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(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518172）

某歐洲壓水堆（European Pressurized Reactor，EPR）型核電機(jī)組中采用鈷自給能中子探測(cè)器（Co-Self Powered Neutron Detector，Co-SPND）實(shí)時(shí)測(cè)量反應(yīng)堆堆芯中子通量，而熱中子靈敏度是Co-SPND探測(cè)器的關(guān)鍵性能參數(shù)之一，但為了降低Co-SPND探測(cè)器從工廠轉(zhuǎn)運(yùn)至核電項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)過程中的放射性，該核電機(jī)組使用的所有Co-SPND探測(cè)器在出廠時(shí)均只進(jìn)行了γ靈敏度測(cè)試，而未進(jìn)行熱中子靈敏度測(cè)試［1］。根據(jù)設(shè)計(jì)，正常運(yùn)行期間可通過堆芯氣動(dòng)浮球測(cè)量系統(tǒng)（Aeroball Measurement System，AMS）對(duì)Co-SPND探測(cè)器進(jìn)行校驗(yàn)檢查，但存在以下兩個(gè)問題［1］：1）AMS在25%NP功率后才可信，即在低功率平臺(tái)無法進(jìn)行校驗(yàn)；2）AMS為離線測(cè)量系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)校驗(yàn)。為此，本課題根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)Co-SPND探測(cè)器在反應(yīng)堆堆芯中的布置特點(diǎn)，建立了一種Co-SPND探測(cè)器熱中子靈敏度在線連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法。

1 Co-SPND探測(cè)器簡(jiǎn)介

1.1 探測(cè)原理

Co-SPND探測(cè)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(yīng)［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(dá)收集體，并在外電路中形成一個(gè)正比于中子通量的信號(hào)電流In，如圖1所示。

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

Co-SPND探測(cè)器由59Co發(fā)射體、絕緣體、收集體和信號(hào)及補(bǔ)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(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the Co-SPND detector

其中，信號(hào)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(bǔ)償電纜和信號(hào)電纜平行布置，但不與59Co發(fā)射體連接，因此補(bǔ)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(gè)Co-SPND探測(cè)器的實(shí)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(cè)器中產(chǎn)生的附加電流；Iγ-SC為外部γ在信號(hào)電纜中產(chǎn)生的附加電流；Iγ-CC為外部γ在補(bǔ)償電纜中產(chǎn)生的附加電流。其中：補(bǔ)償電纜和信號(hào)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(yùn)行期間會(huì)被周期性的測(cè)量并補(bǔ)償，Id可忽略不計(jì)；Iγ-D約為In的1%，因此Iγ-D也可忽略不計(jì)。

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

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

1.2 Co-SPND探測(cè)器在堆芯中的布置

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

根據(jù)設(shè)計(jì)，堆芯中的12根Co-SPND探測(cè)器組件是徑向?qū)ΨQ布置的，故將其分為6個(gè)對(duì)稱組，具體的對(duì)稱關(guān)系見表1。

表1 某EPR核電機(jī)組12根Co-SPND探測(cè)器組件的徑向?qū)ΨQ關(guān)系Table 1 The detailed radial symmetry relationship for 12 Co-SPND Instrumentations in a EPR plant

圖3 Co-SPND探測(cè)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(cè)器的相對(duì)熱中子靈敏度比

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

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

由于布置在堆芯中的Co-SPND探測(cè)器為實(shí)時(shí)在線測(cè)量，且徑向?qū)ΨQ位置的兩根組件中的6個(gè)探測(cè)器處于同一標(biāo)高，而在堆芯核功率相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，堆芯徑向的中子通量密度也是近似對(duì)稱一致的，因此，對(duì)于徑向?qū)ΨQ且處于同一標(biāo)高的兩個(gè)Co-SPND探測(cè)器應(yīng)用式（4）時(shí)存在［φ（j）/φ（i）］≈1，則此時(shí)式（4）可簡(jiǎn)化為：

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

另一方面，由于該EPR核電機(jī)組采用的Co-SPND探測(cè)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(gè)Co-SPND探測(cè)器的熱中子靈敏度比的范圍應(yīng)滿足：0.505≤Cij≤1.981。

3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

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

圖4 某EPR核電機(jī)組的Co-SPND探測(cè)器在不同功率平臺(tái)下的相對(duì)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(shí)，當(dāng)相對(duì)熱中子靈敏度比出現(xiàn)極大偏差時(shí)，可通過檢查對(duì)應(yīng)Co-SPND探測(cè)器所在組件測(cè)量得出的軸向功率分布曲線輔助判斷是參考位還是對(duì)稱位的Co-SPND探測(cè)器熱中子靈敏度存在偏差。仍以該EPR核電機(jī)組S11和B07兩個(gè)徑向?qū)ΨQ組件為例，以參考組件S11為基準(zhǔn)，檢查發(fā)現(xiàn)其中3號(hào)Co-SPND探測(cè)器的相對(duì)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(cè)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(hào)探測(cè)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(hào)探測(cè)器位置存在明顯異常凹點(diǎn)，如圖5所示，因此可判斷其原因?yàn)閰⒖嘉籗11組件中的3號(hào)對(duì)稱位Co-SPND探測(cè)器熱中子靈敏度正常，而B07組件中3號(hào)探測(cè)器的熱中子靈敏度偏低所致。但結(jié)合0.505≤Cij≤1.981可知，該B07組件中3號(hào)探測(cè)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(jī)組S11和B07組件在不同功率平臺(tái)的相對(duì)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(gè)徑向?qū)ΨQ位Co-SPND探測(cè)器輸出電流應(yīng)分別基本一致，對(duì)應(yīng)的堆芯軸向功率分布曲線也應(yīng)保持一致，以該機(jī)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(jī)組S11(a)和B07(b)組件在不同功率平臺(tái)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(jī)組J02(a)和J16(b)組件在不同功率平臺(tái)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(duì)熱中子靈敏度比的適用性說明

根據(jù)設(shè)計(jì)，該EPR核電廠Co-SPND探測(cè)器的輸出電流范圍為0～1 000 nA，最大可對(duì)應(yīng)0%～120%NP［7］，那么在低功率平臺(tái)時(shí)，Co-SPND探測(cè)器的輸出電流將處于較低水平，且波動(dòng)較大，同時(shí)根據(jù)廠家提供的該型Co-SPND探測(cè)器特性，只有在當(dāng)機(jī)組核功率大于等于10%NP時(shí)，其輸出電流才被認(rèn)為有效可用［1］，則式（5）中的適用條件為機(jī)組核功率大于等于10%NP。

另一方面，由于反應(yīng)堆堆芯的徑向功率并非完全對(duì)稱，同時(shí)考慮到在機(jī)組正常運(yùn)行期間，Co-SPND探測(cè)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(duì)信號(hào)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(jì)算得出的相對(duì)熱中子靈敏度比無法完全按照0.505≤Cij≤1.981進(jìn)行嚴(yán)格判斷，只能作為預(yù)判，定性的反應(yīng)Co-SPND探測(cè)器的熱中子靈敏度在初始投運(yùn)階段是否存在較大偏差，或者在機(jī)組正常運(yùn)行期間是否出現(xiàn)異常突變，之后可結(jié)合AMS校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行最終判定。

5 結(jié)語

在機(jī)組正常運(yùn)行階段，盡管無法有效測(cè)得Co-SPND探測(cè)器的實(shí)際熱中子靈敏度，但是通過在線監(jiān)測(cè)徑向?qū)ΨQ且處于同一標(biāo)高的兩個(gè)Co-SPND探測(cè)器的相對(duì)熱中子靈敏度比，可以初步判斷該徑向?qū)ΨQ的兩個(gè)探測(cè)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(jié)合每根組件測(cè)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(duì)稱位的Co-SPND探測(cè)器存在異常。

另一方面，由于其他第三代核電機(jī)組中同樣普遍采用自給能中子探測(cè)器用以測(cè)量反應(yīng)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(duì)熱中子靈敏度比的方法亦可作為其他類型核電機(jī)組中自給能中子探測(cè)器熱中子靈敏度在線監(jiān)測(cè)方法的參考。