CN112259265B - 堆外高灵敏度中子探测器及布局系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了堆外高灵敏度中子探测器及布局系统，包括中子感应芯体(2)，中子感应芯体(2)内设置有至少2个灵敏段，灵敏段依次从上至下沿中子感应芯体(2)的纵向长度方向依次排列布置。本发明将1个整体灵敏段分割为多个独立的灵敏段，这些独立的灵敏段各自独立输出感应电信号，同时设置对应的处理电路，将这些感应信号叠加在一起，其灵敏度等同于整个高度方向长度的灵敏段的效果。因此，本发明设置了多个独立的灵敏段，但要求这些灵敏段在高度方向上从上至下依次排列，以满足对堆芯高度方向的全覆盖的，从而从叠加角度实现高灵敏度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆外中子探测器领域，具体堆外高灵敏度中子探测器及布局系统。
背景技术
目前国内外核电厂(俄罗斯的VVER堆型除外)在首次装料及达临界过程中，都会在堆芯引入一次中子源，提高堆芯中子注量率水平，以便通过相应的仪表对整个堆芯装料及达临界过程的堆芯状态进行监测，确保反应堆的安全性。
一次中子源存在进口受限，运输、存储困难，价格昂贵等缺点。取消一次中子源将成为核电技术发展的趋势，将很大程度上提高核电技术的先进性、经济性、安全性。
这样，在将来的核反应堆启动时，无需引入中子源，由于没有中子源的引入，导致外泄中子量极大的减少，而现有的堆外中子探测器一般适用于有中子源引入的使用场景，由于该场景下，中子量较大，可以很好的测量中子量，但随着无需引入中子源的条件发生，现有的堆外中子探测器的灵敏度已然不适应这种低中子量的使用场景。
因此，为了适配无中子源启动核反应堆的这种场景，需要更高灵敏度的中子探测器用于布置在堆外，才能对中子实现有效的探测。
发明内容
本发明目的提供堆外高灵敏度中子探测器及布局系统，从结构角度实现高灵敏度的堆外中子探测器。
本发明通过下述技术方案实现：
堆外高灵敏度中子探测器，
包括中子感应芯体，中子感应芯体内设置有至少2个灵敏段，灵敏段依次从上至下沿中子感应芯体的纵向长度方向依次排列布置。
在本发明中，堆外高灵敏度中子探测器用于监测核电厂反应堆堆芯新燃料组件自发裂变产生的中子，由于取消中子源引入，因此，本发明所设计的中子探测器是用于探测自发裂变产生的中子，这种释放出的本底中子量小，因此对于现有的堆外检测的中子探测器并不适用该应用场景。在现有提高中子探测灵敏度的技术中，多数是提供材料改进的技术手段来实现探测灵敏度提升。但经过研究发现，目前的材料还难以满足这种特殊的需求。为此，从理论角度来看，还可以采用提高灵敏段体积的做法来实现，因此，由于探测器需要布设在堆外，对堆芯的整个高度区域进行检测，我们理论上可以制造灵敏段高度达到3米，利用长度方向的增加，提高整体空腔尺寸才能有足够的氦气体积形成的灵敏段(灵敏段的设计原理是：内部填充氦气，中子对氦气反应后释放电子，电子汇聚成感应电流或电压，从而根据电流或电压确定中子量)才能达到灵敏度的要求；然而这种超高度的灵敏段从制造工艺角度无法实现，同时这种结构在转配和拆卸时也是非常复杂的。因此这种大尺寸的灵敏段仅理论支持、难以实际应用。
本发明经过分析和研究后发现，本发明将1个整体灵敏段分割为多个独立的灵敏段，这些独立的灵敏段各自独立输出感应电信号，同时设置对应的处理电路，将这些感应信号叠加在一起，其灵敏度等同于整个高度方向长度的灵敏段的效果。因此，本发明设置了多个独立的灵敏段，但要求这些灵敏段在高度方向上从上至下依次排列，以满足对堆芯高度方向的全覆盖的，从而从叠加角度实现高灵敏度的目的。
进一步的技术方案为：还包括电信号处理部，电信号处理部包括加法电路，加法电路引入每个灵敏段的电信号进行加法处理后，将加法处理后的结果视为中子探测器的实测数值。
进一步的技术方案为：电信号处理部还包括数量与灵敏段数量相等的电荷放大电路，电荷放大电路一一对应的引入灵敏段的电信号；电荷放大电路的输出端均连接到加法电路，电荷放大电路将每段灵敏段的电信号各自独立放大处理，加法电路将放大处理后的灵敏段的电信号进行加法处理。
在此处设置电荷放大电路以实现对每个灵敏段的信号分别进行放大，输出电压信号；同时还可以在加法处理电路之后设置阻抗匹配电路，阻抗匹配电路可调整整个电子电路的输出阻抗，匹配外接电缆及连接器的阻抗。
进一步的技术方案为：所述灵敏段的数量为3，灵敏段有：上灵敏段、中灵敏段、下灵敏段，上灵敏段、中灵敏段、下灵敏段从上至下沿中子感应芯体的纵向长度方向依次排列布置。
进一步的技术方案为：所述灵敏段为内部填充氦气的空腔管。
进一步的技术方案为：中子感应芯体的长度大于或等于反应堆堆芯的堆芯活性段的长度；每个灵敏段的长度为0.8m-1.5m。
进一步的技术方案为：还包括套设在中子感应芯体外的慢化体，慢化体包括内套管和外套管，中子感应芯体设置在内套管内，内套管和外套管之间填充有慢化材料填充部。
堆外高灵敏度中子探测器布局系统，包括反应堆堆芯和所述的堆外高灵敏度中子探测器；
所述堆外高灵敏度中子探测器沿反应堆堆芯外周布局，其中，
堆外高灵敏度中子探测器中中子感应芯体的灵敏段与反应堆堆芯的堆芯活性段存在以下对应关系：
堆芯活性段根据灵敏段的数量划分为相同数量的等分段，每段灵敏段的高度方向尺寸的中点与等分段的高度方向尺寸的中点在同一水平高度。
进一步的技术方案为：
灵敏段的数量为3个，堆芯活性段划分3个等分段，
3个灵敏段分别是上灵敏段、中灵敏段、下灵敏段，
3个等分段分别是上1\3H等分段、中1\3H等分段、下1\3H等分段，
上灵敏段的高度方向尺寸的中点与上1\3H等分段的高度方向尺寸的中点在同一水平面A内，
中灵敏段的高度方向尺寸的中点与中1\3H等分段的高度方向尺寸的中点在同一水平面B内，
下灵敏段的高度方向尺寸的中点与下1\3H等分段的高度方向尺寸的中点在同一水平面C内，
水平面A在水平面B上方，水平面B在水平面C上方。
本发明的有益效果为：
堆外高灵敏度中子探测器用于监测核电厂反应堆堆芯新燃料组件自发裂变产生的中子，在核电厂反应堆堆芯首次装料及达临界过程取消一次中子源的条件下提供的状态信息，为核电厂无源启动提供保证，保证核电厂的安全。
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：
附图1为堆外高灵敏度中子探测器的结构示意图。
附图2为堆外高灵敏度中子探测器的布局系统的结构示意图。
附图3为堆外高灵敏度中子探测器的电信号处理部的结构示意图。
图中的附图标记分别表示为：1、慢化体；11、慢化材料填充部；2、中子感应芯体；21、下灵敏段；22、中灵敏段；23、上灵敏段；24、信号端子；3、吊钩；4、反应堆堆芯。
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
如图1、图2、图3所示：
堆外高灵敏度中子探测器，
包括中子感应芯体2，中子感应芯体2内设置有至少2个灵敏段，灵敏段依次从上至下沿中子感应芯体2的纵向长度方向依次排列布置。
在本发明中，堆外高灵敏度中子探测器用于监测核电厂反应堆堆芯新燃料组件自发裂变产生的中子，由于取消中子源引入，因此，本发明所设计的中子探测器是用于探测自发裂变产生的中子，这种释放出的本底中子量小，因此对于现有的堆外检测的中子探测器并不适用该应用场景。在现有提高中子探测灵敏度的技术中，多数是提供材料改进的技术手段来实现探测灵敏度提升。但经过研究发现，目前的材料还难以满足这种特殊的需求。为此，从理论角度来看，还可以采用提高灵敏段体积的做法来实现，因此，由于探测器需要布设在堆外，对堆芯的整个高度区域进行检测，我们理论上可以制造灵敏段高度达到3米，利用长度方向的增加，提高整体空腔尺寸才能有足够的氦气体积形成的灵敏段(灵敏段的设计原理是：内部填充氦气，中子对氦气反应后释放电子，电子汇聚成感应电流或电压，从而根据电流或电压确定中子量)才能达到灵敏度的要求；然而这种超高度的灵敏段从制造工艺角度无法实现，同时这种结构在转配和拆卸时也是非常复杂的。因此这种大尺寸的灵敏段仅理论支持、难以实际应用。
本发明经过分析和研究后发现，本发明将1个整体灵敏段分割为多个独立的灵敏段，这些独立的灵敏段各自独立输出感应电信号，同时设置对应的处理电路，将这些感应信号叠加在一起，其灵敏度等同于整个高度方向长度的灵敏段的效果。因此，本发明设置了多个独立的灵敏段，但要求这些灵敏段在高度方向上从上至下依次排列，以满足对堆芯高度方向的全覆盖的，从而从叠加角度实现高灵敏度的目的。
进一步的技术方案为：中子感应芯体2的外露端设置有信号端子24，每个灵敏段各自引出电信号线后将信号引入到电信号处理部，在电信号处理部内处理后形成新的信号，再由信号端子24输出。
进一步的技术方案为：还包括电信号处理部，电信号处理部包括加法电路，加法电路引入每个灵敏段的电信号进行加法处理后，将加法处理后的结果视为中子探测器的实测数值。
进一步的技术方案为：电信号处理部还包括数量与灵敏段数量相等的电荷放大电路，电荷放大电路一一对应的引入灵敏段的电信号；电荷放大电路的输出端均连接到加法电路，电荷放大电路将每段灵敏段的电信号各自独立放大处理，加法电路将放大处理后的灵敏段的电信号进行加法处理。
在此处设置电荷放大电路以实现对每个灵敏段的信号分别进行放大，输出电压信号；同时还可以在加法处理电路之后设置阻抗匹配电路，阻抗匹配电路可调整整个电子电路的输出阻抗，匹配外接电缆及连接器的阻抗。
进一步的技术方案为：所述灵敏段的数量为3，灵敏段有：上灵敏段23、中灵敏段22、下灵敏段21，上灵敏段23、中灵敏段22、下灵敏段21从上至下沿中子感应芯体2的纵向长度方向依次排列布置。
进一步的技术方案为：所述灵敏段为内部填充氦气的空腔管。
进一步的技术方案为：中子感应芯体2的长度大于或等于反应堆堆芯4的堆芯活性段的长度；每个灵敏段的长度为0.8m-1.5m。
进一步的技术方案为：还包括套设在中子感应芯体2外的慢化体1，慢化体包括内套管和外套管，中子感应芯体2设置在内套管内，内套管和外套管之间填充有慢化材料填充部11。
在上述设计方案的基础上，具体的：
如图1所示，探测器主要由慢化体和中子感应芯体构成，分别独立，可将中子感应芯体从慢化体中取出并更换中子感应芯体。慢化体和中子感应芯体分别设置有吊钩3，通过线缆连接，以便整体吊装。
慢化体的外套管和内套管采用铝管，中间设置连接拉杆，并填充高密度聚乙烯作为慢化材料填充部11，以便慢化中子。
如图1所示，中子感应芯体主要由三个对中子灵敏的灵敏段和电子电路(电信号处理部)组成，内部设拉杆，以便设备部件定位及增强结构强度。如图2所示，三个灵敏段在中子感应芯体2内部纵向布置，每个灵敏体的中心线与堆芯的堆芯活性段的1/3高度中心线平齐。电子电路(电信号处理部)结构图如图3所示，主要包含电荷放大电路、加法电路和阻抗匹配电路。电荷放大电路对三个灵敏区段的信号分别进行放大，输出电压信号；加法电路对电荷放大电路输出的信号进行求和，将三个灵敏区段的信号合成一路输出；阻抗匹配电路可调整整个电子电路的输出阻抗，匹配外接电缆及连接器的阻抗。此电子电路输出的信号具有如下特性：信号幅度正比于入射中子能量、输出信号是三个灵敏区段信号的叠加、可适配任意输入阻抗的信号处理电路。
总体来说，本发明的中子探测器的主要技术指标：热中子测量范围：0.0005n·cm-2·s-1至100n·cm-2·s-1(测量下限以输出0.5cps计算，上限以最高线性计数率1×105cps计算)。
实施例2
如图1和图2所示，堆外高灵敏度中子探测器布局系统，包括反应堆堆芯4和所述的堆外高灵敏度中子探测器；
所述堆外高灵敏度中子探测器沿反应堆堆芯4外周布局，其中，
堆外高灵敏度中子探测器中中子感应芯体2的灵敏段与反应堆堆芯4的堆芯活性段存在以下对应关系：
堆芯活性段根据灵敏段的数量划分为相同数量的等分段，每段灵敏段的高度方向尺寸的中点与等分段的高度方向尺寸的中点在同一水平高度。
具体的，如图2所示，进一步的技术方案为：
灵敏段的数量为3个，堆芯活性段划分3个等分段，
3个灵敏段分别是上灵敏段23、中灵敏段22、下灵敏段21，
3个等分段分别是上1\3H等分段、中1\3H等分段、下1\3H等分段，
上灵敏段23的高度方向尺寸的中点与上1\3H等分段的高度方向尺寸的中点在同一水平面A内，
中灵敏段22的高度方向尺寸的中点与中1\3H等分段的高度方向尺寸的中点在同一水平面B内，
下灵敏段21的高度方向尺寸的中点与下1\3H等分段的高度方向尺寸的中点在同一水平面C内，
水平面A在水平面B上方，水平面B在水平面C上方。
H为堆芯活性段高度。
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 (5)
1.堆外高灵敏度中子探测器，其特征在于，
包括中子感应芯体（2），中子感应芯体（2）内设置有3个独立的灵敏段，灵敏段依次从上至下沿中子感应芯体（2）的纵向长度方向依次排列布置，独立的灵敏段各自独立输出感应电信号；
所述堆外高灵敏度中子探测器还包括套设在中子感应芯体（2）外的慢化体（1），慢化体（1）包括内套管和外套管，中子感应芯体（2）设置在内套管内，内套管和外套管之间填充由慢化材料填充部（11）；
所述灵敏段的数量为3，灵敏段有：上灵敏段（23）、中灵敏段（22）、下灵敏段（21），上灵敏段（23）、中灵敏段（22）、下灵敏段（21）从上至下沿中子感应芯体（2）的纵向长度方向依次排列布置；
所述灵敏段为内部填充氦气的空腔管；
中子感应芯体（2）的长度大于或等于反应堆堆芯（4）的堆芯活性段的长度；每个灵敏段的长度为0.8 m -1.5m。
2.根据权利要求1所述的堆外高灵敏度中子探测器，其特征在于，
还包括电信号处理部，电信号处理部包括加法电路，加法电路引入每个灵敏段的电信号进行加法处理后，将加法处理后的结果视为中子探测器的实测数值。
3.根据权利要求2所述的堆外高灵敏度中子探测器，其特征在于，
电信号处理部还包括数量与灵敏段数量相等的电荷放大电路，电荷放大电路一一对应的引入灵敏段的电信号；电荷放大电路的输出端均连接到加法电路，电荷放大电路将每段灵敏段的电信号各自独立放大处理，加法电路将放大处理后的灵敏段的电信号进行加法处理。
4.堆外高灵敏度中子探测器的布局系统，其特征在于，包括反应堆堆芯（4）和权利要求1-3中任意一项所述的堆外高灵敏度中子探测器；
所述堆外高灵敏度中子探测器沿反应堆堆芯（4）外周布局，其中，
堆外高灵敏度中子探测器中中子感应芯体（2）的灵敏段与反应堆堆芯（4）的堆芯活性段存在以下对应关系：
堆芯活性段根据灵敏段的数量划分为相同数量的等分段，每段灵敏段的高度方向尺寸的中点与等分段的高度方向尺寸的中点在同一水平高度。
5.根据权利要求4所述的堆外高灵敏度中子探测器布局系统，其特征在于，
灵敏段的数量为3个，堆芯活性段划分3个等分段，
3个灵敏段分别是上灵敏段（23）、中灵敏段（22）、下灵敏段（21），
3个等分段分别是上13H等分段、中13H等分段、下13H等分段，
上灵敏段（23）的高度方向尺寸的中点与上13H等分段的高度方向尺寸的中点在同一水平面A内，
中灵敏段（22）的高度方向尺寸的中点与中13H等分段的高度方向尺寸的中点在同一水平面B内，
下灵敏段（21）的高度方向尺寸的中点与下13H等分段的高度方向尺寸的中点在同一水平面C内，
水平面A在水平面B上方，水平面B在水平面C上方，
H为堆芯活性段高度。
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