CN106990428B - 一种中子测量含铀液体中铀含量的方法及其实现装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中子测量含铀液体中铀含量的方法及其实现装置，解决了现有检测方式存在分析流程长、操作繁琐，不能进行核临界安全在线监测的问题。本发明包括：采用中子源放射的中子穿透管道壁，然后使中子与管道内的含铀液体发生裂变反应，通过中子探测器测量出管道内的中子计数率N测，依据计算模型N测＝Φ热σfNUty，计算出管道内的铀含量NU；其中，Φ热为管道内平均中子注量率，σf为微观截面，t为测量时间，y为每次裂变平均释放中子数。本发明具有实现含铀液体中铀浓度的实时、在线测量等优点。

Description

一种中子测量含铀液体中铀含量的方法及其实现装置
技术领域
本发明涉及核探测/核分析技术领域，具体涉及一种中子测量含铀液体中铀含量的方法及其实现装置。
背景技术
燃料元件研制、乏燃料后处理是核工业体系中非常重要的环节，是核燃料循环的核心工作。其中，铀化工转化是燃料微球研制的关键环节，为燃料单板制造提供芯体必备的燃料相，直接影响燃料元件研制的工程进度，也与核材料的闭合衡算问题相关。乏燃料后处理是核工业体系的最后环节，直接决定了核工程的安全性。
在铀化工转化的工艺转化过程中，大量含铀管道中含铀溶液铀浓度值是研制和生产必须的数据，直接关系工艺的核临界安全问题。传统的方式是采取工艺点位取样，然后进行实验室分析的模式，传统的方式存在分析流程长、操作繁琐、稳定性和精度不够等不足和缺点，这在中试规模、甚至批量化生产中时不能满足核安全监控的需求，急需建立一种在线检测方法、开发相应的在线检测系统，实现核临界安全的在线测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有检测方式存在分析流程长、操作繁琐，不能进行核临界安全在线监测的问题，目的在于提供一种中子测量含铀液体中铀含量的方法及其实现装置，解决了核临界安全在线监测和核材料物料衡算问题，能够实现含铀液体中铀浓度的实时、在线测量。
本发明通过下述技术方案实现：
一种中子测量含铀液体中铀含量的方法的实现装置，包括采用中子源放射的中子穿透管道壁，然后使中子与管道内的含铀液体发生裂变反应，通过中子探测器测量出管道内的中子计数率N测，依据计算模型N测＝Φ热σfNUty，计算出管道内的铀含量NU；
其中，Φ热为管道内平均中子注量率；
σf为微观截面，微观截面属于反应堆物理领域专业术语，表示一个中子和一个靶核发生反应的几率，单位为靶，1靶＝10-24cm2；
t为测量时间；y为每次裂变平均释放中子数。
现有技术中含铀溶液铀浓度值是采用传统的方式获得，传统的方式是采取工艺点位取样，然后进行实验室分析的模式，该模式存在分析流程长、操作繁琐、稳定性和精度不够等不足和缺点，尤其是无法实现实时在线检测，导致在中试规模、甚至批量化生产中时不能满足核安全监控的需求。
本发明通过核材料物料衡算的方式建立了本发明的计算模型，通过该计算模型，并通过检测管道内的中子计数率N测即可实时计算出管道内的铀含量NU，因而能有效达到实时在线检测的目的，在中试规模、甚至批量化生产中时能满足核安全监控的需求。
并且本发明的建立不仅仅能有效实时检测出管道内的铀含量NU，解决了传统模式存在的分析流程长、操作繁琐的问题，并且通过实施例的表1和表2可知，本发明的方法还具有稳定性高、检测精度满足需求的优点，效果十分显著。
进一步，为了使检测精度更好，所述管道内平均中子注量率Φ热的计算方法如下：
(1)在管道内中分别注入不同铀含量的含铀液体，通过中子探测器测定相应浓度下的N测，
(2)依据计算模型N测＝ΦσfNUty，计算出不同铀含量相对应的Φ，
(3)对不同铀含量相对应的Φ进行最小二乘法拟合，拟合得到的曲线斜率即为Φ热。
优选地，所述步骤(1)中含铀液体的不同铀含量为100mg/L、500mg/L、1000mg/L、2000mg/L、5000mg/L。
本发明中的计算模型适用于所有与含铀液体发生裂变反应的中子源，尤其适用于241Am-Be中子源与235U含铀液体中。其中，所述241Am-Be中子源的中子通量为105n/s，每次裂变平均释放中子数y为2.43，该235U的微观截面σf为680.9靶。
一种中子测量含铀液体中铀含量的方法的实现装置，包括安装在含铀液体管道上的中子源，设置在含铀液体管道上的中子探测器，与中子探测器连接且依据计算模型N测＝Φ热σfNUty，计算出管道内的铀含量NU的信号处理装置，其中，N测为中子探测器检测到的中子计数率，Φ热为管道内平均中子注量率，σf为微观截面，t为测量时间，y为每次裂变平均释放中子数。
进一步，本发明提供了一种能够实现本发明的信号处理装置的结构，所述信号处理装置包括顺次连接的前置放大器、放大器、甄别计数器、数据处理终端；所述前置放大器与中子探测器连接，该前置放大器上还连接为信号处理装置提供能源的电源。本发明中，前置放大器可选用Canberra 2022型号的谱放大器模块或卓立汉光ZPS-24均可；放大器与前置放大器匹配即可；甄别计数器可选用西门子PLC(S7-200)高速计数器HC4或HC5；数据处理终端可选用数据处理软件(Tracerlab-Spectrum-Software)完成。
为了达到更好地检测精度，所述信号处理装置外还设置有用于屏蔽的电子学线路屏蔽体。所述中子源通过中子源屏蔽体安装在含铀液体管道上。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明实现了管道内液体铀含量的定量检测，并且实现了含铀液体中铀浓度的实时、在线测量，同时，本发明无需对工艺管道做任何改动，完全实现了无损检测，本发明更加环保、安全；
2、本发明的中子源的中子穿透能力较强，因而基本不受管道的吸收影响，使得测量效率和精度都大大提高，使本发明的响应更快、分析精度更高、测量时间更短；
3、本发明的检测稳定性和精度均能达到需求，因而在中试规模、甚至批量化生产中能满足核安全监控的需求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明中的结构示意图。
图2为本发明中信号处理装置的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-中子源，2-中子源屏蔽体，3-中子探测器，4-电源，5-前置放大器，6-放大器，7-甄别计数器，8-数据处理终端，9-电子学线路屏蔽体，10-管道。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种中子测量含铀液体中铀含量的方法，包括：
通过241Am-Be中子源(中子平均能量5.0MeV)放射的中子，穿透管道壁后与管道内的含铀液体发生裂变反应，通过中子探测器测量出管道内的中子计数率N测，依据计算模型N测＝Φ热σfNU-235ty，计算出管道内的铀含量NU-235。
本发明中Φ热为管道内平均中子注量率，该管道内平均中子注量率Φ热的计算方法如下：
(1)在管道内中分别注入100mg/L、500mg/L、1000mg/L、2000mg/L、5000mg/L不同铀含量的含铀液体，通过中子探测器测定相应浓度下的N测，
(2)依据计算模型N测＝ΦσfNUty，计算出不同铀含量相对应的Φ，
(3)对步骤(2)计算得到的于不同铀含量相对应的Φ进行最小二乘法拟合，拟合得到的曲线斜率即为Φ热。
本实施例中由于中子源为241Am-Be中子源，因而本实施例中该中子通量为105n/s，每次裂变平均释放中子数y为2.43。又由于测量的含铀液体中的铀为235U，因而235U的微观截面σf为680.9靶。本实施例中管道的规格为：牌号316L(00Cr17Ni14Mo2)，内径20mm，壁厚2mm，长度600mm。
本实施例采用上述计算模型对管道内含铀液体中235U进行了定量分析。
首先，分别对235U富集度为50％，理论铀浓度(g/L)为0.2、0.5、1、2、10、20g/L的含铀液体进行定量分析，检测出铀含量NU-235(g/L)，分析结果如表1所示。
表1
试验序号 电位滴定分析铀含量 N<sub>U-235</sub> 相对误差(％)
1 0.198 0.212 7.07
2 0.501 0.541 7.98
3 1.002 0.951 5.09
4 2.015 1.856 7.89
5 9.982 10.453 4.72
6 19.969 20.996 5.14
其次，分别对235U富集度为60％，理论铀浓度(g/L)为0.2、0.5、1、2、10、20g/L的含铀液体进行定量分析，检测出铀含量NU-235(g/L)，分析结果如表2所示。
表2
试验序号 电位滴定分析铀含量 N<sub>U-235</sub> 相对误差(％)
1 0.198 0.216 9.09
2 0.501 0.531 5.99
3 1.002 0.982 2.00
4 2.015 1.902 5.61
5 9.982 10.429 4.48
6 19.969 19.259 3.56
通过表1和表2的检测结果可知，本发明的方法能有效实时、快速的检测出管道内的含铀液体的铀含量，且检测结果的相对误差小于10％，检测结果准确、稳定，符合在线检测的精度需求，实现核燃料分离、提纯、化工、乏燃料后处理等领域中含铀液体实时、在线测量。
实施例2
本实施例提供了一种中子测量含铀液体中铀含量的方法的实现装置，具体设置如图1所示，包括安装在含铀液体管道10上的中子源1，设置在含铀液体管道10上的中子探测器3，与中子探测器3连接且依据计算模型N测＝Φ热σfNUty，计算出管道内的铀含量NU的信号处理装置，其中，N测为中子探测器3检测到的中子计数率，Φ热为管道内平均中子注量率，σf为微观截面，t为测量时间，y为每次裂变平均释放中子数。
本发明在检测时，可直接在被监测的管道(点位)上布置中子源1、中子探测器3和信号处理装置，即可实现管道内液体铀含量的定量检测，该方式不对管道做任何改动，完全实现无损检测，本发明的方法和装置环保且安全。
实施例3
本实施例与实施例2的区别仅仅在于，本实施例提供了一种信号处理装置的具体结构，如图2所示；同时，本实施例还在实施例2的基础上增加了电子学线路屏蔽体9和中子源屏蔽体2，如图1所示。
本实施例中，信号处理装置包括顺次连接的前置放大器5、放大器6、甄别计数器7、数据处理终端8；所述前置放大器5与中子探测器3连接，该前置放大器5上还连接为信号处理装置提供能源的电源4，如图2所示。
本实施例中前置放大器选用Canberra 2022型号的谱放大器模块；放大器与前置放大器匹配，甄别计数器可选用西门子PLC(S7-200)高速计数器HC4；数据处理终端选用数据处理软件(Tracerlab-Spectrum-Software)完成。本实施例中中子探测器3采用He3中子阵列探测器，其采集端呈环形环绕包裹在管道10上，如图1所示。
本实施例中信号处理装置外还设置有用于屏蔽的电子学线路屏蔽体9。所述中子源1通过中子源屏蔽体2安装在含铀液体管道10上，本实施例中该中子源屏蔽体2不仅仅能作为屏蔽的作用，而还能有效使发射出的中子达到准直的目的。
本实施例的具体工作过程为：
第一步，在核燃料分离、提纯、化工、乏燃料后处理工艺中，工艺正常生产时，含铀液体在管道10中流通、传递。
第二步，241Am-Be中子源经中子源屏蔽体2穿透管道壁，与管道内液体中的235U作用，发生裂变反应后释放裂变中子，中子被He3中子阵列探测器所获取，通过电源4、前置放大器5、放大器6、甄别计数器7、数据处理终端8采集中子计数率N测。
第三步，根据计算模型N测＝Φ热σfNUty，即可计算出管道内235U核素的含量。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种中子测量含铀液体中铀含量的方法，其特征在于，包括：采用中子源放射的中子穿透管道壁，然后使中子与管道内的含铀液体发生裂变反应，通过中子探测器测量出管道内的中子计数率N测，依据计算模型N测＝Φ热σfNUty，计算出管道内的铀含量NU；
其中，Φ热为管道内平均中子注量率，σf为微观截面，t为测量时间，y为每次裂变平均释放中子数；
所述管道内平均中子注量率Φ热的计算方法如下：
(1)在管道内中分别注入不同铀含量的含铀液体，通过中子探测器测定相应浓度下的N测，
(2)依据计算模型N测＝ΦσfNUty，计算出不同铀含量相对应的Φ，
(3)对不同铀含量相对应的Φ进行最小二乘法拟合，拟合得到的曲线斜率即为Φ热。
2.根据权利要求1所述的一种中子测量含铀液体中铀含量的方法，其特征在于，所述步骤(1)中含铀液体的不同铀含量为100mg/L、500mg/L、1000mg/L、2000mg/L、5000mg/L。
3.根据权利要求1所述的一种中子测量含铀液体中铀含量的方法，其特征在于，所述中子源为241Am-Be中子源，所述含铀液体中的铀为235U。
4.根据权利要求3所述的一种中子测量含铀液体中铀含量的方法，其特征在于，所述241Am-Be中子源的中子通量为105n/s，每次裂变平均释放中子数y为2.43，所述微观截面σf为680.9靶。
5.如权利要求1～4任一项所述一种中子测量含铀液体中铀含量的方法的实现装置，其特征在于，包括安装在含铀液体管道(10)上的中子源(1)，设置在含铀液体管道(10)上的中子探测器(3)，与中子探测器(3)连接且依据计算模型N测＝Φ热σfNUty，计算出管道内的铀含量NU的信号处理装置，其中，N测为通过中子探测器(3)检测到的中子计数率，Φ热为管道内平均中子注量率，σf为微观截面，t为测量时间，y为每次裂变平均释放中子数。
6.根据权利要求5所述的一种中子测量含铀液体中铀含量的方法的实现装置，其特征在于，所述信号处理装置包括顺次连接的前置放大器(5)、放大器(6)、甄别计数器(7)、数据处理终端(8)；所述前置放大器(5)与中子探测器(3)连接，该前置放大器(5)上还连接为信号处理装置提供能源的电源(4)。
7.根据权利要求5所述的一种中子测量含铀液体中铀含量的方法的实现装置，其特征在于，所述信号处理装置外还设置有用于屏蔽的电子学线路屏蔽体(9)。
8.根据权利要求5所述的一种中子测量含铀液体中铀含量的方法的实现装置，其特征在于，所述中子源(1)通过中子源屏蔽体(2)安装在含铀液体管道(10)上。
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