CN113851237B - 一种核燃料棒PuO2丰度在线检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种核燃料棒PuO2丰度在线检测方法及系统，检测方法包括：PuO2丰度探测器探测待检核燃料棒中的待测芯块内的PuO2发射的γ射线，并转换为第一电信号输出，信号采集处理单元接收PuO2丰度探测器输出的第一电信号，并对其进行处理，以得到与能量在85keV‑129keV或284keV‑464keV区间内的γ射线对应的第一脉冲计数值，并根据其内存储的脉冲计数值与PuO2含量的关系式，计算与第一脉冲计数值对应的PuO2含量。本发明可以准确的建立Pu O2含量和计数值之间的关系，从而可以快速准确实现核燃料棒内MOX芯块段PuO2平均含量的在线检测。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种核燃料棒PuO2丰度在线检测方法及系统。
背景技术
MOX(metal oxide，金属氧化物)核燃料为UO2和PuO2的混合氧化物，核燃料中PuO2材料由五种钚同位素(238Pu，239Pu，240Pu，24lPu，242Pu)和24lAm(24lPu的衰变产物)组成。
典型的MOX核燃料棒1(如图1所示)由密封燃料棒的上端塞2、下端塞8、包壳(45)管4，结构件弹簧3、垫块6，容纳裂变气体的空腔7以及MOX芯块9和贫铀芯块5组成。同一根MOX燃料棒中一般装有三到五种不同PuO2含量的MOX芯块，不同PuO2含量的MOX芯块沿燃料棒的轴向方向间隔排列。
MOX核燃料棒中最关键的质量控制要求是核燃料棒内排列的每个MOX芯块的PuO2含量必须符合设计要求，这决定了反应堆的额定功率。
为了保证装载完成的MOX燃料棒中每个MOX芯块的排布序列和PuO2含量满足设计要求，生产线提出对每根燃料棒中MOX芯块的PuO2平均含量和芯块排列中是否混入其它异常芯块(含量不符合要求的MOX芯块和贫铀芯块)进行100％在线测量。目前国内尚未有相关装置和检测方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种核燃料棒PuO2丰度在线检测方法，能够实现核燃料棒内MOX芯块段PuO2平均含量的在线快速检测。还相应提供一种实现该检测方法的系统。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种核燃料棒PuO2丰度在线检测方法，包括：
PuO2丰度探测器探测待检核燃料棒中的待测芯块内的PuO2发射的γ射线，并转换为第一电信号输出，
信号采集处理单元接收PuO2丰度探测器输出的第一电信号，并对其进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的γ射线对应的第一脉冲计数值，并根据其内存储的脉冲计数值与PuO2含量的关系式，计算与所述第一脉冲计数值对应的PuO2含量。
可选地，信号采集处理单元还计算所述第一脉冲计数值与待检核燃料棒内待测芯块对应的基体芯块所对应的脉冲计数值的差值，设其为待测脉冲差值，并根据其内存储的脉冲差值与PuO2含量差值的关系式，计算所述待测脉冲差值对应的PuO2含量差值。
可选地，还包括：
PuO2丰度探测器依次探测多个基体芯块内的PuO2发射的γ射线，并相应转换为多个第二电信号输出，设基体芯块的PuO2含量为标准含量值，多个基体芯块所对应的标准含量值依次递增，
信号采集处理单元依次接收PuO2丰度探测器输出的多个第二电信号，并对多个第二电信号进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的多个γ射线一一对应的多个第二脉冲计数值，将多个第二脉冲计数值和与多个第二脉冲计数值一一对应的标准含量值代入式(1)，
Ex＝a1×Cx+b1 (1)
Ex：标准含量值；
Cx：第二脉冲计数值；
a1、b1：常数；
经线性拟合得到a1和b1，从而得到所述脉冲计数值与PuO2含量的关系式。
可选地，还包括：
PuO2丰度探测器依次探测多个异样芯块内的PuO2发射的γ射线，并相应转换为多个第三电信号输出，设异样芯块与其中一个基体芯块的PuO2含量的差值为标准含量差值，多个异样芯块所对应的标准含量差值依次递增，
信号采集处理单元依次接收PuO2丰度探测器输出的多个第三电信号，并对多个第三电信号进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的多个γ射线一一对应的多个第三脉冲计数值，计算多个第三脉冲计数值与基体芯块对应的第二脉冲计数值的差值，得到多个标准脉冲差值，将多个标准脉冲差值和与多个标准脉冲差值一一对应的标准含量差值代入式(2)，
Ew＝a2×Cw+b2 (2)
Ew：标准含量差值；
Cw：标准脉冲差值；
a2、b2：常数。
经线性拟合得到a2和b2，从而得到脉冲差值与PuO2含量差值的关系式。
本发明还提供一种核燃料棒PuO2丰度在线检测系统，包括：PuO2丰度探测器和信号采集处理单元，
PuO2丰度探测器用于探测待检核燃料棒中的待测芯块内的PuO2发射的γ射线，并转换为第一电信号输出，
信号采集处理单元用于接收PuO2丰度探测器输出的第一电信号，并对其进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的γ射线对应的第一脉冲计数值，并根据其内存储的脉冲计数值与PuO2含量的关系式，计算与所述第一脉冲计数值对应的PuO2含量。
可选地，所述信号采集处理单元还用于计算所述第一脉冲计数值与待检核燃料棒内待测芯块对应的基体芯块所对应的脉冲计数值的差值，设其为待测脉冲差值，并根据其内存储的脉冲差值与PuO2含量差值的关系式，计算所述待测脉冲差值对应的PuO2含量差值。
可选地，PuO2丰度探测器还用于依次探测多个基体芯块内的PuO2发射的γ射线，并相应转换为多个第二电信号输出，设基体芯块的PuO2含量为标准含量值，多个基体芯块所对应的标准含量值依次递增，
信号采集处理单元还用于依次接收PuO2丰度探测器输出的多个第二电信号，并对多个第二电信号进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的多个γ射线一一对应的多个第二脉冲计数值，将多个第二脉冲计数值和与多个第二脉冲计数值一一对应的标准含量值代入式(1)，
Ex＝a1×Cx+b1 (1)
Ex：标准含量值；
Cx：第二脉冲计数值；
a1、b1：常数；
经线性拟合得到a1和b1，从而得到所述脉冲计数值与PuO2含量的关系式。
可选地，PuO2丰度探测器还用于依次探测多个异样芯块内的PuO2发射的γ射线，并相应转换为多个第三电信号输出，设异样芯块与其中一个基体芯块的PuO2含量的差值为标准含量差值，多个异样芯块所对应的标准含量差值依次递增，
信号采集处理单元还用于依次接收PuO2丰度探测器输出的多个第三电信号，并对多个第三电信号进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的多个γ射线一一对应的多个第三脉冲计数值，计算多个第三脉冲计数值与基体芯块对应的第二脉冲计数值的差值，得到多个标准脉冲差值，将多个标准脉冲差值和与多个标准脉冲差值一一对应的标准含量差值代入式(2)，
Ew＝a2×Cw+b2 (2)
Ew：标准含量差值；
Cw：标准脉冲差值；
a2、b2：常数。
经线性拟合得到a2和b2，从而得到脉冲差值与PuO2含量差值的关系式。
可选地，还包括驱动装置，
所述驱动装置用于驱动待检核燃料棒通过PuO2丰度探测器；
多个基体芯块设于多个第一标准核燃料棒中，驱动装置还用于驱动多个第一标准核燃料棒依次通过PuO2丰度探测器，
或，多个基体芯块设于同一根第一标准核燃料棒中，且沿第一标准核燃料棒的长度方向依次排列，驱动装置还用于驱动第一标准核燃料棒通过PuO2丰度探测器；
多个异样芯块设于多个第二标准核燃料棒中，驱动装置还用于驱动多个第二标准核燃料棒依次通过PuO2丰度探测器，
或，多个异样芯块设于同一根第二标准核燃料棒中，且沿第二标准核燃料棒的长度方向依次排列，驱动装置还用于驱动第二标准核燃料棒通过PuO2丰度探测器。
可选地，所述PuO2丰度探测器准直体和探测器本体，所述探测器本体设于准直体上；
所述准直体上开设有检测通孔和准直缝，所述检测通孔用于供核燃料棒穿过，所述准直缝的一端与检测通孔相通，另一端延伸至准直体与探测器本体的相接处；
所述探测器本体用于探测核燃料棒中MOX芯块内PuO2发射的γ射线，并转换为电信号输出；
所述核燃料棒的直径为6mm，所述检测通孔的孔径为7-12mm，所述准直缝的长为8-16mm，宽为5.5-6mm，高为20-40mm。
可选地，所述探测器本体包括闪烁体和光电转换器，
所述闪烁体与准直体相连，用于探测核燃料棒相应MOX芯块内PuO2发射的γ射线，
所述光电转换器与闪烁体远离准直缝的一端相连，用于将γ射线信号转换为电信号输出。
可选地，所述探测器本体还包括包壳，
所述闪烁体和光电转换器均设于包壳中，所述包壳的内壁与闪烁体之间设有反光材料层。
可选地，所述准直体与探测器本体的相接处开设有安装槽，所述安装槽用于安装探测器本体。
可选地，还包括导向机构，所述导向机构设于驱动辊组件和核燃料棒PuO2探测器之间；所述导向机构具有与检测通孔同轴布置的导向通孔，所述导向通孔的孔径与核燃料棒的外径相适配。
可选地，还包括读码器，所述读码器设于核燃料棒周边，所述读码器与信号采集处理单元电连接，用于获取核燃料棒的身份信息并传输给信号采集处理单元。
可选地，还包括传感器，所述传感器包括感应器和感应片，
所述感应片设于核燃料棒上，
所述感应器设于核燃料棒周边并靠近核燃料棒PuO2探测器，且与信号采集处理单元电连接，
所述驱动装置驱动核燃料棒运行至感应片与感应器对应时触发所述感应器，以使感应器获取核燃料棒的位置信息并传输给信号采集处理单元。
本发明的待测对象的核素组成复杂，芯块中含有Pu、241Am、U等多种放射性元素核素，且各元素含量之间没有关联性。为了保证检测效率，只能采用分辨率较差的闪烁体探测器。但实践表明，经过探测器对能谱的展宽后，241Am、U的特征伽马谱会与Pu同位素的特征γ射线叠加在一起导致无法区分。由此，申请人只能依据MOX芯块的理论成分，通过理论模拟出MOX芯块的射线被闪烁体探测器探测后的能谱图像，以确定合适的能量峰作为探测对象。再通过实践摸索和理论计算，最终确定85keV-129keV和284-464keV区间内的计数只与239Pu的含量有关，与241Am、U完全无关，可以排除掉241Am、U含量变化带来的计数影响。因此，最终85keV-129keV和284-464keV是比较合适的能量峰区间，可以准确的建立Pu含量和计数值之间的关系。实践表明，本发明的单个探测器对MOX核燃料棒(PuO2含量为25％时)的检测速度好于0.5m/min，在99.7％的置信度下，MOX芯块段PuO2含量测量误差好于±0.5％wt；而采用多个探测器串联或并行测量，则能获得更高的检测速度。
附图说明
图1为MOX核燃料棒的结构示意图；
图2为本发明实施例2提供的核燃料棒无源在线检测系统除信号采集处理单元的结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的核燃料棒无源在线检测系统中信号采集处理单元的组成及连接关系图；
图4为图2中的A-A剖面图；
图5为图2中的B-B剖面图；
图6为本发明得到的核燃料棒MOX芯块释放γ射线能谱图；
图7为本发明得到的85keV-129keV区间的γ射线强度与PuO2含量的关系曲线；
图8为本发明得到的284keV-464keV区间的γ射线强度与PuO2含量的关系曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、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。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种核燃料棒PuO2丰度在线检测方法，包括：
PuO2丰度探测器探测待检核燃料棒中的待测芯块内的PuO2发射的γ射线，并转换为第一电信号输出，
信号采集处理单元接收PuO2丰度探测器输出的第一电信号，并对其进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的γ射线对应的第一脉冲计数值，并根据其内存储的脉冲计数值与PuO2含量的关系式，计算与所述第一脉冲计数值对应的PuO2含量。
本发明还提供一种核燃料棒PuO2丰度在线检测系统，包括：PuO2丰度探测器和信号采集处理单元，
PuO2丰度探测器用于探测待检核燃料棒中的待测芯块内的PuO2发射的γ射线，并转换为第一电信号输出，
信号采集处理单元用于接收PuO2丰度探测器输出的第一电信号，并对其进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的γ射线对应的第一脉冲计数值，并根据其内存储的脉冲计数值与PuO2含量的关系式，计算与所述第一脉冲计数值对应的PuO2含量。
实施例1：
本实施例提供一种核燃料棒PuO2丰度在线检测方法，包括：
PuO2丰度探测器探测待检核燃料棒中的待测芯块内的PuO2发射的γ射线，并转换为第一电信号输出，
信号采集处理单元接收PuO2丰度探测器输出的第一电信号，并对其进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的γ射线对应的第一脉冲计数值，并根据其内存储的脉冲计数值与PuO2含量的关系式，计算与所述第一脉冲计数值对应的PuO2含量。
本发明的难点在于：本项目的待测对象的核素组成复杂，芯块中含有Pu、241Am、U等多种放射性元素核素，且各元素含量之间没有关联性。为了保证检测效率，本发明只能采用分辨率较差的闪烁体探测器。但实践表明，经过探测器对能谱的展宽后，241Am、U的特征伽马谱会与Pu同位素的特征γ射线叠加在一起导致无法区分。由此，申请人只能依据MOX芯块的理论成分，通过理论模拟出MOX芯块的射线被闪烁体探测器探测后的能谱图像，如图6所示，以确定合适的能量峰作为探测对象。再通过实践摸索和理论计算，最终确定85keV-129keV和284-464keV区间内的计数只与239Pu的含量有关，与241Am、U完全无关，可以排除掉241Am、U含量变化带来的计数影响。因此，最终85keV-129keV和284keV-464keV是比较合适的能量峰区间，可以准确的建立Pu含量和计数值之间的关系。实践表明，本发明的单个探测器对MOX核燃料棒(PuO2含量为25％时)的检测速度好于0.5m/min，在99.7％的置信度下，MOX芯块段PuO2含量测量误差好于±0.5％wt；而采用多个探测器串联或并行测量，则能获得更高的检测速度。
本实施例中，信号采集处理单元还计算所述第一脉冲计数值与待检核燃料棒内待测芯块对应的基体芯块所对应的脉冲计数值的差值，设其为待测脉冲差值，并根据其内存储的脉冲差值与PuO2含量差值的关系式，计算所述待测脉冲差值对应的PuO2含量差值，由此能够实现异常芯块混入的在线快速检测。
本实施例的检测方法还包括：
PuO2丰度探测器依次探测多个基体芯块内的PuO2发射的γ射线，并相应转换为多个第二电信号输出，设基体芯块的PuO2含量为标准含量值，多个基体芯块所对应的标准含量值依次递增，
信号采集处理单元依次接收PuO2丰度探测器输出的多个第二电信号，并对多个第二电信号进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的多个γ射线一一对应的多个第二脉冲计数值，将多个第二脉冲计数值和与多个第二脉冲计数值一一对应的标准含量值代入式(1)，
Ex＝a1×Cx+b1 (1)
Ex：标准含量值；
Cx：第二脉冲计数值；
a1、b1：常数；
经线性拟合得到a1和b1，从而得到所述脉冲计数值与PuO2含量的关系式。
本实施例中，能量在85keV-129keV区间内的脉冲计数值与PuO2含量的关系曲线如图7所示，采用最小二乘法进行线性拟合即可得到相应的a1和b1。能量在284keV-464keV区间内脉冲计数值与PuO2含量的关系曲线如图8所示，采用最小二乘法进行线性拟合即可得到相应的a1和b1。
本实施例的检测方法还包括：
PuO2丰度探测器依次探测多个异样芯块内的PuO2发射的γ射线，并相应转换为多个第三电信号输出，设异样芯块与其中一个基体芯块的PuO2含量的差值为标准含量差值，多个异样芯块所对应的标准含量差值依次递增，
信号采集处理单元依次接收PuO2丰度探测器输出的多个第三电信号，并对多个第三电信号进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的多个γ射线一一对应的多个第三脉冲计数值，计算多个第三脉冲计数值与基体芯块对应的第二脉冲计数值的差值，得到多个标准脉冲差值，将多个标准脉冲差值和与多个标准脉冲差值一一对应的标准含量差值代入式(2)，
Ew＝a2×Cw+b2 (2)
Ew：标准含量差值；
Cw：标准脉冲差值；
a2、b2：常数。
经线性拟合得到a2和b2，从而得到脉冲差值与PuO2含量差值的关系式。
可见，本发明的检测方法完整、实用，可结合MOX核燃料棒生产线的实际情况进行结构设计，并易于实现。
实施例2：
本实施例提供一种核燃料棒PuO2丰度在线检测系统，如图2和3所示，包括：PuO2丰度探测器和信号采集处理单元，
PuO2丰度探测器用于探测待检核燃料棒中的待测芯块内的PuO2发射的γ射线，并转换为第一电信号输出，
信号采集处理单元用于接收PuO2丰度探测器输出的第一电信号，并对其进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的γ射线对应的第一脉冲计数值，并根据其内存储的脉冲计数值与PuO2含量的关系式，计算与所述第一脉冲计数值对应的PuO2含量。
本实施例中，信号采集处理单元还用于计算所述第一脉冲计数值与待检核燃料棒内待测芯块对应的基体芯块所对应的脉冲计数值的差值，设其为待测脉冲差值，并根据其内存储的脉冲差值与PuO2含量差值的关系式，计算所述待测脉冲差值对应的PuO2含量差值。
本实施例中，PuO2丰度探测器还用于依次探测多个基体芯块内的PuO2发射的γ射线，并相应转换为多个第二电信号输出，设基体芯块的PuO2含量为标准含量值，多个基体芯块所对应的标准含量值依次递增，
信号采集处理单元还用于依次接收PuO2丰度探测器输出的多个第二电信号，并对多个第二电信号进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的多个γ射线一一对应的多个第二脉冲计数值，将多个第二脉冲计数值和与多个第二脉冲计数值一一对应的标准含量值代入式(1)，
Ex＝a1×Cx+b1 (1)
Ex：标准含量值；
Cx：第二脉冲计数值；
a1、b1：常数；
经线性拟合得到a1和b1，从而得到所述脉冲计数值与PuO2含量的关系式。
本实施例中，PuO2丰度探测器还用于依次探测多个异样芯块内的PuO2发射的γ射线，并相应转换为多个第三电信号输出，设异样芯块与其中一个基体芯块的PuO2含量的差值为标准含量差值，多个异样芯块所对应的标准含量差值依次递增，
信号采集处理单元还用于依次接收PuO2丰度探测器输出的多个第三电信号，并对多个第三电信号进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的多个γ射线一一对应的多个第三脉冲计数值，计算多个第三脉冲计数值与基体芯块对应的第二脉冲计数值的差值，得到多个标准脉冲差值，将多个标准脉冲差值和与多个标准脉冲差值一一对应的标准含量差值代入式(2)，
Ew＝a2×Cw+b2 (2)
Ew：标准含量差值；
Cw：标准脉冲差值；
a2、b2：常数。
经线性拟合得到a2和b2，从而得到脉冲差值与PuO2含量差值的关系式。
本实施例中，还包括驱动装置，
驱动装置用于驱动待检核燃料棒通过PuO2丰度探测器；
多个基体芯块设于多个第一标准核燃料棒中，驱动装置还用于驱动多个第一标准核燃料棒依次通过PuO2丰度探测器，
或，多个基体芯块设于同一根第一标准核燃料棒中，且沿第一标准核燃料棒的长度方向依次排列，驱动装置还用于驱动第一标准核燃料棒通过PuO2丰度探测器；
多个异样芯块设于多个第二标准核燃料棒中，驱动装置还用于驱动多个第二标准核燃料棒依次通过PuO2丰度探测器，
或，多个异样芯块设于同一根第二标准核燃料棒中，且沿第二标准核燃料棒的长度方向依次排列，驱动装置还用于驱动第二标准核燃料棒通过PuO2丰度探测器。
本实施例中，如图4和图5所示，PuO2丰度探测器14包括准直体44(材质为W)和探测器本体，探测器本体设于准直体44上；
准直体44上开设有检测通孔441和准直缝442，检测通孔441用于供核燃料棒穿过，准直缝442的一端与检测通孔441相通，另一端延伸至准直体44与探测器本体的相接处；
探测器本体用于探测核燃料棒中MOX芯块内PuO2发射的γ射线，并转换为电信号输出。
准直缝尺寸必须与核燃料芯块尺寸和MOX芯块的PuO2发射的伽马射线能量匹配。并且，模拟计算时还需要尝试不同的准直孔尺寸，从而确定探测的模型。
本实施例中，经实践摸索和理论计算，核燃料棒的直径为6mm，检测通孔441的孔径为7-12mm，准直缝的长为8-16mm，宽为5.5-6mm，高为20-40mm。
本实施例的核燃料棒PuO2丰度在线检测系统还包括读码器12、传感器和导向机构15。
驱动装置包括至少一组驱动辊组件，驱动辊组件包括两个驱动辊，两个驱动辊均设于PuO2丰度探测器14沿检测通孔441轴向方向的一侧，两个驱动辊分设于核燃料棒径向方向的两侧，两个驱动辊的中心轴线平行设置且旋转方向相反，两个驱动辊之间的间距与核燃料棒的直径相适配。由此，驱动装置可驱动核燃料棒以匀速或步进通过准直体44上的检测通孔441。
本实施例中，驱动辊组件包括两组，具体为前端驱动组件10和后端驱动组件11，两组驱动辊组件分设于PuO2丰度探测器14沿检测通孔441轴向方向的两侧。
本实施例中，导向机构15设有两个，两个导向机构15分设于PuO2丰度探测器14沿检测通孔441轴向方向的两侧，且靠近检测通孔441的孔口设置。导向机构15具有与检测通孔441同轴布置的导向通孔，导向通孔的孔径与核燃料棒的外径相适配。导向机构15用于核燃料棒1在PuO2丰度探测器14中的限位。要求燃料棒1与PuO2丰度探测器14的垂直距离变化尽量小，所以核燃料棒1的机械引导件必须精确。
本实施例中，读码器12设于核燃料棒径向方向的一侧，读码器12与信号采集处理单元电连接，读码器12用于获取进入PuO2丰度探测器14内的核燃料棒的身份信息并传输给信号采集处理单元。
本实施例中，传感器包括感应器13和感应片，感应片设于核燃料棒上，感应器13设于核燃料棒周边并靠近PuO2丰度探测器14，感应器13与信号采集处理单元电连接。感应器13设有两个，两个感应器13分设于PuO2丰度探测器14沿检测通孔441轴向方向的两侧，其中，靠近检测通孔441入口处的感应器13对应核燃料棒到达检测开始位置的信息，靠近检测通孔441出口处的感应器13对应核燃料棒到达结束位置的信息。
驱动装置驱动核燃料棒运行至感应片与感应器13对应时触发所述感应器13，以使感应器13获取核燃料棒的位置信息并传输给信号采集处理单元。具体地，当感应片与检测通孔441入口处的感应器13触发时，信号采集处理单元获取核燃料棒到达检测开始位置的信息，进而控制PuO2丰度探测器14开始工作。当感应片与检测通孔441出口处的感应器13触发时，信号采集处理单元获取核燃料棒到达检测结束位置的信息，进而控制PuO2丰度探测器14停止工作。
此外，在图1基础上通过增加核燃料棒1的上下料机构、自动分选机构，即可在生产线上配合不同的生产岗位完成自动在线测量。
为了满足生核燃料棒产线上更高检测速度的要求，每组可以采用多个探测器本体串联或并联在一起同时测量，每组探测器本体的多个探测器本体在准直体44上沿检测通孔441的周向方向间隔布置。由此，可实现核燃料棒1中某个MOX芯块不同位置PuO2丰度的检测以及异常芯块的检测。考虑设备安装空间问题，每组探测器本体并联同时测量的数量不应超过4个，为沿燃料棒周向方向呈90°间隔分布，每组探测器本体串联同时测量的数量则不受限制。
为实现同一根第一标准核燃料棒上多个基体芯块或同一根第二标准核燃料棒上多个异样芯块(尤其是基体芯块和异样芯块)的快速检测，可以在准直体44上沿核燃料棒长度方向依次设置多组探测器本体。
本实施例中，探测器本体包括包壳45(材料为不锈钢)，以及包裹于包壳45内的闪烁体41和光电转换器42，光电转换器42连接于闪烁体41远离准直缝442的一端，闪烁体41用于探测核燃料棒内Pu元素发射的γ射线，闪烁体材料选自NaI(Tl)闪烁晶体、CsI(Tl)闪烁晶体、LaBr3(Ce)闪烁晶体、BGO闪烁晶体和CdZnTe闪烁晶体中的一种，这些闪烁晶体均为本领域非常成熟且常用的闪烁晶体。光电转换器42用于将γ射线信号转换为电信号输出，光电转换器42优选为光电倍增管。
此外，包壳45的内壁与闪烁体41对应的位置设有反光材料层43，用于提高光信号的收集效率。
本实施例中，准直体44与探测器本体对应的位置朝向准直体44内凹陷形成用于安装探测器本体的安装槽，以使包壳45部分嵌入在准直体44的内部，以便于包壳45的安装定位。如果选用多个探测器本体串联或并联在一起同时测量，安装槽的槽深大于或等于闪烁体41沿检测通孔441径向方向的高度，从而最大程度屏蔽准直体44上其他探测器本体的闪烁体对该探测器本体的影响。
信号采集处理单元用于将PuO2丰度探测器14输出的核燃料棒1在轴向不同位置的γ射线光电转换信号进行采集、调节和处理计算。如图5所示，信号采集处理单元包括与光电转换器42依次连接的信号前置放大器50、信号主放大器51、多道脉冲幅度分析器52、单道脉冲幅度道分析器53、数据采集卡54、计算机接口55和计算机56，分别用于信号初级放大，信号整形和再次放大，信号幅度甄别，有用信号选择，数字信号转换以及数据采集、分析和处理。PuO2丰度探测器14(NaI探测器)对于γ信号的输出幅值一般为0.3-0.5V，因此一般信号前置放大器50、信号主放大器51工作参数在5-20倍之间较为合适。
通过理论计算获得的能谱分为四个峰段：41.1keV-82.0keV、85keV-129keV、134keV-212keV、284keV-464keV，如图6所示。多道脉冲幅度分析器52用于得到核燃料棒MOX芯块释放γ射线能谱图。
单道脉冲幅度分析器53主要用于选定核燃料棒MOX芯块中Pu元素释放γ射线特征峰独立的能量区域。为了避开核燃料棒芯块中放射性杂质和环境本底的辐射干扰影响，将有用数据传输给数据采集卡，能区选择范围定为284keV-464keV或85keV-129keV。单道脉冲幅度分析器53以该能量范围设置上下阈值(上下阈值可以通过脉冲幅度分析仪直接调节得到)。其主要包括上阈值甄别器、下阈值甄别器和异或门逻辑电路组成。
上甄别器将相应电压信号中各脉冲值与预设的上阈值进行比较，高于上阈值输出高电平信号，低于上阈值输出低电平信号；下甄别器将相应电压信号中各脉冲值与预设的下阈值进行比较，高于下阈值输出高电平信号，低于下阈值输出低电平信号；异或门电路对上阈值甄别器输出和下阈值甄别器输出进行异或处理，得到TTL电平输出。
数据采集卡54采集相应甄别后的数字电平信号中的脉冲个数，并将计数值通过计算机接口55发送给计算机56。
计算机56实施在线测量的核心内容是对采集信号进行计算和/或处理，并对结果实施图形显示，以方便生产线了解核燃料棒1内的核燃料芯块装载情况。计算机56是整个在线检测装置非常重要的组成部分，通过将数据采集卡54传输过来的信号进行数据分析、处理，给出核燃料棒1不同MOX芯块段的PuO2平均含量测量结果和异常芯块的混料信息，也可以根据用户需求，实现测量数据显示、结果显示、数据存储、数据查询和本岗位与生产线的信息化管理等功能。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种核燃料棒PuO2丰度在线检测方法，其特征在于，包括：
PuO2丰度探测器探测待检核燃料棒中的待测芯块内的PuO2发射的γ射线，并转换为第一电信号输出，
信号采集处理单元接收PuO2丰度探测器输出的第一电信号，并对其进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的γ射线对应的第一脉冲计数值，并根据其内存储的脉冲计数值与PuO2含量的关系式，计算与所述第一脉冲计数值对应的PuO2含量；
信号采集处理单元还计算所述第一脉冲计数值与待检核燃料棒内待测芯块对应的基体芯块所对应的脉冲计数值的差值，设其为待测脉冲差值，并根据其内存储的脉冲差值与PuO2含量差值的关系式，计算所述待测脉冲差值对应的PuO2含量差值；
PuO2丰度探测器依次探测多个异样芯块内的PuO2发射的γ射线，并相应转换为多个第三电信号输出，设异样芯块与其中一个基体芯块的PuO2含量的差值为标准含量差值，多个异样芯块所对应的标准含量差值依次递增，
信号采集处理单元依次接收PuO2丰度探测器输出的多个第三电信号，并对多个第三电信号进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的多个γ射线一一对应的多个第三脉冲计数值，计算多个第三脉冲计数值与基体芯块对应的第二脉冲计数值的差值，得到多个标准脉冲差值，将多个标准脉冲差值和与多个标准脉冲差值一一对应的标准含量差值代入式(2)，
Ew＝a2×Cw+b2(2)
Ew：标准含量差值；
Cw：标准脉冲差值；
a2、b2：常数；
经线性拟合得到a2和b2，从而得到脉冲差值与PuO2含量差值的关系式。
2.根据权利要求1所述的核燃料棒PuO2丰度在线检测方法，其特征在于，还包括：
PuO2丰度探测器依次探测多个基体芯块内的PuO2发射的γ射线，并相应转换为多个第二电信号输出，设基体芯块的PuO2含量为标准含量值，多个基体芯块所对应的标准含量值依次递增，
信号采集处理单元依次接收PuO2丰度探测器输出的多个第二电信号，并对多个第二电信号进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的多个γ射线一一对应的多个第二脉冲计数值，将多个第二脉冲计数值和与多个第二脉冲计数值一一对应的标准含量值代入式(1)，
Ex＝a1×Cx+b1(1)
Ex：标准含量值；
Cx：第二脉冲计数值；
a1、b1：常数；
经线性拟合得到a1和b1，从而得到所述脉冲计数值与PuO2含量的关系式。
3.一种核燃料棒PuO2丰度在线检测系统，其特征在于，包括：PuO2丰度探测器和信号采集处理单元，
PuO2丰度探测器用于探测待检核燃料棒中的待测芯块内的PuO2发射的γ射线，并转换为第一电信号输出，
信号采集处理单元用于接收PuO2丰度探测器输出的第一电信号，并对其进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的γ射线对应的第一脉冲计数值，并根据其内存储的脉冲计数值与PuO2含量的关系式，计算与所述第一脉冲计数值对应的PuO2含量；
所述信号采集处理单元还用于计算所述第一脉冲计数值与待检核燃料棒内待测芯块对应的基体芯块所对应的脉冲计数值的差值，设其为待测脉冲差值，并根据其内存储的脉冲差值与PuO2含量差值的关系式，计算所述待测脉冲差值对应的PuO2含量差值；
PuO2丰度探测器还用于依次探测多个异样芯块内的PuO2发射的γ射线，并相应转换为多个第三电信号输出，设异样芯块与其中一个基体芯块的PuO2含量的差值为标准含量差值，多个异样芯块所对应的标准含量差值依次递增，
信号采集处理单元还用于依次接收PuO2丰度探测器输出的多个第三电信号，并对多个第三电信号进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的多个γ射线一一对应的多个第三脉冲计数值，计算多个第三脉冲计数值与基体芯块对应的第二脉冲计数值的差值，得到多个标准脉冲差值，将多个标准脉冲差值和与多个标准脉冲差值一一对应的标准含量差值代入式(2)，
Ew＝a2×Cw+b2(2)
Ew：标准含量差值；
Cw：标准脉冲差值；
a2、b2：常数；
经线性拟合得到a2和b2，从而得到脉冲差值与PuO2含量差值的关系式。
4.根据权利要求3所述的核燃料棒PuO2丰度在线检测系统，其特征在于，
PuO2丰度探测器还用于依次探测多个基体芯块内的PuO2发射的γ射线，并相应转换为多个第二电信号输出，设基体芯块的PuO2含量为标准含量值，多个基体芯块所对应的标准含量值依次递增，
信号采集处理单元还用于依次接收PuO2丰度探测器输出的多个第二电信号，并对多个第二电信号进行处理，以得到与能量在85keV-129keV或284keV-464keV区间内的多个γ射线一一对应的多个第二脉冲计数值，将多个第二脉冲计数值和与多个第二脉冲计数值一一对应的标准含量值代入式(1)，
Ex＝a1×Cx+b1(1)Ex：标准含量值；
Cx：第二脉冲计数值；
a1、b1：常数；
经线性拟合得到a1和b1，从而得到所述脉冲计数值与PuO2含量的关系式。
5.根据权利要求3所述的核燃料棒PuO2丰度在线检测系统，其特征在于，还包括驱动装置，
所述驱动装置用于驱动待检核燃料棒通过PuO2丰度探测器；
多个基体芯块设于多个第一标准核燃料棒中，驱动装置还用于驱动多个第一标准核燃料棒依次通过PuO2丰度探测器，
或，多个基体芯块设于同一根第一标准核燃料棒中，且沿第一标准核燃料棒的长度方向依次排列，驱动装置还用于驱动第一标准核燃料棒通过PuO2丰度探测器；
多个异样芯块设于多个第二标准核燃料棒中，驱动装置还用于驱动多个第二标准核燃料棒依次通过PuO2丰度探测器，
或，多个异样芯块设于同一根第二标准核燃料棒中，且沿第二标准核燃料棒的长度方向依次排列，驱动装置还用于驱动第二标准核燃料棒通过PuO2丰度探测器。
6.根据权利要求3-5任一项所述的核燃料棒PuO2丰度在线检测系统，其特征在于，所述PuO2丰度探测器包括准直体(44)和探测器本体，所述探测器本体设于准直体(44)上；
所述准直体(44)上开设有检测通孔(441)和准直缝(442)，所述检测通孔(441)用于供核燃料棒穿过，所述准直缝(442)的一端与检测通孔(441)相通，另一端延伸至准直体(44)与探测器本体的相接处；
所述探测器本体用于探测核燃料棒中MOX芯块内PuO2发射的γ射线，并转换为电信号输出；
所述核燃料棒的直径为6mm，所述检测通孔(441)的孔径为7-12mm，所述准直缝的长为8-16mm，宽为5.5-6mm，高为20-40mm。
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