CN115327606A - 一种工作气体循环式的源量程中子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工作气体循环式的源量程中子探测器，包括：BF3正比计数管顶部的进气口通过管道依次连接第一回路稳压模块、气体循环驱动装置、气体流量计和第二回路稳压模块后，与底部的出气口连接；气体流量计和第二回路稳压模块之间的管道上并联接入至少一组气库，气库内部被滑动连接的密封模块划分为两组空间，气库在管道方向靠近BF3正比计数管进气口的空间中充满BF3气体。利用密封模块的运动改变两组空间容积的大小，在接收被辐射气体的同时将纯净BF3气体换入源量程中子探测器的管道中，配合备用的多个气库，以工作气体循环的方式减少停堆的时间，从而维持源量程中子探测器的灵敏度和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及中子探测技术领域，具体为一种工作气体循环式的源量程中子探测器。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
反应堆在运行中会产生大量的中子辐射，这些中子的特性与反应堆的运行状态存在关联，通过探测中子可以对反应堆的状态进行判断，并对反应堆进行有效控制，实现上述过程需要堆外中子探测器。
反应堆堆外中子探测器根据其工作所处的辐射场强弱不同，分为源量程、中间量程和功率量程三类。其中，源量程中子探测器所处的辐射场强弱最弱，主要用于启堆、停堆以及低功率运行等工况时的堆外中子通量密度的监测，而源其中子灵敏度在三种探测器中最高的。
源量程探测器主要有BF3正比计数管、3He正比计数管以及涂硼正比计数管等型式。其中涂硼正比计数管对电压稳定性要求较高，难以满足实际需求；而3He正比计数管的成本较高，经济性上具有明显劣势；因此，目前在堆外源量程中子探测器方面，BF3正比计数管相对应用较多。
BF3正比计数管作为堆外源量程中子探测器，其优势在于反应截面高、灵敏度好、成本相对较低、制造成熟度高等，但由于其工作原理是基于核反应法，每次有效核反应将产生一次信号，但也同时将减小探测器中10B的量，因此该探测器高的反应截面和灵敏度同时也代表着其燃耗较高，寿命较短。
现有技术中，需要对源量程中子探测器进行工作气体或者探测器更换，以维持其灵敏度，但会增加停堆时的工作量，导致经济性和发电量降低，使得机组运行成本增高，并且带来了额外的人员受辐照的风险。另外，在部分堆型中，在中子通量密度超过源量程探测器额定工况时，为减小源量程探测器燃耗，需要将探测器移开，这需要在堆外额外设计机械传动结构，进一步提升成本，并使得堆内空间更加复杂。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种工作气体循环式的源量程中子探测器，利用带有可移动式密封模块将气库内部划分为两组空间，其中的一组空间充满纯净BF3气体，另一组空间通过管道接收源量程中子探测器被中子辐射产生组分变化的气体，利用密封模块的运动改变两组空间容积的大小，在接收被辐射气体的同时将纯净BF3气体换入源量程中子探测器的管道中，配合备用的多个气库，以工作气体循环的方式减少停堆的时间，从而维持源量程中子探测器的灵敏度和使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种工作气体循环式的源量程中子探测器，包括BF3正比计数管和气库；
BF3正比计数管顶部的进气口通过管道依次连接第一回路稳压模块、气体循环驱动装置、气体流量计和第二回路稳压模块后，与底部的出气口连接；
气体流量计和第二回路稳压模块之间的管道上并联接入至少一组气库，气库内部被滑动连接的密封模块划分为两组空间，气库在管道方向靠近BF3正比计数管进气口的空间中充满BF3气体。
气库两端分别通过气路阀门与气体流量计和第二回路稳压模块之间的管道并联连接。
BF3正比计数管竖直布置且位于反应堆外侧，与BF3正比计数管连接的管道穿过反应堆安全壳。
通过管道连接的气体循环驱动装置、气体流量计、两组回路稳压模块、气库和气路阀门均位于安全壳外。
气库包括外壳和位于外壳内部与外壳滑动连接的密封模块，密封模块将气库内部划分为彼此独立的第一空间和第二空间，其中一组空间内充满纯净BF3气体。
第一空间通过管道与BF3正比计数管的进气口连接，第二空间通过管道与BF3正比计数管的出气口连接，第一空间内充满纯净BF3气体。
密封模块在气库内运动改变第一空间和第二空间的容积。
密封模块在气库内运动，减小第一空间容积的同时，增大第二空间的容积。
第二空间增大，接收被辐射的气体，同时第一空间减小，将纯净BF3气体换入管路内部。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、利用带有可移动式密封模块将气库内部划分为两组空间，其中的一组空间充满纯净BF3气体，另一组空间通过管道接收源量程中子探测器被中子辐射产生组分变化的气体，利用密封模块的运动改变两组空间容积的大小，在接收被辐射气体的同时将纯净BF3气体换入源量程中子探测器的管道中，配合备用的多个气库，以工作气体循环的方式减少停堆的时间，从而维持源量程中子探测器的灵敏度和使用寿命。
2、通过稳定的探测器灵敏度，减少了停堆期间更换工作气体或者探测器的工作量，增加了经济性和发电量，降低了机组运行成本，减少了人员受辐照的风险。
3、通过稳定的探测器灵敏度，减少了由于灵敏度降低导致的对探测器灵敏度和量程进行重新标定的需求；
4、通过稳定的探测器灵敏度，探测器在中子通量密度超过源量程探测器额定工况时，无需进行移动，节省了设计运维成本以及堆内空间。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的源量程中子探测器结构示意图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的源量程中子探测器对反应堆中子进行探测的示意图；
图3是本发明一个或多个实施例提供的现有技术的探测器对反应堆中子进行探测的示意图；
图中：1-BF3正比计数管，2-高压金属软管，3-气体循环驱动装置，4-气体流量计，5-第一回路稳压模块，6-第二回路稳压模块，7-气库，8-可移动式密封模块，9-第一空间，10-第二空间，11-气路阀门，12-进气口，13-出气口，14-反应堆，15-墙体。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所描述的，BF3正比计数管作为堆外源量程中子探测器，其优势在于反应截面高、灵敏度好、成本相对较低、制造成熟度高等，但由于其工作原理是基于核反应法(如公式1和公式2)，每次有效核反应将产生一次信号，但也同时将减小探测器中10B的量，因此该探测器高的反应截面和灵敏度同时也代表着其燃耗较高，寿命较短。
而现有技术为了维持BF3正比计数管的灵敏度需要停堆进行工作气体更换或整个探测器的更换，会增加停堆时的工作量，使得机组运行成本增高，并且带来了额外的人员受辐照的风险。
因此以下实施例给出一种工作气体循环式的源量程中子探测器，利用带有可移动式密封模块将气库内部划分为两组空间，其中的一组空间充满纯净BF3气体，另一组空间通过管道接收源量程中子探测器被中子辐射产生组分变化的气体，利用密封模块的运动改变两组空间容积的大小，在接收被辐射气体的同时将纯净的BF3气体换入源量程中子探测器的管道中，配合备用的多个气库，以工作气体循环的方式减少停堆的时间，从而维持源量程中子探测器的灵敏度和使用寿命。
实施例一：
如图1-3所示，一种工作气体循环式的源量程中子探测器，包括BF3正比计数管和气库7；
BF3正比计数管1顶部的进气口12通过管道依次连接第一回路稳压模块5、气体循环驱动装置3、气体流量计4和第二回路稳压模块6后，与底部的出气口13连接；
气体流量计4和第二回路稳压模块6之间的管道上并联接入至少一组气库7，气库7内部被滑动连接的密封模块划分为两组空间，气库7在管道方向靠近BF3正比计数管进气口12的空间中充满BF3气体。
气库两端通过气路阀门11与管道连接，气库内部设有滑动连接的密封模块，将气库内部划分为第一空间9和第二空间10，其中一组空间内充满纯净的BF3气体。
BF3正比计数管1竖直布置且位于反应堆外侧，与BF3正比计数管1连接的管道穿过反应堆安全壳，使气体循环驱动装置3、气体流量计4、回路稳压模块、气库7和气路阀门11都位于安全壳外，远离反应堆。
本实施例中，BF3正比计数管1上下两端均设置开口，其中上端为进气口12，下端为出气口13；其目的是便于高压金属软管2从上下两端接入，用于打破BF3正比计数管1的密封状态，为工作气体实现有效循环和流动提供通道；采取上进下出的方式，由于BF3正比计数管1工作处于反应堆低功率状态下，BF3正比计数管1下部测到的中子较多，采取下部出气能够及时将反应产物带出。而为了不影响BF3正比计数管1的状态，虽然上下端进行了开口，但是在正常工作状态下，仅改变了BF3正比计数管1的密封状态，不改变BF3正比计数管1的内部气压，(例如：某型BF3正比计数管设计气压0.8Mpa,在开口连接高压金属软管2实现了气体循环和流动后，正常工作状态时内部气压依然在0.8Mpa左右)。
本实施例中，管道可以选用高压金属软管2，用于连接其他各个部件，其组成的气体回路为工作气体的循环提供了有效的气路通道；通常状态下无气体泄漏，管径大于30mm，长度根据不同部件之间的距离而各异。
本实施例中，气体循环驱动装置3的类型不指定，其能够驱动气体在密封回路中按照指定流速进行循环，
本实施例中，气体流量计4用于监测回路中循环气体的流量，并诊断回路所处的状态
由于气体循环驱动装置3会在回路中产生气压差，而如果不将压差进行控制的话，存在BF3正比计数管1内部气压不稳定的风险，从而影响到BF3正比计数管1的工况，因此有必要设置回路稳压模块。回路稳压模块为现有技术，本实施例不限制其具体结构。
本实施例中，第一回路稳压模块5置于回路中靠近BF3正比计数管1顶部进气口12附近，第二回路稳压模块6置于回路中靠近BF3正比计数管1底部出气口13附近，作用为维持BF3内气压稳定在设定值附近，减小回路气压波动对BF3正比计数管1的影响。
气库7包括外壳和位于外壳内部与外壳滑动连接的密封模块(可移动式密封模块8)，本实施例中，密封模块可以为活塞结构，将气库内部划分为第一空间9和第二空间10，其中一组空间内充满纯净的BF3气体，两组空间相互独立。
本实施例中，气路阀门11用于切换气路，能够决定气体是否通过气库7。
本实施例中，气库7的作用在于更换工作气体，气库7的容积大于回路中其他部分的容积之和，以保证在有需要时，回路气体能够尽量被更换；气库7的内部气路被可移动式密封模块8分隔为两部分空间，两部分空间分别靠近进气口12和出气口13，靠近出气口的部分空间用于存储混有多种反应产物的混合气体，靠近进气口的部分空间，用于存储纯BF3气体。两个空间的大小可调，可以通过控制内部可移动式密封模块8的位置，来实现两部分空间体积的独立调整。
结合图2和图3说明上述装置的工作方式：
正常工作状态时，反应堆14产生的中子进入BF3正比计数管1沉积能量产生信号，同时根据公式1和公式2产生反应产物He以及Li，反应产物的出现将带来气体组分的变化。如果采用传统BF3正比计数管的封闭气体的模式，如图3所示，产生的反应产物无法进行及时导出，在使用了一段时间之后随着气体组分的变化，BF3正比计数管1的性能也逐渐劣化，最终当BF3正比计数管1的气体倍增系数低于某一规定值时，BF3正比计数管1将被视为无法使用。
气体倍增系数是BF3正比计数管1等源量程探测器技术规格书里规定的一个参数，该系数有一套给定的测试规程来进行测试获得。例如对于AP1000系列型号为NY-10865源量程探测器而言，全新的探测器的气体倍增系数约为500左右，而随着气体组分变化，该值逐渐减小，当减小至150左右时视为探测器无法使用，需要进行探测器的更换。
本实施例中，正常工作状态时，如果采用工作气体循环式的源量程探测器，探测器正常工作时也不可避免地出现气体组分的改变，但由于采用的是工作气体循环的模式，如图2所示，使得反应产物被带入到气路中，因此即使核反应导致了气体组分的变化，这个过程相对密封式的探测器而言也是更为缓慢的，也就间接地增加了探测器的寿命。另外，实际应用中可以给气体倍增系数设定一个值，比如当气体倍增系数低于某一个设定值时，可以进行换气的操作，实现气体的更换，进一步延长探测器寿命。
换气过程如下：
确认BF3正比计数管1高压断开，确认气库7中为纯净的BF3气体，确认气库7内气压与BF3正比计数管1中气压一致，确认可移动式密封模块8在靠近BF3正比计数管1出气口13的气路阀门11处。
确认气库7与气路阀门11连接良好；
切换气路阀门10和气路阀门11的开关，使得气路经过气库7，被辐射的气体逐步进入第二空间10；
随着第二空间10内充入的气体逐步增多，可移动式密封模块8向靠近进气口12的阀门11处缓慢移动，同时，第一空间9内的纯净BF3气体逐步经流量计、稳压模块和驱动装置进入进气口12，移动期间尽量维持回路中气体流量和回路中气压的恒定；
由于气库的容积大于回路中其他部件容积之和，因此当可移动式密封模块8移动至靠近进气口12的阀门11所在位置处时，可以视为纯净BF3气体完全换入回路中，即换气完成，此时气库7中的第二空间10内为被辐射的混合组分气体，而回路中其他组件中为纯净BF3气体；
切换气路阀门11的开关，使得气路绕过气库7，此时换气的主要流程结束，如果有BF3正比计数管1工作的需求，此时可以给BF3正比计数管1恢复高压进行工作。
由于BF3气体存在毒性，需要进行特殊处理，将气库7可以进行取出，并进行专门处理，并将内部的气体更换成纯BF3气体后，与气路阀门11进行连接。
如果气库7有多个备份，可将备份的气库7和气路阀门11进行连接。
该换气过程的优势在于，由于气库7远离反应堆14(与反应堆14中间隔了很多墙体15)，因此换气过程对反应堆14的运行状态没有要求，可以在反应堆14运行时进行换气操作，提升了经济性，并减小了人员的潜在受辐照剂量。
上述换气过程的原理是：
反应堆产生中子，中子入射至源量程中子探测器并沉积能量发生核反应，产生中子信号，同时产生了Li和He。
反映产物将导致气体被辐射从而产生组分的变化，通过将气体进行循环，能够减小气体组分变化的程度，变相地延长探测器寿命，从而维持探测器的灵敏度。
当气体组分变化到强烈影响探测器性能时，可以通过气库进行气体更换，以便重置气体成分，延长探测器寿命。
对源量程中子探测器采取上述装置所示的模式，有利于进一步提升探测器的使用寿命，该探测器气体组分的更换与气体循环模式的切换对反应堆的运行模式没有要求，可以在反应堆运行过程中进行操作，提升了反应堆的经济性，大大减少了维护人员潜在受辐照剂量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种工作气体循环式的源量程中子探测器，其特征在于：包括BF3正比计数管和气库；
BF3正比计数管顶部的进气口通过管道依次连接第一回路稳压模块、气体循环驱动装置、气体流量计和第二回路稳压模块后，与底部的出气口连接；
气体流量计和第二回路稳压模块之间的管道上并联接入至少一组气库，气库内部被滑动连接的密封模块划分为两组空间，气库在管道方向靠近BF3正比计数管进气口的空间中充满BF3气体。
2.如权利要求1所述的一种工作气体循环式的源量程中子探测器，其特征在于：所述气库两端分别通过气路阀门与气体流量计和第二回路稳压模块之间的管道并联连接。
3.如权利要求1所述的一种工作气体循环式的源量程中子探测器，其特征在于：所述BF3正比计数管竖直布置且位于反应堆外侧，与BF3正比计数管连接的管道穿过反应堆安全壳。
4.如权利要求3所述的一种工作气体循环式的源量程中子探测器，其特征在于：通过所述管道连接的气体循环驱动装置、气体流量计、两组回路稳压模块、气库和气路阀门均位于安全壳外。
5.如权利要求1所述的一种工作气体循环式的源量程中子探测器，其特征在于：所述气库包括外壳和位于外壳内部与外壳滑动连接的密封模块，密封模块将气库内部划分为彼此独立的第一空间和第二空间，其中一组空间内充满纯净BF3气体。
6.如权利要求5所述的一种工作气体循环式的源量程中子探测器，其特征在于：所述第一空间通过管道与BF3正比计数管的进气口连接，第二空间通过管道与BF3正比计数管的出气口连接，第一空间内充满纯净BF3气体。
7.如权利要求5所述的一种工作气体循环式的源量程中子探测器，其特征在于：所述密封模块在气库内运动改变第一空间和第二空间的容积。
8.如权利要求7所述的一种工作气体循环式的源量程中子探测器，其特征在于：所述密封模块在气库内运动，减小第一空间容积的同时，增大第二空间的容积。
9.如权利要求8所述的一种工作气体循环式的源量程中子探测器，其特征在于：所述第二空间增大，接收被辐射的气体，同时第一空间减小，将纯净BF3气体换入管路内部。
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