堆芯外核检测仪表及系统

2022年12月11日第三章堆芯外核检测仪表及系统堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第1页!章节内容3.1堆芯外的定义3.2核反应堆功率的测量3.3中子探测仪表3.4反应堆堆芯外核检测仪表系统堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第2页!3.1堆芯外的定义堆芯外的定义

习惯上把堆芯外中子敏感元件定义为受低于1011ncm-2s-1

的中子通量照射的敏感元件。通常安置在压力壳外壁处，也可置于热屏蔽区域内。堆功率仪表系统用来测量反应堆功率及监视堆内中子通量密度(中子注量率)变化信息的。具有：

1、运行功能

监测堆功率、功率变化及其分布。

2、安全功能

向保护系统提供停堆信号等。堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第3页!3.2核反应堆功率的测量

反应堆是依靠核燃料的链式反应来维持工作的，链式反应中产生初级碎片和一系列裂变产物，还有裂变中子、瞬发γ等辐射线，它们都是裂变能的载体，它们的核辐射强度与反应堆功率成正比，它们消耗在堆内的热量也与堆功率成正比，因此，可以通过测量中子或γ射线的强度，及测量堆芯温度等来间接测量反应堆的功率。

通常是用堆芯外中子监测仪表来测量反应堆功率。堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第4页!3.3中子探测仪表一、核反应法主要测量慢中子，有以下三种核反应：

10B(n,α)7Li+2.792MeVσ0=3840±11b

6Li(n,α)3T+4.786MeVσ0=936±6b

3He(n,p)3T+0.764MeVσ0=5327±10b能量为En

的中子微观截面σ=σ0(1／υ)堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第5页!3.3中子探测仪表三、核裂变法由于裂变碎片是核裂变能量的载体，利用核裂变产生的两个碎片，使物质电离，可产生大的输出脉冲，极易甄别γ射线对测量中子通量的干扰。

233U、235U、239U对热中子的裂变截面分别为：530b、580b、742b，所以常用作裂变探测器的辐射体。

许多重物质对中子裂变有一定阈值，可制成多阈探测器，以确定中子能量。堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第6页!3.3中子探测仪表四、活化法稳定的原子核吸收中子后，转变为放射性原子核，它们通常在衰变时会放出带电粒子，由此可以间接测出中子的通量密度。例如：

n+115In→116In+γ

116In→116Sn+β－

+ν－

测量β－的强度就能够确定中子的通量密度。小结

从上述4种中子探测方法可知，中子探测过程可分为两个部分：（1）首先是中子和辐射体发生相互作用产生带电粒子或感生放射性；（2）其次是在某种探测仪表中记录这些带电粒子或感生放射性。堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第7页!3.3.2中子探测仪表的种类一、气体探测器

Ⅲ正比区：V2→V3：电子在电场加速中获得能量足以产生二次电离，产生了电离雪崩。输出AN0正负离子对，脉冲幅度为：

ⅤG-M区当电压大于V4

以后，室内的激发光子起主导作用，使整个室内气体放大，发生电子雪崩，输出脉冲大小与粒子能量无关。

Ⅰ、复合区：0→V1

Ⅱ、电离区：V1→V2，原电离离子全被电极收集。Ⅳ有限正比区：V3→V4

当电压大于V3后，原电离电荷大的，比小的其放大倍数相对变小，即放大倍数A与人射粒子能量有关。堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第8页!3.3.2中子探测仪表的种类2.电离室的输出脉冲电离室输出脉冲幅度Um为：

式中：△E─中子间接产生的粒子损失在电离室的能量;C─电离室输出有效电容(法);W─平均电离能;e

是电子电荷量。3.电离室输出脉冲形状电离室输出脉冲形状反映了入射粒子的信息，与之连接的二次线路也要以此进行设计，尽量保持原有信息。所以，分折脉冲形状尤为重要。电离室电流是Ii由正、负离子电流I+、I-所组成的。即：

Ii=I++I-正、负离子运动速度分别为：电场强度E(x)=V／(b-a)堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第9页!4.平行板电离室输出电流I

一个电子在电场E的作用下所作的功率为eEw-，又等于V×Ie

，所以

V×Ie=eEw-其中：E

=V／(b-a);w-=μ-.E／P一个电子生成的电流：假设一个入射粒子产生的电离电子数为n，则它产生的电流为I-(t)，正离子电流为I+(t)：3.3.2中子探测仪表的种类堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第10页!6.圆柱形电离室输出电流及电压脉冲圆柱形电离室电流输出情况与平行板电离室电压脉冲相似，如图所示。圆柱形电极的电场强度为：3.3.2中子探测仪表的种类

通过同样计算可求得正、负离子的收集时间T+、T-，及输出电流I+、I-

，u+max、u-max的表示式为：堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第11页!3.3.2中子探测仪表的种类8.长中子电离室在反应堆功率测量中，中子通量很高，设计几个短中子电离室，组成一个长中子电离室，各短中子电离室的中子灵敏度可达2.3×10-14A／(n.cm2.s)。

电离室高压电极(负极)的内壁及收集极外壁涂硼，室内充1％的氦和6％的氮，93％的氩气。由于中子产生的电流较大，γ的影响较小。堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第12页!3.3.2中子探测仪表的种类应用BF3

正比计数器可用于测量一回路冷却水的硼浓度。

引出一个测量回路，两侧放置中子源和中子探测器进行比较测量。一次冷却剂硼浓度测量原理图堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第13页!3.3.2中子探测仪表的种类二、固体探测器

固体物质作为探测中子的灵敏物质，有闪烁计数器、半导体计数器、活化球等中子闪烁计数器，具有计数效率高、时间响应快等优点。（一）硫化锌快中子屏工作原理：将ZnS(Ag)粉与有机玻璃粉均匀混合，利用快中子在有机玻璃中产生反冲质子使硫化锌闪烁体发光，再经光电倍增管将光信号转换成电信号输出。

为提高探测效率，常把这种混合体嵌在有机玻璃筒内，制成花卷型快中子屏。花卷型快中子屏ZnS(Ag)+C5H8O2堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第14页!3.3.2中子探测仪表的种类（三）含锂闪烁体一种锂闪烁体(LiO2.2SiO2(Ce))，是锂玻璃，具有良好的化学稳定性，其透光性、耐酸、耐腐蚀、耐高温很好，适于探测堆内中子。特点：热中子效率很高，厚度为0.4cm的锂玻璃，效率可接近100％。下表给出了锂含量为6.5％(其中6Li浓缩到96％)的锂玻璃闪烁体，厚度为2.54cm时对各种能量中子的探测效率。中子能量(KeV)0.010.111010025051010602,1703360计算效率89.4258.5427.129.955.3016.53实测效率9.955.2014.903.501.561.091.36堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第15页!3.4反应堆堆芯外核检测仪表系统

堆外检测系统包括堆外核测量系统和热工参数测量系统。3.4.1堆外中子注量率测量堆外核测量系统的主要功能是：

1.连续监测反应堆功率，功率变化及功率分布，对测得的各种信号加以显示记录在反应堆装料、启动、停闭及功率运行时给操纵员提供反应堆内中子注量率的信息；

2.监测反应堆径向功率倾斜和轴向功率偏差；

3.向反应堆功率调节系统，反应堆保护系统提供中子信号，当中子注量率高、中子注量率变化率高时，触发反应堆紧急停闭。压水堆启动时，中子注量率的变化范围很大，从启动时功率至满功率时中子注量率变化可大到6至12个数量级。因此，如果只用一种探测器来覆盖所需要的整个测量范围很困难，通常把所需测量范围分成几段，分别配以适当的核测量通道加以测定。堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第16页!3.4反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.2各个量程测量通道通常选用的探测器及仪表组成压水堆堆外核测量系统的组成

源量程测量通道中间量程通道功率量程测量通道探测器灵敏度硼正比计数管8counts/(n/cm2·s)

硼补偿电离室8×10-14A/(n/cm2·s）长电离室2.3×10-14A/（n/cm2·s）探测器量程10-1～２×10５n/（cm2·s）0.8C／s～1.6×106C／s2×102~5×1010n/(cm2·s)1.6×10-12～4×10-3A5×102~5×1010n/（cm2·s）11.5×10-12～1.15A

显示仪表量程1~106counts/s10-11~10-3A1.7×10-7~1.7×10-3A（106%满功率）堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第17页!反应堆运行时探测器的位置堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第18页!探测器径向布置堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第19页!源量程检测仪表系统堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第20页!3.4反应堆堆芯外核检测仪表系统2.中间量程测量通道(CNI）探测器是涂硼补偿电离室，由两个同轴的圆柱形电离室组成；涂硼电离室对α粒子和γ射线均敏感，在外电压作用下产生电离电流In+I1。不涂硼电离室仅对射线敏感，在补偿电压作用下产生电离电流I2。调整补偿电压使I1=

I2，再经电路分向处理二者抵消，探测器最终输出电流

In+I1

–I2

=In输出电流送到周期计线路，输出模拟量线路以及逻辑量输出线路。堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第21页!3.4反应堆堆芯外核检测仪表系统3.功率量程测量通道（CNP）

功率量程测量通道由4个独立的相同线路组成，探测器是涂硼长电离室，由6个敏感段构成；该功率值送到下列线路中：反应堆棒控系统，移动控制棒；指示和记录仪表，指示记录堆功率；反应堆测量仪，计算反应性；对比线路，监视功率径向分布不平衡；功率分布监测线路，监视堆芯功率分布；反应堆保护线路，用于启动反应堆保护。堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第22页!堆外核仪表测量系统（RPN）概图堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第23页!3.3中子探测仪表3.3.1中子探测的基本方法基本原理：探测中子是通过中子与原子核相互作用，产生可以被探测的次级粒子，并记录这些次级粒子。因此，中子探测仪表必须具备“辐射体”，即能同中子发生核相互作用产生可被探测的次级粒子的物质。基本方法：核反应法、核反冲法、核裂变法、活化法。特点：不同能量中子的探测原理和探测器结构差别较大。堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第24页!3.3中子探测仪表二、核反冲法中子与物质原子核发生弹性碰撞，原子核被反冲，且带一定正电荷，选用反冲核弹性碰撞截面大的材料作为探测器灵敏物质，就可以简接测量中子的注量率。通常是利用含氢物质作为辐射体。反冲核的反冲能表示为：所以，反冲核的质量越小反冲动能越大，通常取氢物质，A=1，上式为：当En≤20MeV

时散射截面能谱见右图。在0.1～10MeV之间遵从1╱υ定律。设：中子注量率为φ，单位体积靶物质的原子核数目为N，厚度为d，面积为S，散射截面为σs，则靶内单位时间的反冲核数Np

为：堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第25页!

裂变材料热中子裂变截面(b)

裂变阈

(MeV)3MeV时的裂变截面(b)

半衰期

(天)232Th231Pa234U236U238U237Np

≤0.0002

0.01

0.0006─≤0.00050.0191.30.50.40.850.551.50.000190.00110.00150.000850.000550.0015

1.41×10103.38×10102.45×1052.34×1074.47×1092.4×106常用裂变阈探测器材料的特性表堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第26页!四种中子探测方法比较方法核反应靶材料截面(b)用途核反应(n,α)(n,p)10B,6Li,3He～103热、慢中子的注量率核反冲(n,n’)H～1快中子注量率核裂变(n,f)233U,235U,239Pu等～5×102

热中子注量率活化(n,γ)In,Au,Dy等热中子：～1×102共振中子：～103快中子：～1慢中子的注量率堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第27页!3.3.2中子探测仪表的种类(一)、电离室

⒈工作原理与结构中子在涂硼电极上产生带电粒子，当它进入室内时，与室内充气(氦、氩)体发生相互作用，产生正、负离子对，被收集极收集，产生输出电流I，这一电流量I

的大小反映了中子注量率的大小。

式中：V─电离室的有效体积;

N0─单位体积、单位时间原电离子数;堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第28页!3.3.2中子探测仪表的种类首先讨论平行板电离室。设平行板电离室内，正、负离子都产生在x0处，以速度为w+(x)的正离子由x0到达b处的时间为T

，则电离室电流是Ii由正、负离子电流I+、I-所组成的。即：

Ii=I++I-_平行板电离室内，负离子由x0以速度为w-(x)到达a处的时间为T-，同理可以求得：堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第29页!3.3.2中子探测仪表的种类5.平行板电离室输出电压脉冲电离室电流输出经过RC网络积分，就会得到一输出脉冲，RC时间常数不同，则脉冲形状不同。对于RC>R1C1>R2C2>R3C3

情况的电离室电压脉冲如右下图所示。堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第30页!3.3.2中子探测仪表的种类7.

γ补偿电离室在有强γ场的情况下，要探测中子的强度，就需要消除γ在电离室产生的电流的影响，通常使用γ补偿电离室。参见右图就可了解其工作原理。在中子电离室区，中子产生的电流In，γ产生的电流Iγ，在γ电离室区内，只有γ产生的电流Iγ，它与前者的方向相反，所以，电流表的读数为：

I=(In+Iγ)–Iγ=In

通过调节电压V1

使γ电流值抵消，就可补偿γ影响，测量电流即为中子产生的电流。它对热中子的灵敏度为：

4×10-12A／(n／cm2S)适用于热中子通量范围：

2.5×102

～1010n／(cm2S)堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第31页!3.3.2中子探测仪表的种类(二)、BF3

正比计数器1.BF3

正比计数器

10B(n,α)7Li输出脉冲幅度为：

A是正比计数器的气体放大倍数，通常可达到103

～105；En是中子的动能；Q是反应能；e是电子电荷量；W

是平均电离能；C是计数器的等效输出电容。主要用于热中子的测量。

有以下两种：①充BF3气体的正比计数管②涂硼正比计数管在堆芯外源量程中配备。其灵敏度为：8counts／(n／cm2.s)堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第32页!3.3.2中子探测仪表的种类2.长计数管所谓长计数管，是利用在很长能量范围内探测中子的效率平坦变化的材料，作为计数管的辐射体的正比计数管。目前性能最好的长计数管，探测中子的能量范围从热中子～快中子。长计数管中子探测效率与能量的关系堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第33页!3.3.2中子探测仪表的种类（二）硫化锌慢中子屏工作原理：将ZnS(Ag)粉与含硼化合物（如B2O3）均匀混合，慢中子与10B产生的α和7Li与ZnS(Ag)闪烁体作用产生荧光，然后被光电倍增管放大为电信号输出。为提高效率，将闪烁体作成中空形，套在光电倍增管上。特点：对热中子和慢中子的探测效率高，且易于甄别γ本底。堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第34页!3.3.2中子探测仪表的种类（四）有机闪烁体由于有机闪烁体均为富含氢的CH化合物物质，发光时间短，适于高通量中子的测量，对γ本底需作甄别处理。各种闪烁体测量中子的性能对比名称型号规格

(cm)探测效率％光衰时间光谱峰(1010m)用途ZnS快中子屏混合型Φ32,5010.2μS4500快中子花卷型Φ50×2020.2μS4500快中子ZnS慢中子屏浓缩硼Φ50×1.5100.2μS4500慢中子天然硼Φ50×1.550.2μS4500慢中子锂玻璃浓缩锂Φ40×100.1μS3950热中子、中能中子蒽ST-501Φ10～5030ns4470发光标准塑料体ST-401Φ≤4005ns4200快中子计数液闪烁体ST-501Φ104,H303.7ns4200特快中子堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第35页!一般分成源量程测量通道、中间量程测量通道和功率量程测量通道三段，各个测量通道所测定的范围见图。从图上可以看出，各个量程之间的衔接至少重叠一个数量级，以保证控制和保护的连续性。堆芯外中子探测器与相应的量程范围堆芯外核检测仪表及系统共43页，您现在浏览的是第36页!3.4反应堆堆芯外核检测仪表系统3.4.3核仪表系统(RPN)

一、系统功能：⑴.提供信号：反应堆功率、功率变化及功率分布；⑵.提供控制信号，移动控制棒；⑶.监测功能:监测反应堆径向倾斜和轴向功率偏差。二、系统组成：——2个源量程测量通道（正比计数管）；——2个中间量程测量通道（补偿电离室）；——4个功率量程测量通道（非补偿电离室）长电离室，分6个灵敏段，分别测量堆芯上部、下部中子通