反应堆中子通量测量用裂变电离室探测装置研制

邱顺利　肖伟　董进诚　葛孟团　翟春荣　汤仲鸣　周宇琳　曾乐　刘海峰　孙光智　程辉　石先武　刘文臻

摘 要： 为建立一套用于反应堆中子通量测量的监测装置，以实现核电站堆外核测量系统测量要求，研制了一种长灵敏区、宽量程、高灵敏度和强γ 抑制能力的裂变电离室探测装置。同时对该裂变电离室探测装置的热中子灵敏度、高压坪特性、甄别特性和γ 感应度等典型核性能指标进行了试验验证。试验结果表明，该裂变电离室综合性能能够满足AP1000 系列核电站堆外核测量系统中间量程测量通道的应用需求。

关键词：中子通量测量;堆外核测系统;裂变电离室;高压坪特性;热中子灵敏度

中图分类号：TL81 文献标识码：A

核电厂一般通过在反应堆压力容器周围布置若干个中子探测器来进行反应堆中子通量监测，进而推算出反应堆的实时功率，此即堆外核测系统。该系统将反应堆功率水平分为3 个区段，即源量程 、中间量程和功率量程，分别采用三种不同的热中子探测器，每两种相邻量程的探测器在测量范围上互为冗余。在三代核电如AP1000 核电站中，裂变电离室用于堆外核测系统中间量程测量通道，用于监测反应堆10-6 %RTP ～ 200%RTP（额定热功率）运行时的中子注量率[1-2] 。裂变电离室具有测量范围宽、测量精度高、可靠性高、使用寿命长、具备事故后监测功能等优点。基于AP1000 系列堆外核测系统中间量程测量通道工程应用需求，研制了一种裂变电离室探测装置，包括位于反应堆压力容器周围测量孔道内的裂变电离室探测器组件、位于安全壳内的四轴有机电缆、位于安全壳外的三轴有机电缆和位于辅助厂房的前置放大器，及其相关电缆连接器，用于反应堆正常运行工况和事故运行工况下的堆芯中子通量监测。

1 裂变电离室探测器设计

通常，裂变电离室包含一个收集极和一个高压极，收集极外壁和高压极内壁都镀有一层铀沉积层，即灵敏层。收集极和高压极为同轴圆柱形设置，在接近大气压的条件下用气体（常为氮氩混合物）填充其间的空间，并在两电极间施加电场。当中子在灵敏层引起裂变时，生成的裂变碎片很可能被弹射到气体中，引起气体电离。电离产生的电子和离子在电场的影响下向两极运动，并在收集极产生感生电荷，形成电流脉冲。裂变电离室结构如图1 所示。

图1 中左侧表示两电极间裂变碎片沿着散射轨道电离气体产生的电子和离子漂移，空心圆和实心圆分别表示电子和离子，箭头显示它们分别漂移到相反的电极。铀层位于两个电极上，通常只有几微米厚，因为即使裂变碎片的能量很大，重离子通过致密铀化合物的范围也小于10 μm。因此，尽管较厚的铀层会吸收更多的中子，但也导致大多数源自该铀层气体侧约8 μm 以上的裂变碎片不会逃逸，因此其产生的影响没有机会被收集下来。最终，铀层厚度、裂变截面和灵敏区表面积都会限制裂变电离室的探测效率。

由于裂变电离室在脉冲模式下具有一个更宽的脉冲频谱分布，导致其灵敏度范围可能较宽，最大灵敏度处于“α 截止电压”Uα ，即α 甄别特性曲线中计数率小于1 时的甄别电压，裂变电离室最大中子计数灵敏度一般为0. 6～0. 8 cm2[1] 。GB / T7164—2022 规定，工作在脉冲模式下的裂变电离室推荐甄别电压为Un = 1. 1Uα ，因此，实际灵敏度比上述值更低。AP1000 系列核电站对堆外核测系统裂变电离室的热中子灵敏度要求更高，需≥1. 0 cm2 ，脉冲幅度需达到0. 1 pC 或者更高，增大了其设计难度。因此考虑从裂变电离室探测器的灵敏涂层厚度、工作气体和灵敏体积等关键因素出发进行裂变电离室结构设计。研究结果表明[3] ，探测器裂变材料的涂层厚度一般以不超过2mg/ cm2 为宜。同时，铀膜的均匀性也是热中子灵敏度关键制约因素，故控制电极镀铀工艺至关重要。基于铀的自发衰变α 粒子谱进行铀膜厚度定量测量[4] 和铀与中子反应生成裂变碎片的量反推铀膜厚度的方法[5] ，搭建了一套灵敏涂层厚度分布测量装置，并对裂变电离室灵敏电极进行了抽样测量[6] ，其结果符合预期。采用在单原子分子气体中填充少量多原子分子气体的P10 混合气体作为裂变电离室工作气体和增大灵敏电极面积的方式进一步增大其热中子灵敏度，如采用多电极结构、加长电极长度、在收集电极外表面和高压电极内表面均涂覆灵敏物质等。

裂变电离室设计时，既要確保电离室对中子有足够高的灵敏度，又要控制电离室的电极结构，使绝大多数裂变碎片能完全沉积在灵敏腔体中，以获得足够高的脉冲输出。为了获得比较准确的理论值，需要对裂变碎片在裂变电离室中的运动径迹进行模拟计算。研究表明，热中子与235 U 反应产生的裂变产物在填充气体中的射程，主要集中在9. 5～10 mm 之间，其中，质量较大的Cs 和Ba在10 mm 附近，此即裂变电离室电极结构的较佳设计。

此外，AP1000 系列核电站堆外核测系统中间量程探测器耐事故环境要求较其他核电站更为苛刻，需经受4 个月设计基准事故后化学/ 水淹浸没。探测器输出弱信号传输距离远，途经多个大型电机、阀门等大功率电气设备，同时距离其它系统的电缆较近，很容易受到干扰，在运核电站类似通道已出现多次闪发报警现象。为加强裂变电离室的抗干扰能力和耐恶劣环境性能，在常规同轴电离室结构外绝缘后增加外层承载结构，并设置减震结构、惰性氛围保护和多层密封防护，形成可靠的、耐受高温高压高湿强辐照环境的三同轴圆柱形全密封结构。综上， 设计了一套长灵敏区（ ～900 mm）、高压极内壁和收集极外壁均涂覆有高浓度裂变材料、外加密封保护承载体结构的裂变电离室，以满足AP1000 电站堆外核测量系统中间量程探测器高灵敏度、宽测量范围、强抗干扰能力、耐受事故环境等要求。

2 裂变电离室探测装置加工制造

裂变电离室探测装置用于堆外核测量系统中间量程探测通道，主要包括裂变电离室探测器组件、电缆接线盒、前置放大器及其相关特殊电缆和连接器。裂变电离室探测器组件包括裂变电离室探测器、慢化体组件、延伸组件、安装支座组件和三同轴铠装电缆。探测器组件安装在反应堆外特定的钢衬孔道内，裂变电离室探测器输出与中子注量率呈正比的计数率或MSV（均方电压） 信号（高中子注量率下，脉冲信号发生堆积重叠，产生直流电流分量，此时信号的相对均方根涨落值与采样时间内裂变反应发生次数的平方根成正比，利用坎贝尔法处理即可测量中子注量率[7] ），经三同轴铠装电缆传输后在电缆接线箱内与高可靠四轴有机电缆连接，再经电气贯穿件输出至安全壳外的前置放大器进行计数率模式或MSV 信号处理，最后传送至核测仪表信号处理机柜的中间量程信号处理组件。裂变电离室探测装置组成结构如图2 所示。

2. 1 探测器组件设计及制造

裂变电离室探测器外依次装配慢化体和金属外壳，构成慢化体组件。慢化体完全覆盖裂变电离室灵敏区，并采用陶瓷绝缘材料将裂变电离室与金属外壳绝缘。工程安装时，慢化体组件由延伸组件和安装组件支撑，安装在探测器竖井内。各组件间采用连接结构件连接，并设置有便于快速对准的导向槽，以便于快速安装、拆卸。裂变电离室探测器组件的制造主要在于裂变电离室探测器的生产，按照相关标准工艺文件完成组装、铀膜镀覆、焊接、充气等关键工序，全程需在质量监督下完成。

2. 2 信号处理设计及制造

裂变电离室探测装置的信号处理部分主要体现在前置放大器的设计。为了实现裂变电离室探测器跨越近9 个量级的宽量程测量功能，前置放大器需工作在两种模式下：计数率模式和均方压（MSV）模式。低中子通量条件下，裂变电离室前置放大器将探测到的低通量中子脉冲信号进行初级放大并进行幅度甄别，滤除因γ 辐射或射频干扰产生的脉冲信号，并将有效中子脉冲进行光电信号转换后，通过光纤传递给核测仪表信号处理机柜;高中子通量条件下，前置放大器将脉冲堆叠转换为电压有效值后输出均方电压信号，该模式可实现反应堆功率0. 1% RTP ～ 200% RTP 的测量[1] 。

裂变电离室前置放大器电路主要由高压滤波、测试脉冲产生、一级放大及调节、二级放大、脉冲调理和MSV 处理电路组成，其原理框图如图3所示。通过脉冲调理电路可以将幅值低于阈值的脉冲过滤掉，并将幅值高于阈值的脉冲转换为光脉冲后通过光纤传递给核测仪表信号处理机柜。其次，当堆功率升高导致脉冲重叠时，通过MSV处理电路将重叠的脉冲信号转换为与反应堆中子通量成正比的直流电平（均方电压） 信号，传送至信号处理机柜后可实现堆功率的转化。此外，该前置放大器還设置了测试脉冲产生电路，由核测仪表信号处理机柜发送一测试使能信号后，可通过该电路产生的测试脉冲检测前置放大器功能的好坏。

前置放大器采用一体化成型的铝合金箱体作为电路板封装盒体，采用全密封结构，便于电路板防潮、防霉隔离，并在盒体内部设置电磁屏蔽金属盒，用于封装前置放大电路板，降低外界干扰。前置放大器设计制造完成后，采用标准脉冲信号发生器输入模拟信号，验证前置放大器输出结果满足设计精度要求后，可与裂变电离室搭配进行核辐射性能试验。

2. 3 传输电缆制造

裂变电离室探测装置信号传输电缆主要包括四同轴有机电缆、三同轴有机电缆及其配套接插件。三同轴电缆主要由中心导体、内外屏蔽层、绝缘层和外层护套等按照同一轴线加工制造而成，四同轴电缆在三同轴电缆基础上增加一导电屏蔽层。电缆制造按照标准生产工艺进行，需格外关注接插件与内外屏蔽层间的接触可靠性。

3 裂变电离室探测装置测试

3. 1 热中子灵敏度试验

热中子灵敏度是裂变电离室探测器的关键指标，本试验在中国计量科学研究院的热中子场参考辐射装置[8] 上进行。该装置外场反射腔内参考中子注量率大于103 cm-2·s-1 ，且具有较高的镉比（1 433 ∶ 1）和较大的均匀区（70 cm×70 cm），均匀性好于1%。对于本次灵敏区长度近900 mm 的裂变电离室而言，封闭式反射腔内不具备试验条件，因此试验时将外场反射腔拉开，将待测裂变电离室置于反射腔与中子源均整透镜之间，并采用SP9 3 He 探测器测试试验位置处的热中子注量率和均匀性，确保该处热中子场能够覆盖裂变电离室探测器灵敏区，保证试验的准确性。

热中子场参考辐射装置如图4 所示，该装置已经过CNAS 认证，认证报告编号：国基证（2002）第103 号。

裂变电离室探测器的热中子灵敏度采用比对法进行测试。将已知热中子灵敏度Sm，u 的标准3 He 计数管置于热中子场中，测量其输出计数率Nm，u ，将待测裂变电离室置于同一位置，测量其输出计数率Nm，s 。则待测裂变电离室探测器的热中子灵敏度可通过式（1） 进行计算，试验结果列于表1。

3. 2 高中子通量试验

裂变电离室可测量的中子注量率可达1010cm-2·s-1 以上，测量范围跨越数个数量级。因此，验证其关键核性能需在具备高中子通量试验条件的反应堆上进行。本次裂变电离室核性能试验在中国原子能科学研究院49-2 游泳池式堆水平热柱孔道上进行，主要包括高压坪特性和甄别阈特性。热柱孔道深度约为3 m，其热中子注量率与孔道深度呈正相关分布。3 200 kW 功率下该热柱孔道内的中子注量率分布如图5 所示。

3. 2. 1 高压坪特性

裂变电离室高压坪特性测试布置如图6 所示。将裂变电离室放置在49-2 堆热柱孔道内，按照现场实际布线方式进行布线，信号经过前置放大器放大成形、处理后，由核测仪表信号处理机柜的信号测量装置读取数据。

将裂变电离室灵敏区中心置于距热柱孔道口约1. 5 m 处，反应堆功率稳定在约65 kW，对应中子注量率约4. 13×106 cm-2·s-1 ，测量裂变电离室计数率模式下的高压坪特性曲线，其试验结果如图7 所示。由图7 可知，裂变电离室计数率模式下的高压坪区范围为500～1 000 V，坪长≥500 V，坪斜为1. 98% / 100VDC（直流电压）。

将裂变电离室置于热柱孔道底部，并继续增大反应堆功率，使裂变电离室进入均方压（MSV）工作模式，直至反应堆满功率下（3 200 kW，对应中子注量率1. 26×1010 cm-2·s-1 ），测试此时的裂变电离室MSV 模式高压坪特性，结果如图8 所示。由其可知，裂变电离室MSV 模式下的高压坪区范围为500～1 000 V，坪长≥500 V，坪斜为1. 92%/ 100VDC。

3. 2. 2 甄别阈特性

在无中子源和加工作高压时，测量裂变电离室计数率N 随甄别阈电压U 变化的曲线，得到裂变电离室的α 甄别曲线。在有中子源和加工作高压时，测量裂变电离室计数率N 随甄别阈电压U变化的曲线，得到裂变电离室的甄别阈曲线，作为裂变电离室特征曲线。裂变电离室甄别阈值曲线如图9 所示，由测量曲线可得，该裂变电离室推荐甄别阈值Un = 1. 1Uα = 210 mV[9] 。

3. 3 γ 感应度试验

γ 感应度在标准事故水平γ 辐射试验装置上进行。试验时，将裂变电离室放置在标准γ 辐射场下，施加工作电压，通过电流源表在探测器信号输出电缆端测量电离室输出的电流Io ，则裂变电离室的γ 感应度Sγ 为：

式中，Sγ 为γ 感应度，A·Gy-1·h;Io 为输出电流，A;X · 为照射量率，Gy·h-1 。

裂变电离室γ 感应度测量结果如图10 所示。经过计算，裂变电离室的γ 感应度为Sγ = 7. 57×10-9 A·Gy-1·h。

3. 4 试验小结

表2 列出了裂变电离室设计性能指标与工程应用指标的对比，可以看出该裂变电离室主要物理性能指标满足设计要求。

4 结论

结合AP1000 系列核电站实际应用情况，搭建了一套适用于反应堆堆外核测量系统的裂变电离室探测装置，进行了裂变电离室探测器详细设计及探测装置加工制造，并结合国内现行试验条件和相关标准规定，对其进行了核性能试验验证。试验结果表明，该裂变电离室探测装置具有高压坪特性优、热中子灵敏度高和抗γ 干扰能力强等特点，主要性能指标均能满足工程应用指标，可应用于AP1000 系列反应堆堆外核测量系统中间量程测量通道，并可推广至其他电站反应堆堆外核测系统或船用核控系统。

参考文献：

[ 1 ] 楊天， 陈科. AP1000 电站堆外核测系统（NIS） 中间量程（IR） 的构成及信号处理特点详析[J]. 仪器仪表用户，2016， 23（2）： 73-77.

[ 2 ] 汤仲鸣， 何文灏， 李树成，等. AP1000 与VVER1000 堆外核测系统设计理念分析[J]. 核电子学与探测技术，2014， 34（5）： 671-674.

[ 3 ] 杨波. 一种高灵敏度裂变室的研制[J]. 核电子学与探测技术， 2012， 32（5）： 587-589.

[ 4 ] 王玫， 温中伟， 林菊芳， 等. 小型平板铀裂变电离室研制[J]. 核电子学与探测技术， 2014， 34（9）： 1128-1131.

[ 5 ] 朱通华， 刘荣， 蒋励， 等. 裂变室镀层质量厚度的相对测量技术[J]. 核技术， 2009， 32（6）： 459-463.

[ 6 ] 孙光智， 任才， 毛从吉， 等. 堆外核测量用裂变电离室铀膜均匀性研究[J]. 核技术， 2019， 42（9）： 090603.

[ 7 ] 黄自平， 钟明光， 熊国华. 基于坎贝尔定理的中子监测技术的研究[J]. 核电子学与探测技术， 2013， 33（9）： 1054-1056.

[ 8 ] 杨竣凯， 王平全， 张辉，等. 热中子参考辐射装置参数的实验测量[J]. 核技术， 2021， 44（11）：62-68.

[ 9 ] 北京核仪器厂. 用于核反应堆的辐射探测器特性及其测试方法：GB/ T 7164—2004 [S]. 北京： 中国标准出版社， 2004.