CN102280149A - 压水堆核燃料棒中子照相检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核反应堆燃料棒的检测技术，具体涉及一种压水堆核燃料棒中子照相检测装置及检测方法。该装置包括设置在屏蔽底座上的核燃料棒通路、束流通路、转换屏通路，其中，所述的核燃料棒通路竖直设置在屏蔽底座内，核燃料棒通路的开口位于屏蔽底座的顶部；所述的束流通路沿中子束流方向设置在屏蔽底座内，束流通路的开口位于屏蔽底座朝向中子束流的侧面上，束流通路与核燃料棒通路连通；所述的转换屏通路沿垂直于中子束流的方向设置在屏蔽底座内，转换屏通路与束流通路的末端相接。本发明完全可以满足通过间接成像的方法获得核燃料棒的中子照相检测成像的要求。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆燃料棒的检测技术，具体涉及一种压水堆核燃料棒中子照相检测装置及检测方法。
背景技术
核安全是核电发展的生命线，而核燃料棒是压水堆的核心部件，必须对其进行检测以确保反应堆安全运转。中子照相技术在核燃料棒检测方面具有许多优势，是检测核燃料棒破损、测定U-235富集度、检查包壳中氢聚等不可替代的技术手段。采用中子照相方法检测压水堆核燃料棒是一种保证压水堆核燃料棒性能的有力的无损检测技术。但是由于核燃料棒本身具有放射性，所以需要通过间接成像方法完成中子照相对核燃料棒的检测，所以技术相对复杂。利用中子照相技术检测核燃料棒在美国、欧洲、日本等核工业发达的国家有相应的应用，但是有关检测装置设计方面的资料公开发表的较少。我国还没有进行过采用中子照相方法检测压水堆核燃料棒的相关实验，所以相关的用来进行实验的压水堆核燃料棒检测装置没有可以参考的设计经验。
发明内容
本发明的目的在于根据燃料棒中子照相检测实验的要求，提供一种用来构建检测成像实验光路的压水堆核燃料棒中子照相检测装置及相应的检测方法。
本发明的技术方案如下：一种压水堆核燃料棒中子照相检测装置，包括设置在屏蔽底座上的核燃料棒通路、束流通路、转换屏通路，其中，所述的核燃料棒通路竖直设置在屏蔽底座内，核燃料棒通路的开口位于屏蔽底座的顶部或底部；所述的束流通路沿中子束流方向设置在屏蔽底座内，束流通路的开口位于屏蔽底座朝向中子束流的侧面上，束流通路与核燃料棒通路连通；所述的转换屏通路沿垂直于中子束流的方向设置在屏蔽底座内，转换屏通路与束流通路的末端相接。
进一步，如上所述的压水堆核燃料棒中子照相检测装置，其中，所述的核燃料棒通路为空心圆柱形结构，其直径和深度足以容纳核燃料棒，并留有一定的移动空间。
进一步，如上所述的压水堆核燃料棒中子照相检测装置，其中，在所述的束流通路末端转换屏通路的外侧设有中子束流阻挡片；所述的中子束流阻挡片为含硼聚乙烯片。
进一步，如上所述的压水堆核燃料棒中子照相检测装置，其中，所述的束流通路的开口处设有束流限束片，束流限束片上设有与束流通路对应的开口。
进一步，如上所述的压水堆核燃料棒中子照相检测装置，其中，所述的转换屏通路到达束流通路的末端后，再继续延伸一段距离，所延伸的距离大于核燃料棒通路的直径。
进一步，如上所述的压水堆核燃料棒中子照相检测装置，其中，所述的转换屏通路的侧边与核燃料棒通路的圆周相切。
进一步，如上所述的压水堆核燃料棒中子照相检测装置，其中，在所述的屏蔽底座下方设有用于调节屏蔽底座高度的台架。
一种压水堆核燃料棒中子照相检测方法，包括如下步骤：
(S1)将中子转换屏放置在位于中子束流中的核燃料棒之后进行曝光；
(S2)将曝光后的中子转换屏冷却一段时间；
(S3)将中子转换屏移至成像实验室内与胶片或IP板曝光，使记录在中子转换屏上的潜像转移到胶片或IP板上；
(S4)对曝光后的胶片进行显影，或对曝光后的IP板进行数据扫描从而获得核燃料棒的间接成像。
进一步，如上所述的压水堆核燃料棒中子照相无损检测方法，在步骤(S4)中，同时将已经曝光过的中子转换屏进行冷却，擦去转换屏上保留的放射性，从而擦去上一次曝光时记录的样品检测信息，以备下一次成像曝光使用。
进一步，如上所述的压水堆核燃料棒中子照相无损检测方法，步骤(S1)中，中子转换屏在中子束流中的曝光时间为中子转换屏材料的3个半衰期；步骤(S4)中，对已经曝光过的中子转换屏进行冷却的时间为大于等于中子转换屏材料的20个半衰期。
本发明的有益效果如下：在利用本发明进行中子照相检测核燃料棒时，核燃料棒可以通过核燃料棒通路开口进入检测装置内进行成像，并可以在检测装置内自由的上下移动从而控制间接成像的核燃料棒的检测位置；来自反应堆源的中子束流经过中子束流通道后形成了一束尺寸固定的用于中子照相检测核燃料棒的中子束流；由于采用间接成像方法需要在成像时使用转换屏，检测装置上的转换屏通路实现了转换屏的进出，并且能够满足成像两次使用的需要。检测方法根据压水堆核燃料棒的实际参数以及相应特点设计相关的实验流程，整个方法简单易行，能够非常方便的获得压水堆核燃料棒中子照相无损检测成像的结果。
附图说明
图1为核燃料棒中子照相检测装置的外部结构示意图；
图2为核燃料棒中子照相检测装置的内部结构示意图；
图3核燃料棒中子照相检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1、图2所示，本发明所提供的压水堆核燃料棒中子照相检测装置包括设置在屏蔽底座上的核燃料棒通路1、束流通路2、转换屏通路3，其中，所述的核燃料棒通路1竖直设置在屏蔽底座内，核燃料棒通路1的开口位于屏蔽底座的顶部或底部；所述的束流通路2沿中子束流方向设置在屏蔽底座内，束流通路2的开口位于屏蔽底座朝向中子束流的侧面上，束流通路2与核燃料棒通路1连通；所述的转换屏通路3沿垂直于中子束流的方向设置在屏蔽底座内，转换屏通路3与束流通路2的末端相接。在所述的屏蔽底座下方还可以设有用于调节屏蔽底座高度的台架(图中未示出)。
实施例
以某压水堆的核燃料棒为例，核燃料棒通过屏蔽底座上的核燃料棒通路1开口进入屏蔽底座中，从而进入中子束流中进行曝光。屏蔽底座为矩形，核燃料棒通路1位于屏蔽底座的中心位置，竖直向下；核燃料棒通路1为空心圆柱形结构，直径为3.5cm(与转移容器的抓手尺寸配合)；核燃料棒通路1开口位置为屏蔽容器的顶部，深度为25cm，因为要求满足核燃料棒在第二次成像时能够全部位于中子束流中，所以第二次成像时核燃料棒件必须全部位于核燃料棒通路内，此时的深度为2cm(束流开口距离屏蔽底座顶部距离)+20cm(核燃料棒高度)＝22cm，为了留出一定的移动空间，所以核燃料棒通路的深度设计为25cm。考虑到核燃料棒通路开口的深度为25cm，所以屏蔽底座的整体高度为30cm。本领域的技术人员可以理解，核燃料棒通路开口位于屏蔽容器的顶部是一种较佳的实现形式，如果把核燃料棒通路开口设计在屏蔽容器的底部也可以实现本发明的目的，但相应的操作不如顶部开口灵活。
束流通路2开孔为11cm高；考虑到作为样品的核燃料棒是细长的圆柱体，而且为了有效的屏蔽核燃料棒的放射性，开口的宽度不必过大，核燃料棒直径为2.5cm，与转移容器的抓手结合后尺寸为3.3cm，而且转移容器底部的圆形开口的直径为3.5cm，为了配合使用，所以开口宽度为3.5cm。束流通路2给中子束流提供了一个对核燃料棒曝光的通道，所以束流通路2一直延伸到与核燃料棒通路1相接。考虑到屏蔽底座对核燃料棒放射性的屏蔽，束流通路2到核燃料棒通路1的末端截至，不继续延伸，而且在核燃料棒通路1之后的对应位置上嵌入屏蔽底座内一层11cm×3.5cm，厚度为3mm的含硼聚乙烯片作为中子束流阻挡片4，使得透过核燃料棒的中子束被阻挡片4吸收而防止了中子在屏蔽底座内部散射后的杂散中子再次进入转换屏而使分辨率降低。在屏蔽底座面对中子束流的平面上设置中子束流限束片5，尺寸为25cm×25cm(宽度刚好嵌入成像底座平面的凹槽内)，中间对应中子束流开口的位置仍然开口，尺寸相同。采用5cm厚的含硼聚乙烯，用模具按照尺寸成型后固定在成像底座表面对应的位置上。
转换屏通路3用于与转换屏接口，从而实现在打开中子束流对核燃料棒进行曝光时转换屏位于检测装置内的确定位置，并且固定转换屏使其位置在曝光过程中相对固定。转换屏通路3可以设计成一个开口较为狭窄的通路，使得转换屏直接插入，就可以相对固定位置。所以转换屏通路3开口高度与束流开口高度对应，为12cm(稍微比束流开口宽一些，保证成像全部被记录)，宽度为1cm。深度要求插入方向的开口一直延伸超过核燃料棒通路1开口，并继续延伸一段距离，所延伸的距离大于核燃料棒通路1的直径，本实施例延伸4cm。延伸4cm可以保证改变转换屏的成像位置，从而可以获得一张转换屏改变位置曝光后同时与IP曝光的成像的相互影响的实验数据，并且可以改变转换屏的曝光位置从而更有效的利用转换屏(因为核燃料棒通路开口宽度为3.5cm，一个方向移动转换屏4cm后可以成像两次使用，翻转后又可以成像两次从而完全利用一张转换屏)。
对应的转换屏的外层较为柔软，In或Dy片直接嵌入其中，使用时直接将转换屏插入转换屏通路开口。外层使用聚乙烯外框，厚度为1cm，宽度为12cm，长度为18.25cm(25cm/2+3.5/2+4cm)。内部中间位置嵌入In或Dy片，宽度为11cm，嵌入凹槽的深度为0.3cm，In或Dy片对应的长度为8cm(束流宽度为3.5cm，可以满足两次成像使用即可了)。转换屏开口位置要求开口中心与中子束流中心高度一致；通道左侧刚好与核燃料棒通路的圆周相切，这样可以保证转换屏与核燃料棒的距离尽量近，甚至紧贴。
以CARR反应堆源的中子束流为例，根据CARR堆的数据，中子束流中心距离地面为110cm。因为中子束流开口的高度为11cm，束流开口的顶端上屏蔽底座的厚度为2cm，屏蔽底座高度为30cm，所以束流开口下端到底座底部的距离为17cm，为了使束流开口的中心与中子束流中心在一个平面上，需要在底座下加一个台架，高度为87.5cm。这样可以将检测装置的中子束流开口位置放置在中子束流中心。
采用本发明所进行的中子照相方法检测压水堆核燃料棒的过程包括下面几个步骤：
步骤S1，转换屏在中子束流中的曝光
用于压水堆核燃料棒中子照相无损检测的转换屏材料选择铟。将转换屏从检测装置的转换屏通路开口插入，其位置位于中子束流中的核燃料棒之后，转换屏在中子束流中曝光时，随着曝光时间的增加转换屏的放射性活度将趋近于饱和。当靶材料在中子束中照射一定时间后β衰变率达到饱和最大值。再延长曝光时间只能使转换屏增加很少的放射性活度。曝光一个半衰期所产生的放射性的活度等于最大值的50％，曝光两个半衰期为75％，三个半衰期为87.5％，依此类推。当转换屏转移到胶片或IP板上，由转换屏上的子核的辐射对胶片曝光时，活化屏上子核的放射性活度将以e-λt的方式衰减，也发生类似情况。所以，无论是转换屏接受中子曝光或者转换屏使胶片曝光，当曝光时间为三个半衰期时，就接近于饱和值的90％。所以转换屏在中子束流中的曝光时间不应该超过三个半衰期。所以实验时转换屏在中子束中的曝光时间为162分钟(转换屏材料铟的3个半衰期时间长度)。
步骤S2，转换屏与胶片曝光之前的冷却
由于本方法采用的转换屏具有铝底衬，铝活化的半衰期为2.7分钟，所以在转换屏与胶片曝光之前要先冷却几分钟，使得铝的活化衰变到很少的放射性活度。所以实验要求转换屏从中子束流中取出后在与胶片曝光之前需要冷却5分钟。
步骤S3，转换屏与胶片或IP板曝光
将转换屏移动到专门的成像实验室内与胶片或IP板紧贴在一起，保持表面紧密接触，并且固定相对的位置，不可以使转换屏或胶片(或IP板)位置在曝光期间发生相对移动，防止成像显示错误信息或模糊信息。把它们放置在一起并紧密接触的过程中要避免用力过猛导致转换屏变形，从而不能得到正确的检测信息。根据压水堆核燃料棒的参数、我们反应堆中子束流的参数，以及我们检测实验采用的转换屏的特点，实验要求转换屏与胶片或IP板的曝光时间为1个小时。
步骤S4，转换屏的冷却以及曝光后胶片或IP板的显影以及成像分析
已经曝光过的转换屏在进行下一次成像曝光时要首先进行冷却，擦去转换屏上保留的放射性，从而擦去上一次曝光时记录的样品检测信息。重复使用的冷却时间应大于等于转换屏材料铟的20个半衰期，这样可以擦去保留的放射性，实验要求一次成像后的转换屏冷却24小时之后方可进行下一次检测压水堆核燃料棒的实验。
曝光后的胶片的显影成像分为五个步骤：显影、停影、定影、水洗、干燥，每个步骤在各自的药槽中进行。如果使用IP板则直接进行数据扫描。
胶片的成像过程如下：
显影：显影之前对已经曝光过的胶片在水槽中先湿润以下，随后放入显影槽中。显影槽中药水为配套的药水(公知成分)，显影槽中温度为20±2℃；停留时间4～6分钟；
停影：停影槽中为水；时间30秒；停影槽中水温与显影槽中相同；
定影：定影槽中为配套药水(公知成分)；温度为18℃～24℃；时间5～10分钟；
水洗：此槽中为流动水；冲洗30分钟；
干燥：取出胶片，用夹子置于干燥箱中进行干燥，等待干燥就可以对图像进行分析。
当获得了已经显影的胶片，通过对显影后的胶片图像的分析获得压水堆核燃料棒中子照相无损检测成像的结果，或者采用专门的读出装置，扫描已摄取的成像胶片，使胶片上记录的模拟信息数字化为数字式平片影像，对数字化影像进行分析从而获得实验的检测数据。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种压水堆核燃料棒中子照相检测装置，包括设置在屏蔽底座上的核燃料棒通路(1)、束流通路(2)、转换屏通路(3)，其特征在于：所述的核燃料棒通路(1)竖直设置在屏蔽底座内，核燃料棒通路(1)的开口位于屏蔽底座的顶部或底部；所述的束流通路(2)沿中子束流方向设置在屏蔽底座内，束流通路(2)的开口位于屏蔽底座朝向中子束流的侧面上，束流通路(2)与核燃料棒通路(1)连通；所述的转换屏通路(3)沿垂直于中子束流的方向设置在屏蔽底座内，转换屏通路(3)与束流通路(2)的末端相接。
2.如权利要求1所述的压水堆核燃料棒中子照相检测装置，其特征在于：所述的核燃料棒通路(1)为空心圆柱形结构，其直径和深度足以容纳核燃料棒，并留有一定的移动空间。
3.如权利要求1或2所述的压水堆核燃料棒中子照相检测装置，其特征在于：在所述的束流通路(2)末端转换屏通路(3)的外侧设有中子束流阻挡片(4)；中子束流阻挡片(4)为含硼聚乙烯片。
4.如权利要求1或2所述的压水堆核燃料棒中子照相检测装置，其特征在于：所述的束流通路(2)的开口处设有束流限束片(5)，束流限束片(5)上设有与束流通路(2)对应的开口。
5.如权利要求1或2所述的压水堆核燃料棒中子照相检测装置，其特征在于：所述的转换屏通路(3)到达束流通路(2)的末端后，再继续延伸一段距离，所延伸的距离大于核燃料棒通路(1)的直径。
6.如权利要求2所述的压水堆核燃料棒中子照相检测装置，其特征在于：所述的转换屏通路(3)的侧边与核燃料棒通路(1)的圆周相切。
7.如权利要求1所述的压水堆核燃料棒中子照相检测装置，其特征在于：在所述的屏蔽底座下方设有用于调节屏蔽底座高度的台架。
8.一种压水堆核燃料棒中子照相检测方法，包括如下步骤：
(S1)将中子转换屏放置在位于中子束流中的核燃料棒之后进行曝光；
(S2)将曝光后的中子转换屏冷却一段时间；
(S3)将中子转换屏移至成像实验室内与胶片或IP板曝光，使记录在中子转换屏上的潜像转移到胶片或IP板上；
(S4)对曝光后的胶片进行显影，或对曝光后的IP板进行数据扫描从而获得核燃料棒的间接成像。
9.如权利要求8所述的压水堆核燃料棒中子照相无损检测方法，其特征在于：在步骤(S4)中，同时将已经曝光过的中子转换屏进行冷却，擦去转换屏上保留的放射性，从而擦去上一次曝光时记录的样品检测信息，以备下一次成像曝光使用。
10.如权利要求9所述的压水堆核燃料棒中子照相无损检测方法，其特征在于：步骤(S1)中，中子转换屏在中子束流中的曝光时间为中子转换屏材料的3个半衰期；步骤(S4)中，对已经曝光过的中子转换屏进行冷却的时间为大于等于中子转换屏材料的20个半衰期。
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