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第9章 中子通量测量


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主 要 内 容

1

9.1 概述 9.2 固体探测器

2

3

9.3 气体探测器

9.1 概述
重要:反应堆的功率正比于单位时间的核裂变率,测 量中子注量率可知反应堆功率。 概念:中子注量率是指空间一定点上,单位时间内接 受到的不论以任何方向进入以该点为中心的小球体的 中子数目除以该球体的最大截面积所得的商,单位是
n /(cm2 ? s)

换句话说是,在单位时间内进入单位表面积的球内或 穿过单位截面积的中子数。中子注量率也称为中子通 量。

中子注量率测量的分类: 堆内中子注量率测量:中子注量率大于1011(n / cm2 ? s) 定期监测,提供堆芯功率分布信息,校准堆外核仪表。
堆外中子注量率测量:中子注量率小于 1011(n / cm2 ? s) 连续监测,测得的信号用于核电厂的控制和保护。 核探测器:把正比于核功率的中子注量率信号转变成 电信号的敏感元件。 分为固体探测器和气体探测器两类。

9.1 固体探测器

固体探测器:利用辐射与固体的相互作用来进行辐 射测量的探测器。 闪烁计数管:用于剂量监测 自给能探测器:测反应堆中子注量率。 ——秦山三期的堆内测量

9.2.1自给能探测器的基本工作原理
? 在辐射场中,由于物质和辐射场的相互 作用,任何物体都可能发射和吸收荷电 粒子而带电。物体带电的情况与材料及 其几何结构有关,置于辐射场中的两种 相互绝缘的导体或半导体,由于带电情 况和程度不同,它们之间就产生了电势 差,用导线连接它们,则导线中就有电 流流过,它的大小和变化反映出辐射场 的特性和变化。

? 探测器处于辐射场中,发射体和收集体在入射中子的 作用下会发射和吸收荷电粒子而带电,这样在它们之 间就产生了电势差,用导线连接它们,导线中有电流 流过,电流的大小和变化反映了辐射场的特性和变化。 因为发射体的电流直接被测量,不需要对探测器外加 偏压,所以称为“自给能”探测器。 ? 测量方式: 1、测充电电极之间的电势差——剂量仪表 2、测流过的电流——通量测量

9.2.2 结构

发射体:中心电极,由中子灵敏材料制成,是探测器的核心部分,决定 探测器的物理特性。 收集体:探测器的外壳。由对中子不灵敏的材料制成,厚0.1毫米。 绝缘体:收集体和发射体之间,用无机绝缘材料制成。厚0.2毫米。 电缆: 传递信号,一端与探测器连接,处于相同的强辐射场中。采用 金属屏蔽—无机绝缘—金属芯线同轴电缆。 外径一般是1-3毫米,长度根据需要从几厘米到几米。

9.2.3 种类
9.2.3.1 内转换自给能探测器(快响应自给能中子探测器、铂自给能 中子探测器) 结构:发射体:铂、钴、钪、镉等材料 绝缘体:氧化镁 收集体:不锈钢 外径1.5毫米 电缆:同轴电缆 外径1.0毫米 原理:发射体原子核俘获中子形成激发态的复合核,复合核在退激 过程中辐射? 射线,? 射线与探测器通过康普顿散射、光电效应及 产生电子对等相互作用,转换为荷能电子,这些电子的发射,形 成了正比于中子注量率的电流,测电流可知中子注量率。

9.2.3.2

? 流自给能探测器

结构:发射体:钒、铑、银 绝缘体:氧化镁 收集体:不锈钢 电缆: 同轴电缆 外径1.0毫米 原理:发射体材料俘获中子后形成短寿命的? 放射性同位素,活化 了发射体在 ? 衰变过程中发射高能电子流,平衡时,电极间的电子 流形成正比于中子注量率的电流,测电流知中子注量率。

9.3 气体探测器
9.3.1、结构 加速电压电极(高压电极)、收集电极、电极间充以 气体、探测器内壁涂层物质、绝缘体及支撑结构。

9.3.2、测量原理:

入射中子作用于探测器,与内涂层物质相互作用, 产生带电粒子,带电粒子在运动中使所充气体电离, 产生正负离子,在外加电场作用下,该离子对向两级 运动,形成正比于入射中子的电信号输出。 常用的中子探测器是基于 10 B(n, ? )7Li 反应。 输出有脉冲信号,也有电流信号,通过电缆输送 到二次仪表显示。

9.3.3 气体探测器的输出与外加电压的关系
正负离子对在外加电场的作用下做定向运动,正极收集到 的电子数目随外加电压的数值而变化。
N 0 中有部分 Ⅰ:复合区, N < N 0 因复合而消失。 Ⅱ:饱和区,电离室工作区。N = N 0 Ⅲ: 正比区,正比计数管选择的工作 区。 N / N 0 =M常数。M不随 N 0 变。 Ⅳ:有限正比区,M与 N 0 的大小有关 N N 系, 0 比较大时M比较小,N 与 N 0 的正比关系受限。 Ⅴ:G-M区,是G-M计数管工作区, N 定值,与 N 无关。 0

:电极收集到的离子对数目 N 0 :带电粒子产生的总的离子对数目
N

9.3.4
探测器工作在饱和区时,探测器有一段坪区.

坪特性

坪曲线:所测中子通量不变,探测器输出随外加电压变化的曲线。 坪:坪曲线上输出不随电压变化的一段,长度称坪长。斜率称坪斜。
VS 起始电压,当电极电压V超过 VS

时,

探测器开始输出。 V ? VS 后,随V的增加,探测器输出 也迅速增加。 当 VG ? V ? VD 时,随着V的增加,输出 变化不大,此区间称为坪区。

坪长和坪斜的公式:

好的探测器要有较宽的坪。100-300V,坪斜每100V不大于5%。

探测器应工作在坪区,工作电压应选在坪区内靠近 VG 的范围内。

9.3.5 大亚湾核电站中子通量测量 9.3.5.1 堆内中子通量测量 一、功用 中子通量测量数据分两组并行输送给纸带图形 记录仪和集中数据处理系统KIT存盘,存盘数 据再由大容量计算机进行离线处理,输往电站 监督计算机KAP,并由它处理和给出功率分布 图,以上信息用于启堆期间和正常运行期间。

1、启堆期间的用途 ?检查寿期开始时堆芯功率分布是否与设计时期望的功 率分布相符。 ?检查用于事故工况设计的热点因子是否是保守的。 ?校准堆外测量仪表的电离室。 ?探测反应堆在装料中可能出现的差错。 2、正常运行时的用途 ?检查燃耗对应的功率分布是否与设计期望的功率分布 相符。 ?检查各燃料组件的燃耗。 ?校准堆外核仪表。
?探测堆芯有否偏离正常运行。

二、堆内中子通量测量系统的组成

堆芯中子通量测量, 由50个通道组成,被 分为5组,每组10个 通道,每十个通道配 备一只微型裂变室, 共5只微型裂变室, 各由一台机械-电气 驱动机构来驱动。

测量通道内插入指套管,探测器在指套管中 移动,达到在堆芯整个高度上逐点测量的目 的。
指套管:空心圆管。沿导向管插入测量通道, 另一端在密封段处,换料时由测量通道抽出。 为探头提高一个通路,并与一回路介质隔离。 导向管:一端焊在压力容器下封头的套管上, 另一端焊在手动隔离阀上。指套管和导向管 的内壁为一回路压力边界。 手动隔离阀:指套管抽出时它手动关闭,达 到主冷却剂密封的目的。

三、堆内中子通量测量系统的运行
驱动机构将微型裂变室从起点沿置于导管内的指形套管,以速度18m / min 插向堆芯底部,然后以低速 3m / min 使微型裂变室上升至堆芯顶部, 再以 3m / min 的低速均匀下降,与此同时,通道测量电路测出微型 裂变室的输出电流。当裂变室到达堆芯底部时,测量停止。 这时驱动机构再以 18m / min 的高速,将裂变室抽回起点。接着再将 裂变室插入第二个通道测量,直至测量完该组的十个通道为止。 裂变室输出的信号送电站计算机分析处理,从而获得堆芯径向和轴 向的通量分布和功率分布。

反应堆正常运行期间,间断工作,至少每30个等效满功率天启用一 次,设计上最多每周使用一次。在启堆物理试验期间,使用较频繁。
全部通道测量完毕,5个探测器均抽出,插入带有生物屏蔽的保护孔道内。

四、微型裂变室
1、结构

由焊接端塞、同芯包壳、灵敏体组成。微 型裂变室与导电-驱动两用的同轴电缆连接。 外径4.7毫米。长66毫米,灵敏体长27毫 米。它的外壳、外电极以及与之相连的电缆 的材料为不锈钢,绝缘材料为氧化铝。 灵敏体内充有纯度为99.9995%的氩气,电 极表面涂有一层厚度为 0.3mg / cm2 的二氧化 铀, 235U 的丰度为93% 92

2、测量原理
热中子射入微型裂变室灵敏体内,打在涂有二氧化 铀的电极上,使 235U核发生裂变。中的带正电的裂 92 变碎片使氩气电离,产生电子-离子对,电子和正 离子在外加电磁场作用下向两级漂移而形成脉冲, 脉冲叠加起来则形成电流。微型裂变室的输出平均 电流为

I 0 ? Sn ? ?

Sn

微型裂变室对热中子的灵敏度 测量区的热中子通量

?

3、特点 ?灵敏度高于电离室。当中子能量低时,输出脉冲信 号;当中子能量高时输出脉动电流。 ?适用于更高的 ? 辐射场的中子探测。

?裂变碎片的射程很短,所以裂变材料涂层最厚不超 过 2mg / cm2,为提高探测效率做成多层裂变室。
?裂变室测量中子通量一般用于由源量程向功率量程 过渡范围时的中子通量测量。

9.3.5.2 堆外中子通量测量
一、功用 运行功能和安全功能 运行功能:向操作员提供反应堆装料、停堆、启动直至 功率运行各工况下的反应堆状态信息。为此,它设有 多种量程的堆外核仪表,监测反应堆功率、功率变化 及功率分布。它还给长棒控制系统提供堆功率信号和 闭锁信号,向松动部件和振动监测系统提供中子噪声 信号。 安全功能:向反应堆保护系统提供多个紧急停堆信号和 允许信号。

二、测量系统的组成
由探测器、测量仪表和显示设备三部分组成。 1、探测器:共8个探测器。 2个源量程探测器,2个中间量程探测器,4个功率量程探测器 安放: 探测器装于两种容器内,容器置于反应堆压力容器外的仪表井内。 一个源量程和一个中间量程探测器同装一个容器内,外径160毫米, 高1953毫米。 功率量程探测器装于外径180毫米,高3200毫米的容器内。

源量程探测器位于堆芯下部四分之一线的高度,大约是源棒所在的 高度,中间量程探测器位于堆芯中线的高度上。功率量程探测器共 有6个敏感段,3个位于堆芯上部,3个位于堆芯下部。 径向看,源量程和中间量程探测器分为2对,分别位于90度和270度 的方位上。4个功率量程探测器布置在4个象限上,保证可以探测到 轴向和径向功率不平衡情况。

2、仪表柜:接受探测器的信号,放大处理后输往显示设备和其他 相关系统。

3、显示设备:位于主控制室内和应急停堆盘上,操作员赖以进行 反应堆的各项操作。

三、堆外中子测量系统的原理
1、仪表量程 核仪表系统测量中子通量最小 10?1 n / cm2 ? s,最大为 5 *1010 n / cm2 ? s。为了 覆盖这11个数量级的测量范围,采用了3种量程的探测器。 源量程探测器:测 10?1 ~ 2 ?105 n / cm2 ? s 范围的中子通量。 中间量程探测器:测 2 ?102 ~ 5 ?1010 n / cm2 ? s 范围的中子通量。 功率量程探测器:测 5 ?102 ~ 5 ?1010 n / cm2 ? s 范围的中子通量。 3种探测器的量程有一定的范围重复,这是为了保证反应堆从源水平到 功率水平的整个范围内的控制和保护的连续性,读数相互校核,信号相 互连锁。 显示仪表的量程 1 ~ 107 cps 源量程显示仪表: (中子计数/秒) 中间量程显示仪表: 10?11 ~ 10?3 A (安培) 功率量程显示仪表: (满功率的百分数) 0 ~ 120 % Pn

2、源量程探测器——涂硼正比计数管

结构: 中心阳极是直径25微米的不锈钢丝,圆筒形阴极是由高 纯铝制成。

阴极内表面涂丰度为92%的硼,两电极之间相互绝缘。 计数管内充以氩气和少量的二氧化碳。

原理: 入射中子与硼发生核反应

核反应产生的锂离子和 ? 离子使氩气电离,产生电子和正离子 对。在外电场的作用下,电子和正离子分别向阳极和阴极运动,

? 形成电脉冲。 射线也产生电脉冲,但其幅值较小,可用甄别 ? 放大器将它和反应堆内其他的 射线产生的小幅度脉冲滤除,

? 只放大 脉冲,从而得到只与中子通量成比例的计数。

3、中间量程探测器—— ? 补偿电离室
电离室所处的工作场所,都有较强的 ? 场。所以在电离室 的输出信号中含有 ? 产生的电流。这会影响测量中子注量率的 精度和范围。但在功率量程范围内中子通量水平比 ? 通量水平相 比高许多倍,在电离室电流中,中子的贡献比 ? 射线大得多,所 以没必要补偿。 但当? 的影响不能忽略时,就要考虑把 ? 的影响补偿掉,为此常 用 ? 补偿电离室。

结构:两个电离室组成。 外环电离室内壁涂硼,接正电 压,称涂硼电离室。 内环电离室不涂硼,称补偿室, 接负电压。 两室充以相同的气体:氮气和 10%的氦气。 三个电极:与高压正极相连的 是正高压电极;与补偿电压的 负极相连的是负高压电极。两 个电离室之间的极板同各国负 载电阻接地,称为收集极。各 电极之间是绝缘的。

原理:
涂硼电离室对中子和? 均敏感,在高压的作用下产生中子电流 I n和 ? 电流 I r1,其原理与源量程探测器相同,当中子通量较高时,脉冲较多无 法计数,只能监测电流。

补偿室不涂硼,因此仅对? 敏感,在补偿电压作用下只产生 ? 电 流 I r 2 。流经负载电阻上的电流 I 为涂硼电离室电流 I n + I r1 与补偿电离 室电流 I r 2之差:

I ? I r1 ? I n ? I r 2

这样,测得的电流 I 仅与中子注量率成正比,消除了? 射线的影响。

如果两电离室对 ? 的灵敏度相同,则 I r 2 = I r1 ,输出电流 I = I n

补偿效果:
1、理论上可完全补偿,实际达到97%—98%。 2、要考虑? 的感应度,以便在 ? 影响不能忽略的范围内,了解它的补偿能力。

4、功率量程探测器—长电离室

结构: 内部电极涂硼(高压电极内表 面和收集电极外表面涂硼) 内部充以混合气体: 1%氦气+6%氮+93%氩气 圆筒式和平板式

长中子电离室: 与反应堆同样长。 二节、四节、六节

原理
中子与硼反应产生的粒子使电离室内部气体电离, 在外部电场的作用下有一个正比于中子注量率的电 流流过电离室,该电流在负载电阻上就产生一个正 比于功率水平的电压降。 ? 射线的电流可忽略不计,认为测量电阻上只流过 中子电流。

内光电效应与相应的器件 半导体材料受到光照射时,吸收入射光子能量, 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度,就激 发出电子-空穴对,使载流子浓度增加,导电性增加, 阻值降低的现象称为内光电效应。 包括:光电导效应和光生伏特效应两种 应用内光电效应制成的器件包括光敏电阻、光电 池、光敏二极管和光敏三极管等。

光生伏特效应

光敏电阻

电极

引线

光敏电阻就是利用电阻阻值在光 引线 照下变化的原理做成的传感器。
把光敏电阻连接到下图电路中, 在外加电压的作用下,用光照射就能 改变电路中电流的大小。
I RL RG E 符号 RG 光导电材料 绝缘衬低

光敏电阻外观

光敏电阻特点:

光敏的灵敏度易受湿度的影响,因此要将导光电 导体严密封装在玻璃壳体中。
暗电阻 无光照条件下的电阻 亮电阻 一定光照条件下的电阻 暗电流 暗电阻条件下的电流 亮电流 亮电阻条件下的电流 光电流=亮电流—暗电流

光电池和光敏晶体管工作情况类似:

半导体材料在光照条件下会产生电动势。
光敏二极管结构和一般二极管相似,光敏二极管 在电路中一般是处于反向工作状态,
UO
光 N RL

光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系

P

反向电阻大,几乎截止

光电转速传感器及应用 基本原理: 当转轴转动时,光线经调制后投射至光电器件, 转换成相应的电脉冲信号,经过整形、放大后变成标 准脉冲信号, 计算出脉冲信号频率后,就可以推算出 转速。 光电转速传感器是利用光电转换原理测量转速的非 接触式传感器,有投射式和反射式两种测量方式。

光源和光敏器件
2 3 2 3

1

光电数字式转速表工作原理图

1

n ? 60 f / N

特点:结构简单,使用方便 n:为转速 , N:孔数或者条纹数 缺点:受环境光照情况影响 f:实际输出信号频率 外壳密封,采用红外光线或者激光作为光源。

光电传感器不仅可以测量转速,还可以完成很多 参数的测量,如:烟尘浊度监测 当烟道浊度增加,光源发出的光被烟尘颗粒的吸 收和折射增加,到达光检测器的光减少,因而光检测 器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化
平行 光源 光电 探测 放大 显示

烟道 刻度 校正 报警 器

4.3.2 磁敏转速传感器 在转速测量中,也有利用磁敏传感器作为检测手 段的转速测量仪表,如汽车里程表的转速测量等。磁 敏传感器是将电磁量转换成电信号的传感器,它主要 用于检测磁场。如利用电流磁效应的磁阻元件、霍尔 元件等。

4.3.3 码盘转速测量 码盘转速测量就是利用码盘窗口明暗信号的变 化,将转速转换成序列计数脉冲的一种转速测量方 法。码盘式转速测量直接将转速信号转换成脉冲信 号,按结构分为接触式、光电式、和电磁式。按工 作原理可分成码盘式(绝对码盘)和脉冲盘式(增 量码盘)。

光电编码器示意图 绝对码盘结构图

绝对码盘是把旋转轴的旋转角度采用二进制编码 输出,它可以检测绝对角度。 增量码盘时随旋转角度输出一列连续脉冲波的码 盘,通过累计脉冲个数测量旋转角速度。

? 光电码盘

10码道光电绝对式码盘 绝对式编码器按照角 度直接进行编码,可直 接把被测转角用数字代 码表示出来。根据内部 结构和检测方式有接触 式、光电式等形式。 透光区
不透光区

绝对式码盘与增量式 码盘有何区别?
2013-8-12

零位标志
48

绝对式接触式编码器演示
4个电刷 4位二进制码盘

+5V输入 公共码道 最小分辨角度为 α=360°/2n

49 2013-8-12

4.4 力学量测量
在电厂自动控制系统中,汽轮机运行中的振动 和加速度也是经常用到的机械量,对这些参数进行 测量也是机械量测量的重点。 物体的振动可以通过检测位移的方法进行测量, 而加速度是根据牛顿第二定律F=ma,通过测得已知 质量为m的物体上的惯性力而计算出来的。

?差动变压器法 ?电涡流法 ?应变片法

硅微加工加速度传感器 加速度传感器以微细加工技术

为基础,既能测量交变加速度
(振动),也可测量惯性力或

重力加速度。其工作电压为
2.7~5.25V,加速度测量范围 为数个g,可输出与加速度成 正比的电压也可输出占空比正 比于加速度的PWM 脉冲。

硅微加工加速度传感器原理
1—加速度测试单元 2—信号处理电路

3—衬底
4—底层多晶硅(下电极) 5—多晶硅悬臂梁 6—顶层多晶硅(上电极)

装有传感器的假人

加 速 度 传 感 器 应 用

气囊

加速度传感器安装在轿车上,可以作为碰撞传感器。当测 得的负加速度值超过设定值时, 微处理器据此判断发生了碰 撞,于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀, 托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。

汽车气囊对驾驶员的保护作用

汽车发生碰撞时, 经控制系统使气囊 迅速充气

利用加速度传感器实现
起爆的钻地炸弹

延时

传感器安装位置


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