第三章__堆芯外核檢測(cè)儀表及系統(tǒng)

1、第三章第三章 堆芯外核檢測(cè)儀表及系統(tǒng)堆芯外核檢測(cè)儀表及系統(tǒng)章節(jié)內(nèi)容章節(jié)內(nèi)容3.1 3.2 核反應(yīng)堆功率的測(cè)量核反應(yīng)堆功率的測(cè)量3.1 n堆芯外的定義堆芯外的定義習(xí)慣上把堆芯外中子敏感元件定習(xí)慣上把堆芯外中子敏感元件定義為受低于義為受低于10 11 n cm -2 s -1 的的中子通量照射的敏感元件。通常中子通量照射的敏感元件。通常安置在壓力殼外壁處，也可置于安置在壓力殼外壁處，也可置于熱屏蔽區(qū)域內(nèi)。熱屏蔽區(qū)域內(nèi)。 堆功率儀表系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量反應(yīng)堆功率及監(jiān)視堆內(nèi)中子堆功率儀表系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量反應(yīng)堆功率及監(jiān)視堆內(nèi)中子通量密度通量密度( (中子注量率中子注量率) ) 變化信息的。具有：變化信息的。具有：

2、1 1、運(yùn)行功能、運(yùn)行功能 監(jiān)測(cè)堆功率、功率變化及其分布。監(jiān)測(cè)堆功率、功率變化及其分布。 2 2、安全功能、安全功能 向保護(hù)系統(tǒng)提供停堆信號(hào)等向保護(hù)系統(tǒng)提供停堆信號(hào)等。3.2 核反應(yīng)堆功率的測(cè)量核反應(yīng)堆功率的測(cè)量 反應(yīng)堆是依靠反應(yīng)堆是依靠核燃料的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)核燃料的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來(lái)維持工作的，鏈?zhǔn)椒磥?lái)維持工作的，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中產(chǎn)生初級(jí)碎片和一系列裂變產(chǎn)物，還有裂變中子、瞬應(yīng)中產(chǎn)生初級(jí)碎片和一系列裂變產(chǎn)物，還有裂變中子、瞬發(fā)發(fā)等輻射線，它們都是裂變能的載體，它們的等輻射線，它們都是裂變能的載體，它們的核輻射強(qiáng)核輻射強(qiáng)度度與反應(yīng)堆功率成正比，它們消耗在堆內(nèi)的與反應(yīng)堆功率成正比，它們消耗在堆內(nèi)的熱量熱量也與堆功也

3、與堆功率成正比，因此，可以通過(guò)測(cè)量中子或率成正比，因此，可以通過(guò)測(cè)量中子或射線的強(qiáng)度，及射線的強(qiáng)度，及測(cè)量堆芯溫度等來(lái)間接測(cè)量反應(yīng)堆的功率。測(cè)量堆芯溫度等來(lái)間接測(cè)量反應(yīng)堆的功率。 通常是用通常是用堆芯外中子監(jiān)測(cè)儀表堆芯外中子監(jiān)測(cè)儀表來(lái)測(cè)量反應(yīng)堆功率。來(lái)測(cè)量反應(yīng)堆功率。3.3 中子探測(cè)儀表中子探測(cè)儀表3.3.1 3.3.1 中子探測(cè)的基本方法中子探測(cè)的基本方法基本原理：探測(cè)中子是通過(guò)中子與原子核相互作用，產(chǎn)生基本原理：探測(cè)中子是通過(guò)中子與原子核相互作用，產(chǎn)生可以被探測(cè)的次級(jí)粒子，并記錄這些次級(jí)粒子。因此，中可以被探測(cè)的次級(jí)粒子，并記錄這些次級(jí)粒子。因此，中子探測(cè)儀表必須具備子探測(cè)儀表必須具備“輻

4、射體輻射體”，即能同中子發(fā)生核相互，即能同中子發(fā)生核相互作用產(chǎn)生可被探測(cè)的次級(jí)粒子的物質(zhì)。作用產(chǎn)生可被探測(cè)的次級(jí)粒子的物質(zhì)。基本方法：基本方法：核反應(yīng)法、核反沖法、核裂變法、活化法核反應(yīng)法、核反沖法、核裂變法、活化法。特點(diǎn)：不同能量中子的探測(cè)原理和探測(cè)器結(jié)構(gòu)差別較大。特點(diǎn)：不同能量中子的探測(cè)原理和探測(cè)器結(jié)構(gòu)差別較大。3.3 中子探測(cè)儀表中子探測(cè)儀表一、核反應(yīng)法一、核反應(yīng)法主要測(cè)量慢中子，有以下三種主要測(cè)量慢中子，有以下三種核反應(yīng)：核反應(yīng)： 1010 B ( B (n,n,) ) 7 7 Li + 2.792 Li + 2.792 MeVMeV 0 0 = 3840 = 3840 11 b 11

5、 b 6 6 Li ( Li (n,n,) ) 3 3 T + 4.786 T + 4.786 MeVMeV 0 0 = 936 = 936 6 b 6 b 3 3 He (n, p ) He (n, p ) 3 3 T + 0.764 T + 0.764 MeVMeV 0 0 = 5327 = 5327 10 b 10 b能量為能量為E E n n 的中子微觀截面的中子微觀截面= = 0 0(1 (1) )3.3 中子探測(cè)儀表中子探測(cè)儀表二、核反沖法二、核反沖法 中子與物質(zhì)原子核發(fā)生彈性碰撞，原子核被反沖，且?guī)б欢ㄕ娭凶优c物質(zhì)原子核發(fā)生彈性碰撞，原子核被反沖，且?guī)б欢ㄕ姾?，選用反沖核彈性

6、碰撞截面大的材料作為探測(cè)器靈敏物質(zhì)，就可以荷，選用反沖核彈性碰撞截面大的材料作為探測(cè)器靈敏物質(zhì)，就可以簡(jiǎn)接測(cè)量中子的注量率。通常是利用簡(jiǎn)接測(cè)量中子的注量率。通常是利用含氫物質(zhì)含氫物質(zhì)作為輻射體。作為輻射體。 反沖核的反沖能表示為：反沖核的反沖能表示為： 所以，反沖核的質(zhì)量越小反沖動(dòng)能越大，通常取氫物質(zhì)，所以，反沖核的質(zhì)量越小反沖動(dòng)能越大，通常取氫物質(zhì)，A=1 A=1 ，上式為：上式為：22cos)1 (4nAEAAE2cosnAEE 當(dāng)當(dāng) En 20 MeVEn 20 MeV 時(shí)散射截面能譜見(jiàn)右圖。時(shí)散射截面能譜見(jiàn)右圖。在在 0.10.110 MeV 10 MeV 之間遵從之間遵從1 1 定律

7、。定律。設(shè)：中子注量率為設(shè)：中子注量率為， 單位體積靶物質(zhì)的原單位體積靶物質(zhì)的原子核數(shù)目為子核數(shù)目為 N N ，厚度為，厚度為 d d ，面積為，面積為S S，散射，散射截面為截面為 s s，則靶內(nèi)單位時(shí)間的反沖核數(shù)，則靶內(nèi)單位時(shí)間的反沖核數(shù)N N p p 為：為： snsnpdSNdSN3.3 中子探測(cè)儀表中子探測(cè)儀表三、核裂變法三、核裂變法 由于裂變碎片是核裂變能量的載體，利用核裂變產(chǎn)生由于裂變碎片是核裂變能量的載體，利用核裂變產(chǎn)生的兩個(gè)碎片，使物質(zhì)電離，可產(chǎn)生大的輸出脈沖，極的兩個(gè)碎片，使物質(zhì)電離，可產(chǎn)生大的輸出脈沖，極易甄易甄別別射線對(duì)測(cè)量中子通量的干擾射線對(duì)測(cè)量中子通量的干擾。 23

8、3U 、235 U、239 U 對(duì)熱中子的裂變截面分別為：對(duì)熱中子的裂變截面分別為：530b、580b、742b，所以常用作裂變探測(cè)器的輻射體。，所以常用作裂變探測(cè)器的輻射體。 許多重物質(zhì)對(duì)中子裂變有一定閾值，可制成多閾探測(cè)許多重物質(zhì)對(duì)中子裂變有一定閾值，可制成多閾探測(cè)器，以確定中子能量。器，以確定中子能量。 裂變材料裂變材料熱中子裂變截面熱中子裂變截面 (b) 裂變閾裂變閾 (MeV)3MeV時(shí)的裂時(shí)的裂變截面變截面 (b) 半衰期半衰期 (天天) 232 Th 231Pa 234U 236U 238U 237Np 0 0. .00020002 0.01 0.0006 0.0005 0.01

9、9 1.3 0.5 0.4 0.85 0.55 1.5 0.00019 0.0011 0.0015 0.00085 0.00055 0.0015 1.411010 3.381010 2.45105 2.34107 4.47109 2.4106常用裂變閾探測(cè)器材料的特性表常用裂變閾探測(cè)器材料的特性表3.3 中子探測(cè)儀表中子探測(cè)儀表四、活化法四、活化法 穩(wěn)定的原子核吸收中子后，轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫栽雍?，它穩(wěn)定的原子核吸收中子后，轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫栽雍?，它們通常在衰變時(shí)會(huì)放出帶電粒子，由此可以間接測(cè)出中子們通常在衰變時(shí)會(huì)放出帶電粒子，由此可以間接測(cè)出中子的通量密度。例如：的通量密度。例如： n + n + 1

10、15115 In In 116116In + In + 116116In In 116116Sn + Sn + + + 測(cè)量測(cè)量 的強(qiáng)度就能夠確定中子的通量密度。的強(qiáng)度就能夠確定中子的通量密度。小結(jié)小結(jié)從上述從上述4 4種中子探測(cè)方法可知，中子探測(cè)過(guò)程可分為種中子探測(cè)方法可知，中子探測(cè)過(guò)程可分為兩個(gè)部分：（兩個(gè)部分：（1 1）首先是中子和輻射體發(fā)生相互作用產(chǎn)生帶）首先是中子和輻射體發(fā)生相互作用產(chǎn)生帶電粒子或感生放射性；（電粒子或感生放射性；（2 2）其次是在某種探測(cè)儀表中記錄）其次是在某種探測(cè)儀表中記錄這些帶電粒子或感生放射性。這些帶電粒子或感生放射性。 四種中子探測(cè)方法比較四種中子探測(cè)方法比

11、較方法方法核反應(yīng)靶材料截面 (b)用途核反應(yīng)核反應(yīng)( n, )( n, p )10B, 6Li, 3He103熱、慢中子的注量率核反沖核反沖( n, n )H 1快中子注量率核裂變核裂變( n, f )233U, 235U,239Pu 等 5102 熱中子注量率活活 化化( n, )In, Au, Dy 等熱中子：1102共振中子：103快中子： 1慢中子的注量率3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類一、氣體探測(cè)器一、氣體探測(cè)器 正比區(qū)正比區(qū)：V V2 2VV3 3：電子在電場(chǎng)加速中電子在電場(chǎng)加速中獲得能量足以產(chǎn)生二次電離，產(chǎn)生了電離獲得能量足以產(chǎn)生二次電離，產(chǎn)生了電離雪崩。輸出雪崩

12、。輸出ANAN0 0正負(fù)離子對(duì)，脈沖幅度為：正負(fù)離子對(duì)，脈沖幅度為：CWeEAUm G-M G-M區(qū)區(qū) 當(dāng)電壓大于當(dāng)電壓大于V V4 4 以后，室內(nèi)的激發(fā)光子起主導(dǎo)作用，使整個(gè)以后，室內(nèi)的激發(fā)光子起主導(dǎo)作用，使整個(gè)室內(nèi)氣體放大，發(fā)生電子雪崩，輸出脈沖大小與粒子能量無(wú)關(guān)。室內(nèi)氣體放大，發(fā)生電子雪崩，輸出脈沖大小與粒子能量無(wú)關(guān)。 、復(fù)合區(qū)、復(fù)合區(qū)：0 V0 V1 1 、電離區(qū)、電離區(qū)：V V1 1VV2 2，原電離離子全原電離離子全被電極收集。被電極收集。CWeEUm 有限正比有限正比 區(qū)區(qū)：V V3 3 V V4 4 當(dāng)電壓大于當(dāng)電壓大于V V3 3后，原電離電荷大的，比小的后，原電離電荷大的，

13、比小的其放大倍數(shù)相對(duì)變小，其放大倍數(shù)相對(duì)變小， 即放大倍數(shù)即放大倍數(shù)A A與人射粒子能量有關(guān)。與人射粒子能量有關(guān)。3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類(一一)、電離室、電離室 工作原理與結(jié)構(gòu)工作原理與結(jié)構(gòu) 中子在中子在涂硼涂硼電極上產(chǎn)生帶電粒子，當(dāng)它進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，與室內(nèi)充氣電極上產(chǎn)生帶電粒子，當(dāng)它進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，與室內(nèi)充氣(氦氦、氬、氬)體發(fā)生相互作用，產(chǎn)生正、負(fù)離子對(duì)，被收集極收集，產(chǎn)生輸出體發(fā)生相互作用，產(chǎn)生正、負(fù)離子對(duì)，被收集極收集，產(chǎn)生輸出電流電流 I，這一電流量，這一電流量 I 的大小反映了中子注量率的大小。的大小反映了中子注量率的大小。 式中：式中：V 電離室的有效體積電離室

14、的有效體積; N0 單位體積、單位時(shí)間原電離子數(shù)單位體積、單位時(shí)間原電離子數(shù);dvNeIV03.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類2. 電離室的輸出脈沖電離室的輸出脈沖 電離室輸出脈沖幅度電離室輸出脈沖幅度 Um為：為： 式中：式中：E 中子間接產(chǎn)生的粒子損失在電離室的能量中子間接產(chǎn)生的粒子損失在電離室的能量; C 電離室電離室輸出有效電容輸出有效電容(法法); W 平均電離能平均電離能; e 是電子電荷量。是電子電荷量。3. 3. 電離室輸出脈沖形狀電離室輸出脈沖形狀 電離室輸出脈沖形狀反映了入射粒子的信息，與之連接的二次線路也電離室輸出脈沖形狀反映了入射粒子的信息，與之連接的二次

15、線路也要以此進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量保持原有信息。所以，分折脈沖形狀尤為重要。要以此進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量保持原有信息。所以，分折脈沖形狀尤為重要。 電離室電流是電離室電流是I Ii i由正、由正、 負(fù)離子電流負(fù)離子電流 I I+ +、I I- - 所組成的。即：所組成的。即： I Ii i = I = I+ + + I + I- -CWeEUmPEPE;正、負(fù)離子運(yùn)動(dòng)速度分別為：正、負(fù)離子運(yùn)動(dòng)速度分別為：電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度 E(x)=V(b-a)3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類首先討論平行板電離室。設(shè)平行板電離室內(nèi)，正、負(fù)離子首先討論平行板電離室。設(shè)平行板電離室內(nèi)，正、負(fù)離子都產(chǎn)生在都產(chǎn)生在x0

16、處，以速度為處，以速度為w+(x)的正離子由的正離子由x0到達(dá)到達(dá)b 處的時(shí)處的時(shí)間為間為T ，則，則)()()()()(000 xbVabPxEdxPxdxbTbxbx電離室電流是電離室電流是Ii由正、由正、 負(fù)離子電流負(fù)離子電流 I+、I- 所組成的。即：所組成的。即： Ii = I+ + I-_平行板電離室內(nèi)，負(fù)離子由平行板電離室內(nèi)，負(fù)離子由x0以速度為以速度為w-(x) 到達(dá)到達(dá)a 處的時(shí)處的時(shí)間為間為T - ，同理可以求得：，同理可以求得： )()()(0axVabPaT4. . 平行板電離室輸出電流平行板電離室輸出電流 I 一個(gè)電子在電場(chǎng)一個(gè)電子在電場(chǎng)E的作用下所作的功率為的作用下

17、所作的功率為eEw- ，又等于，又等于VIe ，所以，所以 VIe = eEw- 其中：其中：E = V(b-a ); w- =-.EP 一個(gè)電子生成的電流：一個(gè)電子生成的電流： 假設(shè)一個(gè)入射粒子產(chǎn)生的電離電子數(shù)為假設(shè)一個(gè)入射粒子產(chǎn)生的電離電子數(shù)為n，則它產(chǎn)生的電，則它產(chǎn)生的電流為流為I-(t)，正離子電流為，正離子電流為I+(t)：3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類22)()(abPVePVEeVEetIe2)()(abPVentI2)()(abPVentI3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類5. . 平行板電離室輸出電壓脈沖平行板電離室輸出電壓脈沖 電離室電流輸出

18、經(jīng)過(guò)電離室電流輸出經(jīng)過(guò)RC 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)積分，就會(huì)得到一輸出脈沖，絡(luò)積分，就會(huì)得到一輸出脈沖，RC時(shí)間常數(shù)不同，則脈沖形狀時(shí)間常數(shù)不同，則脈沖形狀不同。對(duì)于不同。對(duì)于 RCR1C1 R2C2 R3C3 情況的電離室電壓脈沖如情況的電離室電壓脈沖如右下圖所示。右下圖所示。RCtRCteeCWeEtu1)(6 6. . 圓柱形電離室圓柱形電離室 輸出電流及電壓脈沖輸出電流及電壓脈沖 圓柱形電離室電流輸出圓柱形電離室電流輸出 情況與平行板電離室電壓情況與平行板電離室電壓脈沖相似，如圖所示。脈沖相似，如圖所示。 圓柱形電極的電場(chǎng)強(qiáng)度為：圓柱形電極的電場(chǎng)強(qiáng)度為：3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類

19、2022lnxbVabPTabxVxEln)(1220202ln)(TtaxxabPVentI 通過(guò)同樣計(jì)算可求得正、負(fù)離子的收集時(shí)間通過(guò)同樣計(jì)算可求得正、負(fù)離子的收集時(shí)間 T T+ +、T T- -，及輸出電流及輸出電流I I+ +、I I- - ，u u +max+max、u u -max-max的表示式為：的表示式為： 1202202ln)(TtxbxabPVentI2202lnaxVabpTabxbCneuabaxCneulnlnlnln0max0max3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類7. . 補(bǔ)補(bǔ) 償償 電電 離離 室室 在有強(qiáng)在有強(qiáng)場(chǎng)的情況下，要探測(cè)中子場(chǎng)的情況下，

20、要探測(cè)中子的強(qiáng)度，就需要消除的強(qiáng)度，就需要消除在電離室產(chǎn)生的在電離室產(chǎn)生的電流的影響，通常使用電流的影響，通常使用補(bǔ)償電離室。補(bǔ)償電離室。參見(jiàn)右圖就可了解其工作原理。參見(jiàn)右圖就可了解其工作原理。 在中子電離室區(qū)，中子產(chǎn)生的電流在中子電離室區(qū)，中子產(chǎn)生的電流In，產(chǎn)生的電流產(chǎn)生的電流I， 在在電離室區(qū)內(nèi)，電離室區(qū)內(nèi)，只有只有產(chǎn)生的電流產(chǎn)生的電流I，它與前者的方向，它與前者的方向相反，所以，電流表的讀數(shù)為：相反，所以，電流表的讀數(shù)為： I = (In +I ) I = In 通過(guò)調(diào)節(jié)電壓通過(guò)調(diào)節(jié)電壓 V1 使使電流值抵消，電流值抵消，就可補(bǔ)償就可補(bǔ)償影響，測(cè)量電流即為中子產(chǎn)影響，測(cè)量電流即為中子產(chǎn)

21、生的電流。生的電流。它對(duì)熱中子的靈敏度為：它對(duì)熱中子的靈敏度為： 4 41010-12-12A A(n(ncmcm2 2 S) S)適用于熱中子通量范圍：適用于熱中子通量范圍： 2.52.510102 2 10101010 n n(cm(cm2 2 S) S)3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類8. . 長(zhǎng)中子電離室長(zhǎng)中子電離室 在反應(yīng)堆功率測(cè)量中，中子通量很高，設(shè)計(jì)幾個(gè)短中子在反應(yīng)堆功率測(cè)量中，中子通量很高，設(shè)計(jì)幾個(gè)短中子電離室，組成一個(gè)長(zhǎng)中子電離室，各短中子電離室的中子靈電離室，組成一個(gè)長(zhǎng)中子電離室，各短中子電離室的中子靈敏度可達(dá)敏度可達(dá) 2.310-14 A(n.cm2.s)

22、。 電離室高壓電極電離室高壓電極(負(fù)極負(fù)極) 的內(nèi)壁及收集極外壁涂硼，室內(nèi)的內(nèi)壁及收集極外壁涂硼，室內(nèi)充充1的氦和的氦和6的氮，的氮，93的氬氣。的氬氣。 由于中子產(chǎn)生的電流較大，由于中子產(chǎn)生的電流較大，的影響較小。的影響較小。3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類( (二二) )、BFBF3 3 正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器1. . BF3 正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器 10B (n, ) 7Li 輸出脈沖幅度為：輸出脈沖幅度為： A是正比計(jì)數(shù)器的氣體放大倍數(shù)，通常可達(dá)到是正比計(jì)數(shù)器的氣體放大倍數(shù)，通?？蛇_(dá)到103 105；En是中子是中子的動(dòng)能；的動(dòng)能；Q是反應(yīng)能；是反應(yīng)能；e是電子電荷量；是電

23、子電荷量；W 是平均電離能；是平均電離能；C是計(jì)數(shù)器的是計(jì)數(shù)器的等效輸出電容。等效輸出電容。 主要用于熱中子的測(cè)量。主要用于熱中子的測(cè)量。CWeQEAUnm)( 有以下兩種：有以下兩種：充充BF3氣體的正比計(jì)數(shù)管氣體的正比計(jì)數(shù)管涂硼正比計(jì)數(shù)管涂硼正比計(jì)數(shù)管 在堆芯外源量程中配備。其靈在堆芯外源量程中配備。其靈敏度為：敏度為：8 counts(ncm2.s)3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類應(yīng)用應(yīng)用 BF BF3 3 正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器可用于測(cè)量一回路冷可用于測(cè)量一回路冷卻水的硼濃度卻水的硼濃度 。 引出一個(gè)測(cè)量回引出一個(gè)測(cè)量回路，兩側(cè)放置中子源路，兩側(cè)放置中子源和中子探測(cè)器進(jìn)行

24、比和中子探測(cè)器進(jìn)行比較測(cè)量。較測(cè)量。一次冷卻劑硼濃度測(cè)量原理圖一次冷卻劑硼濃度測(cè)量原理圖3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類2. . 長(zhǎng)計(jì)數(shù)管長(zhǎng)計(jì)數(shù)管 所謂長(zhǎng)計(jì)數(shù)管，是利用在很所謂長(zhǎng)計(jì)數(shù)管，是利用在很長(zhǎng)長(zhǎng)能量范圍能量范圍內(nèi)探測(cè)中子的內(nèi)探測(cè)中子的效率平坦效率平坦變化變化的材料，作為計(jì)數(shù)管的輻射的材料，作為計(jì)數(shù)管的輻射體的正比計(jì)數(shù)管。體的正比計(jì)數(shù)管。 目前性能最好的長(zhǎng)計(jì)數(shù)管，探目前性能最好的長(zhǎng)計(jì)數(shù)管，探測(cè)中子的能量范圍從熱中子測(cè)中子的能量范圍從熱中子 快快中子。中子。長(zhǎng)計(jì)數(shù)管中子探測(cè)效率與能量的關(guān)系長(zhǎng)計(jì)數(shù)管中子探測(cè)效率與能量的關(guān)系3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類二、固體

25、探測(cè)器二、固體探測(cè)器 固體物質(zhì)作為探測(cè)中子的靈敏物質(zhì)，有閃爍計(jì)數(shù)器、半固體物質(zhì)作為探測(cè)中子的靈敏物質(zhì)，有閃爍計(jì)數(shù)器、半導(dǎo)體計(jì)數(shù)器、活化球等中子閃爍計(jì)數(shù)器，具有計(jì)數(shù)效率高、導(dǎo)體計(jì)數(shù)器、活化球等中子閃爍計(jì)數(shù)器，具有計(jì)數(shù)效率高、時(shí)間響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。時(shí)間響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。（一）硫化鋅快中子屏（一）硫化鋅快中子屏工作原理：將工作原理：將ZnSZnS(Ag)(Ag)粉與有機(jī)玻璃粉均粉與有機(jī)玻璃粉均勻混合，利用勻混合，利用快中子快中子在有機(jī)玻璃中產(chǎn)生在有機(jī)玻璃中產(chǎn)生反反沖質(zhì)子沖質(zhì)子使硫化鋅使硫化鋅閃爍體發(fā)光閃爍體發(fā)光，再經(jīng)，再經(jīng)光電倍光電倍增管增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。 為提高探測(cè)效

26、率，常把這種混合體嵌為提高探測(cè)效率，常把這種混合體嵌在有機(jī)玻璃筒內(nèi)，制成花卷型快中子屏。在有機(jī)玻璃筒內(nèi)，制成花卷型快中子屏?；ň硇涂熘凶悠粱ň硇涂熘凶悠罿nS(Ag)+C5H8O23.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類（二）硫化鋅慢中子屏（二）硫化鋅慢中子屏工作原理：工作原理：將將ZnSZnS(Ag) (Ag) 粉與含硼化合物（如粉與含硼化合物（如B B2 2O O3 3 ）均勻混合，）均勻混合，慢慢中子中子與與 1010B B 產(chǎn)生的產(chǎn)生的 和和 7 7Li Li 與與ZnSZnS(Ag) (Ag) 閃爍體作用閃爍體作用產(chǎn)生熒光產(chǎn)生熒光，然后被，然后被光電倍增管放大為電信號(hào)輸出。為

27、提高效率，將閃爍體作成中空光電倍增管放大為電信號(hào)輸出。為提高效率，將閃爍體作成中空形，套在光電倍增管上。形，套在光電倍增管上。特點(diǎn)：對(duì)熱中子和慢中子的探測(cè)效率高，且易于甄別特點(diǎn)：對(duì)熱中子和慢中子的探測(cè)效率高，且易于甄別 本底。本底。3.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類（三）含鋰閃爍體（三）含鋰閃爍體 一種鋰閃爍體一種鋰閃爍體( LiO2.2 SiO2(Ce) )，是鋰玻璃，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是鋰玻璃，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，其透光性、耐酸、耐腐蝕、耐高溫很好，適于探測(cè)，其透光性、耐酸、耐腐蝕、耐高溫很好，適于探測(cè)堆內(nèi)堆內(nèi)中子。中子。 特點(diǎn)：熱中子效率很高，厚度為特點(diǎn)：熱中子效率很

28、高，厚度為 0.4 cm 的鋰玻璃，效率可接近的鋰玻璃，效率可接近100。下表給出了鋰含量為。下表給出了鋰含量為6.5 (其中其中 6Li 濃縮到濃縮到96)的的鋰玻璃閃爍體鋰玻璃閃爍體，厚度，厚度為為 2.54cm時(shí)對(duì)各種能量中子的探測(cè)效率。時(shí)對(duì)各種能量中子的探測(cè)效率。中子中子能量能量( (KeV) )0.010.111010025051010602,1703360計(jì)算計(jì)算效率效率89.4258.5427.129.955.3016.53實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)效率效率9.955.2014.903.501.561.091.363.3.2 中子探測(cè)儀表的種類中子探測(cè)儀表的種類（四）有機(jī)閃爍體（四）有機(jī)閃爍體 由

29、于有機(jī)閃爍體均為富含由于有機(jī)閃爍體均為富含氫氫的的CHCH化合物物質(zhì)，發(fā)光時(shí)間短，適于高化合物物質(zhì)，發(fā)光時(shí)間短，適于高通量中子的測(cè)量，對(duì)通量中子的測(cè)量，對(duì) 本底需作甄別處理。本底需作甄別處理。各種閃爍體測(cè)量中子的性能對(duì)比各種閃爍體測(cè)量中子的性能對(duì)比名 稱型 號(hào)規(guī) 格(cm)探測(cè)效 率光衰時(shí)間光譜峰(1010m)用 途ZnS 快中快中子屏子屏混合型混合型32,5010.2S4500快中子快中子花卷型花卷型502020.2S4500快中子快中子ZnS 慢中慢中子屏子屏濃縮硼濃縮硼501.5100.2S4500慢中子慢中子天然硼天然硼501.550.2S4500慢中子慢中子鋰玻璃鋰玻璃濃縮鋰濃縮鋰4

30、0100.1S3950熱中子、熱中子、中能中子中能中子蒽蒽ST- 501105030 ns4470發(fā)光標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光標(biāo)準(zhǔn)塑料體塑料體ST- 4014005 ns4200快中子計(jì)數(shù)快中子計(jì)數(shù)液閃爍體液閃爍體ST- 501104,H303.7 ns4200特快中子特快中子3.4 反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng) 堆外檢測(cè)系統(tǒng)堆外檢測(cè)系統(tǒng)包括包括堆外核測(cè)量系統(tǒng)堆外核測(cè)量系統(tǒng)和和熱工參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)熱工參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。3.4.1 3.4.1 堆外中子注量率測(cè)量堆外中子注量率測(cè)量 堆外核測(cè)量系統(tǒng)的主要功能是：堆外核測(cè)量系統(tǒng)的主要功能是： 1. 1.連續(xù)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率，功率變化及功率分布連續(xù)監(jiān)測(cè)反

31、應(yīng)堆功率，功率變化及功率分布，對(duì)測(cè)得的各種對(duì)測(cè)得的各種信號(hào)加以顯示記錄在反應(yīng)堆裝料、啟動(dòng)、停閉及功率運(yùn)行時(shí)給操信號(hào)加以顯示記錄在反應(yīng)堆裝料、啟動(dòng)、停閉及功率運(yùn)行時(shí)給操縱員提供反應(yīng)堆內(nèi)中子注量率的信息縱員提供反應(yīng)堆內(nèi)中子注量率的信息； 2. 2.監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆徑向功率傾斜徑向功率傾斜和和軸向功率偏差軸向功率偏差； 3. 3.向反應(yīng)堆向反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，反應(yīng)堆系統(tǒng)，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)提供中子信號(hào)，當(dāng)提供中子信號(hào)，當(dāng)中子注量率高、中子注量率變化率高時(shí)，觸發(fā)反應(yīng)堆中子注量率高、中子注量率變化率高時(shí)，觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停閉緊急停閉。 壓水堆啟動(dòng)時(shí)，中子注量率的變化范圍很大，從啟動(dòng)時(shí)功率壓

32、水堆啟動(dòng)時(shí)，中子注量率的變化范圍很大，從啟動(dòng)時(shí)功率至滿功率時(shí)中子注量率變化可大到至滿功率時(shí)中子注量率變化可大到6 6至至1212個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，如果只。因此，如果只用一種探測(cè)器來(lái)覆蓋所需要的整個(gè)測(cè)量范圍很困難，通常把所需用一種探測(cè)器來(lái)覆蓋所需要的整個(gè)測(cè)量范圍很困難，通常把所需測(cè)量范圍分成幾段，分別配以適當(dāng)?shù)暮藴y(cè)量通道加以測(cè)定。測(cè)量范圍分成幾段，分別配以適當(dāng)?shù)暮藴y(cè)量通道加以測(cè)定。 一般分成一般分成源量程測(cè)量通道源量程測(cè)量通道、中間量程測(cè)量通道中間量程測(cè)量通道和和功率量程測(cè)量通道功率量程測(cè)量通道三段，各個(gè)測(cè)量通道所測(cè)定的范圍見(jiàn)圖。從圖上可以看出，各個(gè)量程之三段，各個(gè)測(cè)量通道所測(cè)定的范圍見(jiàn)圖

33、。從圖上可以看出，各個(gè)量程之間的銜接至少重疊一個(gè)數(shù)量級(jí)，以保證控制和保護(hù)的連續(xù)性。間的銜接至少重疊一個(gè)數(shù)量級(jí)，以保證控制和保護(hù)的連續(xù)性。 堆芯外中子探測(cè)器與堆芯外中子探測(cè)器與相應(yīng)的量程范圍相應(yīng)的量程范圍3.4 反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)3.4.2 3.4.2 各個(gè)量程測(cè)量通道通常選用的探測(cè)器及儀表組成各個(gè)量程測(cè)量通道通常選用的探測(cè)器及儀表組成壓水堆堆外核測(cè)量系統(tǒng)的組成壓水堆堆外核測(cè)量系統(tǒng)的組成 源量程測(cè)量通道源量程測(cè)量通道中間量程通道中間量程通道功率量程測(cè)量通道功率量程測(cè)量通道探測(cè)器探測(cè)器靈敏度靈敏度硼正比計(jì)數(shù)管8counts/(n/cm2s) 硼補(bǔ)償電離室810-1

34、4A/(n/cm2s）長(zhǎng)電離室 2.310-14A/（n/cm2s）探測(cè)器探測(cè)器量程量程10-110n/（cm2s）0.8 Cs1.6106Cs 210251010n/(cm2s)1.610-12410-3A510251010 n/（cm2s）11.510-121.15A 顯示儀表顯示儀表 量程量程1106 counts/s10-1110-3A1.710-71.710-3A（106% 滿功率）3.4 反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)3.4.3 3.4.3 核儀表系統(tǒng)核儀表系統(tǒng) ( (RPN) ) 一、系統(tǒng)功能：一、系統(tǒng)功能：. .提供信號(hào)：反應(yīng)堆功率、功率變化及功率分布；提

35、供信號(hào)：反應(yīng)堆功率、功率變化及功率分布；. .提供控制信號(hào)，移動(dòng)控制棒；提供控制信號(hào)，移動(dòng)控制棒；. .監(jiān)測(cè)功能監(jiān)測(cè)功能: :監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆徑向傾斜和軸向功率偏差。監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆徑向傾斜和軸向功率偏差。二、系統(tǒng)組成：二、系統(tǒng)組成：22個(gè)源量程測(cè)量通道（正比計(jì)數(shù)管）；個(gè)源量程測(cè)量通道（正比計(jì)數(shù)管）；22個(gè)中間量程測(cè)量通道（補(bǔ)償電離室）；個(gè)中間量程測(cè)量通道（補(bǔ)償電離室）；44個(gè)功率量程測(cè)量通道（非補(bǔ)償電離室）長(zhǎng)電離室，個(gè)功率量程測(cè)量通道（非補(bǔ)償電離室）長(zhǎng)電離室，分分6 6個(gè)靈敏段，分別測(cè)量堆芯上部、下部中子通量。個(gè)靈敏段，分別測(cè)量堆芯上部、下部中子通量。反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)探測(cè)器的位置反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)探測(cè)器的位置探測(cè)

36、器軸向布置探測(cè)器軸向布置探測(cè)器徑向布置探測(cè)器徑向布置3.4 反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)3.4.4 3.4.4 三個(gè)測(cè)量通道原理三個(gè)測(cè)量通道原理 1. 1. 源量程測(cè)量通道（源量程測(cè)量通道（CNS） 由兩個(gè)獨(dú)立的相同線路組成。在反應(yīng)堆停堆期間和啟由兩個(gè)獨(dú)立的相同線路組成。在反應(yīng)堆停堆期間和啟動(dòng)初始階段，測(cè)量范圍從動(dòng)初始階段，測(cè)量范圍從1010-1 -1到到2 2 10105 5 n /n /（cmcm2 2ss ），）， 探測(cè)器采用正比計(jì)數(shù)管，計(jì)數(shù)管內(nèi)壁涂硼，管內(nèi)充以探測(cè)器采用正比計(jì)數(shù)管，計(jì)數(shù)管內(nèi)壁涂硼，管內(nèi)充以氬氣和少量的二氧化碳，外加直流高壓氬氣和少量的二氧化碳，外

37、加直流高壓( 900V ( 900V ）。）。 任務(wù)：指示反應(yīng)堆啟動(dòng)過(guò)程中的功率和功率變化速度，任務(wù)：指示反應(yīng)堆啟動(dòng)過(guò)程中的功率和功率變化速度，同時(shí)為保護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)功率與周期保護(hù)信號(hào)。同時(shí)為保護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)功率與周期保護(hù)信號(hào)。 輸出電流送到周期計(jì)線路用于顯示；輸出電流送到周期計(jì)線路用于顯示； 模擬量輸出線路模擬量輸出線路用于指示用于指示 和記錄；邏輯量輸出線路用于啟動(dòng)報(bào)警及反應(yīng)堆和記錄；邏輯量輸出線路用于啟動(dòng)報(bào)警及反應(yīng)堆保護(hù)。保護(hù)。源量程檢測(cè)儀表系統(tǒng)源量程檢測(cè)儀表系統(tǒng)3.4 反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)周周 期期 計(jì)計(jì)在源量程和中間量程測(cè)量通道中都包括周期計(jì)，它產(chǎn)生功率倍增時(shí)

38、間信號(hào)，送往在源量程和中間量程測(cè)量通道中都包括周期計(jì)，它產(chǎn)生功率倍增時(shí)間信號(hào)，送往顯示器，以顯示中子注量率變化一倍的時(shí)間顯示器，以顯示中子注量率變化一倍的時(shí)間T T。反應(yīng)堆功率變化遵守指數(shù)規(guī)律：反應(yīng)堆功率變化遵守指數(shù)規(guī)律：其中：其中：P P0 0為為t=0 t=0 時(shí)的堆功率；時(shí)的堆功率；P P為為t t時(shí)刻的堆功率；時(shí)刻的堆功率；T T為功率倍增周期為功率倍增周期( (倍增時(shí)間倍增時(shí)間) )。上式兩邊取對(duì)數(shù)：上式兩邊取對(duì)數(shù)：TtPP20PdtdTTPdtdTtPPlg2lg2lglg2lglglg0 倍增周期，代表堆功率變化趨勢(shì)、快慢和反應(yīng)堆所處的狀態(tài)。倍增周期，代表堆功率變化趨勢(shì)、快慢和反應(yīng)堆所處的狀態(tài)。 T=3sT=3s，說(shuō)明堆功率每，說(shuō)明堆功率每3s3s增加增加1 1倍，反應(yīng)堆處于超臨界狀態(tài)；倍，反應(yīng)堆處于超臨界狀態(tài)； T= - 25 sT= - 25 s，說(shuō)明堆功率每，說(shuō)明堆