第三章--堆芯外核检测仪表及系统 1

1、2020年9月14日,第三章 堆芯外核检测仪表及系统,章节内容,3.1 堆芯外的定义 3.2 核反应堆功率的测量 3.3 中子探测仪表 3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统,3.1 堆芯外的定义,堆芯外的定义 习惯上把堆芯外中子敏感元件定义为受低于10 11 n cm -2 s -1 的中子通量照射的敏感元件。通常安置在压力壳外壁处，也可置于热屏蔽区域内。,堆功率仪表系统用来测量反应堆功率及监视堆内中子通量密度(中子注量率) 变化信息的。具有： 1、运行功能 监测堆功率、功率变化及其分布。 2、安全功能 向保护系统提供停堆信号等。,3.2 核反应堆功率的测量,反应堆是依靠核燃料的链式反应来维持工

2、作的，链式反应中产生初级碎片和一系列裂变产物，还有裂变中子、瞬发等辐射线，它们都是裂变能的载体，它们的核辐射强度与反应堆功率成正比，它们消耗在堆内的热量也与堆功率成正比，因此，可以通过测量中子或射线的强度，及测量堆芯温度等来间接测量反应堆的功率。 通常是用堆芯外中子监测仪表来测量反应堆功率。,3.3 中子探测仪表,3.3.1 中子探测的基本方法 基本原理：探测中子是通过中子与原子核相互作用，产生可以被探测的次级粒子，并记录这些次级粒子。因此，中子探测仪表必须具备“辐射体”，即能同中子发生核相互作用产生可被探测的次级粒子的物质。 基本方法：核反应法、核反冲法、核裂变法、活化法。 特点：不同能量中

3、子的探测原理和探测器结构差别较大。,3.3 中子探测仪表,一、核反应法 主要测量慢中子，有以下三种核反应： 10 B (n,) 7 Li + 2.792 MeV 0 = 3840 11 b 6 Li (n,) 3 T + 4.786 MeV 0 = 936 6 b 3 He (n, p ) 3 T + 0.764 MeV 0 = 5327 10 b 能量为E n 的中子微观截面= 0(1),3.3 中子探测仪表,二、核反冲法 中子与物质原子核发生弹性碰撞，原子核被反冲，且带一定正电荷，选用反冲核弹性碰撞截面大的材料作为探测器灵敏物质，就可以简接测量中子的注量率。通常是利用含氢物质作为辐射体。

4、反冲核的反冲能表示为： 所以，反冲核的质量越小反冲动能越大，通常取氢物质，A=1 ，上式为：,当 En 20 MeV 时散射截面能谱见右图。 在 0.110 MeV 之间遵从1 定律。,设：中子注量率为， 单位体积靶物质的原子核数目为 N ，厚度为 d ，面积为S，散射截面为 s，则靶内单位时间的反冲核数N p 为：,3.3 中子探测仪表,三、核裂变法 由于裂变碎片是核裂变能量的载体，利用核裂变产生的两个碎片，使物质电离，可产生大的输出脉冲，极易甄别射线对测量中子通量的干扰。 233U 、235 U、239 U 对热中子的裂变截面分别为：530b、580b、742b，所以常用作裂变探测器的辐射

5、体。 许多重物质对中子裂变有一定阈值，可制成多阈探测器，以确定中子能量。,常用裂变阈探测器材料的特性表,3.3 中子探测仪表,四、活化法 稳定的原子核吸收中子后，转变为放射性原子核，它们通常在衰变时会放出带电粒子，由此可以间接测出中子的通量密度。例如： n + 115 In 116In + 116In 116Sn + + 测量的强度就能够确定中子的通量密度。,小结从上述4种中子探测方法可知，中子探测过程可分为两个部分：（1）首先是中子和辐射体发生相互作用产生带电粒子或感生放射性；（2）其次是在某种探测仪表中记录这些带电粒子或感生放射性。,四种中子探测方法比较,3.3.2 中子探测仪表的种类,一

6、、气体探测器, 正比区：V2V3：电子在电场加速中获得能量足以产生二次电离，产生了电离雪崩。输出AN0正负离子对，脉冲幅度为：, G-M区 当电压大于V4 以后，室内的激发光子起主导作用，使整个室内气体放大，发生电子雪崩，输出脉冲大小与粒子能量无关。,、复合区：0 V1 、电离区：V1V2，原电离离子全被电极收集。, 有限正比 区：V3 V4 当电压大于V3后，原电离电荷大的，比小的其放大倍数相对变小， 即放大倍数A与人射粒子能量有关。,3.3.2 中子探测仪表的种类,(一)、电离室 工作原理与结构 中子在涂硼电极上产生带电粒子，当它进入室内时，与室内充气(氦、氩)体发生相互作用，产生正、负离

7、子对，被收集极收集，产生输出电流 I，这一电流量 I 的大小反映了中子注量率的大小。 式中：V 电离室的有效体积; N0 单位体积、单位时间原电离子数;,3.3.2 中子探测仪表的种类,2. 电离室的输出脉冲 电离室输出脉冲幅度 Um为： 式中：E 中子间接产生的粒子损失在电离室的能量; C 电离室输出有效电容(法); W 平均电离能; e 是电子电荷量。 3. 电离室输出脉冲形状 电离室输出脉冲形状反映了入射粒子的信息，与之连接的二次线路也要以此进行设计，尽量保持原有信息。所以，分折脉冲形状尤为重要。 电离室电流是Ii由正、 负离子电流 I+、I- 所组成的。即： Ii = I+ + I-,

8、正、负离子运动速度分别为：,电场强度 E(x)=V(b-a),3.3.2 中子探测仪表的种类,首先讨论平行板电离室。设平行板电离室内，正、负离子都产生在x0处，以速度为w+(x)的正离子由x0到达b 处的时间为T ，则,电离室电流是Ii由正、 负离子电流 I+、I- 所组成的。即： Ii = I+ + I-_ 平行板电离室内，负离子由x0以速度为w-(x) 到达a 处的时间为T - ，同理可以求得：,4. 平行板电离室输出电流 I 一个电子在电场E的作用下所作的功率为eEw- ，又等于VIe ，所以 VIe = eEw- 其中：E = V(b-a ); w- =-.EP 一个电子生成的电流：

9、假设一个入射粒子产生的电离电子数为n，则它产生的电流为I-(t)，正离子电流为I+(t)：,3.3.2 中子探测仪表的种类,3.3.2 中子探测仪表的种类,5. 平行板电离室输出电压脉冲 电离室电流输出经过RC 网络积分，就会得到一输出脉冲，RC时间常数不同，则脉冲形状不同。对于 RCR1C1 R2C2 R3C3 情况的电离室电压脉冲如右下图所示。,6. 圆柱形电离室 输出电流及电压脉冲 圆柱形电离室电流输出 情况与平行板电离室电压脉冲相似，如图所示。 圆柱形电极的电场强度为：,3.3.2 中子探测仪表的种类,通过同样计算可求得正、负离子的收集时间 T+、T-，及输出电流I+、I- ，u +m

10、ax、u -max的表示式为：,3.3.2 中子探测仪表的种类,7. 补 偿 电 离 室 在有强场的情况下，要探测中子的强度，就需要消除在电离室产生的电流的影响，通常使用补偿电离室。参见右图就可了解其工作原理。 在中子电离室区，中子产生的电流In，产生的电流I， 在电离室区内，只有产生的电流I，它与前者的方向相反，所以，电流表的读数为： I = (In +I ) I = In 通过调节电压 V1 使电流值抵消，就可补偿影响，测量电流即为中子产生的电流。,它对热中子的灵敏度为： 410-12A(ncm2 S) 适用于热中子通量范围： 2.5102 1010 n(cm2 S),3.3.2 中子探测

11、仪表的种类,8. 长中子电离室 在反应堆功率测量中，中子通量很高，设计几个短中子电离室，组成一个长中子电离室，各短中子电离室的中子灵敏度可达 2.310-14 A(n.cm2.s)。 电离室高压电极(负极) 的内壁及收集极外壁涂硼，室内充1的氦和6的氮，93的氩气。 由于中子产生的电流较大，的影响较小。,3.3.2 中子探测仪表的种类,(二)、BF3 正比计数器 1. BF3 正比计数器 10B (n, ) 7Li 输出脉冲幅度为： A是正比计数器的气体放大倍数，通常可达到103 105；En是中子的动能；Q是反应能；e是电子电荷量；W 是平均电离能；C是计数器的等效输出电容。 主要用于热中子

12、的测量。,有以下两种： 充BF3气体的正比计数管 涂硼正比计数管 在堆芯外源量程中配备。其灵敏度为：8 counts(ncm2.s),3.3.2 中子探测仪表的种类,应用 BF3 正比计数器可用于测量一回路冷却水的硼浓度 。 引出一个测量回路，两侧放置中子源和中子探测器进行比较测量。,一次冷却剂硼浓度测量原理图,3.3.2 中子探测仪表的种类,2. 长计数管 所谓长计数管，是利用在很长能量范围内探测中子的效率平坦变化的材料，作为计数管的辐射体的正比计数管。 目前性能最好的长计数管，探测中子的能量范围从热中子 快中子。,长计数管中子探测效率与能量的关系,3.3.2 中子探测仪表的种类,二、固体探

13、测器 固体物质作为探测中子的灵敏物质，有闪烁计数器、半导体计数器、活化球等中子闪烁计数器，具有计数效率高、时间响应快等优点。,（一）硫化锌快中子屏 工作原理：将ZnS(Ag)粉与有机玻璃粉均匀混合，利用快中子在有机玻璃中产生反冲质子使硫化锌闪烁体发光，再经光电倍增管将光信号转换成电信号输出。 为提高探测效率，常把这种混合体嵌在有机玻璃筒内，制成花卷型快中子屏。,花卷型快中子屏,ZnS(Ag)+C5H8O2,3.3.2 中子探测仪表的种类,（二）硫化锌慢中子屏 工作原理：将ZnS(Ag) 粉与含硼化合物（如B2O3 ）均匀混合，慢中子与 10B 产生的和 7Li 与ZnS(Ag) 闪烁体作用产生

14、荧光，然后被光电倍增管放大为电信号输出。为提高效率，将闪烁体作成中空形，套在光电倍增管上。 特点：对热中子和慢中子的探测效率高，且易于甄别本底。,3.3.2 中子探测仪表的种类,（三）含锂闪烁体 一种锂闪烁体( LiO2.2 SiO2(Ce) )，是锂玻璃，具有良好的化学稳定性，其透光性、耐酸、耐腐蚀、耐高温很好，适于探测堆内中子。 特点：热中子效率很高，厚度为 0.4 cm 的锂玻璃，效率可接近100。下表给出了锂含量为6.5 (其中 6Li 浓缩到96)的锂玻璃闪烁体，厚度为 2.54cm时对各种能量中子的探测效率。,3.3.2 中子探测仪表的种类,（四）有机闪烁体 由于有机闪烁体均为富含

15、氢的CH化合物物质，发光时间短，适于高通量中子的测量，对本底需作甄别处理。,各种闪烁体测量中子的性能对比,3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统,堆外检测系统包括堆外核测量系统和热工参数测量系统。 3.4.1 堆外中子注量率测量 堆外核测量系统的主要功能是： 1.连续监测反应堆功率，功率变化及功率分布，对测得的各种信号加以显示记录在反应堆装料、启动、停闭及功率运行时给操纵员提供反应堆内中子注量率的信息； 2.监测反应堆径向功率倾斜和轴向功率偏差； 3.向反应堆功率调节系统，反应堆保护系统提供中子信号，当中子注量率高、中子注量率变化率高时，触发反应堆紧急停闭。 压水堆启动时，中子注量率的变化范围很大

16、，从启动时功率至满功率时中子注量率变化可大到6至12个数量级。因此，如果只用一种探测器来覆盖所需要的整个测量范围很困难，通常把所需测量范围分成几段，分别配以适当的核测量通道加以测定。,一般分成源量程测量通道、中间量程测量通道和功率量程测量通道三段，各个测量通道所测定的范围见图。从图上可以看出，各个量程之间的衔接至少重叠一个数量级，以保证控制和保护的连续性。,堆芯外中子探测器与相应的量程范围,3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统,3.4.2 各个量程测量通道通常选用的探测器及仪表组成,压水堆堆外核测量系统的组成,3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统,3.4.3 核仪表系统 (RPN) 一、系统功能：

17、 .提供信号：反应堆功率、功率变化及功率分布； .提供控制信号，移动控制棒； .监测功能:监测反应堆径向倾斜和轴向功率偏差。 二、系统组成： 2个源量程测量通道（正比计数管）； 2个中间量程测量通道（补偿电离室）； 4个功率量程测量通道（非补偿电离室）长电离室，分6个灵敏段，分别测量堆芯上部、下部中子通量。,反应堆运行时探测器的位置,探测器轴向布置,探测器径向布置,3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统,3.4.4 三个测量通道原理 1. 源量程测量通道（CNS） 由两个独立的相同线路组成。在反应堆停堆期间和启动初始阶段，测量范围从10-1到2105 n /（cm2s ）， 探测器采用正比计数管，

18、计数管内壁涂硼，管内充以氩气和少量的二氧化碳，外加直流高压( 900V ）。 任务：指示反应堆启动过程中的功率和功率变化速度，同时为保护系统系统功率与周期保护信号。 输出电流送到周期计线路用于显示； 模拟量输出线路用于指示 和记录；逻辑量输出线路用于启动报警及反应堆保护。,源量程检测仪表系统,3.4 反应堆堆芯外核检测仪表系统,周 期 计 在源量程和中间量程测量通道中都包括周期计，它产生功率倍增时间信号，送往显示器，以显示中子注量率变化一倍的时间T。 反应堆功率变化遵守指数规律： 其中：P0为t=0 时的堆功率；P为t时刻的堆功率；T为功率倍增周期(倍增时间)。 上式两边取对数：,倍增周期，代表堆功率变化趋势、快慢和反应堆所处的状态。 T=3s，说明堆功率每3s增加1倍，反应堆处于超临界状态； T= - 25 s，说明堆功率每25s降低1倍，反应堆处于次临界状态。 T= ，说明堆功率为常数，反应堆处于临界状态。 如果倍增周期为一过小的正值，说明反应堆功率增加过快，容易失控。 在启动反应堆升功率时，一定要时刻监视