□黄瑞铭

核能发电是通过235U裂变产生的裂变能转化为热能进行发电，核电站运行期间，反应堆既作为发热源发电，也是一个高放射性辐射源。235U裂变过程中产生一系列裂变产物，经过电厂工艺系统运行，裂变产物与物质相互作用产生各种腐蚀产物以及活化产物，为了保证核电厂安全运行，设置各类辐射监测通道监测工艺系统、区域、流出物排放的放射性，监测核电厂屏障有效性并确保流出物排放满足标准以及保证人员及公众辐射安全。事故后高量程辐射监测设备用于监测安全壳内事故工况下的γ剂量率，为运行人员提供事故后辐射剂量信息，以应对核电厂发生LOCA等预期不会发生的事故工况，通过采取适当措施，防止事故进一步发展及恶化。核能作为一种安全、高效、清洁的新型能源，发展日益迅速，辐射监测技术日益革新，本文重点对事故后高量程辐射监测技术进行探索。

一、事故工况下安全壳环境

根据美国国家标准学会分类法，核电厂设计基准工况分为四类：正常运行和运行瞬态；中等频率事件；稀有事故；极限事故。极限事故是预期不会发生的事故，后果可能存在大量发生性物质释放，如一回路冷却剂主管道大破口(LOCA)，当核电厂发生一回路冷却剂主管道大破口等极限事故，大量冷却剂将释放至安全壳，冷却剂迅速汽化，大量热量及水汽充斥整个安全壳，同时伴随大量放射性物质。安全壳内部处于高温、高湿、高辐照、高压的恶劣环境条件下，事故后高量程辐射监测设备在安全壳恶劣环境下应确保辐射监测性能，监测安全壳内事故后放射性水平。

二、事故后高量程辐射监测技术探索

(一)事故后高量程辐射监测技术应用现状。事故后高量程辐射监测设备监测事故工况下安全壳γ剂量率，作为判断事故大小及发展趋势，控制安全壳内辐射水平和防止放射性物质大量向环境释放的一种手段是必要的。国内M310、AP1000机组使用法国MGPI公司生产的GIM206型设备，该设备使用电离室型探测器，将剂量率信息转化为电流信号，监测安全壳剂量率。依据某核电厂现场设备运行实践，GIM206型设备运行期间存在电流故障、测量板故障、闪发报警等缺陷，维修设备时更换故障模块。由于GIM206型设备属于国外核级设备，备件采购周期长，不利于核电厂设备的正常运行及维护。同时，当前国际形势复杂，在技术制裁或去全球化情况下，备件无法正常获取，存在“卡脖子”状况。因此，对事故后高量程辐射监测技术进行探索是有意义的，通过产、学、研实现该设备技术国产化。

(二)事故后高量程辐射监测技术探索路线。探测器作为前端测量部件，必须承受安全壳内高温、高压、高湿度、高辐照等恶劣环境条件，因此无法与常规辐射监测设备一样，将前置放大电路内置于探测器内部。探测器直接传输弱电信号至远端处理单元，信号易受探测器噪声、线缆分布电容等干扰影响，探测器设计时需提高信号信噪比，因此探测器以及测量电缆设计显得尤为重要，是事故后高量程辐射监测设备设计核心。

目前事故后高量程辐射监测设备多采用电离室作为探测器，电离室型探测器结构相对简单，技术发展较为成熟，在事故后工况下，剂量率水平较高，电离室型探测器响应电流高，易于后续处理电路设计。探测器采用不锈钢材质作为探测器保护外壳，可满足在高温、高压、高辐照等恶劣环境下使用。

随着半导体材料技术发展，SiC作为第三代半导体材料，因其禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度大、临界击穿电场高、介电常数低、化学稳定性好等优点具有广泛应用前景[1]。SiC半导体探测器具备优良的耐辐照损伤能力，相较于电离室探测器，SiC半导体探测器对γ具有高响应能力、高能量分辨率，可应用于极端环境下的γ辐射监测。γ射线与探测器灵敏区域作用，产生电子-空穴对，在反向偏压作用下漂移产生电信号。

1.电离室型事故后辐射监测。电离室探测器属于气体探测器，探测器内部充满一定量气体，γ射线通过灵敏体积内的气体，使气体分子电离或激发，产生带电粒子，所产生的带电粒子在外加电场下被全部收集，产生电流信号。电离室工作在饱和区域，使所有电离的带电粒子都被收集至收集极，则

(1)

其中，I0为饱和电流，n为每秒射入电离室内的粒子数，E为入射粒子能量，w为电离室气体平均电离能，e为电子电量。

设一束能量单一的平行γ射线照射电离室，发射面积为S，则

(2)

(3)

其中，k为能量E的γ射线的空气质量能量吸收系数。

γ射线射入电离室时输出电流为：

(4)

其中，W为γ射线在电离室灵敏体积内沉积的能量。

电离室型探测器外壳采用不锈钢材质，使其在恶劣环境条件下保持完好性能，同时，选用绝缘子、支撑部件确保探测器绝缘及密封性。电离室内气体介质影响输出电流，γ射线通过灵敏体积内气体介质，产生电离或激发，带电粒子在漂移的过程中存在被分子俘获的情况，导致输出电流变小，因此需采用俘获概率小的气体作为介质，一般电离室采用N2和Ar按照一定比例混合作为电离室灵敏体积介质。探测器对γ射线响应需满足线性条件，电离室在低能端对γ射线响应偏差较大，采用低原子序数对γ射线的吸收进行补偿，改善电离室线性输出条件，对电离室进行实测后采用软件修正可进一步改善线性条件。电离室输出电流为10-13A量级，电流信号通过几十米长测量电缆传输至远端处理单元，则要求测量电缆具有高抗干扰特性，高绝缘电阻，低分布电容等特性，测量电缆与电离室通过焊接进行连接，需具备优良焊接性能，以降低电离室与测量电缆间噪声。事故后高量程辐射监测电离室型式设计可通过MNCP进行模拟计算，使响应性能达到最优。

2.SiC半导体型事故后辐射监测。SiC作为第三代半导体材料因其优良特性被广泛应用，SiC禁带宽、热稳定性好，探测器漏电流比Si低几个数量级，本征温度达800℃，保证SiC在高温环境下工作的长期可靠性；SiC结构稳定，具有较好的抗辐照能力，抗中子能力比Si探测器高4个量级[2]，研究证明SiC半导体探测器对带电粒子、γ射线、X射线以及中子都有良好的响应，SiC半导体探测器可应用于事故后高量程辐射监测设备研究设计。

SiC半导体探测器工作原理与电离室类似，γ射线通过半导体灵敏区域，电离或激发产生电子-空穴对，电子-空穴对在反向偏压作用下被收集形成电流。半导体探测器相对于电离室探测器，灵敏介质密度大，具有高探测效率、高能量分辨率。通过MNCP模拟计算γ射线在SiC测量单元沉积能量，从而可通过剂量率得出输出电流。SiC半导体探测器可由耐高温、高压，抗辐照的材质作为探测器保护外壳，对SiC半导体测量单元进行封装，与铠装电缆通过优良焊接工艺进行连接。SiC半导体探测器输出弱电流信号，通过长距离测量电缆传输至远端处理单元，要求测量电缆具有高抗干扰特性，高绝缘电阻，低分布电容特性。SiC半导体平均电离能约3eV，具有较高探测效率，其探测器结构可简化及缩小。

三、结语

电离室测量技术发展较为成熟，电离室型事故后辐射监测设备应用较为广泛，相较于半导体探测器，电离室结构相对复杂，设备制造工艺复杂，制造成本较高。SiC半导体探测器介质密度大，平均电离能小，其探测效率高，探测器结构简化。SiC半导体探测器可应用于γ测量领域，SiC半导体探测器作为事故后高量程辐射监测设备探测器，尚未有实际应用。针对两种类型探测器技术进行探索，可作为事故后高量程辐射监测设备技术研发路线，通过国内自主研发，自主制造设备，实现设备国产化，解决核电厂内国外备件采购周期长，不利于现场设备维护的现状。