自給能探測器堆上試驗方法研究

薛泓元 吳方亮 卜江濤 匡紅波 陳宇

摘要：自給能探測器試驗考核內(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時間。現(xiàn)對自給能探測器堆上試驗方法做出了詳細說明，主要包括堆上試驗內(nèi)容、堆上試驗對象、堆上試驗使用設備、核反應試驗堆的一般試驗條件要求、堆上試驗的具體實施、試驗中人員安全防護及輻照后物項處理等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：堆芯儀表套管組件（IITA）;堆上試驗;自給能探測器;中子探測器

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，其一般用于測量反應堆堆芯內(nèi)部的中子注量率分布，監(jiān)測堆芯線功率密度及偏離泡和沸騰比等核電廠運行參數(shù)，對核電站的安全及經(jīng)濟運行起到十分重要的作用。在部分堆型的核電廠內(nèi)，其還參與反應堆控制和保護功能，為反應堆安全提供保障。而自給能探測器是堆芯儀表系統(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，插入至反應堆壓力容器內(nèi)部。

自給能探測器是目前第三代核電站主流的堆芯中子注量率測量儀表，其通過吸收反應堆堆芯內(nèi)的中子產(chǎn)生可表征中子注量率的弱電流信號，后端二次儀表則將弱電流信號進行放大處理后送至相應的接口系統(tǒng)進行功率分布測量。一般自給能探測器通過進行堆上試驗以模擬其在反應堆實際測量條件，并驗證反應堆條件下的核性能指標是否滿足設計要求。

本文的自給能探測器堆上試驗方法主要包括核反應試驗堆條件、堆上試驗工具、自給能探測器布置、堆上試驗項目和程序以及安全防護和試驗后物質(zhì)的處理等，以確保堆上試驗效果和質(zhì)量，并保證人員安全。

1? ? 試驗內(nèi)容

通常進行自給能探測器堆上試驗時，會將自給能探測器固定在一支架上，然后探測器隨支架一起放入核反應試驗堆的某孔道中，該孔道的熱中子注量率應滿足設計及方案要求。同時應確保放入孔道內(nèi)的自給能探測器發(fā)射極靈敏區(qū)處在反應堆的堆芯位置，并應盡量與反應堆活性區(qū)對中。這樣對所有探測器提供一個穩(wěn)定的中子通量場用以檢測探測器的性能。

堆上試驗需要測試的自給能探測器性能參數(shù)主要為探測器的熱中子靈敏度、熱中子靈敏度一致性偏差和響應時間等。

1.1? ? 熱中子靈敏度

1.1.1? ? 試驗目標

熱中子靈敏度是自給能探測器的關(guān)鍵參數(shù)，其值能反映反應堆運行期間探測器是否能正確表征堆芯中子注量率情況。堆上試驗需要對自給能探測器進行熱中子靈敏度測量，目的是驗證堆上試驗所采用的探測器是否滿足設計和工程應用要求。

1.1.2? ? 試驗原理

將探測器安裝在試驗支架上，用測量設備測自給能探測器和傳輸電纜的本底電流，在探測器測量范圍內(nèi)，選取固定的中子注量率，待反應堆功率穩(wěn)定后，測量自給能探測器和傳輸（本底）電纜的信號電流。各探測器的凈信號電流由式（1）計算得出：

式中，Ii為第i支探測器的凈信號電流（A）;Iθi為第i支探測器的信號電流（A）;Ici為傳輸電纜的平均本底電流（A）。

由試驗單位提供探測器所在位置的絕對熱中子注量率的實際值（一般可用活化法測定），最后由式（2）算出探測器的熱中子靈敏度：

式中，Si為探測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支探測器的凈信號電流（A）;φabs為測定出的探測器所在位置的絕對熱中子注量率（n·cm-2·s-1）。

1.2? ? 熱中子靈敏度一致性偏差

1.2.1? ? 試驗目標

熱中子靈敏度一致性偏差是多支自給能探測器在不同位置所測得電流信號的標準偏差值。試驗需要對多支自給能探測器進行多次旋轉(zhuǎn)，一般至少進行4次90°的旋轉(zhuǎn)，并保證探測器旋轉(zhuǎn)到原測量位置。試驗時測量每支探測器在不同位置時的信號，最后計算其一致性相對標準偏差。

1.2.2? ? 試驗原理

將探測器安裝在試驗支架上，在探測器測量范圍內(nèi)選取某一功率水平，待反應堆功率提升到該功率水平穩(wěn)定后，將試驗支架置于試驗孔道內(nèi)，在探測器輸出電流穩(wěn)定后，用弱電流放大器分別測出試驗支架在起始位置即0°和每旋轉(zhuǎn)90°位置時各探測器的信號電流。

由式（3）求出每支探測器在4個不同位置時凈信號電流的平均值：

式中，Ifi為第i支探測器在4個不同位置時凈信號電流的平均值（A）;Iθij為第i支探測器在某一位置的輸出信號電流（A）;Ici為傳輸電纜的平均本底電流（A）。

由式（4）求出n支探測器在4個不同位置的凈信號電流的平均值：

式中，If為n支探測器在4個不同位置的凈信號電流的平均值（A）。

由式（5）求出n支被測探測器凈信號電流的標準偏差：

式中，σ為n支被測探測器凈信號電流的標準偏差（A）。

由式（6）計算得出探測器熱中子靈敏度一致性相對標準偏差：

1.3? ? 響應時間

1.3.1? ? 試驗目標

響應時間是自給能探測器的特有性能參數(shù)之一，其主要表征了自給能探測器的響應速度。對自給能探測器從停堆開始計時，到信號降到10%所需要的時間即為探測器響應時間。一般采用不同發(fā)射極材料的自給能探測器，其響應時間不同。

1.3.2? ? 試驗原理

由于探測器的材料確定后，響應時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器只需選一支做試驗。將探測器置于反應堆試驗孔道內(nèi)，當反應堆在某一功率水平（使中子注量率達到測量范圍）穩(wěn)定后，用信號處理柜記錄探測器的信號電流。然后將反應堆停堆，記錄反應堆的停堆時間。從反應堆停堆計算起，直到反應堆停堆一段時間后，記錄探測器的輸出信號電流，并繪出探測器信號電流I（t）隨時間t的衰減曲線，如圖1所示。

用作圖法求出探測器的信號電流I（t）衰減到原穩(wěn)態(tài)電流I0的10%時所需要的時間，即自給能中子探測器的響應時間。

2? ? 試驗對象及使用設備

2.1? ? 試驗對象

自給能探測器。

2.2? ? 試驗所需使用的設備

（1）探測器固定支架，用于固定自給能中子探測器后放入試驗堆的孔道中，并確保自給能探測器頂部對齊及其靈敏區(qū)處在試驗堆的活性區(qū)位置。（2）本底電纜，用于測量反應堆本底信號。（3）靜電計，用于測量自給能中子探測器的本底電流。（4）數(shù)字電容表，用于測量自給能探測器的電容。（5）數(shù)字萬用表，用于測量電纜連接通斷。（6）信號處理機箱，用于測量和記錄中子探測器的輸出信號。（7）信號轉(zhuǎn)接電纜及連接器，用于將探測器的輸出信號連接到信號處理機箱上。

3? ? 反應堆的試驗條件要求

在反應堆上安裝試驗孔道，要求孔道為干孔道并處于空氣暴露狀態(tài)，濕孔道需要通過增加保護套管將探測器與水隔離。孔道內(nèi)徑應能滿足按照探測器組件及固定支架。安裝探測器固定支架后能對支架進行旋轉(zhuǎn)，要求能進行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器。

建議反應堆分別在設計要求的熱中子注量率水平下穩(wěn)定至少30 min。具體穩(wěn)定時間需依據(jù)自給能探測器的發(fā)射體材料及性能確定，應盡量保證探測器在穩(wěn)定狀態(tài)時，其輸出電流值波動不大于0.5%。

4? ? 試驗的實施

4.1? ? 探測器組件布置

將探測器固定到探測器支架上，然后用吊車將探測器固定支架吊入試驗孔道安裝固定，并在孔道上端將定位圓盤進行定位。將探測器通過信號轉(zhuǎn)接電纜連接到堆芯儀表系統(tǒng)信號處理機箱上，將探測器的輸出信號從堆廳傳輸?shù)綔y量設備上。

4.2? ? 試驗前探測器組件檢測

探測器組件安裝入試驗孔道前進行下列測試：（1）測量所有探測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）測量每支探測器芯線與外殼之間的絕緣電阻值、本底電纜的絕緣電阻值。

完成探測器與電纜連接，并裝入試驗孔道后，進行下列測試：（1）通過信號連接電纜測試探測器組件每根芯線與外殼的電容值、絕緣電阻值;（2）用靜電計測量每支探測器的本底電流;（3）將信號轉(zhuǎn)接電纜連接到信號處理機箱后進行功能檢查。

4.3? ? 開堆試驗

堆上試驗內(nèi)容：

（1）反應堆按熱中子注量率臺階提升功率，分別在既定的各個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器在每個注量率臺階下的輸出信號、每支探測器的絕緣電阻值以及探測器所在位置的絕對熱中子注量率實際值。在既定的最高熱中子注量率臺階下，每隔30 min將探測器固定支架進行一次90°旋轉(zhuǎn)，記錄各個角度下每支探測器及本底電纜的輸出信號，同時記錄反應堆上核測量探測器的測量結(jié)果，進行對比。

（2）在既定停堆功率臺階下穩(wěn)定后，落棒停堆，連續(xù)記錄探測器輸出信號，按此數(shù)據(jù)繪制探測器響應曲線。

5? ? 試驗中人員安全防護及輻照后物項處理

在試驗過程中和試驗完畢后，都要對試驗物項和試驗場所的放射性劑量進行監(jiān)測，避免誤照射，確保人員安全。試驗完畢后，從反應堆提出的探測器和支架必須進行放射性劑量監(jiān)測，并存儲到有防護的專用存放位置。

6? ? 結(jié)語

自給能探測器堆上試驗方法的確立為后期的堆上試驗提供了可靠的依據(jù)。

[參考文獻]

[1] 自給能中子探測器：EJ/T 678—1992[S].

收稿日期：2020-04-24

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