一种强辐射高温条件下测量中子通量的测量系统

摘要

本发明涉及一种强辐射高温条件下测量中子通量的测量系统，属于核反应堆工程技术领域。所述测量系统主要由热中子灵敏的探测器、快中子灵敏的探测器、热中子吸收体、两个放大器、数据获取模块以及中子能谱分析模块组成；热中子吸收体包覆在快中子灵敏的探测器外表面，热中子灵敏的探测器和快中子灵敏的探测器探测到的信号分别输出给两个放大器；放大器将接收的信号进行处理并输出；数据获取模块对放大器输出的信号进行数字化处理并输出数字化信号；中子能谱分析模块对接收的数字化信号进行中子能量解谱分析，得到中子能谱数据，由中子能谱数据计算得到中子通量。本发明所述的测量系统具有重量轻、易于安装、移动性强以及测量误差小等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量中子通量的测量系统，特别涉及一种适用于在强辐射高温条件下测量中子通量的测量系统，属于核反应堆工程技术领域。

背景技术

现行核电站中子通量的测量是基于热中子的测量，关注热中子能区的燃耗对发电的贡献，更高中子能量贡献份额可以忽略，即热堆消耗的核燃料是²³⁵U。目前，商用核电站通常采用热中子灵敏的探测器对热堆的功率进行测量。

对于第四代的快中子反应堆，它主要是由快中子来引起裂变链式反应的反应堆，燃烧的核燃料是²³⁸U或²³²Th或锕系的长寿命核素，这些核素的中子核反应大多数是有阈的，因此，快中子反应堆的中子通量测量更加关注中子能量大于核反应阈的快中子能区核燃料消耗。如果采用热中子灵敏的探测器进行测量，首先是要把快中子能量慢化下来才能测量，这样会导致因区域不同，对中子的慢化能力不同，测量结果也不同，必然导致测量结果的偏差大。另外，快堆的功率测量方法仍不成熟，处于实验性阶段，还未到工程化阶段。

在2013年(S1)原子能科学技术杂志中刊登的“中国实验快堆中子能谱测量实验研究”文章中，是用活化法对钠冷快堆的中子能谱进行测量的，采用了无源的多种活化片进行中子积分测量，通过解谱获得中子能谱，但是没有办法给出在线中子通量等信息。中国专利申请号为CN201210332734.0(2013年)和CN101419290(2009)中，均采用热中子灵敏探测器，但是无法满足快堆功率的快中子能谱在线分析。

对于D-D和D-T的聚变核反应获得中子能量分别为2.5MeV和14.06MeV，这些中子均属于快中子能区，并且中子具有动态范围变化大和瞬时变化快特点，测量环境具有强磁场和高温等干扰。通过几年的研制，适合于诊断ITER和JET聚变装置等功率测量的²³⁵U裂变电离室问世，测量动态范围可跨七个量级，在250℃条件下测试可行，并且裂变电离室外形不大，尺寸为Ф14×200mm，时间分辨达到1ms的水平，并且对裂变电离室在ITER的布置位置进行了考虑。但这些探测方法选用的探测器只有一种，无法能够获得能谱信息。在2012年核电子学与探测技术杂志中刊登的“ITER中子通量监测器的优化计算”文章中，虽然记载了由双裂变室探测器和包裹探测器的慢化层/屏蔽层组成的两种探测器类型，但是它们属于补偿型的，还无法进行在线能谱分析，因慢化体采用聚乙烯材料，不能满足高温环境使用的条件。

由此可见，上述公开报道的技术方案是通过单个计数器的读数或多个计数器直接给出中子通量的大小，势必带来较大的误差。如果从测量能谱入手，再考虑在恶劣环境条件下的测量问题，堆功率测量结果将会改善。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种强辐射高温条件下测量中子通量的测量系统，该测量系统采用快中子灵敏的探测器对快中子直接进行测量，不需要使用慢化体将快中子能量慢化下来成热中子后再测量，避免了因不同区域对快中子慢化能力不同而导致测量误差大的问题；并结合中子能谱分析计算得到中子通量，从而大大改善堆功率的测量结果。

本发明的目是通过以下技术方案实现的：

一种强辐射高温条件测量中子通量的测量系统，所述测量系统主要由热中子灵敏的探测器、快中子灵敏的探测器、热中子吸收体、两个放大器、数据获取模块以及中子能谱分析模块组成；

热中子吸收体包覆在快中子灵敏的探测器外表面，热中子灵敏的探测器探测到的信号输出给一个放大器，快中子灵敏的探测器探测到的信号输出给另一个放大器；两个放大器将接收的信号进行放大处理后得到模拟信号，并将模拟信号输出给数据获取模块；数据获取模块将接收的模拟信号进行数字化处理，并将处理后的数字化信号输出给中子能谱分析模块；中子能谱分析模块将接收的数字化信号进行中子能量解谱分析，得到中子能谱数据，进而通过分析得到中子通量。

所述热中子灵敏的探测器是对热中子具有较高反应截面的一种探测器，是²³⁵U裂变电离室、²³⁹Pu裂变电离室或涂硼电离室，且所述电离室能够在温度不大于300℃以及测量剂量率不大于100Gy/s下正常工作；优选²³⁵U裂变电离室。

所述快中子灵敏的探测器是对快中子具有较高反应截面的一种探测器，是²³⁸U裂变电离室或²³²Th裂变电离室，且所述电离室能够在温度不大于300℃以及测量剂量率不大于100Gy/s下正常工作；优选²³⁸U裂变电离室。

优选的，所述热中子灵敏的探测器以及快中子灵敏的探测器的形状为管状，外径为1.2cm～3.8cm，长度为5cm～25cm。

所述热中子吸收体是对热中子具有较高反应截面的耐高温材料，材质为镉、碳化硼、高硼钢、银铟镉合金、二硼化锆、二硼化钛、二硼化铪、钛酸钆或钛酸镝；优选镉。

所述放大器包括低压电源、高压电源和电路放大器；根据接收的信号从小到大，电路放大器依次选择脉冲法、脉冲-电流法、电流-均方根电压法进行信号放大处理，信号放大处理所需能耗由低压电源和高压电源提供。

所述数据获取模块包括模数转换单元和暂存单元；模数转换单元对放大器输出的模拟信号进行数字化处理，暂存单元将处理后的数字化信号进行暂存并输出。

中子能谱分析模块进行中子能量解谱分析时，基于中子通量测量史，对快中子灵敏的探测器的计数进行在线修正，得到中子能谱数据，进而通过分析得到中子通量；

所述在线修正方法：所述快中子灵敏的探测器是²³⁸U裂变电离室时，²³⁸U通过中子俘获反应道变为²³⁹U，然后²³⁹U经β衰变成热中子灵敏的²³⁹Pu，为了扣除²³⁹Pu对²³⁸U快中子灵敏的探测器的计数影响，根据中子通量测量史，确定²³⁹Pu对²³⁸U快中子灵敏的探测器的计数贡献份额，并加以扣除；所述快中子灵敏的探测器是²³²Th裂变电离室时，²³²Th通过中子俘获反应道变为²³³Th，然后²³³Th先经β衰变成²³³Pa，²³³Pa再经β衰变成热中子灵敏的²³³U，为了扣除²³³U对²³²Th快中子灵敏的探测器的计数影响，根据中子通量测量史，确定²³³U对²³²Th快中子灵敏的探测器的计数贡献份额，并加以扣除。

所述的中子能谱数据是由热中子灵敏的探测器和快中子灵敏的探测器的响应矩阵通过“少道解谱法”获得的。

有益效果：

(1)本发明所述的测量系统，采用快中子灵敏的探测器对快中子直接进行测量，不需要使用慢化体将快中子能量慢化下来成热中子后再测量，避免了因不同区域对快中子慢化能力不同而导致测量误差大的问题；

(2)本发明采用两种中子反应截面随中子能量增加有较大变化的探测器，这样对于中子能谱的宽范围辐射场就有不同的中子响应，利用这个特点就可以分析中子通量动态变化范围大的中子能量信息；

(3)本发明所述的测量系统，中子能谱数据模块是根据热中子灵敏的探测器以及快中子灵敏的探测器的测量数据，通过分析能够获得中子能谱信息；而且，在中子能谱解析过程中，根据中子通量的测量史，对快中子灵敏的探测器的计数进行在线修正，大大降低测量数据的偏差；

本发明所述的测量系统能解决目前高中子通量宽范围的能谱测量问题，并能在高温、高辐射和强磁场干扰环境条件下使用，具有使用方便、重量轻、易于安装和移动性强等优点，适用于各类反应堆、辐射装置的中子能谱测量。

附图说明

图1为实施例中所述测量中子通量的测量系统。

图2为图1中探头的A-A截面图。

其中，1-热中子灵敏的探测器，2-快中子灵敏的探测器，3-热中子吸收体，4-放大器Ⅰ，5-放大器Ⅱ，6-数据获取模块，7-中子能谱分析模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本实施例所述的强辐射高温条件测量中子通量的测量系统，主要采用由热中子灵敏的探测器和快中子灵敏的探测器组成的双探头分别对热中子、快中子进行探测，从而根据热中子灵敏的探测器和快中子灵敏的探测器的响应矩阵经过“少道解谱法”得到中子能谱数据；而且在能谱解析过程中，根据中子通量的测量史，对快中子灵敏的探测器的计数进行在线修正，从而大大减少所得中子通量的偏差。另外，本实施例中采用快中子灵敏的探测器直接对快中子进行探测，克服了现有测量方法中采用慢化体将快中子能量慢化成热中子后进行测量存在偏差大的问题。本实施例的具体方案如下所述：

一种强辐射高温条件测量中子通量的测量系统，所述测量系统主要由热中子灵敏的探测器1、快中子灵敏的探测器2、热中子吸收体3、放大器Ⅰ4，放大器Ⅱ5、数据获取模块6以及中子能谱分析模块7组成，如图1所示；

所述热中子灵敏的探测器1是管状的²³⁵U裂变电离室，外径为2cm以及长度为15cm；所述快中子灵敏的探测器2是管状的²³⁸U裂变电离室，外径为2cm以及长度为15cm；这是因为管状的探测器易于在快堆中移动，而且适用于快堆的探测器尺寸不能太大；

所述热中子吸收体3的材质为镉金属，包覆在快中子灵敏的探测器2外表面，以减少快中子灵敏的探测器2对热中子的响应；热中子灵敏的探测器1、快中子灵敏的探测器2和热中子吸收体3组成所述测量系统的探头，探头的截面图如图2所示；

热中子灵敏的探测器1探测到的信号输出给放大器Ⅰ4，快中子灵敏的探测器2探测到的信号输出给放大器Ⅱ5；放大器Ⅰ4以及放大器Ⅱ5的外部均采用金属外壳包装起来，具有较高的屏蔽电磁干扰能力，其内部器件主要包含低压电源、高压电源和电路放大器，根据接收的信号由小到大，电路放大器依次选择脉冲法、脉冲-电流法、电流-均方根电压法进行信号放大处理得到模拟信号，信号放大处理所需能耗由低压电源和高压电源提供，放大器Ⅰ4和放大器Ⅱ5将处理后得到的模拟信号输出给数据获取模块6；数据获取模块6包括模数转换单元和暂存单元，模数转换单元将接收的模拟信号进行数字化处理，暂存单元将处理后的数字化信号进行暂存并输出；中子能谱分析模块7对数据获取模块6输出的数字化信号进行中子能量解谱分析，并基于中子通量测量史，在中子能量解谱分析过程中对快中子灵敏的探测器2的计数进行在线修正，得到中子能谱数据，进而通过分析得到中子通量；其中，²³⁸U裂变电离室中，²³⁸U通过中子俘获反应道变为²³⁹U，而²³⁹U经β衰变成热中子灵敏的²³⁹Pu，为了扣除²³⁹Pu对²³⁸U快中子灵敏的探测器2的计数影响，根据中子通量测量史，确定²³⁹Pu对²³⁸U快中子灵敏的探测器2的计数贡献份额，并加以扣除，从而达到在线修正的目的。

其中，中子能谱数据是由热中子灵敏的探测器1和快中子灵敏的探测器2的响应矩阵通过“少道解谱法”获得的，由中子能谱数据可以得到不确定度较小的中子通量、功率或中子产额等信息；另外，热中子灵敏的探测器1和快中子灵敏的探测器2的响应矩阵是采用蒙特卡罗计算方法获得的。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。