CN107561104B - 一种用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，包括设置在检测平台上的传动装置，硼铝板在传动装置的带动下沿检测平台水平运动，在检测平台的上方设有若干个沿硼铝板的运动方向依次排列设置的探测器，探测器连接数据获取系统，数据获取系统与控制终端相连接，在硼铝板运动平面的下方设置中子源，所述中子源设置在慢化屏蔽装置内。本发明可以检测硼铝板不同部位10B面密度的均匀性，并且自动给出硼铝板的中子吸收性能曲线，并可以实现大规模流水线式的检测。
Description
技术领域
本发明涉及硼铝合金的中子吸收性能检测技术，具体涉及一种用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备。
背景技术
硼铝合金材料是核电厂广泛使用的一种中子吸收材料，其在乏燃料贮运、反应堆外屏蔽、乏燃料贮存格架以及中子防护装置领域中都有着重要的应用。硼铝合金材料的中子吸收性能检测是为了满足核电厂临界安全需要，对不同厚度和成份的硼铝板进行的中子吸收性能检测。目前国内对该种材料的中子吸收性能检测主要是在加速器中子源和反应堆中子源上进行，其技术方案是：将加速器中子源或反应堆中子源准直慢化后，再通过测量有硼铝板和没有硼铝板两种条件下探测器的计数率来计算中子吸收率。这种方法主要受中子源设备和使用条件的影响，不容易实现对硼铝板上不同部位之间的10B面密度均匀性进行检测，检测过程中受加速器设备以及反应堆场所固定特点的影响，不能满足核电厂大批量硼铝板工业化流水线式检测的条件。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，可以检测硼铝板不同部位10B面密度的均匀性，并且自动给出硼铝板的中子吸收性能曲线，并可以实现大规模流水线式的检测。
本发明的技术方案如下：一种用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，包括设置在检测平台上的传动装置，硼铝板在传动装置的带动下沿检测平台水平运动，在检测平台的上方设有若干个沿硼铝板的运动方向依次排列设置的探测器，探测器连接数据获取系统，数据获取系统与控制终端相连接，在硼铝板运动平面的下方设置中子源，所述中子源设置在慢化屏蔽装置内。
进一步，如上所述的用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，其中，所述的探测器外包覆有含硼聚乙烯材料的外壳。
更进一步，所述的探测器为锂玻璃中子探测器。
进一步，如上所述的用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，其中，在整个检测平台的外部设有铅屏蔽罩。
进一步，如上所述的用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，其中，所述的传动装置包括用于固定硼铝板的横杆，横杆两端与丝杠螺杆相连，通过电机带动丝杠转动，使硼铝板在横杆上沿水平方向运动，所述电机的控制系统与控制终端相连接。
进一步，如上所述的用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，其中，所述的中子源为252Cf中子源。
进一步，如上所述的用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，其中，所述的数据获取系统对探测器的计数信号进行放大成形和过阈甄别，并通过RS485总线与控制终端之间建立数据通信。
进一步，如上所述的用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，其中，所述的控制终端对传动装置的电机工作状态进行控制，并对数据获取系统上传的数据进行处理，实时监测中子计数和穿透率数据，而且通过高压模块设置和监测每个探测器所加的电压。
本发明的有益效果如下：本发明提供的硼铝合金材料中子吸收性能检测设备克服了现有的依靠反应堆或加速器装置进行检测所导致的自动化程度不高、检测效率低的缺陷，为核电厂大规模的硼铝板检测提供了方便，并且还可以进行中子吸收性能均匀性的检测，这一功能的实现为核电厂的临界安全提供了保障，为检测标准的制定提供了数据支持。
附图说明
图1为用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备结构示意图；
图2为核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测系统的组成示意图；
图3为F800和-325目两种颗粒度的标准样品三种情况下的拟合曲线；
图4为两种颗粒度待测样板与标准样板按配比B4C含量拟合曲线；
图5为前次样品按配比B4C含量计算数据与标准板拟合曲线对比。
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。
待检测的硼铝板是厚度范围在2mm～5mm的平板状样品，因此设计了一个检测平台，样品在电机的带动下由传动装置送入检测平台，电机控制系统由控制终端设定参数完成，探测器获取数据上传至控制终端(工控机)。
本实施例所提供的核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测设备的主体探测系统由10个锂玻璃中子探测器4、252Cf中子源7以及慢化屏蔽装置6组成，如图1所示，慢化体和探测器之间放置待测硼铝板5，硼铝板5在传动装置2的带动下沿检测平台1水平运动，10个锂玻璃中子探测器沿硼铝板的运动方向依次排列；为了避免中子散射的影响，10个锂玻璃中子探测器外壳包覆了含硼聚乙烯材料，并且整个探测系统外层设有铅屏蔽罩3。
传动装置是由传动平台、电机、丝杠螺杆、前后限位器、控制系统构成。传动平台上有硼铝板样品的固定横杆，横杆两端与设备两侧丝杠螺杆相连，电机带动丝杠转动，从而带动硼铝板在检测平台上运动，电机的控制系统与控制终端相连接，电机的速度和运行工况可以通过软件进行设置。
如图2所示，硼铝板检测系统主要由五部分组成：与传动装置的电机相连的电机控制系统、与探测器相连的高压模块、检测平台探测系统、探测器的数据获取系统、控制终端(工控机)。
数据获取系统由一套集成电路板构成，每块电路板能同时处理3路探测器的信号，共有四块板子可以处理12路的信号，每一路有放大成形探测器的信号和过阈甄别功能，工控机与数据获取系统以RS485总线建立通信，终端工控机软件对这些数据进行计数分析处理，以图表的形式显示出来。
控制终端的软件程序可对设备的运行工况进行设置。工控机终端的功能主要有：设置电机的工作状态参数从而控制电动传送装置的速度和分段测量工况；数据获取系统将探测器数据上传至工控机终端可以实时监测中子计数和穿透率数据；软件可以通过高压模块设置和监测每一路探测器所加的电压。
实施例
标准曲线法是通过建立硼铝板的10B面密度与中子穿透率之间的函数关系，然后以标准曲线函数内插的方法去求出未知硼铝板的10B面密度。具体实现方法是测量4种硼含量的多个厚度的硼铝板标样的中子穿透率，建立10B面密度与中子吸收率的关系曲线，作为检测硼铝板中子吸收率与10B面密度均匀性检验的标准。硼铝板标样为两种颗粒度(F800和-325)，4种硼含量(21％，26％，31％和35％)，多个厚度(2mm，3mm，4mm，5mm)的硼铝板标样，其尺寸为32cm×21cm。由于10个中子探测器阵列的宽度大于32cm，造成第10个探测器不能测量到硼铝板，同时1号和9号探测器测量的是硼铝板的边缘，数据不可靠，所以采用中间的7个探测器(ch2-ch8)的数据进行测量和分析。测量时每个标准板等间距测量5次，每次测量60秒，中子探测器计数为45000左右，没有硼铝板时中子探测器计数为180000左右。因为测量时对标准板和待测样品进行等间距点数设置时，头尾两点距离边缘较近，为提高精度，数据处理时标准板和待测样品中子透射率采用的数据都为去除头尾两个测量点外中间段数据的平均值。2016年5月样品采用的穿透率数据为所有测量点的平均值。
(一)F800和-325两种颗粒度标准板的测量结果
当进行10B面密度计算时需要知道轧制硼铝板采用的B4C材料的精确百分比含量，表1中的配比含量为标准样品制作过程中B4C原材料所占的质量百分比，而检测含量为采用化学萃取法检测出的B4C百分含量。标准板的用料配比非常精准，但-325目标准板B4C含量检测结果比F800标准板结果普遍偏低1.5％，主要是因为检测时-325目材料中有1.5％的特细颗粒发生溶解了，因此在使用-325目材料检测数据计算10B面密度时将B4C含量增加1.5％进行计算。
计算出的10B面密度和中子透射率数据见表1。其中-325目检测含量为增加了1.5％的修正后数据，10B面密度也为修正后面密度。
表1.F800和-325目两种颗粒度标准板的10B面密度及中子透射率数据
图3为F800和-325目两种颗粒度的样品放在一起的拟合曲线，拟合时未将两者区分，采用同种符号表示。方块为采用配比B4C含量计算的数据点，三角为采用未经修正的检测B4C含量计算的数据点，圆点为-325目采用检测含量修正后(1+1.5％)数据，而F800标准样品仍然采用检测数据计算的10B面密度。从图上可以看出三条拟合曲线基本重合，采用配比含量拟合曲线的优度最好，可达0.99964，采用未经修正的检测B4C含量拟合的数据点拟合优度为0.99462。按B4C配比含量计算面密度拟合公式：
T＝0.10901*exp(-x/0.04003)+0.47529*exp(-x/0.00597)+0.14114
R2＝0.99964
按B4C修正后的检测含量计算面密度拟合公式：
T＝0.11625*exp(-x/0.03669)+0.67447*exp(-x/0.00513)+0.14211
R2＝0.99695
按B4C未经修正的检测含量计算面密度拟合公式：
T＝0.11783*exp(-x/0.03604)+0.76413*exp(-x/0.00491)+0.14216
R2＝0.99462
从拟合结果来看，当-325目采用未经修正的检测数据时，-325目数据点(三角)全落在拟合曲线的下方，也就是说10B面密度计算值偏低。而F800数据点检测含量与配比含量比较一致，数据点几乎都在拟合曲线之上。-325目经过修正后的数据(圆点)较修正前更接近拟合曲线，除个别点之外大都落在拟合曲线之上。而不论是F800还是-325目的按配比含量计算的数据点全落在拟合曲线上。当B4C材料中存在特细可溶颗粒时，采用化学检测数据不能计算出精确10B含量信息，标准曲线建议采用按B4C配比含量来计算的拟合曲线。三条曲线各自拟合的都非常好，说明10B面密度与中子透射率的函数关系不受B4C颗粒度的影响。
(二)F800和-325两种颗粒度待测板的测量结果
两种颗粒度待测样品的数据见表2，其中-325目样品检测含量为修正后(1+1.5％)数据。
表2.F800和-325两种颗粒度待测板的10B面密度及中子透射率数据
图4中圆点为待测样品按配比含量计算的面密度数据，方块为标准样品按配比含量拟合的曲线，从图中可以看出，F800和-325目两种颗粒度待测样品的数据与标准曲线整体来说比较符合，按配比含量计算的数据点完全落在标准曲线上。因为待测样品没有精确给出每块样品的检测含量，表中检测含量数据来源于同批次标准样品B4C检测含量的平均值。
(三)前次样品(2016年5月)本次测量数据与标准板对比
前次样品包括2015年样品和2016年5月的样品，从图4可以看出，按配比B4C含量计算的数据与标准板的拟合曲线符合很好。
前次样品大部分为F800，故未对检测含量进行修正，B4C检测含量数据来源于2015年标准样品的平均值。前次样品采用本套设备测量结果见图5，图5中有5个点离拟合曲线较远，上次测量结果也是如此。其中左上两个点样品编号为21-14-1，21-14-2；下面三个点样品编号为31-3-1，31-3-2，31-3-3。
总之，通过对比可以看出，对两种颗粒度的标准板，根据装料称重配比拟合的标准曲线和化学检测结果拟合的标准曲线基本重合。鉴于B4C原材料中10B的存在形式多样化以及化学检测方法的局限性，标准曲线建议采用按配比B4C含量拟合的曲线。F800和-325目样品能完全拟合在一条曲线上，说明拟合曲线不受颗粒度的影响。
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 (6)
1.一种用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，其特征在于：包括设置在检测平台（1）上的传动装置（2），硼铝板（5）在传动装置（2）的带动下沿检测平台水平运动，所述的传动装置（2）包括用于固定硼铝板的横杆，横杆两端与丝杠螺杆相连，通过电机带动丝杠转动，使硼铝板在横杆上沿水平方向运动，所述电机的控制系统与控制终端相连接，在检测平台（1）的上方设有若干个沿硼铝板的运动方向依次排列设置的探测器（4），所述的探测器（4）为锂玻璃中子探测器，探测器连接数据获取系统，数据获取系统与控制终端相连接，在硼铝板运动平面的下方设置中子源（7），所述中子源设置在慢化屏蔽装置（6）内；所述的控制终端对数据获取系统上传的数据进行处理，实时监测中子计数和透射率数据，通过测量四种硼含量的多个厚度的硼铝板标样的中子透射率，建立10B面密度与中子透射率的关系曲线，作为检测硼铝板中子透射率与10B面密度均匀性检验的标准；测量时对硼铝板进行等间距点数设置，由于头尾两点距离边缘较近，为提高精度，数据处理时中子透射率采用的数据为去除头尾两个测量点外中间段数据的平均值。
2.如权利要求1所述的用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，其特征在于：所述的探测器（4）外包覆有含硼聚乙烯材料的外壳。
3.如权利要求1所述的用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，其特征在于：在整个检测平台的外部设有铅屏蔽罩（3）。
4.如权利要求1所述的用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，其特征在于：所述的中子源（7）为252Cf中子源。
5.如权利要求1所述的用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，其特征在于：所述的数据获取系统对探测器的计数信号进行放大成形和过阈甄别，并通过RS485总线与控制终端之间建立数据通信。
6.如权利要求1或5所述的用于核电厂硼铝合金材料中子吸收性能检测的设备，其特征在于：所述的控制终端对传动装置的电机工作状态进行控制，并通过高压模块设置和监测每个探测器所加的电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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