1.引言

反应堆无外加中子源启动（无源启动）是一项先进的反应堆运行技术，指在反应堆从次临界状态首次达到临界或再次启动时，不依赖于外部插入的启动中子源（如Cf-252、Sb-Be等），而是完全利用堆芯燃料及结构材料中固有的中子源（Inherent Neutron Source）来建立并维持可控的链式裂变反应。

在现代核反应堆设计与运行中，无源启动技术具有至关重要的意义。它通过省去复杂的中子源系统，不仅简化了反应堆设计、降低了建造成本与维护开销，还从根本上消除了与外部放射源相关的制造、运输、储存、操作及废料处理等环节的安全风险和放射性问题。因此，该技术被视为提升核电站固有安全性、运行灵活性和经济性的关键发展方向之一，尤其与第四代反应堆及小型模块化反应堆（SMR）的设计理念高度契合。

2.技术特点

物理原理

无源启动的物理基础是利用堆芯内持续存在的、强度较低但稳定的固有中子。这些中子主要来源于两个物理过程：

1.自发裂变 (Spontaneous Fission)：核燃料中的某些重核同位素，如铀-238（U-238）和钚-240（Pu-240），会自发地发生裂变，释放出中子。这是新燃料或低燃耗燃料堆芯中固有中子的主要来源。

2.(α,n) 反应：燃料（如UO₂）或其他材料中的锕系元素（如钚、镅、锔）在α衰变过程中会释放出α粒子。这些α粒子与燃料或结构材料中的轻元素原子核（如氧-18、铍-9等）相互作用，从而产生中子。随着乏燃料燃耗的增加，(α,n)反应的贡献会愈发显著。

这些固有中子源的共同特点是中子产额连续稳定但强度极低且不可调节，这对反应堆的启动监测和控制提出了极高的技术要求。

关键技术：高灵敏度宽量程中子监测系统

实现安全可靠的无源启动，其技术核心在于必须拥有一套高灵敏度、宽量程的堆外核测仪表系统。

•监测挑战：反应堆从中子源水平启动到满功率运行，中子通量密度的变化跨度巨大，可达约11个数量级。在无源启动的初始阶段，中子信号极其微弱，监测系统必须能够从强γ辐射本底中精确地甄别出有效的中子计数。

•安全要求：为确保启动过程始终处于受控状态，美国核管会（NRC）等监管机构规定，源量程中子探测器的计数率不得低于0.5 cps (counts per second)。

•核心设备：为满足此要求，无源启动严重依赖以下高灵敏度中子探测器：

￮³He (氦-3) 正比计数管：灵敏度极高，是实现无源启动的理想选择，但其价格昂贵，密封技术难度大，且³He气体资源稀缺。

￮BF₃ (三氟化硼) 正比计数管：灵敏度较高，技术成熟，是目前广泛应用的探测器类型。

￮裂变电离室：覆盖量程宽，可同时用于源量程和中间量程的测量，是未来发展的潜在方向。

•系统设计：核测系统通常需配置多个探测通道（如源量程、中间量程、功率量程），有时甚至增设灵敏度更高的“物理启动量程”通道，以实现从极低次临界到满功率的全范围无盲区监测。

优缺点分析

与传统的带源启动相比，无源启动技术的优缺点十分鲜明。

特性

优势（Pros）

挑战与缺点（Cons）

安全性

根本上消除外部放射源风险：避免了中子源的采购、运输、在役管理和废料处置等环节的放射性安全隐患和安保问题。

对监测系统可靠性要求极高：系统故障可能导致启动过程失控，对探测器和信号处理的可靠性、抗干扰能力要求苛刻。

设计与操作

简化系统设计与操作流程：无需中子源驱动与冷却等辅助系统，简化了堆内构件和操作人员的工作。

增加核测系统复杂度：为实现高灵敏度、宽量程监测，核测仪表系统的设计、布置和维护变得更加复杂。

经济性

显著降低全生命周期成本：节省了昂贵的外部中子源（如Cf-252）采购费用，以及相关的屏蔽、维护和放射性废物管理成本。

初期投资可能增加：高灵敏度探测器（特别是³He管）和先进的信号处理系统成本高昂。

运行灵活性

不受中子源衰变限制：避免了因外部中子源（如Sb-124）半衰期衰减而导致的启动困难或检修窗口受限等问题，提升了电厂运行的灵活性。

启动时间可能延长：由于初始中子水平较低，达到临界所需的时间可能比带源启动更长。

堆芯设计

可促进更优化的燃料管理方案。

依赖特定的堆芯设计：可能需要采用高泄漏的燃料装填方案或对燃料组分进行优化，以保证有足够的固有中子源强。

3.发展历史

无源启动技术的发展并非一蹴而就，而是随着中子物理、探测技术和反应堆设计的进步而逐步演进的。

1.概念与早期探索：早期反应堆设计已认识到固有中子源的存在。在中国，秦山核电厂在换料大修期间曾因次级中子源强度不足而尝试无源启动，这些早期实践为该技术的应用积累了宝贵经验。

2.工程化成熟应用：俄罗斯设计的VVER-1000型压水堆是无源启动技术成功应用的典范。其通过采用高泄漏燃料装填方案来增强堆芯与堆外探测器的中子耦合，配合高灵敏度的核测系统，在设计上即实现了无外加中子源启动。中国的田湾核电站1、3号机组即是该技术的成功实践者。

3.第三代核电的应用与推广：

￮AP1000/CAP1000：作为第三代压水堆的代表，其设计具备了实施无源或低源启动的潜力。通过采用先进的数字化仪控系统和优化的探测器布置，理论上可以满足无源启动的监测要求，但仍需更多实际运行数据来充分验证。

￮其他堆型：加拿大的CANDU重水堆由于其中子经济性好，也被认为是无源启动的良好候选堆型。

CAP1000堆外中子探测器平面布置示意图

4.应用前景与挑战

未来应用

无源启动技术与先进核能系统的发展方向高度一致，其应用前景广阔。

•小型模块化反应堆 (SMR)：SMR追求设计简化、固有安全、经济高效和灵活部署（如偏远地区、移动平台）。无源启动技术完美契合这些目标，可大幅简化SMR的设计和现场操作，是实现其“即插即用”理念的关键技术之一。如美国NuScale、西屋eVinci®等SMR设计均强调固有安全特性，为无源启动的应用奠定了基础。

•第四代反应堆 (Gen IV)：如快中子反应堆、熔盐堆等，其燃料循环和中子能谱与传统压水堆不同，固有中子源特性也随之改变。无源启动不仅是可选项，甚至可能成为某些先进堆型设计的必然选择，以匹配其更高的安全标准和创新的运行模式。

面临挑战

推广无源启动技术仍需克服多方面的挑战：

•技术挑战：

￮探测器技术：开发成本更低、性能更优、供应稳定的高灵敏度中子探测器（如³He替代技术）是当前面临的首要难题。

￮系统集成与验证：需要对燃料、堆芯、屏蔽和核测系统进行一体化迭代设计与优化，并通过充分的实验数据和模拟计算进行验证。

•法规与安全审评：

￮标准缺失：现有的核安全法规和标准大多基于传统带源启动模式，缺乏针对无源启动的明确导则和审评标准。

￮安全论证：需要向监管机构提供更详尽、更可信的安全分析，证明在各种工况下（包括事故瞬态）无源启动的可靠性。

•经济性：必须进行全面的技术经济性评估，确保采用先进核测系统带来的初期投资增长，能够被全生命周期的成本节约所弥补。

5.结论

反应堆无外加中子源启动是一项具有变革潜力的先进技术，其核心价值在于通过利用固有物理规律，从根本上提升了核电站的安全性、简化了系统设计、降低了运营成本。

该技术已在VVER等堆型上得到成功验证，并在AP1000、SMR等新一代反应堆设计中展现出巨大的应用潜力。未来，随着高灵敏度中子探测技术、先进堆芯设计以及相应法规标准的不断完善，无源启动技术必将成为先进核能系统的主流配置，为全球清洁能源转型提供更安全、更经济、更灵活的核能解决方案。

附录：

我国相关的核安全导则和标准中，对核电厂反应堆堆芯装料及启动阶段的监督要求有如下内容的描述：

(1)《核动力厂运行限制和条件及运行规程》 ( HAD103/01-2004 )附录 I.1.4 反应堆堆芯中子注量率监测：为了在反应堆各种功率水平下(包括启动和停堆工况 ) 充分地监测中子注量率， 应规定仪表监测要求。这些要求可包括为提供必要的最低注量率水平而使用的中子源和中子探测器的灵敏度。

(2)《核电厂堆芯的安全设计》 (HAD102/07-1989) 第 3.5 节堆芯监测系统：在反应堆启动时， 特别是首次启动时， 中子注量率远远低于满功率运行时的注量率，所以需要更为灵敏的、临时的中子探测器来测量中子注量率。 为使中子注量率水平提高到启动中子注量率监测器的量程之内， 可能需要使用中子源。

(3)《核电厂堆芯和燃料管理》(HAD103/03- 1989)第 2.2.3 节堆芯监测：在反应堆启动、功率运行、停堆、试验和装料过程中，必须监测包括中子注量率和中子注量率的变化率在内的堆芯参数。

(4)《三十万千瓦压水堆核电厂反应堆物理启动试验》(EJ446-89)规定：在装料完成以及临界启动前， 堆外中子计数装置上的中子计数率应在满足信噪比大于2的条件下不低于 0.5 S^-1 ，否则必须采取措施 (例如更换高效计数管) 来满足要求。

导则与标准中对于中子源组件的描述是为了在达到法规要求下对堆芯进行有效监测。在堆芯没有中子源组件的情况下，需要采取相应的补偿措施，使反应堆处于有效的监督与控制之下。

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