CN206726785U - 窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，包括传动装置、探测器以及测量装置，探测片安装在传动装置上，所述探测器设置在传动装置的正上方，探测片随着传动装置的移动而移动到探测器的正下方，且探测器与测量装置连接。该测量系统基于探测器测量活化探测片放射性计数进而测量中子通量分布，测量自动装置具有多路测量功能，避免了误差发生的客观条件，同时具有多个探测器进行测量，极大地提高了测量效率，降低了劳动强度。

Description

窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种测量系统，具体涉及一种窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统。

背景技术

反应堆中子注量率分布不仅与反应堆功率、燃耗深度等核参数密切相关，也直接影响反应堆冷却剂流量布置、核燃料的安全工作限值，并且堆上产品生产率的提高、堆物理试验的顺利进行都与堆内中子通量分布密切相关。因此，准确、高效测量反应堆堆芯中子通量分布，对保证反应堆的安全运行以及在反应堆上进行的物理试验和生产任务的顺利实现，具有重要的意义。

在以往的工作中，研究人员对如何进行棒状燃料元件堆芯的热中子通量测量开展了大量工作，此类堆芯慢化剂但长期以来，堆芯中子通量分布测量技术手段比较落后，许多工作由人工完成，自动化程度较低，又因为中子通量测量任务量大导致测量时间长，工作量大，完成一次全堆芯测量往往需要数次开堆试验。因为测量手段较落后，同时因为多次开堆试验中测量客观条件难以完全一致，导致通量分布测量精度较低。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有对于热中子通量测量效率低，工作量大，同时因为多次开堆试验中测量客观条件难以完全一致，导致通量分布测量精度较低，其目的在于提供一种窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，该测量系统基于探测器测量活化探测片放射性计数进而测量中子通量分布，测量自动装置具有多路测量功能，同时具有多个探测器进行测量，极大地提高了测量效率。

本实用新型通过下述技术方案实现：

窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，包括传动装置、探测器以及测量装置，探测片安装在传动装置上，所述探测器设置在传动装置的正上方，探测片随着传动装置的移动而移动到探测器的正下方，且探测器与测量装置连接。目前棒状燃料元件堆芯的热中子通量测量都是单独进行，依靠人工的方式进行每个点测量，其效率低，而且劳动强度大，同时完成一次全堆芯测量往往需要数次开堆试验，每次开堆试验中测量客观条件存在使得参数在变化，无法保存一致，这些误差将导致通量分布测量精度较低，本方案则能够解决上述问题，其通过机械的测量方式，降低人力测量的强度，而且机械方式能够同时进行多路测量，使得测量效率大大提高，减少开堆次数，避免客观条件造成参数变化而影响测量精度。

传动装置包括动力机构、丝杠螺母副和平台，其中动力机构和丝杠螺母副中的丝杠连接，丝杠螺母副中的螺母座和平台底面固定，在平台下方设置有滑轨，平台底面安装有滑块，滑块设置在滑轨上并能够沿着滑轨移动。优选丝杠螺母副进行传动，使得传动过程平稳，而且布置方便，平台利用其承载面大的特点，能够一次性进行多路、多点测量，大大提高测量效率，当然根据实际要求和环境也可以采用其它传动结构，为了避免传动时出现中断，传动机构有两种动力模式，一种是通过电机这种自动式控制传动，还有就是在丝杠连接有转盘，通过手动方式进行控制，避免突发意外造成传动中断。

平台上设置有若干条支架，其相互平行后固定在平台的顶面，每条支架分别对应设置在一个探测器的正下方，支架顶面均内凹形成安装孔，探测片设置在安装孔中，支架均设置在探测器下方。由于慢化剂通道为狭长的矩形窄间隙孔道，用于支持活化片的支架应当具有薄、韧、含氢量高的特点，薄是能够应用于放入狭窄的通道中，韧能够支架避免断裂在堆芯，而含氢量高则是对慢化剂的干扰小，优选有机玻璃作为支架材料，有机玻璃具有质量轻、韧性好、含氢量与水类似的优点。玻璃条设计为“工”字型，两端较宽可以将玻璃条固定在通道内，中间较窄可以减小对慢化剂的影响。在玻璃条上按照一定间隔进行穿孔，活化片嵌入小孔中并粘贴密封，既可以防止活化片脱落掉入堆芯，又避免增加支架的厚度。根据理论分析与MCNP计算结果，堆芯上部中子通量较低，并且变化平缓。因此，在进行测量时，堆芯上部测量点分布间隔较大，下部测量点较为密集，如此，既可以保证测量的有效性，又可以减少测量工作量，缩短测量时间。

平台下方设置有机架，滑轨和丝杠螺母副中的丝杠均与机架固定，且丝杠设置在滑轨之间；平台上安装有行程开关，在平台移动过程中行程开关能够与机架接触。机架是用于对平台进行支撑的部件，行程开关是由于限定平台最大移动距离，这是在运动机构中较为常见的布置。

平台侧壁安装有与一条支架上的探测片数量相等的红外接收器，红外接收器之间的距离和该探测片之间距离相等，红外接收器之间的连线和该探测片之间连线平行，每一个红外接收器对应与其中一块探测片设置在同一平面中，在测量装置中心轴线上安装有红外发射器。红外发射器和红外接收器是用于给样品测量给出起始和定位的信号，红外发射器的数量为一个，红外接收器的数量则与每条支架上的探测片数量相等，能够形成对每个探测片进行定位，红外发射和接收管对齐时，会给出一个光电信号到计算机，此信号作为样品测量的起始信号和定位信号。

还包括屏蔽架，所述屏蔽架中安装有屏蔽装置，探测器设置在屏蔽装置中，平台设置在屏蔽装置下方并能够在屏蔽架的空腔中穿过。屏蔽架是用于对屏蔽装置进行支撑，而探测器安装在屏蔽装置中，防止放射性泄漏。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：该测量系统基于探测器测量活化探测片放射性计数进而测量中子通量分布，测量自动装置具有多路测量功能，避免了误差发生的客观条件，同时具有多个探测器进行测量，极大地提高了测量效率，降低了劳动强度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型的工作原理图；

图2为传动装置的布置结构示意图；

图3为探测器的部件结构示意图；

图4为支架的结构示意图；

图5为堆芯中心中子通量分布图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-滑块，2-滑轨，3-机架，4-支架，5-螺母座，6-平台，7-丝杠，8-动力机构，9-屏蔽架，10-探测器，11-屏蔽装置，12-吊装环。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例：

如图1至图4所示，窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，其选择丝杠螺母副作为主要的传动机构，电机作为动力机构8，平台6为平板结构，将五条支架4相互平行后固定在平台6的顶面，每条支架4等距安装10个探测片，形成5×10阵列的探测片测点。探测器10优选NaI探测器，NaI探测器探测活化核素衰变发射的γ射线，并将γ射线转换成电脉冲传送到测量系统。NaI探测器置于平板上方的铅室内，共6个，其中5个在测量道上，用于同时对平板上同一工位的5个探测片进行测量，另1个在归一道上，即归一探测器，归一道不参与联动，结构图中未画出。

测量平台为长650mm×宽1180mm的钢制平台，厚20mm，平台上面横向等距156mm安装有5根测量条，每根测量条上间隔120mm等距有直径15mm的圆孔，辐照后的探测片放置在圆孔内。平台6上开有22个椭圆孔，用于减轻平台重量，减小平台运动惯量。平台6底部安有四个滑块1，滑块1在滑轨2上移动，从而带动平台6相对于机架3水平移动，利用滑块滑轨的移动高精度来保证样品相对于测量探头的移动精度，平台中心下方焊有一个安装驱动螺母的安装板，与螺母啮合的滚珠丝杠固定在机架两端，通过联轴器将丝杠和伺服电机联接起来。工作时，伺服电机转动，滚珠丝杠同步转动，测量平台作水平位移。滑块采用法兰型，用螺钉固定在移动平台底部。滑轨采用线性高精度滑轨，滑轨用螺钉安装在钢结构平台架上，滑块在滑轨上水平移动，精度为正负0.03mm，满足装置移动精度的要求。导轨与滑块配套型号为RHGW20CC2R2080ZAPII-T，长度为1800mm。

机架3用于安装滑轨和支撑移动平台，考虑到平台移动的水平性要求较高，制作成宽510mm，长2080mm，高278mm的双层钢结构件，此框架采用槽钢组焊，整体加工安装平面的方式，机架3上面依次安装有高度调节钢条和滑轨2，且丝杠7设置在滑轨2之间。在此框架四角焊上可调节支撑管后，在现场用螺栓将它与地面连接。

屏蔽装置11优选铅块，铅屏蔽块用于屏蔽NaI探测器，可将活化样品或环境本底对探测器测量的影响减少到最小，而且用于安装NaI探测器，为铅屏蔽块提供良好支撑的组合件。装置外形呈门拱形，上部叠放4块50mm厚铅屏蔽块，四个铅屏蔽块叠加在一起构成整体，每个铅块重100kg，铅屏蔽块由碳钢作框架，每个铅屏蔽块用碳钢铁浇注成型，二次浇注灌铅的长方体，铅屏蔽块开有和测量样品纵向等距的圆孔，NaI探测器放置在此孔内，探测器中心轴线与样面测量平台垂直。屏蔽装置横跨测量平台安装，测量平台相对于屏蔽装置内探测器作水平移动。由于每个铅屏蔽块较重，在浇铸前，需在框架内部焊22个圆柱，浇铸铅液后，可以确保铅块与框架的紧密连接。在框架的四个角开有M12的螺孔，作为吊装孔来安装吊装环12。安装时，旋入吊环进行吊装。铅屏蔽块外形尺寸为长850mm，厚50mm，宽212mm。

系统中设计有四根直径70mm的钢管组成屏蔽架9作支撑，钢管相互焊接成一体，钢管底部焊有钢板作地脚，用螺栓将屏蔽装置与地面牢固连接在一起。

测量的零位由安装在平台上的一个行程开关提供。初始时，测量平台的侧面压迫行程开关，保持输出一个常开信号，此信号作为伺服电机控制的零点信号和测量位置的零位信号。

由于活化样品测量对样品与NaI探测器相对位置精度要求较高，故在设计中考虑采用伺服电机作为驱动源，可保证测量装置的移动精度，重复性好。伺服驱动器是电机运行的驱动控制单元，与选定的电机配套。电机的控制信号接入到计算机中，用计算机编程的控制界面来实现对电机的运动控制。

本测量系统使用NaI探测器探测活化片的放射性，并将其转化为电流信号。为实现五路测量道以及归一道同时测量，本装置采用了6台SG1121(7575)型探测器。

在测量平台侧边缘等距安装10个红外接收管，位置与测量平台上样品安装间距相同且同轴，红外发射端安装在测量装置中心轴线上，红外发射和接收管对齐时，会给出一个光电信号到计算机，此信号作为样品测量的起始信号和定位信号。

测量装置主要为一个集成的电气柜中，由低压电源、高压电源、放大甄别模块、工控机等构成。低压电源为NIM机箱内的各插件提供工作电源，高压电源为NaI探测器提供工作电源，放大甄别模块放大NaI探测器输出的脉冲信号，并对其成形、甄别，输出整形脉冲信号，工控机内置1个脉冲采集卡、1个驱动卡、1个数字量卡。通过采购湘潭PCB生产厂的PCB板、电阻、电容滑动变阻器、LM710芯片、74LS04反向器，自行开发了中子注量率测量装置的放大甄别模块，并通过了试验测试。主控计算机为研华RS232型工控机。它的主要功能是在联机工况下，采集经放大后的探测器信号，通过测控软件，完成参数设置、自检、半自动测量、全自动测量、测量数据的实施采集与显示、最终结果保存。数据测控板采用PTMC12数据采集卡采集并计数信号处理单元输出的脉冲信号。该信号采集与处理卡由12个16位定时计数器、2个内部时钟源、4个8254芯片组成的外设互联标准PCI总线和数字IO卡，采集的数据直接进入计算机进行处理与储存。测控软件是基于Visual Studio开发工具运行于Windows平台下的程序软件，通过数据测控板采集到的脉冲信号，可以在无人值守的情况下实现重复测量或者单独测量，测试数据自动以图像形式显示和文件方式保存数据。测试数据保存为文本文件后，测控软件自动清空数据可以直接开始下一测量过程。这些部件和连接关系都是现有的部件，能够直接购买得到。

传动方式设计为自动和手动两种运行方式。在自动方式下，由系统计算机和电机控制器对样品测量实行程序控制，运行参数可事先设定。在此方式下，一次可以自动测量50个同批次样品。手动方式是指计算机出现故障，不能正常驱动伺服电机的情况下，对样品进行测量的运行。在此情况下，先松开电机与丝杠间的联轴器，换上摇柄或手动转盘，用手摇的方式使滚珠丝杠旋转，螺母带着测量平台移动，移动方向由样品布置而定。样品的定位借助红外发射接收装置来实现。当测量平台上样品对准NaI探测器时，光电发射和接收装置也同时对齐，此时光电装置给出声光报警信号，停止移动平台，即可开始测量。

对于活化片的材料选择，需要材料易于获取，化学性质稳定，吸收截面和半衰期适当等。具体来讲，就是要求：1)根据可能达到的通量水平选择活化片的原材料，活化片的活化截面应当大小适中以保证足够的测量精度；2)活化产物的半衰期应合适，太长或太短均不便于测量；3)活化材料还应具有易于获取、便于加工、化学稳定、并且有一定的强度等特点。

由于单质金属普遍有质软、机械加工性差的特点，目前的活化片基本使用金属合金制成。主活化材料一般有In、Dy、Mn、Au等。

In的丰度较低，仅4.23％，并且在1.44eV能量处有一很强的共振峰，所以In不适合矩形窄间隙的热中子注量率测量。

Dy为稀有元素，较为昂贵，容易得到的是Dy₂O₃化合物粉末，一般需要混合压制加热后才能进行加工，制作过程比较复杂。并且由于混入其他元素，Dy做成的活化片中Dy的含量相对较低，并且Dy的吸收截面较大，对于窄间隙通道的热中子注量率扰动较大，所以Dy不适于本文的测量工作。

Au较为昂贵，进行相对测量时需要布置大量探测片，因此使用Au进行测量成本较高。

Mn为较常见金属，且⁵⁵Mn的丰度接近100％，活化核素⁵⁶Mn的半衰期约2.5小时，长度适中，微观吸收截面13.2b，对窄间隙通道的热中子场扰动较小。所以本文选择Mn做为活化材料，同时选择Ni做为合金材料，制成Mn-Ni合金片，其中Mn的含量约为80％，可以计算出Ni的活性干扰不足0.1％。

测量前，根据已有的分析结果，将载有合金片的玻璃条布置在堆芯窄间隙通道内。随后，启堆稳功率辐照活化片，辐照完成后降棒停堆，当堆厅γ剂量与中子计数降到本底水平时，取出探测片进行测量。使用相对中子注量率分布测量系统测量前，先标定探头相对效率。由于采用多道进行测量，每个探头所加高压略有不同，探头灵敏度也有差异，因而需要标定各个探头的相对效率。标定时，将同一玻璃条上活化片分别置于各探头下，测量探头相对效率。然后，测量活化片活性，分批次将各玻璃条上活化片置于相对通量分布测量装置上进行活性测量。最后，对测量数据进行汇总处理，得到全堆芯中子通量分布。

在测量实验中，主要对1/4堆芯象限进行测量，其它三个象限布置若干功率对照点，用于校核测量结果并检验堆芯通量分布对称性。图5分别是根据测量数据绘制的堆芯中心、边缘中子通量分布图以及活性区200mm高度处中子通量分布三维图。从图中可以看出，堆芯中心中子通量较高，边缘较低，堆芯上部较低，底部较高。测量时，堆芯边缘控制棒全部提出，中间控制棒提至约350mm高度处，从图中可以看出，中心通量沿轴向变化较边缘更为剧烈，并且在堆芯半高度处出现较大变化。从测量结果可以看出，分布图所展示的中子通量分布较为准确地反映了堆芯的实际装载情况，这对堆芯上进行的各项物理工作提供了非常有用的信息。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，其特征在于，包括传动装置、探测器(10)以及测量装置，探测片安装在传动装置上，所述探测器(10)设置在传动装置的正上方，探测片随着传动装置的移动而移动到探测器(10)的正下方，且探测器(10)与测量装置连接。

2.根据权利要求1所述的窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，其特征在于，所述传动装置包括动力机构(8)、丝杠螺母副和平台(6)，其中动力机构(8)和丝杠螺母副中的丝杠(7)连接，丝杠螺母副中的螺母座(5)和平台(6)底面固定，在平台(6)下方设置有滑轨(2)，平台(6)底面安装有滑块(1)，滑块(1)设置在滑轨(2)上并能够沿着滑轨(2)移动。

3.根据权利要求2所述的窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，其特征在于，所述平台上设置有若干条支架(4)，其相互平行后固定在平台(6)的顶面，每条支架(4)分别对应设置在一个探测器(10)的正下方，支架(4)顶面均内凹形成安装孔，探测片设置在安装孔中，支架(4)均设置在探测器(10)下方。

4.根据权利要求3所述的窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，其特征在于，所述支架(4)的截面为工字型，且支架(4)采用有机玻璃制成。

5.根据权利要求3所述的窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，其特征在于，所述平台(6)下方设置有机架(3)，滑轨(2)和丝杠螺母副中的丝杠(7)均与机架(3)固定，且丝杠(7)设置在滑轨(2)之间。

6.根据权利要求5所述的窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，其特征在于，所述平台(6)上安装有行程开关，在平台(6)移动过程中行程开关能够与机架(3)接触。

7.根据权利要求3所述的窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，其特征在于，所述平台(6)侧壁安装有与一条支架(4)上的探测片数量相等的红外接收器，红外接收器之间的距离和该探测片之间距离相等，红外接收器之间的连线和该探测片之间连线平行，每一个红外接收器对应与其中一块探测片设置在同一平面中，在测量装置中心轴线上安装有红外发射器。

8.根据权利要求2至7中任意一项所述的窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，其特征在于，还包括屏蔽架(9)，所述屏蔽架(9)中安装有屏蔽装置(11)，探测器设置在屏蔽装置(11)中，平台设置在屏蔽装置(11)下方并能够在屏蔽架(9)的空腔中穿过。

9.根据权利要求2至7中任意一项所述的窄间隙矩形通道热中子注量率测量系统，其特征在于，所述丝杠(7)连接有转盘。