CN106205753A - 核电站水平管线式硼浓度探测设备 - Google Patents

核电站水平管线式硼浓度探测设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开的是核电站水平管线式硼浓度探测设备，主要解决了现有技术中的硼浓度测量系统监测出的硼浓度准确度不高，不能满足实时控制反应堆一次水中的硼含量，确保反应堆运行安全的需求的问题。本发明包括设置在化容管道上方用于发出中子的中子源发生组件，设置在化容管道下方用于探测中子的中子源探测组件，包裹在中子源发生组件外部使其发出的中子进入化容管道内的上屏蔽组件，以及包裹在中子源探测组件外部使经过化容管道的中子进入中子源探测组件的下屏蔽组件。本发明具有安全、检测准确度高、结构简单、安装方便等优点。

Description

核电站水平管线式硼浓度探测设备
技术领域
本发明涉及一种硼浓度探测设备，具体涉及的是核电站水平管线式硼浓度探测设备。
背景技术
核电厂压水堆的慢化剂与冷却剂是含硼(10B)的水溶液。硼作为中子毒物，其主要功能是控制堆芯反应性，展平功率分布，增加燃耗深度，提高核电厂运行的经济性；另一方面，核电站的运行须防止硼浓度的意外稀释导致的功率意外增长，确保燃料的运行安全。为此，需在线并准确测量反应堆一回路冷却水中的硼浓度，以实时控制反应堆一次水中的硼含量，确保反应堆运行安全。
目前测量硼浓度通常有两种方法：化学分析滴定法和中子吸收法。
取样分析滴定法不具备实时性，不能用于在线测量。目前国内外核电站在测量一回路硼浓度时大多采用中子吸收法，即热中子与10B发生(n，α)反应：带电粒子电离产生脉冲信号。脉冲计数率N和硼浓度P有指数关系N＝N0e-βP，β为吸收因子，其和探测设备结构有关。由脉冲计数率就可以获得硼浓度。采用中子吸收法原理的硼浓度在线测量系统包括探测设备和分析监测仪表，探测设备集成了中子探测器和温度探测器，分别输出表示硼浓度的脉冲信号和温度信号，是硼浓度测量系统的核心装置。探测设备安装在核电站与一回路相连的化容系统下泄流水平管道上，探测管道内的冷却剂硼浓度，输出表征硼浓度的脉冲电流信号，并将信号传输至分析监测仪表，实时分析计算反应堆及一回路冷却剂的硼浓度。
但在实际监测过程中，常常因为外界因素，如温度、中子源、吸收因子β的不同而导致硼浓度测量系统测量准确度不高，不能满足实时监测反应堆一次水中的硼含量。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的硼浓度测量系统监测出的硼浓度准确度不高，不能满足实时控制反应堆一次水中的硼含量，确保反应堆运行安全的需求的问题，提供一种解决上述问题的核电站水平管线式硼浓度探测设备。
为解决上述缺点，本发明的技术方案如下：
核电站水平管线式硼浓度探测设备，包括设置在化容管道上方用于发出中子的中子源发生组件，设置在化容管道下方用于探测中子的中子源探测组件，包裹在中子源发生组件外部使其发出的中子进入化容管道内的上屏蔽组件，以及包裹在中子源探测组件外部使经过化容管道的中子进入中子源探测组件的下屏蔽组件。
本发明是基于中子吸收法原理来实现在线硼浓度测量，该中子吸收法的具体实现原理如下：探测设备安装在核电站与一回路相连的化容系统下泄流水平管道上，利用硼对热中子具有较高的吸收截面的特征进行冷却剂的硼浓度测量。中子源发射的中子一部分被管道内硼溶液慢化后吸收，慢化后未被吸收的中子穿透管道被中子探测器获取，管道内不同硼浓度对中子的吸收率不同，被测管道中溶液硼浓度越高，探测器测到的中子数就越少。
但因实际过程中，中子脉冲信号计数率会受到温度及中子源的影响，因而，在中子源发生组件外部设置上屏蔽组件，在中子源探测组件外部设置下屏蔽组件，通过上屏蔽组件和下屏蔽组件的共同作用，有效稳定温度及中子源对中子脉冲信号计数率的影响。
通过上屏蔽组件和下屏蔽组件的综合设置，有效避免温度及中子源的影响，进而有效提高中子脉冲信号计数率的准确性以及硼浓度实时监测的准确度。
作为中子源发生组件中的其中一种设置结构，所述中子源发生组件设置在上屏蔽组件内，且中子源发生组件由中子源安装座，设置在中子源安装座底部临近化容管道处的中子源，以及设置在中子源安装座顶部的中子源组件盖组成。
为了中子源快速安装，并保证中子源位置的唯一性，所述中子源安装座底部设置有V型定位块，该中子源固定在V型定位块上。V型定位块的作用为：当中子源取出后，该V型定位块能够保证中子源再次安装时，其再次安装的位置与取出之前的位置相同，且V型定位块对中子源具有自动定位对中的作用，确保中子源位置具有唯一性；同时，通过该结构的设置，还能实现中子源组件的快速装源，极大地降低了中子源安装人员的受照剂量。
作为中子源探测组件中的其中一种设置结构，所述中子源探测组件设置在下屏蔽组件内，该中子源探测组件由临近化容管道位置处设置有凹槽的中子源探测座，设置在凹槽内的中子探测器，以及用于将中子探测器固定在中子源探测座上防止其位置发生变化的防转卡扣组成。所述中子源的中心轴线与中子探测器的中心轴线位于同一平面内，且设中子源中心与探测器测量活性段中心的连线为中心连线，该中子源的中心轴线和中子探测器的中心轴线均与中心连线垂直。
现有技术中，中子源的中心轴线与中子探测器的中心轴线并没有位于同一平面内，且中心连线与中心轴线之间并不垂直。本发明通过上述中子源和中子探测器各自位置和相对位置的具体设置，进而提高硼浓度探测水平、获取高的硼浓度计数率，试验证明该设置方式的检测效果明显高于现有技术，并且通过上述结构的综合设置，如利用防转卡扣有效防止中子探测器的位置发生变化，能够保证各自部件和对位置的唯一性，从而避免影响中子计数率，进而能够实现探测装置良好的中子探测效果，保证硼浓度在线测量的准确度。
所述中子源探测座通过定位销固定在下屏蔽组件上，利用定位销保证了中子探测器座与下屏蔽组件之间的相对位置，进一步防止位置发变化导致影响中子计数率的情况发生。
为了能在保证中子脉冲信号计数率的准确性以及硼浓度实时监测的准确度的同时，可有效使得中子源产生的探测设备表面剂量率小于75μSv/h，以满足探测设备表面剂量限值要求，所述上屏蔽组件和下屏蔽组件均由聚乙烯材质构成；所述中子源发生组件中的中子源为镅铍中子源。
选择聚乙烯为中子屏蔽材料，基于理论计算结果，设计探测设备屏蔽结构，使得中子源产生的探测设备表面剂量率小于75μSv/h，足以满足探测设备表面剂量限值要求。
为了进一步方便本发明在水平管线上快捷安装，所述上屏蔽组件由重叠设置的两块以上相互凸凹嵌接的聚乙烯屏蔽块组成，上屏蔽组件与下屏蔽组件之间还设置有定位结构。定位结构的设置，可以有效保证上屏蔽组件与下屏蔽组件之间的正确安装，位置确保具有唯一性。本发明中该定位结构与相邻两个聚乙烯屏蔽块之间的相互凸凹嵌接结构相同。同时，为减轻组件的重量，在不影响屏蔽效果的基础上，可通过钻孔和切角的形式减少聚乙烯屏蔽块的重量。
进一步，所述上屏蔽组件和下屏蔽组件上还设置有用于将上屏蔽组件和下屏蔽组件固定成一整体的连杆组件。
作为一种优选地设置方式，所述连杆组件由设置在下屏蔽组件底端的连杆座，贯穿上屏蔽组件和下屏蔽组件并与连杆座螺纹连接的连杆组成。
为了方便本发明的移动安装，所述下屏蔽组件下方的连杆座上连接有具有调节杆的可调支撑柱，该可调支撑柱的侧壁上还设置有脚轮；所述上屏蔽组件上设置有通过固定环固定在其外壳上的拉杆。可调支撑柱可对探测设备高度进行调整，以满足核电站现场的安装条件。上屏蔽组件的外壳上焊接固定环，装配拉杆，以方便上屏蔽组件的搬运。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
1、本发明基于中子吸收原理，开展核电站水平管线式硼浓度探测设备研制，探测设备通过上屏蔽组件和下屏蔽组件分开设置，使其能快速安装在核电站与一回路相连的水平管道上，输出表征水平管道内冷却剂硼浓度的脉冲电流信号，以实时监测核电站一回路冷却剂的硼溶液浓度，确保反应堆运行安全；
2、本发明通过整体结构的优化设计，实现探测装置良好的中子探测效果，进而提高硼浓度探测水平、获取高的硼浓度计数率，实现硼浓度在线准确测量；
3、本发明选择聚乙烯为中子屏蔽材料，基于理论计算结果，设计探测设备屏蔽结构，使得中子源产生的探测设备表面剂量率小于75μSv/h，足以满足探测设备表面剂量限值要求；
4、本发明具有安全、监测准确度高、结构简单、安装方便等优点。
附图说明
图1为本发明的俯视结构示意图。
图2为图1中A-A剖面结构示意图。
图3为图1中B-B剖面结构示意图。
图4为图1中C-C剖面结构示意图。
图5为本发明的左视结构示意图。
图6为本发明中可调支撑柱的剖面结构示意图。
图7为本发明中V型定位块位置处的结构示意图。
其中，图中附图标记对应的零部件名称为：
1－中子源组件盖，2－中子源安装座，3－聚乙烯屏蔽块，4－连杆，5－拉杆，6－固定环，7－下屏蔽组件，8－可调支撑柱，9－脚轮，10－调节杆，11－定位销，12－中子源探测座，13－中子探测器，14－中子源，15－连杆座，16－M8螺栓，17－连接支架，18－V型定位块；
81-支撑段，82-过渡段，83-可调段，84-M5螺钉，85-支撑座，86-推力轴承。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
核电站水平管线式硼浓度探测设备，如图1和图2所示，包括设置在化容管道上方用于发出中子的中子源发生组件，设置在化容管道下方用于探测中子的中子源探测组件，包裹在中子源发生组件外部使其发出的中子进入化容管道内的上屏蔽组件，以及包裹在中子源探测组件外部使经过化容管道的中子进入中子源探测组件的下屏蔽组件7。
本实施例中该中子源发生组件中的中子源位于化容管道正上方，而中子源探测组件中的探测器位于化容管道正下方，而中子源发生组件、中子源探测组件、上屏蔽组件以及下屏蔽组件7均设置在屏蔽箱内。
通过上屏蔽组件和下屏蔽组件7的共同作用，使中子源发出的中子经过化容管道后被探测器探测出来，在中子移动过程中有效避免外界环境对其造成的影响，同时能有效保证中子脉冲信号计数率的准确性以及硼浓度实时监测的准确度。
本发明中各部件的具体性能指标如表1所示：
表1核电站水平管线式硼浓度探测设备的性能指标
序号 名称 性能指标
b. 屏蔽箱尺寸 436mm(长)×436mm(宽)×480mm(高)
c. 装置总重 约100kg
d. 表面中子剂量 ≤75μSv/h
e. 中子源活度 3.7×1010Bq，误差±10％
f. 中子探测器灵敏度 8cps/nv
通过上述结构的设置，既可有效避免因为外界因素，如温度的不同而导致硼浓度测量系统测量准确度不高的问题，效果显著。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例优化了中子源发生组件和中子源探测组件的具体结构，如图2、图3和图4所示，具体设置方式如下：
所述中子源发生组件设置在上屏蔽组件内，中子源发生组件由中子源安装座2，设置在中子源安装座2底部临近化容管道处的中子源14，以及设置在中子源安装座2顶部的中子源组件盖1组成。其中，该中子源安装座2底部设置有V型定位块18，该中子源14固定在V型定位块18上，如图7所示。
中子源组件盖1与中子源安装座2通过M80×2的螺纹与中子源安装座2固定，中子源组件盖1和中子源安装座2均由结构为0Cr18Ni9的金属材料构成，中子源安装座2内中子源组件盖1与中子源14之间填充有屏蔽材料。
该中子源14为241Am-Be放射源，半衰期433年；由241Am-Be放射源所产生的γ射线主要是由241Am发射的0.06MeV，在离源1米远处的γ射线照射量率为8×10-7C/kg.h，约等于9×10-7Gy/h，远低于设计要求的探测设备环境γ最大照射率3Gy/h。241Am-Be放射源的主要性能参数如表2所示。
表2中子源性能参数
所述中子源探测组件设置在下屏蔽组件7内，该中子源探测组件由临近化容管道位置处设置有凹槽的中子源探测座12，设置在凹槽内的中子探测器13，以及用于将中子探测器13固定在中子源探测座12上防止其位置发生变化的防转卡扣组成。其中，该中子源探测座12通过定位销11固定在下屏蔽组件7上。
所述中子源14的中心轴线与中子探测器13的中心轴线位于同一平面内，且设中子源14中心与探测器13测量活性段中心的连线为中心连线，该中子源14的中心轴线和中子探测器13的中心轴线均与中心连线垂直。
本实施例利用定位销11保证中子源探测座12与下屏蔽组件7之间的相对位置，两个中子探测器13安装在中子源探测座12内，并利用防转卡扣防止中子探测器13位置发生变化，从而避免影响中子计数率。
中子探测器为BF3型，为提高中子计数率，采用双中子探测器探测通过下泄管道硼溶液后的中子脉冲信号，中子探测器的主要性能参数如表3所示。
表3中子探测器性能参数
实施例3
本实施例与实施例1和实施例2的区别在于，本实施例中优化了上屏蔽组件和下屏蔽组件的具体结构，具体设置方式如下：
本实施例中所述上屏蔽组件和下屏蔽组件7均由聚乙烯材质构成。
该上屏蔽组件由重叠设置的两块以上的聚乙烯屏蔽块3组成，相邻两块聚乙烯屏蔽块3之间还设置有定位结构。本实施例中该上屏蔽组件中的聚乙烯屏蔽块3的数量为三块，该三块聚乙烯屏蔽块3和外壳通过连接杆和M8螺栓固为一体，如图2所示。
该下屏蔽组件7由外壳，设置在外壳上方的聚乙烯屏蔽块组成，该聚乙烯屏蔽块与外壳通过连接杆和M8螺栓16固为一体，如图2所示。
本实施例中该上屏蔽组件中的外壳和下屏蔽组件7中的外壳均由型号为Q235-B的金属材料构成。在不影响屏蔽效果的基础上通过钻孔和切角的形式有效减少聚乙烯屏蔽块的重量，进而减轻本发明的整体重量。通过上屏蔽组件和下屏蔽组件7组合安装后，即可得到本发明的设备。
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于，所述上屏蔽组件和下屏蔽组件7上还设置有用于将上屏蔽组件和下屏蔽组件7固定成一整体的连杆组件。
本实施例还提供了一种连杆组件的设置方式，如图3所示，该连杆组件由设置在下屏蔽组件7底端的连杆座15，贯穿上屏蔽组件和下屏蔽组件7并与连杆座15螺纹连接的连杆4组成。即，连杆4穿过上下屏蔽组件，通过螺纹连接方式固定于连杆座15上，从而将上下屏蔽组件压紧形成一个整体，安装在水平管道上。在下屏蔽组件7中外壳的底板上焊接有四个连杆座，如图1和图3所示，该连杆座材料为1Cr17Ni2。
实施例5
本实施例在实施例1或2或3或4的基础上增加了可调支撑柱8和拉杆5，如图5和图6所示，本实施例的具体设置方式如下：
所述下屏蔽组件7下方的连杆座15上连接有具有调节杆10的可调支撑柱8，该可调支撑柱8的侧壁上还设置有脚轮9；该脚轮9通过连接支架17固定在可调支撑柱8的侧壁上。
本实施例中可调支撑柱共四个，焊接固定在下屏蔽组件7的底板上，用于支撑和调节探测设备主体。该可调支撑柱8的结构如图6所示。
可调支撑柱8由支撑段81、过渡段82、可调段83、M5螺钉84、支撑座85和推力轴承86组成，支撑段与过渡段焊接，可调段与过渡段通过梯形螺纹Tr30×2.5配合，通过调节杆转动可调段，在推力轴承的配合下，可调段在支撑段和过渡段内上下移动，从而调整整个可调支撑柱的高度，可调支撑柱可实现支撑座底到支撑段上端面之间的距离范围内可调节，调节范围为233-299mm。支撑座与可调段通过3个M5的螺钉固定。轮座材料为Q235-B，焊接在可调支撑柱的侧面，用于安装脚轮，以便探测设备的移动。
所述上屏蔽组件上设置有通过固定环6固定在其外壳上的拉杆5，固定环和拉杆的材料均为Q235-B。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.核电站水平管线式硼浓度探测设备，其特征在于：包括设置在化容管道上方用于发出中子的中子源发生组件，设置在化容管道下方用于检测中子数的中子源探测组件，包裹在中子源发生组件外部使其发出的中子进入化容管道内的上屏蔽组件，以及包裹在中子源探测组件外部使经过化容管道的中子进入中子源探测组件的下屏蔽组件（7）。
2.根据权利要求1所述的核电站水平管线式硼浓度探测设备，其特征在于：所述中子源发生组件设置在上屏蔽组件内，且该上屏蔽组件由中子源安装座（2），设置在中子源安装座（2）底部临近化容管道处的中子源（14），以及设置在中子源安装座（2）顶部的中子源组件盖（1）组成。
3.根据权利要求2所述的核电站水平管线式硼浓度探测设备，其特征在于：所述中子源安装座（2）底部设置有V型定位块（18），该中子源（14）固定在V型定位块（18）上。
4.根据权利要求2所述的核电站水平管线式硼浓度探测设备，其特征在于：所述中子源探测组件设置在下屏蔽组件（7）内，且该中子源探测组件由临近化容管道位置处设置有凹槽的中子源探测座（12），设置在凹槽内的中子探测器（13），以及用于将中子探测器（13）固定在中子源探测座（12）上防止其位置发生变化的防转卡扣组成；所述中子源（14）的中心轴线与中子探测器（13）的中心轴线位于同一平面内，且设中子源（14）中心与探测器（13）测量 活性段中心的连线为中心连线，该中子源（14）的中心轴线和中子探测器（13）的中心轴线均与中心连线垂直。
5.根据权利要求4所述的核电站水平管线式硼浓度探测设备，其特征在于：所述中子源探测座（12）通过定位销（11）固定在下屏蔽组件（7）上。
6.根据权利要求1所述的核电站水平管线式硼浓度探测设备，其特征在于：所述上屏蔽组件和下屏蔽组件（7）均由聚乙烯材质构成；所述中子源发生组件中的中子源为镅铍中子源。
7.根据权利要求6所述的核电站水平管线式硼浓度探测设备，其特征在于：所述上屏蔽组件由重叠设置的两块以上相互凸凹嵌接的聚乙烯屏蔽块（3）组成，上屏蔽组件与下屏蔽组件（7）之间还设置有定位结构。
8.根据权利要求6或7所述的核电站水平管线式硼浓度探测设备，其特征在于：所述上屏蔽组件和下屏蔽组件（7）上还设置有用于将上屏蔽组件和下屏蔽组件（7）固定成一整体的连杆组件；所述连杆组件由设置在下屏蔽组件（7）底端的连杆座（15），贯穿上屏蔽组件和下屏蔽组件（7）并与连杆座（15）螺纹连接的连杆（4）组成。
9.根据权利要求8所述的核电站水平管线式硼浓度探测设备，其特征在于：所述下屏蔽组件（7）下方的连杆座（15）上连接有具有调节杆（10）的可调支撑柱（8），该可调支撑柱（8）的侧壁上还设置有脚轮（9）；所述上屏蔽组件上设置有通过固定环（6）固定在其外壳上的拉杆（5）。
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