CN104464853B - 一种在线式硼浓度监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于核电站在线监测装置，提供一种对核电站压水堆一回路中的硼浓度进行连续在线监测的装置，包括中子源、用于安装中子源的组件、中子探测器和设于中子源周围的屏蔽体，所述中子源设于一回路管道的正上方，所述中子探测器设于一回路管道的正下方，所述中子源的上方设有与中子探测器管径相同的校准孔，所述中子源周围的屏蔽体由里层的聚乙烯慢化层和外层的含鹏聚乙烯层组成。本发明装置集成度高、结构紧凑、拆卸方便、可自我校准、测量响应速度快的在线式硼浓度监测装置，弥补现有离线式和在线式硼浓度监测装置的使用缺陷，提高硼浓度监测装置的响应时间、简化定期校准流程，同时减小探测装置的体积，提高信号处理装置的信噪比。

Description

一种在线式硼浓度监测装置

技术领域

本发明属于核电站在线监测装置，具体是对核电站压水堆一回路中的硼浓度进行连续在线监测的装置。

背景技术

压水堆核电站反应堆功率的控制是通过调节控制棒和硼浓度来实现的，由于调节控制棒时，反应堆功率变化明显，因此在反应堆平稳运行时，主要是通过向一回路加入一定浓度的硼酸溶液来调节反应堆功率的。一方面，反应堆在启动、运行或功率调节中需要在反应堆一回路冷却水中加入硼酸或稀释硼酸来实现反应堆反应性的补偿控制，以便展平堆功率，增加燃耗。另一方面，反应堆在停堆、换料和大修时，要利用加硼酸使活性区长时间保持在次临界状态。由于一回路的水需要不断通过离子交换器净化，存在硼酸丢失的可能性，所以对反应堆一回路中的硼浓度的连续在线监测是一项非常重要的工作，硼浓度监测装置是核电站安全、稳定和经济运行所不可缺少的设备。

目前压水堆核电站硼浓度监测主要有在线式和离线式两种方式。其中，离线式为取样容器监测，一回路的水冷却后送入一密封容器中，该容器为圆柱体状，中心有一同轴的圆柱形中子探测器浸没在水中，容器一侧设置一同位素中子源，容器和中子源周围为中子慢化和屏蔽材料，利用中子探测器测量直射和散射的中子在含硼水中的减弱情况，进而获得水中硼的浓度信息。该装置要能准确获知水中硼的浓度，需要预先配置已知浓度的标准含硼溶液，将标准溶液注入探测装置测量得到刻度曲线，并且定期进行校准。该监测方式的优点是取样容器可以做得很大，当水中硼浓度变化非常小的时候，探测器测量到的中子变化仍然非常明显。该监测方式的缺点在于需要从一回路引出专门的旁路管线，而一回路本身压力、温度均非常高，属于核承压边界，任何操作都要小心进行，既不能破坏一回路自身的完整性，又需要防止一回路中含放射性物质的水外泄。因此，需要在取样管路上设置专门的减压和冷却装置。同时，定期校准时还需要专门的废水收集装置，繁杂的取样管路也延长了监测装置的响应时间。

在离线式监测装置的基础上，近年来开发了在线式监测方式，如专利申请号为201010263543.4，名称为《核电站硼浓度在线监测系统》的专利请求，以及申请号97197158.7，名称为《用来测定硼浓度的测量装置》，描述了两种在线式硼浓度监测装置，其基本方法是在反应堆一回路管道上架设一中子吸收装置，在管路一侧放置一中子源，另一侧放置中子探测器，测量中子源穿过一回路管道时中子被硼吸收的情况，进而找出管道内水中硼的浓度。

申请号为201010263543.4的专利请求缺点是，该装置从离线式监测装置改进而来，保留了复杂的标定装置，以及零散的电子学设备，设备使用时需要接入标定装置进行定期校准，且远离探测装置的脉冲前放使得电子学信噪比大为降低，给设备维护和稳定运行带来了不便。

申请号为97197158.7的专利请求缺点是，该装置定位在温度非常高的一回路主管道上，使用温度达到几百摄氏度，需要设置专门的冷却装置对电子学设备（主要是中子探测器）降温，而冷却介质受环境温度影响很大，因此，很难保证探测器温度恒定不变，使得测量结果的可信度降低。另外，该探测装置管道外围为聚乙烯材料，只在最外层设置了一层镉板吸收热中子，聚乙烯材料只能对中子进行慢化，吸收效果非常差，因此大量中子需要慢化到热中子后才能被最外层的镉板吸收。为了达到人员可接受的辐射水平，需要设置很厚的慢化层，使得设备体积庞大，使得在管路复杂的反应堆厂房内安装和拆卸起来非常困难。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种集成度高、结构紧凑、拆卸方便、可自我校准、测量响应速度快的在线式硼浓度监测装置，弥补现有离线式和在线式硼浓度监测装置的使用缺陷，提高硼浓度监测装置的响应时间、简化定期校准流程，同时减小探测装置的体积，提高信号处理装置的信噪比。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种在线式硼浓度监测装置，架设在靠近化容系统的管道上，包括中子源、用于安装中子源的组件、中子探测器和设于中子源周围的屏蔽体，所述中子源设于一回路管道的正上方，为了提高中子源发射的中子的利用率，中子源和管道之间留有一段距离。所述中子探测器位于一回路管道的正下方，与管道之间留有空隙，该空隙填充隔热材料，所述中子探测器下半部外围设有用于吸收热中子的镉板。

所述中子源的上方设有与中子探测器管径相同的校准孔，管道和校准孔之间设有用于吸收热中子的镉板。为了简化探测装置的定期校准试验流程，在中子源斜上方设置有一与中子探测器安装孔道相同的校准孔，由于中子源寿命非常长，因此可以认为该孔道内的中子通量是固定不变的。定期试验时，只要将中子探测器移至校准孔，检查探测器的测量值是否与初次测量值相同，即可知道探测效率是否发生变化，如果探测效率发生变化时，还可根据两次测量结果的比值对测量结果进行修正。

所述中子源周围的屏蔽体由里层的聚乙烯慢化层和外层的含鹏聚乙烯层组成，所述一回路管道、中子探测器和校准孔均处于聚乙烯慢化层中。安装中子源的组件也相应的设置为聚乙烯慢化层和含硼聚乙烯层两层结构。为了获得较小的屏蔽体、同时较高的中子屏蔽效率，在中子源及管道周围先设置了一层聚乙烯慢化层，将一部分高能中子慢化。在聚乙烯外围设置了一层含硼聚乙烯，将剩余的高能中子慢化，同时由含硼聚乙烯中的硼吸收掉慢化后的热中子。由于含硼聚乙烯在慢化中子的同时可以吸收中子，缩短中子漂移距离，因此减少了中子慢化层的厚度，使得探测装置的体积显著缩小。

在上述技术方案中，该监测装置设为上、中、下三层，所述中子源位于上层，一回路管道位于中层，中子探测器位于下层，各层由金属外壳包装为一个独立的整体，由两侧贯穿三层的螺栓固定，其中，中间层分为左右两部分，一回路管道设于中间层左右两部分之间。为了方便拆卸，同时在条件允许时采用有标准硼溶液的管路对探测装置进行校准，探测装置设置为上中下三层，其中上下两层为单个整体结构，而中间一层为左右两部分。拆卸时，利用螺栓将中间一侧的部分与上下固定，另一侧放松，向固定一侧平推监测装置，即可将监测装置从管路上推出，避免了每次校准均需要从上往下吊装屏蔽体、拆卸中子源的麻烦。

在上述技术方案中，所述中子探测器的前置放大电路紧邻中子探测器设置，中子探测器末端设有可拆卸的屏蔽体及拉手，同时在校准孔孔口处也设置有可拆卸的屏蔽体及拉手。为了提高探测装置电子学部分的信噪比，中子探测器的前置放大电路与中子探测器设置在一起，将探测器输出的弱信号在探测装置端进行放大处理后，再传输给布置在较远位置的信号处理装置，由信号处理装置对信号进行处理，获得管路中的硼浓度信息，以及相应的报警信号后，再将结果传输给远程端的信息机柜，对数据信息绘图和存储。该布置结构避免了探测器输出的弱信号先进行远距离传输再放大时引起信噪比下降，同时利用信号处理装置对测量结果进行处理，减少了信息机柜内复杂的电子学设备，使探测装置的集成度进一步提高，增强了设备的可靠性。

附图说明

图1为本发明中监测装置的径向截面示意图。

图2为本发明中监测装置的轴向截面示意图。

图3为本发明中监测装置及信号处理、数据采集部分连接示意图。

其中：1. 固定螺杆，2. 中子源组件含硼聚乙烯层，3.监测装置上层聚乙烯慢化层，4. 中子源组件聚乙烯慢化层，5. 监测装置中部左侧含硼聚乙烯层，6. 监测装置中部左侧聚乙烯慢化层，7. 隔热腔，8. 监测装置下层聚乙烯慢化层，9. 镉板，10. 监测装置上层含硼聚乙烯层，11. 校准孔，12. 中子源，13. 镉板，14. 监测装置中部右侧含硼聚乙烯层，15. 一回路管道，16. 监测装置中部右侧聚乙烯慢化层，17. 中子探测器，18. 监测装置下层含硼聚乙烯层，19. 校准孔屏蔽塞，20. 校准孔拉手，21. 前置放大电路板，22. 探测器拉手，23. 电缆，24. 探测器屏蔽体。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的测量原理及其技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，为本发明在线式硼浓度监测装置的一种实施例的径向截面示意图，如图2所示，为该实施例的轴向截面示意图。其中，中子源12位于一回路管道15的正上方，与管道之间留有间隙，中子探测器17位于一回路管道15的正下方，与管道之间留有隔热腔7，用于填充隔热材料。所述隔热材料可以是石棉、玻璃纤维或矿渣棉。在中子探测器17下半部分外围设有吸收热中子的镉板9，用于吸收监测装置下层聚乙烯慢化层8中向计数管散射的中子。在中子源12的右上方设有与中子探测器管径相同的校准孔11，用于定期对中子探测器探测效率进行校准，为了减小管道15中硼浓度变化时对校准结果的影响，在管道15和校准孔11之间设有吸收热中子的镉板13，用于吸收从管道15向校准孔11发射的中子。为了在不增加探测装置体积的前提下，尽可能多地屏蔽中子源向外界发射的中子，中子源12周围的屏蔽体由里层的聚乙烯慢化层和外层的含鹏聚乙烯层组成，聚乙烯层将一部分高能中子慢化，含硼聚乙烯层将剩余的高能中子进一步慢化并吸收掉。所述一回路管道、中子探测器和校准孔均处于聚乙烯慢化层中。为了达到尽可能好的屏蔽效果，安装中子源的组件也分为聚乙烯层4和含硼聚乙烯层2。

如图1所示，为了方便使用现场的拆卸和安装，本发明将探测装置设置为上、中、下三层，其中，3、10及中子源组件2和4为上层，5、6、14、16为中层，8、18及中子探测器17为下层，各层由金属外壳包装为一个独立的整体，由贯穿三层的固定螺杆1固定。中间层又分为左右两部分，5、6为左半部分，14、16为右半部分。拆卸时，固定一侧的螺杆，将另一侧的螺杆拆除，如拆除左侧螺杆，然后向右平推探测装置，即可将中间层的左侧部分及管道15从监测装置中滑出，避免了拆卸时需移出中子源、由上向下吊装零部件的麻烦。

如图2所示，为了减少中子探测器17输出的弱信号的传输距离，将前置放大电路21设置在紧邻探测器的位置，弱信号经过放大处理后，由电缆23向外输出。为了方便校准时探测器拆卸，在探测器末端设置了可拆卸的探测器屏蔽体24及探测器拉手22，由17、21、22、23和24组成探测器组件，同时在校准孔孔口处也设置有可拆卸的校准孔屏蔽塞19和校准孔拉手20，校准时，只要把校准组件从探测装置中移出，将探测器组件插入校准孔，即可进行测试，这样既保证了正常使用时中子不会从校准孔移出，又保证了每次校准时探测器相对于中子源的几何条件不变。

如图3所示，为本发明中监测装置功能布置的一种实施例。由图1、图2所示的监测装置将中子穿过一回路管道后的原始信息传输给位于监测装置附近的信号处理装置，该信号处理装置负责给中子探测器及前置放大电路提供工作电压、并将前置放大电路输出的信号进行运算处理后，给出管道中硼浓度的实时信息，并根据设定的报警阈值发出相应的报警信号。信号处理装置还负责将测量结果传输至远程端的信息机柜，由机柜内部的计算机负责绘制历史曲线及数据存储。

Claims (3)

1.一种在线式硼浓度监测装置，包括中子源、用于安装中子源的组件、中子探测器和设于中子源周围的屏蔽体，其特征是：所述中子源设于一回路管道的正上方，与管道之间留有间隙，所述中子探测器设于一回路管道的正下方，与管道之间留有隔热腔，该隔热腔填充隔热材料，所述中子探测器下半部外围设有用于吸收热中子的镉板，所述中子源的上方设有与中子探测器管径相同的校准孔，管道和校准孔之间设有用于吸收热中子的镉板，所述中子源周围的屏蔽体由里层的聚乙烯慢化层和外层的含鹏聚乙烯层组成，所述一回路管道、中子探测器和校准孔均处于聚乙烯慢化层中；该监测装置分为上、中、下三层，所述中子源位于上层，一回路管道位于中层，中子探测器位于下层，各层由金属外壳包装为一个独立的整体，由两侧贯穿三层的螺栓固定，其中，中间层分为左右两部分，一回路管道设于中间层左右两部分之间。

2.根据权利要求1所述的一种在线式硼浓度监测装置，其特征是：所述中子探测器的前置放大电路紧邻中子探测器设置，用以减少中子探测器输出的弱信号的传输距离，中子探测器末端设有可拆卸的屏蔽体及拉手，同时在校准孔孔口处也设置有可拆卸的屏蔽体及拉手。

3.根据权利要求1所述的一种在线式硼浓度监测装置，其特征是：所述隔热腔中填充的隔热材料为石棉、玻璃纤维或矿渣棉。