堆外核測量系統源量程探測裝置設計與測試

肖偉 胡嬋 邱順利 翟春榮 董進誠 葛孟團 周宇琳 曾樂

摘 要： 堆外核測量系統源量程測量通道設計使用涂硼正比計數管，研制了一種高靈敏度探測器，設計并搭建出一套源量程探測裝置。給出了熱中子靈敏度、堆上試驗條件及試驗方法，對探測裝置靈敏度、甄別閾特性、高壓坪特性、計數率線性及測量范圍等指標進行試驗驗證。測試結果表明，該探測裝置具有優良的輻射性能，熱中子靈敏度可達22 s-1 / （ cm-2·s-1 ） ，高壓坪特性坪長為150 V，坪斜為28. 3% / 100 V，探測器輸出脈沖計數率與中子注量率有顯著的線性符合，中子注量率測量上限可達到1×105 cm-2·s-1 ，符合堆外核測量系統源量程通道的使用要求，可廣泛應用于核電及船用堆外核測量監測系統。

關鍵詞：堆外核測量系統;源量程;涂硼正比計數管;輻射性能;中子靈敏度;堆上試驗

中圖分類號：TL81 文獻標識碼：A

堆外核測量系統是壓水堆核電站必需的儀表系統，屬于保護和安全監測的子系統，實現從停堆工況到滿功率堆芯泄漏中子注量率全覆蓋監測，是核電站重要的安全級系統之一[1] 。國外從事壓水堆核電站堆外核測量系統設計、生產的公司主要有英國R&R 公司（ 原DS&S） 和美國ThermoFisher Scientific 公司[2] 。反應堆堆外核測量系統通過在反應堆壓力容器周圍布置的若干個中子探測器來測量反應堆周圍的熱中子通量，進而推算出反應堆的實時功率。核電站堆外核測量系統均將監測功率水平分為源量程、中間量程和功率量程三個量程[3] ，采用三種不同的熱中子探測器，每兩種相鄰量程的探測器在同一量級上互為冗余測量[4] 。

源量程探測裝置主要用于堆外核測量系統源量程測量通道，用于監測反應10-11 RTP ～10-5 RTP（額定熱功率）運行的中子注量率水平[5] ，包括位于反應堆壓力容器周圍測量孔道內的探測器組件、位于輔助廠房的前置放大器，及其相關連接電纜及電纜連接器。

基于涂硼正比計數管具有脈沖上升時間快、使用溫度高、量程范圍廣、可靠性高、中子靈敏度高，使用壽命長等優點[6-7] ，堆外核測量系統源量程測量通道設計使用涂硼正比計數管探測器，用于反應堆停堆、啟堆及堆芯裝載時的中子監測。

1 源量程探測通道設計

1. 1 源量程探測裝置設計

源量程探測通道主要包括探測器組件、安裝支座組件、電纜接線盒、前置放大器及相關的電纜等，探測器組件包含涂硼正比計數管、中子慢化體、陶瓷絕緣件及與一體化礦物質三軸鎧裝電纜。

探測器組件安裝在帶鋼襯的測量孔道內，向外輸出信號經過三軸連接器在電纜接線箱內與高可靠四軸有機電纜連接，經過電氣貫穿件輸出至安全殼外的前置放大電路盒進行放大處理。探測器組件的核心采用涂硼正比計數管，輸出與中子注量率成比例的計數率信號[8] ，通過源量程前置放大器處理后傳送給核測儀表信號處理機柜的源量程信號處理組件。源量程探測裝置測量通道示意圖如圖1 所示。

信號處理模塊將來自放大器的中子脈沖信號，經放大、甄別、濾波整形后進行計數處理，得到中子計數率信號送到PMS（保護和安全監測系統）。

1. 2 探測器設計

設計的源量程探測器組件核心為涂硼正比計數管，涂硼計數管探測器設計采用正比計數管陣列以增加涂硼面積，從而實現高靈敏度測量[9-10] ，探測器結構示意圖如圖2 所示。探測器靈敏段為涂硼計數管芯體，計數管芯體陽極并聯后共同連接至探測器輸出端，輸出端通過絕緣子與殼體進行絕緣并保證密封，探測器采用三同軸礦物質鎧裝電纜及連接器形成多層屏蔽結構，進行信號和高壓的傳輸。三軸鎧裝電纜有兩層金屬屏蔽層的弱信號傳輸用耐高溫電纜，采用高絕緣、低衰減系數的氧化物做絕緣材料，可實現探測器信號回路和電纜外殼之間的物理隔離，能長期耐受高溫、高濕、高輻射等惡劣環境。

計數管芯體采用圓柱體同軸結構，結構原理如圖3 所示，從中心向外依次為陽極絲、靈敏氣體、硼層、陰極及外殼[11] ，兩端分別為底部固定座和密封頭。其中，陽極絲為鍍金鎢絲，陰極筒體為鈦金屬。陽極絲貫穿于探測器芯體軸心，通過絕緣子與陰極進行絕緣并保證密封，陰極內壁硼層用富集度（≥95%） 的10 B 作為熱中子靈敏材料。

探測器內充稀薄的靈敏氣體作為工作氣體，中子通過硼層時發生核反應，產生帶電的α 粒子和7 Li+離子穿越靈敏層進入靈敏氣體，引起靈敏氣體的電離。在陽極施加的高壓作用下，帶電粒子進行定向漂移，電子進行雪崩并不斷增殖，最終在陽極絲上被收集。在電子漂移、雪崩放大的過程中形成感應脈沖，實現中子探測。

由于堆外核測量系統探測器安裝孔道對探測器外部尺寸的限制，設計單支計數管靈敏體積的總長度約為770 mm，陰極直徑為27 mm。使用Geant4 進行模擬仿真不同計數管陰極內表面硼層厚度時，單位注量的熱中子與硼層發生核反應產生的α 粒子和7 Li+ 粒子在計數管靈敏氣體內沉積能量-計數的關系，進而選擇0. 8 mg/ cm2 硼層厚度可以保證計數管有較高的中子靈敏度。

本研究中涂硼工藝采用電泳法，以金屬正比計數管基材作為陰極，鉑金絲作為陽極，外加電場使懸浮于電泳液中的含硼物質微粒定向遷移并沉積在陰極基材內表面，形成薄膜。該方法可得到較高的涂硼效率和良好的成膜均勻性能。

2 熱中子靈敏度試驗測試

2. 1 熱中子靈敏度試驗

熱中子靈敏度標定試驗在中國計量科學研究院的標準熱中子場中進行，該熱中子場輻射裝置采用12 枚241Am-Be 中子源，分別由高純石墨和重水慢化而成。利用金箔活化法進行熱中子注量率的測量，測量結果表明其豎直面內區域均勻性1%，水平面內區域均勻性為5. 2%[12] ，測試參考JJG 2081—1990《熱中子注量率計量器具》及GB /T 7164—2004《用于核反應堆的輻射探測器特性及其試方法》。該標準熱中子場為經過CNAS 認證的熱中子注量率基準裝置，報告編號國基證（2002）第103 號。試驗裝置結構示意及實物如圖4 所示，主要由中子源、慢化體、反射腔及屏蔽體等組成。

2. 2 試驗方法及測試結果

將涂硼正比計數管探測器置于如圖4 所示標準熱中子輻射裝置腔體的中心位置，保證熱中子場覆蓋整個探測器靈敏體積，根據中國計量科學研究院采用金箔活化法標定的熱中子輻射裝置，可得探測器所在位置的熱中子注量率為505. 4cm-2·s-1 。將探測器通過一體化鎧裝電纜、三同軸有機電纜連接器前置放大器，前置放大器放大后的信號輸入信號處理機箱進行進一步調理，讀取計數率值。

完成試驗配置后讀取探測器平均輸出計數率為11 121 s-1 ，則該涂硼正比計數管靈敏度為：

3 反應堆上試驗測試

3. 1 試驗條件

涂硼正比計數管反應堆性能試驗在中國原子能科學研究院49-2 游泳池式堆上進行。反應堆輻射孔道有垂直輻射孔道和水平熱柱孔道，根據49-2 堆上試驗條件，反應堆功率在2 ～ 3 500 kW范圍時，堆功率與孔道內熱中子注量率線性度符合良好。反應堆水平熱柱孔道深度約為3 m，其熱中子注量率與孔道深度呈正相關分布，其在3 200kW 功率下的中子注量率分布如圖5 所示。

由于源量程通道測量范圍為1×10-1 ～ 1×105cm-2·s-1 ，因此涂硼正比計數管堆上性能試驗在水平熱柱孔道進行。由圖5 可知，將涂硼正比計數管探測器置于水平孔道邊緣處，通過調節堆功率操作便可實現全量程范圍的測量。

3. 2 堆上試驗方法

根據49-2 堆上試驗條件，通過調節反應堆功率可實現3～4 個量級的線性測量。而涂硼正比計數管探測裝置量程范圍為6 個量級，為使熱中子注量率能覆蓋探測器的全部量程，試驗中通過改變一次探測器在孔道內的位置，依次在探測裝置處于較高熱中子注量率（孔道靠內位置）和較低熱中子注量率（孔道靠外位置）時調節反應堆功率，得到兩段中子熱注量率范圍的探測裝置測試結果，且使這兩段熱中子注量率范圍存在一定的重疊。

按照圖1 進行源量程測量通道的配置，將探測器及端接處鎧裝電纜外壁進行絕緣處理后置于水平孔道熱柱口處，使其靈敏區完全置于熱柱孔道內，并連接好后端測試系統。試驗進行升功率操作，反應堆功率分別在功率臺階穩定后進行測量探測器輸出計數率，試驗中根據計量院標定的探測器靈敏度，計算得到探測器位置的平均中子注量率。在反應堆上不同臺階下分別進行甄別特性測試、坪特性測試、計數率線性測量范圍測試。

3. 3 甄別閾曲線測試

在穩定的各功率臺階中，通過信號處理裝置調節涂硼計數管的甄別閾電平，測試各功率臺階涂硼正比計數管的甄別閾曲線。試驗測試中，不同功率臺階下的甄別閾曲線的變化趨勢大致相同，本文以10 kW 功率為例，繪制涂硼正比計數管探測器的甄別閾曲線，如圖6 所示。

如圖6 所示，探測器甄別閾曲線存在明顯拐點，拐點處甄別電平約為100 mV。根據GB / T7164《用于核反應堆的輻射探測器特性及其測試方法》[13] 7. 1. 1 節可知該電平為甄別掉噪聲的最低閾值，300～700 mV 區間為甄別特性曲線的坪。

3. 4 高壓坪曲線測試

與甄別閾曲線測試條件相同，在穩定功率為10 kW 臺階下，通過信號處理裝置調節涂硼正比計數管工作電壓U，讀出脈沖計數率值，測量計數率隨工作電壓U 的變化曲線，如圖7 所示。由圖7可知，涂硼正比計數管的高壓坪區范圍為850 ～1 000 V，根據坪特性計算坪長為150 V，坪斜為28. 3% / 100 V[13] ，滿足核測量系統對源量程探測裝置的使用要求。

3. 5 計數率線性測試

涂硼正比計數管探測裝置量程范圍為6 個量級，為使中子注量率能覆蓋探測器的全部量程，試驗中通過改變一次探測器在孔道內的位置，依次在探測裝置處于較高中子注量率（孔道靠內位置）和較低中子注量率（孔道靠外位置）時調節反應堆功率，得到兩段中子注量率范圍的探測裝置測試結果，試驗中根據計量院標定的探測器靈敏度，計算得到探測器位置的平均中子注量率。待每個臺階反應堆功率穩定時，分別記錄測量輸出脈沖信號與反應堆功率的符合情況，根據各功率平臺下的測試數據，得到探測裝置輸出計數率與中子注量率關系如圖8 所示。

由2. 2 節熱中子靈敏度試驗測試可知該涂硼正比計數管靈敏度為22 s-1 / （cm-2 ·s-1 ），由此可得探測器輸出計數率與中子注量率理論關系為：C = 22×?。式中，C 為輸出計數率，s-1 ，? 為中子注量率，cm-2·s-1 。由圖8 可知，探測器測量輸出脈沖計數率與探測器所在位置處中子注量率有顯著的線性符合，中子注量率約在3×104 cm-2·s-1 時，探測器輸出計數率出現壓頭趨勢。

因計數系統存在死時間，對測量的計數率進行死時間修正以得到更準確的測量結果。死時間修正公式如下：

由圖9 可知，探測器在計數率達到106 量級時依然可保持良好的線性，計算可得修正后探測區輸出計數率與理論計數率偏差最大值為2. 55%，滿足堆外核測量系統源量程通道測量上限1×105cm-2 ·s-1 的使用要求。

4 結論

本課題結合堆外核測量系統現場實際工程應用情況，設計并搭建出一套源量程探測裝置，對探測器進行詳細設計以滿足堆外核測量環境及性能要求。給出了熱中子靈敏度試驗、堆上試驗條件及試驗方法，對探測裝置進行試驗驗證。試驗測試結果表明：設計的涂硼正比計數管探測器具有較高的中子靈敏度，探測器脈沖甄別閾曲線存在明顯的拐點，具備優異的高壓坪特性，可選擇合適甄別閾及工作電壓使計數管穩定工作;探測器具有較寬的測量范圍，其輸出脈沖計數率與中子注量率有顯著的線性符合，各項指標均滿足設計要求，可應用于堆外核測量系統源量程測量通道，對其在核電廠及船用核測量工程應用具有一定的借鑒意義。

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