鈉冷快堆燃料破損在線監測系統探測器選型分析

潘君艷，劉浩杰，馬 強，張 杭，李 華，段天英

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

燃料包殼包容燃料和裂變產物，是燃料基體之外的第二道反應堆安全屏障。當包殼發生破損時，燃料棒內裂變產物甚或燃料會經包殼破口逸出到一回路中，導致一回路介質的放射性增加。為保障反應堆的放射性安全，確保裂變氣體和揮發性裂變產物向環境的排放在審批限值以下，保證運行維護人員所受的劑量在允許限值以下，需要對堆芯燃料包殼破損進行有效地監測，不允許出現大量的燃料棒密封性破壞或大的燃料包殼破損[1]。

鈉冷快堆采用液態金屬鈉作為冷卻劑，鈉液上方是覆蓋氣體氬氣（Ar2）[2]。當燃料包殼發生破損時，燃料棒內的裂變氣體會最終逃逸到覆蓋氣體中，揮發性裂變產物或非揮發性裂變產物會大部分滯留在冷卻劑內。揮發性裂變產物中含有緩發中子先驅核，緩發中子先驅核在衰變過程中會以一定的幾率釋放緩發中子。因此，在正常運行工況下，為有效地實現燃料破損在線監測，鈉冷快堆需要設置燃料破損覆蓋氣體監測系統和燃料破損緩發中子監測系統[3,4]，分別測量覆蓋氣體的放射性和鈉冷卻劑中的緩發中子注量率。

各國鈉冷快堆燃料破損在線監測系統探測器的選型不盡相同，其工作環境和功能要求也有差別。另外，核輻射探測器不斷發展和更新，也影響了燃料破損在線監測系統探測器的選型。本文將根據各國燃料破損在線監測系統探測器的技術特點，結合系統的環境條件和探測器的發展情況，對探測器的設計、選型原則進行比較和分析，對探測器的應用趨勢進行探討。

1 探測器的應用

1.1 鈉冷快堆燃料破損在線監測系統

鈉冷快堆燃料破損在線監測系統，包括燃料破損覆蓋氣體監測系統和燃料破損緩發中子監測系統。受覆蓋氣體氣腔內環境的限制和本底放射性水平的影響，各國快堆覆蓋氣體監測系統都采用了將覆蓋氣體連續取樣到堆容器外進行放射性測量的方式，使得覆蓋氣體放射性探測器具有較適宜的工作環境。各國快堆緩發中子監測系統設計方案有明顯差別[3,5]。池式堆有3 種測量方式：堆容器熱池內直接測量、堆容器外冷卻劑鈉連續取樣測量，以及堆容器外正對熱池測量。回路式堆有兩種測量方式：一回路管道外直接測量和一回路旁通管取樣測量。不同緩發中子測量方式有著不同的測量環境。

1.2 覆蓋氣體放射性探測器

燃料破損覆蓋氣體監測系統連續監測覆蓋氣體的放射性水平。各國鈉冷快堆覆蓋氣體探測器的選型差別較大[5]，賦予探測器的功能要求也有所不同，具體配置見表1。

表1 各國快堆上覆蓋氣體監測系統采用的放射性探測器Table 1 Radioactive detectors used in monitoring systems for overlying gases on fast reactors in various countries

電離室、GM 計數管和靜電沉降器屬于氣體探測器。電離室，包括流氣式電離室和γ 電離室，工作在飽和區。流氣式電離室，將覆蓋氣體作為填充氣體載入到電離室內，收集氣態核素衰變釋放的β 射線，根據測量得到的電流值或脈沖計數率給出覆蓋氣體的放射性活度濃度；γ 電離室，測量γ 射線電離產生的電子，輸出覆蓋氣體的放射性劑量率值。GM 計數管，測量γ 射線電離產生的電子，工作在G-M 區，輸出覆蓋氣體的放射性劑量率值，具有輸出脈沖幅度大和價格便宜的優點，但脈沖分辨時間長。靜電沉降器，探測β 粒子，在靜電場中將氣體中的Kr 和Xe 衰變子體金屬正離子Rb+和Cs+沉降在負電極上，測量負電極的β 放射性[6]，轉換為覆蓋氣體的放射性活度濃度，靜電沉降器屬于20 世紀八九十年代在國際上應用比較多的探測器，現已逐漸退出探測器市場。

HPGe 或Ge（Li）探測器，屬于鍺半導體探測器，與配套的多道脈沖幅度分析器共同組合成γ 譜儀，通過測量γ射線能譜實現覆蓋氣體中放射性同位素的定量分析，有很優秀的γ 能量分辨率。閃爍計數管，在覆蓋氣體探測中主要指NaI 探測器，配光電倍增管，測量γ 射線，分辨時間短、探測效率高，同時也有γ 射線能量分辨功能，但能量分辨率相對HPGe 或Ge（Li）譜儀要差很多。不過，NaI探測器擁有好的γ 計數率特性，很適合高活度覆蓋氣體的探測，將測量的γ 計數率轉換為覆蓋氣體的活度濃度。

1.3 緩發中子探測器

燃料破損緩發中子監測系統監測一回路鈉冷卻劑中緩發中子注量率。各國鈉冷快堆緩發中子探測器的具體配置見表2。

表2 各國快堆上緩發中子監測系統采用的探測器Table 2 Detectors used in delayed neutron monitoring systems on fast reactors in various countries

涂硼正比計數管和BF3正比計數管都是以10B 反應為基礎的氣體探測器，工作在正比區。涂硼正比計數管，中子輻照壽命長，耐γ 輻照能力強，但坪區短，坪斜大。為保證輸出中子計數率的波動小，涂硼正比計數管的高壓電源必須十分穩定[7]，且紋波電壓值要小。BF3正比計數管，BF3既是正比氣體也是中子轉換成次級粒子的靶，坪區長、坪斜小，但在強γ 環境下BF3氣體容易分解，輻照壽命短，耐γ 輻照能力差。為保證正常運行環境，堆上的BF3正比計數管需要設置合適的鉛屏蔽層。3He 正比計數管，工作在正比區，由于3He 具有很大的中子反應截面，在同等條件下有很高的中子探測靈敏度。但3He 正比計數管不能有效地甄別γ 射線，甄別能力低于涂硼正比計數管和BF3正比計數管。裂變室，以235U 裂變反應為基礎的氣體探測器工作在飽和區，包括常溫裂變室和高溫裂變室。裂變反應釋放很大的能量，因此，裂變室的中子脈沖幅度比任何其他競爭反應都大得多，有很強的抗γ 輻照能力，也能適應高溫環境，多用在堆內探測系統中，但中子探測靈敏度相對較低。

2 燃料破損探測器選型分析

2.1 覆蓋氣體探測器的選型

燃料破損覆蓋氣體監測系統，將覆蓋氣體抽出到和緩環境下進行放射性監測。因此，覆蓋氣體探測器主要基于功能特點和探測方式進行選型，受周圍環境影響較小。根據功能特點，覆蓋氣體探測器可分為兩類：總放射性水平測量探測器和放射性核素分析探測器。

總放射性水平測量探測器，包括了電離室、GM 計數管、靜電沉降器，以及閃爍體探測器，直接給出覆蓋氣體的總放射性活度濃度或總放射性劑量率。其中，測量β 粒子的探測器，具有很高的探測靈敏度，結合探測體積直接將β計數率換算為覆蓋氣體的活度濃度。但β 探測器與覆蓋氣體直接接觸，需要接入覆蓋氣體取樣回路中。因此，探測器的安全級別和抗震類別上會賦予一回路覆蓋氣體壓力邊界的要求，保證在任何工況下不影響覆蓋氣體壓力邊界的完整性。測量γ 射線的探測器，采用取樣管道或取樣容器外γ 監測方式，探測效率相對低一些，需要根據探測體積和特征核素的探測效率才能將測量計數率值轉換為覆蓋氣體的放射性活度濃度或劑量率值。所以，當覆蓋氣體中的放射性核素比較復雜時，就可能存在轉換上的偏差。不過，在燃料破損情況下，覆蓋氣體擁有高放射性活度，衰變釋放的γ 射線強。因此，探測器并不需要追求高的探測效率，統計偏差值也會在可接受區間內。另外，覆蓋氣體釋放的γ 射線能量基本在80keV 以上，落在γ 常規的能量探測區間。因此，γ 探測器也能滿足覆蓋氣體總放射性連續在線測量的需求。

放射性核素分析探測器包括了Ge（Li）和HPGe 探測器，具有很優秀的γ 射線能量分辨率，輸出γ 射線能譜和γ總計數率。結合γ 能譜分析軟件和γ 效率刻度，能獲得覆蓋氣體放射性核素的組成和放射性活度濃度。通過分析不同氣態裂變核素的活度濃度，可判斷裂變核素的釋放情況，評估包殼破口類型以及破口尺寸，估計破損燃料棒的數量，分析破損燃料組件的燃料類型，計算破損燃料組件的燃耗，有助于快速定位破損燃料組件，保障反應堆的運行。Ge（Li）探測器，經Li 離子漂移補償，必須永遠置于低溫及高真空條件下。HPGe 探測器，雖在低溫下工作，但不需要在低溫下保存。近20 年隨著工藝的突破，HPGe 成為γ 光譜探測器的主流，Ge（Li）逐漸退出市場。另外，隨著計算機技術的發展，通過光譜讀取軟件能直接給出放射性核素活度情況和活度報警信號；隨著電制冷和冗余制冷技術的出現，HPGe 譜儀運營的人力成本也在下降。這些都使HPGe 譜儀滿足燃料破損在線監測的需求[9]。當前設計中，為保證反應堆的運行，為掌握裂變產物的釋放情況，不同堆型的燃料破損探測系統都不約而同地引入了γ 譜儀[8,9]，成為燃料破損探測器選型的發展趨勢。

為保證測量數據的可靠性，燃料破損覆蓋氣體監測系統通常設計兩套或兩套以上探測器。總放射性水平測量探測器和放射性核素分析探測器相組合的配置方式是優選方案。總放射性水平測量探測器，給操作員提供直觀的覆蓋氣體總放射性水平值。由于表征覆蓋氣體的放射性水平，選擇能直觀給出覆蓋氣體活度濃度的探測器更為合理，至于選擇β 探測器或γ 探測器的選擇，則主要考慮探測裝置的成本和對壓力邊界的影響。放射性核素分析探測器，即HPGe 譜儀，分析給出放射性核素的信息，為燃料破損惡化程度提供進一步確認的手段，給技術人員提供燃料破損分析的數據支持。

2.2 緩發中子探測器的選型

由于堆芯不允許出現大面積的燃料包殼破損，鈉冷卻劑監測區域中緩發中子注量率不會特別高，雖然有不同類型，但所有緩發中子探測器都工作在脈沖模式下，輸出中子脈沖計數率。區別于覆蓋氣體探測器，緩發中子探測器的選型首先依賴于工作環境，再考慮中子探測靈敏度和使用壽命。印度原型快堆PFBR，采用堆容器熱池內的探測方案[10]，探測器處于高溫和高γ 輻射的環境下。因此，選擇最適用的高溫裂變室。法國鳳凰堆Phenix，連續抽取熱池內的鈉冷卻劑到堆容器外進行緩發中子測量，環境γ 本底較低，取樣容器體積較小，因此選用的是中子探測靈敏度最高的3He 正比計數管。日本文殊堆Monju，直接對著一回路管道進行緩發中子測量，受大管道內冷卻劑的影響，有一定的γ 輻射水平，但本底中子較低，一回路管徑大，選用了BF3正比計數管。

裂變室，具有很優秀的γ 甄別特性，但探測靈敏度低。由于靶材采用受管控的高豐度235U，制造過程復雜，后處理相對麻煩。因此，除俄羅斯之外，在常溫工作環境下，其他國家更愿意增加外圍鉛屏蔽的厚度來選用其他類型的中子探測器。3He 正比計數管，有最優秀的中子探測靈敏度和較好的坪特性，但γ 甄別能力很低。BF3正比計數管，具有較好的坪特性，但抗輻照能力弱，壽命較短。涂硼正比計數管，有較好的抗輻照能力，但坪特性是最差的，然而，現在中子探測器的高壓電源有相當好的穩定性，能很好地應對坪特性差的缺點，保證了輸出中子計數率的穩定性。因此，在中子探測靈敏度滿足監測需求的前提下，鑒于γ 甄別能力和使用壽命的優勢，在除裂變室以外的3 類正比計數管中，采用涂硼正比計數管是較理想的選擇。

3 結束語

在對比分析國際鈉冷快堆燃料破損在線監測系統探測器主要配置和技術特性的基礎上，可以得出，燃料破損覆蓋氣體監測系統會采用總放射性水平測量探測器和放射性核素分析探測器相結合的配置方案。燃料破損緩發中子監測系統探測器的選型首要考慮探測環境，再兼顧探測靈敏度和使用壽命。燃料破損探測器的選型依賴于系統探測方案、具體功能需求以及所處的探測環境，同時，探測技術的發展也會使系統具體探測需求發生變化，影響探測器的選型和配置。在設計中需要充分考慮探測器和系統之間的配合，以建立功能完整且性能完善的燃料破損在線監測系統。