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浅谈核电厂堆用核仪器技术的发展

  2020-02-22    448  上传者:管理员

摘要:论文基于堆用核仪器的原理、功能和工程应用的角度通过分析国内外主要堆用核仪器供货商和供货情况,阐述了国内外堆用核仪器的差距,然后给出了堆用核仪器的发展趋势和国产化应对策略,不仅为提升国内供货商堆用核仪器设备的供货能力奠定了基础,还为新建核电工程堆用核仪器的选用,实现仪器制造国产化提供建议和参考。

  • 关键词:
  • 发展趋势
  • 堆用核仪器
  • 核电厂
  • 辐射监测
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核电厂与其他种类电厂的主要差别是反应堆在运行的过程中会放出大量的放射性物质。这些放射性物质一旦泄漏会对核电厂安全和公众安全带来威胁。因此核电厂中设置有许多堆用核仪器,目的是从中得到核反应堆功率分布信息、设备完整性信息以及核电厂及周围环境放射性水平信息等。这些信息直接或间接地被用于保障反应堆安全运行、核电厂工作人员辐射防护和核电厂机器周围环境保护等。

堆用核仪器技术和控制领域设备主要包括辐射监测仪表、堆芯测量仪表和堆外核探测器等。堆用核仪器主要用于核电厂的辐射监测、堆芯功率监测、控制和保护。堆用核仪器仪表大部分为核级仪表。直接参与反应堆的控制与保护。对反应堆的安全运行起着至关重要的作用。本文从堆用核仪器的原理、类型及工程应用几方面对国内外核电厂的供货商及供货情况进行了分析比较,阐述了国内外堆用核仪器的差距,探讨了堆用核仪器的发展趋势和国产化应对策略。为新建核电工程堆用核仪器的选用,实现仪器制造国产化提供建议和参考。


1、辐射监测仪表简介


根据国家核安全局法规《核动力厂设计安全规定》(HAF102--2004) [1],核电厂必须配置设备以保证在运行状态和设计基准事故下以及尽实际可能的在严重事故下有适当的辐射监测[2]。因此,核电厂设置辐射监测系统来监测工艺系统、流出物、人员出人涉核区域及其周围环境等放射性水平信息。这些信息直接或间接地被用于保障反应堆安全运行、工作人员辐射防护和周围环境的保护。

辐射监测系统包括两部分:辐射监测仪表及远程辐射监测计算机系统。辐射监测仪表由辐射探测器和专用就地辐射处理器组成。主要监测核电厂B和^y放射性水平。国内比较有代表性的辐射监测仪表厂家有西安中核核仪器有限公司、中船重工第七一九研究所等。国外有竞争力和优秀核电厂供货业绩的辐射监测仪表供应商包括Mirion集团MGPI公司和美国的GA公司。两者均在世界范围内提供核电厂供货。这些公司的产品成熟稳定,且有核电厂供货业绩,在世界上核安全相关和高可靠性的辐射监测仪表中市场占有率很高。

目前国内运行的和在建的核电厂的安全辐射监测仪表均由MGPI公司供货。此外,日本富士电机也是辐射监测仪表供应商之一。为全日本机组供货,也为三门、海阳核电机组供应部分辐射监测设备。


2、堆芯测量仪表简介


堆芯测量仪表位于反应堆堆芯内,大型压水反应堆约有300支自给能探测器分布于堆芯轴向和径向。用于测量反应堆堆芯内部中子注量率分布。中子注量率的实测数据可用于生成堆芯功率分布图。监测堆芯功率畸变,积累燃耗数据.并能验证堆芯设计参数、测量参数用于反应堆功率控制和保护。

堆芯测量仪表分为离线式和在线式测量仪表。离线式主要包括移动式微型裂变室、气动活化球等,在线式主要包括固定式钒自给能探测器、铑自给能中子探测器和堆芯入口K型热电偶等[3]。离线式主要是从反应堆堆芯底部周期性(一月一次)插入堆芯以测量中子注量率。在线式主要从反应堆压力容器顶部插入反应堆堆芯。二者分别从轴向和径向测量中子注量率。国际上二代和二代加压水堆核电厂堆型(如M310等)较多使用离线式测量的方法,而田湾VVERl000堆型使用在线式测量的方法。日本福岛核事故发生后。世界各国已将新建核电重心转移到三代核电。目前世界上最新的三代技术核电厂中.美国的APl000、俄罗斯的VVR2006、我国自主研发的CAPl400和ACPl000均使用在线测量堆芯仪表。可以预见,采用在线式堆芯测量仪表将成为三代核电的主流趋势。

2.1 堆芯测量仪表原理及特点

堆芯测量仪表位于反应堆堆芯内,仪表工作在高温高辐照环境下。反应堆满功率运行时,堆芯正常工作温度在320℃左右,要求仪表在518该条件下工作4。20a不等。其中铑自给能中子探测器和钒自给能探测器的工作寿命分别为4a和20a左右。

自给能探测器与微型裂变室相比广泛用于三代核电的主要原因是体积小、结构简单、不用外部电源,便于直接安装在堆芯内部。自给能探测器工作原理主要是采用中子敏感材料铑、钒作为发射体,发射体与中子发生俘获反应后释放出B粒子被收集,释放的13粒子正比于堆芯中子通量。B粒子在收集体和发射体之间的移动产生微安级电流,通过测量电流的大小来测量堆芯中子通量。堆芯燃料组件的出入口热电偶主要采用K型(镍铝/镍铬)热电偶。

2.2 我国堆芯核仪器发展状况

我国有能力为反应堆提供堆芯测量仪表的单位为中核控制系统工程有限公司(原北京核仪器厂)。该公司提供的堆芯测量仪表是离线式,主要应用于巴基斯坦项目,国内只在实验堆上有相关应用。目前我国商用和在建的核电厂中,田湾VVERl00堆型、秦山3期CANDU堆型、三门和海阳1期APl000堆型、福清3期ACPl000“华龙一号”堆型和台山1期EPR堆型都是使用的在线测量堆芯中子测量仪表。除上述堆型外,我国其他M310系列核电厂均采用离线式中子测量仪表。

我国自给能探测器的制造工艺尚未达到成熟的阶段,有些关键制造工艺还处于摸索过程中,例如钒丝制造加工工艺、矿物绝缘电缆与接插件焊接工艺等。目前国内商用堆使用的自给能探测器均由欧美发达国家提供.还未有使用国产化自给能探测器的先例。目前国核自仪公司和中核控制公司正在联合研制用于三代核电厂的在线自给能探测器。

2.3 国外堆芯测量仪表发展状况

国外堆芯测量仪表制造技术较好的有美国ThermoFisher公司、Mirion集团的IST公司、GE公司、LAND公司、法国PHOTONIS公司、英国CENTRONIC公司和俄罗斯INKOR公司等。这些厂家产品齐全,性能优良,特别是高温性能和长期稳定性优于国内产品.垄断了我国核电厂堆芯中子探测器市场。


3、堆外辐射探测器


堆外核辐射探测器位于反应堆外.用于测量反应堆堆芯泄漏中子注量率的大小及其变化速率,中子信号送人保护系统以实现反应堆实时有效的控制和保护。对反应堆的安全运行起着至关重要的作用,是核电厂的关键设备之一。反应堆满功率运行时。堆芯泄漏到堆外的中子通量超过10个数量级,因此通常采用三个量程仪表来监测整个堆芯泄漏的中子通量。三个量程分别为源量程、中间量程和功率量程[4]。通常源量程覆盖6个数量级,中间量程覆盖8个数量级,功率量程覆盖2个数量级。各量程之间至少叠加两个数量级。堆外核辐射探测器通常使用气体探测器,探测器类型包括计数管、裂变室、补偿电离室和非补偿电离室等。工作寿命可达10a左右。国内主要反应堆所采用的堆外核探测器类型如表1所示。

表1  国内主要反应堆所用堆外核探测器

3.1 堆外核探测器基本原理及特点

正比计数管是一种基于电子雪崩原理的中子探测器。中心阳极丝在充满气体的阴极筒里产生非均匀的强电场。中子灵敏材料以气体的形式填充于圆筒中(如BR),或涂在圆筒的内表面。中子灵敏正比计数管包括BR正比计数管、涂硼正比计数管、3He正比计数管[5]。中子也可采用电离室探测。电离室是工作在饱和区的气体探测器,原则上即不存在离子复合,也没有气体放大,入射粒子初级电离产生的全部电子和正离子都被收集到正、负电极上[6]。电离室的工作模式包括脉冲、直流或电流波动模式。常见的有非补偿直流电离室(硼或裂变材料)、补偿电离室、脉冲电离室(裂变计数管)、电流波动(Campbell)电离室。

3.2 我国堆外核辐射探测器的发展状况

目前我国有能力为反应堆提供堆外核辐射探测器的单位为中核控制系统工程有限公司。该公司产品品种较为齐全.基本能覆盖反应堆用的各种类型探测器。目前我国各研究堆如492堆、493高通量堆、先进研究堆、高温气冷堆、快中子堆、脉冲堆、微堆以及所有军用堆的堆外辐射探测器均为该公司研制和生产。商运核电厂应用方面。秦山一期、巴基斯坦恰希玛C卜C4项目产品也是由该公司生产。由于国内核辐射探测器在产品性能和可靠性上与国外产品仍然存在一定的差距,国内商运核电厂堆外核辐射探测器市场被欧美发达国家长期垄断.除秦山一期曾使用过国产探测器外.国内其他商运和在建核电厂包括M310、CRl000、APl000和EPR等堆型均采用成套进口探测仪及核测量仪表。

3.3 国外堆外辐射探测器发展状况

国外辐射探测器生产厂商有美国Thermo Fisher公司、法国Photonis公司、加拿大IST公司和英国Centronic公司等。这些厂家产品种类齐全、性能良好,可靠性高。ThermoFisher公司已为全球16个国家和地区的130多个核电反应堆提供了650多个中子通量监测道.为全球30多个研究堆提供了130多个中子通量监测道。目前该公司正为中国石岛湾高温气冷堆1、2号、阿联酋巴卡拉卜4号、韩国Ulchinl、2号等14个反应堆提供中子通量监测系统。IST公司隶属于Mirion集团,为各国各种反应堆提供各种类型核辐射探测器。目前我国三门1、2号和海阳1、2号核电机组使用该公司产品。Centronic公司已为英国近20个反应堆提供各类型探测器,我国秦山1、2号机组使用该公司产品。


4、我国与国外堆用核仪器的差距


4.1 关键材料

堆用核仪器的关键材料与国外核电强国还有较大差距。例如辐射监测仪表的核级铠装电缆制造、堆芯测量仪表的关键部件,如堆芯指套管加工工艺,自给能探测器钒丝材料加工工艺与国外有较大差距。我国核电厂的上述材料主要还是依靠进口。

4.2 设计水平

我国的核仪表产品设计水平还有待提高。国内探测器生产企业的产品多为仿制国外。随着反应堆安全性的不断提高,对探测器产品的性能和可靠性要求也逐步提高。国外公司随着产品要求的提高以及运行经验反馈。不断改进和优化其产品性能以满足市场要求。国内生产企业受限于自身的技术能力.产品研发能力不强,仍停留在产品仿制阶段,缺乏新产品研发和更新换代的能力。产品设计人员水平有限,人才流失严重,导致在产品设计上落后于国外先进水平。

4.3 加工水平

我国核仪器产品加工水平还有待完善。目前国内堆用核仪器90%以上依靠进15,国产只有小部分非安全级仪表。大部分利润被国外企业拿走,导致国内堆用核仪器企业没有资金投资改进生产工艺。产业化能力较差,产品批量生产一致性不高.国内生产企业在产品可靠性和一致性方面远低于国外同类产品。


5、堆用核仪器发展趋势


5.1 辐射监测仪表

辐射监测技术随着科技的进步也产生了巨大的飞跃.从20世纪70年代简单的模拟率表形式,经过几十年的发展。当今的核电厂辐射监测技术已向充分体现“用户化”概念的数字化、模块化、一体化、智能化、抗干扰、新材料等方向发展[7]

辐射监测仪表可在以下领域进行深入研究。(1)一体化辐射监测仪表:通过设计及工艺改进,将多个探测装置(如微尘、碘、惰性气体等)集成在辐射监测现场的“一体化”机架中,提高空间利用率,维护便捷。(2)智能化辐射监测仪表:其探测器可通过多种方式对工作性能进行检查(包括LED光测试、电测试、内嵌源、温度传感器等),无需外部检查源装置,降低了监管手续繁冗的放射源处置问题,也降低了对人员潜在的辐射危害[8]。(3)抗干扰强的核级安全壳内高量程区域辐射监测仪表:此仪表需要长时间承受事故条件下(事故后4个月)严苛LOCA环境,并测量采集具有较高可信度的放射性水平数据。且需传输至核电厂外部安全区域。(4)新材料辐射监测仪表:在传统探测方法的基础上.将新型的半导体探测器(如PIPS型硅探测器等)更加广泛地运用到辐射监测仪表的探测装置中。其外形尺寸将会大幅度缩小,铅屏蔽减小甚至可以去除。

5.2 堆芯测量仪表

自20世纪90年代开始。美国和欧洲先后提出了符合“用户要求”的概念,并在此基础上开发了安全性、经济性更好的第三代核电技术,以美国西屋公司的先进压水堆APl000和法德两国联合开发的欧洲压水堆EPR为第三代核电技术的典型代表[9]。同时我国也自主开发三代核电CAPl400和“华龙一号”。作为普遍关注的第三代核电技术,它们都使用了在线堆芯测量仪表。由此可见,在线堆芯中子测量仪表已经越来越受重视。这种方法可以实时地向核电厂操作人员提供堆芯运行状态,从而提高反应堆运行的可靠性和安全性。

二代和三代加核电厂堆芯测量系统大部分使用的都是离线测量技术,而三代核电厂堆芯测量系统普遍使用在线测量技术。从目前全球堆芯测量系统的发展趋势来看。在线测量已经逐步替换离线测量成为主流的堆芯测量系统技术。我国目前在建的核电堆型大部分都是采用第三代核电技术,使用在线堆芯测量仪表。

5.3 堆外探测器

5.3.1 适用于核电厂事故后监测的裂变室

采用非能动计数的第三代核电厂事故工况条件相比二代和二代加核电厂环境更为恶劣,事故工况下安全壳内最高温度可达200oC以上。第三代核电技术下的核辐射探测器性能和可靠性要求更高、环境更为苛刻。国内现有产品达不到其技术要求,尤其是用于事故后监测的宽量程裂变室,要求在事故工况下浸没4个月且持续正常运行。目前中核控制系统工程有限公司正在着手研发试用三代核电事故后监测的宽量程裂变室。

5.3.2 适应于源量程和中间量程的双腔裂变室

正比计数管灵敏度较高。核电厂通常使用正比计数管在反应堆启动和停堆换料期间监测反应堆中子注量率。但是由于正比计数管测量原理和特性限制,其职能用于低1辐照环境。在此前日本福岛核事故中。由于事故工况下反应堆安全壳内.y剂量率很高,正比计数管无法甄别中子和1信号,导致在事故工况反应堆停堆后无法使用源量程正常测量反应堆中子注量率。

双腔裂变室使用两支并联的裂变室,增加了探测器的灵敏度,扩展了探测器的测量下限,使得裂变室能在反应堆启动和停堆期间监测反应堆中子注量率。在反应堆功率运行时,可关闭一支探测器以正常监测反应堆中子注量率。由于裂变室^y甄别能力较强,即使在反应堆事故后低中子注量率而1剂量率很高的情况下,仍然可以较好的测量反应堆功率水平.以解决计数管无法用于事故后源量程测量的问题。


6、结论


堆用核仪器技术融合了核辐射探测、核物理及核电子学、自动化、计算机等多门学科技术。对核电厂的安全运行和确保人员安全至关重要。同时堆用核仪器设备又是我国核电基础探测器和装备制造业的重要组成部分。为适应未来核电发展需要。各装备制造业企业应与业内涉核单位紧密配合。在消化吸收国外装备的同时,也应当立足于自主研发和自主创新,通过技术合作等方式,高效快速地实现关键基础技术的研究和产品的国产化。应当以我国核电快速发展为契机,建立健全合作创新的发展体系,推动我国核仪器技术实现跨越式发展。

随着第三代核电技术的发展,核电厂的安全性和可靠性不断提高。随之而来对核辐射探测器的测量精度、运行环境和产品可靠性的要求也相应提高,国内生产企业的现有产品已经无法满足第三代核电厂的计数要求,核辐射探测器的产品升级和更新换代势在必行。


参考文献:

[1]国家核安全局.核动力厂设计安全规定:HAF102--2004[S].北京:2004.

[2]安洪振,吴岳雷,李斌.核电厂辐射监测系统的监管要求和技术趋势[J].核电子学与探测技术,2013,33(6):782-786.

[3]曾力,张睿,任立永,等.钴自给能中子探测器的测量及补偿原理分析[J].自动化仪表,2015,36(11):97—100.

[4]何玉鹏,李恕群,王超.APl000堆外核测系统信号处理分析[J].自动化应用,2016(5):80.82.

[5]贺三军,程晓龙,周剑良.圆柱形中子正比计数管气体倍增机理的研究[J].科技风,2014(14):4345.

[6]杨璐,金余恒,陈玉华,等.A屏栅电离室谱仪系统的研制[J].核电子学与探测技术,2006,26(3):78.81.

[7]朱静,韩非.方家山核电工程辐射监测系统的总体结构优化[J].城市建设理论研究,2014(13):2095.2104.

[8]刘杰,孙鸣.核电厂辐射监测系统技术发展趋势及产品研发思路[J].中国核电,2009,2(2):133—139.

[9]郭景任,杨孟嘉.APl000与EPR专设安全系统的差异性比较和分析[J].中国核电,2009,2(2):166.171.


花锋,杜俊涛,郑勋涛,等.核电厂堆用核仪器技术现状与发展趋势[J].核电子学与探测技术,2019,39(4):517-522.

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