一种圆柱型裂变电离室的核性能研究.pdf
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1、第 卷 第期 年月同位素J o u r n a l o f I s o t o p e sV o l N o A u g 一种圆柱型裂变电离室的核性能研究邱顺利,葛孟团,肖伟,董进诚,周宇琳,孙光智,曾乐,刘海峰,裴煜,程辉(武汉第二船舶设计研究所,武汉 )摘要:为克服裂变电离室技术性能指标满足工程应用需求的困难,探究实际应用中长灵敏区裂变电离室研制的可行性,实现三代核电堆外核测量系统中间量程探测器的国产化应用,研制了一种可用于核电站堆外核测量系统的圆柱型裂变电离室.并基于热中子注量基准装置、标准辐射装置和反应堆辐照孔道等试验平台,测试了该裂变电离室的甄别特性、热中子灵敏度、每个脉冲电荷量、平
2、均电子收集时间、高压坪特性、重复性和感应度等主要核性能指标,以及探测器性能随温度变化的关系.测试结果表明,该裂变电离室热中子灵敏度可达 s/n v,每个脉冲电荷量为 C,平均电子收集时间约为 n s,高压坪特性坪长 V、坪斜/V,感应度 AG yh,重复性最大为 ,各项指标均优于设计要求.该裂变电离室的研制成功为后续长灵敏区裂变电离室的研制奠定了基础.关键词:堆外核测量系统;裂变电离室;热中子灵敏度;高压坪特性;重复性中图分类号:T L 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:;修回日期:d o i:/t w s N u c l e a rP e r f o r m a n c eo faC y
3、 l i n d r i c a lF i s s i o nI o n i z a t i o nC h a m b e rQ I US h u n l i,G E M e n g t u a n,X I AO W e i,D ONGJ i n c h e n g,Z HOUY u l i n,S UNG u a n g z h i,Z E NGL e,L I U H a i f e n g,P E IY u,CHE NG H u i(W u h a nS e c o n d a r yI n s t i t u t eo fS h i p s,W u h a n ,C h i n a)A
4、b s t r a c t:I no r d e rt oo v e r c o m et h ed i f f i c u l t i e so fm e e t i n gt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so f t h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so ft h ef i s s i o ni o n i z a t i o nc h a m b e r,t oe x p l o r e t h e
5、 f e a s i b i l i t yo f t h ed e v e l o p m e n to f t h e l o n g s e n s i t i v ez o n e f i s s i o ni o n i z a t i o nc h a m b e r i na c t u a l a p p l i c a t i o n,a n d t o r e a l i z e t h ed o m e s t i c a p p l i c a t i o no f t h e i n t e r m e d i a t er a n g ed e t e c t o
6、r f o r t h ee x c o r en u c l e a r i n s t r u m e n t a t i o ns y s t e m(N I S)i nt h e t h i r d g e n e r a t i o nn u c l e a rp o w e rp l a n t,ac y l i n d r i c a l f i s s i o ni o n i z a t i o nc h a m b e r f o r t h en u c l e a rp o w e rp l a n te x t e r n a ln u c l e a rm e a
7、s u r e m e n ts y s t e m w a sd e v e l o p e d B a s e do nt h et h e r m a ln e u t r o n f l u e n c e s t a n d a r dd e v i c e,s t a n d a r dr a d i a t i o nd e v i c e a n dr e a c t o r i r r a d i a t i o nh o l e t e s tp l a t f o r m,t h ei d e n t i f i c a t i o nc h a r a c t e r
8、i s t i c s,t h e r m a ln e u t r o ns e n s i t i v i t y,c h a r g ep e rp u l s e,a v e r a g ee l e c t r o nc o l l e c t i o nt i m e,h i g hv o l t a g ep l a t e a uc h a r a c t e r i s t i c s,r e p e a t a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t yo ft h ef i s s i o ni o n i z a t i o nc h a
9、 m b e rw e r et e s t e d,a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e t e c t o rp e r f o r m a n c ea n dt e m p e r a t u r ew a st e s t e d T h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h e t h e r m a l n e u t r o ns e n s i t i v i t yo f t h e f i s s i o n i o n i z a t i o nc h a
10、m b e r c a n r e a c h s/n v,t h ec h a r g ep e r p u l s e i s C,t h e a v e r a g e e l e c t r o nc o l l e c t i o n t i m e i s n s,t h eh i g hv o l t a g ep l a t f o r mc h a r a c t e r i s t i c sp l a t f o r ml e n g t h V,p l a t f o r ms l o p e /V,s e n s i t i v i t y AG yh,r e p e
11、 a t a b i l i t ym a x i m u mv a l u e ,a l l i n d i c a t o r sa r eb e t t e r t h a nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s T h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to f t h ef i s s i o ni o n i z a t i o nc h a m b e r l a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rt h es u b s e q u e n td e
12、v e l o p m e n to f t h el o n g s e n s i t i v ez o n e f i s s i o n i o n i z a t i o nc h a m b e r K e yw o r d s:n u c l e a ri n s t r u m e n ts y s t e m;f i s s i o nc h a m b e r;t h e r m a ln e u t r a ls e n s i t i v i t y;h i g hv o l t a g ep l a t e a uc h a r a c t e r i s t i c
13、 s;r e p e a t a b i l i t y实现反应堆启动和运行过程中堆芯核功率的连续监测可大幅保证反应堆的安全.一般反应堆功率与核燃料质量和反应堆中子通量密度成正比.反应堆建成后,核燃料质量为定值,因此,通过测量反应堆中子通量密度即可得到反应堆功率.通常可通过设置堆内核测量系统和堆外核测量系统实现中子通量密度测量,但受堆内恶劣环境限制,仅可通过堆外核测量系统进行堆芯功率的连续在线监测.堆外核测量系统用于反应堆核功率在线监测和事故停堆保护,可实时提供反应堆功率水平和功率变化周期,为反应堆保护系统提供中子注量率信号,是确保核电站反应堆正常运行、保证核电站反应堆安全和人因安全的关键设备
14、.由于核电站反应堆功率动态范围大、辐射剂量高,一般设置几种灵敏度不同、量程范围相互重叠的中子探测器,主要为源量程、中间量程、功率量程三个量程范围的探测器.在三代先进核反应堆中,中间量程探测器一般选用裂变电离室.裂变电离室具有较高的n 甄别能力,并根据后端信号处理方式的不同,其可以在脉冲、M S V(m e a ns q u a r ev o l t a g e,均方电压)和电流三种模式下工作,其中,脉冲和M S V模式下,射线均对测量结果影响较小,当核反应堆出现热启堆工况,即反应堆在高工况下急停后迅速重新启堆时,反应堆残余放射性非常强,此时,裂变电离室较其他中子探测器有明显的优势 ,在其他强辐
15、射本底条件下的中子通量测量中亦如此.利用裂变电离室结合脉冲测量技术和M S V测量技术的宽量程测量技术,可实现宽范围内的中子通量监测 ,基于此,出现了宽量程的堆外核测量系统应用方案.在中子通量水平较低时,裂变室输出脉冲形式的电信号,脉冲的频率与中子通量水平成正比;随着中子通量水平的提高,脉冲信号彼此之间相互叠加,形成具有一定频率的波动直流电信号,根据坎贝尔理论,此时裂变室输出信号的“方差”值与中子通量水平成正比,也与反应堆核功率成正比.此外,核电站反应堆堆芯有效高度一般较长,为了获取准确的堆芯轴向功率分布,要求堆功率探测器灵敏区不能太短.然而目前国内具备进行核辐射探测器反应堆实验的实验堆堆芯有
16、效高度均较短.基于以上现状和裂变电离室的优点,本工作研制一种短灵敏区的圆柱型裂变电离室,对其主要核性能指标进行实验验证,包括甄别特性、热中子灵敏度、每个脉冲电荷量、平均电子收集时间、高压坪特性、重复性和感应度等,并测试了探测器核性能随温度变化的关系.裂变电离室工作原理裂变电离室采用核反应的原理探测中子,在圆柱型电离室高压极内壁和收集极外壁涂覆一层易裂变材料(如高富集度的 U或 U)作为中子灵敏物质,并充以不同的可电离气体.裂变电离室中子探测技术基本原理与普通电离室相同,均为射线将腔室内的气体电离生成电流脉冲.具体为中子进入裂变电离室内部,轰击并与裂变材料(U)发生核反应产生裂变碎片,并由其引起
17、内部气体电离形成正负电子离子对,电子和离子在电场作用下,给出电信号,从而测量中子.典型的裂变反应式如下所示:Un X e S r n M e V同 位 素第 卷 Un B a K r n M e V Un B a K r n M e V Un X e S r n M e V U的裂变产物不是唯一的,多为质量分数为 之间的原子核,裂变反应的同时释放出约 M e V的能量,其他的裂变产物包括裂变中子、瞬时光子、裂变核碎片的衰变、裂变核碎片的衰变等能量,其中裂变碎片携带的能量最高,约为 M e V,这些携带较高能量的裂变碎片在电离室灵敏气体中电离形成很强的脉冲信号.U除裂变外,还存在自然衰变,其过程
18、如下:U M e V()M e V()M e V()M e V()M e V()T h M e V()h M e V()M e V()M e V()M e V()M e V()P a M e V()h M e V()M e V()A c M e V()由此可见,裂变碎片的动能远高于其他粒子,且电离截面很大,形成的脉冲幅度远大于、和辐射所产生的脉冲.裂变电离室结构设计裂变电离室研制时需综合考虑影响其热中子灵敏度的因素,如涂层厚度、工作气体和灵敏体积等.因此,在电离室设计时采取了尽量增大涂层厚度、单质气体中掺入多原子分子气体、增大灵敏体积等措施.针对核电站对堆外核测用裂变电离室的热中子灵敏度要求较
19、高的情况,研制了一套涂层长度为 mm的圆柱型裂变电离室.其结构示意图示于图,从中心向外依次为连接杆、收集极、工作气体、灵敏涂层(铀膜)、高压极和外壳.为了尽可能减小热中子对探测器的活化,裂变电离室收集极、高压极、连接杆均采用铝,采用高纯度的P 混合气作为工作气体.图裂变电离室结构原理图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f f i s s i o nc h a m b e r为了验证和检测上述裂变电离室结构中铀膜的均匀性和厚度,基于测量铀的自发衰变粒子谱进行铀膜厚度定量测量方法 和测量铀与中子反应生成裂变碎片的量反推铀膜厚度方法的启发,搭建了一套可测量该
20、电离室电极内壁铀膜厚度的装置并采用水平动态电镀工艺对其铀膜厚度分布进行了测量,其铀膜厚度分布示于图.采用钝化离子注入平面硅(p a s s i v a t e di m p l a n t e dp l a n a rs i l i c o n,P I P S)探测器测得铀膜中不同位置自发衰变引起的脉冲计数率变异系数小于 ,即铀膜厚度非均匀性小于 .图水平动态电镀铀膜厚度分布 F i g U r a n i u mf o i l t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no f c o a t i n gi nh o r i z o n t a l e l
21、 e c t r o d e p o s i t i n g t e c h n i q u e s 信号处理电路裂变电离室信号处理电路包括位于前置放大器中 的 前 置 放 大 电 路 和 核 仪 器 仪 表 系 统(n u c l e a r i n s t r u m e n t a t i o ns y s t e m,N I S)信号处理机箱的后级信号处理电路,其基本原理框图示于图.前置放大电路主要由高压滤波电路、脉冲放大电路、脉冲调理电路、信号衰减电路和M S V处理电路组成,用于将裂变电离室输第期邱顺利等:一种圆柱型裂变电离室的核性能研究图裂变电离室信号处理电路原理图F i g S
22、 c h e m a t i cd i a g r a mo f s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t o f t h e f i s s i o ni o n i z a t i o nc h a m b e r出的低功率中子脉冲信号和高功率均方根电压信号进行放大处理,转换为标准方波信号和M S V信号后通过光纤和硬接线传输给N I S信号处理机箱.后级信号处理电路对前置放大器输出的标准方波信号和M S V信号进行衰减、放大、甄别和整形处理,此时即可直接读取能够反映中子注量率(反应堆功率)信息的脉冲计数率或M S V电压值.前置放大器对低功率
23、条件下产生的电流脉冲放大后进行幅度甄别,滤除因辐射或射频干扰产生的脉冲信号.对高功率条件下的电流脉冲堆积产生的波动直流电流进行坎贝尔法(均方法)处理,可有效抑制射线等产生的噪声信号,系统信噪比大于 .信号处理电路直接影响裂变电离室的性能,故在进行电离室核性能实验前,采用已校准的标 准 计 量 器 具(如 信 号 发 生 器、万 用 表等)对前置放大器和N I S信号处理机箱进行校准测试,以保证裂变电离室核性能实验的准确性.核性能实验条件及实验配置 实验条件裂变电离室核性能主要在中国原子能科学研究院 游泳池式堆、中国计量科学院热中子注量基准装置和高剂量率辐射实验装置上进行测试.堆是一座游泳 池型
24、、轻水慢 化和冷却、铍和石墨作为反射层的多种用途的工程材料试验堆,是我国自行设计和建造的第一座反应堆.堆上辐射孔道有垂直辐射孔道和水平热柱孔道,水平热柱孔道热中子最高通量可达到 n v(n vnc ms)量级,孔道内中子通量随孔道深度呈正相关.中国计量科学院热中子注量基准装置慢化体内部装有 枚 Am B e中子源,经过慢化材料的慢化作用形成均匀的内外两个热中子辐射场,其中,内辐射场热中子注量率 n v,外辐射场热中子注量率 n v.武汉第二船舶设计研究所高剂量率辐射试验装置可覆盖防护水平到事故水平的辐射,剂量率范围为 G y/h.图裂变电离室反应堆上实验布置图F i g L a y o u t
25、 o fp e r f o r m a n c e t e s tf o r f i s s i o ni o n i z a t i o nc h a m b e ro nr e a c t o r 实验配置将裂变电离室连接专用信号传输电缆,并在裂变电离室外壁及连接电缆外壁进行绝缘处理后置于反应堆水平热柱孔道、热中子注量基准装置辐射场或高剂量率标准辐射装置中,后通过电缆将信号传输至位于安全区域的前置放大器,经放大后送至N I S信号处理机箱进行进一步处理并读取信号值.N I S信号处理机箱提供裂变电离室工作高压,并测量其在脉冲模式下的输出计数率 和M S V模式下的均方压值.不同实验的设备布
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