鈉冷快堆燃料破損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器選型分析

潘君艷，劉浩杰，馬 強(qiáng)，張 杭，李 華，段天英

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

燃料包殼包容燃料和裂變產(chǎn)物，是燃料基體之外的第二道反應(yīng)堆安全屏障。當(dāng)包殼發(fā)生破損時(shí)，燃料棒內(nèi)裂變產(chǎn)物甚或燃料會(huì)經(jīng)包殼破口逸出到一回路中，導(dǎo)致一回路介質(zhì)的放射性增加。為保障反應(yīng)堆的放射性安全，確保裂變氣體和揮發(fā)性裂變產(chǎn)物向環(huán)境的排放在審批限值以下，保證運(yùn)行維護(hù)人員所受的劑量在允許限值以下，需要對(duì)堆芯燃料包殼破損進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)，不允許出現(xiàn)大量的燃料棒密封性破壞或大的燃料包殼破損[1]。

鈉冷快堆采用液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑，鈉液上方是覆蓋氣體氬氣（Ar2）[2]。當(dāng)燃料包殼發(fā)生破損時(shí)，燃料棒內(nèi)的裂變氣體會(huì)最終逃逸到覆蓋氣體中，揮發(fā)性裂變產(chǎn)物或非揮發(fā)性裂變產(chǎn)物會(huì)大部分滯留在冷卻劑內(nèi)。揮發(fā)性裂變產(chǎn)物中含有緩發(fā)中子先驅(qū)核，緩發(fā)中子先驅(qū)核在衰變過(guò)程中會(huì)以一定的幾率釋放緩發(fā)中子。因此，在正常運(yùn)行工況下，為有效地實(shí)現(xiàn)燃料破損在線監(jiān)測(cè)，鈉冷快堆需要設(shè)置燃料破損覆蓋氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和燃料破損緩發(fā)中子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3,4]，分別測(cè)量覆蓋氣體的放射性和鈉冷卻劑中的緩發(fā)中子注量率。

各國(guó)鈉冷快堆燃料破損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器的選型不盡相同，其工作環(huán)境和功能要求也有差別。另外，核輻射探測(cè)器不斷發(fā)展和更新，也影響了燃料破損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器的選型。本文將根據(jù)各國(guó)燃料破損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)的環(huán)境條件和探測(cè)器的發(fā)展情況，對(duì)探測(cè)器的設(shè)計(jì)、選型原則進(jìn)行比較和分析，對(duì)探測(cè)器的應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行探討。

1 探測(cè)器的應(yīng)用

1.1 鈉冷快堆燃料破損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鈉冷快堆燃料破損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括燃料破損覆蓋氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和燃料破損緩發(fā)中子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。受覆蓋氣體氣腔內(nèi)環(huán)境的限制和本底放射性水平的影響，各國(guó)快堆覆蓋氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都采用了將覆蓋氣體連續(xù)取樣到堆容器外進(jìn)行放射性測(cè)量的方式，使得覆蓋氣體放射性探測(cè)器具有較適宜的工作環(huán)境。各國(guó)快堆緩發(fā)中子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案有明顯差別[3,5]。池式堆有3 種測(cè)量方式：堆容器熱池內(nèi)直接測(cè)量、堆容器外冷卻劑鈉連續(xù)取樣測(cè)量，以及堆容器外正對(duì)熱池測(cè)量?；芈肥蕉延袃煞N測(cè)量方式：一回路管道外直接測(cè)量和一回路旁通管取樣測(cè)量。不同緩發(fā)中子測(cè)量方式有著不同的測(cè)量環(huán)境。

1.2 覆蓋氣體放射性探測(cè)器

燃料破損覆蓋氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)覆蓋氣體的放射性水平。各國(guó)鈉冷快堆覆蓋氣體探測(cè)器的選型差別較大[5]，賦予探測(cè)器的功能要求也有所不同，具體配置見(jiàn)表1。

表1 各國(guó)快堆上覆蓋氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的放射性探測(cè)器Table 1 Radioactive detectors used in monitoring systems for overlying gases on fast reactors in various countries

電離室、GM 計(jì)數(shù)管和靜電沉降器屬于氣體探測(cè)器。電離室，包括流氣式電離室和γ 電離室，工作在飽和區(qū)。流氣式電離室，將覆蓋氣體作為填充氣體載入到電離室內(nèi)，收集氣態(tài)核素衰變釋放的β 射線，根據(jù)測(cè)量得到的電流值或脈沖計(jì)數(shù)率給出覆蓋氣體的放射性活度濃度；γ 電離室，測(cè)量γ 射線電離產(chǎn)生的電子，輸出覆蓋氣體的放射性劑量率值。GM 計(jì)數(shù)管，測(cè)量γ 射線電離產(chǎn)生的電子，工作在G-M 區(qū)，輸出覆蓋氣體的放射性劑量率值，具有輸出脈沖幅度大和價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但脈沖分辨時(shí)間長(zhǎng)。靜電沉降器，探測(cè)β 粒子，在靜電場(chǎng)中將氣體中的Kr 和Xe 衰變子體金屬正離子Rb+和Cs+沉降在負(fù)電極上，測(cè)量負(fù)電極的β 放射性[6]，轉(zhuǎn)換為覆蓋氣體的放射性活度濃度，靜電沉降器屬于20 世紀(jì)八九十年代在國(guó)際上應(yīng)用比較多的探測(cè)器，現(xiàn)已逐漸退出探測(cè)器市場(chǎng)。

HPGe 或Ge（Li）探測(cè)器，屬于鍺半導(dǎo)體探測(cè)器，與配套的多道脈沖幅度分析器共同組合成γ 譜儀，通過(guò)測(cè)量γ射線能譜實(shí)現(xiàn)覆蓋氣體中放射性同位素的定量分析，有很優(yōu)秀的γ 能量分辨率。閃爍計(jì)數(shù)管，在覆蓋氣體探測(cè)中主要指NaI 探測(cè)器，配光電倍增管，測(cè)量γ 射線，分辨時(shí)間短、探測(cè)效率高，同時(shí)也有γ 射線能量分辨功能，但能量分辨率相對(duì)HPGe 或Ge（Li）譜儀要差很多。不過(guò)，NaI探測(cè)器擁有好的γ 計(jì)數(shù)率特性，很適合高活度覆蓋氣體的探測(cè)，將測(cè)量的γ 計(jì)數(shù)率轉(zhuǎn)換為覆蓋氣體的活度濃度。

1.3 緩發(fā)中子探測(cè)器

燃料破損緩發(fā)中子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)一回路鈉冷卻劑中緩發(fā)中子注量率。各國(guó)鈉冷快堆緩發(fā)中子探測(cè)器的具體配置見(jiàn)表2。

表2 各國(guó)快堆上緩發(fā)中子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的探測(cè)器Table 2 Detectors used in delayed neutron monitoring systems on fast reactors in various countries

涂硼正比計(jì)數(shù)管和BF3正比計(jì)數(shù)管都是以10B 反應(yīng)為基礎(chǔ)的氣體探測(cè)器，工作在正比區(qū)。涂硼正比計(jì)數(shù)管，中子輻照壽命長(zhǎng)，耐γ 輻照能力強(qiáng)，但坪區(qū)短，坪斜大。為保證輸出中子計(jì)數(shù)率的波動(dòng)小，涂硼正比計(jì)數(shù)管的高壓電源必須十分穩(wěn)定[7]，且紋波電壓值要小。BF3正比計(jì)數(shù)管，BF3既是正比氣體也是中子轉(zhuǎn)換成次級(jí)粒子的靶，坪區(qū)長(zhǎng)、坪斜小，但在強(qiáng)γ 環(huán)境下BF3氣體容易分解，輻照壽命短，耐γ 輻照能力差。為保證正常運(yùn)行環(huán)境，堆上的BF3正比計(jì)數(shù)管需要設(shè)置合適的鉛屏蔽層。3He 正比計(jì)數(shù)管，工作在正比區(qū)，由于3He 具有很大的中子反應(yīng)截面，在同等條件下有很高的中子探測(cè)靈敏度。但3He 正比計(jì)數(shù)管不能有效地甄別γ 射線，甄別能力低于涂硼正比計(jì)數(shù)管和BF3正比計(jì)數(shù)管。裂變室，以235U 裂變反應(yīng)為基礎(chǔ)的氣體探測(cè)器工作在飽和區(qū)，包括常溫裂變室和高溫裂變室。裂變反應(yīng)釋放很大的能量，因此，裂變室的中子脈沖幅度比任何其他競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)都大得多，有很強(qiáng)的抗γ 輻照能力，也能適應(yīng)高溫環(huán)境，多用在堆內(nèi)探測(cè)系統(tǒng)中，但中子探測(cè)靈敏度相對(duì)較低。

2 燃料破損探測(cè)器選型分析

2.1 覆蓋氣體探測(cè)器的選型

燃料破損覆蓋氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將覆蓋氣體抽出到和緩環(huán)境下進(jìn)行放射性監(jiān)測(cè)。因此，覆蓋氣體探測(cè)器主要基于功能特點(diǎn)和探測(cè)方式進(jìn)行選型，受周?chē)h(huán)境影響較小。根據(jù)功能特點(diǎn)，覆蓋氣體探測(cè)器可分為兩類(lèi)：總放射性水平測(cè)量探測(cè)器和放射性核素分析探測(cè)器。

總放射性水平測(cè)量探測(cè)器，包括了電離室、GM 計(jì)數(shù)管、靜電沉降器，以及閃爍體探測(cè)器，直接給出覆蓋氣體的總放射性活度濃度或總放射性劑量率。其中，測(cè)量β 粒子的探測(cè)器，具有很高的探測(cè)靈敏度，結(jié)合探測(cè)體積直接將β計(jì)數(shù)率換算為覆蓋氣體的活度濃度。但β 探測(cè)器與覆蓋氣體直接接觸，需要接入覆蓋氣體取樣回路中。因此，探測(cè)器的安全級(jí)別和抗震類(lèi)別上會(huì)賦予一回路覆蓋氣體壓力邊界的要求，保證在任何工況下不影響覆蓋氣體壓力邊界的完整性。測(cè)量γ 射線的探測(cè)器，采用取樣管道或取樣容器外γ 監(jiān)測(cè)方式，探測(cè)效率相對(duì)低一些，需要根據(jù)探測(cè)體積和特征核素的探測(cè)效率才能將測(cè)量計(jì)數(shù)率值轉(zhuǎn)換為覆蓋氣體的放射性活度濃度或劑量率值。所以，當(dāng)覆蓋氣體中的放射性核素比較復(fù)雜時(shí)，就可能存在轉(zhuǎn)換上的偏差。不過(guò)，在燃料破損情況下，覆蓋氣體擁有高放射性活度，衰變釋放的γ 射線強(qiáng)。因此，探測(cè)器并不需要追求高的探測(cè)效率，統(tǒng)計(jì)偏差值也會(huì)在可接受區(qū)間內(nèi)。另外，覆蓋氣體釋放的γ 射線能量基本在80keV 以上，落在γ 常規(guī)的能量探測(cè)區(qū)間。因此，γ 探測(cè)器也能滿足覆蓋氣體總放射性連續(xù)在線測(cè)量的需求。

放射性核素分析探測(cè)器包括了Ge（Li）和HPGe 探測(cè)器，具有很優(yōu)秀的γ 射線能量分辨率，輸出γ 射線能譜和γ總計(jì)數(shù)率。結(jié)合γ 能譜分析軟件和γ 效率刻度，能獲得覆蓋氣體放射性核素的組成和放射性活度濃度。通過(guò)分析不同氣態(tài)裂變核素的活度濃度，可判斷裂變核素的釋放情況，評(píng)估包殼破口類(lèi)型以及破口尺寸，估計(jì)破損燃料棒的數(shù)量，分析破損燃料組件的燃料類(lèi)型，計(jì)算破損燃料組件的燃耗，有助于快速定位破損燃料組件，保障反應(yīng)堆的運(yùn)行。Ge（Li）探測(cè)器，經(jīng)Li 離子漂移補(bǔ)償，必須永遠(yuǎn)置于低溫及高真空條件下。HPGe 探測(cè)器，雖在低溫下工作，但不需要在低溫下保存。近20 年隨著工藝的突破，HPGe 成為γ 光譜探測(cè)器的主流，Ge（Li）逐漸退出市場(chǎng)。另外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)光譜讀取軟件能直接給出放射性核素活度情況和活度報(bào)警信號(hào)；隨著電制冷和冗余制冷技術(shù)的出現(xiàn)，HPGe 譜儀運(yùn)營(yíng)的人力成本也在下降。這些都使HPGe 譜儀滿足燃料破損在線監(jiān)測(cè)的需求[9]。當(dāng)前設(shè)計(jì)中，為保證反應(yīng)堆的運(yùn)行，為掌握裂變產(chǎn)物的釋放情況，不同堆型的燃料破損探測(cè)系統(tǒng)都不約而同地引入了γ 譜儀[8,9]，成為燃料破損探測(cè)器選型的發(fā)展趨勢(shì)。

為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，燃料破損覆蓋氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)兩套或兩套以上探測(cè)器?？偡派湫运綔y(cè)量探測(cè)器和放射性核素分析探測(cè)器相組合的配置方式是優(yōu)選方案?？偡派湫运綔y(cè)量探測(cè)器，給操作員提供直觀的覆蓋氣體總放射性水平值。由于表征覆蓋氣體的放射性水平，選擇能直觀給出覆蓋氣體活度濃度的探測(cè)器更為合理，至于選擇β 探測(cè)器或γ 探測(cè)器的選擇，則主要考慮探測(cè)裝置的成本和對(duì)壓力邊界的影響。放射性核素分析探測(cè)器，即HPGe 譜儀，分析給出放射性核素的信息，為燃料破損惡化程度提供進(jìn)一步確認(rèn)的手段，給技術(shù)人員提供燃料破損分析的數(shù)據(jù)支持。

2.2 緩發(fā)中子探測(cè)器的選型

由于堆芯不允許出現(xiàn)大面積的燃料包殼破損，鈉冷卻劑監(jiān)測(cè)區(qū)域中緩發(fā)中子注量率不會(huì)特別高，雖然有不同類(lèi)型，但所有緩發(fā)中子探測(cè)器都工作在脈沖模式下，輸出中子脈沖計(jì)數(shù)率。區(qū)別于覆蓋氣體探測(cè)器，緩發(fā)中子探測(cè)器的選型首先依賴于工作環(huán)境，再考慮中子探測(cè)靈敏度和使用壽命。印度原型快堆PFBR，采用堆容器熱池內(nèi)的探測(cè)方案[10]，探測(cè)器處于高溫和高γ 輻射的環(huán)境下。因此，選擇最適用的高溫裂變室。法國(guó)鳳凰堆Phenix，連續(xù)抽取熱池內(nèi)的鈉冷卻劑到堆容器外進(jìn)行緩發(fā)中子測(cè)量，環(huán)境γ 本底較低，取樣容器體積較小，因此選用的是中子探測(cè)靈敏度最高的3He 正比計(jì)數(shù)管。日本文殊堆Monju，直接對(duì)著一回路管道進(jìn)行緩發(fā)中子測(cè)量，受大管道內(nèi)冷卻劑的影響，有一定的γ 輻射水平，但本底中子較低，一回路管徑大，選用了BF3正比計(jì)數(shù)管。

裂變室，具有很優(yōu)秀的γ 甄別特性，但探測(cè)靈敏度低。由于靶材采用受管控的高豐度235U，制造過(guò)程復(fù)雜，后處理相對(duì)麻煩。因此，除俄羅斯之外，在常溫工作環(huán)境下，其他國(guó)家更愿意增加外圍鉛屏蔽的厚度來(lái)選用其他類(lèi)型的中子探測(cè)器。3He 正比計(jì)數(shù)管，有最優(yōu)秀的中子探測(cè)靈敏度和較好的坪特性，但γ 甄別能力很低。BF3正比計(jì)數(shù)管，具有較好的坪特性，但抗輻照能力弱，壽命較短。涂硼正比計(jì)數(shù)管，有較好的抗輻照能力，但坪特性是最差的，然而，現(xiàn)在中子探測(cè)器的高壓電源有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，能很好地應(yīng)對(duì)坪特性差的缺點(diǎn)，保證了輸出中子計(jì)數(shù)率的穩(wěn)定性。因此，在中子探測(cè)靈敏度滿足監(jiān)測(cè)需求的前提下，鑒于γ 甄別能力和使用壽命的優(yōu)勢(shì)，在除裂變室以外的3 類(lèi)正比計(jì)數(shù)管中，采用涂硼正比計(jì)數(shù)管是較理想的選擇。

3 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)比分析國(guó)際鈉冷快堆燃料破損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器主要配置和技術(shù)特性的基礎(chǔ)上，可以得出，燃料破損覆蓋氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)采用總放射性水平測(cè)量探測(cè)器和放射性核素分析探測(cè)器相結(jié)合的配置方案。燃料破損緩發(fā)中子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器的選型首要考慮探測(cè)環(huán)境，再兼顧探測(cè)靈敏度和使用壽命。燃料破損探測(cè)器的選型依賴于系統(tǒng)探測(cè)方案、具體功能需求以及所處的探測(cè)環(huán)境，同時(shí)，探測(cè)技術(shù)的發(fā)展也會(huì)使系統(tǒng)具體探測(cè)需求發(fā)生變化，影響探測(cè)器的選型和配置。在設(shè)計(jì)中需要充分考慮探測(cè)器和系統(tǒng)之間的配合，以建立功能完整且性能完善的燃料破損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。