CN107561103A - 一种用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，包括硼钢管的传动系统和测量系统，硼钢管在所述传动系统上水平移动，所述测量系统包括相对应的中子源和中子探测器以及γ源和γ探测器；在硼钢管水平移动的过程中，中子源和γ源从硼钢管的内部穿过，中子探测器和γ探测器位于硼钢管的外部；γ探测器探测穿过硼钢管壁的γ射线，通过γ射线强度的衰减来测量硼钢管的厚度，中子探测器探测穿过硼钢管壁的热中子，通过热中子穿过硼钢管壁时的中子吸收率来测量硼元素在硼钢中的含量。本发明可以对硼钢管六个面的厚度和硼含量进行同步测量，不仅可以得到六个面的中子吸收率，还可以得到硼钢的厚度信息，为乏燃料密集贮存的临界安全提供了前提保障。
Description
技术领域
本发明涉及硼钢的检测技术，具体涉及一种用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备。
背景技术
20世纪70年代初，德国西门子公司开始研制乏燃料贮存高密度贮存架，并选用硼钢作为中子吸收材料，并对硼钢的中子吸收性能、冶金性能、力学性能、抗中子辐照性能、抗腐蚀性能开展了研究。国外对屏蔽用中子吸收材料硼含量以及硼均匀性检测进行了多方面的研究。他们主要用的方法分为两种：中子反射法和中子透射法。
中子反射法是利用探测器测量背散射的热中子通过样品时的衰减情况来测量硼含量。该方法既可以实现对薄样品(厚度小于2cm)的测量，也可以实现对厚样品(厚度大于5cm)中硼含量的测量。但是此类方法仅限于对板状或条状的含硼中子吸收材料的硼含量检测。
中子透射法的探测原理与热中子照相原理类似，是根据热中子穿过含硼中子吸收材料后注量的衰减来测量硼含量。目前此类检测设备只能检测硼含量，对硼钢管的厚度无法实现同时检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，以实现对硼钢管多个面的厚度和硼含量进行同步测量。
本发明的技术方案如下：一种用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，包括硼钢管的传动系统和测量系统，硼钢管在所述传动系统上水平移动，所述测量系统包括相对应的中子源和中子探测器以及γ源和γ探测器；在硼钢管水平移动的过程中，中子源和γ源从硼钢管的内部穿过，中子探测器和γ探测器位于硼钢管的外部；γ探测器探测穿过硼钢管壁的γ射线，通过γ射线强度的衰减来测量硼钢管的厚度，中子探测器探测穿过硼钢管壁的热中子，通过热中子穿过硼钢管壁时的中子吸收率来测量硼元素在硼钢中的含量。
进一步，如上所述的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其中，所述的传动系统包括分别位于测量系统两侧的移动平台，在每个移动平台上设有若干个传动滚轮，传动滚轮之间通过皮带连接并由电机带动旋转，硼钢管位于传动滚轮之上，并随着传动滚轮的转动水平移动。
更进一步，通过控制系统控制硼钢管的移动方向和移动速度，并在移动平台前后端设置限位器来感应硼钢管移动的位置。
进一步，如上所述的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其中，所述的测量系统包括水平设置的悬空支臂，在悬空支臂上设置中子源和慢化体，以及γ源和屏蔽体，相对应的中子探测器和γ探测器设置在悬空支臂外侧的支架上，在硼钢管水平移动的过程中，所述悬空支臂从硼钢管的内部穿过，所述支架位于硼钢管的外部。
更进一步，所述的中子源为252Cf中子源，中子探测器为BF3中子计数器；所述的γ源为133Baγ放射源，γ探测器为NaI(T1)探测器。
进一步，如上所述的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其中，所述的硼钢管为六角形，具有六个测量面，每个测量面对应设置一个中子探测器以及γ探测器。
进一步，如上所述的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其中，所述中子探测器探测到穿过硼钢管的热中子形成的脉冲信号，脉冲信号经过前级放大器和主放大器后经信号甄别和A/D转换发送给数据获取终端，对信号数据进行处理。
进一步，如上所述的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其中，所述γ探测器探测到穿过硼钢管的γ射线形成的信号，经过前级放大器和主放大器后经信号甄别发送给数据获取终端，对信号数据的进行处理。
本发明的有益效果如下：本发明所提供的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备可以同时对硼钢管的中子吸收率以及管壁厚度进行检测，不同于化学分析和光谱分析方法的有损检测，该设备对硼钢管中硼含量的检测属于无损检测；与中子照相技术相比，该检测设备可以实时地对硼钢管全方位进行中子吸收率检测，可以实现对六个面的硼含量的同步检测。本发明加入了测厚系统，可以对硼钢管六个面的厚度和硼含量进行同步测量，不仅可以得到六个面的中子吸收率，还可以得到硼钢的厚度信息，为乏燃料密集贮存的临界安全提供了前提保障。
附图说明
图1为用于乏燃料贮存格架硼钢管检测设备的结构示意图；
图2为本发明测量硼钢管厚度部分的原理示意图；
图3为本发明测量硼含量部分的原理示意图；
图4为本发明测量硼钢管厚度部分的数据获取示意图；
图5为本发明测量硼含量部分的数据获取示意图；
图6为本发明信号处理流程图；
图7为具体实施例中硼钢管厚度测量曲线；
图8为具体实施例中硼钢管中子吸收率测量曲线。
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。
以下实施例是针对六角形硼钢管硼含量和厚度进行检测的设备，但本发明并不仅限于对六角形硼钢管的检测。
考虑到待测样品的尺寸比较大，而且因为是钢材质，质量也会比较重，所以检测系统对硼钢管进行检测时要有移动平台来将硼钢管进行传动。而硼钢管为六角形，要做到对六个面的同步测量，需要有六套测厚系统和硼含量测量系统。本发明设计的检测设备由硼钢厚度测量系统，硼含量测量系统，传动系统以及控制分析记录系统四部分组成。总体的设计结构如图1所示。
设备中间是硼钢管的测量系统部分，包括相对应的中子源4和中子探测器5以及γ源6和γ探测器7，两边是硼钢管移动平台1，硼钢管2在移动平台1上水平移动，中子源4及相应的慢化体，γ源及相应的屏蔽体由悬空支臂3放在测量平台部分，中子探测器5和γ探测器7设置在悬空支臂外侧的支架8上，在硼钢管水平移动的过程中，所述悬空支臂3从硼钢管2的内部穿过，所述支架8位于硼钢管2的外部。在测量时，硼钢管从左侧移动平台以一定的速度穿过测量系统，移动到右侧移动平台，即可实现对硼钢管六个面的厚度和硼含量的同时测量。
(1)硼钢厚度测量系统
对硼钢测厚的原理是通过测量γ射线强度的衰减来测量硼钢管的厚度。考虑到硼钢管为六角形，一次测量要对六个面的厚度同时进行测定，所以需要六套独立的厚度测量系统。每个面的厚度测量系统的组成包括公用的133Baγ放射源，γ探测器以及数据获取部分。测厚系统的γ源6、硼钢管2和γ探测器7的位置关系如图2所示。探测器获得的信号经过前放、主放以及信号甄别采集后发送给数据获取终端对信号数据的进一步处理，从而得到硼钢管每个面的厚度信息。数据获取流程图如图4所示。
(2)硼含量测量系统
10B对热中子有很高的吸收截面，通过测量热中子穿过硼钢时的中子吸收率就可以推得10B元素在硼钢中的含量。已知待测样品为六角形的硼钢管，所以与测厚系统类似，要实现对硼钢管六个面硼含量的同时测量，需要六套独立的硼含量测量系统。每套系统包括公用的中子源及慢化体、探测器和数据获取部分。测硼含量时中子源4、慢化体9、硼钢管2和中子探测器5的位置关系如图3所示。
从252Cf中子源放出的中子经过慢化体慢化后被硼钢管吸收，中子探测器探测到穿过硼钢管的中子形成脉冲信号，脉冲信号经过前级放大器和主放大器后经过信号甄别和A/D转换后发送给数据获取终端，对数据进一步处理，从而得到每个面的硼含量信息。此过程如图5所示。
(3)传动系统
传动系统包括两个独立的移动平台、电动机、变频器、前后端限位器以及控制系统组成。如前所述，待测的硼钢管长为4.3米，所以每个移动平台的长度为4.5米。每个平台上有9个传动滚轮，作为硼钢管的传动支撑，互相用皮带连接。整个过程的传动由一个电动机驱动，电动机的传动速度由变频器控制。钢管开始和结束的位置由限位器感应。
测量系统包括测厚系统和测硼含量系统，两个系统基本组成相同，都是由放射源，探测器，信号放大器以及信号处理模块组成。信号流程图如图6所示。
由探测器获取的信号经放大器后进入LM393P型电压比较器对信号进行甄别，甄别后的有效信号由16位计数器进行计数，然后单片机每0.5s将计数发送给PC，控制分析软件负责对数据进行计数分析处理，并将处理结果以图表的形式给出。
本实施例中，测厚系统使用的γ源为133Ba，活度为60μCi。NaI(T1)探测器尺寸为φ3cm×15cm。测硼含量系统中子源采用252Cf，活度为4.4×107/s。中子探测器为BF3中子计数器，尺寸为φ5cm×15cm，内充纯度为92％的10BF3气体，内部气压为500mmHg。由于BF3管工作电压较高(2000V左右)，需要配备高压电源。
(4)控制记录分析系统
整个设备的调试和运行都是由主控软件控制。软件功能主要有对传动系统的控制，包括移动方向和移动速度的控制；测量系统的检测，包括对BF3管高压的控制，各个探测器的工作状态的检查；测厚系统的标定；开始测量后数据的获取，处理以及实时显示；测量结果的打印输出等功能。
检测设备在使用过程中可分为主体部分和控制部分。主体包括传动系统，测量系统，使用时放置在测量间内；控制部分主要是控制分析记录系统，负责对主体部分的控制以及数据的处理分析。
另外，该设备还可以对其他硼系中子屏蔽材料，如硼铝合金，Al-B4C复合材料以及Al/B4C陶瓷等进行检测。以此设备为原型，也可以设计出针对其他形状的中子屏蔽材料的检测，为中子屏蔽材料无损检测的发展产生积极作用。
下面通过实例具体描述本发明的检测过程。
1)在对待测样品进行测量之前，首先要对标准厚度的样品进行标定，以求得硼钢材料的衰减系数μ，而后通过对γ射线穿过待测样品穿透率的测量，根据公式即可求得硼钢厚度。硼钢管六个面分六套探测系统，由于每套探测系统间也会有差异，所以每套探测系统独立进行标定。
标准厚度样品从待测样品中截取一段，经过机械加工后制作成标准厚度样品。由此制作了三个厚度的样品，分别为4mm、5mm和8mm标准样。
由于标准厚度样品长度较小，不能直接放入测厚系统内，只能连接到待测样品的两端进行标定测量。此次实验只用了4mm和5mm两个规格的标准厚度硼钢管进行了标定。对各个面的标定结果如下表所示：
表1厚度标定结果
(2)厚度标定完毕后对已有的七根硼钢管样品进行了初步测量，由于缺少硼含量标定的数据表，所以只对厚度和中子吸收率进行了测量，测量速度为0.25cm/s，测量图中每一个点代表的是每cm的统计平均值，所以每个点的统计时间为4s。
几个的测量结果图都比较相似，只是厚度值和中子吸收率有些差异，下面只给出0046号硼钢管的厚度测量图和中子吸收率图。图7表示的是0046号硼钢管不同位置的厚度图。图中六条曲线表示是硼钢管的六个面的厚度信息，横坐标表示硼钢管的位置，单位为cm，纵坐标表示硼钢管的厚度值，单位为mm。测量时是将4mm厚度标准样品和5mm厚度标准样品连接到0046号硼钢管的首尾两端进行测量的。
图7表示的是0046号硼钢管不同位置的中子吸收率曲线，横坐标表示硼钢管的位置，单位为cm，纵坐标表示硼钢管的中子吸收率。由于显示阈值设置的原因，中子吸收率曲线的前一段(对应4mm硼钢管吸收率)和后一段(对应5mm硼钢管吸收率)在图中被截去，图中显示刚开始硼钢管的中子吸收率在0.8左右，对应于4mm厚的硼钢管材料的中子吸收率，而后中子吸收率上升至0.88左右，对应于待测硼钢管的中子吸收率。尾部的中子吸收率缓慢变小的部分对应5mm硼钢管样品。
从图8中可以看出，整根硼钢管的中子吸收率在0.88左右，中子吸收率的减小对应于硼钢管厚度变化和硼含量的变化。图中面2在180cm附近厚度突然减小，出现一个凹陷。而在硼钢管中子吸收率图的对应位置中子吸收率也突然减小，有一个对应凹陷，说明厚度的减小会使中子吸收率降低，这是很容易理解的。厚度减小对应着10B含量的降低，使被吸收的中子数下降，造成中子吸收率降低。
对现有的7根硼钢管进行了初步测量，获得了厚度以及中子吸收率的数据，并对测量结果进行了分析和总结，与模拟结果进行了对比，对实验中的统计误差进行了分析计算，厚度统计误差小于5％，中子吸收率的统计误差小于1％。
表2 0046硼钢管检测结果
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 (8)
1.一种用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其特征在于：包括硼钢管的传动系统和测量系统，硼钢管(2)在所述传动系统上水平移动，所述测量系统包括相对应的中子源(4)和中子探测器(5)以及γ源(6)和γ探测器(7)；在硼钢管水平移动的过程中，中子源(4)和γ源(6)从硼钢管(2)的内部穿过，中子探测器(5)和γ探测器(7)位于硼钢管(2)的外部；γ探测器探测穿过硼钢管壁的γ射线，通过γ射线强度的衰减来测量硼钢管的厚度，中子探测器探测穿过硼钢管壁的热中子，通过热中子穿过硼钢管壁时的中子吸收率来测量硼元素在硼钢中的含量。
2.如权利要求1所述的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其特征在于：所述的传动系统包括分别位于测量系统两侧的移动平台(1)，在每个移动平台上设有若干个传动滚轮，传动滚轮之间通过皮带连接并由电机带动旋转，硼钢管(2)位于传动滚轮之上，并随着传动滚轮的转动水平移动。
3.如权利要求2所述的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其特征在于：通过控制系统控制硼钢管的移动方向和移动速度，并在移动平台前后端设置限位器来感应硼钢管移动的位置。
4.如权利要求1所述的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其特征在于：所述的测量系统包括水平设置的悬空支臂(3)，在悬空支臂(3)上设置中子源(4)和慢化体，以及γ源(6)和屏蔽体，相对应的中子探测器(5)和γ探测器(7)设置在悬空支臂外侧的支架(8)上，在硼钢管水平移动的过程中，所述悬空支臂(3)从硼钢管(2)的内部穿过，所述支架(8)位于硼钢管(2)的外部。
5.如权利要求1或4所述的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其特征在于：所述的中子源(4)为252Cf中子源，中子探测器(5)为BF3中子计数器；所述的γ源(6)为133Ba γ放射源，γ探测器(7)为NaI(T1)探测器。
6.如权利要求1所述的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其特征在于：所述的硼钢管(2)为六角形，具有六个测量面，每个测量面对应设置一个中子探测器以及γ探测器。
7.如权利要求1所述的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其特征在于：所述中子探测器探测到穿过硼钢管的热中子形成的脉冲信号，脉冲信号经过前级放大器和主放大器后经信号甄别和A/D转换发送给数据获取终端，对信号数据进行处理。
8.如权利要求1所述的用于乏燃料贮存格架硼钢管检测的设备，其特征在于：所述γ探测器探测到穿过硼钢管的γ射线形成的信号，经过前级放大器和主放大器后经信号甄别发送给数据获取终端，对信号数据的进行处理。
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