CN109949952B - 核燃料棒富集度无源检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种核燃料棒富集度无源检测系统。包括：伽马射线探测模组，包括多个依次串行等间距排列的探测单元，其中任一探测单元均为多边形中空结构或环形中空结构，使得探测模组的中心形成管道状通道以供核燃料棒穿行其中；多通道信号处理系统，用于接收和处理多个探测单元的测量信号；多通道供电系统，用于为多个探测单元和多通道信号处理系统提供电源；以及主机和软件系统，用于根据经过多通道信号处理系统处理后的测量信号进行能谱分析和富集度分析。本发明提供一种检测效率高，结构紧凑的无源检测系统用于核燃料芯块富集度检测。根据本发明的一些实施方式，采用模块设计，便于维护更换，其中一个或几个探测单元失效时，不影响整体正常工作。

Description

核燃料棒富集度无源检测系统
技术领域
本发明涉及核安全领域和核探测数据处理领域，具体涉及一种核燃料棒富集度无源检测系统。
背景技术
压水堆是我国核电站常用的反应堆。核燃料棒作为反应堆的关键组成，由多个二氧化铀(UO2)芯块组成。在燃料芯块中，将核燃料中235U(铀235)的质量分数称为核燃料芯块的富集度，压水堆核燃料芯块的富集度一般为2％～5％。在反应堆运行时，燃料棒中芯块富集度的不均匀(非设计的整体偏高/偏低)或存在异常单个芯块(不同富集度的燃料芯块混入燃料棒)，均会导致燃料棒发热不均匀，产生热应力，进而导致燃料棒破裂，停堆，引发安全事故和重大损失。因此，对每根燃料棒的芯块富集度都要进行100％检测。
核燃料富集度的检测方法常见的为有源检测法。有源检测法是将慢化后的252Cf中子照射燃料棒,热中子与238U发生反应238U(n,γ)→239Np→239Pu生成239Pu，与235U发生反应235U(n,f)→裂变产物+中子，产生的裂变产物不稳定,伴随一系列β衰变,释放出大量缓发伽马射线，计算某种裂变产物核素和239Pu的特征伽马射线全能峰净面积可以推算出235U与238U的比值。这种方法需要使用中子源对核燃料棒进行活化，因而检测成本高，同时也给核燃料棒的存储、运输、操作带来了安全隐患。
因此，需要一种新的核燃料棒富集度检测系统。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种核燃料棒富集度无源检测系统，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明的实施方式，公开一种核燃料棒富集度无源检测的系统，其特征在于，包括：
伽马射线探测模组，包括多个依次串行等间距排列的探测单元，其中任一探测单元均为多边形中空结构或环形中空结构，使得探测模组的中心形成管道状通道以供核燃料棒穿行其中；
多通道信号处理系统，用于接收和处理多个探测单元的测量信号；
多通道供电系统，用于为多个探测单元和多通道信号处理系统提供电源；以及
主机和软件系统，用于根据经过多通道信号处理系统处理后的测量信号进行能谱分析和富集度分析。
根据本发明的一实施方式，其中伽马射线探测模组为多个，多个伽马射线探测模组依次串行等间距排列。
根据本发明的一实施方式，其中多边形中空结构为八边形中空结构。
根据本发明的一实施方式，其中核燃料棒由多个大小相同且沿核燃料棒的轴向分布的芯块填充于锆外壳中构成。
根据本发明的一实施方式，其中探测单元的数量为128个。
根据本发明的一实施方式，所述系统还包括上料架台、多个传动装置和下料架台，分别用于核燃料棒的上料、进料和下料。
根据本发明的一实施方式，所述系统还包括自动控制系统，用于根据主机和软件系统的工作指令对上料架台、多个传动装置和下料架台进行控制，其中自动控制系统包括机械臂。
根据本发明的一实施方式，所述系统工作于静态工作模式或动态工作模式，其中静态工作模式用于探测单元能谱校检和核燃料棒静态检测，动态工作模式用于探测单元时间响应校检和核燃料棒动态检测。
根据本发明的一实施方式，其中静态工作模式包括：
自动控制系统根据主机和软件系统的静态工作指令控制机械臂从上料架台中取出待检的核燃料棒放置于多个传动装置共同构成的检测通道上，通过多个传动装置使得核燃料棒匀速顺次通过多个探测单元后停置于预定区域；
多个探测单元同时对核燃料棒释放出的伽马射线进行探测，将伽马射线转化为电脉冲信号并将电脉冲信号作为测量信号送入多通道信号处理系统；
多通道信号处理系统对测量信号进行模数转换、信号甄别和积分处理后送入主机和软件系统；
主机和软件系统对测量信号进行统计，形成能谱；以及
主机和软件系统通过能谱分析获得富集度信息。
根据本发明的一实施方式，其中静态工作模式还包括：通过多个传动装置将核燃料棒匀速移出预定区域；以及自动控制系统控制机械臂将核燃料棒放入下料架台。
根据本发明的一实施方式，其中动态工作模式包括：
自动控制系统根据主机和软件系统的动态工作指令控制机械臂从上料架台中取出待检的核燃料棒放置于多个传动装置共同构成的检测通道上，通过多个传动装置使得核燃料棒匀速顺次通过多个探测单元
多个探测单元同时对核燃料棒释放出的伽马射线进行探测，将伽马射线转化为电脉冲信号并将电脉冲信号作为测量信号送入多通道信号处理系统；
多通道信号处理系统对测量信号进行模数转换、信号甄别和积分处理后送入主机和软件系统；以及
主机和软件系统在任一单位时间间隔内，将测量信号进行统计，形成该单位时间间隔的能谱；再依据不同探测单元的时间响应信息，对该单位时间间隔的能谱进行延迟叠加，获得针对核燃料棒每个芯块的富集度信息；
其中单位时间间隔根据相邻两个探测单元的间距和核燃料棒的运动速度的比值确定；以及
延迟叠加是指将所有探测单元在相同的计数时间点的能谱在97keV附近的峰区以及在186keV附近的峰区的总计数进行叠加。
根据本发明的一实施方式，其中动态工作模式还包括：通过多个传动装置将核燃料棒匀速移出预定区域；以及自动控制系统控制机械臂将核燃料棒放入下料架台。
根据本发明的一些实施方式，提供一种检测效率高，结构紧凑的无源检测系统用于核燃料芯块富集度检测。
根据本发明的一些实施方式，采用模块设计，便于维护更换，其中一个或几个探测单元失效时，不影响整体正常工作。
根据本发明的另一些实施方式，通过静态工作模式可获得核燃料棒的能谱信息，在合适道址处设置上下阈值，可获得核燃料芯块的两个峰区总计数和两个峰区计数比，对明显异常的核燃料芯块进行剔除。
根据本发明的又一些实施方式，通过动态工作模式可具有检测速度快、不同探测单元探测效率差异的影响小以及不要求探测模组或探测单元等间距排列等优点。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1示出根据本发明一示例实施方式的一核燃料棒富集度无源检测系统的示意图。
图2示出核燃料棒的结构示意图。
图3示出不同富集度的核燃料芯块能谱示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本发明的目的在于提供一种核燃料棒富集度无源检测系统。核燃料棒富集度无源检测系统包括：伽马射线探测模组，包括多个依次串行等间距排列的探测单元，其中任一探测单元均为多边形中空结构或环形中空结构，使得探测模组的中心形成管道状通道以供核燃料棒穿行其中；多通道信号处理系统，用于接收和处理多个探测单元的测量信号；多通道供电系统，用于为多个探测单元和多通道信号处理系统提供电源；以及主机和软件系统，用于根据经过多通道信号处理系统处理后的测量信号进行能谱分析和富集度分析。本发明提供一种检测效率高，结构紧凑的无源检测系统用于核燃料芯块富集度检测。通过采用模块设计，便于维护更换，其中一个或几个探测单元失效时，不影响整体正常工作。同时通过静态工作模式可获得核燃料棒的能谱信息，在合适道址处设置上下阈值，可获得核燃料芯块的两个峰区总计数和两个峰区计数比，对明显异常的核燃料芯块进行剔除。此外，通过动态工作模式可具有检测速度快、不同探测单元探测效率差异的影响小以及不要求探测模组或探测单元等间距排列等优点。
下面结合图1-3对本发明的核燃料棒富集度无源检测系统进行详细说明，其中，图1示出根据本发明一示例实施方式的一核燃料棒富集度无源检测系统的示意图；图2示出核燃料棒的结构示意图；图3示出不同富集度的核燃料芯块能谱示意图。
如图1所示，核燃料棒富集度无源检测系统包括：伽马射线探测模组1，包括多个依次串行等间距排列的探测单元101，其中任一探测单元均为多边形中空结构或环形中空结构，使得探测模组的中心形成管道状通道以供核燃料棒2穿行其中；多通道信号处理系统3，用于接收和处理多个探测单元101的测量信号；多通道供电系统4，用于为多个探测单元101和多通道信号处理系统3提供电源；以及主机和软件系统5，用于根据经过多通道信号处理系统3处理后的测量信号进行能谱分析和富集度分析。本核燃料棒富集度无源检测系统检测效率高，结构紧凑，探测单元采用模块设计，便于维护更换，其中一个或几个探测单元失效时，不影响整体正常工作。
在此需要说明的是，分析系统并不是必需的，除了通过分析系统对经过多通道信号处理系统3处理后的测量信号进行实时或事后的能谱分析和富集度分析外，也可以通过人工/手工在事后对经过多通道信号处理系统3处理后的测量信号进行能谱分析和富集度分析，并无任何限制。
根据本发明的一实施方式，其中伽马射线探测模组为多个，多个伽马射线探测模组依次串行等间距排列。
根据本发明的一实施方式，其中多边形中空结构为八边形中空结构。
图2示出核燃料棒2的结构示意图，核燃料棒2由多个大小相同且沿核燃料棒的轴向分布的核燃料芯块201填充于锆外壳202中构成，核燃料芯块的长度通常在10mm～20mm之间，不同核燃料芯块201的富集度不完全相同。
根据本发明的一实施方式，其中探测单元的数量可为128个。128个探测单元可构成1或多个伽马射线探测模组，例如可以为32*4组，即构成4个伽马射线探测模组，每个模组包括32个探测单元。但本发明不以此为限，探测单元的数量可为32、64、256个或者其他任何需要的数量。
根据本发明的一实施方式，所述系统还包括上料架台7、多个传动装置9和下料架台8，分别用于核燃料棒的上料、进料和下料。
根据本发明的一实施方式，所述系统还包括自动控制系统6，用于根据主机和软件系统的工作指令对上料架台、多个传动装置和下料架台进行控制，共同用于核燃料棒2的上下料和进料运动。其中自动控制系统可以包括机械臂(未图示)。
根据本发明的一实施方式，所述系统工作于静态工作模式或动态工作模式，其中静态工作模式用于探测单元能谱校检和核燃料棒静态检测，动态工作模式用于探测单元时间响应校检和核燃料棒动态检测。下面分别具体说明。
静态工作模式具体如下：
主机和软件系统5向自动控制系统6发送静态工作指令(本发明并不以此为限，也可以通过人工/手工直接将自动控制系统6设置于静态工作模式)，自动控制系统6控制机械臂(未标出)从上料架台7中取出待检的核燃料棒2，置于多个传动装置9共同构成的检测通道上，在多个传动装置9的带动下，匀速顺次通过多个探测单元101后，停置于规定预设区域；
多个探测单元101同时对核燃料棒2释放出的伽马射线进行探测，将伽马射线转化为电脉冲信号并将电脉冲信号作为测量信号送入多通道信号处理系统3；
多通道信号处理系统3对测量信号进行模数转换、信号甄别、积分处理后送入主机和软件系统5；
主机和软件系统5在一段指定时间内(本发明并不以此为限，可以在任意时间内进行)，将多通道信号处理系统3处理后的测量信号进行统计，形成能谱(如图3所示)；
所述能谱应可清晰辨认两个峰区，其一为97keV附近的U或Th元素的X射线峰，其二为186keV附近的235U的天然特征伽马射线峰，在合适道址处设置上下阈值，可获得核燃料芯块201的两个峰区总计数和两个峰区计数比，不同富集度的核燃料芯块201的两个峰区总计数和两个峰区计数比不同，且和富集度存在明显相关性，通过能谱分析可获得富集度信息；
统计完成后，在多个传动装置9的带动下，核燃料棒继续匀速移出规定预设区域，自动控制系统6控制机械臂(未标出)将待检的核燃料棒2放入下料架台8，完成静态工作。
静态工作模式可获得核燃料棒2的能谱信息，在合适道址处设置上下阈值，可获得核燃料芯块201的两个峰区总计数和两个峰区计数比，对明显异常的核燃料芯块201进行剔除，但由于不同探测单元101的探测效率不同，对富集度相近的核燃料芯块201检测不易区分，例如探测效率较低的探测单元101探测富集度较高的核燃料芯块201时与探测效率较高的探测单元101探测富集度较低的核燃料芯块201时的两个峰区总计数不易区分。其中一种解决方案为精细调整不同探测单元的探测效率，但费时费力。
进一步地，在静态工作模式流程基础上，本发明发展了一种新型的动态工作模式。动态工作模式具体如下：
主机和软件系统5向自动控制系统6发送动态工作指令(本发明并不以此为限，也可以通过人工/手工直接将自动控制系统6设置于动态工作模式)，自动控制系统6控制机械臂(未标出)从上料架台7中取出待检的核燃料棒2，置于多个传动装置9共同构成的检测通道上，在多个传动装置9的带动下，匀速顺次通过多个探测单元101；
多个探测单元101同时对核燃料棒2释放出的伽马射线进行探测，将伽马射线转化为电脉冲信号并将电脉冲信号作为测量信号送入多通道信号处理系统3；
多通道信号处理系统3对测量信号进行模数转换、信号甄别、积分处理后送入主机和软件系统5；
主机和软件系统5在任一单位时间间隔内，将多通道信号处理系统3处理后的测量信号进行统计，形成该单位时间间隔的能谱；再依据不同探测单元101的时间响应信息，对单位时间间隔的能谱进行延迟叠加，可获得针对每个核燃料芯块201的富集度信息；
该单位时间间隔可根据相邻两个探测单元101的间距和核燃料棒的运动速度的比值确定，优选为该比值的二分之一到一倍之间；
该时间响应信息可通过，仅含单个核燃料芯块201的特殊核燃料棒2，在多个传动装置9的带动下，匀速顺次通过多个探测单元101，不同探测单元101的开始产生计数的时间点作为该探测单元的计数时间零点获得；
该延迟叠加是指将所有探测单元101在相同的计数时间点的两个峰区总计数进行叠加；
在多个传动装置9的带动下，核燃料棒始终保持匀速运动，直到完全移出检测区域后，自动控制系统6控制机械臂(未标出)将待检的核燃料棒2放入下料架台8，完成动态工作。
动态工作模式至少具有以下优点：
1)检测速度快，核燃料棒全程保持匀速运动，不需要停置于规定预设区域，配合上下料运动，可实现在线自动化检测；
2)不同探测单元探测效率差异的影响小，每个核燃料芯块在全部探测单元中均被分时探测并延迟叠加，探测效率差异造成的影响被平均后明显减少；
3)不要求伽马射线探测模组1或探测单元101等间距排列，由于延迟叠加的时间响应信息是根据单个核燃料芯块201的特殊核燃料棒2匀速顺次通过多个探测单元101确定，即使伽马射线探测模组1或探测单元101不等间距排列，也不影响时间响应信息确定。
通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本发明实施例的核燃料棒富集度无源检测系统具有以下优点中的一个或多个。
根据本发明的一些实施方式，提供一种检测效率高，结构紧凑的无源检测系统用于核燃料芯块富集度检测。
根据本发明的一些实施方式，采用模块设计，便于维护更换，其中一个或几个探测单元失效时，不影响整体正常工作。
根据本发明的另一些实施方式，通过静态工作模式可获得核燃料棒的能谱信息，在合适道址处设置上下阈值，可获得核燃料芯块的两个峰区总计数和两个峰区计数比，对明显异常的核燃料芯块进行剔除。
根据本发明的又一些实施方式，通过动态工作模式可具有检测速度快、不同探测单元探测效率差异的影响小以及不要求探测模组或探测单元等间距排列等优点。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种核燃料棒富集度无源检测系统，其特征在于，包括：
伽马射线探测模组，包括多个依次串行等间距排列的探测单元，其中任一探测单元均为多边形中空结构或环形中空结构，使得探测模组的中心形成管道状通道以供核燃料棒穿行其中；
多通道信号处理系统，用于接收和处理多个探测单元的测量信号；
多通道供电系统，用于为多个探测单元和多通道信号处理系统提供电源；以及
主机和软件系统，用于根据经过多通道信号处理系统处理后的测量信号进行能谱分析和富集度分析；
所述系统还包括自动控制系统，用于根据主机和软件系统的工作指令对上料架台、多个传动装置和下料架台进行控制，其中自动控制系统包括机械臂；
所述系统的工作模式包括动态工作模式，所述动态工作模式包括：自动控制系统根据主机和软件系统的动态工作指令控制机械臂从上料架台中取出待检的核燃料棒放置于多个传动装置共同构成的检测通道上，通过多个传动装置使得核燃料棒匀速顺次通过多个探测单元；多个探测单元同时对核燃料棒释放出的伽马射线进行探测，将伽马射线转化为电脉冲信号并将电脉冲信号作为测量信号送入多通道信号处理系统；多通道信号处理系统对测量信号进行模数转换、信号甄别和积分处理后送入主机和软件系统；以及主机和软件系统在任一单位时间间隔内，将测量信号进行统计，形成该单位时间间隔的能谱；再依据不同探测单元的时间响应信息，对该单位时间间隔的能谱进行延迟叠加，获得针对核燃料棒每个芯块的富集度信息；其中单位时间间隔根据相邻两个探测单元的间距和核燃料棒的运动速度的比值确定；以及延迟叠加是指将所有探测单元在相同的计数时间点的能谱在97keV附近的峰区以及在186keV附近的峰区的总计数进行叠加。
2.如权利要求1所述的系统，其中伽马射线探测模组为多个，多个伽马射线探测模组依次串行等间距排列。
3.如权利要求1所述的系统，其中多边形中空结构为八边形中空结构。
4.如权利要求1所述的系统，其中核燃料棒由多个大小相同且沿核燃料棒的轴向分布的芯块填充于锆外壳中构成。
5.如权利要求1所述的系统，其中探测单元的数量为128个。
6.如权利要求1-5中任一所述的系统，还包括上料架台、多个传动装置和下料架台，分别用于核燃料棒的上料、进料和下料。
7.如权利要求1所述的系统，工作于静态工作模式或动态工作模式，其中静态工作模式用于探测单元能谱校检和核燃料棒静态检测，动态工作模式用于探测单元时间响应校检和核燃料棒动态检测。
8.如权利要求7所述的系统，其中静态工作模式包括：
自动控制系统根据主机和软件系统的静态工作指令控制机械臂从上料架台中取出待检的核燃料棒放置于多个传动装置共同构成的检测通道上，通过多个传动装置使得核燃料棒匀速顺次通过多个探测单元后停置于预定区域；
多个探测单元同时对核燃料棒释放出的伽马射线进行探测，将伽马射线转化为电脉冲信号并将电脉冲信号作为测量信号送入多通道信号处理系统；
多通道信号处理系统对测量信号进行模数转换、信号甄别和积分处理后送入主机和软件系统；
主机和软件系统对测量信号进行统计，形成能谱；以及
主机和软件系统通过能谱分析获得富集度信息。
9.如权利要求8所述的系统，其中静态工作模式还包括：通过多个传动装置将核燃料棒匀速移出预定区域；以及自动控制系统控制机械臂将核燃料棒放入下料架台。
10.如权利要求7所述的系统，其中动态工作模式还包括：通过多个传动装置将核燃料棒匀速移出预定区域；以及自动控制系统控制机械臂将核燃料棒放入下料架台。
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AP1000 中子活化燃料棒235Ｕ丰度及其均匀性检查设备;王长虹 等;《中国核科学技术进展报告》;20150930;第第4卷卷;第103-108页 *
新型无源法核燃料棒~(235)U富集度检测系统研制;张雷;王长虹;刘明;马金波;李铁成;;核电子学与探测技术(第06期);第619-624页 *

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