钴自给能探测器的热中子灵敏度在线监测

张恒凯 赵云涛 刘 翱 刘吉光 郑军伟

（中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室 深圳 518172）

某欧洲压水堆（European Pressurized Reactor，EPR）型核电机组中采用钴自给能中子探测器（Co-Self Powered Neutron Detector，Co-SPND）实时测量反应堆堆芯中子通量，而热中子灵敏度是Co-SPND探测器的关键性能参数之一，但为了降低Co-SPND探测器从工厂转运至核电项目现场过程中的放射性，该核电机组使用的所有Co-SPND探测器在出厂时均只进行了γ灵敏度测试，而未进行热中子灵敏度测试［1］。根据设计，正常运行期间可通过堆芯气动浮球测量系统（Aeroball Measurement System，AMS）对Co-SPND探测器进行校验检查，但存在以下两个问题［1］：1）AMS在25%NP功率后才可信，即在低功率平台无法进行校验；2）AMS为离线测量系统，无法实现在线实时校验。为此，本课题根据现场Co-SPND探测器在反应堆堆芯中的布置特点，建立了一种Co-SPND探测器热中子灵敏度在线连续监测的方法。

1 Co-SPND探测器简介

1.1 探测原理

Co-SPND探测器的工作原理为基于59Co发射体俘获热中子后发生式（1）反应［2］：

激发态的60Co*在退激过程中产生的瞬发γ射线在发射体和绝缘体间生成康普顿电子和光电子，这些电子穿过绝缘体到达收集体，并在外电路中形成一个正比于中子通量的信号电流In，如图1所示。

图1 Co-SPND探测器的康普顿效应和光电效应示意图Fig.1 Schematic diagram of the Compton scattering and photo effect for Co-SPND detector

Co-SPND探测器由59Co发射体、绝缘体、收集体和信号及补偿一体双芯电缆等4部分组成［2］，如图2所示。

图2 Co-SPND探测器结构示意图Fig.2 Structure diagram of the Co-SPND detector

其中，信号电缆中的电流包括59Co与热中子作用产生的电流In和堆芯中γ射线直接产生的电流Iγ，而补偿电缆和信号电缆平行布置，但不与59Co发射体连接，因此补偿电缆中的电流只有堆芯中γ射线直接产生的电流Iγ，那么整个Co-SPND探测器的实际输出电流I则为：

式中：In为瞬发电流；Id为缓发电流；Iγ-D为外部γ在探测器中产生的附加电流；Iγ-SC为外部γ在信号电缆中产生的附加电流；Iγ-CC为外部γ在补偿电缆中产生的附加电流。其中：补偿电缆和信号电缆的材料和路径相同［3-4］，Iγ-SC与Iγ-CC相等；Id最多占总电流的3%，且在正常运行期间会被周期性的测量并补偿，Id可忽略不计；Iγ-D约为In的1%，因此Iγ-D也可忽略不计。

同时，由于中子探测器的灵敏度是射入探测器的单位中子注量率（即中子通量密度）对应的中子探测器计数率，也即中子探测器的灵敏度是中子计数率与中子注量率之比［5］，而对于Co-SPND探测器而言，则是以输出电流代表测量的热中子计数率，则Co-SPND探测器的热中子灵敏度计算公式如下：

式中：S为探测器的热中子灵敏度，A·cm2·s；In为探测器输出电流，A；φ为中子通量密度，cm-2·s-1。

1.2 Co-SPND探测器在堆芯中的布置

某EPR核电机组在堆芯中共布置12根Co-SPND探测器组件，每根组件中又包含6个Co-SPND探测器，沿整个堆芯高度分为上下两段，每段3个，如图3所示［6］。

根据设计，堆芯中的12根Co-SPND探测器组件是径向对称布置的，故将其分为6个对称组，具体的对称关系见表1。

表1 某EPR核电机组12根Co-SPND探测器组件的径向对称关系Table 1 The detailed radial symmetry relationship for 12 Co-SPND Instrumentations in a EPR plant

图3 Co-SPND探测器在堆芯中的布置图Fig.3 Layout of Co-SPND detectors in the nuclear reactor core

2 Co-SPND探测器的相对热中子灵敏度比

根据式（3），任意两个Co-SPND探测器的相对热中子灵敏度比Cij为：

式中：Cij为第i、j这两个探测器的相对热中子灵敏度比，无量纲；Si和Sj分别为第i、j个探测器的热中子灵敏度；In（i）和In（j）分别为第i、j个探测器的输出电流；φ（i）和φ（j）为第i、j个探测器周围的中子通量密度。

由于布置在堆芯中的Co-SPND探测器为实时在线测量，且径向对称位置的两根组件中的6个探测器处于同一标高，而在堆芯核功率相对稳定时，堆芯径向的中子通量密度也是近似对称一致的，因此，对于径向对称且处于同一标高的两个Co-SPND探测器应用式（4）时存在［φ（j）/φ（i）］≈1，则此时式（4）可简化为：

由式（5）可知，径向对称且处于同一标高的两个Co-SPND探测器的相对热中子灵敏度比等于这两个探测器的输出电流比。

另一方面，由于该EPR核电机组采用的Co-SPND探测器的热中子灵敏度范围为（4.80±1.58）×10-21A·cm2·s［2］，那么任意两个Co-SPND探测器的热中子灵敏度比的范围应满足：0.505≤Cij≤1.981。

3 应用实验

根据该EPR核电机组72个Co-SPND探测器在10%NP（Nuclear Power）、23%NP、40%NP及60%NP功率平台的实测输出电流，以参考组件中Co-SPND探测器的输出电流为基准，整理得出36组径向对称的Co-SPND探测器在不同功率平台下的相对热中子灵敏度比如图4所示。其中每一组相对热中子灵敏度比在不同功率平台下均保持一致，即说明式（5）关系是正确成立的。

图4 某EPR核电机组的Co-SPND探测器在不同功率平台下的相对热中子灵敏度比Fig.4 The relative thermal neutron sensitivity ratio of Co-SPND detectors of different power in a EPR plant

同时，当相对热中子灵敏度比出现极大偏差时，可通过检查对应Co-SPND探测器所在组件测量得出的轴向功率分布曲线辅助判断是参考位还是对称位的Co-SPND探测器热中子灵敏度存在偏差。仍以该EPR核电机组S11和B07两个径向对称组件为例，以参考组件S11为基准，检查发现其中3号Co-SPND探测器的相对热中子灵敏度比明显偏低为0.791，见表2。

另一方面，通过分别建立S11和B07组件以探测器输出电流所代表的堆芯轴向功率分布曲线，发现B07组件中的3号探测器输出电流明显偏小，以致B07组件所生成的轴向功率分布曲线在3号探测器位置存在明显异常凹点，如图5所示，因此可判断其原因为参考位S11组件中的3号对称位Co-SPND探测器热中子灵敏度正常，而B07组件中3号探测器的热中子灵敏度偏低所致。但结合0.505≤Cij≤1.981可知，该B07组件中3号探测器的热中子灵敏度仍在可接受范围内，可继续使用。

表2 某EPR核电机组S11和B07组件在不同功率平台的相对热中子灵敏度比Table 2 The relative thermal neutron sensitivity rate of S11 and B07 instrumentations in different power in an EPR plant

而正常情况下，任意两个径向对称位Co-SPND探测器输出电流应分别基本一致，对应的堆芯轴向功率分布曲线也应保持一致，以该机组中径向对称的J02和J16组件为例，如图6所示。

图5 某EPR核电机组S11(a)和B07(b)组件在不同功率平台下的轴向功率分布曲线Fig.5 The axial power distribution curves of S11(a)and B07(b)instrumentations in different power of a EPR plant

图6 某EPR核电机组J02(a)和J16(b)组件在不同功率平台下的轴向功率分布曲线Fig.6 The axial power distribution curves of SJ02(a)and J16(b)instrumentations in different power of a EPR plant

4 相对热中子灵敏度比的适用性说明

根据设计，该EPR核电厂Co-SPND探测器的输出电流范围为0～1 000 nA，最大可对应0%～120%NP［7］，那么在低功率平台时，Co-SPND探测器的输出电流将处于较低水平，且波动较大，同时根据厂家提供的该型Co-SPND探测器特性，只有在当机组核功率大于等于10%NP时，其输出电流才被认为有效可用［1］，则式（5）中的适用条件为机组核功率大于等于10%NP。

另一方面，由于反应堆堆芯的径向功率并非完全对称，同时考虑到在机组正常运行期间，Co-SPND探测器热中子灵敏度是随温度和燃耗缓慢变化的［8-9］，以及60Co衰变为60Ni过程中产生的β-电流对信号电流的干扰［9］，而式（5）则未考虑该4种情况下的修正，因此通过式（5）计算得出的相对热中子灵敏度比无法完全按照0.505≤Cij≤1.981进行严格判断，只能作为预判，定性的反应Co-SPND探测器的热中子灵敏度在初始投运阶段是否存在较大偏差，或者在机组正常运行期间是否出现异常突变，之后可结合AMS校验结果进行最终判定。

5 结语

在机组正常运行阶段，尽管无法有效测得Co-SPND探测器的实际热中子灵敏度，但是通过在线监测径向对称且处于同一标高的两个Co-SPND探测器的相对热中子灵敏度比，可以初步判断该径向对称的两个探测器的热中子灵敏度是否存在异常偏低或突变情况，之后再结合每根组件测得的堆芯轴向功率分布曲线，即可确定究竟是参考位还是对称位的Co-SPND探测器存在异常。

另一方面，由于其他第三代核电机组中同样普遍采用自给能中子探测器用以测量反应堆堆芯中的中子通量，比如AP1000堆型和CAP1400堆型采用的51V［10-11］、HPR1000 堆型采用的103Rh［12］等，且均为径向对称布置，因此该相对热中子灵敏度比的方法亦可作为其他类型核电机组中自给能中子探测器热中子灵敏度在线监测方法的参考。