自给能探测器堆上试验方法研究

薛泓元 吴方亮 卜江涛 匡红波 陈宇

摘要：自给能探测器试验考核内容主要为热中子热灵敏度、热中子灵敏度一致性偏差和响应时间。现对自给能探测器堆上试验方法做出了详细说明，主要包括堆上试验内容、堆上试验对象、堆上试验使用设备、核反应试验堆的一般试验条件要求、堆上试验的具体实施、试验中人员安全防护及辐照后物项处理等内容。

关键词：堆芯仪表套管组件（IITA）;堆上试验;自给能探测器;中子探测器

0    引言

堆芯仪表系统是核电站仪表系统中的重要组成部分，其一般用于测量反应堆堆芯内部的中子注量率分布，监测堆芯线功率密度及偏离泡和沸腾比等核电厂运行参数，对核电站的安全及经济运行起到十分重要的作用。在部分堆型的核电厂内，其还参与反应堆控制和保护功能，为反应堆安全提供保障。而自给能探测器是堆芯仪表系统的核心仪表部件，其一般作为堆芯仪表套管组件（IITA）的部件，插入至反应堆压力容器内部。

自给能探测器是目前第三代核电站主流的堆芯中子注量率测量仪表，其通过吸收反应堆堆芯内的中子产生可表征中子注量率的弱电流信号，后端二次仪表则将弱电流信号进行放大处理后送至相应的接口系统进行功率分布测量。一般自给能探测器通过进行堆上试验以模拟其在反应堆实际测量条件，并验证反应堆条件下的核性能指标是否满足设计要求。

本文的自给能探测器堆上试验方法主要包括核反应试验堆条件、堆上试验工具、自给能探测器布置、堆上试验项目和程序以及安全防护和试验后物质的处理等，以确保堆上试验效果和质量，并保证人员安全。

1    试验内容

通常进行自给能探测器堆上试验时，会将自给能探测器固定在一支架上，然后探测器随支架一起放入核反应试验堆的某孔道中，该孔道的热中子注量率应满足设计及方案要求。同时应确保放入孔道内的自给能探测器发射极灵敏区处在反应堆的堆芯位置，并应尽量与反应堆活性区对中。这样对所有探测器提供一个稳定的中子通量场用以检测探测器的性能。

堆上试验需要测试的自给能探测器性能参数主要为探测器的热中子灵敏度、热中子灵敏度一致性偏差和响应时间等。

1.1    热中子灵敏度

1.1.1    试验目标

热中子灵敏度是自给能探测器的关键参数，其值能反映反应堆运行期间探测器是否能正确表征堆芯中子注量率情况。堆上试验需要对自给能探测器进行热中子灵敏度测量，目的是验证堆上试验所采用的探测器是否满足设计和工程应用要求。

1.1.2    试验原理

将探测器安装在试验支架上，用测量设备测自给能探测器和传输电缆的本底电流，在探测器测量范围内，选取固定的中子注量率，待反应堆功率稳定后，测量自给能探测器和传输（本底）电缆的信号电流。各探测器的净信号电流由式（1）计算得出：

式中，Ii为第i支探测器的净信号电流（A）;Iθi为第i支探测器的信号电流（A）;Ici为传输电缆的平均本底电流（A）。

由试验单位提供探测器所在位置的绝对热中子注量率的实际值（一般可用活化法测定），最后由式（2）算出探测器的热中子灵敏度：

式中，Si为探测器所在位置中子能谱下的热中子灵敏度[A/（n·cm-2·s-1）];Ii為第i支探测器的净信号电流（A）;φabs为测定出的探测器所在位置的绝对热中子注量率（n·cm-2·s-1）。

1.2    热中子灵敏度一致性偏差

1.2.1    试验目标

热中子灵敏度一致性偏差是多支自给能探测器在不同位置所测得电流信号的标准偏差值。试验需要对多支自给能探测器进行多次旋转，一般至少进行4次90°的旋转，并保证探测器旋转到原测量位置。试验时测量每支探测器在不同位置时的信号，最后计算其一致性相对标准偏差。

1.2.2    试验原理

将探测器安装在试验支架上，在探测器测量范围内选取某一功率水平，待反应堆功率提升到该功率水平稳定后，将试验支架置于试验孔道内，在探测器输出电流稳定后，用弱电流放大器分别测出试验支架在起始位置即0°和每旋转90°位置时各探测器的信号电流。

由式（3）求出每支探测器在4个不同位置时净信号电流的平均值：

式中，Ifi为第i支探测器在4个不同位置时净信号电流的平均值（A）;Iθij为第i支探测器在某一位置的输出信号电流（A）;Ici为传输电缆的平均本底电流（A）。

由式（4）求出n支探测器在4个不同位置的净信号电流的平均值：

式中，If为n支探测器在4个不同位置的净信号电流的平均值（A）。

由式（5）求出n支被测探测器净信号电流的标准偏差：

式中，σ为n支被测探测器净信号电流的标准偏差（A）。

由式（6）计算得出探测器热中子灵敏度一致性相对标准偏差：

1.3    响应时间

1.3.1    试验目标

响应时间是自给能探测器的特有性能参数之一，其主要表征了自给能探测器的响应速度。对自给能探测器从停堆开始计时，到信号降到10%所需要的时间即为探测器响应时间。一般采用不同发射极材料的自给能探测器，其响应时间不同。

1.3.2    试验原理

由于探测器的材料确定后，响应时间主要取决于材料本身的属性，所以同一批次制造和使用同一批次材料的探测器只需选一支做试验。将探测器置于反应堆试验孔道内，当反应堆在某一功率水平（使中子注量率达到测量范围）稳定后，用信号处理柜记录探测器的信号电流。然后将反应堆停堆，记录反应堆的停堆时间。从反应堆停堆计算起，直到反应堆停堆一段时间后，记录探测器的输出信号电流，并绘出探测器信号电流I（t）随时间t的衰减曲线，如图1所示。

用作图法求出探测器的信号电流I（t）衰减到原稳态电流I0的10%时所需要的时间，即自给能中子探测器的响应时间。

2    试验对象及使用设备

2.1    试验对象

自给能探测器。

2.2    试验所需使用的设备

（1）探测器固定支架，用于固定自给能中子探测器后放入试验堆的孔道中，并确保自给能探测器顶部对齐及其灵敏区处在试验堆的活性区位置。（2）本底电缆，用于测量反应堆本底信号。（3）静电计，用于测量自给能中子探测器的本底电流。（4）数字电容表，用于测量自给能探测器的电容。（5）数字万用表，用于测量电缆连接通断。（6）信号处理机箱，用于测量和记录中子探测器的输出信号。（7）信号转接电缆及连接器，用于将探测器的输出信号连接到信号处理机箱上。

3    反应堆的试验条件要求

在反应堆上安装试验孔道，要求孔道为干孔道并处于空气暴露状态，湿孔道需要通过增加保护套管将探测器与水隔离。孔道内径应能满足按照探测器组件及固定支架。安装探测器固定支架后能对支架进行旋转，要求能进行360°旋转，每次至少旋转90°;固定支架用于安装和固定自给能探测器。

建议反应堆分别在设计要求的热中子注量率水平下稳定至少30 min。具体稳定时间需依据自给能探测器的发射体材料及性能确定，应尽量保证探测器在稳定状态时，其输出电流值波动不大于0.5%。

4    试验的实施

4.1    探测器组件布置

将探测器固定到探测器支架上，然后用吊车将探测器固定支架吊入试验孔道安装固定，并在孔道上端将定位圆盘进行定位。将探测器通过信号转接电缆连接到堆芯仪表系统信号处理机箱上，将探测器的输出信号从堆厅传输到测量设备上。

4.2    试验前探测器组件检测

探测器组件安装入试验孔道前进行下列测试：（1）测量所有探测器芯线与外壳之间的电容值、本底电缆芯线与外壳之间的电容;（2）测量每支探测器芯线与外壳之间的绝缘电阻值、本底电缆的绝缘电阻值。

完成探測器与电缆连接，并装入试验孔道后，进行下列测试：（1）通过信号连接电缆测试探测器组件每根芯线与外壳的电容值、绝缘电阻值;（2）用静电计测量每支探测器的本底电流;（3）将信号转接电缆连接到信号处理机箱后进行功能检查。

4.3    开堆试验

堆上试验内容：

（1）反应堆按热中子注量率台阶提升功率，分别在既定的各个热中子注量率水平下稳定至少30 min后，记录本底电缆及每支探测器在每个注量率台阶下的输出信号、每支探测器的绝缘电阻值以及探测器所在位置的绝对热中子注量率实际值。在既定的最高热中子注量率台阶下，每隔30 min将探测器固定支架进行一次90°旋转，记录各个角度下每支探测器及本底电缆的输出信号，同时记录反应堆上核测量探测器的测量结果，进行对比。

（2）在既定停堆功率台阶下稳定后，落棒停堆，连续记录探测器输出信号，按此数据绘制探测器响应曲线。

5    试验中人员安全防护及辐照后物项处理

在试验过程中和试验完毕后，都要对试验物项和试验场所的放射性剂量进行监测，避免误照射，确保人员安全。试验完毕后，从反应堆提出的探测器和支架必须进行放射性剂量监测，并存储到有防护的专用存放位置。

6    结语

自给能探测器堆上试验方法的确立为后期的堆上试验提供了可靠的依据。

[参考文献]

[1] 自给能中子探测器：EJ/T 678—1992[S].

收稿日期：2020-04-24

作者简介：薛泓元（1989—），男，上海人，工程师，研究方向：反应堆堆芯仪表。