[0001] 本申请涉及中子通量探测技术领域，具体而言，涉及一种用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室。

[0002] 核能作为一种清洁低碳、安全高效、稳定性高的能源，在保障能源安全、实现双碳目标、减少化石能源依赖、推动地缘政治等方面发挥重要作用。我国目前已经成为在运机组全球第三，在建机组数量多年领先的核电大国，基于此为保障核电站安全高效的稳定运行，对于反应堆堆外中子通量的监测以提供反应堆实时功率就显得愈发的重要。裂变电离室起源于曼哈顿计划期间的20世纪40年代，是一种利用裂变核素与中子发生裂变反应，产生裂变碎片，裂变碎片在惰性气体中发生电离产生次级粒子从而产生脉冲来实现中子通量测量的电离型探测器。目前裂变电离室已经成为反应堆外核测系统中不可或缺的重要设备，在我国的秦山一期、二期、田家塆等在役核电站以及美国的AP100、欧洲的EPR等国外在役核电站均安装有裂变电离室。国内使用的裂变电离室主要依托进口，亟需自研自产。

[0003] 其他常见的堆外中子探测器，如：涂硼电离室，抗γ辐射性能差，在γ辐射大于中子辐射的情况下，测量偏差较大，且相比于其他探测器，探测效率低下，最大只有20％；BF3探测器，不能经受辐射，燃耗大，寿命较短，且BF3是有毒气体，遇水会发生爆炸性分解，存在3
较为严重的安全隐患；He探测器，价格昂贵，且抗γ辐射性能差，应用范围受限。裂变电离室相较于其他堆外中子探测器，基于中子裂变原理，具备有抗γ辐射性能好、测量下限高等优点。国内关于裂变电离室的研究起步较晚，现有技术下存在中子散射偏多、结构不稳定，灵敏度较低，耐辐照寿命较短，慢漏气等缺点。

[0028] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

[0029] 因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0030] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0031] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

[0032] 在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0033] 在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0034] 由于反应堆在运行工作过程中，会释放一定能量的中子泄露到反应堆堆外部，其数量正比于反应堆功率，基于此原理，请参照图1及图2，本发明提供了一种用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200，其通过反应堆堆外的探测中子的探头210可以向反应堆保护系统提供中子通量信号；实时提供反应堆装料，停堆，启动，满工运作的“状态信息”，在高中子通量和高变化率的情况下触发停堆，同时连续监测反应堆功率、功率水平的变化和功率分布。

[0035] 具体的，请参照图1及图2，本实施例提供的用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200包括探头210、同轴连接器220以及传输线缆230；

[0036] 探头210包括阴极外壳211及阳极内胆212；阳极内胆212容置于阴极外壳211内，且与阴极外壳211同轴，阴极外壳211的内壁与阳极内胆212的外壁间隔，且在其间隔区域内填235 235
充有高纯混合惰性气体；阴极外壳211及阳极内胆212的外壁均电镀有 U；其中， U中添加
234
有再生材料 U；

[0037] 同轴连接器220连接于探头210的前端；传输线缆230与同轴连接器220连接，并与阴极外壳211及阳极内胆212电连接。

[0038] 请参照图1及图2，该用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200的工作原理是：

[0039] 该用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200的探头210包括阴极外壳211及阳极内胆212，阴极外壳211及阳极内胆212均为圆柱状构件，在阴极外壳211的前端设有BNC同235
轴连接器220及传输线缆230；阴极外壳211的内壁和阳极内胆212的外壁均电镀有 U样品
234
(添加再生材料 U)，且阴极外壳211的内壁和阳极内胆212的外壁之间填充有高纯混合惰性气体；

[0040] 由此，当将该用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200放于核电站堆外测量通道内，对其进行安装固定后；在核电站开始启动运行工作时，会释放一定能量的中子泄露235
到反应堆堆外部，中子进入探头210内部后，与电镀在阴极外壳211及阳极内胆212上的 U
235
样品发生裂变反应，产生裂变碎片，裂变碎片穿出 U层进入探头210内部，使里面填充的惰性气体发生电离产生电子和正离子；而且在外加高压电场的作用下，电子和正离子分别向阳极和阴极运动，从而产生脉冲信号，而后通过传输线缆230传输到电子学系统；

[0041] 综上，请参照图1及图2，该用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200用于反应堆外中子通量测量，其工作性能可靠，结构稳定，寿命长，而且中子灵敏度高。

[0042] 进一步地，在本实施例中，阴极外壳211的前端敞开；探头210还包括高压端封头213，高压端封头213连接于阴极外壳211的前端，以封堵阴极外壳211的前端；同轴连接器
220及阳极内胆212均与高压端封头213连接。

[0043] 而且探头210还包括第一绝缘连接件214，阳极内胆212的前端通过第一绝缘连接件214与高压端封头213连接。阴极外壳211的后端敞开；探头210还包括第二绝缘连接件215，阳极内胆212的后端通过第二绝缘连接件215与阴极外壳211的后端连接。

[0044] 为向探头210内加入高纯混合惰性气体，故，探头210还包括连接于阳极内胆212的后端的充气管216，充气管216与阳极内胆212的内腔连通。由于阳极内胆212的后端通过第二绝缘连接件215与阴极外壳211的后端连接，故，第二绝缘件开设有将充气管216与阳极内胆212的内腔连通的通孔217。为使得阳极内胆212中的高纯混合惰性气体能够导入至阴极外壳211的内壁与阳极内胆212的外壁间隔的区域内，故阳极内胆212的外壁开设有多个孔洞201。

[0045] 为提高气密性，故，探头210还包括充气端封头218及充气管保护罩219；充气端封头218与第二绝缘连接件215连接，充气管216及充气管保护罩219均与充气端封头218连接，且充气管保护罩219罩设于充气管216外。

[0046] 为使得阳极内胆212与传输线缆230电连接，故，探头210还包括位于阳极内胆212内的高压接头芯线202，高压接头芯线202将传输线缆230与阳极内胆212电连接。在制作探头210时，阴极外壳211及阳极内胆212均采用Inconel600合金制成；第一绝缘件及第二绝缘件均采用高纯氧化铝制成。

[0047] 基于上述结构设置，请参照图1及图2，本发明提供的用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200的制作流程如下：

[0048] 阳极内胆212材料选用内径17mm、外径22mm的Inconel600合金管作为加工母材；具体工艺流程为：

[0049] 首先打磨制造用于内部孔径加工的镗刀刀片，选用高强度的钢车削及铣削加工成用于焊接刀片的镗刀刀柄，制作为多面体，形成加强筋，减少长柄颤刀影响，在刀柄上铣削刀片槽，之后将刀片牢固焊接在刀柄前端的槽内；根据阳极内胆212的目标尺寸设计支撑工装，保证阳极内胆212在车削加工和镗孔的过程中保持稳定，不变形；按照工装图纸，选取材料，进行加工制造，之后将工装按设计方案组装成型，并安装在车床上，选用一段待加工的材料，进行内胆试制，确定和调整工装的效果。按照内胆加工尺寸，使用工装和专用镗刀加工制作内胆，按照稳定工艺(包括车削转速、进给量、以及不同加工位置时的工装安装方法)，最终完成阳极内胆212的制造；

[0050] 阴极外壳211材料同样采用Inconel600合金材料制备；具体制作工艺流程和内胆电极材料相似；选用内径22mm，外径30mm的Inconel作为阴极外壳211加工母材；按图纸要求，采用一般车削、打孔工艺进行制造；按照稳定工艺，最终完成阴极外壳211的制造；

[0051] 绝缘材料采用高纯氧化铝；按照两个零件尺寸进行烧结模具的加工，烧结模具选用可用于高温烧结陶瓷的材质，然后在模具中加入陶瓷粉末，采用热等静压工艺，进行烧结；烧结制造出来的陶瓷零件后，在水基打磨陶瓷的设备上进行不同角度和内外径的打磨修改，经过多次打磨及测量，确保打磨完成后的零件符合尺寸要求；按上述稳定工艺进行，最终完成绝缘件的制造；

[0052] 充气管216、充气端封头218、充气端保护罩和高压端封头213该部分对应的各个零件，均用车削、铣削、打孔、抛光或攻丝等机械加工制造工艺即可完成；按稳定工艺进行，最终完成充气管216、充气端封头218、充气端保护罩和高压端封头213的制造。

[0053] 装配前，对各组合件进行彻底的清洁处理，确保各组合件装配时保持清洁干燥；全部金属材料在用有机溶剂清洁处理后，在真空炉中进行高温除气使Inconel600合金内的杂质蒸发掉；

[0054] 请参照图1及图2，根据设计图纸按上述的生产工艺流程完成各部件的制造后，用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200的装配工艺流程如下：

[0055] 进行预装配的测试，以确认预留公差是否满足装配需要；测试通过后，开始进行整体装配，装配步骤如下：

[0056] 首先将充气端封头218和充气管216按图纸进行定位装配，然后采用工装定位；并对两者的装配接缝进行封焊，焊接采用内焊工艺；

[0057] 将第一绝缘连接件214与阴极外壳211按图进行定位装配，然后，将已经与充气管216封焊为一个整体的充气端封头218与阴极外壳211按图进行定位装配，随后采用工装定位，对二者装配接缝处进行封焊，该处采用外焊工艺；

[0058] 将高压端封头213和BNC接头密封装配，之后将绝缘连接件1与BNC接头、阳极内胆212按图进行装配，并将高压接头芯线202端与阳极内胆212内壁焊接，形成阳极内胆212组合体；

[0059] 之后，将阳极内胆212组合体按图装入阴极外壳211，并与第一绝缘连接件214定位装配，然后采用工装定位，对高压端封头213和阴极外壳211的接缝处进行封焊，该处采用外焊工艺；

[0060] 由充气管216进行充气作业，充气完成，并密封充气管216后，将充气端保护罩与充气端封头218按图定位装配，然后采用工装定位，对二者接缝处进行封焊，该处采用外焊作业；

[0061] 以上各封焊处均采用氩弧焊，进行环绕焊接，以达到稳固连接及耐压密封的要求。

[0062] 在进行充气过程，其充气步骤如下：

[0063] 首先在充气管216端前部外接三通件，并由该件连接注气管路及混合惰性气体钢瓶，同时三通件其中一路连接真空泵；

[0064] 对阳极内胆212的内腔进行抽空作业，并观测真空压力表，待真空度达到稳定值，即达到真空泵抽空极限后，关闭抽空管路阀门；

[0065] 开启注气管路，通过阀门控制，并观测压力表，逐渐注入混合惰性气体，直至达到所需的压力值；

[0066] 关闭注气管路，启动真空泵，然后微调开启抽空管路阀门，平缓抽排注入的混合惰性气体，待再次达到真空泵抽空极限后，重复上述注气操作；往复以上操作3次后，用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200内原有空气基本被排除干净，混合惰性气体注入达到工艺要求，随机进行充气端密封，即完成充气作业。

[0067] 基于上述内容可知，该用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200包括圆柱状外壳构件(阴极外壳211)，圆柱状壳体前端设有BNC同轴连接器220及配套件通过高压端封头213及绝缘连接件固定，后端设有充气管保护罩219；圆柱状外壳内部设有同轴阳极圆柱235
状内胆，与阴极外壳211通过绝缘连接件相连接，外壳内壁和内胆外壁均电镀有 U样品(添
234
加再生材料 U)，内外筒之间填充有高纯混合惰性气体，收集得到的信号通过点焊在内筒的高压接头芯线202进行传输；阳极内胆212的后端设有专门的充气管216并通过充气端封头218进行固定；由此，该用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200具备结构简单、工作性能可靠、结构稳定、长寿命及中子灵敏度高等优点。

[0068] 具体的，基于的结构设置可知，首先，该用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室235
200为 U裂变电离室，其采用同轴双圆柱结构，采用Inconel600合金制成的空心圆柱作为阴极外壳211，阳极内胆212同样采用Inconel600合金制成的空心圆柱作为阳极，两电极前后两端用封头进行封装，阳极阴极两电极之间采用绝缘连接件进行固定；此结构简单，配件相对较少，易于装配，相较于平板型结构，结构更加稳定；

[0069] 其次，该用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200设有专门的充气管216和充235
气管保护罩219，并采用真空‑充气交互多次的方式，以达到对 U裂变电离室腔体内部高纯惰性气体的注入要求；达到所需的压力值后，采用冷压工艺对充气管216口进行压紧密封，同时采用焊接工艺对冷压端进行焊接密封，达到二次保护的密封效果，同时为避免在使用和运输的过程中，对密封端产生碰撞等干扰，因此还配有充气管保护罩219对焊接密封的充气端进行防护，确保该用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200在长期工作时，不出现微小漏气的情况；

[0070] 另外，该用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200在工艺生产能够满足的情235
况下，采用较小的电极间距(1.5mm)；用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200中的 U会自发衰变α粒子，经过叠加后的α脉冲信号会对真实计数造成影响，由于裂变碎片和α粒子电离比值与射程关系相反，裂变碎片的电离比值在射程始端最大，α粒子在射程终端最大，因此采用较小的电极间距可以较好区分裂变裂碎片和α粒子沉积的能量，减小α脉冲信号对真实计数的影响；此外采用较小的电极间距可以加快气体中正负粒子的收集时间，提高探测器的测量上限；

[0071] 而且由于探头210金属材料部分均采用Inconel600合金，Inconel600合金是镍‑3
铬‑铁基固溶强化合金，密度为8.43g/cm ，相较于铝、不锈钢、铜等金属材料，具有良好的耐高温腐蚀、耐高压、耐辐照性能、抗氧化性能、优良的冷热加工和焊接性能；采用Inconel600合金可以提高用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200的结构和工作时的稳定性，能在面对高温、高湿、高压或高辐射等相对复杂的环境下保持正常工作；此外探测器基体金属材料对电沉积铀的质量影响较大，在不锈钢、碳钢、锆合金等金属表面电沉积铀，镀层结合不牢固，镀层不均匀，而在镍的表面附着力较好，由于Inconel600合金中含有大量镍元素，镍元素成分占比大于72％，在使用电沉积法在阴极外壳211和阳极内胆212壁上镀铀时，相
235
较于其他合金金属， U样品在Inconel600合金上，铀镀层更为细致，铀晶粒分散均匀，与基材结合牢固；探头210采用加工的Inconel600合金厚度尽可能薄(≤1mm)，尽可能减小中子散射的影响，提高裂变电离室中子探测效率；探头210绝缘连接件部分，即第一绝缘连接件
3
214及第二绝缘连接件215均采用高纯氧化铝(≥99.99％)，密度为8.43g/cm ；高纯氧化铝
14
在常温常压下绝缘性能出众，绝缘电阻可达到10 Ω；在300℃的高温下，依旧可以保持良好
13
的绝缘性能，绝缘电阻为10 Ω；采用高纯氧化铝作为绝缘连接件，可以有效固定裂变电离室各个配件，隔离阳极和阴极，在裂变电离室工作时，减小漏电流的损耗；选择BNC同轴连接器220，绝缘体材料部分为聚四氟乙烯，绝缘电阻≥500MΩ；

[0072] 并且用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200中填充有高纯度的混合惰性气体，在高纯氩气的基础之上，通过加入一定比例的多原子分子气体，使电子的漂移速度增加，减小电子被捕获的概率，其通过真空充气系统，对裂变电离室腔体抽真空，而后充入混合惰性气体并循环纯化，使腔体内混合惰性气体浓度≥99％，以防止负电性气体过多，导致气体中离子和电子复合，导致不再对输出信号产生贡献，使裂变电离室计数不准确；

[0073] 可以理解的是，用于反应堆外中子通量测量的裂变电离室200采用高浓缩的235U样235 234 235
品，同时在 U样品中添加一定比例的再生材料 U，由于常规 U裂变电离室在相对高热中子通量的工作情况下，会产生明显的燃耗，导致在预定要求的工作寿命里，输出信号强度产
235 234 234
生明显的降低；因此在 U样品中预先添加一定比例的再生材料 U，转换原子 U吸收热中
235 235 235
子后可转换为原子 U，使转换速率接近 U的正常消耗速率，补充 U在进行探测工作时的消耗，从而提高探测器的使用寿命，在延长了的辐照周期内，其中子灵敏度相对不变，有效改善探测器输出信号的恒定性；

[0074] 需要说明的是，探头210的直径是28mm，灵敏区长度127mm，为提高探测器的中子灵敏度，除阳极内胆212外表面镀铀以外，在阴极外壳211内表面也镀铀，因此镀铀面积可以达2 235 234 235
到约175cm ；使用电沉积法电镀一定厚度的 U样品(添加再生材料 U)，有效增加了 U裂变电离室的探测效率和中子灵敏度；

[0075] 以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。