硼表在核電廠的應用

劉 龍，姚 瑜，曹先慧，王福博，黃顯威，仵中行

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

壓水堆核電廠熱力發電的原理是核裂變反應，其過程是中子與原子核的相互作用。在這個過程中，一個重原子核吸收一個中子后，立即分裂成兩個質量相近的中等質量數的核素（也稱為裂變碎片，三裂變碎片極少），同時放出能量和中子。核裂變反應的重要性在于，在裂變反應中不僅能夠釋放出可以被人類利用的巨大能量，同時裂變反應中還釋放出有可能使裂變反應能夠自動持續下去的次級中子，從而使人們持續不斷地獲取核能。熱中子反應堆內最常用的核燃料是裂變同位素鈾-235。鈾-235的裂變反應一般為：

在適當的條件下，這些裂變中子又會引起周圍其它裂變同位素的裂變反應，如此連續不斷地下去，這種核反應稱為鏈式裂變反應。鏈式反應過程是通過有效的控制方式進行的，比如通過調節溶解在冷卻劑系統中的硼濃度和調節棒控制在反應堆中的插入深度[1]。改變硼酸濃度是為了補償反應性的長期變化，如燃耗加深引起的剩余反應性減小?？刂品磻缘亩喾N方法都是為了補償反應堆的剩余反應性以滿足長期穩定經濟運行的要求，保持整個堆芯在燃耗壽期內堆芯功率分布較為平坦，且在事故情況下安全地緊急停閉反應堆。

由此可見，控制硼酸濃度是確保核反應堆內安全的必要手段，是核電廠安全運行的重要基礎，這就要求對硼濃度進行連續、可靠地監測。

1 硼濃度監測的原理

硼濃度的測量有兩種實施方案：酸堿中和滴定法和儀表在線檢測法。滴定法需要手動采樣，然后在實驗室進行酸堿分析，有人員放射性污染的風險，且有一定的時間滯后性，不具有連續性，但滴定分析結果比較精準。儀表法是采用在線硼表測量，可以連續測量硼濃度。

硼表測量的工藝流程如圖1，反應堆冷卻劑經測量支管流入硼表，取樣水最終返回反應堆冷卻劑系統。硼表由測量容器、中子源、中子探測器組成，乙烯的作用是緩沖中子流。中子源由镅、鈹粉狀物制成，可發出各向同性的快中子流。

圖1 硼表測量的工藝流程Fig.1 Process flow of boron meter measurement

中子流通過硼表中的硼水，發生如下反應：

中子在經過硼表時，被吸收一部分，中子密度的減小程度和硼水濃度大小相關。硼水濃度越高，中子密度減小愈多。使用中子探測器測量經過硼表后的中子密度，就可計算得出硼酸濃度。中子探測器是裂變電離室型，結構如圖2，硼表內充以可電離氣體。硼表內管外壁涂一層鈾235，鈾235和中子作用后發生裂變，裂變產物使氣體電離，通過正負電極測量電離電流，通過負載電阻轉換成脈沖電壓，電壓脈沖的頻率與中子密度成線性關系[2]。此外，為了滿足核電廠輻射防護要求，還需要對中子源設置聚乙烯材料屏蔽體[3]。

圖2 裂變電離室型中子探測器Fig.2 Flly -lying chamber neutron detector

脈沖信號通過計算處理，并考慮消除噪音干擾[4]，且進行溫度補償[5]，計算得出硼濃度。計算公式如下：

式（2）中：p為B-10的濃度（以下簡稱硼濃度）；N為單位時間內接收到的脈沖個數（計數率）；A，B，C為與安裝、測量系統有關的系數（通過標定來獲得）。

根據上述公式，可知只要確定A、B、C系數，就可以計算得出硼濃度。

2 影響硼表測量精確度的因素

理論上，經過硼表后的中子計數率和硼濃度之間存在著映射關系，然而實際情況中有很多影響因素。如與中子源強度、探測器的特性、探測器的極化電壓，脈沖信號的甄別電壓以及硼水溫度等因素[6]，其函數關系式見公式（1），這就需要對硼表進行標定。

1）中子源強度

中子源強度隨著時間會有衰減，但其半衰期長達400多年，在兩次標定的時間內，中子源強度可視為常數，忽略該因素的影響。

2）探測器的特性

中子密度和中子探測器測量的脈沖頻率在理論上是線性函數關系，隨著設備的老化，其轉換系數會發生變化。兩次標定間隔期間時間短，設備老化影響可忽略不計。

3）極化電壓

中子探測器的脈沖頻率與施加的極化電壓值有直接的關系，所以在硼表工作過程中要保證極化電壓的穩定性。

4）甄別電壓

硼表中除了裂變產物產生脈沖電壓，鈾235的自然輻射等原因還會產生本底脈沖電壓。這就要求設置一個甄別電壓，對本地脈沖電壓進行閾值甄別過濾。

5）測量介質溫度

當溫度增加時，水的密度減?。孩俳浰蟮闹凶訑禍p少，對測量結果產生了負的效應；②單位體積水中的硼也減少，被硼吸收的中子減少，對測量結果產生了正的效應。硼表中設置一個測量硼水溫度的熱電阻，溫度信號送到硼濃度計算回路中，以實現溫度補償。

3 硼表的標定

硼表作為一臺精密的硼濃度測量儀器，同其他儀表一樣，為了保證測量數據的有效性，必須在定期或者在硼表的測量數據發生偏離化學滴定數據時，對其進行標定，以重新設定硼表的工作點（極化高壓值和噪音甄別電壓）[7]。根據硼表測量硼濃度的數學公式：1/N = A×p2+ B×p + C，可知，已知系數A、B、C，通過測量計數率N，就可以得到被測介質的硼濃度。如果A、B、C系數存在誤差，則直接影響測量數據的準確性。因此，硼表標定的最終目的是確定系數A、B、C及標定時的溶液溫度Tr（參考溫度）。

通過設置一個恒溫箱來保證標定溶液的溫度穩定。標定原理：一是中子探測器到電子機架，經過電子機架計算、處理后，通過打印機打印出計數率N；二是化學分析人員經過化學取樣，再通過化學滴定法計算出理論硼濃度p。這兩條主線最后會合，可以得到關于A、B、C的第一個方程式f（N，p）。從數學的角度來講，只要得到3個這樣的方程式，就可以求出系數A、B、C，實際工作中，選擇較多點（N，p），因為最后要將其中誤差過大的（N，p）點從中刪除掉。

4 不同狀態下的在線方式

核電廠因為計劃性停堆或者缺陷導致機組狀態被迫后撤等原因，需要改變反應堆熱工水力工況，這個過程中為保證硼表的連續運行，需要改變硼表在工藝管線中的流程[8]，以M310壓水堆為例：

4.1 RCP（反應堆冷卻劑系統）到RCV002BA（容控箱）方式

反應堆冷卻劑的主泵處于運行狀態時，反應堆冷卻劑系統主管路的冷卻劑處于流動狀態，取樣點位于1#或2#環路的熱段，經過兩級冷卻器后再經過硼表012MG和流量計007MD，返回至容控箱，反應堆冷卻劑系統與容控箱之間的壓差可以保證取樣流量，且容控箱用以回收反應堆冷卻劑。

4.2 RRA（余熱排出系統）到RCV002BA（容控箱）方式

當反應堆工況下行時，反應堆冷卻劑的主泵即將停運，此時余熱排出泵投運，硼表取樣點轉至余熱排出泵的出口，以獲得更大的壓頭，取樣水仍然返回至容控箱。

4.3 RRA（余熱排出系統）到RCP（反應堆冷卻劑系統）的2#環路方式

當反應堆工況繼續往下走，反應堆冷卻劑系統為泄壓排水做準備，此時容控箱將失去作用，硼表的取樣水不再返回至容控箱，而回到反應堆冷卻劑系統的2#環路。

5 硼表參與防誤稀釋保護邏輯的應用

硼酸作為反應堆反應性控制的重要介質，設計上需嚴格避免發生硼酸誤稀釋的風險，硼表測量的硼濃度信號除了用作顯示監測作用外，還送到防止反應堆冷卻劑誤稀釋的邏輯保護中。與計算出的補給水硼濃度相比較，當實際測量的反應堆冷卻劑系統硼濃度和要求的補給硼濃度的差值大于保護閾值時，則產生補給水硼濃度異常報警信號，防誤稀釋保護動作，自動停止稀釋或補水[9]。

6 硼表不可用時的應對措施

硼表作為反應堆反應性監測的手段，在反應堆內核燃料未卸出時，要求連續運行。針對反應堆不同的標準運行狀態，考慮反應堆可接受的風險程度，對硼表的不可用有著不同的緩解應對措施和檢修期限要求[10]，具體見表1（以M310壓水堆為例）。

表1 硼表不可用時的應對措施Table 1 Countermeasures when the boron meter is unavailable

7 硼表故障處理

7.1 硼表斷流

硼表作為反應堆冷卻劑硼酸濃度監測的重要儀表，要求能夠連續運行監測。在機組熱工水力工況變化時，尤其是改變硼表在線流程時，經常發生硼表斷流的情況，導致反應性監測手段的冗余度的降低。該問題在多個核電廠發生，導致機組狀態轉化停止，大修工期受到影響，引起了電廠技術和管理人員的高度重視。

案例：2019年9月3日，國內某核電廠4號機處于正常冷停堆，反應堆冷卻劑系統降壓至0.35MPa。根據規程要求，化學人員將硼表回水由回到容控箱改為回到RCP2#環路，隨后化學人員反饋硼表改在線后顯示無流量。由于在維修冷停堆下硼表不可用時，技術規范中明確規定禁止反應堆工況的轉變，導致機組狀態轉換終止。

針對該問題，核電廠運行部門制定了硼表流量異常處理預案：

1）現象：化學人員將硼表按要求在線后3 REN 020 MD流量異常。

2）需要短時恢復硼表可用時，使用3 REN 007 MD替代，從RRA下游返回容控箱。

圖3 硼表流量異常處理流程圖Fig.3 Flow chart of abnormal flow of boron meter

3）需要查找原因時，按以下步驟進行：

步驟1：聯系儀控檢查流量計3 REN 020 MD是否故障，可進行硼表流量計比對。

注：硼表流量計異常的可能原因為單位設定錯誤、供電母線檢修后硼表上游開關未送電、斷電后流量計設置丟失。

步驟2：排查RRA上游→硼表→軟管是否堵塞。

步驟3：排查取RCP的2環路返回管線是否堵塞。

7.2 流量調節閥的故障導致硼表不可用

硼表上游的核取樣系統流量調節閥是反應堆冷卻劑系統高壓取樣管線的關鍵設備，其功能是將系統壓力從15.4MPa降到0.8MPa以下（以M310壓水堆為例），以滿足下游取樣以及在線儀表的安全和流量要求。該閥門需要具備調節特性好，靈敏度高等特性。國內核電廠發生過多起因為流量調節閥的性能不滿足使用要求，而導致閥門自動關閉，硼表斷流，從而機組進入技術規范限制的情況。

案例：國內某核電廠3號機組硼表目前在線反應堆冷卻劑系統2#環，從4月17日開始，在系統和管線閥門未進行任何操作情況下，硼表流量每日都有不同程度的波動，時而持續下降到低于技術規范所要求的硼表流量下限，時而壓力持續上升至管線殼內隔閥3REN102VP的保護壓力0.9Mpa。經分析，該閥門經常出現調節性能差，閥門內漏，閥門不能自動調節下游壓力等缺陷，解體閥門發現閥芯、閥座沖蝕嚴重，經分析主要是閥門承受高壓差汽蝕閥芯造成，另外閥門設計的工況不合適，閥門長期工作在小開度區域也是原因之一。

目前針對該共性問題，各電廠采取了以下優化措施：

1）調節閥上游增加集成多級孔板的手動減壓閥，多級孔板的設計按閥門全開來設計，閥門作為多級孔板的冗余措施，正常運行時手動調節閥保持全開，應急時調節閥門。

2）優化PID內置參數，與現場實際工況進行重新匹配。

3）檢查調節閥卡件電壓和電流，必要時更換輸出卡件。

雖然采取了上述措施，該問題仍然未得到根本解決，故障頻率有所下降，但未根除。后續考慮如下方案：

a）調研國內外應用成熟的同類型高精度調節閥，推進技術變更改造。

b）統計缺陷類型，完善策略性維修數據庫。

c）短定期解體檢修的預防性維修周期。

8 結束語

綜上所述，硼表作為核電廠反應堆的反應性監測的重要手段，對核安全起著至關重要的作用，核電廠營運單位必須給與足夠的重視。經過多年的國內外運行經驗，在硼表的運行方式、異常處理、維修方案等方面已有相當的優化改進，但仍有改進的必要和優化的空間，如高壓差、低流量運行介質的調節閥的穩定性差問題仍然未得到根本解決，除了對標改進之外，還需在專項設計研究中投入更多人力和物力來攻克共性問題，保證核反應堆具有足夠的安全冗余度，保障核電機組安全穩定運行。