CN1155665A - 检查热中子吸收器壁的系统、装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于检查热中子吸收器壁的系统，装置和方法，根据本发明的装置(110)包含快中子源(112)和热中子检测装置。该装置顺着器壁(118)沿着一个位移方向可以移动。根据本发明，该检测装置包含至少一对细长的并排基本平行放置的热中子探测器(114)，其方向基本上垂直于移动方向。

Description

检查热中子吸收器壁的系统、 装置和方法

本发明涉及一种检查热中子吸收器壁的系统。还涉及利用根据本发明的系统检查这种类型的系统的方法。

特别是，检查中子吸收器壁包括检查器壁的吸收量，检测器壁中的任何缺陷，定位这些缺陷，以及确定缺陷尺寸和程度。

本发明的应用特别包括贮运核燃料的隔离框架的器壁的检查。

隔离框架投入使用之前以及其后在使用阶段的定期检查过程中要特别检查这些隔离框架的器壁。

在核工业中，放射性燃料的组件存储在一架柜中，该架柜包含一些通常为多边形或方形的隔离框架。这种类型的架柜在例如本说明书结尾处所列举的参考文献(1)中给予了介绍。

该架柜例如可以沉入一个已经添加中子吸收剂的含水池中。

隔离框架具有的金属器壁或材料能够吸收热中子即具有大约1电子伏的中子。在本说明书的其余部分，这种类型的材料称为“中子吸收”材料。隔离框架的器壁可以直接由中子吸收材料，例如镉合金或含硼的钢制成。另外，它们可以由两层不锈钢支承板构成，在其间具有中子吸收材料。

在本说明书结尾处的参考文件(1)和(2)中，介绍了这一问题。

附图1表示一种已知的用于检查存储隔离框架器壁的系统的断面图。该系统包含一个钢制块10，调节其尺寸以便适合隔离框架12的尺寸，使得该块10能够在隔离框架的内侧沿着器壁在垂直于图面的方向上滑动。

该钢制块包含处于中心的由锎252制成的各向同性的快中子14源，以及4个圆柱形的热中子探测器16a、16b、16c和16d，围绕钢制块的各侧放置，面向隔离框架12的器壁18a、18b、18c、18d。

快中子是具有的能量量级大约为1兆电子伏特的中子。由于它们的能量太高，探测器16a、16b、16c和16d实际上对这些快中子是不灵敏的。而且装有中子吸收材料的器壁18a、18b、10c、18d几乎不吸收快中子。

由各向同性的源14发出的快中子通过用作中子减速剂的钢制块10，以便改进在隔离框架内的中子热能慢化效率，使检测器16a、16b、16c、16d和器壁18a、18b、18c、18d能够获得一个围绕隔离框架12的中子热能慢化环境20。例如，可以用添加硼或以氢右碳不主要成份的任何其它材料的水。

在该中子热能慢化环境内，快中子损失其动能，并变换为能由中子吸收材料截住的热中子，以及能由中子探测器进行检测。热中子的能量仅约为1电子伏特。

热中子朝所有方向扩散，因此，也朝隔离框架12的内侧扩散。假如在器壁18a、18b、18c或18d中的中子吸收材料吸收能力弱或者如果没有中子吸收材料，热中子将不会被吸收，并因此将贯穿进入隔离框架，在隔离框架它们由探测器16a、16b、16c、16d进行检测。为了得到关于这一问题的更进一步的信息，参阅在本说明书结尾处的参考文件(3)。

由利用其中一个探测器得到的中子的记录曲线可以确定在器壁中的薄弱或缺陷的近似位置。

应指出，使用各向同性的源会引起辐射屏蔽问题，特别是在运输过程中以及当将钢块10转移到隔离框架内部时。

为了探测中子辐射，钢块10在隔离框架内部沿器壁18a、18b、18c、18d滑动移动。

图2以简化方式示意表示钢块10在隔离框架12内部的滑动，并表示探测器16a、16b、16c、16d的位置。这些探测器通常是圆柱形的，沿与隔离框架12器壁平行、用箭头表示的方向X延伸。

当钢块10在隔离框架内部移动时，如在图2中对于探测器16a用虚线所示，探测器描绘出一个轨迹。

图3以任选比例绘制，表示由其中一个探测器所记录的信号，例如表示当探测器16a通过隔离框架的器壁18a上的缺陷24的正面的情况，在该处部分地或者完全缺少吸收材料。图3中的曲线表示探测器由隔离框架的底部朝向顶部即沿图2中的箭头方向移动的情况。

信号曲线包括探测器还没有到达缺陷区24或者已经离开这一区域的区域32和34。

曲线的部分36和40对应于探测器的移动范围，探测器曲线的递增部分(36)和递减部分(40)对应有缺陷的部分。

在部分36，表示当探测器16a的端部26到达缺陷24处时，信号幅度开始增加。在部分40，表示当探测器16a的对端28开始离开含有缺陷的区域时，信号幅度开始减少。

曲线的部分38对应当于探测器16a面向缺陷24时出现的最大幅度信号。

曲线的部分36和40的斜率很小，不可能精确地确定器壁中缺陷的位置和程度。

本发明的一个目的是提出一种能够精确地确定在这种类型的器壁中的缺陷的具体位置和/或程度的检查中子吸收器壁的优选系统。

另一个目的是提出一种用于检查在器壁中的中子吸收材料厚度的系统。

再一个目的是提出一种能够消除很多辐射屏蔽问题的检查系统。

本发明的再一个目的是提出一种利用该检查系统的检查器壁的方法。

为了实现上述目的，作为本发明的一个部分的用于检查含有热中子吸收材料的吸收器壁的系统，包括：

一个检测装置，包含能够发出快中子的中子源和能够输出检测信号的热中子检测装置；该检测装置面向器壁的第一侧，并能够顺着器壁的其中一个移动方向移动。

一个中子热能慢化环境，位于与该第一侧相反的器壁的一侧，以便将快中子变换为热中子。

用于处理检测信号的装置，其特征在于，该检测装置包括：至少一对细长的并排放置的基本平行的热中子探测器，其方向基本与移动方向垂直，每个检测器能够向信号处理装置输出检测信号，以产生器壁检查信号。

使用按上述限定方式放置的一对检测器能够由检测信号中产生检查信号，由此能够精确地检测出器壁中缺陷的存在、程度和位置。

使用根据本发明的系统，能够确定器壁中的中子吸收材料的质量和/或厚度。

应考虑，当各探测器的分开距离与它们的横截面的尺寸处于相同的量级时，将各探测器并排放置的方式。例如，外径大约1厘米的圆柱形探测器可以分开几厘米。

特别是，调节探测器之间的距离可以调节该检测装置的分辨率，假如存在器壁缺陷，就可确定其位置。

根据本发明的一个方面，处理装置包括一个加法器，其将由成对探测器中的每个探测器输出的检测信号相加，形成一个作为各检测信号之和的函数的检查信号。

通过取来自每对探测器中的两个探测器中的每个探测器的检测信号的和，得到特别适合于检测器壁中的中子吸收材料的厚度和吸收质量的器壁检查信号。

根据本发明的另一个方面，信号处理装置包括一个减法器，将由成对探测器中的每个探测器输出的二检测信号相减，形成一个作为二检查信号之间差值函数的检查信号。

减法器可以与加法器一起提供，或不与加法器一起提供。

当记录一等于各检测信号之间差值的检查信号时，对于在器壁中的每个被检测的缺陷，观察到表示出具有相反符号的两个突变区的检测信号。这些突变区是非常集中限制在局部的，故可用来精确地确定每个被检测的缺陷的尺寸和位置。

为了进一步提高分辨率和检测系统的效率，检测装置可以装有位于在快中子源和热中子探测器之间的快中子散射体(diffuser)。该中子散射体可以增加在“有效角度”范围内的快中子数量。有效角度的顶点是快中子源的中心，该角边并与每对探测器的两个快中子探测器相交。

在根据本发明的系统的一个特别优选的实施例中，中子源可以是快中子发生器。快中子发生器是一个响应于提供到其上的电脉冲、能够发出中子的装置。因此，这种类型的发生器与连续提供中子的“各向同性的”中子源不同。与这种类型的各向同性的源相比较，中子发生器便于和简化辐射屏蔽测量，特别是当从需检测的隔离框架中卸下或安装检测装置时。

本发明还涉及一种用在上述系统中的检查装置。

该装置包括最好接近至少一个检测面的快中子源和热中子检测装置。该装置还可以顺着器壁沿一个移动方向移动，并且检测表面面向器壁。

根据本发明，该检测装置包含至少一对细长的并排放置的基本上平行的热中子探测器，其方向垂直于该装置顺着器壁移动的方向。

该装置可以包括几个检测面，每个面上装有一或几对检测器。特别是，为了检测该燃料存储隔离框架，该装置对于隔离框架中的每个器壁可以具有一个检测面，以便同时检查所有的器壁。

该装置的横断面最好可以适于存储核燃料的隔离框架的内部横断面，平行于各热中子探测器，使得在隔离框架内部能够沿着隔离框架器壁移动。

特别是，装置的横断面的形状和尺寸可调节，以便能够在隔离框架内部滑动。

本发明还包括用于利用上述系统检查器壁的方法。

按照第一种方法，沿着器壁移动检测装置，记录作为检测装置在器壁上的位置的函数的、与来自两个探测器的检测信号的和成比例的检查信号；并且将该检查信号与基准信号比较，确定中子吸收材料的厚度。

按照另一种方法，检测装置沿着器壁移动，记录作为检测装置在器壁上的位置的函数的、与各检测信号之间差值成比例的检查信号，测量在检测信号中的一对可能的突变区的位置，确定在该材料中的每个缺陷的范围和/或在该信号中所述各突变区之间的距离的特征。

通过参阅附图并为了说明而不是限定目的的如下介绍，会使本发明的其它特征和优点变得更加明显。

已经介绍图1是根据现有技术状态的核燃料存储隔离框架的示意断面图，其中已经置有一个用来检查隔离框架器壁的装置，

图2是表示图1中的探测器怎样在隔离框架中滑动的简化示意图，

图3表示当根据图1和图2的一个探测器通过隔离框架器壁中的缺陷的正面时得到的信号的记录，

图4表示根据本发明的器壁检查系统的一个实例，

图5是一简化示意图，表示在该系统中的热中子探测器相对于隔离框架的器壁和相对于中子源的配置，

图6A和图6B是利用本发明产生的检查信号理论上的记录曲线，

图7A和7B是利用图5中所示系统产生的记录曲线。

如图4所示，用于检查吸收器壁的系统包含一个具有快中子源112的检测装置110和一对热中子探测器114。

中子源112例如可以是由SODERN Company市售的GENIE型中子发生器。中子探测器为BF3或He3型。

应指出，源112和探测器114位于在需检查的器壁118的一侧116。器壁118包括中子吸收材料，例如镉合金或添加硼的钢。

在器壁118的与侧面116相反的一侧120形成一个中子热能慢化的环境122。例如，这个环境可以由添加硼或富集氢原子的材料，例如聚乙烯的水构成。

由源发出的快中子通过探测器114和未被检查的器壁118。快中子的能量约在1到14兆电子伏特之间。当快中子达到中子热能慢化环境122时，由于与在这一环境中的轻原子相互作用，它们变为能量约1电子伏特的中子。这些中子被称为热中子，然后沿所有方向扩散，特别是朝向探测器114。

由于器壁包含中子吸收材料，换句话说，截住了热中子，只有这些中子中的很小一部分在探测器114中被检测。然而，当器壁4的中子吸收材料中存在薄弱处式缺陷时，则通过该处并到达探测器的中子的数量将增加。

检测装置110最好包括位于在源112和探测器114之间的金属散射体124。

这种散射体124由于中子散射助增作用，增加了在使用的立体检查角度126内的快中子的数量。这个有效角度两边与在成对探测器中的快中子探测器114相交，它的角顶是源112的中心113。在图中用间断线表示。

位于在有效角度126外侧及在间断线128的范围内的散射体部分由于助增散射作用也可以增加在有效角度126内的中子。

散射体的另外的功能是利用散射使由源发出的快中子减速，以便改进在接近器壁118的环境122内部的中子热能慢化作用。例如，快中子的能量由在由源112发射时的14兆电子伏特的量级变化为从几个电子伏特到1毫电子伏特的能量。

可以将源、散射体和探测器整体安装在一个未表示的架构上，以便于检测装置110沿着器壁118移动。

为了增加测量精确度，最好将各探测器114的位置尽可能地接近器壁118。

以简化方式表示的信号处理装置130电连接到各探测器114。它包含检测信号检测器。来自两个探测器的检测信号或者彼此加在一起，或者彼此相减，以形成检查信号。

图5以简化方式表示源和探测器相对于需检查的存储隔离框架器壁的相对位置。外壳用虚线非常示意表示的检测装置具有的横断面对应于需检查器壁的隔离框架的内部形状，在图中所示的情况下为方形。因此，该装置可以顺着隔离框架器壁沿图5中利用箭头表示的方向X滑动。

以成对探测器形式的探测器114可以为圆柱形，长度为200毫米，外径为20毫米。它们的放置垂直于检测器装置110滑动方向，即垂直于方向X。

以成对探测器方式配置探测器114，使它们接近装置外壳的检测表面，因此接近需检测的器壁118。它们彼此平行放置，分开距离较小。在这一实例中，探测器分开40毫米。

源112也是圆柱形的，它的中心113包含在通过二探测器114之间的中间平面内。当检测装置沿方向X顺着器壁118和如由底部向顶部滑动时，对这一器壁可以进行扫描，以便进行检查。然而，该装置可以同时装有几对面向其它隔离框架器壁的探测器，以便同时检查几个器壁。

图6A和6B以任选的比例表示一对探测器在器壁中的缺陷的正面通过的过程中得到的检查信号的记录曲线。图6A的上面部分非常简要地表示存在缺陷119和在该缺陷正面通过的一对探测器114的情况。

图6A中用曲线200表示的信号对应于来自成对探测器方式的两个探测器的检测信号的和。

该曲线从左到右对应于在一核燃料存储隔离框架中的根据本发明的检测装置从底部到顶部在器壁的正面的位移。

曲线200包含的部分202和204对应于器壁没有任何缺陷的部分，并且其中的中子吸收材料是稳定和良好的。曲线这些部分代表的信号对应于背景噪声并对应于间接到达探测器的热中子的计数值。

在器壁缺陷区的起始点，第一探测器先于第二探测器计数反映热中子数量的增加。曲线的部分206对应于被检测的中子的数量增加。当成对的两个探测器面向缺陷时，曲线的隔度最高的部分208对应于最大的中子计数值。最后，当二探测器行进到缺陷区以外时，曲线的部分210的幅值下降。

检查信号的幅度即来自两个探测器的信号的和与在器壁中的中子吸收材料的厚度或该处的吸收效率成反比。

因此，如果例如通过在器壁没有任何中子吸收材料的区域进行测量，以及然后在器壁包含已知厚度的中子吸收材料器壁区域进行测量来校准测量系统，则可以在所有器壁部分测量中子吸收材料的厚度。

与之相似，可以确定中子吸收材料的质量。

图6B表示当两个探测器在器壁中的缺陷的正面通过时，对于等于两个信号之间差值的检查信号的记录曲线。

当两个探测器正面向没有缺陷的器壁部分时，它们接收少量的热中子，在两个探测器的检测的噪声除了统计脉动之外通过相减进行消除。这种情况表示在曲线300的部分302和304。当两个探测器面向器壁中的缺陷时，每个都检测到最火数量的中子。然而，当二检测信号相减时，检查信号的幅度也基本上为零。这种情况是曲线6B中的部分308。

曲线300还包含两个具有相反符号的突变区320、330，它们对应于器壁缺陷的起始和终止位置。每个突变区包括快速上升的波沿322、332，接着是恒定部分324、334，然后是快速下降的波沿326、336。

恒定部分324、334的长度决定于两探测器之间的距离。

通过识别在曲线上的突变区320和330，可以精确地测量缺陷的位置。此外，可非常精确地确定在下降的波沿326、336的起点之间所测量的缺陷的尺寸。

图7A和7B是利用本发明的系统记录的曲线，分别对应于相加的和相减的检测信号。两个所用探测器是外径为20毫米的探测器。它们相互分开的距离为40毫米。在图7A和7B中的曲线400和500表示在器壁中无缺陷区和损失中子吸收材料的区域之间过渡的细节情况。

图7A和7B的曲线图的原点表示器壁中缺陷的起始位置。这一缺陷每侧的距离按厘米给定。信号的幅度(以任选单位表示)对应于在以成对探测器方式的每个探测器中检测的中子的数量的和(图7A)或差(图7B)。

标号404和504分别标记曲线的信号部分400和500，其中二探测器正面对完全填充中子吸收材料的器壁区域。标号408和508表示二探测器正面向缺陷的曲线部分400和500。

图7A中的曲线400对应于图6A中的曲线部分200，它表示在缺陷边界每侧5厘米距离范围内在部分404和408之间的转移的分布情况。

图7B中的曲线500对应于图6B中的曲线部分300，它表示中心位于在器壁缺陷区的边界上的突变区。利用可以易于确定的曲线500上的拐点501，精确地确定缺陷的范围。

最后，利用本发明可以精确地确定中子吸收材料中缺陷的程度、尺寸和边界。

本中请参考的文件

(1)FR-A-2680909

(2)FR-A-2511907

(3)US-A-4243886

Claims (10)

1.一种用于检查包含热中子吸收材料的吸收器壁(118)的系统，该系统包含：

检测装置(110)，包含能够发出快中子的中子源(112)，以及检测热中子能够输出检测信号的装置，该装置面对器壁(118)的第一侧(116)放置，并且能够顺着器壁沿着位移方向(X)移动，

中子热能慢化环境(122)，位于器壁(118)的与第一侧(116)相反的一侧(120)，将来自源的快中子变为热中子，

处理检测信号的装置(130)，

其特征在于，该检测装置包含至少一对细长的并排基本平行放置的热中子探测器(114)，方向基本上垂直于移动方向(x)，每个探测器(114)能够向信号处理装置(180)输出检测信号，以便形成器壁检查信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该信号处理装置(130)包含一个加法器，用于以成对探测器方式的每个探测器(114)输出的检测信号，形成一作为二检测信号之和函数的的检查信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该信号处理装置(130)包括一个减法器，用于以成对探测器方式的每个探测器(114)输出的检测信号，形成一个作为二检测信号之间差值的函数的检查信号。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该检测装置(110)包括一个位于快中子源(112)和热中子探测器(114)之间的中子散射体(124)，以便增加在称为有效角度的一个角度(126)内的快中子的数量，所述有效角度(126)的角顶在快中子源的中心(113)，角的两边与在每对探测器中的两个热中子探测器相交。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该热中子探测器(114)为圆柱形，长度约为200毫米，外径约为20毫米，间距约为40毫米。

6.根椐权利要求1所述的系统，其特征在于，该中子源(112)是一个能够响应施加到其上的电脉冲发出快中子的中子发生器。

7.一种用于检查中子吸收器壁(118)的检测装置(110)，包含快中子源(112)和检测热中子的装置；该装置能够顺着器壁(118)沿着一个位移方向(x)移动，其特征在于，该检测装置包含至少一对细长的并排基本平行放置的热中子探测器(114)，其方向基本上垂直于该装置顺着器壁的位移方向(x)。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置具有的平行于热中子探测器(114)的横断面适合于燃料存储隔离框架的内部横断面，以便能够在该隔离框架内部沿着舱室器壁移动。

9.一种用于检查中子吸收器壁(118)的方法，利用根据权利要求1的检查系统确定热中子吸收材料的厚度，或材料吸收效率，其中检测装置(110)顺着器壁(118)移动，记录一个与来自两个探测器的检测信号的和成比例的检查信号(200)，该信号为检测装置顺着器壁的位置的函数，以及将该检查信号与基准信号相比较，以确定顺着器壁的中子吸收材料的厚度或材料吸收效率。

10.一种用于检查中子吸收器壁的方法，利用根据权利要求1的检查系统确定在器壁(118)中的中子吸收材料的缺陷(119)的位置和/或长度、其中：

顺着器壁移动该检测装置，

记录作为检测装置在器壁上的位置的函数的、与检测信号之间差值成比例的检查信号(300)，

测量在该信号中的两个突变区(320，330)的位置和/或在该信号中的所述突变区之间的距离，这些突变区为材料中的每个缺陷的边界的特征。

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