大学精品课件：第八章反应堆核测量与辐射监测

1、核工程检测技术,2021/2/8,核工程检测技术,2,第八章 反应堆核测量 与辐射监测,2021/2/8,核工程检测技术,3,反应堆运行监测包括功率(中于通量)监侧、辐射监测和热工参数监测三部分。 功率监测系统的主要职能是监测反应堆从释热到发电的整个过程，并为功率调节系统和保护系统输送信号，以确保反应堆的安全运行； 辐射监测的任务是测量核辐射所造成的剂量和排放物的放射性水平，防止工作人员遭受射线的外照射以及由放射性气体或气溶胶引起的内照射所带来的危害，根据辐射监测系统的指示也可以判断反应堆运行的安全性,2021/2/8,核工程检测技术,4,第一节 核仪表的工作原理,一、概述,在核电站中有各种核

2、辐射测量任务，一个核辐射检测装置通常由核辐射探测器、探测器输出信号的处理仪器和其它一些附属设备组成,核辐射探测器是完成测量任务的关键部件,核辐射探测器的主要作用是使进入探测器灵敏区域的核辐射转变为信号处理设备能够接收的信号，例如电信号、光信号、声信号、热信号等,2021/2/8,核工程检测技术,5,使用最多的三类探测器：气体探测器、半导体探测器和闪烁探测器。这三类探测器都是把核辐射转变成电信号，再由电信号处理设备进行分析和处理,在学习这三类探测器时需要了解和掌握的三个主要方面： 探测器把核辐射转变为电信号的物理过程； 探测器的输出回路及其与探测器输出电信号的关系； 探侧器的主要技术指标及其用途

3、,2021/2/8,核工程检测技术,6,探侧器把核辐射转变为电信号的物理过程在很大程度上决定了探测器的主要技术性能和作用,第一个阶段：入射的粒子，如果不是带电的，如光子和中子，则通过与探测器物质的相互作用，转变或产生出带电粒了，这些带电粒子在探测器内的一个特定区域使原子或分子电离和激发,第二个阶段：初电离或激发的原子，在探测器的外加电场中作定向移动，因而在探测器外部负载电路中给出一个电流信号，称为探测器的本征电流信号,2021/2/8,核工程检测技术,7,二、气体探测器,这里主要是指电离室、正比计数器和GM计数器等。因为这三种探测器将核辐射转变成为电信号的物理过程都是在探测器内充特定气体的特定

4、体积中进行的，所以它们统称为气体探测器。气体探测器的结构示意图如右上所示,2021/2/8,核工程检测技术,8,一)气体电离宝,电离室的工作原理可简要地概括为： 当核辐射通过一个中间充有空气，两极加上电压的容器时，容器内空气就产生电离。若容器两极间所加的电压足够高的话，而且正负离子的复合和损失可以忽略不计，即所有形成的离子几乎全部被收集，这时测量电路中的电流达到饱和。电离室就是利用核辐射对物质的电离作用，使其工作特性处于饱和电流区间的检测装置,用电离室作辐射探测器，则可以用核辐射剂量单位直接进行刻度，并且可以测量强辐射场，但要求具有高的绝缘性能、这是由于它受温度和湿度的影响大，容易产生露电,2

5、021/2/8,核工程检测技术,9,二)正比计数管,正比计数器有以下几个特点,1)正比计数器的脉冲高度比电离室增大A倍，因此降低了对 放大器的要求。 (2)由于在一定的工作电压下A是常数，所以正比计数器输出 脉冲幅度正比于入射粒子能量，因此，它和脉冲电离室 一样，具有较高的灵敏度。正比计数器原则只要有一对 离子就可能分辨出来，因此适于探测低能或比电离低 的粒子。 (3)由于A随工作电压而变化，因此，工作中对电源电压的稳 定性要求很高，一般不稳定性0.1,即能测重粒子的能量，又能测其强度，主要用途是用来测射线,2021/2/8,核工程检测技术,10,三)盖革弥勒计数管,盖革弥勒计数管(简写GM计

6、数管)的结构简单，使用方便。灵敏度很高，而价格便宜，能满足测量的多方面要求，是目前应用得相当普遍的一种探侧工具,GM计数管结构,2021/2/8,核工程检测技术,11,计数器脉冲计数与外加电压的关系,复合区：电极收集到离子对数目N低于由带电粒子产生的总的离子对数目N0。N0中有部分因为复合而消失,饱和区：这是电离室的工作区域，电极收集到的离子对数目N正好等于带电粒子产生的总的离子对数目N0，即电极收集到的离子对数目达到饱和,2021/2/8,核工程检测技术,12,计数器脉冲计数与外加电压的关系,正比区：这是正比计数管通常选择的工作区域，其特点是N与N0的比值是个常数，MN/N0，M完全由探测器

7、的结构与外加直流电压的数值所决定，称为气体的放大倍数。M不随N0而变化，即N总是N0成正比,2021/2/8,核工程检测技术,13,计数器脉冲计数与外加电压的关系,有限正比区：其特点是M的数值与N0大小有关。N0比较大时M就比较小，即N与N0的正比关系受到限制,GM区：是GM计数管的工作区域，其特点是M保持定值，仅由计数管的结构与外电压的数值决定，与N0无关,2021/2/8,核工程检测技术,14,1. GM计数管的特点,1)无法甄别射线的种类，若测和混合场时则采用 吸收层甄别掉射线，以达到测量射线的目的； (2)不宜于测量强辐射场，因为存在约104秒的“失 效时间”，在测量强辐射时会有漏计数

8、； (3)适用于低辐射场的测量，因为它具有较高的测量灵 敏度； (4)不需放大器，这就降低了计数设备的价格，因为气 体放大倍数很大； (5)只能用作粒子强度的测量，不能用于入射粒子能量 的测量,2021/2/8,核工程检测技术,15,2. GM计数管的特性,GM计数管的坪曲线,1)坪特性,在放射源强度不变的情况下，计数率随外加电压v变化的曲线称为坪曲线，此曲线上计数率基本上不随v而改变的一段直线称作计数管的“坪”，其长度叫“坪长”，其斜率称为“坪斜”，一个很好的计数管必须具有很宽的坪。一般为（100300）V，坪斜不大于每100V5,2021/2/8,核工程检测技术,16,GM计数管的坪曲线,

9、Vs称为起始电压，VDVG称为“坪区”，即坪长，V0称为实际工作电压。即有,式中：ND和NG为对应于电压VD和VG的计数率,2021/2/8,核工程检测技术,17,2)死时间,死时间又称为失效时间，是GM计数管不能对入射粒子计数的时间，一般约在(100300)s间。 之所以有死时间，是因为计数管在“雪崩电离”之后，正离子鞘屏蔽了电场，造成一定时间内计数的失效。 用表示死时间，对于辐射的绝对测量，可以按下列式于对死时间的影响进行校正,式中：N0为真正计数率；N为实测计数率,2021/2/8,核工程检测技术,18,3)探测效率,探测效率为一个粒子通过计数管的灵敏体积而能引起输出脉冲的几率,GM计数

10、管应用相当广泛，可作、射线强度的相对测量以及源放射性的绝对测量，可用于固定式也可用于便携式仪器上,2021/2/8,核工程检测技术,19,三、固体探测器,利用辐射与固体的相互作用来进行辐射测量的探测器，称为固体探测器,一)闪烁计数器,所谓闪烁计数器就是根据射线照射在某些闪烁体上能使它发出闪光的原理进行测量的一种探测器,闪烁计数器是由闪烁体、光电倍增管和电子线路所组成,2021/2/8,核工程检测技术,20,闪烁计数器的工作原理,闪烁计数器工作原理示意图,当射线照在闪烁体上后发出荧光，利用光导和反光材料，使大部分荧光光子收集到光电倍增管的光阴极上。光子在对光灵敏的阴极上打出光电子，这些光电子经过

11、光电倍增管倍增、放大，倍增后的电子在阳极上产生电压脉冲，此脉冲被电子线路放大和分析后记录下来，这样就可以对粒子进行探测了,2021/2/8,核工程检测技术,21,闪烁体,闪烁体的发光是由于带电粒子通过闪烁体时，它的内部原子或分子被激发处于高能级，而再随即恢复到低能级(基态)时就辐射出光子；对射线来说，是由于光子在闪烁体内产生次级电子，这些次级电子能使闪烁体内的分子或原子激发而产生闪光。 闪光的持续时间一般为106秒的数量级或更短,2021/2/8,核工程检测技术,22,一般可分为无机和有机两大类。 无机晶体有单晶体(Tl激活的NaI和Tl激活的CsI)和粉末晶体(Ag激活的ZnS)。 有机闪烁

12、体又可分为有机晶体、有机溶液和塑料闪烁体等。晶态闪烁体多数是由一些超纯物质加上微量的掺杂物质在高温下结晶而成,闪烁体的分类,2021/2/8,核工程检测技术,23,光电倍增管,光电倍增管是闪烁计数器中最重要的部件之一，它的作用是把闪烁体的光信号转换成电信号，并且充当一个放大倍数大于105的放大器,光电倍增管是一个光阴级和多个倍增电极(又称打拿极)以及一个阳极组成,2021/2/8,核工程检测技术,24,光电倍增管的工作电压(高压v)在实际应用中也要注意选择。按与电极的接法有：正高电极和负高电极接法。正高压的优点是可以减少光电倍增管的噪声，这是因为阴极与外套(接地)之间是等电位的，没有微弱放电产

13、生的噪声，其缺点是输出端隔直电容要耐高压、又要接头绝缘可靠，以免发生危险,负高压：其接法是阳极接地，阴极加负高压，这样就避免了正高压接法的缺点。但却增大光电倍增管的噪声，故在噪声的要求不高的情况下可以使用,2021/2/8,核工程检测技术,25,1)光电倍增管的主要指标及影响因素,总灵敏度 它出管子的倍增系数和光阴极发射光电子的灵敏度决定，用安/流明（光通量单位）。总灵敏度随外加电压而增加,暗电流 它由下述几个原因而产生 a. 各电极，特别是光阴极和前几个打拿极的热电子发射； b. 电极间绝缘材料，管座和管子漏电电流； c. 强电场下才引起的冷电子发射(场致发射)； d. 管子内剩余气体被讯号

14、电离，可能发生光反馈或正离子 反馈，它随工作电压的增加而增加,暗电流对低能射线的测量影响较大，必须设法尽量减少，工作时仔细挑选暗电流小的管子，采取冷却、清洁等措施，以满足工作要求,2021/2/8,核工程检测技术,26,光阴极 光阴极接受光子而放出光电子，是光电倍增管最主要的部分，直接影响光电倍增管的灵敏度及分辨率。光阴极的好坏主要是由阴极材料及窗材料所决定，一般应选用灵敏度高(即光电转换效率高)、灵敏层均匀、与所用荧光体具有合适的光谱响应的管子,分辨时间 通常在109秒数量级。一般要求选用总灵敏度高，暗电流及本底脉冲低，分辨时间短，光谱响应好，性能稳定，能长期工作的光电倍增管。强放射性测量时

15、，还应考虑光负载能力大等性能,2021/2/8,核工程检测技术,27,2)光电倍增管使用时必须注意以下几点,在探头的暗盒透光的情况下(即使透光很少)，决不 能加高压； 为了减少噪音，在正式开始上作前几小时先加上电 压，使光电倍增管达到稳定工作状态； 如输出脉冲很大，在采取降低高压、选取用级数合 适的管子等措施后脉冲仍很大则可以把后几个极联 在一起。如要得到正脉冲，可把最后第二个打拿极 作为输出端,2021/2/8,核工程检测技术,28,分压电阻采用高稳定电阻，并且最好直接焊接在管座 上。关键在于管座的材料必须是良好的绝缘体。 对于聚焦式光电倍增管，各极间电压有确定的关系，因此要严格调整各极间的

16、电压比，以达到最好的聚焦条件，尤其是调节前三个打拿极的电压比最为重要； 磁场对光电倍增管的工作有很大的影响，当光电倍增管改变取向时，地磁场也可能影响它的正常工作（主要是环状聚焦型），因此在磁场附近以及作精确测量时，必须采用磁屏蔽措施,2021/2/8,核工程检测技术,29,闪烁计数器的应用,2)射线探测 用NaI(Tl)可做成不同大小的各种形 状，探测效率有的高达5060，设法降低本底 以后，可以进行很弱放射性的测量,1)粒子的探测 最有效的闪烁体是ZnS(Ag)，它对 粒子发光效率高，探测效率几乎达100所以 当、同时存在时，脉冲易与区别,2021/2/8,核工程检测技术,30,3)粒子的探

17、侧 最常用的是有机闪烁体，可做成任意 大小的晶体、液体、固溶体。塑料闪烁体，具有较 短的死时间、较长的寿命和较好的稳定性。测量低能 粒子，如在测量氚、碳14时，测量用液体闪烁计 数器十分有效，它具有高灵敏度、高效率、避免窗和 源的自吸收、使用方便和测量迅速等优点，能适用多 种形式的环境和生物样品的测量,2021/2/8,核工程检测技术,31,二)半导体探测器,1）工作原理,用半导体材料制成的将射线能量转换成电信号的探测器，它是近些年来发展起来的一种新型核辐射探测器，又称半导体计数器。 实质上是一个半导体材料高掺杂的较大体积的晶体二极管。入射粒子进入半导体探测器后，产生空穴-电子对 ，这些空穴-

18、电子对被探测器两电极的电场分开，并分别被阴极和阳极收集，产生同射线粒子交出的能量成正比的输出脉冲信号，从而可探测射线的强度,2021/2/8,核工程检测技术,32,2）半导体探测器的种类,A 扩散结构,P型硅的一侧表面上扩散入一薄层价的磷使之成为N型硅，从而构成PN结。这种PN结半导体中，N型硅一般做得很薄只约(0.11)m,2021/2/8,核工程检测技术,33,B 面垒型,在一片N型硅表面蒸上薄薄的一层金而制成。金属薄约几百个原子层。这一金属半导体界面有整流特性，也形成耗尽层。工作时以涂金层作为阴极、以N型硅作为阳极,是利用金和半导体之间接触电势差，在半导体中形成没有自由载流子的耗尽层，即

19、是探测器的灵敏区,2021/2/8,核工程检测技术,34,C 锂漂移型,为了探测穿透能力较强的射线，要求探测器有更大的灵敏区。这种效果通常是使锂漂移进入P型半导体材料,进行补偿而获得。由于锗比硅对射线有更高的探测效率，故一般采用锗（锂）漂移探测器。这种探测器的灵敏体积可大于200厘米3。但是,由于其死层较厚，故在探测较低能量的X射线时,往往采用硅（锂）漂移探测器。锂漂移型探测器的另一个特点，是当它被用来探测X及射线时必须保持在低温(77K)和真空中工作,2021/2/8,核工程检测技术,35,3）半导体探测器的性能优缺点,能量分辨本领高,在硅中形成一个电子空穴对需要3.5eV的能量，在锗中需要

20、2.94eV，在气体电离室中需要30eV左右，闪烁计数器则要(100500)eV，这意味着能量为5MeV的粒子能在硅中形成1.43xl06电子空穴对，统计涨落按泊松分布估计时是1.2x103电子空穴对，半峰值宽度(FWHM)为10keV 左右，而气体探测器的半峰值宽度是29keV，闪烁计数器约为90keV。所以，高分辨本领是半导体探测器的固有性质，是由于它所需要的电离能量小决定的。除此之外，这种器件的分辨率还与入射窗效应、外加偏压大小及环境温度有关,2021/2/8,核工程检测技术,36,在半导体探测器中，射线的能量损失与生成的电子空穴对的数目间的线性关系好即输出脉冲幅度与能量成正比，所以在能

21、量的测量方面得到了广泛的应用。此外还有分辨时间短，空间分辨率好，灵敏度高，体积小，寿命长，坚固耐用等优点,线性关系,2021/2/8,核工程检测技术,37,缺点,1)能量响应差，不能做绝对测量用； 2)输出的信号与辐照的剂量率有关，即辐射损伤效应（累计剂量达到一定程度后，响应会有很大变化）。 3)长期稳定性不好； 4)无需温度、气压修正，但温度变化会明显增加探测 器的暗电流，即输出随温度的漂移大,2021/2/8,核工程检测技术,38,4）半导体探测器的特性参数,1)灵敏区厚度(结区厚度) 结区是半导休探测器的核心，它的厚度大小是探测器的关键。探测不同的入射粒子，则有所不同。探测粒子， 较小；

22、探测射线和X射线， 比较大；探测射线， 介于上述三种情况之间。面垒探测器有一定限制，故只宜探测。粒子能谱，对效率高，而对、X射线的效率低,2021/2/8,核工程检测技术,39,面垒灵敏区厚度可有电阻率和外加反向电压V给出,可见，结区厚度与外加电压V有关所以对制成的面垒探测器，根据不同能量的入射粒子，可以选调适当的工作电压来调节灵敏区(结区)厚度,2021/2/8,核工程检测技术,40,2)结电容Cd 结电容Cd是呈现在半导体探测器两极间的并联电容，也即PN结的电容，实验证明平行板结电容为,式中：为介电常数(硅11.8)； 8.9为单位换算系数；s为灵敏区横截面积(mm2)； 为灵敏区厚度,2

23、021/2/8,核工程检测技术,41,对一制成的半导体探测器来说，、s是固定不变的，而只有可变，它的输出脉冲为,半导体探测的输出电压也与外加电压V有关，这是由于结电容发生变化所致，是测量中不希望的现象，利用具有并联电压负反馈的电荷灵敏放大器即可以克服输入电容变化的影响，使半导体探测器的输出脉冲经过放大后的脉冲幅度只与电荷Q仑关，与Cd无关,2021/2/8,核工程检测技术,42,5）半导体探测器应用,1)在能量测量方面可以做成各种谱仪 在谱测量方面用面积为950mm2的PN结型探测器，对5MeV的粒子，半峰值宽度可做成谱仪或谱仪，特别是用Ge(Li)的大体积探测器，其效率高分辨能力好，适用于环

24、境样品能谱分析。 (2)在放射性强度测量方面，主要利用它的低本底特性，做成各种低本底仪器和低能粒子测量仪器,2021/2/8,核工程检测技术,43,三) 其他探测器,1 热释光剂量计 当射线作用于磷光体时，电子离开正常的位置向四周运动，直到被固体的晶格缺陷“俘获” 为止。在常温下，电子停留在俘获处的时间很长，加热后则从陷阱中释放出来。当电子返回到原来位置时就会发出蓝绿光，其发光产额经光电倍增管放大后，用电子线路对其亮度进行测量，由于剂量测量前必须消除磷光体中的贮存能量中心，因此测量结构是无法进行复查的，其测量范围可以从几毫伦一直到上千伦,2021/2/8,核工程检测技术,44,2 荧光玻璃剂量

25、计(PRL) 当射线作用于银激活磷酸盐玻璃时，电子首光跃迁到导带，而后又被俘获在辐射光致发光中心，这里的束缚深度(或陷阱深度)较深，以致于用紫外线照射过程中，则发出橙色的荧光，这种效应称为辐射光致发光。 荧光玻璃剂量计就是根据这个原理用荧光计测量发光强度，而后换算出吸收剂量,2021/2/8,核工程检测技术,45,四)袖珍剂量计,A绝缘环；B充电棒；C固定的有金属涂层的粗石英丝；D可动的有金属涂层的粗石英丝；E金属圆筒；F刻度盘；G石英丝的金属支架,2021/2/8,核工程检测技术,46,把涂有金属的两条石英丝连接在一个圆柱状电极上，其中一条是固定的，一条是可动的。先用电源给电极充电至最大值，

26、也就是说让可动石英丝偏转到相应于刻度盘上零读数的位置为止。当核辐射通过剂量计时，所产生的离子将由电极收集，从而逐渐减少电极上的纯电荷量，这就逐渐减少可动石英丝的偏转量，使它到达相应刻度盘上相应读数的位置,2021/2/8,核工程检测技术,47,第二节 核反应堆堆外核测量,核反应堆堆外测量的功能,A 运行功能：向操作员提供反应堆装料、停堆、启动直至功率运行各工况下的反应堆状态信息。 B 安全功能：向反应堆保护系统提供多个紧急停堆信号核允许信号,2021/2/8,核工程检测技术,48,一、反应堆功率测量方法,反应堆的功率测量、是反应堆控制与安全保护的一个重要环节,虽然从反应推进、出口温差与冷却剂流

27、量的测定可以给出功率，但这种测量信号对堆功率变化的响应太慢；而且在反应堆开始启动或低功率运行时，温差实际上不易测出或者很小。因此，这种方法测量范围小、响应速度低，实际上不能用于堆控制,2021/2/8,核工程检测技术,49,一般来说，反应堆功率内堆内单位时间裂变反应的总数来决定。虽然在235U每次裂变所放出的能量，大约有百分之十是在裂变碎片的衰变过程中逐渐放出的。但是当反应堆达到稳态功率运行，或处于功率变化不快而当作一个准静态过程时，由于前一时刻的延发能星补偿了后一时刻的延发能量，因而可以认为裂变释放能都是瞬间释放的。这样，堆功率可以由单位时间内的总裂变数或中子通量给出。另一方面，中子通量测量

28、还有响应快、量程宽等优点，所以目前压水堆控制系统中的堆功率值都由中子通量给出,2021/2/8,核工程检测技术,50,设堆内通量分布形状不随时间而变化，则总功率与堆内任一点的通量成正比。这时，用一个测点就可定出反应堆的功率。 当探测器测点离开控制棒较远时，移动控制棒所造成的局部扰动对测量的影响较小。或者说，测点离开堆芯越远，堆芯通量分布畴变的影响越可忽略不计点堆模型越可近似应用。所以堆功率一船都是通过堆芯外的中子测量来得到的。当然，测点离开堆芯的距离，要受到探测器灵敏度的限制，本能太远,2021/2/8,核工程检测技术,51,应该注意的是，在反应堆已由运行转入停闭等特殊情况下，堆内瞬发能量已可

29、以忽略，但延发的能足却依旧十分可观亦即仍存在所谓剩余功率。这种剩余功率不能从通量的测量来得到，但是这时中子通量的测量仍旧十分重要，因为用它可以监测裂变速率、判断反应堆是否处在次临界状态上，这正是低功率运行或停堆时的重要问题,2021/2/8,核工程检测技术,52,堆控测量的另一个重要参数足反应堆周期T，它对安全运行，特别是对启动过程具有很重要的意义。周期的定义为,它反映了堆内中子功率变化的快慢程度。据此，在测得反应堆中子功率n后，通过对数及微分运算线路，即可得到周期的倒数1/T,2021/2/8,核工程检测技术,53,二、中子通量的测量量程,从反应堆启动到额定功率运行，中子通量可变化10个量级

30、以上。启动时通量很低，这时最重要的是监测通量的变化速率，不使周期过短，以避免启动事故；达到功率运行时，则必须监测功率数值，不使过高，以免超过热工安全准则。但是一般测量仪器的量程有限，只能横跨(34)个量级，个别的可达(78)个量级，所以须把中子通量的整个监测范围分成几个区域，再用不同量程的仪器把这个测量范围衔接起来,2021/2/8,核工程检测技术,54,2021/2/8,核工程检测技术,55,大体说来，中子水平较低的用BF3正比计数管或裂变室。与之配合的电子线路大多是脉冲对数电路，外加一个微分电路，前者可以给出功率的对数值，后者可以得到周期指示及保护信号,在中子水平较高时，可采用补偿电离室，

31、是直接把中子探测器得到的电信号作对数和放大以及微分运算，从而得到对数功率及周期信号。在该区的测量中，信号的甄别是由中子探测器自身来完成的，这就是补偿电离室,2021/2/8,核工程检测技术,56,三、堆外核测量探测器,一）BF3正比计数管,其原理如图所示，硼吸收中子后发出粒子使三氟化硼电离，一次电离所产生的电子在计数管内电场作用下加速并向集电极移动，它获得的能量足以使其它分子电离，这些电子全部到中心电极后，在负载电阻上就产生一个电压脉冲，脉冲频率与中子通量水平成线性关系,2021/2/8,核工程检测技术,57,二）涂硼正比计数管,工作原理：入射中子与硼发生核反应,核反应产生的锂离子和粒子使氩气

32、电离，产生电子和正离子。在外电场的作用下，电子和正离子分别向阳极和阴极运动，形成电脉冲(脉冲)。射线也产生电脉冲，但其幅值较小，可用甄别放大器将它和反应堆内其它的Y射线产生的小幅度脉冲滤除只放大脉冲，从而得到只与中子通量成比例的计数,2021/2/8,核工程检测技术,58,三）电离室,电离室是基于探测入射粒子进入其内，与所充物质直接或间接相互作用时，使物质的原子或分子电离而产生的正负离子对来测量放射性强度或入射粒子能量的一种探测器,2021/2/8,核工程检测技术,59,进人电极之间空间的带电粒子将引起气体分子电离，从而产生正负离子对，假如忽略正负离子的扩散和复合的话，则离子电流可以表达为,e

33、为电子电荷；A为电离室灵敏体积；N0为单位体积、单位时间内形成的离子对平均数,若要知道电离电流瞬时值，则必须分别考虑正离于电流I和负离子(即电子)电流I,2021/2/8,核工程检测技术,60,电离室分长短两种，长电离室与反应堆堆芯一样长，它由二个结构完全招向的短电离室构成分为上下二段。 电离室的热中子灵敏度一般为3.1x103A单位中子通量，使用场合的热中子通量范围为1021010n(cm2s)。裂变电离室是在电离室内部电极涂以235U，腔内充以惰性气体，中子与235U发生作用，能产生带高能的正负离子从而增加电离室的灵敏度,2021/2/8,核工程检测技术,61,四）补偿电离室,一般电离室存

34、在问题之一是选择较差，它能探测到任何的电离辐射，特别是在有强场存在情况下，要探测的是中子，且中子通量与平均电流有关，那么就需要计及由于场引起的电流成份,射线引起的一部分电流是瞬发射线引起的，且正比于由中子引起的电流、它是指示反应堆功率水平的，而由射线引起的电流的其余部分是相对不变的，从而产生一个假信号。即一个不指示功率水平的信号,这个问题可用补偿电离室来加以解决,2021/2/8,核工程检测技术,62,较高时，脉冲较多无法计数，只能监测电流。补偿电离室由于不涂硼，故仅对敏感，在补偿电压作用下只产生电流I2 。流经负载电阻上的电流I为,涂硼电离室对中子和敏感，在高压作用下产生中子电流In和电流I

35、1，当中子通量,若两电离室对灵敏度相同，则 ，因此输出电流IIn,2021/2/8,核工程检测技术,63,五）长中子电离室,长中子电离室由几个短中子电离室组成。每一个短中子电离室是一个筒形容器，由高压电极和收集极以及内充混合气体（1氦16氮93氩）组成。高压电极内表面和收集极外表面涂硼。 中子打入容器内与硼发生反应而产生的锂离子和粒子使混合气体电离，产生正负离子对。在外加电场的作用下，正负离子分别向阴极和阳极(收集电极和高压电极)运动，形成电脉冲,2021/2/8,核工程检测技术,64,第三节 核反应堆堆内核测量,一、堆内核测量的作用与任务,堆内中子通量检测仪表的作用是来检测稳态工况下堆芯径向

36、和轴向的热中子通量分布，积累燃耗数据，以制定最佳换料方案，监视可能发生的功率分布振荡，即堆内中子通量检测系统要完成下列任务：证实计算的堆芯性能；证实堆芯的运行安全裕量；为燃料管理提供输入数据；探测氙引起的功率不对称性或振荡的出现,2021/2/8,核工程检测技术,65,二、堆内中子通量检测系统及仪表,检测中于通量分布的系统分成两种主要的类别：一类是在大量固定的位置上使用固定探测器件的系统，它能提供一维、二维或三维功率分布的信息；另一类是使用移动的(活动的)中子敏感器件，能进行对堆内中子能量的大量扫描，因此可以推得期望的功率分布信息，每一类系统都各有优点和缺点,2021/2/8,核工程检测技术,

37、66,反应堆运行期间，固定的探测器随时都能向运行人员提供中子通量的数据。对在移动式探测器相继扫描之间的时间间隔内发生的任何功率分布的反常现象，也能使用它们来发出警报或进行控制或保护。所以必须把它们制造成不要求对它们进行维修的，事实上，在换料期间，必须按计划间隔进行更换,2021/2/8,核工程检测技术,67,移动式的或绘图式的中子通量敏感元件系统，虽然不能在所有时刻对报警、控制或保护提供中子通量分布的信息，但却能够沿着它们经过的整个线路提供连续的中子通量分布以确信所观察到的整个中子能量分布，即观察到的是真实通量分布的一个准确的一维图象,2021/2/8,核工程检测技术,68,一)微型裂变室,其

38、工作原理是：热中子射入微型裂变室灵敏体内打在涂有二氧化钠的电极上，使235U核发生裂变。重的带正电的裂变碎片使氩气电离，产生电子正离子对。电子和正离子在外加电场作用下向两极漂移而形成脉冲，脉冲叠加起来，则形成电流。检测出电流大小，就可以测得中子通量。微型裂变室输出平均电流为,式中：Sn为微型裂变室对热中子的灵敏度 为检测时的热中子通量,2021/2/8,核工程检测技术,69,二)涂硼室,涂硼室电离室的一个电极上涂上一层浓缩硼10B的膜。利用10B(n，)7Li反应产生粒子和7Li，这些次级带电粒子在电离室中引起电流信号。由于记录是累计电流所以可用于高中子通量密度的测量。测量范围为(105101

39、0)n(cm2s)。 涂硼电离室可以作为移动式推芯内探头的中子敏感元件，这是因为它暴露于中子辐照中的总时间仅仅是反应堆运行的总时间的一小部分，穿过整个芯部所要求的时间很少超过3分钟，而穿过堆芯的频率很少多于每个月一次，因此，用于移动式堆芯内探头的涂硼电离室能满意地工作多年,2021/2/8,核工程检测技术,70,三)自给能探测器,堆内检测系统的检测范围是15100额定功率，相当于热中子通量为(10111014)n(cm2s,1自给能探测器的工作原理和种类,置于辐射场中的二个相互绝缘的导体(或半导体)，由于带电情况和程度不同，它们之间就产生了电势差，若用导线连接它们，则导线中就会有电流流过，这种

40、效应是辐射能量直接转化而来的，其大小和变化反映出辐射场的特性和变化，自给能探测器就是利用这种现象制成的,2021/2/8,核工程检测技术,71,在自给能探测器中是辐射能量直接使电极充电，因此就不需要极化电极以及电源。 自给能探测器的测量方式有两种，一种是测量充电电极之间的电势差，这种测量方式多见于剂量仪表；另一种是用弱电流测量仪表连接两个电极，测量流过的电流，这种情况多用于辐射监侧仪表，自给能探测器主要有三种：流中子探测器；内转换中子探测器；自给能探测器,2021/2/8,核工程检测技术,72,2.自给能中子探测器 的结构,这种探侧器由发射体、绝缘体、收集极及电缆组成。中心电极称为发射体，这是

41、由中子灵敏材料制成。发射体是自给能中子探测的核心部分，它基本上决定了探测的物理特性。探测器的外壳即是收集体它是由对中子不灵敏的材料(如因科镍600，低锰不锈钢或纯镍等)制成，材料的厚度通常是0.1mm,2021/2/8,核工程检测技术,73,发射体和收集体之间是绝缘体，通常采用无机绝缘材料(如MgO、A12O3、BeO等)，绝缘体厚度通常为0.2mm左右，为了传递自给能探测器的信号必须使用电缆，电缆连接到探测器的一端，与探测器几乎处于相同的强辐射场中，因此不能使用有机绝缘电缆，通常采用金属外壳无机绝缘金属芯线同轴电缆,2021/2/8,核工程检测技术,74,1)流中子探测器,流中子探测器又称延

42、迟响应自给能中子探测器，在这类探测器小，发射体材料俘获中子后形成短寿命的放射性同位素。活化了发射体在衰变过程中发射高能电于流平衡时，电极间的电子流形成正比于中子通量的电流，我们测量这个电流就可测出中子通量,2021/2/8,核工程检测技术,75,2)内转换中子探测器,内转换中子探测器又称瞬时响应自给能中子探测器，其基本结构和流中子探测器相同，在这类探测器中，发射体原子核俘获中子之后形成处于激发状态的复合核，复合核退激过程中辐射射线。 射线与探测器材料通过康普顿散射，光电效应以及产生电子对等相互作用，转换为电子，这些电子的发射就形成了探测器的电流,2021/2/8,核工程检测技术,76,流中子探

43、测器，一般输出信号强度大，可以用在反应堆堆芯通量描绘系统，能给出精确的通量分布； 内转换自给能中子探测器由于器过程是在极短时间内发生，对中子场变化的响应是瞬时的，可以用于反应堆安全和控制系统,2021/2/8,核工程检测技术,77,3自给能探测器,研究表明，动力堆核中子通量分布相近，因此在反应堆保护系统和功率分布测量应用探测器的问题，近年来有不少讨论，因为这两个系统中利用测量似乎都具有某些比中子测量更优越的地方，优点之一是探测器与中于探测器相比能够在更大的体积内测量功率密度；优点之二是探测器的燃耗率一般可以忽略不计，其次是灵敏度不随时间而变化等,2021/2/8,核工程检测技术,78,入射的射

44、线由发射体俘获或者散射时产生康普顿电子和光子，这些电子的一部分逸出，相应地发射体上产生正电荷，探侧器输出一小电流，在平衡状态下，探测器输出的电流正比于其周围的通量，因而测量这一电流的大小就可测出通量的大小,工作原理,2021/2/8,核工程检测技术,79,流中子探测器的优点是尺寸小，生产费用较低和电子设备较简单。其缺点是响应时间较长，对中子能诺谱的变化较为灵敏以及从探测器单位长度输出电流较小。 所以它只限于用来测绘中子通量,2021/2/8,核工程检测技术,80,第四节 辐射剂量监测,一、工艺过程的放射性辐射监测,反应堆工艺辐射监测主要包括燃料元件包壳破损监测系统、蒸汽发生器(或热交换器)破损

45、监测系统、设备冷却水放射性监测系统和工艺废气放射性监测系统,2021/2/8,核工程检测技术,81,工艺辐射监测的主要作用是： 在反应堆正常运行期间连续监测一回路系统内冷却剂的放射性水平，及时发现燃料元件包完的破损； 连续监测有关工艺设备、系统中流体的放射性水平，指示运行工况，为反应堆安全运行提供必要的数据； 对那些可能向环境释放的放射性流体进行监测，以保证厂区周围环境的安全,2021/2/8,核工程检测技术,82,一)燃料元件破损监测,反应堆一般使用带有金属包壳的核燃料。包壳的主要作用是包复燃料芯块防止冷却剂对燃料的化学腐蚀；包容放射性裂变产物，防止燃料和裂变产物进入冷却剂中,核燃料元件受到

46、高温、高压、高辐射的作用还受到冷却剂冲刷而引起的振动，都有可能引起燃料元件包壳的破损,2021/2/8,核工程检测技术,83,如果核燃料元件包壳破损，冷却剂中裂变产物的浓度就会增加。所以，只要测定冷却剂中裂变产物浓度就能判别元件包壳破损的程度。 监测的方法大致有：辐射监测法、缓发中子辐射测量法、裂变气体的固体子体产物沉淀法、离子交换法、自动气体色层谱分析法、过滤器分离裂变产物法等,2021/2/8,核工程检测技术,84,1缓发中子辐射监测法,235U裂变时产生的瞬发中子占中子总数的99.3另外还有约0.7的缓发中子。例如，裂变碎片 和 衰变时就会发射缓发中子,2021/2/8,核工程检测技术,

47、85,因此，测定冷却剂样品87Br中和137I所发射的缓发中子数目，就可以推定是否有核燃料元件包壳发生破损,可用BF3正比计数管测量缓发中子，将由慢化材料包覆的BF3计数管放入取冷却剂样品流的螺旋形管的中心，这样，当燃料包壳破损后带有裂变产物87Br和137I的冷却剂流入螺旋管，由碎片发射的缓发中子经过慢化材料慢化后到达BF3正比计数管,2021/2/8,核工程检测技术,86,为了提高测量的精确度，必须把由裂变产物释放的中子与反应堆中因其它方式产生的中子区分开来。在以水作为冷却剂的反应堆中，水中含的17O受中子照射后发生下列反应,释放中子，半衰期为4.11s。为了消除这类中子的影响，就需要延迟

48、冷却剂样品流过的时间，所以，一般将监测点布设在冷却剂自反应堆出口流经(11.5)min的地方。使半衰期为4.11s的核素17N得到充分的衰减,2021/2/8,核工程检测技术,87,2. 辐射监测法,根据：测量冷却剂中裂变产物衰变时发射的总活性，又 称总法,方法：通常把GM计数管或NaI闪烁计数器直接布设在一 回路冷却剂管旁边，测出冷却剂中的活性。这种 测量方法简单，灵敏度高，但受本底影响严重,要求：测量中必须把裂变产物衰变的Y射线从本底中区分出 来,2021/2/8,核工程检测技术,88,分离方法,环境中的本底可以通过加强对测量装置的屏蔽来解决； 测量中应消除短寿命核素的影响，其方法是把监测

49、点设置在距反应堆冷却剂出口的适当的位置上，让冷却剂有足够的流经时间，使短寿命的核素衰减掉； 采用先进的测量方法也可以消除本底的影响； 监测点设置在离子交换器的后面。样品水经过离子交换器的净化，大部分腐蚀产物核固态裂变产物已经除去,2021/2/8,核工程检测技术,89,3裂变气体及其子代产物的测量法,根 据： 燃料元件包壳破损后，有一部分裂变气体Kr和Xe经破口进入冷却剂中；所以，只要能从冷却剂中测出Xe和Kr的浓度，或测出它们的子代产物就能发现元件包壳的破损。这种方法的灵敏度高，是气冷堆和水冷堆常用的方法之一,2021/2/8,核工程检测技术,90,方 法： 反应堆堆型不同，裂变气体贮存的场

50、所也不同。气冷堆和压水堆的裂变气体绝大部分保存在一回路冷却剂中。所以，对水冷却反应堆而言还必须在冷却剂取样 回路上加一级氮气和载体的气水分离装置。一般可用GM计数管或NaI闪烁计数器直接测量被收集气体的或放射性,2021/2/8,核工程检测技术,91,英国的卡德霍尔气冷堆的静电沉淀法是一种较为典型的方法，它的工作原理是： 将一回路冷却剂的取样经过冷却和过滤后送进静电沉淀室，利用与气流方向相垂直的电场，可将固态微粒Rb和Cs收集在负电极上。收集极通常是一个与高压中心电极同轴的金属圆筒。如果把GM计数管安装成与收集极同轴，就可进行辐射的测量。也可将收集到的物质从收集极上冲洗下来，用计数管或闪烁计数

51、器进行Rb和Cs的衰变测试,2021/2/8,核工程检测技术,92,在反应堆运行中，若从堆内剂出一个控制棒组件，为保持反应堆功率恒定，则应把其它部件的控制棒向堆芯下插，这样，就导致堆内中子通量分布倾斜。如果在抽出控制捧组件附近有破损燃料元件，由于该处中子通量升高、核裂变反应应加剧，破损元件向冷却剂释放的裂变产物增多，冷却剂中放射性水平增高，由此可以确定出破损燃料组件在堆内的大致位置,对压水反应堆，可利用中子通量倾斜法，判断出破损燃料元件在堆芯内的大致位置,2021/2/8,核工程检测技术,93,中子通量倾斜法存在的问题是： 测定时需要降低反应堆功率然后再分区抽出控制棒组件，而每次抽出控制捧组件

52、，都要对一回路冷却剂放射性水平的变化进行观察，很费时间。 在反应堆停堆后，将被损燃料元件附近的一批组件移送到乏燃料贮存水池，然后用啜（chu）漏试验法对这一批燃料组件逐个进行测量，进而确定具体的破损燃料组件,2021/2/8,核工程检测技术,94,湿啜法：停堆换料时将燃料元件放置在静水中浸泡一定时间（使水中的碘的放射性积累到一定浓度）后，抽取样品分别对131I和135I的比值进行鉴别。 干啜法：停堆换料期间将燃料组件元件放置在一定容积的空气中经一定时间后依靠燃料的剩余热，使裂变气体氪和氙通过燃料元件包壳的破损处向外释放，抽取空气样品进行测试,2021/2/8,核工程检测技术,95,二)蒸汽发生

53、器（或热交换器）泄漏监测,1.蒸汽发生器排污水放射性监测 一般从每台蒸汽发生器的排污管连续取水样，样品水流经冷却器冷却和节流阀降压后，由监测仪进行连续的放射性监测。 2.冷凝器抽气器排气放射性监测 从冷凝器抽气器排气管引来的湿空气，经汽水分离装置分离出来的气体，流经过滤盒、流量计、电磁阀，进入气流监测仪进行放射性测量。测量后的气体经电磁阀、真空节流阀和抽气泵排向总风管,2021/2/8,核工程检测技术,96,二、厂区内放射性辐射监测,一)厂区内的辐射源,1.射线和中子形成的辐射场,反应堆运行过程中，由于核裂变产生的射线和快中 子，都具有很强的穿透能力，有可能穿过反应堆屏蔽层，构成外辐射场。尽管

54、反应堆都设置了很厚的屏蔽层，但是，在某些反应堆中，设有引出中子或Y射线的实验孔道和样品辐照孔道等，因此破坏了屏蔽层的完整性。所以反 应堆运行时，厂房内存在着Y射线和中子,2021/2/8,核工程检测技术,97,冷却剂中也含有放射性物质,冷却剂中含有冷却剂回路和堆芯结构材料的腐蚀和磨损产物，主要核素是55Mn、54Fe、59Co等，这些核素随冷却剂流过堆芯而被活化； 燃料元件制造中，包壳外面粘附的可裂变物的裂变产物直接进入冷却剂中； 反应维运行过程中也有少量的裂变产物经破损元件的破口进入冷却剂； 冷却剂流过堆芯时本身也可能活化，冷却剂流经的管道和设备都有可能变成很强的辐射源,2021/2/8,核工程检测技术,98,2.气载放射源,冷却剂中有可能存在相当部分的气体裂变产物，如果反应堆一回路系统的设备如泵、阀门和管道等破损或一回路系统进行某