鈷自給能探測器的熱中子靈敏度在線監(jiān)測

張恒凱 趙云濤 劉 翱 劉吉光 鄭軍偉

（中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術與裝備國家重點實驗室 深圳 518172）

某歐洲壓水堆（European Pressurized Reactor，EPR）型核電機組中采用鈷自給能中子探測器（Co-Self Powered Neutron Detector，Co-SPND）實時測量反應堆堆芯中子通量，而熱中子靈敏度是Co-SPND探測器的關鍵性能參數(shù)之一，但為了降低Co-SPND探測器從工廠轉運至核電項目現(xiàn)場過程中的放射性，該核電機組使用的所有Co-SPND探測器在出廠時均只進行了γ靈敏度測試，而未進行熱中子靈敏度測試［1］。根據(jù)設計，正常運行期間可通過堆芯氣動浮球測量系統(tǒng)（Aeroball Measurement System，AMS）對Co-SPND探測器進行校驗檢查，但存在以下兩個問題［1］：1）AMS在25%NP功率后才可信，即在低功率平臺無法進行校驗；2）AMS為離線測量系統(tǒng)，無法實現(xiàn)在線實時校驗。為此，本課題根據(jù)現(xiàn)場Co-SPND探測器在反應堆堆芯中的布置特點，建立了一種Co-SPND探測器熱中子靈敏度在線連續(xù)監(jiān)測的方法。

1 Co-SPND探測器簡介

1.1 探測原理

Co-SPND探測器的工作原理為基于59Co發(fā)射體俘獲熱中子后發(fā)生式（1）反應［2］：

激發(fā)態(tài)的60Co*在退激過程中產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線在發(fā)射體和絕緣體間生成康普頓電子和光電子，這些電子穿過絕緣體到達收集體，并在外電路中形成一個正比于中子通量的信號電流In，如圖1所示。

圖1 Co-SPND探測器的康普頓效應和光電效應示意圖Fig.1 Schematic diagram of the Compton scattering and photo effect for Co-SPND detector

Co-SPND探測器由59Co發(fā)射體、絕緣體、收集體和信號及補償一體雙芯電纜等4部分組成［2］，如圖2所示。

圖2 Co-SPND探測器結構示意圖Fig.2 Structure diagram of the Co-SPND detector

其中，信號電纜中的電流包括59Co與熱中子作用產(chǎn)生的電流In和堆芯中γ射線直接產(chǎn)生的電流Iγ，而補償電纜和信號電纜平行布置，但不與59Co發(fā)射體連接，因此補償電纜中的電流只有堆芯中γ射線直接產(chǎn)生的電流Iγ，那么整個Co-SPND探測器的實際輸出電流I則為：

式中：In為瞬發(fā)電流；Id為緩發(fā)電流；Iγ-D為外部γ在探測器中產(chǎn)生的附加電流；Iγ-SC為外部γ在信號電纜中產(chǎn)生的附加電流；Iγ-CC為外部γ在補償電纜中產(chǎn)生的附加電流。其中：補償電纜和信號電纜的材料和路徑相同［3-4］，Iγ-SC與Iγ-CC相等；Id最多占總電流的3%，且在正常運行期間會被周期性的測量并補償，Id可忽略不計；Iγ-D約為In的1%，因此Iγ-D也可忽略不計。

同時，由于中子探測器的靈敏度是射入探測器的單位中子注量率（即中子通量密度）對應的中子探測器計數(shù)率，也即中子探測器的靈敏度是中子計數(shù)率與中子注量率之比［5］，而對于Co-SPND探測器而言，則是以輸出電流代表測量的熱中子計數(shù)率，則Co-SPND探測器的熱中子靈敏度計算公式如下：

式中：S為探測器的熱中子靈敏度，A·cm2·s；In為探測器輸出電流，A；φ為中子通量密度，cm-2·s-1。

1.2 Co-SPND探測器在堆芯中的布置

某EPR核電機組在堆芯中共布置12根Co-SPND探測器組件，每根組件中又包含6個Co-SPND探測器，沿整個堆芯高度分為上下兩段，每段3個，如圖3所示［6］。

根據(jù)設計，堆芯中的12根Co-SPND探測器組件是徑向?qū)ΨQ布置的，故將其分為6個對稱組，具體的對稱關系見表1。

表1 某EPR核電機組12根Co-SPND探測器組件的徑向?qū)ΨQ關系Table 1 The detailed radial symmetry relationship for 12 Co-SPND Instrumentations in a EPR plant

圖3 Co-SPND探測器在堆芯中的布置圖Fig.3 Layout of Co-SPND detectors in the nuclear reactor core

2 Co-SPND探測器的相對熱中子靈敏度比

根據(jù)式（3），任意兩個Co-SPND探測器的相對熱中子靈敏度比Cij為：

式中：Cij為第i、j這兩個探測器的相對熱中子靈敏度比，無量綱；Si和Sj分別為第i、j個探測器的熱中子靈敏度；In（i）和In（j）分別為第i、j個探測器的輸出電流；φ（i）和φ（j）為第i、j個探測器周圍的中子通量密度。

由于布置在堆芯中的Co-SPND探測器為實時在線測量，且徑向?qū)ΨQ位置的兩根組件中的6個探測器處于同一標高，而在堆芯核功率相對穩(wěn)定時，堆芯徑向的中子通量密度也是近似對稱一致的，因此，對于徑向?qū)ΨQ且處于同一標高的兩個Co-SPND探測器應用式（4）時存在［φ（j）/φ（i）］≈1，則此時式（4）可簡化為：

由式（5）可知，徑向?qū)ΨQ且處于同一標高的兩個Co-SPND探測器的相對熱中子靈敏度比等于這兩個探測器的輸出電流比。

另一方面，由于該EPR核電機組采用的Co-SPND探測器的熱中子靈敏度范圍為（4.80±1.58）×10-21A·cm2·s［2］，那么任意兩個Co-SPND探測器的熱中子靈敏度比的范圍應滿足：0.505≤Cij≤1.981。

3 應用實驗

根據(jù)該EPR核電機組72個Co-SPND探測器在10%NP（Nuclear Power）、23%NP、40%NP及60%NP功率平臺的實測輸出電流，以參考組件中Co-SPND探測器的輸出電流為基準，整理得出36組徑向?qū)ΨQ的Co-SPND探測器在不同功率平臺下的相對熱中子靈敏度比如圖4所示。其中每一組相對熱中子靈敏度比在不同功率平臺下均保持一致，即說明式（5）關系是正確成立的。

圖4 某EPR核電機組的Co-SPND探測器在不同功率平臺下的相對熱中子靈敏度比Fig.4 The relative thermal neutron sensitivity ratio of Co-SPND detectors of different power in a EPR plant

同時，當相對熱中子靈敏度比出現(xiàn)極大偏差時，可通過檢查對應Co-SPND探測器所在組件測量得出的軸向功率分布曲線輔助判斷是參考位還是對稱位的Co-SPND探測器熱中子靈敏度存在偏差。仍以該EPR核電機組S11和B07兩個徑向?qū)ΨQ組件為例，以參考組件S11為基準，檢查發(fā)現(xiàn)其中3號Co-SPND探測器的相對熱中子靈敏度比明顯偏低為0.791，見表2。

另一方面，通過分別建立S11和B07組件以探測器輸出電流所代表的堆芯軸向功率分布曲線，發(fā)現(xiàn)B07組件中的3號探測器輸出電流明顯偏小，以致B07組件所生成的軸向功率分布曲線在3號探測器位置存在明顯異常凹點，如圖5所示，因此可判斷其原因為參考位S11組件中的3號對稱位Co-SPND探測器熱中子靈敏度正常，而B07組件中3號探測器的熱中子靈敏度偏低所致。但結合0.505≤Cij≤1.981可知，該B07組件中3號探測器的熱中子靈敏度仍在可接受范圍內(nèi)，可繼續(xù)使用。

表2 某EPR核電機組S11和B07組件在不同功率平臺的相對熱中子靈敏度比Table 2 The relative thermal neutron sensitivity rate of S11 and B07 instrumentations in different power in an EPR plant

而正常情況下，任意兩個徑向?qū)ΨQ位Co-SPND探測器輸出電流應分別基本一致，對應的堆芯軸向功率分布曲線也應保持一致，以該機組中徑向?qū)ΨQ的J02和J16組件為例，如圖6所示。

圖5 某EPR核電機組S11(a)和B07(b)組件在不同功率平臺下的軸向功率分布曲線Fig.5 The axial power distribution curves of S11(a)and B07(b)instrumentations in different power of a EPR plant

圖6 某EPR核電機組J02(a)和J16(b)組件在不同功率平臺下的軸向功率分布曲線Fig.6 The axial power distribution curves of SJ02(a)and J16(b)instrumentations in different power of a EPR plant

4 相對熱中子靈敏度比的適用性說明

根據(jù)設計，該EPR核電廠Co-SPND探測器的輸出電流范圍為0～1 000 nA，最大可對應0%～120%NP［7］，那么在低功率平臺時，Co-SPND探測器的輸出電流將處于較低水平，且波動較大，同時根據(jù)廠家提供的該型Co-SPND探測器特性，只有在當機組核功率大于等于10%NP時，其輸出電流才被認為有效可用［1］，則式（5）中的適用條件為機組核功率大于等于10%NP。

另一方面，由于反應堆堆芯的徑向功率并非完全對稱，同時考慮到在機組正常運行期間，Co-SPND探測器熱中子靈敏度是隨溫度和燃耗緩慢變化的［8-9］，以及60Co衰變?yōu)?0Ni過程中產(chǎn)生的β-電流對信號電流的干擾［9］，而式（5）則未考慮該4種情況下的修正，因此通過式（5）計算得出的相對熱中子靈敏度比無法完全按照0.505≤Cij≤1.981進行嚴格判斷，只能作為預判，定性的反應Co-SPND探測器的熱中子靈敏度在初始投運階段是否存在較大偏差，或者在機組正常運行期間是否出現(xiàn)異常突變，之后可結合AMS校驗結果進行最終判定。

5 結語

在機組正常運行階段，盡管無法有效測得Co-SPND探測器的實際熱中子靈敏度，但是通過在線監(jiān)測徑向?qū)ΨQ且處于同一標高的兩個Co-SPND探測器的相對熱中子靈敏度比，可以初步判斷該徑向?qū)ΨQ的兩個探測器的熱中子靈敏度是否存在異常偏低或突變情況，之后再結合每根組件測得的堆芯軸向功率分布曲線，即可確定究竟是參考位還是對稱位的Co-SPND探測器存在異常。

另一方面，由于其他第三代核電機組中同樣普遍采用自給能中子探測器用以測量反應堆堆芯中的中子通量，比如AP1000堆型和CAP1400堆型采用的51V［10-11］、HPR1000 堆型采用的103Rh［12］等，且均為徑向?qū)ΨQ布置，因此該相對熱中子靈敏度比的方法亦可作為其他類型核電機組中自給能中子探測器熱中子靈敏度在線監(jiān)測方法的參考。