堆芯中子注量率測量

包括早期的活化絲系統(tǒng)和在德國壓水堆核電廠中廣泛應(yīng)用的氣動球探測系統(tǒng)。

(1)活化絲法:早期的反應(yīng)堆利用一套機(jī)械裝置把各金屬絲送入堆芯內(nèi)預(yù)定位置，金屬絲在堆芯經(jīng)輻照活化后，再在堆外測出金屬絲的活性。常用的活化絲有鎢絲、錳絲等。

(2)氣動球系統(tǒng):運(yùn)用壓縮空氣運(yùn)載的系統(tǒng)。將直徑1.6mm的實(shí)心釩鋼球經(jīng)管道從堆頂吹入預(yù)先選定的堆芯中子注量率測量管道。這些鋼球含有V，V吸收中子后生成活化核V，V衰變(半衰期3.76min)放射出β粒子及γ射線。釩鋼球在堆內(nèi)經(jīng)過3min左右的照射后，再由壓縮空氣沿原路經(jīng)反方向吹出堆芯，送到測量臺。小球柱的高度與堆芯高度相同，其活化強(qiáng)度與軸向中子注量率分布成比例。測量時，每4到8個小球柱為一組，每個小球柱又按順序分成30個小段，每段測量時間為1s。圖3是一組氣動球測量系統(tǒng)的示意圖。堆芯內(nèi)設(shè)有24個氣動球測量管道，分布在堆芯不同方位、不同半徑處。每4個氣動球測量管道組裝在一個機(jī)械構(gòu)件上，并通過一個出口穿過壓力容器頂蓋。用半導(dǎo)體探測器測量小球的γ放射性，24個小球柱分4組測量，每組6個小球柱同時測量，每個小球柱分成30個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)測1s，測完一組約半分鐘，4組共2min。測得的脈沖信號經(jīng)前置放大器甄別、放大后送到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。采用過程計(jì)算機(jī)，根據(jù)所測得的脈沖速率，經(jīng)若干修正，求出同一時間內(nèi)歸一化了的反應(yīng)堆功率分布。屬于這種修正的有小球的殘余放射性和小球在堆內(nèi)停留所造成的偏差。通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，氣動球堆芯中子測量系統(tǒng)還給出臨界熱流密度比、最大線釋熱率、軸向功率偏差因子和象限功率傾斜因子等參數(shù)。為提高精確度，測量前用Co標(biāo)準(zhǔn)源對半導(dǎo)體探測器進(jìn)行標(biāo)定 。

測量裝置包括芯內(nèi)裂變室、微型電離室、相應(yīng)的機(jī)械裝置;或者固定在堆內(nèi)的自給能中子探測器。

(1)芯內(nèi)裂變室:在壓水堆和沸水堆中，大多數(shù)移動式堆芯中子注量率測量系統(tǒng)都采用芯內(nèi)裂變室作為中子敏感元件。裂變室的特點(diǎn)是鈾內(nèi)襯的燃耗相當(dāng)小。在脈沖基數(shù)、均方電壓、平均電流(直流)三種基本方式中裂變室都能滿意地工作。因此，在源量程通道(采用脈沖計(jì)數(shù))、中間量程通道(采用均方電壓技術(shù))以及功率量程通道(采用平均電流技術(shù))中，堆芯內(nèi)裂變室都是適宜的。但裂變室的最佳設(shè)計(jì)(大小、材料、充氣壓力、發(fā)射極-收集極間隙、中子靈敏度等)是不同的。有兩種基本型式的堆芯內(nèi)裂變室，見圖1。一種型式是在探測器外殼的內(nèi)側(cè)，鍍富集鈾層，形成靈敏體積的外壁。第二種型式是在靈敏體積的外表面加上一個富集鈾-鋁合金的機(jī)加工套筒。越是精心地控制鈾鍍層或鈾-鋁套筒的重量和厚度，就越能夠準(zhǔn)確地控制探測器的中子靈敏度。芯內(nèi)裂變室充以零點(diǎn)幾個兆帕的填充氣體，最普通的是氬氣，其他有氦、氮或氬與氮的混合氣體。裂變室的中子靈敏度取決于發(fā)射極與收集極之間的間隙。電離電流是所充氣體原子數(shù)的函數(shù)。間隙大產(chǎn)生的電流亦大。在較高的中子注量率下，必須把間隙減小。為提高信號噪聲比，最好的辦法是增加敏感元件所用鈾的富集度，增大鈾的表面積。利用改變裂變室的直徑和長度來改變表面積，因此存在一種能產(chǎn)生最高信號噪聲比的結(jié)構(gòu)形狀。堆芯內(nèi)裂變室的外徑約6mm左右，敏感長度約12~25mm。

(2)微型電離室:涂硼電離室可以滿意地作為移動式堆芯中子注量率測量的敏感元件。一般來講，堆芯內(nèi)裂變室在堆芯滿功率工作9個月之后，其中子靈敏度降至其初始值的50%;而微型電離室在一個半月內(nèi)，其中子靈敏度就降低50%(由于B的熱中子截面比U大6倍，導(dǎo)致燃耗太大)。作為移動式堆芯測量裝置，穿過整個芯部所要求的時間很少超過3min，而穿過堆芯的頻率很少多于每月一次。因此，涂硼電離室能滿意地工作多年。

(3)堆芯中子注量率測量系統(tǒng):包括探測器及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)、測量管道選擇器、管道等機(jī)械裝置，以及信號處理設(shè)備等幾部分。操縱員操縱選擇器，選擇相應(yīng)測量管道，由驅(qū)動機(jī)構(gòu)將其從堆底送入堆芯預(yù)定的測量管道，并沿堆芯作由底至頂和由頂至底的運(yùn)動，在運(yùn)動過程中測出電流信號并經(jīng)探測器尾部電纜傳送到信號處理設(shè)備。一個900MW的壓水堆核電廠在壓力容器底部設(shè)有50個孔道與堆芯內(nèi)50個中子注量率測量管道相連接，利用5套探測器驅(qū)動機(jī)構(gòu)，每個探測器順序穿過10個孔道，反復(fù)插抽。完成一次中子注量率分布圖測量約需2h。

(4)自給能中子探測器:自給能中子探測器是利用其中子活化材料的基本放射性衰變產(chǎn)生信號電流的，不要求外來的電離或收集電壓的能源，就能產(chǎn)生信號電流。探測器沒有發(fā)生電離的充氣區(qū)域，而該區(qū)域卻被用作中子敏感材料的固體結(jié)構(gòu)所代替。中子敏感材料與導(dǎo)線連接，同時用緊密充填的陶瓷絕緣體使導(dǎo)線和中子敏感材料與探測器的外套分隔開。所形成的探測器就像一根以無機(jī)物絕緣的同軸電纜，體積小而結(jié)實(shí)。簡單的結(jié)構(gòu)使這種探測器具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中包括價格低廉、讀出設(shè)備簡單、燃耗率低、壽命長和靈敏度重現(xiàn)性好。

一個典型的自給能中子探測器由4部分組成:發(fā)射極，絕緣體，導(dǎo)線和外套(或收集極)。發(fā)射極是一種熱中子活化截面適當(dāng)高的材料，活化以后，通過發(fā)射高能β射線以適當(dāng)?shù)陌胨テ谶M(jìn)行衰變，電子就在這種衰變過程中逸出。絕緣體是固體，在堆芯內(nèi)溫度和核輻照環(huán)境下，它必須保持高電阻性能;按理想情況，它應(yīng)該不發(fā)射由中子活化引起的β或電子(導(dǎo)線和外套或收集極必須只發(fā)射很少的β或電子)，這樣，不希望有的本底信號才能最小。圖2示出自給能中子探測器的結(jié)構(gòu)圖，對中子敏感的發(fā)射極固定在因科鎳導(dǎo)線上，發(fā)射極和導(dǎo)線穿過氧化鎂絕緣體，因科鎳外套滑套在絕緣體上，把整個組件擠壓成直徑為1.5mm表面光滑的長圓柱形部件。

自給能探測器主要有下列三種:①發(fā)射極(如銠)俘獲中子后發(fā)生β衰變，即β流中子探測器;②發(fā)射極(如鈷、鈧或鎘)俘獲中子后放出瞬發(fā)γ，而后由激發(fā)核發(fā)射出荷能電子，即內(nèi)轉(zhuǎn)換中子探測器;③發(fā)射極俘獲或散射γ射線，產(chǎn)生康普頓電子和光電子，從而使發(fā)射體荷正電，即自給能γ探測器。

銠和釩是最流行的發(fā)射體材料，其靈敏度(每單位中子注量率每厘米長度)為:1.33×10A(φ0.5銠發(fā)射體)，1.5×10A(φ1.25釩發(fā)射體)，1.2×10A(φ1.5鈷發(fā)射體)。