基于l6N特征γ谱的HFETR功率监测研究

刘 鹏，雷 鸣，屈国普，陈启兵，赖立斯，邓云李，肖 盾，李松发

（1.中国核动力研究设计院反应堆运行与应用研究所，成都 610213；2.南华大学核科学与技术学院，湖南 衡阳 421001）

0 引言

水冷堆是世界上技术最成熟，应用最广泛，数量最多的堆型。目前，第三代反应堆型主推压水堆，第四代涉及的超临界水堆也属于水冷堆[1]。在以水作为冷却剂与慢化剂的反应堆堆型中，冷却剂水中l6O(n,p)l6N产生的l6N衰变过程中伴随的高能γ射线（6.13MeV）为反应堆运行期间一回路屏蔽的主要γ源项[2]。将反应堆一回路与二回路中的l6N放射性核素作为监测对象，可以快速地实现反应堆蒸发器泄漏监测，保证反应堆安全[3]。当前l6N辐射监测系统在核电机组上应用较为普及，如大亚湾核电机组采用法国EDF公司的l6N监测仪、秦山核电机组采用法国MPGI公司与国内镭目公司开发的l6N监测仪以及北京核仪器厂在巴基斯坦 PC-300工程研制的l6N监测仪等。研究堆如HFETR以及聚变堆ITER等，则采用l6N监测仪用于反应堆核功率监测。l6N监测仪对于超临界水堆及超临界二氧化碳动力堆的辐射监测也有潜在应用价值[1-4]。

商业堆上采用的l6N辐射监测仪主要是针对二回路l6N进行监测，一回路l6N比活度数据则需要采用堆芯物理计算程序进行求解，对于一回路l6N在线监测报道极少[5]。反应堆一回路由于辐射场剂量率高，冷却剂中放射性核素种类较为复杂，空间狭小等原因，使得一回路l6N特征γ谱的在线监测较为困难。因此，研究开发适用于反应堆一回路l6N在线监测系统，对于水冷堆核功率监测及换热器泄漏监测具有工程实用意义。

1 l6N功率监测实验设计及难点

1.1 l6N功率监测原理

水中富含的l6O与10.4MeV以上能量的中子发生l6O(n,p)l6N核反应产生的l6N，具有较短的半衰期（7.14s），l6N衰变过程中能释放较高能量的γ射线（其中，6.13MeV份额为68%，7.12MeV份额为5%）。通过对水冷堆中冷却剂水经过反应堆快中子辐照之后产生的l6N的特征γ辐射强度进行探测，可实现反应堆核功率的在线监测。反应堆堆芯活性区产生的l6N核子密度满足如下关系：

式（1）中，R表示活性区域内l6O(n,p)l6N反应率，单位为/cm3s；N表示活性区域内l6N核子密度，单位为/cm3；λ表示l6N的衰变常数，单位为/s。由反应堆启动前一次水中l6N初始核子密度为0，根据式（1）可求解当反应堆启动后，一次水第1次流出堆芯生成的l6N核子密度为：

式（2）中，t0表示一次水流经活性区时间，单位为s。流过堆芯后，l6N只有衰变减少，经过一个系统循环后，流入堆芯。此时，一次水第2次流入堆芯l6N核子密度初始值为：

式（3）中,τ表示一次水流经堆芯外的回路系统的时间，单位为s。一次水第2次流出堆芯生成的l6N核子密度为：

由式（4）可知：

同理，一次水第3次流出堆芯生成的l6N核子密度为：

依次类推，一次水第n次流出堆芯生成的l6N核子密度为[6]：

迭代求解为：

由于整个一回路水流动速度较快，而一回路冷却剂不断循环，假定反应堆一回路流量不发生变化，一次水堆芯生成的l6N核子密度很快达到平衡，并且与活性区域内l6O(n,p)l6N反应率成正比。活性区域内l6O(n,p)l6N反应率满足如下关系：

式（9）中，Φ(E)表示归一化中子注量率随能量分布函数，单位为/cm2s；σ(E)表示l6O(n,p)l6N反应截面随能量变化函数，单位为cm2；Eth表示l6O(n,p)l6N反应阈能，单位为eV；C表示归一化系数，如下式所示[4]：

式（10）中，S表示反应堆裂变源强，单位为/s；ρ表示冷却剂密度，单位为g/cm3；NA为阿伏伽德罗常数；M为冷却剂摩尔质量，单位为g/mol。

式（11）中，P表示反应堆功率，单位为W；v表示平均裂变中子数；ω表示平均裂变能，单位为MeV；由式（8）～式（11）可知：一次水流出堆芯后，l6N平衡浓度与反应堆功率成正比。如果在主管道适当的位置安装l6N辐射监测系统，可知l6N辐射监测系统探测到的l6Nγ计数率N（cps）与一次水刚流出堆芯l6N平衡浓度NnO(/cm3)的关系如下：式（12）中，N表示l6N辐射监测系统探测到的l6N特征γ能量区间或全能峰的计数率，单位为/s；K表示γ探测器对主管道内一次水l6N的特征γ能量区间或全能峰探测效率，单位为s-1/Bq/cm3；λ表示l6N的衰变常数，单位为/s；t表示一次水从堆芯出口到主管道测量位置的流动时间，单位为/s。这样，通过l6N辐射监测系统γ探测器对主管道适当位置的l6N特征γ能量（4.5MeV～7.5MeV）区间或全能峰的计数率的探测，可以实现反应堆功率的在线监测。

1.2 l6N功率监测实验

为了验证反应堆一回路l6Nγ能谱监测系统在功率监测方面的实用性，在HFETR堆上设计了一套l6N辐射监测系统如图1所示。整个实验系统搭建主要包括3个部分：

1）屏蔽铅室及γ探测器的测量单元。2）信号处理及电源供给单元。

3）计算机数据处理单元。

各部分单元的布置及主要功能分别是：

a）将γ探测器晶体及光电倍增管、偏置电路等部分置于铅室内部空隙。铅室前端设置有准直孔，顶部设置有信号线与电源线进出口。铅室距离主管道中心有适当的位置（2m），铅室屏蔽层的厚度为18cm，可将主管道及周围的γ辐射本底降低到探测限（＜1cps）以下。准直孔中心对准主管道中心，通过设置准直孔的大小与铅室到主管道的垂直距离，可以实现在反应堆运行期间得到γ探测器的合适的计数率范围（0 cps～10000 cps）。光电倍增管接受γ探测器的光信号转换为电信号并进一步放大，然后经过偏置电路实现信号成形及输出信号的阻抗匹配。

b）通过3根电缆（高压电源线、低压电源线、信号传输线）将铅室及γ探测器单元到信号处理及电源单元进行连接。3根电缆较长（30m），使信号处理及电源单元置于非放射性仪表间，并在反应堆运行期间，人员可以对该单元进行测试。由于电缆较长，信号存在一定衰减，通过该单元线性放大器将脉冲信号进行放大成形，然后将放大器输出信号连接多道输入，通过多道进行γ脉冲幅度谱分析。

图1 l6Nγ能谱监测系统的实验布置图Fig.1 Experiment layout of monitor of 16N gamma spectrum

c）计算机处理单元主要是采用数据采集软件对多道输出数据进行采集，人员可直观看到γ谱及相应的计数率并可进行数据分析。γ探测器的探头选择较多，如碘化钠、BGO、溴化镧及高纯锗等[8]。从经济成本及抗辐射性能出发，选择碘化钠作为实验探测的γ探测器晶体材料。虽然碘化钠探测器作为γ谱探测分辨率较低（接近10%），考虑到l6Nγ能量在4.5MeV～7.5MeV之间，该能量范围的反应堆一次水中其它核素衰变特征γ射线的干扰极低。因此，采用碘化钠作为反应堆一回路l6Nγ能谱测量实验是合适的[7,8]。

1.3 关键技术及难点

要实现l6N辐射监测系统功率监测功能，主要有以下技术难点：

1）要实现反应堆核功率的绝对测量，需要准确描述反应堆核功率P与l6N辐射监测系统探测到的l6Nγ计数率N（cps）关系。其中，主管道测量位置的一次水l6N浓度NNO（/cm3）与l6Nγ计数率N（cps）的关系通过γ探测器探测效率（包括几何效率与探测器本征效率）相联系。需要对γ探测器进行相应l6N特征γ能量的效率刻度，效率刻度一般采用放射源刻度与无源效率刻度软件进行验证。根据一次水从堆芯活性区出口到γ探测器探测主管道位置的流动时间t，可建立γ探测器探测到的一次水l6N浓度NNO（/cm3）与堆芯活性区出口一次水l6N平衡浓度的衰减关系。反应堆核功率与堆芯活性区出口一次水l6N平衡浓度的关系与反应堆堆芯布置及装载有关，可通过堆芯物理计算程序进行求解[9,10]。这样即可实现l6N辐射监测系统对反应堆核功率绝对值监测的功能。

2）根据l6N辐射监测系统探测到的l6Nγ计数率N（cps）与功率成线性关系原理，也可实现反应堆核功率的相对测量。l6Nγ计数率N（cps）变化也可以反映堆芯核功率的变化。这样，需要考虑l6Nγ计数率N（cps）变化范围需要与反应堆核功率监测范围进行匹配，但是通过多道采集l6Nγ计数率N（cps）范围与铅室布置、屏蔽厚度、准直孔大小及监测主管道位置有关。l6Nγ计数率范围偏高，导致多道谱仪死时间较高，引起较高的漏计数修正，影响测量准确性。l6Nγ计数率范围偏低也会使得功率监测灵敏度降低，统计涨落较大。考虑到功率变化幅度，一般反应堆在额定功率条件下的l6Nγ计数率在1000 cps～10000 cps之间较为合适。合理的铅室布置、屏蔽厚度、准直孔大小及监测主管道位置使得满足系统测量要求的前提下，可进一步减少设备的空间尺寸，并降低主管道及周围一次水管道其它γ射线的干扰。

2 16N功率监测实验结果与分析

2.1 16N特征γ谱监测

基于上述原理与实验设计，与南华大学合作搭建的l6N辐射监测系统在HFETR上获取的本底γ谱与l6N特征γ谱如图2所示。通过多道上位机软件在线采集的γ谱可以看出，在HFETR启动反应堆到额定功率的前后变化，图2（a）中表示HFETR启动前测量的γ谱，可以看出本底γ谱计数主要在低能区，在l6N特征γ谱区间（4.5MeV～7.5MeV）在600 s内无计数。图2（b）与图2（c）分别表示不同测量时间下的额定功率的l6N特征γ谱，可以看出在高能区出现3个较为明显的峰，从右到左分别是l6N特征γ（6.13MeV,68%）全能峰、单逃逸峰、双逃逸峰。实验测量发现HFETR达额定功率时，多道阈值较低情况下软件采集的γ谱总计数率在3000 cps～4000 cps之间，死时间为2%左右，经过能量刻度后从图中可以看出，在低能区0.511MeV峰比较明显，这主要是高能γ与材料产生电子对效应中的正电子引起的湮没峰。对于γ谱仪10000s的探测可以发现24Na特征γ（2.7MeV）全能峰。由于l6N辐射监测系统采用碘化钠γ探测器产生的康普顿坪较高，对于4.5MeV以下的γ射线特征峰不明显，无法分辨主管道内一次水中其它γ放射性核素。HFETR功率运行期间，主管道内一次水中最大的源项为l6N，其次为24Na，其它核素特征γ强度相对l6Nγ强度较低。因此，只需要监测4.5MeV以上γ计数率或l6N特征峰γ计数率即可实现HFETR功率监测。

图2 HFETR主管道一次水中l6Nγ 谱Fig.2 16N gamma spectrum from the coolant of HFETR

2.2 l6N功率监测计数率变化

图3 l6Nγ谱功率监测数据与电离室监测读数随热功率变化的对比Fig.3 Comparison of the measurement between l6Nγ monitor and ionization chamber

图4 HFETR30MW停堆前后电离室输出电流与l6Nγ(4.5MeV～7.5MeV)计数率变化对比Fig.4 Comparison of the variation between l6Nγ monitor and ionization chamber with the time before and after shutdown of HFETR with 30MW power

HFETR启动到额定功率需要经过逐档提升功率。采用l6N辐射监测系统对各档稳定功率进行监测，对于各档功率条件下监测的γ谱中（4.5MeV～7.5MeV）γ计数率、16N全能峰γ计数率与功率的关系并与HFETR堆外各档功率条件下补偿电离室测量结果进行对比如图3所示，可以看出l6N辐射监测系统探测到的l6Nγ计数率N（cps）与功率线性关系较好，跟HFETR堆外两个电离室监测线性表现一致。从图3（a）与图3（b）对比可知，该实验采用16N全能峰γ计数率不如γ谱中（4.5MeV～7.5MeV）γ计数率作为功率监测读数的表现。这是由于γ谱中（4.5MeV～7.5MeV）γ计数率比16N全能峰γ计数率要大很多，使得γ谱中（4.5MeV～7.5MeV）γ计数率的统计误差相对较低。为了提高16N全能峰γ计数率的准确性，还需要增大准直孔的内径或者调节准直孔到一次水主管道的距离，从而提高计数率大小来降低统计误差。

2.3 16N功率监测响应时间

考虑到l6N辐射监测系统γ探测器在主管道上的探测位置到堆芯出口有一定的距离，并且反应堆一次水在密闭回路系统进行循环。由1.1节原理可知，当反应堆功率稳定后，一次水系统中16N浓度达到平衡需要一定的时间。这导致l6N辐射监测系统γ探测器探测到的l6Nγ计数率需要有一定的响应时间以达到稳定值。为了准确地测量l6N辐射监测系统功率监测的响应时间，在HFETR30MW慢速停闭反应堆期间，采集了l6Nγ谱（4.5MeV～7.5MeV）计数率随停堆前后时刻的变化。其中，γ谱采集时间为20 s，如图4所示。从图4中可以看出，在HFETR停闭反应堆期间，l6N辐射监测系统功率监测l6Nγ（4.5MeV～7.5MeV）计数率变化要滞后于堆芯外电离室输出电流变化，延迟时间约为1 min左右。由于HFETR一回路系统管线较长，导致一次水在一回路系统循环时间较长，使得堆芯入口处l6N浓度较低，相对堆芯出口可忽略不计。这样一次水经过一个循环后，一回路内各处l6N就达到平衡。l6N功率监测响应时间取决于一次水从堆芯活性区到l6N辐射监测系统γ探测器铅室准直孔对准的主管道位置的流动时间和监测系统数据采集时间。

3 结论

基于l6Nγ谱HFETR功率在线监测实验表明，采用碘化钠γ探测器的能谱测量系统可实现水冷堆功率的在线监测。实验选用的碘化钠探测器能量分辨率相对较低，该系统也可采用BGO或溴化镧探测器实现同样的效果，并且探测性能更有优势。该实验l6Nγ谱总计数率相对偏低，需要进一步调整铅室准直孔尺寸及测量距离，通过减少l6Nγ谱采集时间及主管道探测位置到堆芯出口的距离，可以降低延迟时间。l6N辐射监测系统用于功率监测具有一定的延迟响应时间，但是通过效率刻度及堆芯物理计算后可得到堆芯功率监测的绝对值。特别是针对研究堆堆芯布置较为复杂、堆内反射层扰动较多情况，如受辐照单晶硅或同位素靶件出入对堆外电离室测量扰动较大，采用l6N辐射监测系统实现堆芯核功率测量具有较高的准确性。