堆芯中子注量率測量

基本介紹

• 中文名：堆芯中子注量率測量
• 外文名：in-core　neutron　flux　measurement

為了提高反應堆功率密度和燃料元件燃耗深度，必須較精確地進行堆芯中子注量率監測。堆芯中子注量率測量系統的堆內部件的特點是結構緊湊，能適應惡劣的工作環境(輻照水平高，溫度高，壓力高)。通過堆芯中子注量率測量，可以驗證堆芯設計，監督堆芯安全裕度和偏離泡核沸騰比(DNBR)，實測燃料元件的燃耗，以保證反應堆安全經濟地運行。

堆芯中子注量率測量方法主要有兩種:①利用堆芯探測器進行直接測量；②利用活化法進行間接測量。壓水堆核電廠廣泛使用的堆芯中子注量率測量系統，是通過機械驅動裝置將所選孔道的堆芯內裂變室插入堆芯測量孔道。

直接測量

測量裝置包括芯內裂變室、微型電離室、相應的機械裝置；或者固定在堆內的自給能中子探測器。

(1)芯內裂變室:在壓水堆和沸水堆中，大多數移動式堆芯中子注量率測量系統都採用芯內裂變室作為中子敏感元件。裂變室的特點是鈾內襯的燃耗相當小。在脈衝基數、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(採用脈衝計數)、中間量程通道(採用均方電壓技術)以及功率量程通道(採用平均電流技術)中，堆芯內裂變室都是適宜的。但裂變室的最佳設計(大小、材料、充氣壓力、發射極-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裂變室，見圖1。一種型式是在探測器外殼的內側，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，就越能夠準確地控制探測器的中子靈敏度。芯內裂變室充以零點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於發射極與收集極之間的間隙。電離電流是所充氣體原子數的函式。間隙大產生的電流亦大。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，因此存在一種能產生最高信號噪聲比的結構形狀。堆芯內裂變室的外徑約6mm左右，敏感長度約12~25mm。　

圖1 堆芯內裂變室

(2)微型電離室:塗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，堆芯內裂變室在堆芯滿功率工作9個月之後，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，其中子靈敏度就降低50%(由於B的熱中子截面比U大6倍，導致燃耗太大)。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於每月一次。因此，塗硼電離室能滿意地工作多年。

(3)堆芯中子注量率測量系統:包括探測器及其驅動機構、測量管道選擇器、管道等機械裝置，以及信號處理設備等幾部分。操縱員操縱選擇器，選擇相應測量管道，由驅動機構將其從堆底送入堆芯預定的測量管道，並沿堆芯作由底至頂和由頂至底的運動，在運動過程中測出電流信號並經探測器尾部電纜傳送到信號處理設備。一個900MW的壓水堆核電廠在壓力容器底部設有50個孔道與堆芯內50箇中子注量率測量管道相連線，利用5套探測器驅動機構，每個探測器順序穿過10個孔道，反覆插抽。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，就能產生信號電流。探測器沒有發生電離的充氣區域，而該區域卻被用作中子敏感材料的固體結構所代替。中子敏感材料與導線連線，同時用緊密充填的陶瓷絕緣體使導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物絕緣的同軸電纜，體積小而結實。簡單的結構使這種探測器具有許多優點，其中包括價格低廉、讀出設備簡單、燃耗率低、壽命長和靈敏度重現性好。

一個典型的自給能中子探測器由4部分組成:發射極，絕緣體，導線和外套(或收集極)。發射極是一種熱中子活化截面適當高的材料，活化以後，通過發射高能β射線以適當的半衰期進行衰變，電子就在這種衰變過程中逸出。絕緣體是固體，在堆芯內溫度和核輻照環境下，它必須保持高電阻性能；按理想情況，它應該不發射由中子活化引起的β或電子(導線和外套或收集極必須只發射很少的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構圖，對中子敏感的發射極固定在因科鎳導線上，發射極和導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。

圖2 自給能中子探測器

自給能探測器主要有下列三種:①發射極(如銠)俘獲中子後發生β衰變，即β流中子探測器；②發射極(如鈷、鈧或鎘)俘獲中子後放出瞬發γ，而後由激發核發射出荷能電子，即內轉換中子探測器；③發射極俘獲或散射γ射線，產生康普頓電子和光電子，從而使發射體荷正電，即自給能γ探測器。

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

間接測量

包括早期的活化絲系統和在德國壓水堆核電廠中廣泛套用的氣動球探測系統。

(1)活化絲法:早期的反應堆利用一套機械裝置把各金屬絲送入堆芯內預定位置，金屬絲在堆芯經輻照活化後，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:運用壓縮空氣運載的系統。將直徑1.6mm的實心釩鋼球經管道從堆頂吹入預先選定的堆芯中子注量率測量管道。這些鋼球含有V，V吸收中子後生成活化核V，V衰變(半衰期3.76min)放射出β粒子及γ射線。釩鋼球在堆內經過3min左右的照射後，再由壓縮空氣沿原路經反方向吹出堆芯，送到測量台。小球柱的高度與堆芯高度相同，其活化強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的示意圖。堆芯內設有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械構件上，並通過一個出口穿過壓力容器頂蓋。用半導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，每個測點測1s，測完一組約半分鐘，4組共2min。測得的脈衝信號經前置放大器甄別、放大後送到計數器計數。採用過程計算機，根據所測得的脈衝速率，經若干修正，求出同一時間內歸一化了的反應堆功率分布。屬於這種修正的有小球的殘餘放射性和小球在堆內停留所造成的偏差。通過計算機數據處理，氣動球堆芯中子測量系統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。為提高精確度，測量前用Co標準源對半導體探測器進行標定。

圖3 氣動球測量系統布置圖