堆芯中子注量率测量

包括早期的活化丝系统和在德国压水堆核电厂中广泛应用的气动球探测系统。

(1)活化丝法:早期的反应堆利用一套机械装置把各金属丝送入堆芯内预定位置，金属丝在堆芯经辐照活化后，再在堆外测出金属丝的活性。常用的活化丝有钨丝、锰丝等。

(2)气动球系统:运用压缩空气运载的系统。将直径1.6mm的实心钒钢球经管道从堆顶吹入预先选定的堆芯中子注量率测量管道。这些钢球含有V，V吸收中子后生成活化核V，V衰变(半衰期3.76min)放射出β粒子及γ射线。钒钢球在堆内经过3min左右的照射后，再由压缩空气沿原路经反方向吹出堆芯，送到测量台。小球柱的高度与堆芯高度相同，其活化强度与轴向中子注量率分布成比例。测量时，每4到8个小球柱为一组，每个小球柱又按顺序分成30个小段，每段测量时间为1s。图3是一组气动球测量系统的示意图。堆芯内设有24个气动球测量管道，分布在堆芯不同方位、不同半径处。每4个气动球测量管道组装在一个机械构件上，并通过一个出口穿过压力容器顶盖。用半导体探测器测量小球的γ放射性，24个小球柱分4组测量，每组6个小球柱同时测量，每个小球柱分成30个测点，每个测点测1s，测完一组约半分钟，4组共2min。测得的脉冲信号经前置放大器甄别、放大后送到计数器计数。采用过程计算机，根据所测得的脉冲速率，经若干修正，求出同一时间内归一化了的反应堆功率分布。属于这种修正的有小球的残余放射性和小球在堆内停留所造成的偏差。通过计算机数据处理，气动球堆芯中子测量系统还给出临界热流密度比、最大线释热率、轴向功率偏差因子和象限功率倾斜因子等参数。为提高精确度，测量前用Co标准源对半导体探测器进行标定 。

测量装置包括芯内裂变室、微型电离室、相应的机械装置;或者固定在堆内的自给能中子探测器。

(1)芯内裂变室:在压水堆和沸水堆中，大多数移动式堆芯中子注量率测量系统都采用芯内裂变室作为中子敏感元件。裂变室的特点是铀内衬的燃耗相当小。在脉冲基数、均方电压、平均电流(直流)三种基本方式中裂变室都能满意地工作。因此，在源量程通道(采用脉冲计数)、中间量程通道(采用均方电压技术)以及功率量程通道(采用平均电流技术)中，堆芯内裂变室都是适宜的。但裂变室的最佳设计(大小、材料、充气压力、发射极-收集极间隙、中子灵敏度等)是不同的。有两种基本型式的堆芯内裂变室，见图1。一种型式是在探测器外壳的内侧，镀富集铀层，形成灵敏体积的外壁。第二种型式是在灵敏体积的外表面加上一个富集铀-铝合金的机加工套筒。越是精心地控制铀镀层或铀-铝套筒的重量和厚度，就越能够准确地控制探测器的中子灵敏度。芯内裂变室充以零点几个兆帕的填充气体，最普通的是氩气，其他有氦、氮或氩与氮的混合气体。裂变室的中子灵敏度取决于发射极与收集极之间的间隙。电离电流是所充气体原子数的函数。间隙大产生的电流亦大。在较高的中子注量率下，必须把间隙减小。为提高信号噪声比，最好的办法是增加敏感元件所用铀的富集度，增大铀的表面积。利用改变裂变室的直径和长度来改变表面积，因此存在一种能产生最高信号噪声比的结构形状。堆芯内裂变室的外径约6mm左右，敏感长度约12~25mm。

(2)微型电离室:涂硼电离室可以满意地作为移动式堆芯中子注量率测量的敏感元件。一般来讲，堆芯内裂变室在堆芯满功率工作9个月之后，其中子灵敏度降至其初始值的50%;而微型电离室在一个半月内，其中子灵敏度就降低50%(由于B的热中子截面比U大6倍，导致燃耗太大)。作为移动式堆芯测量装置，穿过整个芯部所要求的时间很少超过3min，而穿过堆芯的频率很少多于每月一次。因此，涂硼电离室能满意地工作多年。

(3)堆芯中子注量率测量系统:包括探测器及其驱动机构、测量管道选择器、管道等机械装置，以及信号处理设备等几部分。操纵员操纵选择器，选择相应测量管道，由驱动机构将其从堆底送入堆芯预定的测量管道，并沿堆芯作由底至顶和由顶至底的运动，在运动过程中测出电流信号并经探测器尾部电缆传送到信号处理设备。一个900MW的压水堆核电厂在压力容器底部设有50个孔道与堆芯内50个中子注量率测量管道相连接，利用5套探测器驱动机构，每个探测器顺序穿过10个孔道，反复插抽。完成一次中子注量率分布图测量约需2h。

(4)自给能中子探测器:自给能中子探测器是利用其中子活化材料的基本放射性衰变产生信号电流的，不要求外来的电离或收集电压的能源，就能产生信号电流。探测器没有发生电离的充气区域，而该区域却被用作中子敏感材料的固体结构所代替。中子敏感材料与导线连接，同时用紧密充填的陶瓷绝缘体使导线和中子敏感材料与探测器的外套分隔开。所形成的探测器就像一根以无机物绝缘的同轴电缆，体积小而结实。简单的结构使这种探测器具有许多优点，其中包括价格低廉、读出设备简单、燃耗率低、寿命长和灵敏度重现性好。

一个典型的自给能中子探测器由4部分组成:发射极，绝缘体，导线和外套(或收集极)。发射极是一种热中子活化截面适当高的材料，活化以后，通过发射高能β射线以适当的半衰期进行衰变，电子就在这种衰变过程中逸出。绝缘体是固体，在堆芯内温度和核辐照环境下，它必须保持高电阻性能;按理想情况，它应该不发射由中子活化引起的β或电子(导线和外套或收集极必须只发射很少的β或电子)，这样，不希望有的本底信号才能最小。图2示出自给能中子探测器的结构图，对中子敏感的发射极固定在因科镍导线上，发射极和导线穿过氧化镁绝缘体，因科镍外套滑套在绝缘体上，把整个组件挤压成直径为1.5mm表面光滑的长圆柱形部件。

自给能探测器主要有下列三种:①发射极(如铑)俘获中子后发生β衰变，即β流中子探测器;②发射极(如钴、钪或镉)俘获中子后放出瞬发γ，而后由激发核发射出荷能电子，即内转换中子探测器;③发射极俘获或散射γ射线，产生康普顿电子和光电子，从而使发射体荷正电，即自给能γ探测器。

铑和钒是最流行的发射体材料，其灵敏度(每单位中子注量率每厘米长度)为:1.33×10A(φ0.5铑发射体)，1.5×10A(φ1.25钒发射体)，1.2×10A(φ1.5钴发射体)。