CN110764130A - 自给能中子探测器及其制造方法 - Google Patents

自给能中子探测器及其制造方法 Download PDF

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胡铸萱
李树成
汤仲鸣
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Abstract

本发明公开了一种自给能中子探测器及其制造方法。该自给能中子探测器包括：发射体、绝缘体、信号电缆芯线、收集体。收集体具有从一端向另一端渐缩的结构，并且发射体设于半径较大的一端。该自给能中子探测器通过反复热拉拔成型。该自给能中子探测器通过从第一端向相反端延伸并逐渐渐缩的拉伸结构，既减小了绝缘体的厚度，又保证了外壳的强度。该自给能中子探测器的制造方法通过同时热拉拔外壳、绝缘体和发射体使得绝缘体的压实度提高，同时绝缘体的厚度减小，这样既提高了中子探测器的强度又提高了中子探测器高温绝缘性能。

Description

自给能中子探测器及其制造方法
技术领域
本发明涉及中子探测器领域，特别涉及一种自给能中子探测器及其制造方法。
背景技术
自给能探测器是20世纪60年代开始发展起来的一种新型探测器。探测器中的发射体在中子的作用下发射β粒子或电子产生电流，而不需要外加电源的中子探测器。
随着三代核电的推广，自给能探测器在堆芯测量系统被广泛应用，堆芯测量系统是核电站重要的仪控系统，为核电站的安全运行提供重要保障。
堆芯仪表系统的主要功能为生成堆芯三维功率分布图，需要将中子探测器纵向、径向的均匀分布在堆芯的每个区域内，通过中子探测器给出的实时堆内中子通量数值进行计算分析。探测器将正比于中子注量率的电流信号输出至堆芯运行优化分析服务器，通过分析软件生成堆芯三维功率分布图。同时，中子探测器测量得到的堆芯中子注量率数据可以用来计算一回路冷却剂焓的变化、堆芯燃耗分布、堆芯冷却剂流量等参数，该系统的正常运行为核电站的安全提供了重要保障。
自给能探测器1一般由发射体2、绝缘体3和收集体4三部分组成。发射体是一种导体材料，具有较高的中子活化截面。在中子照射下，发射体核俘获中子而活化，然后直接或间接放出电子。这些电子到达收集体，在微电流计5上形成正比于入射中子注量率的弱电流信号。钒自给能探测器工作原理图见图1。
自给能探测器中子灵敏度较低，即使在反应堆满量程运行时，也只能产生微安量级的弱电流信号。并且，由于探测器工作在堆芯高温环境，所以要求探测器在室温和高温400℃时需要具有很高的绝缘电阻，确保弱电流信号的传输。
由于通常将7支或更多支自给能探测器集成在不锈钢指套管中插入堆芯，进行堆芯轴向中子通量分布测量，所以自给能探测器外径通常设计为2-3mm，为精密元件。为保证探测器的较高灵敏度，根据核物理建模分析，可在设计中增大发射体外径和收集体壁厚。但在探测器外径一定的情况下，只能通过减小绝缘体的厚度来实现，所以绝缘体需要尽可能薄，又要保证探测器的高温绝缘性能和探测器的机械结构的稳定性，是探测器设计和制造的一个难点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的缺陷，提供一种既能保证较高灵敏度又能保证高温绝缘性能和机械结构的稳定性的自给能中子探测器及其制造方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种自给能中子探测器，其包括：发射体、绝缘体、信号电缆芯线、收集体；
所述收集体的第一端封闭，所述收集体的第二端用于与电缆连接，所述绝缘体设于所述收集体中，所述发射体设于所述绝缘体内并且通过所述绝缘体与所述收集体隔开，所述信号电缆芯线从所述收集体的第二端连接所述发射体，所述收集体为中空的筒形的外壳；
其中，所述外壳从所述第一端到第二端依次包括相互连接的第一延伸段、第二延伸段、第三延伸段；
所述第一延伸段和第三延伸段均为直筒形结构，所述第三延伸段的横截面积小于所述第一延伸段的横截面积；
所述第二延伸段从所述第一延伸段开始朝向所述第三延伸段渐缩，所述发射体设于所述第一延伸段内，所述信号电缆芯线与所述发射体的连接点位于所述第二延伸段内部。
优选地，所述绝缘层包括氧化铝，所述氧化铝的压实度为65％-75％。
优选地，所述氧化铝的压实度为70％。
优选地，所述端盖焊接于所述外壳的第一端。
优选地，所述外壳由316不锈钢制成。
优选地，所述绝缘体充满所述外壳内部并包覆所述发射体和所述信号电缆芯线。
一种如上所述的自给能中子探测器的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：
S1：提供一筒形的收集体、绝缘体和柱形的发射体；
S2：将所述绝缘体放置于所述收集体中，将所述发射体放置于所述绝缘体中并使所述发射体被所述绝缘体包裹；
S3：对所述收集体、绝缘体和发射体同时进行热拉拔；
S4：对热拉拔后的工件进行退火处理。
优选地，多次重复步骤S3和S4。
优选地，所述退火处理的温度大于等于1024℃，时间大于等于3小时。
优选地，所述制造方法还包括如下步骤：
S5：将收集体的第一端密封。
优选地，在步骤S5中，焊接密封所述收集体的第一端。
优选地，在步骤S2中，将所述发射体放置于所述绝缘体中之前，提供一电缆的信号电缆芯线，并将所述信号电缆芯线连接于所述发射体。
优选地，所述绝缘体的压实度为65％-75％。
优选地，所述绝缘体的压实度为70％。
本发明的积极进步效果在于：该自给能中子探测器通过从第一端向相反端延伸并逐渐渐缩的拉伸结构，既减小了绝缘体的厚度，又保证了外壳的强度。该自给能中子探测器的制造方法通过同时热拉拔外壳、绝缘体和发射体使得绝缘体的压实度提高，同时绝缘体的厚度减小，这样既提高了中子探测器的强度又提高了中子探测器的高温绝缘性能。
附图说明
图1为现有技术的自给能中子探测器的原理图。
图2为根据本发明的一个实施例的自给能中子探测器的结构示意图。
图3为根据本发明的一个实施例的自给能中子探测器的制造方法的流程示意图。
图4为绝缘体的压实度为75％时，测得的堆芯孔道内的中子通量试验结果。
图5为绝缘体的压实度为35％时，测得的堆芯孔道内的中子通量试验结果。
附图标记说明：
自给能中子探测器 10
第一端 11
第二端 111
发射体 12
绝缘体 13
信号电缆芯线 14
收集体 15
第一延伸段 16
第二延伸段 17
第三延伸段 18
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在下述的实施例范围之中。
如图2所示，自给能中子探测器10包括：发射体12、绝缘体13、信号电缆芯线14、收集体15。
收集体15的第一端11封闭，收集体15的第二端111用于与电缆连接，绝缘体13设于收集体15中，发射体12设于绝缘体13内并且通过绝缘体13与收集体15隔开，信号电缆芯线14从第二段111连接发射体12，收集体15为中空的筒形的外壳，优选地为圆筒形的外壳
外壳从第一端到第二端依次包括相互连接的第一延伸段16、第二延伸段17、第三延伸段18。
第一延伸段16和第三延伸段18均为直筒形结构，第三延伸段18的横截面积小于第一延伸段16的横截面积。直筒形结构如图2所示，其沿轴线直线延伸并且其横截面均为相同形状。
第二延伸段17从第一延伸段16开始朝向第三延伸段18渐缩，发射体12设于第一延伸段16内，信号电缆芯线与发射体的连接点位于第二延伸段内部。
外壳的第一端11通过焊接密封，具体地使用316L焊丝氩弧焊密封。
外壳由316不锈钢制成。
绝缘体13充满外壳内部并包覆发射体12和信号电缆芯线14。
绝缘体13包括氧化铝。绝缘体13一般选用高纯度氧化铝，其压实度的范围为65％-75％，优选为70％。
使用激光切割、超声波铠装电缆除粉机、高精度电子天平、50倍放大影像仪对自给能中子探测器10的绝缘体13的压实度进行测量。测量时需要对探测器取样切割；端面放大投影尺寸测量；样件解剖称重；压实度计算。对标准中的公式进行改进，保证压实度测量精度达到0.01％。
经测量，上述自给能中子探测器10的400℃绝缘电阻可达到10MΩ；可满足在高温超过500℃，中子通量至少为1.4×1014nv的工作环境正常工作，同批次钒自给能探测器输出电流约为1.3μA，灵敏度偏差在5％以内，满足堆芯中子通量监测要求。
高纯度氧化铝在压实度65％～75％。可满足在高温超过500℃，中子通量至少为1.4×1014nv的工作环境正常工作。
高纯度氧化铝在压实度70％，探测器室温绝缘可满足≥5×1012Ω，400℃高温绝缘可满足≥1×107Ω。
如图3所示，自给能中子探测器的制造方法包括以下步骤：
步骤100：提供一筒形的收集体、绝缘体和柱形的发射体。
步骤200：将所述绝缘体放置于所述外壳中；提供一电缆的信号电缆芯线，并将所述信号电缆芯线连接于所述发射体；将所述发射体放置于所述绝缘体中并使所述发射体被所述绝缘体包裹。电缆一体地连接于收集体的第二端。
步骤300：对所述外壳、绝缘体和发射体同时进行热拉拔。
步骤400：对热拉拔后的工件进行退火处理。
多次重复步骤300和步骤400。经过反复热拉拔和退火处理之后，所述绝缘体的压实度可以达到65％-75％。优选地，所述绝缘体的压实度可以达到为70％。
步骤500：将收集体的第一端焊接密封，具体地，使用316L焊丝氩弧焊密封收集体的第一端。
所述退火处理的温度优选地大于等于1024℃，时间不少于3小时。
以AP1000/CAP1400钒自给能探测器为例，探测器发射体为钒，绝缘体为高纯度氧化铝，收集体为316L不锈钢；
钒自给能探测器收集体外径为2mm，发射体外径为1mm，经理论分析和试验验证，绝缘体压实度70％可满足探测器的设计和鉴定要求。
为保证探测器压实度满足70％，并且收集体外径和发射体外径满足设计要求，探测器制造前，需对下料前收集体(探测器外壳)材料、绝缘体(陶瓷柱)、发射体结构进行计算，然后拼装下料。经退火炉、拉拔设备、变径模具对探测器进行热拉拔集成，拉拔后，需对探测器进行不少于3小时1024℃退火，消除外壳应力。经反复拉拔、退火后，实现探测器收集体外径2mm，发射体外径1mm，完成拉拔集成后，对探测器端部进行焊接密封，完成探测器制造。
完成探测器制造后需对探测器进行室温绝缘电阻、高温绝缘电阻、电容等电性能测试，高纯度氧化铝在压实度65％～75％，探测器室温绝缘可满足≥5×1012Ω，400℃高温绝缘可满足≥1×107Ω。
完成探测器常规的结构测试和电性能测试后，对每批次探测器进行抽样检测，解剖样品进行材料检验和绝缘体压实度测量。
本实施例使用点式小型激光切割机，对探测器进行端面切割，可以切割出整齐的探测器端面，截取5-10cm长样品，使用卡尺测量样品长度L。
完成切割后，使用二次元投影设备进行端面尺寸测量，将探测器样品固定于投影台上，调节镜头焦距进行50倍放大投影，得到放大后的截面照片，使用自动或手动绘制轮廓线对探测器发射体、绝缘体、收集体外径进行测量，测量精度可以精确到1微米，测得的发射体外径和绝缘体外径可分别计算截面积S1和S2。
完成尺寸测量后，使用超声波铠装电缆除粉机对探测器样品进行解剖，解剖前对样品进行称重，质量为M。解剖后，称重发射体质量m1和收集体质量m2。
根据测量记录数据进行压实度计算，压实度计算公式为，其中ρ为100％压实度氧化铝的密度3.97g/cm3：
如果探测器绝缘材料为氧化镁或其他矿物绝缘粉末材料，本发明同样适用，需要替换ρ参数，如100％压实度MgO密度为3.58g/cm3。
<试验验证>
选择两组不同压实度的自给能中子探测器(编号如下表)固定在同一试验悬架，在相同试验堆芯孔道进行堆上试验验证。试验在三个反应堆功率台阶进行，测得堆芯孔道内的中子通量试验结果如下图所示。三个功率台阶对应的孔道温度使用热电偶测得，分别为173℃、444℃和536℃。从试验结果可以看出，在前两个功率台阶，两组自给能中子探测器(SPND)输出信号基本一致，当反应堆功率继续上升到第三个功率台阶时，由于辐照剂量率和温度更高，压实度35％批次的SPD输出信号出现不线性的特点(如图5所示)，70％压实度批次的SPND输出信号较为线性(如图4所示)，同批次探测器输出信号一致性较好。
该自给能中子探测器通过从第一端向相反端延伸并逐渐渐缩的拉伸结构，既减小了绝缘体的厚度，又保证了外壳的强度。该自给能中子探测器的制造方法通过同时热拉拔外壳、绝缘体和发射体使得绝缘体的压实度提高，同时绝缘体的厚度减小，这样既提高了中子探测器的强度又提高了中子探测器的高温绝缘性能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，除非文中另有说明。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种自给能中子探测器，其特征在于，其包括：发射体、绝缘体、信号电缆芯线、收集体；
所述收集体的第一端封闭，所述收集体的第二端用于与电缆连接，所述绝缘体设于所述收集体中，所述发射体设于所述绝缘体内并且通过所述绝缘体与所述收集体隔开，所述信号电缆芯线从所述收集体的第二端连接所述发射体，所述收集体为中空的筒形的外壳；
其中，所述外壳从所述第一端到所述第二端依次包括相互连接的第一延伸段、第二延伸段、第三延伸段；
所述第一延伸段和第三延伸段均为直筒形结构，所述第三延伸段的横截面积小于所述第一延伸段的横截面积；
所述第二延伸段从所述第一延伸段开始朝向所述第三延伸段渐缩，所述发射体设于所述第一延伸段内部，所述信号电缆芯线与所述发射体的连接点位于所述第二延伸段内部。
2.如权利要求1所述的自给能中子探测器，其特征在于，所述绝缘体包括氧化铝，所述氧化铝的压实度为65％-75％。
3.如权利要求2所述的自给能中子探测器，其特征在于，所述氧化铝的压实度为70％。
4.如权利要求1所述的自给能中子探测器，其特征在于，所述端盖焊接于所述外壳的第一端。
5.如权利要求1所述的自给能中子探测器，其特征在于，所述外壳由316不锈钢制成。
6.如权利要求1所述的自给能中子探测器，其特征在于，所述绝缘体充满所述外壳内部并包覆所述发射体和所述信号电缆芯线。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的自给能中子探测器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：
S1：提供一筒形的收集体、绝缘体和柱形的发射体；
S2：将所述绝缘体放置于所述收集体中，将所述发射体放置于所述绝缘体中并使所述发射体被所述绝缘体包裹；
S3：对所述收集体、绝缘体和发射体同时进行热拉拔；
S4：对热拉拔后的工件进行退火处理。
8.如权利要求7所述的自给能中子探测器的制造方法，其特征在于，多次重复步骤S3和S4。
9.如权利要求7所述的自给能中子探测器的制造方法，其特征在于，所述退火处理的温度大于等于1024℃，时间大于等于3小时。
10.如权利要求7所述的自给能中子探测器的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括如下步骤：
S5：将所述收集体的第一端密封。
11.如权利要求10所述的自给能中子探测器的制造方法，其特征在于，在步骤S5中，焊接密封所述收集体的第一端。
12.如权利要求7所述的自给能中子探测器的制造方法，其特征在于，在步骤S2中，将所述发射体放置于所述绝缘体中之前，提供一电缆的信号电缆芯线，并将所述信号电缆芯线连接于所述发射体，所述电缆一体地连接于所述收集体的第二端。
13.如权利要求7所述的自给能中子探测器的制造方法，其特征在于，所述绝缘体的压实度为65％-75％。
14.如权利要求13所述的自给能中子探测器的制造方法，其特征在于，所述绝缘体的压实度为70％。
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CN112698381A (zh) * 2020-12-28 2021-04-23 兰州大学 自给能中子探测器

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