关琦 郑清发 罗建峰 黄樟明
（中广核核电运营有限公司 广西防城港 538000）
摘要：本文对CPR1000机组RPN中间量程探测器补偿负高压原理进行分析，通过对中间量程探测器的工作原理分析，补偿因子对探测器输出电流的影响以及反应堆停堆后γ剂量率变化分析对RPN中间量程探测器补偿负高压进行分析说明。
关键词：RPN；中间量程探测器；补偿负高压
Abstract：This paper ananlysis of RPN intermediate range detector compensation negative HV for CPR1000 unit，through analyzing the working principle of intermediate range detector，and compensation factor’s influence on the detector output current and the rate change of γafter the reactor shutdown to annlysis the RPN intermediate range detector compensation negative HV.
Keywords：RPN Intermediate range detector Compensation negative HV
1.基本原理分析
1.1RPN系统简介
RPN采用分布在压力容器外的一系列中子探测器来测量反应堆功率、功率变化率以及功率的径向、轴向分布，分3种量程8个通道：2个源量程通道，采用涂硼正比计数器CPNB44，用于停堆及初始启堆期间；2个中间量程通道，采用γ补偿电离室CC80，用于反应堆功率建立期间；4个功率量程通道，采用长电离室CBL26，用于反应堆功率运行期间。3个量程两两重叠，确保从停堆至满功率运行的整个阶段，RPN都能连续地控制和保护反应堆。
源量程输出脉冲信号，测量范围为1~1.6×106cps，跳堆定值为105cps，跳堆逻辑为1/2。中间量程输出电流信号，测量范围为10-11~10-3A。机组上行时，当中间量程电流按1/2逻辑上升至1.27×10-10A时，触发P6，允许操作员手动闭锁源量程。机组下行时，当中间量程电流按2/2逻辑下降至10-10A时，触发P6非，源量程自动投运。
1.2中间量程探头的工作原理
中间量程探头采用γ补偿电离室，型号CC80，结构原理如下图1所示。它由两个电离室组成：外环电离室内壁涂硼，称正电离室；内环电离室不涂硼，称负电离室。两个电离室内充有相同气体Ar（93%）+N2（6%）+He（1%）。它有3个电极：与+HV相连的称正高压电极，加高压600V；与-HV相连的称负高压电极；共用极板称收集电极。探头输出电流通过负载电阻R在机柜侧采集。
图1：CC80的结构原理图
正电离室内壁涂硼，当有中子辐照时，易发生下列核反应：
核反应放出的α粒子和7Li离子使气体电离产生离子对。离子对主要有3种运动方式：扩散、复合和漂移。扩散与分布浓度有关；复合是指电子（或负离子）与正离子重新形成中性原子；漂移则由外加电场引起，电场越强，漂移速度越大。若电子（或负离子）和正离子从外电场中获得足够能量，可进一步使气体电离，即次级电离。外加电压V不同，离子对的产生、复合和迁移情况就不同，电极上收集到的离子对数目N就不同，输出电流也就不同。
电极上收集到的离子对数目N与外加电压V的关系如下图2所示，其中N1、N2对应两种辐照水平。
图2：电离室的工作区域
根据离子对不同的收集情况，可把电离室的工作区域分成5个区。假设初级电离产生的离子对数目为N0，对各工作区域说明如下：
I：复合区，N<N0。N0中有一部分因为复合而消失。
II：饱和区，N=N0。
III：正比区，N=N0×A，A为气体放大倍数。该工作区内存在大量次级电离，因此有放大作用，A由探测器结构及外加电压决定，与N0无关。
IV：有限正比区，N=N0×A，A与N0成反比。
V：G-M区，N为定值，由探测器结构及外加电压决定，与N0无关。
电离室的结构材料在γ照射下也会产生次级电子（光电效应、康普顿效应、电子对效应），这些次级电子同样能使气体电离，使输出电流中掺入γ电流。γ电流与外加电压同样符合上述关系。
在中子和γ照射下，正电离室将产生电流In+Iγ1；负电离室没有涂硼，只产生电流Iγ2。两电离室所加高压极性相反，电流方向也相反。设置合适的-HV，可以使Iγ1、Iγ2基本抵消，只保留中子电流In，从而达到γ补偿的目的。
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图3：正、负电离室γ电流Iγ1、Iγ2的关系
正、负电离室γ电流Iγ1、Iγ2的关系如图3所示。根据探头测量原理，中间量程探头输出电流Ioutput=In+Iγ1-Iγ2。正电离室工作在饱和区，既定中子通量和γ水平下，In、Iγ1不变；负电离室工作在复合区，Iγ2随-HV 变化而变化：
理想补偿点：Iγ1=Iγ2，Ioutput=In；
欠补偿：Iγ1>Iγ2，Ioutput>In；
过补偿：Iγ1<Iγ2，Ioutput<In。
CC80在设计上必须具有过补偿能力。-HV=0V时，一定满足Iγ1>Iγ2；增大-HV一定可以使Iγ1<Iγ2，因此理想补偿点客观存在。但理想补偿点不仅与探头特性相关，还受测量对象（γ剂量率、γ能谱）影响，并非固定不变。
探头输出电流Ioutput=In+Iγ1-Iγ2。式中，In=Φn·Sn，Φn为中子通量（nv），Sn为中子灵敏度（A/nv）；Iγ1=Φγ·Sγ，Φγ为γ剂量率（Gy/h），Sγ为正电离室的γ灵敏度（A/Gy.h-1）；负电离室工作在复合区，γ灵敏度会变化；一般用补偿因子f来衡量补偿特性，定义f=（Iγ1-Iγ2）/Iγ1，则Ioutput=In+f·Iγ1=In+f·Φγ·Sγ。
In可由源量程计数率得出；Sγ可参考EOMR；Φγ取决于实际情况；f本质上由探头特性、-HV设置、测量对象共同决定，反映的是各种因素综合影响γ补偿特性的结果，其机理难以分析，但评价-HV及探头特性的原则却很显然：
实际-HV与理想补偿点越接近越好；
出现偏差时|f|越小越好。
1.3补偿因子f、γ剂量率Φγ对探头输出电流的影响
中间量程探头的中子灵敏度为8×10-14A/nv±20%，源量程探头为8cps/nv。若中间量程探头工作在理想补偿点（f=0），Ioutput=In，则理想对应关系如下：
中间量程进入/退出量程时（10-11A），源量程1000cps；
上行触发P6（定值1.27×10-10A），源量程12700cps；
下行触发P6非（定值10-10A），源量程10000cps。
若探头过补偿，假设：源量程计数率10000cps时，In=8.4×10-11A（Sn=6.7×10-14A/nv）；根据EOMR，Sγ=4×10-9A/Gy·h-1；补偿因子f、γ剂量率Φγ分别小范围变化：
假设Φγ=2Gy/h（与紧急停堆后的γ剂量率大致相当）：
当f=-0.005时，Ioutput=4.4×10-11A，可以顺利进入量程；
当f=-0.010时，Ioutput=0.4×10-11A，无法进入量程；
假设f=-0.01（探头补偿因子f一般在±0.02以内[1][7]）：
当Φγ=1Gy/h时，Ioutput=4.4×10-11A，可以顺利进入量程；
当Φγ=2Gy/h时，Ioutput=0.4×10-11A，无法进入量程。
由此可见源量程计数率10000cps对应的In较小，补偿因子f、γ剂量率Φγ小范围变化就会导致Ioutput明显变化，极易补偿过度导致无法进入量程。
1.4反应堆停堆后γ剂量率的变化趋势
某核电站提请某技术部协助计算反应堆停堆后γ剂量率的变化趋势。某技术部分析认为，停堆后应主要考虑裂变产物释放的γ，其变化趋势如下图4所示。
（a）紧急停堆1h内γ变化趋势 （b）紧急停堆16h内γ变化趋势
图4：紧急停堆后裂变产物对应γ剂量率的变化趋势
紧急停堆后10~40min，γ衰减至初始值1/3~1/4；4h衰减至10%左右；16h衰减至5%左右；初始值取决于裂变产物的累积[2][3]。正常停堆时，短寿命γ会在降功率过程中快速衰减，因此正常停堆后的γ水平会低一些。本次事件中，与第一次达临界时相比，第二次时的γ剂量率已降低一半。
1.5探头服役年限对γ补偿特性的影响[4]
根据CGN多年运行经验，中间量程探头服役年限增加，会逐渐往欠补偿过渡，每次换料大修均需要适度增大-HV。咨询261厂专家后认为，探头电极及仪表井内的一体化电缆受中子辐照后均会活化，主要发生β衰变放出电子。探头及电缆活化后，即使没有中子、γ照射，仍会有电流输出，有辐照时会更为显著。要消除该影响，需要适度增大-HV。按照某核电站经验，对于旧探头，每次换料大修都要适度增大3~5V左右；对于新探头，服役的首个循环变化最明显。
2.总结
本文对RPN中间量程探测器补偿负高压原理进行分析，通过多个方面对RPN中间量程探测器补偿负高压进行分析说明，结合服役年限等因素。对RPN中间量程探测器的各类故障提供重要的分析资料。
参考文献：
[1]毛欢等，核电站堆外核测量系统的原理及工程实践[J] 《核电子学与探测技术》，2014年6月，第34卷第6期
[2]曲德成等，裂变缓发γ射线能谱的蒙特卡罗模拟[J] 《原子能科学技术》，2008年4月，第42卷第4期
[3]曾昌恒，235U核燃料反应堆内的裂变产物放射性计算[J] 《核科学与工程》，1992年3月，第12卷第1期
[4]高巍，RPN中间量程补偿电离室补偿电压的确定[J] 《大亚湾核电》，2016年第4期
论文作者:关琦,郑清发,罗建峰,黄樟明
论文发表刊物:《河南电力》2018年6期
论文发表时间:2018/9/10
标签：量程论文; 电离论文; 探测器论文; 中子论文; 剂量论文; 反应堆论文; 电流论文; 《河南电力》2018年6期论文;