1.技术领域
本发明一般涉及采用堆芯外检测器的核反应堆系统，更具体地，涉及这种采用安全壳内堆芯外检测器低噪声放大器系统的核反应堆系统。
2.
背景技术：
在压水反应堆发电系统中，通过支撑在堆芯内的多个燃料棒中发生的裂变链反应在压力容器的堆芯内产生热量。燃料棒在燃料组件内保持间隔关系，其中棒之间的空间形成冷却剂通道，硼酸化水流过该冷却剂通道。冷却水内的氢缓和从燃料内的浓缩铀发射的中子，以增加核反应的数量，从而提高该过程的效率。控制棒导向套管散布在燃料组件内以取代燃料棒位置，并用于导向控制棒，控制棒可操作以插入堆芯中或从堆芯中取出。当插入时，控制棒吸收中子，从而减少核反应的数量和堆芯内产生的热量。冷却剂通过组件流出反应堆到蒸汽发生器的管侧，其中热量以较低的压力传递到蒸汽发生器的壳侧中的水，这导致产生用于驱动涡轮机的蒸汽。离开蒸汽发生器的管侧的冷却剂由主冷却剂泵以闭环循环驱动回反应堆以更新过程。
核反应堆的功率水平通常分为三个范围：源或启动范围、中间范围和功率范围。连续监测反应堆的功率水平以确保安全操作。这种监测通常借助于放置在反应堆堆芯外部和内部以用于测量反应堆的中子通量的中子检测器进行。由于反应堆中任何一点处的中子通量与裂变率成比例，因此中子通量也与功率水平成比例。
裂变和电离室已用于测量反应堆的源范围、中间范围和功率范围内的通量。典型的裂变和电离室能够在所有正常功率水平下操作。然而，它们通常不够灵敏到精确地检测源范围内发射的低水平中子通量。因此，当反应堆的功率水平处于源范围内时，通常使用单独的低水平源范围检测器来监测中子通量。
当处于适当能级的自由中子撞击包含在燃料棒内的可裂变材料的原子时，堆芯内的裂变反应发生。该反应导致释放从反应堆冷却剂中的堆芯中提取的大量热能，并释放可用于产生更多裂变反应的额外自由中子。这些释放的中子中的一些逃逸堆芯或被中子吸收剂(例如控制棒)吸收，因此不会引起额外的裂变反应。通过控制堆芯中存在的中子吸收剂材料的量，可以控制裂变的速率。在可裂变材料中总是发生随机裂变反应，但是当堆芯被关闭时，释放的中子以如此高的速率被吸收，从而不会发生持续的一系列反应。通过减少中子吸收材料直到给定代中的中子数等于前一代中的中子数，该过程变为自持连锁反应，并且反应堆被认为是“临界的”。当反应堆处于临界时，中子通量比反应堆关闭时高大约6个数量级。
图1示出了核电发电站10的初级侧，其中核蒸汽供应系统12供应蒸汽以驱动涡轮发电机(未示出)产生电力。核蒸汽供应系统12具有压水反应堆14，其包括容纳在压力容器18内的反应堆堆芯16。反应堆堆芯16内的裂变反应产生热量，其被穿过堆芯的反应堆冷却剂(如水)吸收。加热的冷却剂通过热支管管道20循环到蒸汽发生器22。反应堆冷却剂经由反应堆冷却剂泵24通过冷支管冷却剂管道26从蒸汽发生器22返回到反应堆14。通常，压水反应堆具有至少两个、通常是三个或四个蒸汽发生器22，每个蒸汽发生器22通过与冷支管26和反应堆冷却剂泵24一起形成主回路的单独的热支管20供应加热的冷却剂。每个主回路向涡轮发电机供应蒸汽。图1中示出了两个这样的循环。
返回到反应堆14的冷却剂向下流过环形降液管，然后向上流过堆芯16。堆芯的反应性，以及因此反应堆14的功率输出由控制棒在短期内控制，所述控制棒可以选择性地插入堆芯。通过控制中子减速剂(诸如溶解在冷却剂中的硼)的浓度来调节长期反应性。当冷却剂循环通过整个堆芯时，硼浓度的调节均匀地影响整个堆芯的反应性。另一方面，控制棒影响局部反应性并因此导致堆芯16内的轴向和径向功率分布的不对称。
堆芯16内的状况由多个不同的传感器系统监测。这些包括堆芯外检测器系统28，其测量从反应堆容器18逃逸的中子通量。堆芯外核仪器系统28连续监测反应堆的状态并向控制室提供系统状态。如前所述，存在三种类型的堆芯外检测器；源范围检测器、中间范围检测器和功率范围检测器。
中间范围前放大器组件是在中间范围检测器和核仪器系统信号处理组件(nispa)之间接口的关键组件。该系统的目的是测量从堆芯漏出的中子辐射，以确定反应堆过功率保护和事故后监测的功率水平。中间范围检测器测量从近停机状况到200％功率的功率水平。检测器具有将检测器连接到接线盒的集成矿物绝缘线缆，所述矿物绝缘线缆在接线盒处转换为四轴-铜线缆。图2示出了堆芯外中间范围核仪器系统的高级电路图。中间范围检测器30恰好位于反应堆容器18的外部，与反应堆堆芯16对齐。检测器30的输出通过矿物绝缘线缆40供给到接线盒32。矿物绝缘线缆40通过接线盒32转换为四轴-铜线缆42。四轴-铜线缆通过反应堆安全壳34中的穿透部连接到核仪器系统中间范围前置放大器辅助面板36，其包含中间范围前置放大器44。中间范围前置放大器44位于安全壳外部并放大检测器输出，该检测器输出然后被供给到核仪器信号处理中心46内的光纤调制解调器48和核仪器信号接口38。
用于中间范围和功率范围的堆芯外检测器需要承受冷却剂事故损失(loca)状况，其中连接器和线缆暴露于200摄氏度的升高温度和高达36mrad的伽马辐射。已经表明电流检测器线缆、现场线缆和连接器设计非常易于受这些环境条件影响。一种可能的解决方案是在浸水区(floodzone)外部重新定位至少两个接线盒。这种重新定位呈现出多个问题，诸如增加的线缆损耗、需要额外的接线盒和额外的装备资质程序以及大量的额外成本。因此，需要一种能够承受恶劣环境同时保持或超过当前系统的功能的解决方案。本发明的一个目的是提供这样的解决方案。
技术实现要素：
这些和其他目的在如下核反应堆系统中实现，该核反应堆系统包括容纳其中发生裂变反应的核堆芯的核反应堆容器，用于监测核反应堆容器内的裂变反应的核仪器系统，其中核仪器系统的至少部分位于辐射屏蔽的安全壳内。该核仪器系统包括核检测器，该核检测器响应于核堆芯内的裂变反应的数量来提供裂变反应的数量的指示的电输出。检测器线缆在一端连接到核检测器的电输出信号，其中检测器线缆在核检测器的电信号输出和安全壳内的终止位置之间延伸。真空微电子器件低噪声放大器位于安全壳内的终止位置处，并具有连接到检测器线缆的真空微电子器件输入，用于接收核检测器的电输出。真空微电子器件可操作以放大核检测器的电输出，以提供核检测器放大输出信号。现场线缆在其输入位置处连接到真空微电子器件低噪声放大器的输出，其中现场线缆从输入位置通过安全壳中的穿透部延伸到安全壳外部的处理位置处的现场线缆输出。核仪器系统信号处理组件位于安全壳外部的处理位置处并连接在现场线缆输出并且可操作以接收核检测器放大输出信号并根据该核检测器放大输出信号确定堆芯内发射的中子辐射的水平，以确定核反应堆系统的功率水平。
在一个实施例中，核检测器是中间范围核检测器，并且理想地，检测器线缆是集成矿物绝缘线缆。理想地，真空微电子器件取代了传统的堆芯外核仪器系统中的中间范围前置放大器。优选地，真空微电子器件还取代了传统的堆芯外核仪器系统中的核检测器和中间范围前置放大器之间的接线盒。理想地，真空微电子器件位于安全壳内，相对靠近核检测器。在一个实施例中，核反应堆容器支撑在反应堆腔内，并且真空微电子器件支撑在反应堆腔壁的任一侧附近。在一个这样的实施例中，现场线缆是四轴-铜线缆。
在又一个实施例中，电力线缆为核检测器和真空微电子器件两者供电。在一个优选实施例中，真空微电子器件包括第一级，其将核检测器的电输出引导(prime)至驱动放大器，其中驱动放大器的信号输出耦合到转换器，该转换器可操作以将驱动输入的信号输出转换为与通过驱动放大器信号所连接到的光缆的传输兼容的形式。优选地，真空微电子器件的输出是均方电压输出，其与监测中间范围核检测器范围的上端处的核通量相容。优选地，真空微电子器件的期望放大输出是从输入到真空微电子器件的预定电源获得的。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下优选实施例的描述中可以获得对本发明的进一步理解，附图中：
图1是核电发电系统的初级侧的示意图；
图2是传统的堆芯外中间范围核仪器系统的一个实施例的高级电路示意图；
图3是本发明的检测器系统的框图；以及
图4是本发明的真空微电子器件的一个实施例的高级电路示意图。
具体实施方式
如前所述，用于中间范围和功率范围的堆芯外检测器需要承受冷却剂事故损失状况，其中连接器和线缆暴露于200摄氏度的升高温度和高达36mrad的伽马辐射。已经表明电流检测器线缆、现场线缆和连接器设计非常易于受这些环境条件的影响。一种可能的解决方案是在浸水区外部重新定位至少两个接线盒。这种重新定位呈现出多个问题，诸如增加的线缆损耗、需要额外的接线盒、额外的装备资质程序以及显着增加的成本。需要一种能够承受恶劣环境同时保持或超过当前系统的功能的解决方案。
本发明提供了这样的解决方案。优选实施例包括真空微电子器件低噪声放大器，其将取代传统的堆芯外核仪器系统中的中间范围前置放大器。鉴于当前的中间范围前置放大器是由分立元件(即栅极、放大器等)而非微控制器或现场可编程门阵列构成的，真空微电子器件是这些元件的合适替代品，并且更少易于受辐射和高温的损害，并且可以更靠近反应堆容器定位，在反应堆容器腔内或靠近反应堆容器腔。真空微电子器件低噪声放大器通过放大器的物理位置更靠近反应堆(其更接近于堆芯外检测器的输出(到整个核仪器系统信号传输链的输入))显着提高了信噪比和噪声系数。传统的信号理论表明传输链前端的损耗比后级的损耗更显着地影响信噪比和噪声系数。噪声系数是信噪比由设备/系统所降级程度的度量。归因于级联中的每个级的噪声贡献的总噪声因子遵循friis方程：
其中nfn和gn分别是级n的线性噪声系数和线性增益。噪声系数是以分贝(db)表示的噪声因子。噪声因子方程表明第一级对系统的整体噪声因子/系数影响最大。结果，为了降低总噪声系数，第一级器件应具有低噪声和相对高的增益。这就是为什么低噪声放大器是通信系统或处理极低电平信号并且需要高精度的系统(诸如堆芯外核仪器系统)中的第一有源器件。
真空微电子器件低噪声放大器应位于堆芯外检测器输出和穿透部之间，尽可能靠近反应堆容器，优选在反应堆容器腔中或在与反应堆容器腔相邻的区域中。该位置使得相对更昂贵的检测器线缆的长度减小，并且更重要的是，减少与大约200英尺的线缆相关的信号损失。该解决方案确实增加了现场线缆(四轴-铜线缆)的长度，但降低了接线盒、配合连接器和现场线缆的复杂性和成本。优选使用相同的电力线缆向堆芯外检测器提供高电压并为真空微电子器件低噪声放大器中的脉冲放大器供电。由于真空微电子器件不易于受当前系统已证明易受损害的高温或辐射剂量的影响，因此系统的整体可靠性将得到改善。图3是示出系统中的真空微电子器件的框图，因为它将取代图2中所示的当前中间范围前置放大器44。
该实施例的设计利用真空微电子器件来放大堆芯外检测器信号。传统设计使用在高辐射和高温环境下不可靠的运算放大器。由于中间范围检测器中的传感器的低信号水平，需要多个放大级。新设计根据需要将具有用于各种输出的多个级。第一级(即电荷放大器54)将信号输出到第二级(即驱动放大器56)。驱动放大器56的信号输出将通过带通滤波器58发送到放大器62并发送到光缆60。两个其他均方电压输出66和68也分别在缓冲放大器62和64的输出处提供。均方电压输出是一种测量中间范围检测器范围上端的中子通量的方法。图4是示出通过真空微电子器件的堆芯外检测器信号处理的电路示意图。放大器54、56、62和64中的每个都是真空微电子器件，诸如由innosysinc.，emeryville，ca(innosysinc.，爱莫利维尔，加州)提供的ssvd。真空微电子器件的描述可以在美国专利no.7005783中找到。通过调节到每个真空微电子器件的电源70输入可以消除放大级，以便实现特定放大级所需的增益。
因此，本发明显着地提高了堆芯外核仪器系统的精度、噪声系数和信噪比，同时降低了与现有仪器布线相关的复杂性。真空微电子器件技术是辐射硬化的并且具有耐温特性，这使得堆芯外放大器能够位于安全壳内反应堆容器和中间范围检测器附近。
虽然已经详细描述了本发明的特定实施例，但是本领域技术人员将理解的是可以根据本公开的总体教导开发对那些细节的各种修改和替换。因此，所公开的特定实施例仅仅是说明性的，并不限制本发明的范围，本发明的范围由随附权利要求及其任何和所有等同物的整个宽度给出。