CN104036836B - 乏燃料组件燃耗精密测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用了γ谱测量技术的测量装置。为解决现有乏燃料组件燃耗测量装置在便携性能方面的不足，并进一步提高燃耗测量值的准确性和精度，本发明提供了一种乏燃料组件燃耗精密测量装置，包括水下装置、水面装置、无线监控及数据处理装置三部分；所述水下装置的屏蔽体呈阶梯状，屏蔽准直体包括上屏蔽准直体和下屏蔽准直体，上、下屏蔽准直体可前后上下移动，所述水面装置浮在水面上。本发明的乏燃料组件燃耗精密测量装置的设备重量得到了显著降低，提高了便携性和使用、操作的便利性，测量安全性也较为理想；另外，由于采用了超声测距的校正方式，因此也明显提高了燃耗测量值的准确性和精度。

Description

乏燃料组件燃耗精密测量装置
技术领域
本发明涉及一种利用了γ谱测量技术的测量装置，特别涉及一种乏燃料组件燃耗精密测量装置。
背景技术
燃耗定义为对装入堆芯核燃料消耗程度的度量。测定反应堆燃料元件的燃耗深度，在核电站、燃耗信任制、核保障等领域中具有十分重要的意义。
燃耗分析从测量方法看可分两类，一类是破坏性分析(DA)，把乏燃料组件进行化学溶解，对溶解液中的某些裂变核素进行放射化学分析或质谱分析来确定燃耗。虽然该分析方法具有直接性的特点，但其测量时间周期长，对测量的环境要求高，测量程序复杂，无法满足现场测量的需求；另一类是非破坏性分析(NDA)，基于同位素的γ放射性相关性，直接测量乏燃料组件中裂变产物的γ放射性强度或测量自发裂变中子数来确定燃耗。NDA技术具有简单快速，适合现场监测，不破坏元件等优点，被广泛用于乏燃料组件贮存设施和后处理厂首端的乏燃料燃耗及燃耗分布分析中，能够提供乏燃料组件的冷却时间、可裂变物质(235U、239Pu)含量等数据。
核燃料在辐照过程和冷却期间，由于发生裂变，中子俘获，(n,2n)反应和α、β衰变，会引起其核素成分的改变。非破坏性燃耗测量分析方法大多数是基于对乏燃料的中子、γ辐射的测量，因此燃耗测定主要有中子测量技术、γ测量技术及两者的结合。
燃耗中子测量技术包含了无源中子测量技术及有源中子测量技术。由于中子俘获反应的存在，辐照过的燃料能够产生新的重同位素，它们中的一些可以通过自发裂变或(α，n)反应发射中子。无源中子测量通常采用235U裂变室，通过测量乏燃料组件的中子计数率，并经过一系列数据分析和处理得出最终的平均燃耗，这种方法测量的燃耗值比较精确，但是中子探测器和组件相对位置的变化对测量结果的影响要比γ测量灵敏的多，因此必须保证测量位置的精度。另外，含硼水介质会对中子测量产生影响，必须进行修正。有源中子测量采用外加的中子源照射乏燃料组件，通过测量组件中可裂变物质诱发裂变产生的瞬发或缓发中子数来确定组件的燃耗和其中U、Pu的含量。该方法因技术复杂，造价昂贵，其应用受到限制。
γ测量技术包含了总γ测量技术和γ谱测量技术。总γ测量技术通常用电流电离室进行总γ测量，设备简单、操作方便、性能稳定可靠、便于制作成手提式仪器用于现场测量，但其冷却时间和燃耗的测定值较差，不能区分不同辐照史的乏燃料组件，只能作为辅助测量手段。γ谱测量技术通常指包含了高纯锗(HPGe)或碲锌化镉(CdZnTe)探测器组成的谱仪系统。通过测量两种核素的γ放射性之比可以消除几何因子、探测效率等的影响，从而将测量精度提高，该方法现已广泛用来测量组件的燃耗和冷却时间。
截至2001年底，ＩＡＥＡ各成员国运行的燃耗测量系统达260套，这些测量系统包括移动设备和固定装置。法国曾研制了三种NDA燃耗分析系统，分别是PYTHON、SMOPY和NAJA，现已广泛应用于乏燃料运输、贮存和后处理厂中。美国Los Alamos采用无源中子测量技术和总γ测量技术开发了FORK探测器用于测量燃耗。德国、日本、英国、俄罗斯、瑞典、巴基斯坦等国家分别开发了一系列燃耗测量设备。
中国在燃耗测量方面也开展了研究工作。上个世纪70年代，原子能研究所(中国原子能科学研究院前身)核谱组采用平面Ge(Li)γ谱仪，测量了在热中子堆中照射8个月出现烧熔现象的铀棒的燃耗纵向分布。1998年，董明理等采用总γ测量技术和无源中子测量技术建立了叉形探测器，用于后处理和贮存工厂中PWR和BWR型乏燃料组件的燃耗、冷却时间、总钚和总裂变物质含量的测定。清华大学采用HPGe探测器在1OMW高温气冷试验堆上建立了一套在线的NDA的燃耗测量系统。
近年来，随着化合物半导体技术的发展，CZT探测器(即：碲锌化镉探测器)逐渐受到更多的关注。CZT探测器可用于γ射线的能谱分析，其能量分辨率介于HPGe探测器和NaI(Tl)探测器之间，随着探测器制作工艺的不断提高，CZT探测器的能量分辨率已经可以做到好于2％(137Cs，662KeV)，足够用于乏燃料组件γ能谱的测量。CZT探测器既不像HPGe探测器那样容易引起计数率饱和，也不像NaI(Tl)探测器那样稳定性较差且容易潮解。CZT探测器的价格不到HPGe探测器的十分之一，它的工作电压低，损伤几率小。CZT探测器可在常温下使用，不需要液氮冷却，而且CZT探测器具有体积小重量轻的优点，这就使得探测器外准直屏蔽系统的体积可以大大地减小，使得建造小型化的、可移动式的燃耗测量装置成为可能。当前，利用CZT探测器进行核材料的铀富集度、乏燃料燃耗以及铀、钚物料的属性等方面的测量工作已经进入了研究阶段。
国际上利用CZT探测器对乏燃料燃耗进行测量的还不多见。美国开发的Fork+探测器，燃耗测量误差约为5％；法国应IAEA要求开发的SMOPY，对LEU组件燃耗的测量误差小于5％；法国A.Lebrun等和意大利R.Berndt等利用CZT探测器测量134Cs与137Cs的计数率以计算储存乏燃料水池中乏燃料燃耗。然而为了降低测量距离导致的误差，这些探测器在实际测量时与待测对象均十分接近，这就导致了其受到的辐射水平较高，所需的屏蔽结构体积较大，使得探测器的重量显著上升。因此，在国内现有的工艺水平下，如果将这样的设计应用于探测器，将很难实现探测器的便携功能。另外，探测器在实际测量时与待测对象接近的设计还存在二者相互接触导致的安全性问题。
我国仅有中国原子能科学研究院在“十一五”期间利用CZT探测器开展了乏燃料燃耗测量的探索性工作，并基于当时的工作进展申请了发明专利(CN101901636)。该专利涉及的乏燃料组件燃耗测量系统结构比较紧凑，具有较高的测量精度，但其约150公斤的装置重量仍不能较好实现便携功能，而实际测量工作中对于乏燃料组件燃耗测量值的准确性和精度的要求仍有进一步提高的期望。
由于CZT探测器在乏燃料燃耗测量领域的应用前景良好，而前述缺陷对此产生了明显的限制作用，因此对于现有乏燃料组件燃耗测量装置在便携性能、燃耗测量值的准确性和精度等方面的改进成为亟待解决的问题。
发明内容
为解决现有乏燃料组件燃耗测量装置在便携性能方面的不足，并进一步提高燃耗测量值的准确性和精度，本发明提供了一种乏燃料组件燃耗精密测量装置。
该测量装置包括水下装置、水面装置、无线监控及数据处理装置三部分；
所述水下装置包括CZT探测器、屏蔽体、屏蔽准直体和耐压密封壳；CZT探测器位于屏蔽体中央；所述屏蔽体呈阶梯状，由前端屏蔽体、中间屏蔽体和后端屏蔽体三个部分构成，所述前端屏蔽体为以平行的两平面沿圆柱体的轴向左右对称截去两个截面为弓形的柱体的几何体，中间屏蔽体和后端屏蔽体均为圆柱体；其中，前端屏蔽体两截面之间的距离大于等于中间屏蔽体直径，中间屏蔽体直径大于后端屏蔽体直径；所述前端屏蔽体的前端中央设有准直孔，所述准直孔形状为在下底面向外的圆台的基础上，以两平面上下对称各截去圆台一部分的几何体，且两平面在圆台上底面和下底面均截去一个弓形；所述准直孔的高度由内向外递增；屏蔽体前方设有屏蔽准直体，屏蔽准直体由丝杆牵引能够前后移动，所述屏蔽准直体包括上屏蔽准直体和下屏蔽准直体，上屏蔽准直体和下屏蔽准直体分别由丝杆牵引能够上下移动；所述屏蔽体和屏蔽准直体设置在耐压密封壳内；所述耐压密封壳前端设有超声波探测器；
所述水面装置包括无线发射接收模块、超声波发射接收模块、数据处理模块、多道分析器、电源管理模块、电源和天线，所述无线发射接收模块、超声波发射接收模块、数据处理模块、多道分析器、电源管理模块和电源均设置在浮筒内，使得水面装置能够不依靠外力浮在水面上；所述水面装置还包括与水下装置相连接的电缆；
所述无线监控及数据处理装置包括天线、无线发射接收模块和计算机。
所述水下装置还设有吊绳为优选。
所述水下装置还设有底座为优选。
所述数据处理模块优选为MCU板。
所述多道分析器优选为DP5板。
本发明的乏燃料组件燃耗精密测量装置的屏蔽准直体由丝杆牵引能够实现前后移动以及上屏蔽准直体和下屏蔽准直体的上下移动。在本领域中，当待测乏燃料组件放射性较强且屏蔽准直体狭缝宽度已经很小的情况下，通常采用增加屏蔽准直体厚度的方式以确保CZT探测器计数率不超过其所能承受的最大计数率，这样就会导致重量的增加和结构上的改动，从而严重影响便携性。而本发明的屏蔽准直体在通过上屏蔽准直体和下屏蔽准直体的上下移动调节狭缝宽度的方式不能完全满足要求的情况下，还可以通过调节屏蔽准直体的前后移动以达到与增加屏蔽准直体厚度的方式相同的效果，因此既避免了结构上的改动，又不会导致重量的增加，有利于设备的便携性。
本发明采用超声波探测器测量乏燃料组件与测量装置之间的距离，从而对燃耗测量值加以校正。这是因为在乏燃料组件贮存水池中的格架与乏燃料组件间有最大值达1cm的不确定间距，而CZT探测器与乏燃料组件的距离变化对燃耗测量值的影响显著，约为10％/cm，因此意味着可能会导致最大达10％的误差。基于这一原因，本发明采用超声测距的方式显著降低了燃耗测量值的误差，实现了乏燃料组件燃耗的精密测量。
由于采用超声波探测器确保了燃耗测量值的准确性，因此本发明的乏燃料组件燃耗精密测量装置能够远离乏燃料组件进行测量，这样就充分的利用了水对辐射的吸收，十分有利于屏蔽结构的减重。另外，这种测量装置远离乏燃料组件的测量方式也确保了二者之间不发生接触，保证了测量的安全性。
本发明的乏燃料组件燃耗精密测量装置的屏蔽体形状为阶梯状，这种特殊设计能够在确保CZT探测器计数率不超过其所能承受的最大计数率条件下，最大程度的减小屏蔽体的重量，有利于设备的便携性。
本发明的乏燃料组件燃耗精密测量装置实现了无线控制，测量时操作者不用拖着长的电缆，且操作位置不受限制，因此操作十分方便。
综上所述，本发明的乏燃料组件燃耗精密测量装置的设备重量得到了显著降低，在当前研究进度和采用国内工艺技术条件下，整套装置总重量可以低于50公斤，其中水下装置重量约为38公斤，显著提高了便携性和使用、操作的便利性，测量安全性也较为理想，扩展了其应用环境和应用范围；同时，该装置由于采用了超声测距的校正方式，因此也明显提高了燃耗测量值的准确性和精度。
附图说明
图1水下装置结构示意图。
图2水面装置结构简图。
图3无线监控及数据处理装置结构简图。
图4屏蔽准直体部分的局部左视图。
附图标记：1.准直孔，2.丝杆，3.上屏蔽准直体，4.超声波探测器，5.下屏蔽准直体，6.丝杆，7.丝杆，8.吊绳，9.屏蔽体，10.CZT探测器，11.CZT探测器信号线，12.CZT探测器接线端子，13.超声波探测器接线端子，14.超声波探测器信号线，15.耐压密封壳，16.底座，17.多道分析器，18.数据处理模块，19.浮筒，20.天线，21.无线发射接收模块，22.超声波发射接收模块，23.电源管理模块，24.电源，25.天线，26.无线发射接收模块，27.计算机，28.电缆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例
本发明的乏燃料组件燃耗精密测量装置包括水下装置、水面装置、无线监控及数据处理装置三部分；
所述水下装置包括CZT探测器、屏蔽体、屏蔽准直体和耐压密封壳；CZT探测器位于屏蔽体中央；所述屏蔽体呈阶梯状，由前端屏蔽体、中间屏蔽体和后端屏蔽体三个部分构成，所述前端屏蔽体为以平行的两平面沿圆柱体的轴向左右对称截去两个截面为弓形的柱体的几何体，中间屏蔽体和后端屏蔽体均为圆柱体；其中，前端屏蔽体两截面之间的距离大于等于中间屏蔽体直径，中间屏蔽体直径大于后端屏蔽体直径；所述前端屏蔽体的前端中央设有准直孔，所述准直孔形状为在下底面向外的圆台的基础上，以两平面上下对称各截去圆台一部分的几何体，且两平面在圆台上底面和下底面均截去一个弓形；所述准直孔的高度由内向外递增；屏蔽体前方设有屏蔽准直体，屏蔽准直体由丝杆牵引能够前后移动，所述屏蔽准直体包括上屏蔽准直体和下屏蔽准直体，上屏蔽准直体和下屏蔽准直体分别由丝杆牵引能够上下移动；所述屏蔽体和屏蔽准直体设置在耐压密封壳内；所述耐压密封壳前端设有超声波探测器；所述水下装置还设有吊绳和底座；
所述水面装置包括无线发射接收模块、超声波发射接收模块、MCU板、DP5板、电源管理模块、电源和天线，所述无线发射接收模块、超声波发射接收模块、MCU板、DP5板、电源管理模块和电源均设置在浮筒内，使得水面装置能够不依靠外力浮在水面上；所述水面装置还包括与水下装置相连接的电缆；所述电缆包含CZT探测器信号线和超声波探测器信号线，CZT探测器信号线和超声波探测器信号线分别通过CZT探测器接线端子和超声波探测器接线端子接入水下装置；
所述无线监控及数据处理装置包括天线、无线发射接收模块和计算机。
为验证本发明的乏燃料组件燃耗精密测量装置在高剂量γ辐射环境下的适应性，因此采用源强为8万居里的钴60γ射线源对辐射敏感部件进行辐照试验。结果证明：各辐射敏感部件在工况条件下均表现良好，不会产生辐射损伤故障，并有较大的耐γ辐射裕量。

Claims (5)

1.一种乏燃料组件燃耗精密测量装置，其特征在于：该测量装置包括水下装置、水面装置、无线监控及数据处理装置三部分；
所述水下装置包括CZT探测器、屏蔽体、屏蔽准直体和耐压密封壳；CZT探测器位于屏蔽体中央；所述屏蔽体呈阶梯状，由前端屏蔽体、中间屏蔽体和后端屏蔽体三个部分构成，所述前端屏蔽体为以平行的两平面沿圆柱体的轴向左右对称截去两个截面为弓形的柱体的几何体，中间屏蔽体和后端屏蔽体均为圆柱体；其中，前端屏蔽体两截面之间的距离大于等于中间屏蔽体直径，中间屏蔽体直径大于后端屏蔽体直径；所述前端屏蔽体的前端中央设有准直孔，所述准直孔形状为在下底面向外的圆台的基础上，以两平面上下对称各截去圆台一部分的几何体，且两平面在圆台上底面和下底面均截去一个弓形；所述准直孔的高度由内向外递增；屏蔽体前方设有屏蔽准直体，屏蔽准直体由丝杆牵引能够前后移动，所述屏蔽准直体包括上屏蔽准直体和下屏蔽准直体，上屏蔽准直体和下屏蔽准直体分别由丝杆牵引能够上下移动；所述屏蔽体和屏蔽准直体设置在耐压密封壳内；所述耐压密封壳前端设有超声波探测器；
所述水面装置包括无线发射接收模块、超声波发射接收模块、数据处理模块、多道分析器、电源管理模块、电源和天线，所述无线发射接收模块、超声波发射接收模块、数据处理模块、多道分析器、电源管理模块和电源均设置在浮筒内，使得水面装置能够不依靠外力浮在水面上；所述水面装置还包括与水下装置相连接的电缆；
所述无线监控及数据处理装置包括天线、无线发射接收模块和计算机。
2.如权利要求1所述的乏燃料组件燃耗精密测量装置，其特征在于：所述水下装置还设有吊绳。
3.如权利要求1所述的乏燃料组件燃耗精密测量装置，其特征在于：所述水下装置还设有底座。
4.如权利要求1所述的乏燃料组件燃耗精密测量装置，其特征在于：所述数据处理模块为MCU板。
5.如权利要求1所述的乏燃料组件燃耗精密测量装置，其特征在于：所述多道分析器为DP5板。
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