反應堆中子通量測量用裂變電離室探測裝置研制

邱順利　肖偉　董進誠　葛孟團　翟春榮　湯仲鳴　周宇琳　曾樂　劉海峰　孫光智　程輝　石先武　劉文臻

摘 要： 為建立一套用于反應堆中子通量測量的監測裝置，以實現核電站堆外核測量系統測量要求，研制了一種長靈敏區、寬量程、高靈敏度和強γ 抑制能力的裂變電離室探測裝置。同時對該裂變電離室探測裝置的熱中子靈敏度、高壓坪特性、甄別特性和γ 感應度等典型核性能指標進行了試驗驗證。試驗結果表明，該裂變電離室綜合性能能夠滿足AP1000 系列核電站堆外核測量系統中間量程測量通道的應用需求。

關鍵詞：中子通量測量;堆外核測系統;裂變電離室;高壓坪特性;熱中子靈敏度

中圖分類號：TL81 文獻標識碼：A

核電廠一般通過在反應堆壓力容器周圍布置若干個中子探測器來進行反應堆中子通量監測，進而推算出反應堆的實時功率，此即堆外核測系統。該系統將反應堆功率水平分為3 個區段，即源量程 、中間量程和功率量程，分別采用三種不同的熱中子探測器，每兩種相鄰量程的探測器在測量范圍上互為冗余。在三代核電如AP1000 核電站中，裂變電離室用于堆外核測系統中間量程測量通道，用于監測反應堆10-6 %RTP ～ 200%RTP（額定熱功率）運行時的中子注量率[1-2] 。裂變電離室具有測量范圍寬、測量精度高、可靠性高、使用壽命長、具備事故后監測功能等優點?；贏P1000 系列堆外核測系統中間量程測量通道工程應用需求，研制了一種裂變電離室探測裝置，包括位于反應堆壓力容器周圍測量孔道內的裂變電離室探測器組件、位于安全殼內的四軸有機電纜、位于安全殼外的三軸有機電纜和位于輔助廠房的前置放大器，及其相關電纜連接器，用于反應堆正常運行工況和事故運行工況下的堆芯中子通量監測。

1 裂變電離室探測器設計

通常，裂變電離室包含一個收集極和一個高壓極，收集極外壁和高壓極內壁都鍍有一層鈾沉積層，即靈敏層。收集極和高壓極為同軸圓柱形設置，在接近大氣壓的條件下用氣體（常為氮氬混合物）填充其間的空間，并在兩電極間施加電場。當中子在靈敏層引起裂變時，生成的裂變碎片很可能被彈射到氣體中，引起氣體電離。電離產生的電子和離子在電場的影響下向兩極運動，并在收集極產生感生電荷，形成電流脈沖。裂變電離室結構如圖1 所示。

圖1 中左側表示兩電極間裂變碎片沿著散射軌道電離氣體產生的電子和離子漂移，空心圓和實心圓分別表示電子和離子，箭頭顯示它們分別漂移到相反的電極。鈾層位于兩個電極上，通常只有幾微米厚，因為即使裂變碎片的能量很大，重離子通過致密鈾化合物的范圍也小于10 μm。因此，盡管較厚的鈾層會吸收更多的中子，但也導致大多數源自該鈾層氣體側約8 μm 以上的裂變碎片不會逃逸，因此其產生的影響沒有機會被收集下來。最終，鈾層厚度、裂變截面和靈敏區表面積都會限制裂變電離室的探測效率。

由于裂變電離室在脈沖模式下具有一個更寬的脈沖頻譜分布，導致其靈敏度范圍可能較寬，最大靈敏度處于“α 截止電壓”Uα ，即α 甄別特性曲線中計數率小于1 時的甄別電壓，裂變電離室最大中子計數靈敏度一般為0. 6～0. 8 cm2[1] 。GB / T7164—2022 規定，工作在脈沖模式下的裂變電離室推薦甄別電壓為Un = 1. 1Uα ，因此，實際靈敏度比上述值更低。AP1000 系列核電站對堆外核測系統裂變電離室的熱中子靈敏度要求更高，需≥1. 0 cm2 ，脈沖幅度需達到0. 1 pC 或者更高，增大了其設計難度。因此考慮從裂變電離室探測器的靈敏涂層厚度、工作氣體和靈敏體積等關鍵因素出發進行裂變電離室結構設計。研究結果表明[3] ，探測器裂變材料的涂層厚度一般以不超過2mg/ cm2 為宜。同時，鈾膜的均勻性也是熱中子靈敏度關鍵制約因素，故控制電極鍍鈾工藝至關重要?；阝櫟淖园l衰變α 粒子譜進行鈾膜厚度定量測量[4] 和鈾與中子反應生成裂變碎片的量反推鈾膜厚度的方法[5] ，搭建了一套靈敏涂層厚度分布測量裝置，并對裂變電離室靈敏電極進行了抽樣測量[6] ，其結果符合預期。采用在單原子分子氣體中填充少量多原子分子氣體的P10 混合氣體作為裂變電離室工作氣體和增大靈敏電極面積的方式進一步增大其熱中子靈敏度，如采用多電極結構、加長電極長度、在收集電極外表面和高壓電極內表面均涂覆靈敏物質等。

裂變電離室設計時，既要確保電離室對中子有足夠高的靈敏度，又要控制電離室的電極結構，使絕大多數裂變碎片能完全沉積在靈敏腔體中，以獲得足夠高的脈沖輸出。為了獲得比較準確的理論值，需要對裂變碎片在裂變電離室中的運動徑跡進行模擬計算。研究表明，熱中子與235 U 反應產生的裂變產物在填充氣體中的射程，主要集中在9. 5～10 mm 之間，其中，質量較大的Cs 和Ba在10 mm 附近，此即裂變電離室電極結構的較佳設計。

此外，AP1000 系列核電站堆外核測系統中間量程探測器耐事故環境要求較其他核電站更為苛刻，需經受4 個月設計基準事故后化學/ 水淹浸沒。探測器輸出弱信號傳輸距離遠，途經多個大型電機、閥門等大功率電氣設備，同時距離其它系統的電纜較近，很容易受到干擾，在運核電站類似通道已出現多次閃發報警現象。為加強裂變電離室的抗干擾能力和耐惡劣環境性能，在常規同軸電離室結構外絕緣后增加外層承載結構，并設置減震結構、惰性氛圍保護和多層密封防護，形成可靠的、耐受高溫高壓高濕強輻照環境的三同軸圓柱形全密封結構。綜上， 設計了一套長靈敏區（ ～900 mm）、高壓極內壁和收集極外壁均涂覆有高濃度裂變材料、外加密封保護承載體結構的裂變電離室，以滿足AP1000 電站堆外核測量系統中間量程探測器高靈敏度、寬測量范圍、強抗干擾能力、耐受事故環境等要求。

2 裂變電離室探測裝置加工制造

裂變電離室探測裝置用于堆外核測量系統中間量程探測通道，主要包括裂變電離室探測器組件、電纜接線盒、前置放大器及其相關特殊電纜和連接器。裂變電離室探測器組件包括裂變電離室探測器、慢化體組件、延伸組件、安裝支座組件和三同軸鎧裝電纜。探測器組件安裝在反應堆外特定的鋼襯孔道內，裂變電離室探測器輸出與中子注量率呈正比的計數率或MSV（均方電壓） 信號（高中子注量率下，脈沖信號發生堆積重疊，產生直流電流分量，此時信號的相對均方根漲落值與采樣時間內裂變反應發生次數的平方根成正比，利用坎貝爾法處理即可測量中子注量率[7] ），經三同軸鎧裝電纜傳輸后在電纜接線箱內與高可靠四軸有機電纜連接，再經電氣貫穿件輸出至安全殼外的前置放大器進行計數率模式或MSV 信號處理，最后傳送至核測儀表信號處理機柜的中間量程信號處理組件。裂變電離室探測裝置組成結構如圖2 所示。

2. 1 探測器組件設計及制造

裂變電離室探測器外依次裝配慢化體和金屬外殼，構成慢化體組件。慢化體完全覆蓋裂變電離室靈敏區，并采用陶瓷絕緣材料將裂變電離室與金屬外殼絕緣。工程安裝時，慢化體組件由延伸組件和安裝組件支撐，安裝在探測器豎井內。各組件間采用連接結構件連接，并設置有便于快速對準的導向槽，以便于快速安裝、拆卸。裂變電離室探測器組件的制造主要在于裂變電離室探測器的生產，按照相關標準工藝文件完成組裝、鈾膜鍍覆、焊接、充氣等關鍵工序，全程需在質量監督下完成。

2. 2 信號處理設計及制造

裂變電離室探測裝置的信號處理部分主要體現在前置放大器的設計。為了實現裂變電離室探測器跨越近9 個量級的寬量程測量功能，前置放大器需工作在兩種模式下：計數率模式和均方壓（MSV）模式。低中子通量條件下，裂變電離室前置放大器將探測到的低通量中子脈沖信號進行初級放大并進行幅度甄別，濾除因γ 輻射或射頻干擾產生的脈沖信號，并將有效中子脈沖進行光電信號轉換后，通過光纖傳遞給核測儀表信號處理機柜;高中子通量條件下，前置放大器將脈沖堆疊轉換為電壓有效值后輸出均方電壓信號，該模式可實現反應堆功率0. 1% RTP ～ 200% RTP 的測量[1] 。

裂變電離室前置放大器電路主要由高壓濾波、測試脈沖產生、一級放大及調節、二級放大、脈沖調理和MSV 處理電路組成，其原理框圖如圖3所示。通過脈沖調理電路可以將幅值低于閾值的脈沖過濾掉，并將幅值高于閾值的脈沖轉換為光脈沖后通過光纖傳遞給核測儀表信號處理機柜。其次，當堆功率升高導致脈沖重疊時，通過MSV處理電路將重疊的脈沖信號轉換為與反應堆中子通量成正比的直流電平（均方電壓） 信號，傳送至信號處理機柜后可實現堆功率的轉化。此外，該前置放大器還設置了測試脈沖產生電路，由核測儀表信號處理機柜發送一測試使能信號后，可通過該電路產生的測試脈沖檢測前置放大器功能的好壞。

前置放大器采用一體化成型的鋁合金箱體作為電路板封裝盒體，采用全密封結構，便于電路板防潮、防霉隔離，并在盒體內部設置電磁屏蔽金屬盒，用于封裝前置放大電路板，降低外界干擾。前置放大器設計制造完成后，采用標準脈沖信號發生器輸入模擬信號，驗證前置放大器輸出結果滿足設計精度要求后，可與裂變電離室搭配進行核輻射性能試驗。

2. 3 傳輸電纜制造

裂變電離室探測裝置信號傳輸電纜主要包括四同軸有機電纜、三同軸有機電纜及其配套接插件。三同軸電纜主要由中心導體、內外屏蔽層、絕緣層和外層護套等按照同一軸線加工制造而成，四同軸電纜在三同軸電纜基礎上增加一導電屏蔽層。電纜制造按照標準生產工藝進行，需格外關注接插件與內外屏蔽層間的接觸可靠性。

3 裂變電離室探測裝置測試

3. 1 熱中子靈敏度試驗

熱中子靈敏度是裂變電離室探測器的關鍵指標，本試驗在中國計量科學研究院的熱中子場參考輻射裝置[8] 上進行。該裝置外場反射腔內參考中子注量率大于103 cm-2·s-1 ，且具有較高的鎘比（1 433 ∶ 1）和較大的均勻區（70 cm×70 cm），均勻性好于1%。對于本次靈敏區長度近900 mm 的裂變電離室而言，封閉式反射腔內不具備試驗條件，因此試驗時將外場反射腔拉開，將待測裂變電離室置于反射腔與中子源均整透鏡之間，并采用SP9 3 He 探測器測試試驗位置處的熱中子注量率和均勻性，確保該處熱中子場能夠覆蓋裂變電離室探測器靈敏區，保證試驗的準確性。

熱中子場參考輻射裝置如圖4 所示，該裝置已經過CNAS 認證，認證報告編號：國基證（2002）第103 號。

裂變電離室探測器的熱中子靈敏度采用比對法進行測試。將已知熱中子靈敏度Sm，u 的標準3 He 計數管置于熱中子場中，測量其輸出計數率Nm，u ，將待測裂變電離室置于同一位置，測量其輸出計數率Nm，s 。則待測裂變電離室探測器的熱中子靈敏度可通過式（1） 進行計算，試驗結果列于表1。

3. 2 高中子通量試驗

裂變電離室可測量的中子注量率可達1010cm-2·s-1 以上，測量范圍跨越數個數量級。因此，驗證其關鍵核性能需在具備高中子通量試驗條件的反應堆上進行。本次裂變電離室核性能試驗在中國原子能科學研究院49-2 游泳池式堆水平熱柱孔道上進行，主要包括高壓坪特性和甄別閾特性。熱柱孔道深度約為3 m，其熱中子注量率與孔道深度呈正相關分布。3 200 kW 功率下該熱柱孔道內的中子注量率分布如圖5 所示。

3. 2. 1 高壓坪特性

裂變電離室高壓坪特性測試布置如圖6 所示。將裂變電離室放置在49-2 堆熱柱孔道內，按照現場實際布線方式進行布線，信號經過前置放大器放大成形、處理后，由核測儀表信號處理機柜的信號測量裝置讀取數據。

將裂變電離室靈敏區中心置于距熱柱孔道口約1. 5 m 處，反應堆功率穩定在約65 kW，對應中子注量率約4. 13×106 cm-2·s-1 ，測量裂變電離室計數率模式下的高壓坪特性曲線，其試驗結果如圖7 所示。由圖7 可知，裂變電離室計數率模式下的高壓坪區范圍為500～1 000 V，坪長≥500 V，坪斜為1. 98% / 100VDC（直流電壓）。

將裂變電離室置于熱柱孔道底部，并繼續增大反應堆功率，使裂變電離室進入均方壓（MSV）工作模式，直至反應堆滿功率下（3 200 kW，對應中子注量率1. 26×1010 cm-2·s-1 ），測試此時的裂變電離室MSV 模式高壓坪特性，結果如圖8 所示。由其可知，裂變電離室MSV 模式下的高壓坪區范圍為500～1 000 V，坪長≥500 V，坪斜為1. 92%/ 100VDC。

3. 2. 2 甄別閾特性

在無中子源和加工作高壓時，測量裂變電離室計數率N 隨甄別閾電壓U 變化的曲線，得到裂變電離室的α 甄別曲線。在有中子源和加工作高壓時，測量裂變電離室計數率N 隨甄別閾電壓U變化的曲線，得到裂變電離室的甄別閾曲線，作為裂變電離室特征曲線。裂變電離室甄別閾值曲線如圖9 所示，由測量曲線可得，該裂變電離室推薦甄別閾值Un = 1. 1Uα = 210 mV[9] 。

3. 3 γ 感應度試驗

γ 感應度在標準事故水平γ 輻射試驗裝置上進行。試驗時，將裂變電離室放置在標準γ 輻射場下，施加工作電壓，通過電流源表在探測器信號輸出電纜端測量電離室輸出的電流Io ，則裂變電離室的γ 感應度Sγ 為：

式中，Sγ 為γ 感應度，A·Gy-1·h;Io 為輸出電流，A;X · 為照射量率，Gy·h-1 。

裂變電離室γ 感應度測量結果如圖10 所示。經過計算，裂變電離室的γ 感應度為Sγ = 7. 57×10-9 A·Gy-1·h。

3. 4 試驗小結

表2 列出了裂變電離室設計性能指標與工程應用指標的對比，可以看出該裂變電離室主要物理性能指標滿足設計要求。

4 結論

結合AP1000 系列核電站實際應用情況，搭建了一套適用于反應堆堆外核測量系統的裂變電離室探測裝置，進行了裂變電離室探測器詳細設計及探測裝置加工制造，并結合國內現行試驗條件和相關標準規定，對其進行了核性能試驗驗證。試驗結果表明，該裂變電離室探測裝置具有高壓坪特性優、熱中子靈敏度高和抗γ 干擾能力強等特點，主要性能指標均能滿足工程應用指標，可應用于AP1000 系列反應堆堆外核測量系統中間量程測量通道，并可推廣至其他電站反應堆堆外核測系統或船用核控系統。

參考文獻：

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