自给能中子探测器在反应堆中子测量中的应用研究

2021-04-13杨戴博韦文彬

科技视界 2021年7期

杨戴博李昆韦文彬李丹夏源

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家级重点实验室，四川成都 610041）

0 引言

堆芯中子注量率是反应堆重要的物理参量，直接表征了反应堆内的核反应状态。在反应堆运行中，不仅需要对整个堆芯的平均中子注量率进行精确监测，还需要对中子注量率的空间分布进行监测，以达到通过全堆功率状态、局部堆芯功率扰动、局部功率密度瞬变等堆芯关键状态参数的监测，对反应堆的运行状态进行控制，维持反应堆运行在设计的安全状态内，并保持反应堆功率密度的最佳分布，积累燃耗数据，保证核反应堆的安全稳定运行。为了实现上述功能，必须在反应堆堆芯内设置相当数量的中子探测器，以实现堆芯中子注量率水平及其分布测量。堆芯中子注量率的测量方法很多，目前三代核电站则普遍使用固定式自给能中子探测器（Self-Powered Neutron Detector，SPND）。 SPND 具有结构简单、体积小、全固体化、耐腐蚀、耐高温、耐高压、测量范围宽，使用过程中不需要外加电源，抗电磁干扰能力强，操作简易等优点，被广泛应用于压水堆核电站堆芯中子注量率的在线连续监测。本文将重点对SPND 以及三代核电普遍使用的铑SPND 进行分析讨论研究。

1 自给能中子探测器

1.1 基本结构

SPND 由探测器主体和信号电缆组成。图1 为SPND 的探头结构示意图，探测器主体由发射体、绝缘体和收集极三部分构成。探测器的中心电极为发射体，它是由中子灵敏材料制成，发射体是SPND 的核心部分，它基本上决定了探测器的物理特性。探测器的外壳为收集极，它是由对中子不灵敏的材料制成。发射体和收集体之间是绝缘体，通常采用无机绝缘材料。 SPND 的外径一般为1 mm 左右，其灵敏长度可以根据需要定制，柔性探头还可以绕制成螺旋形探头，以提高灵敏度。

1.2 工作原理

当SPND 在中子场中时，发射体俘获中子而被活化，然后直接或间接放出电子。这些电子到达收集极形成正比于入射中子注量率的电流信号。因为发射体电流被直接测量，不需要外加电压，故称为“自给能”探测器。图2 为中子在探测器内可能发生的物理过程。其中：①与②为靶核俘获中子后被活化，随后发生β-衰变，发射电子的过程；③为靶核俘获中子后被激发，随后退激发射γ 射线，之后产生一个快的次级电子过程；④与⑤为伴随中子入射的γ 射线，在探测量材料中产生快电子的过程。这些物理过程产生的电子形成的电流可分为三部分，即瞬时发射体电流（即快响应电流），缓发发射体电流（即慢响应电流）以及本底噪声电流。

图2 自给能探测器中可能发生的过程

1.3 探测器分类

按照中子与探测器的作用机理，SPND 分为β 衰变延迟型和瞬发型。 β 衰变延迟型SPND 的中子灵敏物质是那些被中子活化后能够产生β 衰变的材料（但要求半衰期不宜太长）。活化核在衰变过程中放出β粒子（高能电子），当这些β 粒子在穿透绝缘层到达收集极之后，在探测器的输出端形成电流，该部分生成的电流称为缓发电流。由于受到该部分电流的影响，探测器的响应存在时间延迟，延迟时间与β 衰变半衰期相关（1 min 量级）。由于响应时间长，通常该类型的探测器不作为反应堆1E 级安全设备，只作为轴向、径向功率分布测量使用。但在其后续电路和测量系统上经过一定修正后，该类型的某些探测器也能用于反应堆的控制和保护。

瞬发型SPND 的中子灵敏物质在与中子发生俘获反应过程中能够产生瞬发γ 射线。同时复合核可能是稳定核素也可能具有一定的放射性（如果是β 衰变型物质，那么要求其半衰期很长），放射出的γ 射线以一定的概率在发射体和绝缘体中产生康普顿散射电子和光电子，在外电路中形成一个正比于中子通量的电流信号。由于这个过程极短，时间通常被忽略而被当作零处理，故称其为瞬发型SPND。由于此种自给能探测器要经过两次相互作用（中子产生γ 然后再由γ产生电子）才能将入射中子转换出电子，其转换效率很低，只有β 衰变过程的1%～2%。该类型的探测器优点是能反映中子注最率的瞬时变化，常用于反应堆的控制和保护。

1.4 探头材料选取

表1 列出了常用发射体材料的物理数据。可以看出，瞬发型SPND 灵敏度较低，原因是电流只来源于中子与灵敏材料的（n，γ）反应。而β 衰变型（钒除外）SPND 相对而言灵敏度较高，原因在于电流除了（n，γ）反应产生的γ 的康普顿效应电子之外，还有中间核素β 衰变产生的电子和退激产生γ 的康普顿电子或光电子。显然，中间核素的半衰期是造成延迟的原因。当然（n，γ）的反应截面大小也是影响灵敏度的重要因素，灵敏度高的自然燃耗也较高。

表1 常用发射体材料物理数据

铪与银两类SPND 主要用于石墨水冷反应堆，由于石墨水冷反应堆逐渐被淘汰，铪与银SPND 也逐渐被淘汰。铂SPND 发射体材料由多种铂的同位素组成，而且这种中子探测器面对中子和γ 射线时均能够响应，其中对γ 响应的贡献的部分占93%左右，这使得其在反应堆内探测中子难度较大。铑、钒、钴这三类中子探测器是目前使用最多的SPND。钒SPND 因其燃耗低、寿命长、体积小、结构简单等优点，主要被使用在对中子探测器寿命要求较高的堆中，比如重水堆。铑SPND 对中子的灵敏度较高，常用于压水堆堆芯中子通量的测量与描绘。而钴SPND 的探测信号需要经常进行修正，因此其一般只用于反应堆安全保护系统。

对于绝缘体材料的选取，要求选择中子截面小、耐辐照、耐高温的高绝缘材料，如高纯Al2O3、MgO、BeO 陶瓷和石英等。提高绝缘材料的纯度对于降低本底电流、提高辐照和高温下的绝缘性能具有明显效果。对于收集极和信号芯线材料的选取，要求选择中子截面小、耐辐照、抗腐蚀和机械强度好的金属材料。一般采用因科镍、纯镍或低锰不锈钢等。

2 铑自给能中子探测器

2.1 响应机理

目前，压水堆核电站最常用的为铑SPND，其发射极材料为103Rh。中子与铑SPND 发生的物理过程为：（1）103Rh 俘获中子产生γ 射线，这些γ 射线在探测器中会产生电流信号。由于这个过程作用时间极短可近似忽略，因此这个过程产生的信号为瞬发信号。（2）103Rh 俘获中子后产生处于激发态的104mRh，104mRh 退激到104Rh 的过程中产生的不同能量的γ 射线在探测器中会产生电流信号。104mRh 退激的半衰期为4.34 分钟，因此这个过程产生的信号为缓发信号。（3）104Rh 发生β 衰变，产生的β 电子及其与探测器材料发生反应产生的次级电会在探测器中产生电流信号。104Rhβ 衰变的半衰期为42.3 秒，因此这个过程产生的信号为缓发信号。（4）104Rh 发生β 衰变产生处于激发态的104mPd，104mPd 退激到基态并产生γ 射线，这些γ 射线在探测器中会产生电流信号。由于受到104Rh 半衰期的影响，因此这个过程产生的信号为缓发信号。此外，铑SPND 同样也会与光子发生相互作用，探测器外部的光子可以与探测器材料发生康普顿效应、光电效应以及电子对效应等反应放出次级电子，这些次级电子也会在探测器中产生电流信号。铑SPND 在热中子通量为1013n·cm-2·s-1时的平均燃耗速率为0.39%/月，发射极材料消耗较快。

2.2 延迟修正原理

根据1.2 节可知，中子活化核β 衰变半衰期时间长，导致β 衰变型SPND 的响应存在一定延迟，其输出信号不能实时反应堆芯中子通量密度的瞬时变化情况，这很不利于反应堆安全运行，所以消除或者减小该类型SPND 的延迟效应就显得尤为重要。铑SPND 在堆芯内工作时，发射体电流的来源有三部分：（1）103Rh 与中子发生（n，γ）反应产生的γ 与材料发生康普顿效应或光电效应产生电子，同时生成104Rh（约占92%）和104mRh（约占8%）。这一部分电流信号是经过两次相互作用产生的，受截面的影响导致效率较低，使得其在最终电流信号中占比相对较低，约占最终稳态电流的5%～15%。（2）其中104mRh由于处于亚稳态，以4.34 min 的半衰期退激生成104Rh，退激放出的光子产生光电效应或者康普顿效应产生电子。由于104mRh 占比只有8%左右，所以这一部分电流信号约占最终稳态电流的5.95%～6.65%。（3）同时104Rh 也以约42.3 s 的半衰期进行β 衰变生成104Pd，放出电子。这部分电流占比最大，约占最终稳态电流的79.05%～88.35%。第一部分的电流为康普顿电流，第二部分加第三部分的电流为活化电流。

由中子导致的铑自给能探测器中电流In 在非稳态情况下为：

上式中，In为中子产生的电流，φ 为中子通量，ηn为中子灵敏度，ηnγ为灵敏度中源自瞬时康普顿响应的部分，η1a为灵敏度中源自Rh104和Rh104m直接生成的部分，λ1为Rh104的衰变常数，λ2为Rh104m的衰变常数，T1/2为半衰期。在中子通量密度变化速度快时主要是快速响应的康普顿电流部分有变化，在中子通量密度变化速度慢或者处于稳态时主要是活化电流部分有变化。依据上述原理可以对延迟进行修正。表2 列出了几种延迟修正方法，并对其延迟修正效果进行了比较。