自給能探測(cè)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(cè)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(cè)器堆上試驗(yàn)方法做出了詳細(xì)說(shuō)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(cè)器;中子探測(cè)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(cè)量反應(yīng)堆堆芯內(nèi)部的中子注量率分布，監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)器是目前第三代核電站主流的堆芯中子注量率測(cè)量?jī)x表，其通過(guò)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(cè)量。一般自給能探測(cè)器通過(guò)進(jìn)行堆上試驗(yàn)以模擬其在反應(yīng)堆實(shí)際測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器堆上試驗(yàn)時(shí)，會(huì)將自給能探測(cè)器固定在一支架上，然后探測(cè)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(cè)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(cè)器提供一個(gè)穩(wěn)定的中子通量場(chǎng)用以檢測(cè)探測(cè)器的性能。

堆上試驗(yàn)需要測(cè)試的自給能探測(cè)器性能參數(shù)主要為探測(cè)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(cè)器的關(guān)鍵參數(shù)，其值能反映反應(yīng)堆運(yùn)行期間探測(cè)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(cè)器進(jìn)行熱中子靈敏度測(cè)量，目的是驗(yàn)證堆上試驗(yàn)所采用的探測(cè)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(cè)器安裝在試驗(yàn)支架上，用測(cè)量設(shè)備測(cè)自給能探測(cè)器和傳輸電纜的本底電流，在探測(cè)器測(cè)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(cè)量自給能探測(cè)器和傳輸（本底）電纜的信號(hào)電流。各探測(cè)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(cè)器的凈信號(hào)電流（A）;Iθi為第i支探測(cè)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(cè)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(cè)定），最后由式（2）算出探測(cè)器的熱中子靈敏度：

式中，Si為探測(cè)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(cè)器的凈信號(hào)電流（A）;φabs為測(cè)定出的探測(cè)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(cè)器在不同位置所測(cè)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(cè)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(cè)器旋轉(zhuǎn)到原測(cè)量位置。試驗(yàn)時(shí)測(cè)量每支探測(cè)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(cè)器安裝在試驗(yàn)支架上，在探測(cè)器測(cè)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(cè)器輸出電流穩(wěn)定后，用弱電流放大器分別測(cè)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(cè)器的信號(hào)電流。

由式（3）求出每支探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)探測(cè)器凈信號(hào)電流的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

式中，σ為n支被測(cè)探測(cè)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(cè)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(cè)器的特有性能參數(shù)之一，其主要表征了自給能探測(cè)器的響應(yīng)速度。對(duì)自給能探測(cè)器從停堆開(kāi)始計(jì)時(shí)，到信號(hào)降到10%所需要的時(shí)間即為探測(cè)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(cè)器，其響應(yīng)時(shí)間不同。

1.3.2? ? 試驗(yàn)原理

由于探測(cè)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(cè)器只需選一支做試驗(yàn)。將探測(cè)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(cè)量范圍）穩(wěn)定后，用信號(hào)處理柜記錄探測(cè)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(cè)器的輸出信號(hào)電流，并繪出探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器。

2.2? ? 試驗(yàn)所需使用的設(shè)備

（1）探測(cè)器固定支架，用于固定自給能中子探測(cè)器后放入試驗(yàn)堆的孔道中，并確保自給能探測(cè)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(cè)量反應(yīng)堆本底信號(hào)。（3）靜電計(jì)，用于測(cè)量自給能中子探測(cè)器的本底電流。（4）數(shù)字電容表，用于測(cè)量自給能探測(cè)器的電容。（5）數(shù)字萬(wàn)用表，用于測(cè)量電纜連接通斷。（6）信號(hào)處理機(jī)箱，用于測(cè)量和記錄中子探測(cè)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(cè)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(guò)增加保護(hù)套管將探測(cè)器與水隔離。孔道內(nèi)徑應(yīng)能滿足按照探測(cè)器組件及固定支架。安裝探測(cè)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(cè)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(cè)器的發(fā)射體材料及性能確定，應(yīng)盡量保證探測(cè)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(cè)器組件布置

將探測(cè)器固定到探測(cè)器支架上，然后用吊車將探測(cè)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(cè)器通過(guò)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(cè)器的輸出信號(hào)從堆廳傳輸?shù)綔y(cè)量設(shè)備上。

4.2? ? 試驗(yàn)前探測(cè)器組件檢測(cè)

探測(cè)器組件安裝入試驗(yàn)孔道前進(jìn)行下列測(cè)試：（1）測(cè)量所有探測(cè)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(cè)量每支探測(cè)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(cè)器與電纜連接，并裝入試驗(yàn)孔道后，進(jìn)行下列測(cè)試：（1）通過(guò)信號(hào)連接電纜測(cè)試探測(cè)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(cè)量每支探測(cè)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(kāi)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(cè)器在每個(gè)注量率臺(tái)階下的輸出信號(hào)、每支探測(cè)器的絕緣電阻值以及探測(cè)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(cè)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(cè)器及本底電纜的輸出信號(hào)，同時(shí)記錄反應(yīng)堆上核測(cè)量探測(cè)器的測(cè)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(cè)器輸出信號(hào)，按此數(shù)據(jù)繪制探測(cè)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(guò)程中和試驗(yàn)完畢后，都要對(duì)試驗(yàn)物項(xiàng)和試驗(yàn)場(chǎng)所的放射性劑量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(cè)器和支架必須進(jìn)行放射性劑量監(jiān)測(cè)，并存儲(chǔ)到有防護(hù)的專用存放位置。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

自給能探測(cè)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(cè)器：EJ/T 678—1992[S].

收稿日期：2020-04-24

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