蛇形管硼浓度测量装置研究

陈少杰1，桂龙刚2,3，孙光智2，李小华3，代传波2，吴志斌2, 徐耀伟2，曾乐2

（1.海司军训部, 北京 1008[1]41 ；2.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064；

                     3.南华大学核科学技术学院，湖南衡阳 421001；）

摘要：针对核电站离线式硼浓度测量装置，提出了用蛇形管代替传统取样容器的测量装置模型。首先，用Fluent软件模拟证明了蛇形管能减少流体滞留时间，与取样容器相比，提高了硼浓度测量的响应时间。其次，为了提高蛇形管硼浓度测量装置的准确度，利用Geant4模拟了蛇形管截面形状、材料以及慢化体厚度对信噪比的影响，其结论可供改进离线式硼浓度探测装置提供参考。                                                                           关键词：硼浓度；蛇形管；Fluent；滞留时间；信噪比；Geant4

中图分类号：TL816.3     文献标识码：A

The Study on Boron Concentration Measuring Device of the Coiler Multiloop Tube

CHEN Shao-jie 1 ,  GUI Long-gang 2，3,  SUN Guang-zhi 2,  LI Xiao-hua3 ,  DAI Chuan-bo2,  WU Zhi-Bin 2，XU Yao-wei 2，ZENG Le 2

(1. Department of Military Training Headquarters of Navy, Beijing 100841；
2. Wuhan Secondary Ship Design and Research Institute ,Wuhan 430064, China；                                         3. University of South China, Hengyang 421001, China) 

Abstract: For the off-line boron concentration measuring device, it is put forward that the measuring device model of traditional sampling container is replaced by the coiler multiloop tube. Firstly, the simulation with the Fluent software has proved that the coiler multiloop tube can reduce the fluent detention time, and comparing with the sampling container, the response time of measuring the boron concentration has been improved. Secondly, in order to improve the accuracy of the coiler multiloop tube (the boron concentration measuring device), Geant4 is used to simulate the influence of the section shape and materials of the coiler multiloop tube and thickness of the moderator to the signal-noise ratio. Its conclusion can be as the reference to retrofit the off-line boron concentration detector.

Key words: Boron concentration；Coiler multiloop tube；Detention time；Signal-to-Noise ratio；Geant4

核电站硼浓度测量装置主要用于实时监测反应堆一回路水中硼酸浓度。由于核电站主回路中的10B的热中子的吸收截面很大（约3837靶），通常采用中子吸收法原理[1]，即中子在不同浓度的10B溶液中衰减率不同的原理，测量同位素中子源发出的中子在穿过硼溶液后热

中子通量的变化率，从而连续测量反应堆一回路中10B含量的变化，并根据设定的报警阈值实时给出报警信号，为控制一回路中10B的浓度和反应堆的反应性提供数据依据。目前国内主要采用离线式取样容器型硼浓度测量装置，响应时间较慢[1]，为提高响应时间，本文提出了使用蛇形管代替传统取样容器的改进方法。

1    取样容器型与蛇形管型

传统离线式硼浓度测量装置是利用较细的取样管路从一回路中连续取样，送至核辅助厂房，流入一定容积的容器中，测量由同位素中子源发射的中子穿过容器后中子通量的变化情况，若溶液中硼浓度增加，则到达计数管中子减少，计数率降低，反之，若硼浓度降低，则到达计数管中子增多，计数率增高，中子计数率随硼浓度增加呈负指数衰减变化，通过测量中子计数率，就可以测出硼浓度。为了提高硼溶液的利用率，减小容器外围散射中子的干扰，将中子探测器安装在容器内部，探测器接收的中子都是经过硼溶液衰减的，无干扰计数，中子源利用率高。

          

若以蛇形缠绕管（简称蛇形管）代替取样容器，中子计数管由于被蛇形管所缠绕，可接收四周被硼溶液衰减的中子，干扰计数小，同样能保证较高的中子源利用率。蛇形管四周为一定厚度的慢化层，可将中子源发出的快中子慢化成热中子，以提高计数管的计数率。慢化层四周是以含硼聚乙烯为材料的屏蔽层，以使硼浓度探测装置满足表面剂量率限值要求。

2    滞留时间

在传统取样容器模型中，取样溶液由较细的管路流至取样容器时，由于溶液流道截面发生突变，导致流速变慢，且由于受不同浓度溶液互相扩散以及存在“死区”等影响，溶液在传统取样容器中存在一定的滞留时间，不可能立即从取样容器另一端全部流出，这样对测量响应时间会带来一定影响，为了满足硼浓度测量装置实时测量的要求，提高响应时间，应尽可能减小滞留时间。

为了比较硼溶液在传统取样容器和蛇形管内滞留时间的长短，用三维建模软Solidworks建立两种取样方式的几何模型，并将其导入到用流体力学计算软件Fluent中，分别模拟流体在蛇形管和传统取样容器中的流动情况。Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一，可针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合它的数值解法，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航天航空、汽车设计、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用[2]。

在相同条件下建立以下模型：进出口管道尺寸相同，进口处流体平均速度为10m/s，流动的硼酸浓度恒为3000ppm，某时刻开始，进入的硼酸溶液突变为纯净水（硼酸浓度0ppm）。当取样容器内硼酸溶液浓度从3000ppm被稀释到0ppm时，可以认为原硼酸溶液被新流进的纯净水完全置换。用Fluent软件分别模拟传统取样容器和蛇形管中残存的硼酸溶液随时间的变化情况。                                                                   

当硼浓度接近0ppm时，蛇形管流体居留时间大约为1.1秒，而取样容器流体居留时间约为9.5秒，足以证明在相同情况下，流体在蛇形管中的滞留时间比传统取样容器更短，硼浓度测量的响应时间更快。

 

3    信噪比

蛇形管型硼浓度测量装置中，可用信噪比的大小来表征中子计数率随硼浓度衰减曲线的“陡峭程度”，衰减曲线越陡，则信噪比越大。为了提高硼浓度测量准确度，要求信噪比越大越好。为了分析蛇形管形状、材料及中子源与蛇形管之间的慢化层厚度对信噪比产生的影响，使用Geant4蒙特卡罗粒子输运程序对其模拟。

Geant4是欧洲核子中心主导设计开发的一套用于仿真粒子在物质中输运过程的蒙特卡罗软件工具包，可用以解决空间辐射、核辐射计算、重粒子和医学领域的粒子输运问题。Geant4由物理过程模块，结构外形模块，运行、事件、轨迹管理模块，追踪管理模块，碰撞和数字模块，可视化和用户接口模块，以及一套相关应用程序组成[3]。

计数管内中子与10B发生(n,α)反应，α粒子为重带电粒子，每沉积一个α粒子，中子正比计数管便可输出一个脉冲计数，因此通过Geant4模拟α粒子在中子正比计数管内的能量沉积个数，即可获得的脉冲计数率的大小[4]，再通过改变溶液硼浓度，进而可获得中子计数率随硼浓度（0ppm~4000ppm）的变化情况。由于镅铍中子源发射中子的（α,n）反应和中子与10B发生(n,α)反应都是随机性核反应，一次模拟取得的计数（α粒子的沉积个数）具有一定统计涨落的。为减少计数的统计涨落，可采用增加入射粒子数和多次模拟求平均值这两种方法，使中子计数随硼浓度变化曲线更加光滑。

 

3.1    蛇形管形状

由于蛇形管特殊的缠绕结构，一方面，每圈之间必然存在一定厚度的管壁间隙、及管壁厚度，部分中子可以不经过硼溶液，而直接穿入中子计数管内形成脉冲计数，这部分计数属于干扰计数，为了提高信噪比，应尽可能减少干扰计数，所以要求每圈之间的间隙足够小、管壁足够薄；另一方面，从图4可以看出，圆形截面蛇形管每圈呈现中间长两侧短的特征，这会导致中子穿过硼溶液的距离（后面简称径向距离）不均匀，而方形截面蛇形管径向距离恒定，为了分析径向距离的差异对硼浓度测量的影响，假定方形管与圆形管截面最大径向距离相同，在其他条件相同的条件下利用Geant4模拟，模拟过程如图4所示，从模拟结果图5可以得出结论，方形截面蛇形管比圆形截面蛇形管衰减曲线更加陡峭，即信噪比更大。 

                     

3.2    慢化距离

若中子源为Am-Be中子源，中子产额为2.2×106/s.Ci ，半衰期 T1/2＝433年；中子能量为0.1MeV~11.2MeV，平均能量为5MeV，中子源与蛇形管之间要设置一定厚度的慢化体，若以聚乙烯为例，利用Geant4模拟不同慢化厚度对衰减曲线的影响。

从模拟结果图6可以看出，慢化体厚度不同会对信噪比的大小带来一定影响，当聚乙烯厚度为8cm左右时，信噪比达到最大。不同慢化材料的慢化性能不同，可根据实际选用的慢化材料选择最优慢化厚度以提高信噪比。

3.3    材料

由于蛇形管特殊的安装环境，要求其材料化学性质稳定，具有足够的机械强度，且热中子吸收截面小。当蛇形管分别选用钛合金、不锈钢、铝合金、锆合金、黄铜作材料时，利用Geant4模拟中子计数率随硼浓度变化情况。

从模拟结果图7可知，不同材料的蛇形管会对衰减曲线的信噪比带来一定影响，用铝合金或锆合金作蛇形管材料材料可获得较大的信噪。从经济角度分析，选用铝合金作蛇形管材料更好，这是因为铝合金是铝与其他金属的合成物且其表面具有氧化膜保护，耐腐蚀性能良好；价格低廉，便于更换；具有很高的可塑性，易于加工[5]。

4    结语

在离线式硼浓度测量装置中，用蛇形管代替传统取样容器，可保留传统取样容器型硼浓度测量装置干扰计数少、中子源利用率高等优点，同时还能有效减少流体的居留时间，提高测量响应时间。当蛇形管径向距离一定时，通过选择方形截面及铝合金材料的蛇形管，并设置合适的慢化剂厚度可以有效增大信噪比，提高硼浓度测量准确度。

 

参考文献：                                                                                             

[1] 邓圣，李翔等. 在线式核电站硼浓度计研制[C]，第七届全国核仪器及其应用学术会议.

暨全国第五届核反应堆用核仪器学术会议论文集.

[2] 王福军. 计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M]. 清华大学出社.2007-04-01.

[3] 谢一岗.粒子探测器与数据获取[M].科学出版社.2003年7月.

[4] Geant4 User’s Guide for Application Developers,Geant4 Collaboration,December

    17,2010.

[5] 邵泽波，高路等. 金属材料速查手册[M]. 化学工业出版社.2008-1-1.

 

 

经评选委员会评选，此文获得一等奖

获奖理由：

针对核电站离线式硼浓度测量中，传统的圆柱形测量容器存在的缺点，文章创造性地提出了一种蛇形管结构的硼浓度测量装置，并对这种方案的响应时间、信噪比等技术参数进行了详尽的理论分析和性能预测，为装置的设计、制造提供了明确的理论和方法指导，成果对于核电站主回路硼浓度的测量改进，将产生深远的影响。

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作者介绍：桂龙刚（1987-），男，汉族，四川省成都市，南华大学核科学与技术学院，核能与核技术工程专业 在读硕士研究生tel：15387189013  email：15387189013@163.com