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)第1頁/共44頁章節(jié)內(nèi)容3.1堆芯外的定義3.2核反應(yīng)堆功率的測(cè)量3.3中子探測(cè)儀表3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)第2頁/共44頁3.1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義為受低于1011ncm-2s-1

的中子通量照射的敏感元件。通常安置在壓力殼外壁處，也可置于熱屏蔽區(qū)域內(nèi)。堆功率儀表系統(tǒng)用來測(cè)量反應(yīng)堆功率及監(jiān)視堆內(nèi)中子通量密度(中子注量率)變化信息的。具有：

1、運(yùn)行功能

監(jiān)測(cè)堆功率、功率變化及其分布。

2、安全功能

向保護(hù)系統(tǒng)提供停堆信號(hào)等。第3頁/共44頁3.2核反應(yīng)堆功率的測(cè)量

反應(yīng)堆是依靠核燃料的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來維持工作的，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、瞬發(fā)γ等輻射線，它們都是裂變能的載體，它們的核輻射強(qiáng)度與反應(yīng)堆功率成正比，它們消耗在堆內(nèi)的熱量也與堆功率成正比，因此，可以通過測(cè)量中子或γ射線的強(qiáng)度，及測(cè)量堆芯溫度等來間接測(cè)量反應(yīng)堆的功率。

通常是用堆芯外中子監(jiān)測(cè)儀表來測(cè)量反應(yīng)堆功率。第4頁/共44頁3.3中子探測(cè)儀表3.3.1中子探測(cè)的基本方法基本原理：探測(cè)中子是通過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，中子探測(cè)儀表必須具備“輻射體”，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)?；痉椒ǎ汉朔磻?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。第5頁/共44頁3.3中子探測(cè)儀表一、核反應(yīng)法主要測(cè)量慢中子，有以下三種核反應(yīng)：

10B(n,α)7Li+2.792MeVσ0=3840±11b

6Li(n,α)3T+4.786MeVσ0=936±6b

3He(n,p)3T+0.764MeVσ0=5327±10b能量為En

的中子微觀截面σ=σ0(1／υ)第6頁/共44頁3.3中子探測(cè)儀表二、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姾桑x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。通常是利用含氫物質(zhì)作為輻射體。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)，A=1，上式為：當(dāng)En≤20MeV

時(shí)散射截面能譜見右圖。在0.1～10MeV之間遵從1╱υ定律。設(shè)：中子注量率為φ，單位體積靶物質(zhì)的原子核數(shù)目為N，厚度為d，面積為S，散射截面為σs，則靶內(nèi)單位時(shí)間的反沖核數(shù)Np

為：第7頁/共44頁3.3中子探測(cè)儀表三、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，極易甄別γ射線對(duì)測(cè)量中子通量的干擾。

233U、235U、239U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。

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。第8頁/共44頁

裂變材料熱中子裂變截面(b)

裂變閾

(MeV)3MeV時(shí)的裂變截面(b)

半衰期

(天)232Th231Pa234U236U238U237Np

≤0.0002

0.01

0.0006─≤0.00050.0191.30.50.40.850.551.50.000190.00110.00150.000850.000550.0015

1.41×10103.38×10102.45×1052.34×1074.47×1092.4×106常用裂變閾探測(cè)器材料的特性表第9頁/共44頁3.3中子探測(cè)儀表四、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：

n+115In→116In+γ

116In→116Sn+β－

+ν－

測(cè)量β－的強(qiáng)度就能夠確定中子的通量密度。小結(jié)

從上述4種中子探測(cè)方法可知，中子探測(cè)過程可分為兩個(gè)部分：（1）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；（2）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。第10頁/共44頁四種中子探測(cè)方法比較方法核反應(yīng)靶材料截面(b)用途核反應(yīng)(n,α)(n,p)10B,6Li,3He～103熱、慢中子的注量率核反沖(n,n’)H～1快中子注量率核裂變(n,f)233U,235U,239Pu等～5×102

熱中子注量率活化(n,γ)In,Au,Dy等熱中子：～1×102共振中子：～103快中子：～1慢中子的注量率第11頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類一、氣體探測(cè)器

Ⅲ正比區(qū)：V2→V3：電子在電場(chǎng)加速中獲得能量足以產(chǎn)生二次電離，產(chǎn)生了電離雪崩。輸出AN0正負(fù)離子對(duì)，脈沖幅度為：

ⅤG-M區(qū)當(dāng)電壓大于V4

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關(guān)。

Ⅰ、復(fù)合區(qū)：0→V1

Ⅱ、電離區(qū)：V1→V2，原電離離子全被電極收集。Ⅳ有限正比區(qū)：V3→V4

當(dāng)電壓大于V3后，原電離電荷大的，比小的其放大倍數(shù)相對(duì)變小，即放大倍數(shù)A與人射粒子能量有關(guān)。第12頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類(一)、電離室

⒈工作原理與結(jié)構(gòu)中子在涂硼電極上產(chǎn)生帶電粒子，當(dāng)它進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，與室內(nèi)充氣(氦、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)生輸出電流I，這一電流量I

的大小反映了中子注量率的大小。

式中：V─電離室的有效體積;

N0─單位體積、單位時(shí)間原電離子數(shù);第13頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類2.電離室的輸出脈沖電離室輸出脈沖幅度Um為：

式中：△E─中子間接產(chǎn)生的粒子損失在電離室的能量;C─電離室輸出有效電容(法);W─平均電離能;e

是電子電荷量。3.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Ii由正、負(fù)離子電流I+、I-所組成的。即：

Ii=I++I-正、負(fù)離子運(yùn)動(dòng)速度分別為：電場(chǎng)強(qiáng)度E(x)=V／(b-a)第14頁/共44頁3.3.2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)離子都產(chǎn)生在x0處，以速度為w+(x)的正離子由x0到達(dá)b處的時(shí)間為T

，則電離室電流是Ii由正、負(fù)離子電流I+、I-所組成的。即：

Ii=I++I-_平行板電離室內(nèi)，負(fù)離子由x0以速度為w-(x)到達(dá)a處的時(shí)間為T-，同理可以求得：第15頁/共44頁4.平行板電離室輸出電流I

一個(gè)電子在電場(chǎng)E的作用下所作的功率為eEw-，又等于V×Ie

，所以

V×Ie=eEw-其中：E

=V／(b-a);w-=μ-.E／P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n，則它產(chǎn)生的電流為I-(t)，正離子電流為I+(t)：3.3.2中子探測(cè)儀表的種類第16頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類5.平行板電離室輸出電壓脈沖電離室電流輸出經(jīng)過RC網(wǎng)絡(luò)積分，就會(huì)得到一輸出脈沖，RC時(shí)間常數(shù)不同，則脈沖形狀不同。對(duì)于RC>R1C1>R2C2>R3C3

情況的電離室電壓脈沖如右下圖所示。第17頁/共44頁6.圓柱形電離室輸出電流及電壓脈沖圓柱形電離室電流輸出情況與平行板電離室電壓脈沖相似，如圖所示。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

通過同樣計(jì)算可求得正、負(fù)離子的收集時(shí)間T+、T-，及輸出電流I+、I-

，u+max、u-max的表示式為：第18頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類7.

γ補(bǔ)償電離室在有強(qiáng)γ場(chǎng)的情況下，要探測(cè)中子的強(qiáng)度，就需要消除γ在電離室產(chǎn)生的電流的影響，通常使用γ補(bǔ)償電離室。參見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In，γ產(chǎn)生的電流Iγ，在γ電離室區(qū)內(nèi)，只有γ產(chǎn)生的電流Iγ，它與前者的方向相反，所以，電流表的讀數(shù)為：

I=(In+Iγ)–Iγ=In

通過調(diào)節(jié)電壓V1

使γ電流值抵消，就可補(bǔ)償γ影響，測(cè)量電流即為中子產(chǎn)生的電流。它對(duì)熱中子的靈敏度為：

4×10-12A／(n／cm2S)適用于熱中子通量范圍：

2.5×102

～1010n／(cm2S)第19頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類8.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)2.3×10-14A／(n.cm2.s)。

電離室高壓電極(負(fù)極)的內(nèi)壁及收集極外壁涂硼，室內(nèi)充1％的氦和6％的氮，93％的氬氣。由于中子產(chǎn)生的電流較大，γ的影響較小。第20頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類(二)、BF3

正比計(jì)數(shù)器1.BF3

正比計(jì)數(shù)器

10B(n,α)7Li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103

～105；En是中子的動(dòng)能；Q是反應(yīng)能；e是電子電荷量；W

是平均電離能；C是計(jì)數(shù)器的等效輸出電容。主要用于熱中子的測(cè)量。

有以下兩種：①充BF3氣體的正比計(jì)數(shù)管②涂硼正比計(jì)數(shù)管在堆芯外源量程中配備。其靈敏度為：8counts／(n／cm2.s)第21頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類應(yīng)用BF3

正比計(jì)數(shù)器可用于測(cè)量一回路冷卻水的硼濃度。

引出一個(gè)測(cè)量回路，兩側(cè)放置中子源和中子探測(cè)器進(jìn)行比較測(cè)量。一次冷卻劑硼濃度測(cè)量原理圖第22頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類2.長(zhǎng)計(jì)數(shù)管所謂長(zhǎng)計(jì)數(shù)管，是利用在很長(zhǎng)能量范圍內(nèi)探測(cè)中子的效率平坦變化的材料，作為計(jì)數(shù)管的輻射體的正比計(jì)數(shù)管。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～快中子。長(zhǎng)計(jì)數(shù)管中子探測(cè)效率與能量的關(guān)系第23頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類二、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)。（一）硫化鋅快中子屏工作原理：將ZnS(Ag)粉與有機(jī)玻璃粉均勻混合，利用快中子在有機(jī)玻璃中產(chǎn)生反沖質(zhì)子使硫化鋅閃爍體發(fā)光，再經(jīng)光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。

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?；ň硇涂熘凶悠罿nS(Ag)+C5H8O2第24頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類（二）硫化鋅慢中子屏工作原理：將ZnS(Ag)粉與含硼化合物（如B2O3）均勻混合，慢中子與10B產(chǎn)生的α和7Li與ZnS(Ag)閃爍體作用產(chǎn)生熒光，然后被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。特點(diǎn)：對(duì)熱中子和慢中子的探測(cè)效率高，且易于甄別γ本底。第25頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類（三）含鋰閃爍體一種鋰閃爍體(LiO2.2SiO2(Ce))，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)堆內(nèi)中子。特點(diǎn)：熱中子效率很高，厚度為0.4cm的鋰玻璃，效率可接近100％。下表給出了鋰含量為6.5％(其中6Li濃縮到96％)的鋰玻璃閃爍體，厚度為2.54cm時(shí)對(duì)各種能量中子的探測(cè)效率。中子能量(KeV)0.010.111010025051010602,1703360計(jì)算效率89.4258.5427.129.955.3016.53實(shí)測(cè)效率9.955.2014.903.501.561.091.36第26頁/共44頁3.3.2中子探測(cè)儀表的種類（四）有機(jī)閃爍體由于有機(jī)閃爍體均為富含氫的CH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)γ本底需作甄別處理。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快中子屏混合型Φ32,5010.2μS4500快中子花卷型Φ50×2020.2μS4500快中子ZnS慢中子屏濃縮硼Φ50×1.5100.2μS4500慢中子天然硼Φ50×1.550.2μS4500慢中子鋰玻璃濃縮鋰Φ40×100.1μS3950熱中子、中能中子蒽ST-501Φ10～5030ns4470發(fā)光標(biāo)準(zhǔn)塑料體ST-401Φ≤4005ns4200快中子計(jì)數(shù)液閃爍體ST-501Φ104,H303.7ns4200特快中子第27頁/共44頁3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)

堆外檢測(cè)系統(tǒng)包括堆外核測(cè)量系統(tǒng)和熱工參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。3.4.1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：

1.連續(xù)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率，功率變化及功率分布，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)給操縱員提供反應(yīng)堆內(nèi)中子注量率的信息；

2.監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆徑向功率傾斜和軸向功率偏差；

3.向反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)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)功率至滿功率時(shí)中子注量率變化可大到6至12個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，如果只用一種探測(cè)器來覆蓋所需要的整個(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。第28頁/共44頁一般分成源量程測(cè)量通道、中間量程測(cè)量通道和功率量程測(cè)量通道三段，各個(gè)測(cè)量通道所測(cè)定的范圍見圖。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。堆芯外中子探測(cè)器與相應(yīng)的量程范圍第29頁/共44頁3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)3.4.2各個(gè)量程測(cè)量通道通常選用的探測(cè)器及儀表組成壓水堆堆外核測(cè)量系統(tǒng)的組成

源量程測(cè)量通道中間量程通道功率量程測(cè)量通道探測(cè)器靈敏度硼正比計(jì)數(shù)管8counts/(n/cm2·s)

硼補(bǔ)償電離室8×10-14A/(n/cm2·s）長(zhǎng)電離室2.3×10-14A/（n/cm2·s）探測(cè)器量程10-1～２×10５n/（cm2·s）0.8C／s～1.6×106C／s2×102~5×1010n/(cm2·s)1.6×10-12～4×10-3A5×102~5×1010n/（cm2·s）11.5×10-12～1.15A

顯示儀表量程1~106counts/s10-11~10-3A1.7×10-7~1.7×10-3A（106%滿功率）第30頁/共44頁3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)3.4.3核儀表系統(tǒng)(RPN)

一、系統(tǒng)功能：⑴.提供信號(hào)：反應(yīng)堆功率、功率變化及功率分布；⑵.提供控制信號(hào)，移動(dòng)控制棒；⑶.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。二、系統(tǒng)組成：——2個(gè)源量程測(cè)量通道（正比計(jì)數(shù)管）；——2個(gè)中間量程測(cè)量通道（補(bǔ)償電離室）；——4個(gè)功率量程測(cè)量通道（非補(bǔ)償電離室）長(zhǎng)電離室，分6個(gè)靈敏段，分別測(cè)量堆芯上部、下部中子通量。第31頁/共44頁反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)探測(cè)器的位置第32頁/共44頁探測(cè)器軸向布置第33頁/共44頁探測(cè)器徑向布置第34頁/共44頁3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)3.4.4三個(gè)測(cè)量通道原理

1.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)堆停堆期間和啟動(dòng)初始階段，測(cè)量范圍從10-1到2105n/（cm2·s

），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(900V）。任務(wù)：指示反應(yīng)堆啟動(dòng)過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)。

輸出電流送到周期計(jì)線路用于顯示；模擬量輸出線路用于指示和記錄；邏輯量輸出線路用于啟動(dòng)報(bào)警及反應(yīng)堆保護(hù)。第35頁/共44頁源量程檢測(cè)儀表系統(tǒng)第36頁/共44頁3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測(cè)儀表系統(tǒng)周期計(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)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T。反應(yīng)堆功率變化遵守指數(shù)規(guī)律：其中：P0為t=0時(shí)的堆功率；P為t時(shí)刻的堆功率；T為功率倍增周期(倍增時(shí)間)。上式兩邊取對(duì)數(shù)：

倍增周期，代表堆功率變化趨勢(shì)、快慢和