第三章-堆芯外核檢測儀表及系統(tǒng)課件

第三章堆芯外核檢測儀表及系統(tǒng)第三章堆芯外核檢測儀表及系統(tǒng)章節(jié)內(nèi)容3.1堆芯外的定義3.2核反應(yīng)堆功率的測量3.3中子探測儀表3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)章節(jié)內(nèi)容3.1堆芯外的定義3.1堆芯外的定義堆芯外的定義

習(xí)慣上把堆芯外中子敏感元件定義為受低于1011ncm-2s-1

的中子通量照射的敏感元件。通常安置在壓力殼外壁處，也可置于熱屏蔽區(qū)域內(nèi)。堆功率儀表系統(tǒng)用來測量反應(yīng)堆功率及監(jiān)視堆內(nèi)中子通量密度(中子注量率)變化信息的。具有：

1、運行功能

監(jiān)測堆功率、功率變化及其分布。

2、安全功能

向保護(hù)系統(tǒng)提供停堆信號等。3.1堆芯外的定義堆芯外的定義堆功率儀表系統(tǒng)用來測3.2核反應(yīng)堆功率的測量

反應(yīng)堆是依靠核燃料的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來維持工作的，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中產(chǎn)生初級碎片和一系列裂變產(chǎn)物，還有裂變中子、瞬發(fā)γ等輻射線，它們都是裂變能的載體，它們的核輻射強度與反應(yīng)堆功率成正比，它們消耗在堆內(nèi)的熱量也與堆功率成正比，因此，可以通過測量中子或γ射線的強度，及測量堆芯溫度等來間接測量反應(yīng)堆的功率。

通常是用堆芯外中子監(jiān)測儀表來測量反應(yīng)堆功率。3.2核反應(yīng)堆功率的測量反應(yīng)堆是依靠核燃料3.3中子探測儀表3.3.1中子探測的基本方法基本原理：探測中子是通過中子與原子核相互作用，產(chǎn)生可以被探測的次級粒子，并記錄這些次級粒子。因此，中子探測儀表必須具備“輻射體”，即能同中子發(fā)生核相互作用產(chǎn)生可被探測的次級粒子的物質(zhì)?；痉椒ǎ汉朔磻?yīng)法、核反沖法、核裂變法、活化法。特點：不同能量中子的探測原理和探測器結(jié)構(gòu)差別較大。3.3中子探測儀表3.3.1中子探測的基本方法3.3中子探測儀表一、核反應(yīng)法主要測量慢中子，有以下三種核反應(yīng)：

10B(n,α)7Li+2.792MeVσ0=3840±11b

6Li(n,α)3T+4.786MeVσ0=936±6b

3He(n,p)3T+0.764MeVσ0=5327±10b能量為En

的中子微觀截面σ=σ0(1／υ)3.3中子探測儀表一、核反應(yīng)法3.3中子探測儀表二、核反沖法中子與物質(zhì)原子核發(fā)生彈性碰撞，原子核被反沖，且?guī)б欢ㄕ姾桑x用反沖核彈性碰撞截面大的材料作為探測器靈敏物質(zhì)，就可以簡接測量中子的注量率。通常是利用含氫物質(zhì)作為輻射體。反沖核的反沖能表示為：所以，反沖核的質(zhì)量越小反沖動能越大，通常取氫物質(zhì)，A=1，上式為：當(dāng)En≤20MeV

時散射截面能譜見右圖。在0.1～10MeV之間遵從1╱υ定律。設(shè)：中子注量率為φ，單位體積靶物質(zhì)的原子核數(shù)目為N，厚度為d，面積為S，散射截面為σs，則靶內(nèi)單位時間的反沖核數(shù)Np

為：3.3中子探測儀表二、核反沖法當(dāng)En≤20MeV3.3中子探測儀表三、核裂變法由于裂變碎片是核裂變能量的載體，利用核裂變產(chǎn)生的兩個碎片，使物質(zhì)電離，可產(chǎn)生大的輸出脈沖，極易甄別γ射線對測量中子通量的干擾。

233U、235U、239U對熱中子的裂變截面分別為：530b、580b、742b，所以常用作裂變探測器的輻射體。

許多重物質(zhì)對中子裂變有一定閾值，可制成多閾探測器，以確定中子能量。3.3中子探測儀表三、核裂變法

裂變材料熱中子裂變截面(b)

裂變閾

(MeV)3MeV時的裂變截面(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常用裂變閾探測器材料的特性表裂變材料熱中子裂變截面3.3中子探測儀表四、活化法穩(wěn)定的原子核吸收中子后，轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫栽雍?，它們通常在衰變時會放出帶電粒子，由此可以間接測出中子的通量密度。例如：

n+115In→116In+γ

116In→116Sn+β－

+ν－

測量β－的強度就能夠確定中子的通量密度。小結(jié)

從上述4種中子探測方法可知，中子探測過程可分為兩個部分：（1）首先是中子和輻射體發(fā)生相互作用產(chǎn)生帶電粒子或感生放射性；（2）其次是在某種探測儀表中記錄這些帶電粒子或感生放射性。3.3中子探測儀表四、活化法小結(jié) 從上述4種中子探測方法可四種中子探測方法比較方法核反應(yīng)靶材料截面(b)用途核反應(yīng)(n,α)(n,p)10B,6Li,3He～103熱、慢中子的注量率核反沖(n,n’)H～1快中子注量率核裂變(n,f)233U,235U,239Pu等～5×102

熱中子注量率活化(n,γ)In,Au,Dy等熱中子：～1×102共振中子：～103快中子：～1慢中子的注量率四種中子探測方法比較方法核反應(yīng)靶材料截面(b)用途核反3.3.2中子探測儀表的種類一、氣體探測器

Ⅲ正比區(qū)：V2→V3：電子在電場加速中獲得能量足以產(chǎn)生二次電離，產(chǎn)生了電離雪崩。輸出AN0正負(fù)離子對，脈沖幅度為：

ⅤG-M區(qū)當(dāng)電壓大于V4

以后，室內(nèi)的激發(fā)光子起主導(dǎo)作用，使整個室內(nèi)氣體放大，發(fā)生電子雪崩，輸出脈沖大小與粒子能量無關(guān)。

Ⅰ、復(fù)合區(qū)：0→V1

Ⅱ、電離區(qū)：V1→V2，原電離離子全被電極收集。Ⅳ有限正比區(qū)：V3→V4

當(dāng)電壓大于V3后，原電離電荷大的，比小的其放大倍數(shù)相對變小，即放大倍數(shù)A與人射粒子能量有關(guān)。3.3.2中子探測儀表的種類一、氣體探測器Ⅲ3.3.2中子探測儀表的種類(一)、電離室

⒈工作原理與結(jié)構(gòu)中子在涂硼電極上產(chǎn)生帶電粒子，當(dāng)它進(jìn)入室內(nèi)時，與室內(nèi)充氣(氦、氬)體發(fā)生相互作用，產(chǎn)生正、負(fù)離子對，被收集極收集，產(chǎn)生輸出電流I，這一電流量I

的大小反映了中子注量率的大小。

式中：V─電離室的有效體積;

N0─單位體積、單位時間原電離子數(shù);3.3.2中子探測儀表的種類(一)、電離室3.3.2中子探測儀表的種類2.電離室的輸出脈沖電離室輸出脈沖幅度Um為：

式中：△E─中子間接產(chǎn)生的粒子損失在電離室的能量;C─電離室輸出有效電容(法);W─平均電離能;e

是電子電荷量。3.電離室輸出脈沖形狀電離室輸出脈沖形狀反映了入射粒子的信息，與之連接的二次線路也要以此進(jìn)行設(shè)計，盡量保持原有信息。所以，分折脈沖形狀尤為重要。電離室電流是Ii由正、負(fù)離子電流I+、I-所組成的。即：

Ii=I++I-正、負(fù)離子運動速度分別為：電場強度E(x)=V／(b-a)3.3.2中子探測儀表的種類2.電離室的輸出脈沖正、負(fù)離3.3.2中子探測儀表的種類首先討論平行板電離室。設(shè)平行板電離室內(nèi)，正、負(fù)離子都產(chǎn)生在x0處，以速度為w+(x)的正離子由x0到達(dá)b處的時間為T

，則電離室電流是Ii由正、負(fù)離子電流I+、I-所組成的。即：

Ii=I++I-_平行板電離室內(nèi)，負(fù)離子由x0以速度為w-(x)到達(dá)a處的時間為T-，同理可以求得：3.3.2中子探測儀表的種類首先討論平行板電離室。設(shè)平行板4.平行板電離室輸出電流I

一個電子在電場E的作用下所作的功率為eEw-，又等于V×Ie

，所以

V×Ie=eEw-其中：E

=V／(b-a);w-=μ-.E／P一個電子生成的電流：假設(shè)一個入射粒子產(chǎn)生的電離電子數(shù)為n，則它產(chǎn)生的電流為I-(t)，正離子電流為I+(t)：3.3.2中子探測儀表的種類4.平行板電離室輸出電流I3.3.2中子探測儀表的種類3.3.2中子探測儀表的種類5.平行板電離室輸出電壓脈沖電離室電流輸出經(jīng)過RC網(wǎng)絡(luò)積分，就會得到一輸出脈沖，RC時間常數(shù)不同，則脈沖形狀不同。對于RC>R1C1>R2C2>R3C3

情況的電離室電壓脈沖如右下圖所示。3.3.2中子探測儀表的種類5.平行板電離室輸出電壓脈沖6.圓柱形電離室輸出電流及電壓脈沖圓柱形電離室電流輸出情況與平行板電離室電壓脈沖相似，如圖所示。圓柱形電極的電場強度為：3.3.2中子探測儀表的種類

通過同樣計算可求得正、負(fù)離子的收集時間T+、T-，及輸出電流I+、I-

，u+max、u-max的表示式為：6.圓柱形電離室輸出電流及電壓脈沖3.3.2中子探測3.3.2中子探測儀表的種類7.

γ補償電離室在有強γ場的情況下，要探測中子的強度，就需要消除γ在電離室產(chǎn)生的電流的影響，通常使用γ補償電離室。參見右圖就可了解其工作原理。在中子電離室區(qū)，中子產(chǎn)生的電流In，γ產(chǎn)生的電流Iγ，在γ電離室區(qū)內(nèi)，只有γ產(chǎn)生的電流Iγ，它與前者的方向相反，所以，電流表的讀數(shù)為：

I=(In+Iγ)–Iγ=In

通過調(diào)節(jié)電壓V1

使γ電流值抵消，就可補償γ影響，測量電流即為中子產(chǎn)生的電流。它對熱中子的靈敏度為：

4×10-12A／(n／cm2S)適用于熱中子通量范圍：

2.5×102

～1010n／(cm2S)3.3.2中子探測儀表的種類7.γ補償電離室3.3.2中子探測儀表的種類8.長中子電離室在反應(yīng)堆功率測量中，中子通量很高，設(shè)計幾個短中子電離室，組成一個長中子電離室，各短中子電離室的中子靈敏度可達(dá)2.3×10-14A／(n.cm2.s)。

電離室高壓電極(負(fù)極)的內(nèi)壁及收集極外壁涂硼，室內(nèi)充1％的氦和6％的氮，93％的氬氣。由于中子產(chǎn)生的電流較大，γ的影響較小。3.3.2中子探測儀表的種類8.長中子電離室3.3.2中子探測儀表的種類(二)、BF3

正比計數(shù)器1.BF3

正比計數(shù)器

10B(n,α)7Li輸出脈沖幅度為：

A是正比計數(shù)器的氣體放大倍數(shù)，通常可達(dá)到103

～105；En是中子的動能；Q是反應(yīng)能；e是電子電荷量；W

是平均電離能；C是計數(shù)器的等效輸出電容。主要用于熱中子的測量。

有以下兩種：①充BF3氣體的正比計數(shù)管②涂硼正比計數(shù)管在堆芯外源量程中配備。其靈敏度為：8counts／(n／cm2.s)3.3.2中子探測儀表的種類(二)、BF3正比計數(shù)器3.3.2中子探測儀表的種類應(yīng)用BF3

正比計數(shù)器可用于測量一回路冷卻水的硼濃度。

引出一個測量回路，兩側(cè)放置中子源和中子探測器進(jìn)行比較測量。一次冷卻劑硼濃度測量原理圖3.3.2中子探測儀表的種類應(yīng)用一次冷卻劑硼濃度測量原理圖3.3.2中子探測儀表的種類2.長計數(shù)管所謂長計數(shù)管，是利用在很長能量范圍內(nèi)探測中子的效率平坦變化的材料，作為計數(shù)管的輻射體的正比計數(shù)管。目前性能最好的長計數(shù)管，探測中子的能量范圍從熱中子～快中子。長計數(shù)管中子探測效率與能量的關(guān)系3.3.2中子探測儀表的種類2.長計數(shù)管長計數(shù)管中子探測3.3.2中子探測儀表的種類二、固體探測器

固體物質(zhì)作為探測中子的靈敏物質(zhì)，有閃爍計數(shù)器、半導(dǎo)體計數(shù)器、活化球等中子閃爍計數(shù)器，具有計數(shù)效率高、時間響應(yīng)快等優(yōu)點。（一）硫化鋅快中子屏工作原理：將ZnS(Ag)粉與有機玻璃粉均勻混合，利用快中子在有機玻璃中產(chǎn)生反沖質(zhì)子使硫化鋅閃爍體發(fā)光，再經(jīng)光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。

為提高探測效率，常把這種混合體嵌在有機玻璃筒內(nèi)，制成花卷型快中子屏?；ň硇涂熘凶悠罿nS(Ag)+C5H8O23.3.2中子探測儀表的種類二、固體探測器（3.3.2中子探測儀表的種類（二）硫化鋅慢中子屏工作原理：將ZnS(Ag)粉與含硼化合物（如B2O3）均勻混合，慢中子與10B產(chǎn)生的α和7Li與ZnS(Ag)閃爍體作用產(chǎn)生熒光，然后被光電倍增管放大為電信號輸出。為提高效率，將閃爍體作成中空形，套在光電倍增管上。特點：對熱中子和慢中子的探測效率高，且易于甄別γ本底。3.3.2中子探測儀表的種類（二）硫化鋅慢中子屏3.3.2中子探測儀表的種類（三）含鋰閃爍體一種鋰閃爍體(LiO2.2SiO2(Ce))，是鋰玻璃，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，其透光性、耐酸、耐腐蝕、耐高溫很好，適于探測堆內(nèi)中子。特點：熱中子效率很高，厚度為0.4cm的鋰玻璃，效率可接近100％。下表給出了鋰含量為6.5％(其中6Li濃縮到96％)的鋰玻璃閃爍體，厚度為2.54cm時對各種能量中子的探測效率。中子能量(KeV)0.010.111010025051010602,1703360計算效率89.4258.5427.129.955.3016.53實測效率9.955.2014.903.501.561.091.363.3.2中子探測儀表的種類（三）含鋰閃爍體中子能量計算實3.3.2中子探測儀表的種類（四）有機閃爍體由于有機閃爍體均為富含氫的CH化合物物質(zhì)，發(fā)光時間短，適于高通量中子的測量，對γ本底需作甄別處理。各種閃爍體測量中子的性能對比名稱型號規(guī)格

(cm)探測效率％光衰時間光譜峰(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慢中子屏濃縮硼Φ50×1.5100.2μS4500慢中子天然硼Φ50×1.550.2μS4500慢中子鋰玻璃濃縮鋰Φ40×100.1μS3950熱中子、中能中子蒽ST-501Φ10～5030ns4470發(fā)光標(biāo)準(zhǔn)塑料體ST-401Φ≤4005ns4200快中子計數(shù)液閃爍體ST-501Φ104,H303.7ns4200特快中子3.3.2中子探測儀表的種類（四）有機閃爍體各種閃爍體測量3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)

堆外檢測系統(tǒng)包括堆外核測量系統(tǒng)和熱工參數(shù)測量系統(tǒng)。3.4.1堆外中子注量率測量堆外核測量系統(tǒng)的主要功能是：

1.連續(xù)監(jiān)測反應(yīng)堆功率，功率變化及功率分布，對測得的各種信號加以顯示記錄在反應(yīng)堆裝料、啟動、停閉及功率運行時給操縱員提供反應(yīng)堆內(nèi)中子注量率的信息；

2.監(jiān)測反應(yīng)堆徑向功率傾斜和軸向功率偏差；

3.向反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供中子信號，當(dāng)中子注量率高、中子注量率變化率高時，觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停閉。壓水堆啟動時，中子注量率的變化范圍很大，從啟動時功率至滿功率時中子注量率變化可大到6至12個數(shù)量級。因此，如果只用一種探測器來覆蓋所需要的整個測量范圍很困難，通常把所需測量范圍分成幾段，分別配以適當(dāng)?shù)暮藴y量通道加以測定。3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)堆外檢測系統(tǒng)包括堆外核一般分成源量程測量通道、中間量程測量通道和功率量程測量通道三段，各個測量通道所測定的范圍見圖。從圖上可以看出，各個量程之間的銜接至少重疊一個數(shù)量級，以保證控制和保護(hù)的連續(xù)性。堆芯外中子探測器與相應(yīng)的量程范圍一般分成源量程測量通道、中間量程測量通道和功3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)3.4.2各個量程測量通道通常選用的探測器及儀表組成壓水堆堆外核測量系統(tǒng)的組成

源量程測量通道中間量程通道功率量程測量通道探測器靈敏度硼正比計數(shù)管8counts/(n/cm2·s)

硼補償電離室8×10-14A/(n/cm2·s）長電離室2.3×10-14A/（n/cm2·s）探測器量程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

顯示儀表量程1~106counts/s10-11~10-3A1.7×10-7~1.7×10-3A（106%滿功率）3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)3.4.2各個量程測量通3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)3.4.3核儀表系統(tǒng)(RPN)

一、系統(tǒng)功能：⑴.提供信號：反應(yīng)堆功率、功率變化及功率分布；⑵.提供控制信號，移動控制棒；⑶.監(jiān)測功能:監(jiān)測反應(yīng)堆徑向傾斜和軸向功率偏差。二、系統(tǒng)組成：——2個源量程測量通道（正比計數(shù)管）；——2個中間量程測量通道（補償電離室）；——4個功率量程測量通道（非補償電離室）長電離室，分6個靈敏段，分別測量堆芯上部、下部中子通量。3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)3.4.3核儀表系統(tǒng)反應(yīng)堆運行時探測器的位置反應(yīng)堆運行時探測器的位置探測器軸向布置探測器軸向布置探測器徑向布置探測器徑向布置3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)3.4.4三個測量通道原理

1.源量程測量通道（CNS）

由兩個獨立的相同線路組成。在反應(yīng)堆停堆期間和啟動初始階段，測量范圍從10-1到2105n/（cm2·s

），探測器采用正比計數(shù)管，計數(shù)管內(nèi)壁涂硼，管內(nèi)充以氬氣和少量的二氧化碳，外加直流高壓(900V）。任務(wù)：指示反應(yīng)堆啟動過程中的功率和功率變化速度，同時為保護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)功率與周期保護(hù)信號。

輸出電流送到周期計線路用于顯示；模擬量輸出線路用于指示和記錄；邏輯量輸出線路用于啟動報警及反應(yīng)堆保護(hù)。3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)3.4.4三個測量通道源量程檢測儀表系統(tǒng)源量程檢測儀表系統(tǒng)3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)周期計在源量程和中間量程測量通道中都包括周期計，它產(chǎn)生功率倍增時間信號，送往顯示器，以顯示中子注量率變化一倍的時間T。反應(yīng)堆功率變化遵守指數(shù)規(guī)律：其中：P0為t=0時的堆功率；P為t時刻的堆功率；T為功率倍增周期(倍增時間)。上式兩邊取對數(shù)：

倍增周期，代表堆功率變化趨勢、快慢和反應(yīng)堆所處的狀態(tài)。

T=3s，說明堆功率每3s增加1倍，反應(yīng)堆處于超臨界狀態(tài)；

T=-25s，說明堆功率每25s降低1倍，反應(yīng)堆處于次臨界狀態(tài)。

T=，說明堆功率為常數(shù)，反應(yīng)堆處于臨界狀態(tài)。如果倍增周期為一過小的正值，說明反應(yīng)堆功率增加過快，容易失控。在啟動反應(yīng)堆升功率時，一定要時刻監(jiān)視倍增周期，禁止其小于18s

由此可見：倍增時間T與功率對數(shù)的導(dǎo)數(shù)成反比。周期計正是產(chǎn)生功率對數(shù)的對數(shù)放大器的輸出經(jīng)過微分、取倒數(shù)運算以后，輸出倍增時間T信號。3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)周期計倍增周期，3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)2.中間量程測量通道(CNI）探測器是涂硼補償電離室，由兩個同軸的圓柱形電離室組成；涂硼電離室對α粒子和γ射線均敏感，在外電壓作用下產(chǎn)生電離電流In+I1。不涂硼電離室僅對射線敏感，在補償電壓作用下產(chǎn)生電離電流I2。調(diào)整補償電壓使I1=

I2，再經(jīng)電路分向處理二者抵消，探測器最終輸出電流

In+I1

–I2

=In輸出電流送到周期計線路，輸出模擬量線路以及邏輯量輸出線路。3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)2.中間量程測量通道(C第三章__堆芯外核檢測儀表及系統(tǒng)課件3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)3.功率量程測量通道（CNP）

功率量程測量通道由4個獨立的相同線路組成，探測器是涂硼長電離室，由6個敏感段構(gòu)成；該功率值送到下列線路中：反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)，移動控制棒；指示和記錄儀表，指示記錄堆功率；反應(yīng)堆測量儀，計算反應(yīng)性；對比線路，監(jiān)視功率徑向分布不平衡；功率分布監(jiān)測線路，監(jiān)視堆芯功率分布；反應(yīng)堆保護(hù)線路，用于啟動反應(yīng)堆保護(hù)。3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)3.功率量程測量通道（CN第三章__堆芯外核檢測儀表及系統(tǒng)課件堆外核儀表測量系統(tǒng)（RPN）概圖堆外核儀表測量系統(tǒng)（RPN）概圖中子探測的基本原理（四種方法）氣體探測器的基本工作原理（電離）中子通量量程的分布（3個量程）堆外中子探測器的布置（8個探測器）中子探測的基本原理（四種方法）第三章堆芯外核檢測儀表及系統(tǒng)第三章堆芯外核檢測儀表及系統(tǒng)章節(jié)內(nèi)容3.1堆芯外的定義3.2核反應(yīng)堆功率的測量3.3中子探測儀表3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)章節(jié)內(nèi)容3.1堆芯外的定義3.1堆芯外的定義堆芯外的定義

習(xí)慣上把堆芯外中子敏感元件定義為受低于1011ncm-2s-1

的中子通量照射的敏感元件。通常安置在壓力殼外壁處，也可置于熱屏蔽區(qū)域內(nèi)。堆功率儀表系統(tǒng)用來測量反應(yīng)堆功率及監(jiān)視堆內(nèi)中子通量密度(中子注量率)變化信息的。具有：

1、運行功能

監(jiān)測堆功率、功率變化及其分布。

2、安全功能

向保護(hù)系統(tǒng)提供停堆信號等。3.1堆芯外的定義堆芯外的定義堆功率儀表系統(tǒng)用來測3.2核反應(yīng)堆功率的測量

反應(yīng)堆是依靠核燃料的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來維持工作的，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中產(chǎn)生初級碎片和一系列裂變產(chǎn)物，還有裂變中子、瞬發(fā)γ等輻射線，它們都是裂變能的載體，它們的核輻射強度與反應(yīng)堆功率成正比，它們消耗在堆內(nèi)的熱量也與堆功率成正比，因此，可以通過測量中子或γ射線的強度，及測量堆芯溫度等來間接測量反應(yīng)堆的功率。

通常是用堆芯外中子監(jiān)測儀表來測量反應(yīng)堆功率。3.2核反應(yīng)堆功率的測量反應(yīng)堆是依靠核燃料3.3中子探測儀表3.3.1中子探測的基本方法基本原理：探測中子是通過中子與原子核相互作用，產(chǎn)生可以被探測的次級粒子，并記錄這些次級粒子。因此，中子探測儀表必須具備“輻射體”，即能同中子發(fā)生核相互作用產(chǎn)生可被探測的次級粒子的物質(zhì)?；痉椒ǎ汉朔磻?yīng)法、核反沖法、核裂變法、活化法。特點：不同能量中子的探測原理和探測器結(jié)構(gòu)差別較大。3.3中子探測儀表3.3.1中子探測的基本方法3.3中子探測儀表一、核反應(yīng)法主要測量慢中子，有以下三種核反應(yīng)：

10B(n,α)7Li+2.792MeVσ0=3840±11b

6Li(n,α)3T+4.786MeVσ0=936±6b

3He(n,p)3T+0.764MeVσ0=5327±10b能量為En

的中子微觀截面σ=σ0(1／υ)3.3中子探測儀表一、核反應(yīng)法3.3中子探測儀表二、核反沖法中子與物質(zhì)原子核發(fā)生彈性碰撞，原子核被反沖，且?guī)б欢ㄕ姾桑x用反沖核彈性碰撞截面大的材料作為探測器靈敏物質(zhì)，就可以簡接測量中子的注量率。通常是利用含氫物質(zhì)作為輻射體。反沖核的反沖能表示為：所以，反沖核的質(zhì)量越小反沖動能越大，通常取氫物質(zhì)，A=1，上式為：當(dāng)En≤20MeV

時散射截面能譜見右圖。在0.1～10MeV之間遵從1╱υ定律。設(shè)：中子注量率為φ，單位體積靶物質(zhì)的原子核數(shù)目為N，厚度為d，面積為S，散射截面為σs，則靶內(nèi)單位時間的反沖核數(shù)Np

為：3.3中子探測儀表二、核反沖法當(dāng)En≤20MeV3.3中子探測儀表三、核裂變法由于裂變碎片是核裂變能量的載體，利用核裂變產(chǎn)生的兩個碎片，使物質(zhì)電離，可產(chǎn)生大的輸出脈沖，極易甄別γ射線對測量中子通量的干擾。

233U、235U、239U對熱中子的裂變截面分別為：530b、580b、742b，所以常用作裂變探測器的輻射體。

許多重物質(zhì)對中子裂變有一定閾值，可制成多閾探測器，以確定中子能量。3.3中子探測儀表三、核裂變法

裂變材料熱中子裂變截面(b)

裂變閾

(MeV)3MeV時的裂變截面(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常用裂變閾探測器材料的特性表裂變材料熱中子裂變截面3.3中子探測儀表四、活化法穩(wěn)定的原子核吸收中子后，轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫栽雍?，它們通常在衰變時會放出帶電粒子，由此可以間接測出中子的通量密度。例如：

n+115In→116In+γ

116In→116Sn+β－

+ν－

測量β－的強度就能夠確定中子的通量密度。小結(jié)

從上述4種中子探測方法可知，中子探測過程可分為兩個部分：（1）首先是中子和輻射體發(fā)生相互作用產(chǎn)生帶電粒子或感生放射性；（2）其次是在某種探測儀表中記錄這些帶電粒子或感生放射性。3.3中子探測儀表四、活化法小結(jié) 從上述4種中子探測方法可四種中子探測方法比較方法核反應(yīng)靶材料截面(b)用途核反應(yīng)(n,α)(n,p)10B,6Li,3He～103熱、慢中子的注量率核反沖(n,n’)H～1快中子注量率核裂變(n,f)233U,235U,239Pu等～5×102

熱中子注量率活化(n,γ)In,Au,Dy等熱中子：～1×102共振中子：～103快中子：～1慢中子的注量率四種中子探測方法比較方法核反應(yīng)靶材料截面(b)用途核反3.3.2中子探測儀表的種類一、氣體探測器

Ⅲ正比區(qū)：V2→V3：電子在電場加速中獲得能量足以產(chǎn)生二次電離，產(chǎn)生了電離雪崩。輸出AN0正負(fù)離子對，脈沖幅度為：

ⅤG-M區(qū)當(dāng)電壓大于V4

以后，室內(nèi)的激發(fā)光子起主導(dǎo)作用，使整個室內(nèi)氣體放大，發(fā)生電子雪崩，輸出脈沖大小與粒子能量無關(guān)。

Ⅰ、復(fù)合區(qū)：0→V1

Ⅱ、電離區(qū)：V1→V2，原電離離子全被電極收集。Ⅳ有限正比區(qū)：V3→V4

當(dāng)電壓大于V3后，原電離電荷大的，比小的其放大倍數(shù)相對變小，即放大倍數(shù)A與人射粒子能量有關(guān)。3.3.2中子探測儀表的種類一、氣體探測器Ⅲ3.3.2中子探測儀表的種類(一)、電離室

⒈工作原理與結(jié)構(gòu)中子在涂硼電極上產(chǎn)生帶電粒子，當(dāng)它進(jìn)入室內(nèi)時，與室內(nèi)充氣(氦、氬)體發(fā)生相互作用，產(chǎn)生正、負(fù)離子對，被收集極收集，產(chǎn)生輸出電流I，這一電流量I

的大小反映了中子注量率的大小。

式中：V─電離室的有效體積;

N0─單位體積、單位時間原電離子數(shù);3.3.2中子探測儀表的種類(一)、電離室3.3.2中子探測儀表的種類2.電離室的輸出脈沖電離室輸出脈沖幅度Um為：

式中：△E─中子間接產(chǎn)生的粒子損失在電離室的能量;C─電離室輸出有效電容(法);W─平均電離能;e

是電子電荷量。3.電離室輸出脈沖形狀電離室輸出脈沖形狀反映了入射粒子的信息，與之連接的二次線路也要以此進(jìn)行設(shè)計，盡量保持原有信息。所以，分折脈沖形狀尤為重要。電離室電流是Ii由正、負(fù)離子電流I+、I-所組成的。即：

Ii=I++I-正、負(fù)離子運動速度分別為：電場強度E(x)=V／(b-a)3.3.2中子探測儀表的種類2.電離室的輸出脈沖正、負(fù)離3.3.2中子探測儀表的種類首先討論平行板電離室。設(shè)平行板電離室內(nèi)，正、負(fù)離子都產(chǎn)生在x0處，以速度為w+(x)的正離子由x0到達(dá)b處的時間為T

，則電離室電流是Ii由正、負(fù)離子電流I+、I-所組成的。即：

Ii=I++I-_平行板電離室內(nèi)，負(fù)離子由x0以速度為w-(x)到達(dá)a處的時間為T-，同理可以求得：3.3.2中子探測儀表的種類首先討論平行板電離室。設(shè)平行板4.平行板電離室輸出電流I

一個電子在電場E的作用下所作的功率為eEw-，又等于V×Ie

，所以

V×Ie=eEw-其中：E

=V／(b-a);w-=μ-.E／P一個電子生成的電流：假設(shè)一個入射粒子產(chǎn)生的電離電子數(shù)為n，則它產(chǎn)生的電流為I-(t)，正離子電流為I+(t)：3.3.2中子探測儀表的種類4.平行板電離室輸出電流I3.3.2中子探測儀表的種類3.3.2中子探測儀表的種類5.平行板電離室輸出電壓脈沖電離室電流輸出經(jīng)過RC網(wǎng)絡(luò)積分，就會得到一輸出脈沖，RC時間常數(shù)不同，則脈沖形狀不同。對于RC>R1C1>R2C2>R3C3

情況的電離室電壓脈沖如右下圖所示。3.3.2中子探測儀表的種類5.平行板電離室輸出電壓脈沖6.圓柱形電離室輸出電流及電壓脈沖圓柱形電離室電流輸出情況與平行板電離室電壓脈沖相似，如圖所示。圓柱形電極的電場強度為：3.3.2中子探測儀表的種類

通過同樣計算可求得正、負(fù)離子的收集時間T+、T-，及輸出電流I+、I-

，u+max、u-max的表示式為：6.圓柱形電離室輸出電流及電壓脈沖3.3.2中子探測3.3.2中子探測儀表的種類7.

γ補償電離室在有強γ場的情況下，要探測中子的強度，就需要消除γ在電離室產(chǎn)生的電流的影響，通常使用γ補償電離室。參見右圖就可了解其工作原理。在中子電離室區(qū)，中子產(chǎn)生的電流In，γ產(chǎn)生的電流Iγ，在γ電離室區(qū)內(nèi)，只有γ產(chǎn)生的電流Iγ，它與前者的方向相反，所以，電流表的讀數(shù)為：

I=(In+Iγ)–Iγ=In

通過調(diào)節(jié)電壓V1

使γ電流值抵消，就可補償γ影響，測量電流即為中子產(chǎn)生的電流。它對熱中子的靈敏度為：

4×10-12A／(n／cm2S)適用于熱中子通量范圍：

2.5×102

～1010n／(cm2S)3.3.2中子探測儀表的種類7.γ補償電離室3.3.2中子探測儀表的種類8.長中子電離室在反應(yīng)堆功率測量中，中子通量很高，設(shè)計幾個短中子電離室，組成一個長中子電離室，各短中子電離室的中子靈敏度可達(dá)2.3×10-14A／(n.cm2.s)。

電離室高壓電極(負(fù)極)的內(nèi)壁及收集極外壁涂硼，室內(nèi)充1％的氦和6％的氮，93％的氬氣。由于中子產(chǎn)生的電流較大，γ的影響較小。3.3.2中子探測儀表的種類8.長中子電離室3.3.2中子探測儀表的種類(二)、BF3

正比計數(shù)器1.BF3

正比計數(shù)器

10B(n,α)7Li輸出脈沖幅度為：

A是正比計數(shù)器的氣體放大倍數(shù)，通?？蛇_(dá)到103

～105；En是中子的動能；Q是反應(yīng)能；e是電子電荷量；W

是平均電離能；C是計數(shù)器的等效輸出電容。主要用于熱中子的測量。

有以下兩種：①充BF3氣體的正比計數(shù)管②涂硼正比計數(shù)管在堆芯外源量程中配備。其靈敏度為：8counts／(n／cm2.s)3.3.2中子探測儀表的種類(二)、BF3正比計數(shù)器3.3.2中子探測儀表的種類應(yīng)用BF3

正比計數(shù)器可用于測量一回路冷卻水的硼濃度。

引出一個測量回路，兩側(cè)放置中子源和中子探測器進(jìn)行比較測量。一次冷卻劑硼濃度測量原理圖3.3.2中子探測儀表的種類應(yīng)用一次冷卻劑硼濃度測量原理圖3.3.2中子探測儀表的種類2.長計數(shù)管所謂長計數(shù)管，是利用在很長能量范圍內(nèi)探測中子的效率平坦變化的材料，作為計數(shù)管的輻射體的正比計數(shù)管。目前性能最好的長計數(shù)管，探測中子的能量范圍從熱中子～快中子。長計數(shù)管中子探測效率與能量的關(guān)系3.3.2中子探測儀表的種類2.長計數(shù)管長計數(shù)管中子探測3.3.2中子探測儀表的種類二、固體探測器

固體物質(zhì)作為探測中子的靈敏物質(zhì)，有閃爍計數(shù)器、半導(dǎo)體計數(shù)器、活化球等中子閃爍計數(shù)器，具有計數(shù)效率高、時間響應(yīng)快等優(yōu)點。（一）硫化鋅快中子屏工作原理：將ZnS(Ag)粉與有機玻璃粉均勻混合，利用快中子在有機玻璃中產(chǎn)生反沖質(zhì)子使硫化鋅閃爍體發(fā)光，再經(jīng)光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。

為提高探測效率，常把這種混合體嵌在有機玻璃筒內(nèi)，制成花卷型快中子屏?；ň硇涂熘凶悠罿nS(Ag)+C5H8O23.3.2中子探測儀表的種類二、固體探測器（3.3.2中子探測儀表的種類（二）硫化鋅慢中子屏工作原理：將ZnS(Ag)粉與含硼化合物（如B2O3）均勻混合，慢中子與10B產(chǎn)生的α和7Li與ZnS(Ag)閃爍體作用產(chǎn)生熒光，然后被光電倍增管放大為電信號輸出。為提高效率，將閃爍體作成中空形，套在光電倍增管上。特點：對熱中子和慢中子的探測效率高，且易于甄別γ本底。3.3.2中子探測儀表的種類（二）硫化鋅慢中子屏3.3.2中子探測儀表的種類（三）含鋰閃爍體一種鋰閃爍體(LiO2.2SiO2(Ce))，是鋰玻璃，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，其透光性、耐酸、耐腐蝕、耐高溫很好，適于探測堆內(nèi)中子。特點：熱中子效率很高，厚度為0.4cm的鋰玻璃，效率可接近100％。下表給出了鋰含量為6.5％(其中6Li濃縮到96％)的鋰玻璃閃爍體，厚度為2.54cm時對各種能量中子的探測效率。中子能量(KeV)0.010.111010025051010602,1703360計算效率89.4258.5427.129.955.3016.53實測效率9.955.2014.903.501.561.091.363.3.2中子探測儀表的種類（三）含鋰閃爍體中子能量計算實3.3.2中子探測儀表的種類（四）有機閃爍體由于有機閃爍體均為富含氫的CH化合物物質(zhì)，發(fā)光時間短，適于高通量中子的測量，對γ本底需作甄別處理。各種閃爍體測量中子的性能對比名稱型號規(guī)格

(cm)探測效率％光衰時間光譜峰(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慢中子屏濃縮硼Φ50×1.5100.2μS4500慢中子天然硼Φ50×1.550.2μS4500慢中子鋰玻璃濃縮鋰Φ40×100.1μS3950熱中子、中能中子蒽ST-501Φ10～5030ns4470發(fā)光標(biāo)準(zhǔn)塑料體ST-401Φ≤4005ns4200快中子計數(shù)液閃爍體ST-501Φ104,H303.7ns4200特快中子3.3.2中子探測儀表的種類（四）有機閃爍體各種閃爍體測量3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)

堆外檢測系統(tǒng)包括堆外核測量系統(tǒng)和熱工參數(shù)測量系統(tǒng)。3.4.1堆外中子注量率測量堆外核測量系統(tǒng)的主要功能是：

1.連續(xù)監(jiān)測反應(yīng)堆功率，功率變化及功率分布，對測得的各種信號加以顯示記錄在反應(yīng)堆裝料、啟動、停閉及功率運行時給操縱員提供反應(yīng)堆內(nèi)中子注量率的信息；

2.監(jiān)測反應(yīng)堆徑向功率傾斜和軸向功率偏差；

3.向反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供中子信號，當(dāng)中子注量率高、中子注量率變化率高時，觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停閉。壓水堆啟動時，中子注量率的變化范圍很大，從啟動時功率至滿功率時中子注量率變化可大到6至12個數(shù)量級。因此，如果只用一種探測器來覆蓋所需要的整個測量范圍很困難，通常把所需測量范圍分成幾段，分別配以適當(dāng)?shù)暮藴y量通道加以測定。3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)堆外檢測系統(tǒng)包括堆外核一般分成源量程測量通道、中間量程測量通道和功率量程測量通道三段，各個測量通道所測定的范圍見圖。從圖上可以看出，各個量程之間的銜接至少重疊一個數(shù)量級，以保證控制和保護(hù)的連續(xù)性。堆芯外中子探測器與相應(yīng)的量程范圍一般分成源量程測量通道、中間量程測量通道和功3.4反應(yīng)堆堆芯外核檢測儀表系統(tǒng)3.4.2各個量程測量通道通常選用的探測器及儀表組成壓水堆堆外核測量系統(tǒng)的組成

源量程測量通道中間量程通道功率量程測量通道探測器靈敏度硼正比計數(shù)管8counts/(n/cm2·s)

硼補償電離室8×10-14A/(n/cm2·s）長電離室2.3×10-14A/（n/cm2·s）探測器量程10-1～２×10５n/（cm2·s）0.8C／s～1.6×106C／s2×102~5×1