核測(cè)量用裂變電離室寬量程中子注量率測(cè)量性能驗(yàn)證

摘 要：分析了堆外核測(cè)量系統(tǒng)中間量程裂變電離室工作原理及寬量程測(cè)量的多種工作模式，根據(jù)其多工作模式特點(diǎn)研究寬量程中子注量率測(cè)量技術(shù)，探討了上堆試驗(yàn)方法。對(duì)裂變室脈沖模式和均方壓模式情況在反應(yīng)堆進(jìn)行性能驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，該探測(cè)器具有超寬的量程范圍，探測(cè)器輸出與中子注量率在脈沖計(jì)數(shù)模式線(xiàn)性度最大值為1. 16%，均方壓工作模式線(xiàn)性度最大值為2. 06%，中子通量測(cè)量上限可達(dá)到1010 cm-2 ·s-1 量級(jí)，符合AP系列堆外核測(cè)量系統(tǒng)中間量程通道的寬量程使用要求，可廣泛應(yīng)用于核電及船用堆外核測(cè)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：堆外核測(cè)量;中間量程;裂變電離室;超寬量程;堆上試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TL81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在三代核電如AP1000 壓水堆核電站中，堆外核測(cè)系統(tǒng)中間量程測(cè)量通道采用裂變電離室探測(cè)器，用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆10-6 %RTP ～ 200%RTP（額定熱功率）運(yùn)行時(shí)的中子注量率[1] 。國(guó)外從事堆外核測(cè)系統(tǒng)裂變電離室探測(cè)器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的公司主要有法國(guó)Framatome 公司和美國(guó)Thermo FisherScientific 公司[2] 。國(guó)內(nèi)相關(guān)單位對(duì)裂變電離室也開(kāi)展了一系列的國(guó)產(chǎn)化研制工作，并取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。然而，在AP 系列堆外核測(cè)系統(tǒng)中間量程通道工程實(shí)際應(yīng)用中，裂變電離室能否實(shí)現(xiàn)寬量程測(cè)量還有待進(jìn)一步性能驗(yàn)證。

本課題組研制了一種寬量程裂變電離室探測(cè)器，前期對(duì)裂變電離室的詳細(xì)設(shè)計(jì)、加工制造及高壓坪特性、甄別特性、γ 感應(yīng)度等相關(guān)核性能測(cè)試做出了詳細(xì)論述，主要性能指標(biāo)均能滿(mǎn)足工程應(yīng)用指標(biāo)，但未對(duì)其實(shí)現(xiàn)寬量程測(cè)量的工作模式、測(cè)試方法及試驗(yàn)結(jié)果做出詳細(xì)探索[3] 。寬量程裂變電離室探測(cè)器測(cè)量的中子注量率需跨越8 ～ 10 個(gè)量級(jí)，且與反應(yīng)堆功率呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，但在非商用反應(yīng)堆上難得到裂變電離室反映中子通量水平的實(shí)際信號(hào)[4] ，因此需要在有限的試驗(yàn)堆條件下對(duì)其堆上試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。基于此，本工作在前期研究的基礎(chǔ)上對(duì)其不同工作模式及中子注量率測(cè)量方法進(jìn)行研究，并通過(guò)中子通量堆上試驗(yàn)測(cè)試，檢驗(yàn)研制的裂變電離室探測(cè)器性能及試驗(yàn)方法的可行性，可為該類(lèi)型探測(cè)器在反應(yīng)堆核測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用提供更加充分的技術(shù)保障。

1 探測(cè)器原理及工作模式

1. 1 探測(cè)器設(shè)計(jì)

裂變電離室采用核反應(yīng)法進(jìn)行中子探測(cè)，探測(cè)器設(shè)計(jì)為同心圓柱形同軸結(jié)構(gòu)，其高壓極內(nèi)壁和收集極外壁鍍有易裂變材料（豐度大于90%的高濃縮235 U）作為中子靈敏物質(zhì)，并充以可電離的工作氣體。如圖1 所示，從中心向外依次為收集極、工作氣體、高壓極和外殼，當(dāng)熱中子穿過(guò)鈾膜時(shí)，被235 U 俘獲而發(fā)生裂變反應(yīng)，中子與235 U 反應(yīng)釋放出約200 MeV 的能量，生成高能量裂變碎片，裂變碎片進(jìn)入電離室工作氣體中，引發(fā)工作氣體電離產(chǎn)生正負(fù)電荷對(duì)。帶電粒子在高壓極所加高壓形成的電場(chǎng)中向兩電極漂移，從而在信號(hào)輸出回路中感應(yīng)出電信號(hào)。為了盡可能減小熱中子對(duì)探測(cè)器的活化，裂變電離室收集極、高壓極、連接桿均采用鋁，外殼采用純鈦。