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：ThispaperananlysisofRPNintermediaterangedetectorcompensationnegativeHVforCPR1000unit，throughanalyzingtheworkingprincipleofintermediaterangedetector，andcompensationfactor’sinfluenceonthedetectoroutputcurrentandtheratechangeofγafterthereactorshutdowntoannlysistheRPNintermediaterangedetectorcompensationnegativeHV.
Keywords：RPNIntermediaterangedetectorCompensationnegativeHV
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。
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