CN113539532A - 一种乏燃料组件破损检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种乏燃料组件破损检测系统及方法，包括能够与乏燃料转运容器的出气口连接的快速转接头，快速转接头另一端连接冷却装置，冷却装置连接除尘除水装置，除尘除水装置通过离子捕集器与测量系统连接，所述测量系统通过电离室测量待测气体中的β活度，再计算出Kr‑85浓度，通过γ谱仪测量待测气体中Kr‑85的γ活度，再计算出Kr‑85浓度，通过电离室和γ谱仪测量结果比较确认测量有效，通过已知环境浓度判断转运容器中的乏燃料组件是否破损。本发明通过双通道两种不同的核物理测量方法同时确定Kr‑85浓度来判断破损，不受乏燃料存放环境和时间的限制，检测灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于核探测技术领域，具体涉及一种乏燃料组件破损检测系统及方法。
背景技术
现有的乏燃料破损检测技术多为测量Xe-133，此方法受限于Xe-133的半衰期(5.24d)影响，并且测量时间长(2h以上)，仅仅适用于核电厂换料期间乏燃料水池内的检测。在核电站乏燃料长期存放在乏燃料水池中，短寿命裂变核素(包括Xe-133)基本衰变完毕，后续乏燃料转为干式存储，或者转运后处理厂中，检测燃料组件是否破损时，就需要测量长寿命核素。
中国专利申请201510459849.X“乏燃料组件破损检测装置”公开了一种乏燃料组件破损检测装置，所使用的转运容器设置有释放接口和回收接口，所述检测装置包括：冷却器、惰性气体检测仪以及通气管路；通气管路连接所述释放接口和回收接口，所述通气管路靠近所述释放接口的部分容置于所述冷却器内，所述惰性气体检测仪设置于所述通气管路上且位于所述冷却器和回收接口之间。该装置可以实现长半衰期惰性气体Kr-85(半衰期10.7a)的在线实时检测，而且通气管路的回收可以避免可能的放射性气体外漏，冷却器可以避免高温气体损坏仪器。然而，该乏燃料组件破损检测装置只能用于老式的乏燃料转运容器(常压运输)，不能测量新型的乏燃料转运容器(抽真空负压运输)内的组件破损情况，且其气体处理部分只有冷却装置，不能去除乏燃料运输容器内气体中的氙、碘和极性分子，容易影响最终的探测测量结果而造成误判。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种乏燃料组件破损检测系统及方法，该方法不受乏燃料存放环境和时间的限制，检测灵敏度高。
本发明的技术方案如下：
一种乏燃料组件破损检测系统，包括能够与乏燃料转运容器的出气口连接的快速转接头，快速转接头另一端连接除碘除氙装置，除碘除氙装置连接冷却装置，冷却装置连接除尘除水装置，除尘除水装置通过离子捕集器与测量系统连接；所述测量系统包括设置在屏蔽体内的电离室探测器和γ探测器，二者分别通过信号处理单元和多道分析器与计算机系统连接；气体回收装置与所述测量系统连接以回收测量后的气体。
进一步地，上述的乏燃料组件破损检测系统，所述的冷却装置采用压缩机冷却机对待测气体进行快速冷却。
进一步地，上述的乏燃料组件破损检测系统，所述的除尘除水装置前端连接阀门组件，通过冷凝器将待测气体进行汽水分离，并通过滤膜分离吸附待测气体中大于10μm的颗粒物。
进一步地，上述的乏燃料组件破损检测系统，所述的离子捕集器通过在容器壁加高压的方式，将待测气体中的带电离子捕集。
进一步地，上述的乏燃料组件破损检测系统，所述电离室探测器设置在铅屏蔽体内以减少环境γ本底对测量结果的影响；所述电离室探测器和γ探测器呈L型放置，组成测量β和γ的复合探测器。
进一步地，上述的乏燃料组件破损检测系统，γ探测器包括NaI闪烁体、光电倍增管和前置放大器电路。
进一步地，上述的乏燃料组件破损检测系统，电离室为有γ补偿能力的电离室或有α补偿能力的电离室，采用镍丝作为电离室壁，以减少β气体对电离室壁的污染。
进一步地，上述的乏燃料组件破损检测系统，所述多道分析器包括前置放大电路、峰值检测电路、稳峰电路、数字信号处理器、甄别电路、控制电路、A/D转换器和存储器。
进一步地，上述的乏燃料组件破损检测系统，该检测系统通过电离室探测器测量待测气体中的β射线活度，通过γ探测器和多道分析器测量待测气体中的γ射线活度，根据β射线活度和γ射线活度分别计算Kr-85浓度，比较确认测量的有效性。
一种采用上述系统的乏燃料组件破损检测方法，包括：
1)将乏燃料转运容器的出气口接入快速转接头，将氮气充入转运容器的进气口，从出气口抽取转运容器内的一定容量待测气体；
2)将待测气体导入冷却装置进行冷却；
3)通过除尘除水装置将冷却后的待测气体进行汽水分离，并将待测气体中大于10μm的颗粒物分离吸附在滤膜上；
4)通过离子捕集器过滤掉待测气体中的带电离子；
5)将待测气体充入电离室探测器腔体内，测量Kr-85的β射线活度，计算出Kr-85的浓度，根据已知环境中Kr-85的浓度，判断转运容器中的乏燃料组件是否破损。
进一步地，上述的乏燃料组件破损检测方法，还包括：
6)测量Kr-85的γ射线活度，计算出Kr-85的浓度，比较根据β射线活度和γ射线活度分别计算的Kr-85浓度，如果二者误差小于设定的阈值，则认为测量真实有效。
本发明的有益效果如下：
由于Kr-85半衰期长，因此对于Kr-85的测量不受环境限制。并且Kr-85的伴生射线有γ射线和β射线，本发明通过双通道两种不同的核物理测量方法同时确定Kr-85浓度来判断破损，误报率(万分之一)低于Xe-133测量方法100倍左右。
另外，本发明也可以用来测量各种放射性惰性气体，只需要针对不同惰性气体核素重新标定刻度相关测量参数就能完成测量。
经过本发明方法对于其他核素的过滤以及对于环境本地的屏蔽，探测器的最低可探测限可达到370Bq/m3，低于现有同类探测器的10倍。
附图说明
图1为本发明具体实施例中乏燃料组件破损检测系统的工作流程示意图；
图2为本发明具体实施例中乏燃料组件破损检测系统的结构示意图。
上述附图中，1、转运容器；2、除碘除氙装置；3、冷却装置；4、除尘除水装置；5、离子捕集器；6、屏蔽体；7、多道分析器；8、计算机系统；9、气体回收装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种基于测量放射性惰性气体浓度的乏燃料破损快速检测装置的结构如图1、图2所示，由过滤系统、测量系统、计算机及系统分析软件组成。其中，过滤系统包括快速接头、电磁阀、气泵、制冷压缩机、气体快速冷却装置、除尘除水装置、带电离子捕集器，测量系统包括铅屏蔽体、环境放射性气体本底抑制体(探头外部铜铬铝三层金属屏蔽)、电离室探测器、静电计、数据处理报警单元、线性脉冲放大器电子电路、高压电源、基线恢复保持电路、采样保持电路，以及主要由前置放大电路、峰值检测电路、稳峰电路、数字信号处理器、甄别电路、控制电路、A/D转换器和存储器组成的多道分析器。
乏燃料转运容器在转运乏燃料过程中乏燃料自热会将气体温度升高。将乏燃料转运容器出气口接入快速接头后，将氮气或氦气冲入真空状态的转运容器的进气口。本发明针对的是目前新型的乏燃料转运容器，新的乏燃料转运容器相比于之前的乏燃料转运装置采用抽真空负压运输，本发明针对新的乏燃料转运容器设计了PLC控制系统，通过电磁阀给乏燃料转运容器充入氮气或氦气使燃料运输容器恢复常压。抽取乏燃料转运容器内一定容量(3L至3m3)的待测气体，为避免出现降温凝露，将待测气体导入气体快速冷却装置，采用压缩机冷却机在1min内将待测气体降至40℃以下。对待测气体进行一系列处理后进行测量。在除尘除水装置中通过冷凝器将待测气体进行水汽分离，通过10μm的滤膜(自动或手动)将待测气体中大于10μm的颗粒物分离吸附在滤膜上；通过离子捕集器，在电离室(或计数管)筒壁加高压，引导带电离子运动将待测气体中的带电离子捕集。高压电极丝的作用是使待测气体产生正负电荷，在正负电极电荷产生电流，静电计为一种专为电离室探测器配套的电流放大器，其特点是输入阻抗高，放大倍数大，抗干扰能力强，可以对小电流信号进行放大。电离室探测器设置在铅屏蔽体内，通过铅屏蔽减少环境γ本底对测量结果的影响。在测量阶段，通过无窗电离室测量待测气体中的β活度，再计算出Kr-85浓度；通过γ谱仪(多道分析器)测量待测气体中Kr-85的γ活度，再计算出Kr-85浓度。通过电离室和γ谱仪测量结果比较确认测量有效，通过已知环境浓度判断转运容器中的乏燃料组件是否破损。
本发明加入了除氙装置、除碘装置和离子捕集器，过滤掉待测气体中的大部分氙、碘和极性分子，使待测气体中除Kr以外的放射性元素大量减少，提高了测量的准确性。
实施例
本实施方案中，将乏燃料转运容器的待测气体进行冷却降温、汽水分离、粒子过滤后，再由空气电离室通过β测量和γ谱仪(多道分析器)通过γ测量最终确定Kr-85浓度，并判断是否破损。乏燃料转运容器为内部直径1605mm，高4500mm的柱体，内部挂件和内壁距离为2mm，内部支撑结构包含21个正方形方格，正方形方格内边长223mm，外边长225mm。内部注水后抽真空充入氦气，压强为标准大气压，内部材料最高耐温250℃，乏燃料在装入转运容器后温度为50℃。其主要成分Pu和U元素自发裂变产生热量，经过运输抵达目的地时乏燃料温度预计在100℃以内。
具体流程如下：
S1，将乏燃料转运容器通过快速接头1与除碘除氙装置2连接后，对乏燃料转运容器的进气口充氮气。将乏燃料转运容器的待测气体经过除碘除氙装置2去除大部分碘和氙后通入快速冷却装置3，利用压缩机冷却机并通过结构优化设计增加待测气体与冷却机的接触面积，可在1分钟内将乏燃料转运容器内100℃以内的气体温度降至40℃。
S2，通过阀门及除尘除水装置4，将待测气体中的水汽进行分离，并用10μm的滤膜(自动或手动定期更换滤膜)将待测气体中大于10μm的颗粒物分离吸附在滤膜上，过滤掉10μm以上的颗粒物。待测气体中小于10μm的颗粒物则可顺利通过。
S3，待测空气中仅剩小于10μm的颗粒物。待测气体再经过由常压空气电离室改造的离子捕集器5(可通过在容器筒壁加高压的方式，将带电离子全部富集在正负极)，过滤其他可对测量结果产生干扰的带电离子。待测气体中仅剩氪、氡等惰性气体。
S4，将待测气体通入被铅屏蔽(均匀厚度2至15cm的铅室)包裹的电离室腔体(即图中的屏蔽体6)。铅屏蔽用于减少环境γ本底对测量结果的影响。
S5，将待测气体充入电离室腔体内部，测量其β(85Kr)活度水平，再通过计算机系统计算出Kr-85浓度。测完的气体通过气体回收装置9回收。
85Kr和空气在电离室高压电场作用下产生电离效应，得到正比于剂量浓度的离子对，将这些离子引出得到电离电流，此电流与浓度成正比关系。85Kr在电离室的测量室内与空气作用，产生正负离子对，在高压电场作用下，在电离室的收集极产生定量电荷，将电荷通过导线引出，形成电离电流，电离电流经过弱电流放大，变成能够用普通方法进行测试的电压信号。探测器用标准的85Kr气体进行标定，通过标定结果确定电信号与Kr-85浓度的关系。
为对γ射线进行补偿，可设计为有γ补偿能力的电离室，如并列电离室、底对底电离室、同轴电离室等；为对α射线(氡气)进行补偿，可设计为有α补偿能力的电离室；为了减小因电离室壁污染产生的记忆效应，可采用镍丝作为电离室壁，通过减小表面积的方法以减少β气体对电离室壁的污染。
S6，将电离室内的测量腔体设置为一个带圆柱形(直径φ＝20至φ＝100)凹槽的容器。将空心开口圆柱形闪烁体晶体(晶体为NaI或CsI、溴化镧，CZT(碲锌镉))置于其中，连接光电倍增管(灵敏度大于1000,增益106以上)。当Kr-85所产生的γ射线与晶体反应后发出的光子，经过光电转换输出为脉冲信号，脉冲信号进入多道分析器7(主要由前置放大电路、峰值检测电路、稳峰电路、数字信号处理器、甄别电路、控制电路、A/D转换器和存储器组成，存贮器：256、512、1024、2048道)。根据各种不同能量的粒子相对强度分布，把它对应能量E作为横坐标，单位时间内测到的射线粒子数作为纵坐标绘制一条曲线，根据这条曲线，可以看到一定范围内不同的能量粒子所占的百分比，如果线性放大器的输出为0至10V，按脉冲高度分成1000级就是每道宽度0.01V，这样就可以测出整个谱形。转化后按高度大小转换成与脉高成正比的数字输出，可以同时对不同幅度的脉冲计数，根据数据库中的核素识别、寻峰功能可以得到Kr-85所产生的γ活度。再根据Kr-85γ射线所占活度比，以及气体流量确定出Kr-85的浓度。
S7，将电离室测量Kr-85的β射线活度所计算出的Kr-85浓度值与γ谱仪(多道分析器)所测量Kr-85的γ射线活度所计算出的Kr-85浓度值相比较，如计算小于误差15％，即认为真实有效。
S8，通过已知环境浓度，判断转运容器中的乏燃料组件是否破损。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (11)
1.一种乏燃料组件破损检测系统，其特征在于，包括能够与乏燃料转运容器的出气口连接的快速转接头，快速转接头另一端连接除碘除氙装置，除碘除氙装置连接冷却装置，冷却装置连接除尘除水装置，除尘除水装置通过离子捕集器与测量系统连接；所述测量系统包括设置在屏蔽体内的电离室探测器和γ探测器，二者分别通过信号处理单元和多道分析器与计算机系统连接；气体回收装置与所述测量系统连接以回收测量后的气体。
2.如权利要求1所述的乏燃料组件破损检测系统，其特征在于，所述的冷却装置采用压缩机冷却机对待测气体进行快速冷却。
3.如权利要求1所述的乏燃料组件破损检测系统，其特征在于，所述的除尘除水装置前端连接阀门组件，通过冷凝器将待测气体进行汽水分离，并通过滤膜分离吸附待测气体中大于10μm的颗粒物。
4.如权利要求1所述的乏燃料组件破损检测系统，其特征在于，所述的离子捕集器通过在容器壁加高压的方式，将待测气体中的带电离子捕集。
5.如权利要求1所述的乏燃料组件破损检测系统，其特征在于，所述电离室探测器设置在铅屏蔽体内以减少环境γ本底对测量结果的影响；所述电离室探测器和γ探测器呈L型放置，组成测量β和γ的复合探测器。
6.如权利要求5所述的乏燃料组件破损检测系统，其特征在于，γ探测器包括NaI闪烁体、光电倍增管和前置放大器电路。
7.如权利要求6所述的乏燃料组件破损检测系统，其特征在于，电离室为有γ补偿能力的电离室或有α补偿能力的电离室，采用镍丝作为电离室壁，以减少β气体对电离室壁的污染。
8.如权利要求1-7任一所述的乏燃料组件破损检测系统，其特征在于，所述多道分析器包括前置放大电路、峰值检测电路、稳峰电路、数字信号处理器、甄别电路、控制电路、A/D转换器和存储器。
9.如权利要求1所述的乏燃料组件破损检测系统，其特征在于，该检测系统通过电离室探测器测量待测气体中的β射线活度，通过γ探测器和多道分析器测量待测气体中的γ射线活度，根据β射线活度和γ射线活度分别计算Kr-85浓度，比较确认测量的有效性。
10.一种采用权利要求1-9中任意一项所述系统的乏燃料组件破损检测方法，其特征在于，包括：
1)将乏燃料转运容器的出气口接入快速转接头，将氮气充入转运容器的进气口，从出气口抽取转运容器内的一定容量待测气体；
2)将待测气体导入冷却装置进行冷却；
3)通过除尘除水装置将冷却后的待测气体进行汽水分离，并将待测气体中大于10μm的颗粒物分离吸附在滤膜上；
4)通过离子捕集器过滤掉待测气体中的带电离子；
5)将待测气体充入电离室探测器腔体内，测量Kr-85的β射线活度，计算出Kr-85的浓度，根据已知环境中Kr-85的浓度，判断转运容器中的乏燃料组件是否破损。
11.如权利要求10所述的乏燃料组件破损检测方法，其特征在于，还包括：
6)测量Kr-85的γ射线活度，计算出Kr-85的浓度，比较根据β射线活度和γ射线活度分别计算的Kr-85浓度，如果二者误差小于设定的阈值，则认为测量真实有效。
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| CN104934084A (zh) * | 2015-04-27 | 2015-09-23 | 中广核工程有限公司 | 一种核电站燃料元件包壳破损监测方法及系统 |
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