一種用于高溫高壓環(huán)境高量程輻射監(jiān)測儀的研制

孫光智 邱順利 肖 偉 曾 樂 劉海峰 裴 煜 葛孟團(tuán) 周宇琳 程 輝

（武漢第二船舶設(shè)計研究所 武漢 430064）

隨著人們對核安全的重視，對一些極端環(huán)境條件下放射性物質(zhì)的監(jiān)測越來越受到重視，通過在核電站等場所內(nèi)設(shè)置一些在嚴(yán)酷環(huán)境下仍能夠正常工作的核輻射探測器，用于獲取在可能的事故工況下，一些特殊區(qū)域的放射性物質(zhì)分布情況，以便能對這些工況下核設(shè)施的核安全做出評估。福島核事故表明，這些考慮是非常有必要的［1-2］。其中，核電站冷卻劑喪失事故（Lose of Coolant Accident，LOCA）是一種可能發(fā)生的事故工況［3］，主要指一回路冷卻劑非正常泄漏到安全殼內(nèi)。為了獲得足夠高的熱利用效率，一回路冷卻劑溫度通常非常高，當(dāng)泄漏到一回路外的大氣環(huán)境中后，將迅速釋放大量的熱量，在安全殼密閉的空間內(nèi)形成高溫、高濕、高壓環(huán)境，且可能夾帶反應(yīng)堆內(nèi)的放射性物質(zhì)，形成強(qiáng)的輻射場［4］。因此，如果能迅速獲得該工況下安全殼內(nèi)空氣的放射性物質(zhì)濃度，就可以確定安全殼內(nèi)彌漫的水蒸氣是否可以向外界環(huán)境排放，或者需要更嚴(yán)酷的噴淋才能解決，這關(guān)系到事故的迅速決策和后續(xù)生產(chǎn)恢復(fù)。

經(jīng)過核電站設(shè)計人員模擬分析表明，大型壓水堆核電站正常情況下安全殼內(nèi)的輻射劑量率在10?3Gy·h?1以下量級，而發(fā)生 LOCA 事故時，安全殼內(nèi)的 γ 輻射劑量率短期內(nèi)可達(dá) 105Gy·h?1以上。同時，在事故情況下，安全殼內(nèi)將迅速被高溫蒸汽填充，形成高溫、高濕、高氣壓的環(huán)境，部分核電站最高溫度可超過200 ℃［5］，常規(guī)核輻射探測器，如蓋革計數(shù)管、閃爍體、半導(dǎo)體等探測器，均很難保證事故后可正常工作。

因此，本工作針對LOCA 環(huán)境下安全殼內(nèi)輻射監(jiān)測的需求，開發(fā)了一款可用于高溫、高濕環(huán)境下超高量程γ 輻射劑量率在線監(jiān)測的核輻射探測裝置，包括位于安全殼內(nèi)的全密封電離室探測器、安全殼外的信號放大處理設(shè)備，以及連接它們的傳輸電纜及電纜接插件。并進(jìn)行了強(qiáng)γ 輻射場標(biāo)定和LOCA模擬試驗驗證。

1 輻射監(jiān)測儀的設(shè)計與計算

1.1 輻射監(jiān)測儀整體布局設(shè)計

在核電站運行期間，為了防止放射性物質(zhì)逸出，安全殼長期處于封閉的負(fù)壓狀態(tài)，人員不能隨意進(jìn)出，只有在反應(yīng)堆停堆后方可進(jìn)行部件的維修和更換，監(jiān)測儀要在不更換零部件的條件下，長時間在較強(qiáng)輻射場下通電運行，因此需要考慮可靠性問題?？紤]到電子線路中半導(dǎo)體器件一般不耐輻照，因此本項目中，在安全殼內(nèi)僅布置電離室作為射線探測器，而將與電離室相連的高壓模塊、電流放大處理電路等部件布置在安全殼外。整個監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，監(jiān)測儀探頭選用電離室探測器，主要是因為電離室探測器穩(wěn)定性好，耐惡劣環(huán)境，能在事故后高溫高壓環(huán)境下正常工作，且性能變化較小。

與電離室連接的電纜采用核電站安全級設(shè)備常用的不銹鋼外殼礦物質(zhì)鎧裝電纜，經(jīng)過專用的電氣貫穿件與安全殼外的電纜連接。由于電離室輸出的電流信號非常微弱，為了減小信號傳輸路徑上引入的干擾，在安全殼外靠近電氣貫穿件的位置引入了前置放大器，對電流信號進(jìn)行放大轉(zhuǎn)換后，再輸出給遠(yuǎn)程端的采樣顯示設(shè)備。

圖1 事故環(huán)境輻射監(jiān)測儀基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of accident environment radiation monitor

1.2 電離室結(jié)構(gòu)的設(shè)計

一般的電離室測量上限在1 000 Gy·h?1左右，當(dāng)γ輻射劑量率超過此值時，電離室輸出的電流和劑量率不再成線性增長，甚至出現(xiàn)“反彈”，即劑量率越高，輸出電流越小。主要原因是γ 射線在電離室靈敏區(qū)電離產(chǎn)生的電荷向收集電極運動時，存在異種電荷復(fù)合的現(xiàn)象，導(dǎo)致收集到的電荷小于電離產(chǎn)生的電荷。這種現(xiàn)象在電荷密度增大時尤其嚴(yán)重。由于本工作中使用的電離室測量上限高，因此需要減小電離室電極的間距，來縮短電荷在工作介質(zhì)中的運動距離。這種情況下，為了獲得足夠高的靈敏度，需要增加射線的接收面積。劑量率監(jiān)測采用的電離室通常為圓柱形或球形結(jié)構(gòu)，假設(shè)電離室中心與安裝墻面距離為H，采用球形電離室時，射線最大接收面積為4πH2；而采用圓柱結(jié)構(gòu)時，假設(shè)圓柱體長度為L，則射線最大接收面積為2πHL?？紤]到現(xiàn)場安裝情況，增加電離室與安裝墻面的距離H可以增大射線的接收面積，但設(shè)備與固定墻面距離較大時抗震能力會相應(yīng)降低。因此本工作電離室采用圓柱體結(jié)構(gòu)，并設(shè)計圓柱形電離室的長度L＞2H，來獲得更大的射線接收面積，同時增加工作氣體壓力來提高裝置的靈敏度。

本設(shè)計引入了一個全密封的電離室內(nèi)膽，電極之間通過氧化鋁陶瓷絕緣釬焊，通過專門的不銹鋼管作為充氣嘴充入工作氣體后密封焊接為一個整體。電離室靈敏區(qū)充入的氣體為純度高于99.999%高純氬氣。為了提高電離室的抗震能力，內(nèi)膽兩端均設(shè)置了減震彈簧。電纜與外殼焊接，芯線與電極連接。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 電離室結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of ionization chamber

電離室選用的材料主要為不銹鋼、陶瓷、鋁，均能在高溫環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能。查表得這幾種材料20～300 °C的線膨脹系數(shù)：鋁，24.0×10?6°C?1；不銹鋼，17.2×10?6°C?1；陶瓷，7.0×10?6°C?1?？梢钥闯觯绻h(huán)境溫度由常溫升高到事故高溫，即使是線膨脹系數(shù)最大的鋁材，其形變也僅有約0.4%，因此設(shè)計的電離室有很好的耐高溫性能。

1.3 電離室承壓設(shè)計計算

電離室內(nèi)部的高壓氣體會對外殼產(chǎn)生壓力，同時，LOCA事故時，瞬時釋放的高壓蒸汽可能將電離室外殼壓癟，所以電離室殼體需要有足夠的耐壓強(qiáng)度。因此，需要根據(jù)設(shè)計的電離室的結(jié)構(gòu)尺寸及材料特點進(jìn)行力學(xué)計算，使電離室可以滿足承壓需求。

1）內(nèi)部充氣壓力的計算

電離室探測器為圓筒體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部封裝了一定壓力的高純氬氣，而周圍環(huán)境溫度升高時，內(nèi)部氣體壓力也會相應(yīng)增加，因此需要考察電離室的承壓能力。設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力計算公式為［6］：

式中：σt為設(shè)計溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力，MPa；δe為圓筒的有效厚度，mm；φ為焊接接頭系數(shù)（推薦值為為0.8）；DI為圓筒的內(nèi)直徑，mm。該電離室探測器應(yīng)用環(huán)境溫度達(dá)到200°C 時，所用不銹鋼的許用應(yīng)力為108 MPa，電離室圓筒壁厚為1.5 mm，外徑為?63 mm，焊接系數(shù)取0.8，代入式（1）計算得到電離室最大耐壓值［Pw］=4.21 MPa。該電離室工作氣體是在常溫（25°C）下充入的，壓力約為1.0 MPa。那么在LOCA事故工況下，溫度上升到200°C時，內(nèi)部氣體壓力變化為：

內(nèi)部氣體壓力低于電離室設(shè)計的最大允許壓力，因此電離室可滿足內(nèi)部承壓要求。

2）外部耐壓計算

電離室外殼正常狀態(tài)下為內(nèi)外常壓容器，不存在壓力。但在事故狀態(tài)下，安全殼內(nèi)的壓力可能上升至0.7 MPa，由于探頭采用全焊接密封結(jié)構(gòu)，此時存在探頭外部壓力高于內(nèi)部壓力的現(xiàn)象，需要考慮外殼的承壓能力。

按照GB150-1998鋼制壓力容器給出的公式，設(shè)定溫度下外壓圓筒最大允許工作壓力計算公式為：

式中：δe為圓筒的有效厚度，mm；Do為圓筒外直徑；B為查表所得數(shù)據(jù)，與圓筒外徑-有效厚度比值Do/δe、長-徑比L/Do有關(guān)。根據(jù)該γ輻射監(jiān)測儀電離室外殼的尺寸參數(shù)，Do/δe=42，長度L=220 mm（由于端蓋有固定裝置，厚度超過10 mm，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯滿足要求，不做計算），L/Do=3.49。按照200 °C 設(shè)計，查表知B=70.0 MPa，代入式（3）計算得到電離室最大允許的外部工作壓力［P］=1.67 MPa。

可以看出，電離室內(nèi)部無充氣氣壓時，外殼所能承受的壓力（1.67 MPa）仍然高于使用環(huán)境最高壓力（0.7 MPa），滿足設(shè)計要求。而且設(shè)計的電離室正常工作時，內(nèi)部由于充入氣體而存在氣壓，常溫時約為1.0 MPa，LOCA 工況下達(dá)到 1.59 MPa，大于外部環(huán)境壓力，因此探測器在LOCA 工況下外部承壓滿足要求。

1.4 I-V-F寬量程弱電流放大電路設(shè)計

本工作中監(jiān)測儀測量范圍需要覆蓋10?3～105Gy·h?1的范圍，由于電離室輸出的電流信號和輻射劑量率成正比關(guān)系，電離室輸出電流的范圍將跨越8個數(shù)量級，且輸出電流下限在pA級。通常采用的弱電流放大電路有I-V變換、I-F或?qū)?shù)放大方式［7-8］。本工作設(shè)計了多檔I-V變換電路，采用可自動切換檔位的三檔I-V變換電路，每個檔位測量范圍跨越3～4個量級，且相鄰檔位重疊1～2個量級，保證該電路至少可以測量8個量級的電流信號。電路原理圖如圖3 所示，探頭輸出的電流信號經(jīng)過傳輸電纜后進(jìn)入I-V變換電路，當(dāng)電流較小時，由于R1處控制第一檔的高阻開關(guān)處于常閉狀態(tài)，根據(jù)虛短虛斷原理，轉(zhuǎn)換的電壓值為：V1=R1×Iin。放大后的電壓信號進(jìn)入V-F變換電路，V-F變換電路可輸出近似與V1成正比的方波頻率信號Fout，并傳輸給后端的采樣/顯示設(shè)備。

當(dāng)采樣/顯示設(shè)備讀取的信號頻率達(dá)到第一檔上限時，就會給I-V-F變換電路一個控制換擋的信號，控制開關(guān)K2連通。此時第二檔開始工作，轉(zhuǎn)換電壓V1=（R1//R2）×Iin。設(shè)計R2<

同理，與輸入電流大小成正比關(guān)系的信號頻率達(dá)到第二檔測量上限時，采樣/顯示設(shè)備給出第三檔的控制換擋信號。此時開關(guān)K3連通，K2斷開，第三檔開始工作，轉(zhuǎn)換的電壓值為V1=（R1//R3）×Iin≈R3×Iin。

根據(jù)分析計算，F(xiàn)out與輸入電流Iin和檔位信息相關(guān)，且在每一檔范圍內(nèi)，F(xiàn)out與Iin成線性關(guān)系，電流測量下限可達(dá)1 pA。由于在電路設(shè)計中，每兩個相鄰檔位對電流的測量范圍具有1～2 個量級的重疊部分，因此在換擋時產(chǎn)生的測量誤差通常小于5%。

圖3 多檔I-V-F變換放大電路原理圖Fig.3 Schematic of multi-gear I-V-F conversion and amplifier circuit

采用電流源表對設(shè)計的弱電流放大電路進(jìn)行刻度試驗，曲線如圖4所示，試驗結(jié)果與理論推導(dǎo)的轉(zhuǎn)換曲線很接近。電路測量范圍寬，轉(zhuǎn)換線性程度良好，驗證了寬量程弱電流放大電路設(shè)計的正確性。

圖4 多檔I-V-F變換電路刻度曲線Fig.4 Scale curve of multi-gear I-V-F conversion circuit

2 監(jiān)測儀寬量程范圍的刻度試驗

監(jiān)測儀靈敏度線性是衡量其測量值準(zhǔn)確度的一個重要指標(biāo)，只有在整個量程范圍內(nèi)均具有好的能量線性，才能確保測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。本設(shè)計為了減小電荷復(fù)合作用，提高劑量率測量上限，電離室探測器采用了小的電極間距和密度較低的工作氣體，同時增大了靈敏體積，確保探測器既能在量程上限時有較好的線性，又在測量下限時有較高的靈敏度。本章分別采用標(biāo)準(zhǔn)γ輻射場以及大型同位素輻射源對設(shè)計的監(jiān)測儀進(jìn)行寬量程范圍的標(biāo)定試驗。

監(jiān)測儀在標(biāo)準(zhǔn)輻照場下的標(biāo)定試驗如圖5 所示。該標(biāo)準(zhǔn)輻射場為經(jīng)過準(zhǔn)直的γ 輻射場，輻射劑量率值預(yù)先經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)劑量率儀經(jīng)過校準(zhǔn)，參考值準(zhǔn)確，均勻性良好。

圖5 γ劑量監(jiān)測儀在標(biāo)準(zhǔn)輻射場下的標(biāo)定試驗Fig.5 Calibration of γ-dose monitor under reference radiation field

通常，標(biāo)準(zhǔn)輻射場的放射源活度有限，一般在3.7×1014Bq以內(nèi)，可用的輻射場劑量率在100 Gy·h?1以內(nèi)。為了驗證電離室在更高劑量率下的線性指標(biāo)，本工作利用進(jìn)行輻照加工的大型同位素輻射源進(jìn)行標(biāo)定。輻照裝置的輻射源為多枚放射源安裝在較集中的固定架上后聯(lián)合使用，輻射劑量率可達(dá)105Gy·h?1。但由于安裝的放射源活度并不完全相同，導(dǎo)致輻射場均勻性受到一定影響，且很難找到在線式的標(biāo)準(zhǔn)劑量率儀對如此強(qiáng)的輻射場進(jìn)行在線測量。因此本工作在電離室周圍放置可用于強(qiáng)輻照場測量的丙氨酸化學(xué)劑量計［9］，輻照試驗結(jié)束后，通過測量劑量計的光學(xué)性能變化來獲得測量點的輻射劑量率，并進(jìn)行積分平均，得到探測器所在位置的參考輻射劑量率。本工作通過在電離室周圍布設(shè)多個測量點，減小了輻射場不均勻造成的測量誤差，使電離室標(biāo)定上限超過40 kGy·h?1。

標(biāo)準(zhǔn)輻射場和輻照裝置聯(lián)合標(biāo)定試驗中，在監(jiān)測儀量程第一、二、三檔范圍內(nèi)分別取數(shù)個點進(jìn)行測試，并繪制參考劑量率值-計數(shù)率曲線（電離室輸出電流經(jīng)I-V-F電路轉(zhuǎn)換為方波頻率信號并讀取計數(shù)率），如圖7所示。圖中，從左到右分別為第一檔、第二檔、第三檔線性測量結(jié)果。

圖6 采用化學(xué)劑量計在強(qiáng)輻照場下對監(jiān)測儀進(jìn)行標(biāo)定Fig.6 Calibration of the monitor under strong radiation field using chemical dosimeter

圖7 超高量程γ劑量監(jiān)測儀靈敏度線性曲線Fig.7 Sensitivity linear curve of super-high range γ-dose monitor

經(jīng)過擬合計算，監(jiān)測儀計數(shù)率與參考劑量率值的擬合函數(shù)為：

第一檔：f(x) = 71.65x+ 61，擬合線性度<±0.3%；

第 二 檔 ：f(x) = 0.21x? 216，擬 合 線 性 度<±2.5%；

第三檔：f(x) = 0.000 3x+ 39，擬合線性度<±1.1%。

可以看出，該電離室在1 mGy·h?1～50 000 Gy·h?1量程范圍內(nèi)具有非常高的線性度，說明設(shè)計的電離室探測器在此范圍內(nèi)電荷復(fù)合問題得到解決，測量線性良好。

3 LOCA模擬試驗

為了考察設(shè)計的監(jiān)測儀在LOCA事故后能否正常運行，本工作利用LOCA 試驗艙進(jìn)行了LOCA 試驗。試驗時，電離室、電離室焊接的礦物質(zhì)鎧裝電纜以及連接器均置于LOCA 試驗艙內(nèi)部，與試驗艙密封法蘭盤焊接的礦物質(zhì)電纜作為模擬貫穿件，通過連接器連接后于艙外的電子設(shè)備連接。試驗照片如圖8 所示，其中，左下方為試驗艙外殼，為了防止蒸汽沖擊引起探測器振動，電離室被固定在艙內(nèi)的支架上。為了持續(xù)監(jiān)測儀表是否在正常工作，電離室內(nèi)部嵌入了一枚約800 Bq的241Am α放射源，釋放的α 粒子可在電離室中持續(xù)產(chǎn)生穩(wěn)定的弱電流信號，使監(jiān)測儀產(chǎn)生本底計數(shù)。LOCA 試驗過程中，如果電離室或電纜連接器失效，高溫蒸汽進(jìn)入密封件內(nèi)部造成電離室電極之間絕緣度下降，弱電流將無法向外傳輸，監(jiān)測儀顯示計數(shù)將會變成0。因此該試驗可評估本監(jiān)測儀在LOCA事故工況下是否可用。

在整個試驗過程中，監(jiān)測儀始終存在穩(wěn)定的顯示值，未出現(xiàn)因蒸汽侵入造成電離室無信號輸出的故障。當(dāng)電離室外殼焊接完整、連接器密封扭力在40 N·m以上、電纜絕緣電阻大于10 GΩ時，監(jiān)測儀在試驗前、LOCA 急劇升溫階段、LOCA 保持溫度階段、以及試驗完成后，監(jiān)測儀顯示的計數(shù)率值保持穩(wěn)定，偏差不超過5%。表明了設(shè)計的監(jiān)測儀可以應(yīng)用于LOCA事故工況。

圖8 LOCA模擬試驗現(xiàn)場Fig.8 LOCA simulation test site

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種高溫高壓環(huán)境下的γ輻射劑量率監(jiān)測儀，采用全密封不銹鋼電離室作為核心探測器，設(shè)計了多檔電流-電壓-頻率變換電路作為寬量程前置放大電路，并根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的溫度和壓力條件對探測器外殼進(jìn)行承壓計算驗證。利用標(biāo)準(zhǔn)輻照場和大型同位素輻射源對設(shè)計的監(jiān)測儀進(jìn)行了標(biāo)定試驗，并利用LOCA試驗艙進(jìn)行了LOCA模擬試驗。試驗結(jié)果表明，設(shè)計的輻射監(jiān)測儀實現(xiàn)了超寬、超高量程γ輻射場的測量，并能滿足耐惡劣環(huán)境要求。

致謝感謝中國原子能科學(xué)研究院林敏研究員、侯金兵老師、北京射線應(yīng)用研究中心、中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所輻照中心等的支持，使本工作得以順利進(jìn)行。