CPR1000型核電機(jī)組反應(yīng)堆廠房的中子能譜測(cè)量與分析

曲冰，劉保生，李秀川，張敬之，薛東帥

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連，116001)

0 引言

反應(yīng)堆現(xiàn)場(chǎng)中子能譜測(cè)量具有重要意義。在傳統(tǒng)的CPR1000型核電機(jī)組設(shè)計(jì)中，通過獲得的中子能譜可以評(píng)估反應(yīng)堆設(shè)施的設(shè)計(jì)情況，并對(duì)未來設(shè)計(jì)新的堆型提供參考。此外，利用獲取的中子能譜可得到準(zhǔn)確的中子周圍劑量當(dāng)量和個(gè)人劑量當(dāng)量等實(shí)用量，為現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供更加準(zhǔn)確的劑量評(píng)估數(shù)據(jù)。

對(duì)于輻射防護(hù)實(shí)用量和防護(hù)量來說，理論上講，最準(zhǔn)確的方法是獲得準(zhǔn)確中子能譜數(shù)據(jù)，然后利用中子注量-劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)或者中子能量-某器官組織的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)給出中子周圍劑量當(dāng)量和中子個(gè)人劑量當(dāng)量[1]?；蛘哒业揭环N不依賴中子能量的探測(cè)器直接獲得中子劑量，但是目前使用的中子劑量監(jiān)測(cè)設(shè)備還不具備這種特性，其劑量特性對(duì)中子能量非常敏感。

目前用于區(qū)域劑量監(jiān)測(cè)的中子劑量?jī)x表和用于個(gè)人劑量監(jiān)測(cè)的中子個(gè)人劑量計(jì)的劑量/能量響應(yīng)均存在不同程度的缺陷[2]，在常規(guī)輻射場(chǎng)校準(zhǔn)的中子劑量?jī)x表用于反應(yīng)堆等各種不同的工作場(chǎng)所時(shí)，由于兩者中子能譜的巨大差異，常常低估或高估實(shí)際的劑量，極端情況會(huì)相差幾個(gè)量級(jí)，非常不利于劑量人員的防護(hù)和成本的控制。

利用中子能譜測(cè)量?jī)x對(duì)不同工作場(chǎng)所的中子能譜進(jìn)行測(cè)量，了解現(xiàn)場(chǎng)中子能量和準(zhǔn)確的劑量分布情況，為反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)以及工作場(chǎng)所劑量監(jiān)測(cè)和人員受照劑量評(píng)估等提供重要依據(jù)。

目前以CPR1000為代表的壓水堆核電機(jī)組中，會(huì)有一些工作要求在功率運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)入反應(yīng)堆廠房，此時(shí)反應(yīng)堆廠房中有較高劑量率水平的中子照射，在這種情況下，中子照射對(duì)工作人員的影響[3]須引起關(guān)注，因此需要對(duì)一些關(guān)鍵場(chǎng)所在功率運(yùn)行情況下的中子能譜分布進(jìn)行測(cè)量，為執(zhí)行這些工作的人員的中子照射防護(hù)提供參考，同時(shí)也有利于這些工作相關(guān)的輻射防護(hù)最優(yōu)化實(shí)踐[4]開展。

基于以上考慮，本次中子能譜測(cè)量工作利用兩臺(tái)反沖質(zhì)子譜儀及一臺(tái)便攜式中子劑量?jī)x表對(duì)某CPR1000型機(jī)組功率運(yùn)行情況下反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)6個(gè)不同標(biāo)高處的中子能譜和中子周圍劑量當(dāng)量率進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，為同類型機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)中子能量分布提供參考數(shù)據(jù)。

1 測(cè)量裝置

1.1 反沖質(zhì)子譜儀

1H(n,p)1H反應(yīng)截面是國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)推薦的標(biāo)準(zhǔn)截面之一，在很寬的能量范圍內(nèi)(0.1 keV～200 MeV)只產(chǎn)生彈性散射反應(yīng)，并且反應(yīng)截面準(zhǔn)確度高，因此基于反沖質(zhì)子測(cè)量原理的中子譜儀是目前中子能量分辨率較高的儀器。采用兩臺(tái)中子譜儀測(cè)量了現(xiàn)場(chǎng)中子能譜，分別是中子旋轉(zhuǎn)譜儀和中子閃爍譜儀。

中子旋轉(zhuǎn)譜儀[5]包括6個(gè)探頭，CTR#0 、CTR#1、CTR#2、CTR#3為4個(gè)球形含氫正比計(jì)數(shù)器，探測(cè)目標(biāo)1H(n,p)1H反應(yīng)產(chǎn)生的反沖質(zhì)子。隨著中子能量的增加，探頭內(nèi)充入的高純氫氣壓強(qiáng)增加，對(duì)1 MeV以上能區(qū)中子探頭內(nèi)還充入具有較高阻止本領(lǐng)的含氫氣體，比如氬甲烷。通過對(duì)每個(gè)探頭建立的中子能量響應(yīng)矩陣，以及多道解譜程序給出中子能譜。CTR#4和CTR#5是有不同中子響應(yīng)的球形3He正比計(jì)數(shù)器，利用3He對(duì)慢中子比較敏感的特性，測(cè)量熱中子和超熱中子。CTR#4通過3He(n,p)T核反應(yīng)測(cè)量熱中子；CTR#5的探測(cè)器靈敏區(qū)外表面具有特定設(shè)計(jì)的10B涂層，用于調(diào)整探測(cè)器的響應(yīng)函數(shù)，達(dá)到測(cè)量超熱中子的目的。6個(gè)探頭分別配備電荷靈敏前置放大器、高壓電源、主放大器等電子學(xué)器件，單獨(dú)記錄和處理信號(hào)，組合使用可覆蓋熱中子～4.5 MeV中子能量范圍。電機(jī)可使探測(cè)器的支撐平面勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在譜儀覆蓋面尺度對(duì)輻射場(chǎng)的均勻測(cè)量。

中子閃爍譜儀主要是為了擴(kuò)展中子旋轉(zhuǎn)譜儀的測(cè)量能區(qū)而專門設(shè)計(jì)。探頭部分包括塑料閃爍體陣列、光電倍增管、光脈沖驅(qū)動(dòng)器和高壓電源。閃爍體尺寸的選擇既考慮了系統(tǒng)的探測(cè)效率，同時(shí)又將探測(cè)單元對(duì)γ射線的靈敏度降到最低。數(shù)據(jù)獲取模塊包括成形放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、顯示器、鍵盤和系統(tǒng)電源。中子閃爍譜儀可測(cè)的中子能量范圍為4.0～17 MeV。在一些特殊環(huán)境中使用時(shí)，通過溫度穩(wěn)定光脈沖產(chǎn)生器檢查儀器的穩(wěn)定性。

兩臺(tái)中子譜儀組合使用可給出測(cè)量點(diǎn)在熱中子～17 MeV能量范圍內(nèi)的中子能譜和中子周圍劑量當(dāng)量率結(jié)果。

1.2 便攜式中子劑量?jī)x

采用日本富士公司生產(chǎn)的NSN3型便攜式中子劑量?jī)x進(jìn)行中子周圍劑量當(dāng)量率測(cè)量。

該劑量?jī)x每年定期由國(guó)防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站進(jìn)行檢定(檢定證書編號(hào)：GFJGJL1005160000796)，以保證儀表測(cè)量的有效性。本次測(cè)量時(shí)(2016/10)，儀器在檢定有效期(2016/04/14—2017/04/14)內(nèi)。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及分析

2.1 測(cè)量點(diǎn)

測(cè)量選點(diǎn)為某CPR1000型機(jī)組反應(yīng)堆廠房不同標(biāo)高處的6個(gè)測(cè)量點(diǎn)。測(cè)量點(diǎn)位置描述見表1，平面圖見圖1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)的描述

(1) 測(cè)點(diǎn)1

(2) 測(cè)點(diǎn)2

(3) 測(cè)點(diǎn)3

(4) 測(cè)點(diǎn)4

(5) 測(cè)點(diǎn)5

(6) 測(cè)點(diǎn)6圖1 測(cè)量點(diǎn)位平面圖

選取這些測(cè)點(diǎn)主要是考慮：

(1) 部分測(cè)點(diǎn)位置可表征反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)主要設(shè)備(如一回路主泵、蒸汽發(fā)生器、重要閥門)所在區(qū)域的中子照射情況；

(2) 部分測(cè)點(diǎn)位于工作人員行至設(shè)備過程中的必經(jīng)路線上，對(duì)該行進(jìn)過程中人員接受的中子照射有參考性。

2.2 中子能譜

將中子旋轉(zhuǎn)譜儀和中子閃爍譜儀分別放置在測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)6，然后同時(shí)開始測(cè)量。根據(jù)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)中子輻射的強(qiáng)度設(shè)置測(cè)量采樣時(shí)間，以滿足各探測(cè)器的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)要求。

中子能譜測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

(1) 測(cè)點(diǎn)1

(2) 測(cè)點(diǎn)2

(3) 測(cè)點(diǎn)3

(4) 測(cè)點(diǎn)4

(5) 測(cè)點(diǎn)5

(6) 測(cè)點(diǎn)6圖2 各測(cè)量點(diǎn)中子能譜

反應(yīng)堆工作場(chǎng)所中子輻射來源于燃料棒內(nèi)的235U裂變中子經(jīng)過重生物屏蔽材料的慢化和散射形成，一般中子能量范圍為熱能～10 MeV。通常包括3部分： ①0.4eV以下(熱中子能區(qū))；②0.4 eV～10 keV(1/En依賴的散射中子，En為中子能量)；③10 keV～10 MeV(裂變中子及發(fā)生散射的中子)。

各測(cè)量點(diǎn)不同能區(qū)中子數(shù)及占比列于表2。

表2 各能區(qū)中子數(shù)目及占比

2.3 中子周圍劑量當(dāng)量率

將便攜式中子劑量?jī)x放置在測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)6上，記錄讀數(shù)，取平均值作為該點(diǎn)的測(cè)量值。

中子劑量?jī)x與反沖質(zhì)子譜儀解譜后給出的中子周圍劑量當(dāng)量率結(jié)果列于表3。

表3 中子周圍劑量當(dāng)量率測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)語

從中子能譜的測(cè)量結(jié)果來看，不同標(biāo)高處的測(cè)量點(diǎn)中子能譜有明顯差異。測(cè)點(diǎn)1位置遠(yuǎn)離堆芯活性區(qū)，因此有較多的熱中子。測(cè)點(diǎn)5與活性區(qū)之間屏蔽層較厚，所以熱中子成分也較多，而其他4個(gè)測(cè)量點(diǎn)的熱中子成分很少。因此測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5的中子周圍劑量當(dāng)量率也是最小的。反應(yīng)堆內(nèi)熱中子主要來自于中能中子和快中子的慢化散射，因此熱中子成分多的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5也有少量1/En依賴的散射中子，其他4個(gè)測(cè)點(diǎn)的很少。對(duì)于主泵間門口測(cè)點(diǎn)2和與中心活性區(qū)近似高度的測(cè)點(diǎn)4，10 keV～10 MeV范圍的快中子成分占96%以上。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)中幾十 keV的中子數(shù)目都較多，這可能是金屬材料在該能區(qū)內(nèi)的共振反應(yīng)造成的，比如56Fe在24 keV處有共振反應(yīng)。測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)6的中子能量分布很接近。

比較反沖質(zhì)子譜儀和便攜式中子儀表的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種設(shè)備測(cè)量結(jié)果差異很大。測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5結(jié)果相差幾倍，測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)6的結(jié)果相差十幾倍。分析認(rèn)為，核島內(nèi)中子能量分布與儀器檢定過程中的能量分布(檢定時(shí)使用的镅鈹源平均能量為4.1 MeV)有差異，進(jìn)而影響測(cè)量時(shí)能量響應(yīng)，是此次NSN3型儀器在核島內(nèi)部分區(qū)域能量分布環(huán)境下示值出現(xiàn)較大差異的原因。

根據(jù)所測(cè)得的中子能譜，可為后續(xù)功率運(yùn)行情況下中子照射影響較大的區(qū)域內(nèi)的工作提供防護(hù)參考，以便制定更有針對(duì)性的人員中子照射防護(hù)策略；同時(shí)也可為反應(yīng)堆廠房一些設(shè)備(比如人員/設(shè)備氣閘門視窗)的中子屏蔽改進(jìn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。近年來國(guó)內(nèi)部分科研院所開展了關(guān)于壓水堆工作場(chǎng)所的模擬中子參考輻射場(chǎng)的研究，本文測(cè)量結(jié)果也可作為其模擬場(chǎng)的校準(zhǔn)參考。