说明堆功率每，说明堆功率每3s3s增加增加1 1倍，反应堆处于超临界状态；倍，反应堆处于超临界状态；T=-25 sT=-25 s，说明堆功率每，说明堆功率每25s25s降低降低1 1倍，反应堆处于次临界状态。倍，反应堆处于次临界状态。T=T=，说明堆功率为常数，反应堆处于临界状态。说明堆功率为常数，反应堆处于临界状态。如果倍增周期为一过小的正值，说明反应堆功率增加过快，容易失控。如果倍增周期为一过小的正值，说明反应堆功率增加过快，容易失控。在启动反应堆升功率时，一定要时刻监视倍增周期，禁止其小于在启动反应堆升功率时，一定要时刻监视倍增周期，禁
39、止其小于18 s18 s 由此可见：倍增时间由此可见：倍增时间T T与功率对数的与功率对数的导数成反比。周期计正是产生功率对数的导数成反比。周期计正是产生功率对数的对数放大器的输出经过微分、取倒数运算对数放大器的输出经过微分、取倒数运算以后，输出倍增时间以后，输出倍增时间 T T 信号。信号。3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统2.2.中间量程测量通道中间量程测量通道 (CNI(CNI）探测器是探测器是涂硼补偿电离室涂硼补偿电离室，由两个同轴的圆柱形电离室组，由两个同轴的圆柱形电离室组成；涂硼电离室对成；涂硼电离室对 粒子和粒子和 射线均敏感，在外电压作用下射线均敏感，
40、在外电压作用下产生电离电流产生电离电流I In n+I+I 1 1。不涂硼电离室仅对不涂硼电离室仅对 射线敏感，在补偿电压作用下产生电射线敏感，在补偿电压作用下产生电离电流离电流I I 2 2。调整补偿电压使调整补偿电压使I I 1 1=I I 2 2，再经电路分向处理二者抵消，探再经电路分向处理二者抵消，探测器最终输出电流测器最终输出电流 I In n+I+I 1 1 I I 2 2 =I In n 输出电流送到周期计线路，输出模拟量线路以及逻辑量输输出电流送到周期计线路，输出模拟量线路以及逻辑量输出线路。出线路。3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统反应堆堆芯外核检测仪表系统3.3.功率量程测
41、量通道（功率量程测量通道（CNPCNP）功率量程测量通道由功率量程测量通道由4 4个独立的相同线路组成，探测个独立的相同线路组成，探测器是器是涂硼长电离室涂硼长电离室，由，由6 6个敏感段构成；个敏感段构成；该功率值送到下该功率值送到下列线路中：列线路中：反应堆棒控系统，移动控制棒；反应堆棒控系统，移动控制棒；指示和记录仪表，指示记录堆功率；指示和记录仪表，指示记录堆功率；反应堆测量仪，计算反应性；反应堆测量仪，计算反应性；对比线路，监视功率径向分布不平衡；对比线路，监视功率径向分布不平衡；功率分布监测线路，监视堆芯功率分布；功率分布监测线路，监视堆芯功率分布；反应堆保护线路，用于启动反应堆保护。反应堆保护线路，用于启动反应堆保护。n中子探测的基本原理（四种方法）中子探测的基本原理（四种方法）n气体探测器的基本工作原理（电离）气体探测器的基本工作原理（电离）n中子通量量程的分布（中子通量量程的分布（3个量程）个量程）n堆外中子探测器的布置（堆外中子探测器的布置（8个探测器）个探测器）
