堆芯快中子通量自给能探测器

摘要

本发明涉及一种堆芯快中子通量自给能探测器，包括：探头、连接套筒和传输电缆；连接套筒的一端连接探头，连接套筒的另一端连接传输电缆，且连接套筒与探头和传输电缆构成封闭结构；探头用于探测反应堆堆芯的快中子通量转化为电流信号，并将电流信号通过传输电缆传输至目标电子插件，以使目标电子插件根据电流信号确定反应堆堆芯快中子通量的大小，采用本申请的快中子通量自给能探测器，可以实现对快中子通量的测量，能够适应各种反应堆内的特殊环境，不仅仅结构简单，而且便于操作，使用寿命长。

说明书

技术领域

本发明属于中子通量探测技术领域，具体涉及一种堆芯快中子通量自给能探测器。

背景技术

自给能探测器是20世纪60年代开始发展起来的一种新型探测器。探测器中的发射体在中子或γ光子的作用下发射β粒子或次级电子，β粒子或次级电子到达收集体后在回路中产生电流，而不需要外加电源。随着核反应堆技术的发展，自给能探测器在堆芯测量系统被广泛应用。在大型动力堆中，堆芯功率分布测量必须由大量可靠的抗高温抗高积分通量和γ积分通量的自给能中子探测器来完成。堆芯测量系统是反应堆重要的仪控系统，为核反应堆的安全运行提供重要保障。

中子通量水平是堆芯测量系统的一项重要探测内容，堆芯内的中子能谱主要集中于快中子与热中子能区。使用铑、钒等材料作为发射体的中子通量自给能探测器已经被开发，其主要用于探测堆芯热中子通量水平。对于反应堆功率水平增高所造成的高中子通量水平和越来越严苛的反应堆堆芯温度与γ辐照条件，一般的热中子探测器性能迅速变坏，甚至无法使用。反应堆堆芯条件极为恶劣的快中子增殖堆也需要使用特殊的快中子探测器。

因此，亟需一种快中子自给能探测器来探测堆芯快中子通量水平，实现对反应堆中子通量数据更加全面的测量。

发明内容

为了至少解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种堆芯快中子通量自给能探测器，以通过简单的结构实现对快中子通量的探测。

本发明提供的技术方案如下：

一种堆芯快中子通量自给能探测器，包括：探头、连接套筒和传输电缆；

所述连接套筒的一端连接所述探头，所述连接套筒的另一端连接所述传输电缆，且所述连接套筒与所述探头和所述传输电缆构成封闭结构；

所述探头用于探测反应堆堆芯的快中子通量转化为电流信号，并将所述电流信号通过所述传输电缆传输至目标电子插件，以使所述目标电子插件根据所述电流信号确定反应堆堆芯快中子通量的大小。

可选的，上述所述探头包括：收集体、发射体和第一绝缘层；

所述发射体嵌套于所述收集体内部，所述第一绝缘层设置于所述收集体与所述发射体之间；

所述收集体与所述连接套筒连接，所述发射体与所述传输电缆连接；

所述发射体与穿过收集体和第一绝缘层的快中子反应发生衰变生成β粒子，所述β粒子穿过所述第一绝缘层被所述收集体收集，以使所述收集体与所述发射体之间形成电势差，所述电势差经所述传输电缆形成电流信号传输至目标电子插件，以使所述目标电子插件根据所述电流信号确定反应堆堆芯快中子通量的大小。

可选的，上述所述发射体采用铍材料。

可选的，上述所述第一绝缘层为氧化镁粉末或氧化铝粉末。

可选的，上述所述收集体选用Inconel 600材料。

可选的，上述所述传输电缆包括外壳、芯线和第二绝缘层；

所述芯线嵌套于所述外壳的内部，所述第二绝缘层设置于所述外壳与所述芯线之间。

可选的，上述所述外壳选用选用Inconel 600材料。

可选的，上述所述芯线选用Inconel 600材料。

可选的，上述所述第二绝缘层选用为氧化镁粉末或氧化铝粉末。

可选的，上述所述的堆芯快中子通量自给能探测器，还包括电流计；

所述电流计设置于所述收集体与所述传输电缆之间，所述收集体、所述发射体、所述传输电缆和所述电流计构成闭合回路；

所述电流计用于测量所述电流信号的大小。

本发明的有益效果为：

本发明提供的堆芯快中子通量自给能探测器，包括：探头、连接套筒和传输电缆；连接套筒的一端连接探头，连接套筒的另一端连接传输电缆，且连接套筒与探头和传输电缆构成封闭结构；探头用于探测反应堆堆芯的快中子通量转化为电流信号，并将电流信号通过传输电缆传输至目标电子插件，以使目标电子插件根据电流信号确定反应堆堆芯快中子通量的大小，采用本申请的快中子通量自给能探测器，可以实现对快中子通量的测量，能够适应各种反应堆内的特殊环境，不仅仅结构简单，而且便于操作，使用寿命长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的堆芯快中子通量自给能探测器的一种结构示意图；

图2是铀-234归一化后的裂变中子能谱；

图3是不同能量的中子与铍-9各反应道的反应截面绘图。

附图标记：

1、收集体；2、第一绝缘层；3、发射体；4、外壳；5、第二绝缘层；6、芯线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

图1是本发明实施例提供的堆芯快中子通量自给能探测器的一种结构示意图，图2是铀-234归一化后的裂变中子能谱，图3是不同能量的中子与铍-9各反应道的反应截面绘图。

如图1所示，本实施例的一种堆芯快中子通量自给能探测器，包括：探头、连接套筒和传输电缆，其中，连接套筒的一端连接探头，连接套筒的另一端连接传输电缆，且连接套筒与探头和传输电缆构成封闭结构，探头用于探测反应堆堆芯的快中子通量转化为电流信号，并将电流信号通过传输电缆传输至目标电子插件，以使目标电子插件根据电流信号确定反应堆堆芯快中子通量的大小。

在一个具体的实现过程中，探头包括：收集体1、发射体3和第一绝缘层2；发射体3嵌套于收集体1内部，第一绝缘层2设置于收集体1与发射体3之间；收集体1与连接套筒连接，发射体3与传输电缆连接；发射体3与穿过收集体1和第一绝缘层2的快中子反应发生衰变生成β粒子，β粒子穿过第一绝缘层2被收集体1收集，以使收集体1与发射体3之间形成电势差，电势差经传输电缆形成电流信号传输至目标电子插件，以使目标电子插件根据电流信号确定反应堆堆芯快中子通量的大小。第一绝缘层2通常为氧化镁粉末或氧化铝粉末，收集体1通常选用Inconel 600材料。

具体的，堆芯自给能中子探测器的原理是探头发射体3在中子束流的轰击下，发生核反应生成放射性同位素，放射性同位素进而发生β-衰变发射电子，收集这些β-粒子在回路中形成电荷流，这种电流可由堆外的电子仪器来检测，进而显示探头处的中子通量。因此发射体3的材料对反应堆堆芯自给能中子探测器尤为重要，本实施例中选择了铍-9。铍在自然界只有铍-9这一种稳定同位素，所以无需进行同位素分离，同时铍-9也是良好的导电体，具有1278℃的熔点可以耐受堆内的高温环境。堆芯内快中子来源是易裂变核素裂变后产生的裂变中子，图2是铀-234的裂变中子能谱，由图2可以看出堆芯快中子的能量几乎全部在10MeV以下，又因为能量达到1MeV的中子称为快中子，所以这种反应堆堆芯自给能中子探测器探测的中子能量范围是1MeV-10MeV。

如图3所示，为不同能量的中子与铍-9发生核反应的各反应道反应截面绘图，其中，1号反应道是

2号反应道是中子轰击铍-9生成复合核铍-10。铍-10可以发生β-衰变放出电子，但是半衰期长达1.51*10

3号反应道是

4号反应道是中子轰击铍-9后产生氚粒子出射，5号反应道是中子轰击铍-9后产生氘粒子出射。这两种反应道的反应截面集中在10MeV以上的中子能区，而如图2能谱所示堆内快中子的能量很难达到10MeV以上，所以这两种核反应难以在堆芯发生。

所以选择铍-9作为堆芯快中子自给能探测器探头专用的发射体3的材料，其利用了核反应

具体的，传输电缆包括外壳4、芯线6和第二绝缘层5，芯线6嵌套于外壳4的内部，第二绝缘层5设置于外壳4与芯线6之间，外壳4选用选用Inconel 600材料，芯线6选用Inconel600材料，第二绝缘层5选用为氧化镁粉末或氧化铝粉末。氧化铝粉末和氧化镁粉末可以使得保持高电阻值，减小电流的流失。在收集体1、连接套筒和外壳4内部，除了发射体3与芯线6之外，其余部分均填充密实的氧化铝粉末或氧化镁粉末。

具体的，为了便于直接读出实时的电流值，还可以设置有电流计；电流计设置于收集体1与传输电缆之间，收集体1、发射体3、传输电缆和电流计构成闭合回路，电流计用于测量电流信号的大小。探头接受堆芯内部快中子辐照后，发射体3与收集体1之间会形成电势差，传输电缆传输电势差到后续电气插件的回路中形成电流信号，电气插件中的灵敏电流计可以测出该电流信号的大小，电气插件中形成的电流信号大小与探头处的快中子通量大小成正比，因此灵敏电流计读数可以反映堆芯内部探头处的快中子通量大小。

本发明通过使用金属铍(Be)作为发射体3材料，其利用了中子与铍之间特有的反应道，核反应产物可以进一步衰变产生β粒子。快中子能区的中子对于铍具有高于其他能区的反应截面，因此铍可以作为反应堆自给能中子探测器中专用于快中子通量探测的发射体3材料，而且具有结构简单、时间响应好、燃耗率低等优点，且因在核反应堆堆芯内部使用，所选用的各部分材料需要具有耐高温、耐辐照等性质，可以有效地延长其使用寿命。探头部分的发射体3材料可以与快中子发生核反应生成放射性核素，放射性核素发生β-衰变放出电子，电子逃逸出发射体3到达收集体1，从而在发射体3与收集体1之间形成电势差，传输电缆传输电势差到后续电气插件中形成电流信号，使用灵敏电流计测出这种电流信号的大小可以得到探测器探头处的快中子通量。

本实施例提供的堆芯快中子通量自给能探测器，包括：探头、连接套筒和传输电缆；连接套筒的一端连接探头，连接套筒的另一端连接传输电缆，且连接套筒与探头和传输电缆构成封闭结构；探头用于探测反应堆堆芯的快中子通量转化为电流信号，并将电流信号通过传输电缆传输至目标电子插件，以使目标电子插件根据电流信号确定反应堆堆芯快中子通量的大小，采用本申请的快中子通量自给能探测器，可以实现对快中子通量的测量，能够适应各种反应堆内的特殊环境，不仅仅结构简单，而且便于操作，使用寿命长，由于发射体3具有较低的燃耗率，探测器使用寿命可达20年以上。

本申请的快中子增殖堆的新型堆芯快中子自给能探测器，还具有以下优点：

1、性能可靠；

2、精确；

3、在反应堆堆芯内的寿命要长；

4、时间响应短；

5、动态范围宽；

6、结构坚固；

7、尺寸小；

8、对中子通量的扰动很小；

9、能在高温与强辐照的环境中工作。

而本申请的堆芯快中子通量自给能探测器的主要工作流程大致为：

第一步，如果将探测器置于运行状态下的反应堆堆芯内部某处，快中子流穿过探头部分的外壳4和绝缘物质，与发射体3(Be)发生核反应

第二步，氦-6随后以0.8s的半衰期进行衰变，放出β粒子衰变为锂-6。较短的半衰期可以保证探测器有良好的时间响应。

第三步，带负电荷的β粒子逃逸出发射体3，穿过绝缘物质被收集体1收集。这样发射体3带正电荷而收集体1带负电荷，从而在发射体3与收集体1之间形成电势差。

第四步，探头部分形成的电势差经传输电缆在后续电气插件的回路中形成电流，电流大小与探头处的快中子通量存在正比关系。通过回路中灵敏电流计显示的电流读数可以得到反应堆堆芯内部探头处的快中子通量数值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。