自給能探測器堆上試驗(yàn)方法研究

薛泓元 吳方亮 卜江濤 匡紅波 陳宇

摘要：自給能探測器試驗(yàn)考核內(nèi)容主要為熱中子熱靈敏度、熱中子靈敏度一致性偏差和響應(yīng)時(shí)間。現(xiàn)對(duì)自給能探測器堆上試驗(yàn)方法做出了詳細(xì)說明，主要包括堆上試驗(yàn)內(nèi)容、堆上試驗(yàn)對(duì)象、堆上試驗(yàn)使用設(shè)備、核反應(yīng)試驗(yàn)堆的一般試驗(yàn)條件要求、堆上試驗(yàn)的具體實(shí)施、試驗(yàn)中人員安全防護(hù)及輻照后物項(xiàng)處理等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：堆芯儀表套管組件（IITA）;堆上試驗(yàn);自給能探測器;中子探測器

0? ? 引言

堆芯儀表系統(tǒng)是核電站儀表系統(tǒng)中的重要組成部分，其一般用于測量反應(yīng)堆堆芯內(nèi)部的中子注量率分布，監(jiān)測堆芯線功率密度及偏離泡和沸騰比等核電廠運(yùn)行參數(shù)，對(duì)核電站的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到十分重要的作用。在部分堆型的核電廠內(nèi)，其還參與反應(yīng)堆控制和保護(hù)功能，為反應(yīng)堆安全提供保障。而自給能探測器是堆芯儀表系統(tǒng)的核心儀表部件，其一般作為堆芯儀表套管組件（IITA）的部件，插入至反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部。

自給能探測器是目前第三代核電站主流的堆芯中子注量率測量儀表，其通過吸收反應(yīng)堆堆芯內(nèi)的中子產(chǎn)生可表征中子注量率的弱電流信號(hào)，后端二次儀表則將弱電流信號(hào)進(jìn)行放大處理后送至相應(yīng)的接口系統(tǒng)進(jìn)行功率分布測量。一般自給能探測器通過進(jìn)行堆上試驗(yàn)以模擬其在反應(yīng)堆實(shí)際測量條件，并驗(yàn)證反應(yīng)堆條件下的核性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

本文的自給能探測器堆上試驗(yàn)方法主要包括核反應(yīng)試驗(yàn)堆條件、堆上試驗(yàn)工具、自給能探測器布置、堆上試驗(yàn)項(xiàng)目和程序以及安全防護(hù)和試驗(yàn)后物質(zhì)的處理等，以確保堆上試驗(yàn)效果和質(zhì)量，并保證人員安全。

1? ? 試驗(yàn)內(nèi)容

通常進(jìn)行自給能探測器堆上試驗(yàn)時(shí)，會(huì)將自給能探測器固定在一支架上，然后探測器隨支架一起放入核反應(yīng)試驗(yàn)堆的某孔道中，該孔道的熱中子注量率應(yīng)滿足設(shè)計(jì)及方案要求。同時(shí)應(yīng)確保放入孔道內(nèi)的自給能探測器發(fā)射極靈敏區(qū)處在反應(yīng)堆的堆芯位置，并應(yīng)盡量與反應(yīng)堆活性區(qū)對(duì)中。這樣對(duì)所有探測器提供一個(gè)穩(wěn)定的中子通量場用以檢測探測器的性能。

堆上試驗(yàn)需要測試的自給能探測器性能參數(shù)主要為探測器的熱中子靈敏度、熱中子靈敏度一致性偏差和響應(yīng)時(shí)間等。

1.1? ? 熱中子靈敏度

1.1.1? ? 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

熱中子靈敏度是自給能探測器的關(guān)鍵參數(shù)，其值能反映反應(yīng)堆運(yùn)行期間探測器是否能正確表征堆芯中子注量率情況。堆上試驗(yàn)需要對(duì)自給能探測器進(jìn)行熱中子靈敏度測量，目的是驗(yàn)證堆上試驗(yàn)所采用的探測器是否滿足設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用要求。

1.1.2? ? 試驗(yàn)原理

將探測器安裝在試驗(yàn)支架上，用測量設(shè)備測自給能探測器和傳輸電纜的本底電流，在探測器測量范圍內(nèi)，選取固定的中子注量率，待反應(yīng)堆功率穩(wěn)定后，測量自給能探測器和傳輸（本底）電纜的信號(hào)電流。各探測器的凈信號(hào)電流由式（1）計(jì)算得出：

式中，Ii為第i支探測器的凈信號(hào)電流（A）;Iθi為第i支探測器的信號(hào)電流（A）;Ici為傳輸電纜的平均本底電流（A）。

由試驗(yàn)單位提供探測器所在位置的絕對(duì)熱中子注量率的實(shí)際值（一般可用活化法測定），最后由式（2）算出探測器的熱中子靈敏度：

式中，Si為探測器所在位置中子能譜下的熱中子靈敏度[A/（n·cm-2·s-1）];Ii為第i支探測器的凈信號(hào)電流（A）;φabs為測定出的探測器所在位置的絕對(duì)熱中子注量率（n·cm-2·s-1）。

1.2? ? 熱中子靈敏度一致性偏差

1.2.1? ? 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

熱中子靈敏度一致性偏差是多支自給能探測器在不同位置所測得電流信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。試驗(yàn)需要對(duì)多支自給能探測器進(jìn)行多次旋轉(zhuǎn)，一般至少進(jìn)行4次90°的旋轉(zhuǎn)，并保證探測器旋轉(zhuǎn)到原測量位置。試驗(yàn)時(shí)測量每支探測器在不同位置時(shí)的信號(hào)，最后計(jì)算其一致性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.2.2? ? 試驗(yàn)原理

將探測器安裝在試驗(yàn)支架上，在探測器測量范圍內(nèi)選取某一功率水平，待反應(yīng)堆功率提升到該功率水平穩(wěn)定后，將試驗(yàn)支架置于試驗(yàn)孔道內(nèi)，在探測器輸出電流穩(wěn)定后，用弱電流放大器分別測出試驗(yàn)支架在起始位置即0°和每旋轉(zhuǎn)90°位置時(shí)各探測器的信號(hào)電流。

由式（3）求出每支探測器在4個(gè)不同位置時(shí)凈信號(hào)電流的平均值：

式中，Ifi為第i支探測器在4個(gè)不同位置時(shí)凈信號(hào)電流的平均值（A）;Iθij為第i支探測器在某一位置的輸出信號(hào)電流（A）;Ici為傳輸電纜的平均本底電流（A）。

由式（4）求出n支探測器在4個(gè)不同位置的凈信號(hào)電流的平均值：

式中，If為n支探測器在4個(gè)不同位置的凈信號(hào)電流的平均值（A）。

由式（5）求出n支被測探測器凈信號(hào)電流的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

式中，σ為n支被測探測器凈信號(hào)電流的標(biāo)準(zhǔn)偏差（A）。

由式（6）計(jì)算得出探測器熱中子靈敏度一致性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差：

1.3? ? 響應(yīng)時(shí)間

1.3.1? ? 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

響應(yīng)時(shí)間是自給能探測器的特有性能參數(shù)之一，其主要表征了自給能探測器的響應(yīng)速度。對(duì)自給能探測器從停堆開始計(jì)時(shí)，到信號(hào)降到10%所需要的時(shí)間即為探測器響應(yīng)時(shí)間。一般采用不同發(fā)射極材料的自給能探測器，其響應(yīng)時(shí)間不同。

1.3.2? ? 試驗(yàn)原理

由于探測器的材料確定后，響應(yīng)時(shí)間主要取決于材料本身的屬性，所以同一批次制造和使用同一批次材料的探測器只需選一支做試驗(yàn)。將探測器置于反應(yīng)堆試驗(yàn)孔道內(nèi)，當(dāng)反應(yīng)堆在某一功率水平（使中子注量率達(dá)到測量范圍）穩(wěn)定后，用信號(hào)處理柜記錄探測器的信號(hào)電流。然后將反應(yīng)堆停堆，記錄反應(yīng)堆的停堆時(shí)間。從反應(yīng)堆停堆計(jì)算起，直到反應(yīng)堆停堆一段時(shí)間后，記錄探測器的輸出信號(hào)電流，并繪出探測器信號(hào)電流I（t）隨時(shí)間t的衰減曲線，如圖1所示。

用作圖法求出探測器的信號(hào)電流I（t）衰減到原穩(wěn)態(tài)電流I0的10%時(shí)所需要的時(shí)間，即自給能中子探測器的響應(yīng)時(shí)間。

2? ? 試驗(yàn)對(duì)象及使用設(shè)備

2.1? ? 試驗(yàn)對(duì)象

自給能探測器。

2.2? ? 試驗(yàn)所需使用的設(shè)備

（1）探測器固定支架，用于固定自給能中子探測器后放入試驗(yàn)堆的孔道中，并確保自給能探測器頂部對(duì)齊及其靈敏區(qū)處在試驗(yàn)堆的活性區(qū)位置。（2）本底電纜，用于測量反應(yīng)堆本底信號(hào)。（3）靜電計(jì)，用于測量自給能中子探測器的本底電流。（4）數(shù)字電容表，用于測量自給能探測器的電容。（5）數(shù)字萬用表，用于測量電纜連接通斷。（6）信號(hào)處理機(jī)箱，用于測量和記錄中子探測器的輸出信號(hào)。（7）信號(hào)轉(zhuǎn)接電纜及連接器，用于將探測器的輸出信號(hào)連接到信號(hào)處理機(jī)箱上。

3? ? 反應(yīng)堆的試驗(yàn)條件要求

在反應(yīng)堆上安裝試驗(yàn)孔道，要求孔道為干孔道并處于空氣暴露狀態(tài)，濕孔道需要通過增加保護(hù)套管將探測器與水隔離?？椎纼?nèi)徑應(yīng)能滿足按照探測器組件及固定支架。安裝探測器固定支架后能對(duì)支架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，要求能進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，每次至少旋轉(zhuǎn)90°;固定支架用于安裝和固定自給能探測器。

建議反應(yīng)堆分別在設(shè)計(jì)要求的熱中子注量率水平下穩(wěn)定至少30 min。具體穩(wěn)定時(shí)間需依據(jù)自給能探測器的發(fā)射體材料及性能確定，應(yīng)盡量保證探測器在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其輸出電流值波動(dòng)不大于0.5%。

4? ? 試驗(yàn)的實(shí)施

4.1? ? 探測器組件布置

將探測器固定到探測器支架上，然后用吊車將探測器固定支架吊入試驗(yàn)孔道安裝固定，并在孔道上端將定位圓盤進(jìn)行定位。將探測器通過信號(hào)轉(zhuǎn)接電纜連接到堆芯儀表系統(tǒng)信號(hào)處理機(jī)箱上，將探測器的輸出信號(hào)從堆廳傳輸?shù)綔y量設(shè)備上。

4.2? ? 試驗(yàn)前探測器組件檢測

探測器組件安裝入試驗(yàn)孔道前進(jìn)行下列測試：（1）測量所有探測器芯線與外殼之間的電容值、本底電纜芯線與外殼之間的電容;（2）測量每支探測器芯線與外殼之間的絕緣電阻值、本底電纜的絕緣電阻值。

完成探測器與電纜連接，并裝入試驗(yàn)孔道后，進(jìn)行下列測試：（1）通過信號(hào)連接電纜測試探測器組件每根芯線與外殼的電容值、絕緣電阻值;（2）用靜電計(jì)測量每支探測器的本底電流;（3）將信號(hào)轉(zhuǎn)接電纜連接到信號(hào)處理機(jī)箱后進(jìn)行功能檢查。

4.3? ? 開堆試驗(yàn)

堆上試驗(yàn)內(nèi)容：

（1）反應(yīng)堆按熱中子注量率臺(tái)階提升功率，分別在既定的各個(gè)熱中子注量率水平下穩(wěn)定至少30 min后，記錄本底電纜及每支探測器在每個(gè)注量率臺(tái)階下的輸出信號(hào)、每支探測器的絕緣電阻值以及探測器所在位置的絕對(duì)熱中子注量率實(shí)際值。在既定的最高熱中子注量率臺(tái)階下，每隔30 min將探測器固定支架進(jìn)行一次90°旋轉(zhuǎn)，記錄各個(gè)角度下每支探測器及本底電纜的輸出信號(hào)，同時(shí)記錄反應(yīng)堆上核測量探測器的測量結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比。

（2）在既定停堆功率臺(tái)階下穩(wěn)定后，落棒停堆，連續(xù)記錄探測器輸出信號(hào)，按此數(shù)據(jù)繪制探測器響應(yīng)曲線。

5? ? 試驗(yàn)中人員安全防護(hù)及輻照后物項(xiàng)處理

在試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)完畢后，都要對(duì)試驗(yàn)物項(xiàng)和試驗(yàn)場所的放射性劑量進(jìn)行監(jiān)測，避免誤照射，確保人員安全。試驗(yàn)完畢后，從反應(yīng)堆提出的探測器和支架必須進(jìn)行放射性劑量監(jiān)測，并存儲(chǔ)到有防護(hù)的專用存放位置。

6? ? 結(jié)語

自給能探測器堆上試驗(yàn)方法的確立為后期的堆上試驗(yàn)提供了可靠的依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 自給能中子探測器：EJ/T 678—1992[S].

收稿日期：2020-04-24

作者簡介：薛泓元（1989—），男，上海人，工程師，研究方向：反應(yīng)堆堆芯儀表。