對特殊環境下反應堆控制用中子探測器質量監控的淺析

李 楠，昝懷啟，程多云，李 華

（1.中核控制系統工程有限公司，北京 102401；2.中國原子能科學研究院，北京 102488）

0 引言

眾所周知，某些特殊環境下的反應堆（如快中子增殖堆、鉛基堆、高溫氣冷堆、聚變堆等），是國家綜合實力的重要體現，不僅具有不可估量的科研價值和經濟價值，同時也具有強大的軍事價值。

控制用中子探測器用于監測反應堆的運行狀態，相當于人體的眼睛，它將反應堆內中子注量率的大小和變化速率轉換成電信號，輸入到相應的控制設備，達到監控反應堆正常運行的目的。

特殊環境下反應堆控制用中子探測器從運輸、安裝，再到正常運行，所處的環境條件十分惡劣，可能經受嚴酷機械振動沖擊；極高溫和極低溫交替沖擊；堆內中子、γ射線、宇宙射線及強電磁場的影響[1,2]，有些甚至還要求在真空環境下長期運行，且不可維修和更換。

基于這些嚴酷環境和高性能的指標要求，不僅對研制提出了更高的標準，也對質量監控工作提出了新的挑戰。

1 對特殊環境下反應堆控制用中子探測器質量監控的淺析

1.1 提高對其質量監控重要性的新認知

中國核工業發展經歷了3 個階段：第一階段“兩彈一艇”時代，這時期的核工業為中國成為核大國奠定了堅實的基礎；第二階段“二堆一器”時代，和平利用核能和核科研的成就，進一步提高了中國核大國的話語權并為“一帶一路走出去戰略”作出重大貢獻；現正處于第三階段，中國將從核大國向核強國邁進，最能體現中國核強國地位的就是這些應用于特殊環境條件下的新型反應堆，打破國外核壟斷地位，將為世界能源結構，交通動力和太空探索做出重大貢獻。作為探測這些新型反應堆的“眼睛”，它的產品實現過程和質量監管過程均十分重要，對其提出了新的挑戰，有了新的認知，其中質量監控重要性的新認知從轉變觀念開始。

1.2 質量監控觀念的轉變——強化質量監控的合理建議權

現有質量監控模式強調的是控制，弱化了合理化建議，即按照質保體系等相關規定對過程進行監控，檢查其執行程序的合規性；對照法規標準等相關指標進行比對，檢查其最終結果的符合性。這種監控方式是傳統的，也是被動的。

通過對特殊環境下反應堆控制用中子探測器項目的全過程質量監控，認識到其方式從被動到主動轉變的重要意義。“產品質量是設計和制造出來的，不是監控出來的”，所以產品實現過程中的設計水平和制造工藝水平是關鍵因素，要求質量監控環節延伸到設計環節，在深入了解原理的基礎上，適時提出合理化建議。同時，有效的質量監控不僅要判斷結果，而且對結果要究其原因，對正向結論，要究其是否存在偶然性；對負向結論，要判定失效原因并盡可能給出合理化建議。

案例——對充氣工藝取舍的質量監控的實施，充分體現了強化質量監控合理建議權的效果。

某特殊環境下反應堆控制用中子探測器項目，其產品技術規格書中的指標要求中子探測器除了電極涂B-10 外，還需充入一定量的He-3 氣作為靈敏物質，目的為增加其中子靈敏度。

核反應式如公式（1）和公式（2）所示：

B-10 與熱中子的核反應截面為3840b，He-3 與熱中子的核反應截面為5330b。因此，充入一定量He-3 氣體，應能增加探測器的中子靈敏度。

質量監控人員根據核反應理論知識向技術人員提出質疑，He-3 與中子反應生成氚，氚為放射性核素，衰變過程中會不斷釋放出能量為18Kev 的β 電子，半衰期為12.26年，從而會增加探測器本底信號，進而影響探測器的相關性能。

這一質疑引起了技術人員的重視，經過充分討論，決定使用制作樣管進行比對試驗，并理論分析及計算的方法。比對試驗結果表明：充入He-3 氣的比未充入He-3 氣的樣管中子靈敏度僅提高約10%，但未充入He-3 氣的樣管中子靈敏度測試數據同樣也能滿足技術要求的指標。對此試驗結果，進一步分析計算，充He-3 氣后探測效率（即中子靈敏度）增加約10%，E2=1.12=1.21（注：探測器品質因子Q=E2/B，其中：E 為探測效率，B 為本底）。同時經分析，本底信號將隨著探測器使用時間的延長而不斷增加，當本底因氚的影響增加大于21%，從公式可計算出，品質因子Q 將會降低。同時，用充He-3 氣增加探測效率（即中子靈敏度）的方式，對后續制造工藝實現的可能會產生如下影響：

1）充純凈He-3 氣增加探測器制造工藝的復雜性。

2）對氚產生本底形成的信號，需由電子線路的甄別器調節甄別閾來解決，將增加后級信號處理線路的負擔和調試工作量。

3）將增加生產成本。

通過綜合分析，研制團隊決定在研制樣本時，不再充入He-3 氣。

這一案例說明，質量監控人員不僅要按照大綱程序等進行質量監管，還應深入了解技術原理，與技術人員共同研討，對某些指標和工藝提出質疑，盡可能規避存在的質量風險，進而使產品質量更加安全可靠。

1.3 質量監控中堅持質量優先、指標盈余的原則

質量監控包含兩個方面：一是監督研制全過程是否符合相關程序要求，二是檢查結果是否符合相關技術要求，對于檢查的結果須堅持質量優先、指標盈余的原則。

案例——某特殊環境下反應堆控制用中子探測器使用的鎧裝電纜在選擇廠家時，堅持質量優先和指標盈余的原則。

探測器信號傳輸使用的鎧裝電纜作為探測器重要的組成部分，其性能至關重要，它能否經受惡劣環境（如：高溫、低溫、強輻照、強振動沖擊、甚至真空環境等）的考核是確保探測器安全可靠運行的關鍵。

圖1 熱真空試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test equipment of the thermal vacuum

目前國內新建的一般環境下反應堆控制用中子探測器的鎧裝電纜均已實現國產化。某特殊環境反應堆控制用中子探測器項目組的研制人員在對國內兩家和國外一家主要電纜廠生產的鎧裝電纜樣本進行了高溫絕緣性能測試，選取測量溫度值分別為100℃、250℃（工作溫度）、400℃（極限溫度），結果表明：100℃時，3 個廠家電纜樣本均能滿足大于1×1012Ω 的指標要求；250℃時，國外廠家樣本能滿足技術指標要求，兩家國內廠家樣本接近技術指標，但無盈余；400℃時，國外廠家樣本能滿足技術指標要求，且尚有盈余，而國內廠家樣本與技術指標差距較大。

項目組人員對以上測量結果，初步提出兩種選擇方案：方案一，采用國外廠家生產的鎧裝電纜；方案二，在不影響反應堆安全前提下，對于不滿足技術指標的可讓步接收。技術人員解決問題的思路是選擇方案一，理由為反應堆在功率運行期間，輸出電流范圍在0.1nA ～uA 量級，探測器絕緣電阻偏低對測量精度的影響在可接受范圍內。質量監控人員堅持選擇方案二，理由為僅有方案二實測結果在各個溫度值均滿足技術指標要求，方案一雖測量精度影響可能不大，但對測量范圍下限的精度和穩定性存在很大的不確定性，且在250℃時，國內廠家樣本雖接近技術指標，但無盈余，同時考慮此項目探測器處于特殊環境條件，運行期間不能維修和更換，基于這些特點，應盡可能消除一切可能存在的風險。最終質量監控人員與技術人員充分溝通，堅持質量第一和指標盈余的原則，選擇了方案一使用指標符合要求的國外廠家生產的鎧裝電纜。

1.4 在質量監控中對發現問題堅守歸零原則

質量監控全過程須堅守問題歸零原則[3-5]：“定位準確、機理清楚、問題重現、措施有效、舉一反三”，確保了最終產品質量滿足要求。

案例——某特殊環境下反應堆控制用中子探測器項目中對熱真空循環試驗不符合項的處理，充分體現了問題歸零原則。

在某特殊環境下反應堆控制用中子探測器樣件的熱真空循環試驗中，處于真空環境，同時探測器需耐受多次高低溫循環沖擊，以測試探測器的環境適應性。

熱真空循環試驗裝置簡圖如圖1 所示。

探測器置于加熱區，端蓋有鎧裝電纜密封結構，抽氣接口，下端有水套降溫，探測器外壁有熱電偶溫度監測，因普通加熱裝置達不到試驗溫度，故使用管式爐加熱。高溫真空試驗完成后，待溫度降至室溫，再將試驗筒整體轉移至低溫試驗箱，進行低溫試驗，低溫試驗完成后再升溫至室溫，轉至管式爐進行高溫真空試驗。如此反復，循環進行高低溫循環沖擊。

根據技術規格書要求，判定合格依據為在所有循環試驗過程中，本底電流均應小于10-9A，絕緣電阻均應大于1GΩ。

試驗數據表明，從樣件第5 次循環開始，到第8 循環，均出現本底電流大于10-9A 的現象，最大值出現在第7 次循環為2.1×10-7A，在第9 次循環恢復至大于10-9A。

本司質量監控人員對此現象開具了不符合項報告，按照質保監管程序要求查找失效原因，針對原因制定有效的糾正措施并組織實施。

項目組首先對真空系統進行了全面檢查，經比對后，高真空指示準確，復測探測器樣件常溫下的性能均符合要求。然后拆開試驗筒，發現熱電偶未與探測器外殼緊密接觸，而懸于真空室內，基于此初步判斷為此操作失誤可能造成探測器所處位置的溫度與實際溫度產生差異，最終使探測器溫度過高，導致測試過程幾組數據超差。

質量監控人員要求重現此現象，故技術人員重新安裝了一支熱電偶，發現在真空室中懸空時，測得數值比緊密接觸時高約70℃。據此可判斷，問題定位準確，同時對問題機理開展了進一步分析，由于熱電偶安裝懸空，未按規定接觸到位，在真空環境下熱傳導效率低，測得溫度數據不準確。

基于對上述不符合現象的重現及對問題機理的分析，可認定“問題的定位是準確的，機理是清楚的”，后續將對如何處理此不符合項（即制定有效措施）面臨兩種選擇：一是因探測器并未損壞，在同一樣本試驗條件糾正后，重復進行一次試驗；二是考慮到試驗溫度超差70℃，對探測器性能及試驗可能產生影響，制作新樣件后重新試驗。這是一個兩難的選擇，選擇其一是可順利地完成試驗，進度有保障，但存在不能預知的質量風險；選擇其二，進度延后半年，成本增加，但能有效規避不能預知的風險。同時也深入了解了航天新產品研制過程，通常一般為3 個階段，首先對產品使用材料進行可用性、可靠性、可替代性等分析和試驗，滿足要求后再進行部件分析和試驗，遇不符合項則停止后續工作，分析原因，定位不符合的確定因素，經過修正，重新制作樣件，開展各項試驗和測試。如此反復，直到所有部件無一缺陷，裝配成整個樣件，進行系統試驗和測試。

基于上述分析，此項目在溫度試驗中使用操作方式有誤導致試驗溫度超差的現象對探測器性能產生影響不可預計的情況下，質量監控人員要求制作新樣件，重新開展試驗。后續項目組經過近10 個月的努力，在質量監控人員監管下，完成了新樣件的制作，通過了機械性能試驗、核電性能測試、環境試驗、壽命考核試驗，最終產品通過了科研鑒定，順利進入了試生產階段。

2 結論

通過對特殊環境下反應堆控制用中子探測器項目的全過程質量監管，從中提煉了典型的經驗反饋和良好實踐，將總結的經驗固化至質量監管作業程序中，不斷提高質量監管水平，強化質量監管預防為主，真正為用戶提供安全可靠的產品[6]。