基于坎贝尔理论的数字化宽量程种子测量技术的初步研究

主要作者 : 乔宁　李铎　熊华胜， 清华大学核能与新能源技术研究院， 北京 100084

一、引言

核测量系统是核电厂最重要的测量系统之一，对于保证反应堆安全平稳运行起着极其重要的作用，用于向核电站的其他仪表与控制系统(I&C系统)提供反应堆功率水平信息。

中子通量对反应堆功率变化的响应速度快(毫秒级)，所以普遍用来监测堆的热功率。由于堆芯内环境条件十分严酷，一般中子探测器难以长期工作，核电厂通常把中子探测器置于反应堆压力容器外，测量由堆芯泄漏出来的中子，所以也称为堆外中子测量系统，其注量率水平较堆内的要低三个数量级。

核测量系统必须全程监测核反应堆的功率水平，从次临界冷停堆状态到特定的超功率状态，最大200%，其中中子通量的变化范围达10个量级以上。如此宽的测量范围，同时又要保证一定的测量精度，采用一套测量装置是难以实现的。通常，核测量系统将10个量级的中子通量测量范围分为三个区段进行，即源量程、中间量程和功率量程，相邻的两个测量区段间至少有一个量级的重叠搭界。相应于三个测量区段分别设置三种测量子系统，即源量程测量子系统、中间量程测量子系统和功率量程测量子系统。

早在上世纪六十年代,国外开始了宽量程中子测量技术的研究,研究中应用裂变室可以实现较宽范围内中子通量的监测，在中子通量水平比较低时，输出脉冲形式的电信号，脉冲的频率与中子通量水平成正比;随着中子通量水平的提高，脉冲信号彼此之间相互叠加，裂变室的输出信号是具有一定频率的脉动直流电信号，根据坎贝尔理论，此时信号的均方根值与中子通量水平成正比，也与反应堆核功率成正比;当中子通量进一步提高时，前置放大电路有可能饱和，改用电流检测法。

本文基于坎贝尔理论,对数字化宽量程中子测量技术进行初步研究。在LabVIEW环境下，通过使用高速数据采集模块(ADLINK PCI-9846)采集模拟的裂变室输出信号，应用数字处理技术对采集的信号进行相关处理，并根据坎贝尔理论间接地测量出模拟的脉冲信号计数率值,该数值代表了核反应堆功率水平。

二、数字化核测量系统

2.1. 数字化核测量系统的优点

基于模拟电子技术的宽量程核测量装置中某些固有的缺陷和不足，长期未能得到很好解决，主要有:

（1）电路复杂，难以实现先进的信号处理算法，可靠性差；
（2）长期运行漂移严重，测量稳定性差，例如应用模拟技术实现的均方根值计算电路因为器件的温漂、噪声等原因，计算结果难以实现较高的精度；
（3）易受到噪声和电磁干扰，功率或周期信号不稳定是保护系统误动作的主要原因之一。
（4）小型化十分困难。传统模拟技术的核测量装置体积庞大；
（5）脉冲与坎贝尔测量方式线性度不同，搭接困难。
 

与传统模拟核测量装置比较，数字化核测量装置具有很多明显的优势：

（1）数字化处理装置由于信号传递等功能都由计算机实现，具有速度快，精度高，抗噪音和干扰性强等优点；
（2）数字处理技术使得高级信号处理算法的实现成为可能，从而允许我们在更高的精度上抑制干扰，噪声，漂移等影响，提高测量的精确性和稳定性；
（3）使用单一的测量方式，数字化后统一进行处理，线性度统一。