核电厂无源启动中子探测器选型与试验研究

蒋天植; 李彪; 张芸; 王银丽; 李文平; 黄有骏; 沈峰; 孙聪健

doi:10.13832/j.jnpe.2022.03.0139

核电厂无源启动中子探测器选型与试验研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.03.0139

蒋天植^{1, 2,},
李彪³,
张芸²,
王银丽²,
李文平²,
黄有骏²,
沈峰²,
孙聪健²

1.
电子科技大学自动化工程学院，成都，611731
2.
中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都，610213
3.
中核控制系统工程有限公司，北京，100176

详细信息

作者简介:
蒋天植（1990—），男，工程师，现主要从事反应堆仪表与控制系统核测量工作，E-mail: 13699422315@163.com

中图分类号: TL812
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出版历程
- 收稿日期: 2021-04-21
- 录用日期: 2021-04-21
- 修回日期: 2022-04-12
- 刊出日期: 2022-06-07

Selection and Experimental Research of the Passive Start-Up Neutron Detector in Nuclear Power Plant

1.
College of Automation Engineering, University of Electronic Science and technology, Chengdu, 611731, China
2.
Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory , Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China
3.
China Nuclear Control System Engineering Co., Ltd., Beijing, 100176, China

摘要

摘要: 为监测核电厂首循环装料、停堆以及启动过程中的堆芯状态，国内外核电厂一般在堆芯引入2个一次中子源组件，但一次中子源均为国外进口，存在进口受限的问题。为解决此问题，研究首循环取消一次中子源组件，采用燃料组件自发裂变产生的中子作为启动用中子源。燃料组件自发裂变产生的中子强度远低于一次中子源。针对以上情况，需在堆外采用更高灵敏度的探测器进行中子注量率的监测。本文在分析各种高灵敏度探测器基本原理的基础上，给出高灵敏度中子探测器的选型建议，并对其性能进行了试验验证，试验结果表明：³He正比计数管即使在γ剂量率大于0.1 Gy/h时，设置合适的甄别电压，也可以有效甄别γ噪声，试验验证的最大γ剂量率为1.0 Gy/h。
- 无源启动 /
- 中子 /
- 探测器 /
- 正比计数管 /
- 高灵敏度
Abstract: In order to monitor the reactor core during the first cycle charging, shutdown and start-up of nuclear power plants, domestic and foreign nuclear power plants generally introduce two primary neutron source components in the core, but the primary neutron sources are imported from the United States, which has the problem of import limitations. In order to solve this problem, it is studied to cancel the primary neutron source component in the first cycle and use the neutrons produced by the spontaneous fission of the fuel assembly as the starting neutron source. The neutron intensity produced by spontaneous fission of fuel assembly is much lower than that of primary neutron source. In view of the above situation, it is necessary to use a higher sensitivity detector to monitor the neutron fluence rate outside the reactor. Based on the analysis of the basic principles of various high-sensitivity detectors, this paper gives suggestions on the selection of high-sensitivity neutron detectors, and verifies their performance by experiments. The experiment results show that even when the γ dose rate is greater than 0.1 Gy/h, the ³He proportional counter tube can be set with an appropriate discriminating voltage, and can effectively discriminate γ noise. The maximum γ dose rate verified by the experiment is 1.0 Gy/h.
- Passive start-up /
- Neutron /
- Detector /
- Proportional counter tube /
- High sensitivity

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图 1 核电厂堆外中子探测器系统示意图

Figure 1. Schematic Diagram of Off-reactor Neutron Detector System in Nuclear Power Plant

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图 2 ³He正比计数管试验配置示意图

Figure 2. Schematic Diagram of ³He Proportional Counter Tube Test Configuration

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表 1 三种正比计数管特性对比

Table 1. Comparison of the Characteristics of Three Proportional Counter Tubes

参数	BF₃正比计数管	³He正比计数管	¹⁰B正比计数管
工作电压	最高（2500~3200 V）	居中（1200~1800 V）	最低（700~1200 V）
燃耗寿命^④	最短(<10¹² cm⁻²·s⁻¹）	居中（<10¹⁵ cm⁻²·s⁻¹）	最长（10¹⁷ cm⁻²·s⁻¹）
耐γ辐照能力	居中（10 Gy/h）	最差（1Gy/h）	最好（10³ Gy/h）
耐温性能	最差（<120℃）	最好（<200℃）	居中（<150℃）
中子灵敏度	居中[典型应用：8 cps^①/( cm⁻²·s⁻¹)]	最高[典型应用：30 cps/(cm⁻²·s⁻¹)及以上]	最低[典型应用： 4 cps/(cm⁻²·s⁻¹)]
坪斜^②	最好（<1%/100V）	较好（<3%/100V）	最差（<40%/100V）
坪长^③	>500 V	>200 V	≥100 V
注：①cps—每秒计数；②坪斜—高压变化100 V，cps的变化，越小越好；③坪长—探测器坪区宽度，越长越好；④燃耗寿命—表征探测器在累计中子注量率辐射下的性能

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表 2 坪特性测试结果

Table 2. Test Results of Plateau

计数率/cps	工作电压/V
	1150	1200	1250	1300	1350
	6177	7807	8369	8441	8557
坪区^①/V	1250~1350
坪斜	2.21%/100 V
注：①坪区—工作电压的设置范围

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表 3 甄别特性测试结果

Table 3. Test Results of Discriminating Characteristics

甄别电压/V	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7
计数率/cps	8494	8436	8390	8224	7839	7417
中子灵敏度/ [cps/ (cm⁻²·s⁻¹)]	311	309	307	301	287	272

甄别电压/V	0.8	1.0	1.2	1.5	1.8	2.0
计数率/cps	6925	5906	4865	3815	3015	2621
中子灵敏度/ [cps/ (cm⁻²·s⁻¹)]	254	216	178	140	110	96

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表 4 0.04 Gy/h γ剂量率测量结果

Table 4. Measurement Results of 0.04 Gy/h γ Dose Rate

甄别电压/V	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	1.0
本底计数率/cps	5.37	4.86	4.59	4.58	3.70	3.33
有γ源时计数率/cps	—	—	13.29	5.17	3.74	3.08
“—”表示无数据

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表 5 0.1 Gy/h γ剂量率测量结果

Table 5. Measurement Results of 0.1Gy/h γ Dose Rate

甄别电压/V	0.7	0.8	1.0	1.2	1.5
本底计数率/cps	5.3	4.0	4.5	4.1	2.5
有γ源时计数率/cps	49.1	10.0	4.1	2.7	2.6

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表 6 0.2 Gy/h γ剂量率测量结果

Table 6. Measurement Results of 0.2 Gy/h γ Dose Rate

甄别电压/V	1.0	1.2	1.5
本底计数率/cps	4.60	3.82	3.07
有γ源时计数率/cps	9.31	3.85	3.10

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表 7 0.4 Gy/h γ剂量率测量结果

Table 7. Measurement Results of 0.4 Gy/h γ Dose Rate

甄别电压/V	0.8	10	1.5	2.0
本底计数率/cps	5.97	4.64	3.08	2.34
有γ源时计数率/cps	—	93.03	2.47	1.60

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表 8 0.6 Gy/h γ剂量率测量结果

Table 8. Measurement Results of 0.6 Gy/h γ Dose Rate

甄别电压/V	1.2	1.5	1.8
本底计数率/cps	4.16	3.41	2.6
有γ源时计数率/cps	14.53	2.82	1.95

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表 9 1.0 Gy/h γ剂量率测量结果

Table 9. Measurement Results of 1.0 Gy/h γ Dose Rate

甄别电压/V	1.2	1.5	1.8
本底计数率/cps	3.8	3.0	2.7
有γ源时计数率/cps	29.6	24.7	1.9

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参考文献(2)

[1]	凌球. 核电站辐射测量技术[M]. 北京: 中国原子能出版社, 2001: 12.
[2]	汲长松. 中子探测实验方法[M]. 北京: 中国原子能出版社, 1998: 7.

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工作电压	最高（2500~3200 V）	居中（1200~1800 V）	最低（700~1200 V）
燃耗寿命^④	最短(<10¹² cm⁻²·s⁻¹）	居中（<10¹⁵ cm⁻²·s⁻¹）	最长（10¹⁷ cm⁻²·s⁻¹）
耐γ辐照能力	居中（10 Gy/h）	最差（1Gy/h）	最好（10³ Gy/h）
耐温性能	最差（<120℃）	最好（<200℃）	居中（<150℃）
中子灵敏度	居中[典型应用：8 cps^①/( cm⁻²·s⁻¹)]	最高[典型应用：30 cps/(cm⁻²·s⁻¹)及以上]	最低[典型应用： 4 cps/(cm⁻²·s⁻¹)]
坪斜^②	最好（<1%/100V）	较好（<3%/100V）	最差（<40%/100V）
坪长^③	>500 V	>200 V	≥100 V
注：①cps—每秒计数；②坪斜—高压变化100 V，cps的变化，越小越好；③坪长—探测器坪区宽度，越长越好；④燃耗寿命—表征探测器在累计中子注量率辐射下的性能

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蒋天植（1990—），男，工程师，现主要从事反应堆仪表与控制系统核测量工作，E-mail: 13699422315@163.com

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