摘要：核电机组运行一个循环后需要进行换料大修，从停机降功率到核仪表系统（RPN）源量程自动投运期间与RPN中间量程有着密切的关系。中间量程补偿电压的设置会直接影响到源量程自动投运时间的长短以及投运时源量程计数率的大小，若探测器过补偿，存在源量程过早投运导致计数率过高触发跳堆信号的风险。因此，中间量程补偿电压的调整通常建议使探测器处于略微欠补偿的状态最为合适。
关键词：核仪表系统（RPN）；中间量程；补偿电压
1引言
核仪表系统（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，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，用于反应堆功率建立期间；4个功率量程通道，采用非补偿长电离室，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。而中间量程的补偿负高压设置是RPN的重要技术问题，它设置的大小直接影响到中间量程电流在低功率时显示的大小。
2中间量程工作原理简介
中间量程探测器采用γ补偿电离室，出厂型号是CC80。中间量程探测器的结构由两个电离室组成：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[1]。探测器有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。
正电离室内壁涂硼，当有中子辐照时，易发生核反应放出α粒子和Li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1所示，
图1电极收集离子对数与外加电压的关系图
根据离子对不同的收集情况，可把电离室的工作区域分成6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：
第1区域称为复合区，外加电压较低，因为离子的漂移速度正比于外加电场强度，所以离子漂移速度很慢，有相当大的部分会复合消失，因此电极上收集的离子对数N小于总电离N0。
第2区域为饱和区，是电离室的工作区域。随着极间电压的增大，离子的漂移速度会越来越大，复合离子减少，因而被电极收集到的电荷量也会随之增多。当电压超过某一定值V0时，基本上不存在复合，这时总电离N0全部被收集，继续增大电压至V1时，收集的电荷不再增加，即已经达到饱和。
第3区域为正比区，是正比计数管工作区。当电压继续增大，大于V1后，收集到的电荷N又增加，因而N大于最初的总电离N0。N＞N0是由于存在“气体放大”过程，即：最初的总电离N0个离子对中的电子因为外电场较强，获得了足够的能量，其与气体分子发生碰撞后使气体分子电离，电离产生的电子在漂移时又通过电场加速到足以再次产生电离，如此下来，使离子对数增加许多，因为最后收集到的电荷数N比N0大很多。N与N0之比称之为“气体放大倍数”。
第4区域为有限正比区。离子对数的增加不是无限的，当外加电压继续增大，电场强度达到一定程度时，产生的大量离子对中的正离子，由于它的漂移速度比电子慢，电子被收集后，正离子还滞留在气体中，形成空间电荷效应，它们所产生的电场致使外加电场减弱，限制了离子对数的进一步增加。
第5区域为盖革-弥勒区（即G-M区），是G-M计数管工作区域。当继续增加电压时，空间电荷越来越多，当达到某一电压时，收集到的总电荷又一次达到饱和，并且与入射粒子N0无关。
第6区域为连续放电区，高能物理使用的闪光室，火花室和流光室工作在这个区域。当电压在G-M区后继续增加时，收集到的电荷再次急剧增加，出现了气体的连续放电过程，有光产生。
3补偿电压调整策略
3.1补偿电压特性
电离室在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。由γ射线产生的电离与外加电压同样符合上述的N-V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。
正、负电离室γ电流Iγ1、Iγ2存在着补偿的关系，根据探头测量原理，中间量程探头输出电流Io=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，可分为以下三种情况：
1）理想补偿点：Iγ1=Iγ2，Io=In；
2）欠补偿：Iγ1>Iγ2，Io>In；
3）过补偿：Iγ1<Iγ2，Io<In。
如果源量程投运时计数率低于5000c/s或投运时间超过40min，则认为中间量程补偿电压偏小，为欠补偿；如果源量程投运时计数率大于20000c/s或投运时间小于10min，则认为中间量程补偿电压偏大，存在过补偿。
3.1机组首循环补偿电压设定策略
关于首循环补偿电压的设定，曾经使用的方法是在机组首次临界后，通过50%Pn（Pn表示额定功率）跳闸停堆试验来获取的，目的是确保高γ射线注量率和低中子注量率。反应堆功率大于50%Pn跳闸停堆1h后，通过调整补偿电压，使探头输出电流为0A（实际约1.5×10-11A）来确定补偿电压。而该方法已经舍弃，目前补偿电压的确定大多使用经验公式进行推算。
在机组首次临界前，探头特性是未知的，一般先将补偿电压预设到-50V，然后根据启堆临界时的具体情况再进行调整。
3.2机组非首循环补偿电压设定策略
由于每次停堆的时间不同，停堆方式也存在一定的区别，造成了在源量程投运时堆芯的中子通量及γ射线强度会有不同程度的区别。在补偿电压一定的情况下，不可能使得中间量程在不同的情况下都处在理想补偿点的状态。
中间量程补偿负高压调整到探测器过补偿状态存在着两方面的跳堆风险，一方面是机组降功率停机时可能导致源量程过早投运，源量程计数率过大超过105cps而跳堆；另一方面是反应堆达临界时存在中间量程探测器延迟进入量程范围的风险，甚至可能导致源量程计数率越来越大，但由于中间量程处于过补偿状态，电流输出偏小，P6信号迟迟无法触发，源量程无法闭锁，最终导致源量程计数率达到105cps而跳堆。
鉴于中间量程处于过补偿状态时存在导致机组跳堆的风险，，建议中间量程补偿电压的设置以探测器处于略微欠补偿的状态为最好，以源量程投运时计数率在5000c/s到20000c/s之间，投运时间在10min到40min之间为最佳。
4结束语
通过对RPN中间量程深入的原理分析，结合多轮大修经验，给出了中间量程补偿电压设置的策略，有效规避补偿电压不合适带来的风险。中间量程补偿电压的设定需要兼顾机组启堆和停堆2方面的要求。对于不同探测器，由于其特性不同，需要根据实际情况选择补偿电压的设定。实践表明，按照这种方法进行的设置是有效的。
参考文献
[1]广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备[M].北京：原子能出版社，2005：258-259.
论文作者:周家正,蒋博
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/15
标签：量程论文; 电离论文; 电压论文; 离子论文; 探测器论文; 电极论文; 电荷论文; 《电力设备》2018年第26期论文;