HFETR缓发中子与破探流量的关系的研究

李广辉 莫家豪 李子彦 邹德光

摘 要：堆内破损探测系统是HFETR在线监测元件破损情况的重要系统，通过测量取样水的缓发中子与总γ为运行人员提供实时元件破损情况的判据。通过观察发现，在工作流量下缓发中子计数受破损探测系统流量影响较大。由于阀门的敏感度高，破探系统流量常常变化进而引起缓发中子的变化，给运行人员对元件破损情况的实时研判与甄别分析带来了影响。该文通过实验，观察到在工作流量下（60～80 L/h）中子本底相同的情况下缓发中子计数与破探系统流量呈线性关系，根据此关系对缓发中子进行数据处理，可以得到更直观和科学的缓发中子数据，有利于进行元件破损分析。

关键词：破损探测 缓发中子 HFET 破探流量

中图分类号：TL33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0147-03

堆内破损探测系统是HFETR在线监测元件破损情况的重要系统，通过测量取样水的缓发中子与总γ为运行人员提供实时元件破损情况的判据。通过观察发现，在工作流量下缓发中子计数受破损探测系统流量影响较大，这就导致运行人员难以直观的了解反应堆一回路的水中缓发中子的变化情况，影响对元件破损的判断。同时，在工程应用中存在破探流量不断变化的情况。该文通过试验及历史数据分析的方式，发现在工作流量下（60～80L/h）中子本底相同的情况下缓发中子计数与破探系统流量呈线性关系，据此建立缓发中子与流量的关系式，解决在破探流量变化的情况下无法直接使用缓发中子数据的问题。

1 缓发中子计数率计算模型

铀核裂变放出的中子，99%以上都是在裂变发生后10-7～10-4s的极短时间内放射出来的，这些中子称为瞬发中子，其余不到1%的中子则是在裂变1/10 s到数分钟的不同时间内发射出来的，它们称为缓发中子[1]。缓发中子来源于元件中裂变碎片穿出或反冲，裂变碎片在固体物质中的行程约25μm。根据核素的释放模型，裂变碎片若要从燃料芯体中直接释放出来，需要穿过其2倍射程的基体材料，由于元件包壳的存在，裂变碎片释放的一次水中的可能性大大降低，但如果燃料元件有破损，则裂变碎片就会释放到一次水中，裂变碎片产生的缓发中子也会被探测到[2]。

缓发中子是由缓发中子先驱核衰变产生，缓发中子发射周期长是维持反应堆的可控性的重要因素。同时，反应堆元件破损时，释放出的缓发中子先驱核素会释放出缓发中子，从一回路引出一部分冷却剂并且测量其缓发中子就可在线监测元件破损情况，于元件外表面有铀粘污等原因，在一次水中会有中子本底[3]。

设Ri为缓发中子先驱核素i释放速率，Ci为核素i堆芯冷却剂出口的浓度，则有：

（1）

其中，Q为冷却剂流量；μ为核素i在一回路的衰减系数；t为冷却剂循环一周所需要的时间。在从一回路进行取样后，在探测器监测处的核素i浓度为：

（2）

其中，为核素i的衰变常量，为冷却剂出口到探测器的延迟时间。之后可以计算出核素i探测器处的中子源强：

（3）

其中为单位时间内取样水中缓发中子先驱核i产生的中子源强；

V为单位时间内取样水体积；ε为缓发中子先驱核i每次衰变的中子产额。

之后缓发中子经过石蜡慢化，被BF3计数管探测到。缓发中子的技术是计数管处的热中子注量率与探测器乘积。源强与BF3计数管处的热中子注量率可由MCNP得到，在这里我们设其对应关系保持不变，由于探测器效率固定，则源强的变化线性的反映于计数率的变化上[4]。

从式（1）、式（2）、式（3）可以看出：当反应堆4泵功率运行时，冷却剂流量稳定，延迟时间不变。此时，由于破损探测系统阀门开度不稳定造成的破探流量不稳定影响到了单位时间取样水的体积，进而影响到了缓发中子的计数。

在60～80 L/h的工作流量下，由于工作区间较窄，可忽略破谈系统流量变化引起的延迟时间的变化，且当破损情况一定时，不变，、为常数。

1 （4）

l为破损探测系统流量；为取样的单位时间。

（5）

令，则有

（6）

从上式可以看出缓发中子的计数与流量成线性关系。且该斜率表征了水中缓发中子先驱核素的多少。

2 实验数据与运行历史数据分析

2.1 试验炉段缓发中子数据

选取实验炉反应堆运行寿期中前期，将破探流量从60 L/h依次调至80 L/h。每隔2 L/h待系统流量稳定，且计数率稳定后记录十组数据。考虑到破探系统阀门的灵敏度高的问题，只要求测点尽量分布均匀。实验结果如图1所示。

利用线性回归对数据进行处理可以得到该系统状态下缓发中子与流量的关系式：

（7）

该式相关系数，与实验数据相关性好。容易看出随着破探系统流量的增加，缓发中子计数呈线性增加。

2.2 样本一炉段缓发中子数据

查阅HFETR运行日志，选取元件情况稳定的炉段，可认为24 h内一回路中缓发中子先驱核素稳定。由于破探系统阀门灵敏度高，破探系统流量会缓慢变化，选取流量变化平稳的时段进行分析。图2是样本一炉中某时段缓发中子与流量的关系。

利用线性回归得到关系式：

（8）

该式相关系数。

在该炉段缓发中子平均水平较实验炉段高，故斜率较实验高。

2.3 样本二炉段缓发中子数据

图3为样本二炉某时段缓发中子与流量关系。

利用线性回归得关系式：

（9）

该式相关系数。该炉缓发中子缓发中子水平与实验炉段相当，斜率相近。

2.4 样本三炉段缓发中子数据

图4为样本三炉缓发中子与流量的关系。

利用线性回归得到关系式：

（10）

该式相关系数。该炉段缓发中子水平较试验炉段低，斜率也较实验炉段低。从图4可以看出，在缓发中子计数小于0.3时线性度差，分析是由于水中缓发中子先驱核素浓度过低导致核素在水中分布的离散度较大，在BF3计数管的中子场不稳定进而测得中子计数随机性较大。由于在运行过程中运行人员并不需要对低计数值进行分析，故在低计数值的情况下线性度不佳不影响对破损的研判。

从式（7）～（10）可看出，破损探测系统流量与缓发中子线性相关性好，且缓发中子平均计数水平越高，斜率越大，符合理论计算式。

3 缓发中子测量数据与流量关系的应用分析

从该文得出的结论可以知道：水中缓发中子先驱核素一定时，缓发中子随破探系统流量增加而增加，呈现出线性关系。由于元件布置、粘污、温度等各方面影响，每一炉段的斜率关系不同，不宜使用统一换算关系式来描述一炉中缓发中子的变化，但在堆内无异常变化时，同一炉段斜率关系保持稳定。

破探系统变流量工况下，运行人员为了维持流量限值需不断调节破探流量而造成缓发中子计数大幅改变，影响了操作人员对元件破损情况的判断。引入斜率数据处理法可解决这一问题，同时在同一炉段出现斜率大幅偏移时可分析是否发生了元件破损。

在运行人员对元件情况产生疑问时，可以通过调节破探系统流量来标定其斜率（认为在标定过程中缓发中子水平稳定）。标定点越多值越精确，考虑到运行人员劳动强度，推荐标定2～3个点作为判别依据，流量间隔建议在5～10 L。

4 结语

该文通过实验证明在工作流量下缓发中子计数与破探系统流量呈线性变化关系，根据理论计算。提出在不通过频繁调节破探流量的办法，获得较准确的缓发中子数据，并在发生斜率突变时考虑元件破损的可能，有助于运行人员研判元件破损情况。该文所采用的数据均来自高通量堆试验及高通量堆的运行记录，所得出的结论目前仅适用于高通量工程试验堆，通过此方法，可以提高运行人员通过缓发中子分析元件破损的准确度，解决人员频繁调节破探流量的问题，提高运行安全。

参考文献

[1]杨朝乐.核反应堆内缓发中子与相对中子密度的研究[J].科学与财富，2014（12）：222-223.

[2]李兰，杨红润.压水堆核电厂燃料元件破损诊断方法[J].核动力工程，2008（4）：135-139.

[3]徐治龙，刘兴民.缓发中子计算燃料元件破损方法研究[J].原子能科学技术，2013（47）：169-171.

[4]杨宁.燃料元件破损监测用缓发中子探测器的国内发展及其技术要点[J].核电子学与探测技术，2013（12）：1485-1489.