1、School of Nuclear Science and Technology反應堆功率測量儀表及系統：測量反應堆功率測量儀表及系統：測量反應堆功率和監反應堆功率和監督堆內中子通量密度變化情況督堆內中子通量密度變化情況。為操縱員、調節。為操縱員、調節系統和保護系統提供數據和信號，保證反應堆的系統和保護系統提供數據和信號，保證反應堆的正常運行和安全。正常運行和安全。運行功能：向操縱員提供反應堆裝料、停堆、啟動、運行功能：向操縱員提供反應堆裝料、停堆、啟動、功率運行等工況下的反應堆狀態信息。功率運行等工況下的反應堆狀態信息。安全功能：向反應堆保護系統提供多個緊急停堆信安全功能：向反應堆保護系統提

2、供多個緊急停堆信號和允許信號。號和允許信號。第第3章章 堆芯外核檢測儀表及系統堆芯外核檢測儀表及系統School of Nuclear Science and Technology3.1 堆芯外的定義堆芯外的定義3.2 核反應堆功率的測量核反應堆功率的測量3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表系統3.5 壓水堆堆芯外核檢測儀表系統壓水堆堆芯外核檢測儀表系統3.6 快堆堆芯外核檢測儀表快堆堆芯外核檢測儀表第第3章章 堆芯外核檢測儀表及系統堆芯外核檢測儀表及系統School of Nuclear Science and Technology3.1

3、堆芯外的定義堆芯外的定義堆芯邊界的中子通量密度堆芯邊界的中子通量密度一般為一般為10101111n.cmn.cm-2-2.s.s-1-1在額定功率下壓水堆典型在額定功率下壓水堆典型的堆芯外位置上的中子通的堆芯外位置上的中子通量密度、量密度、照射率和溫度照射率和溫度的量值。的量值。School of Nuclear Science and Technology3.2 核反應堆功率的測量核反應堆功率的測量核反應堆功率測量原理：核反應堆功率測量原理：任何測量？任何測量？核反應堆功率的直接度量是所產生的熱，可以通過熱量核反應堆功率的直接度量是所產生的熱，可以通過熱量來測量嗎？來測量嗎？由于熱慣性由于熱

4、慣性，熱是一種十分緩慢的指示量。，熱是一種十分緩慢的指示量。核輻射：瞬發輻射（裂變碎片、核輻射：瞬發輻射（裂變碎片、中子）、中子）School of Nuclear Science and Technology3.2 核反應堆功率的測量核反應堆功率的測量核反應堆功率測量原理：核反應堆功率測量原理：任何測量？任何測量？核反應堆功率的直接度量是所產生的熱，可以通過熱量核反應堆功率的直接度量是所產生的熱，可以通過熱量來測量嗎？來測量嗎？由于熱慣性由于熱慣性，熱是一種十分緩慢的指示量。，熱是一種十分緩慢的指示量。核輻射：瞬發輻射（裂變碎片、核輻射：瞬發輻射（裂變碎片、中子中子）瞬發中子、緩發中子瞬發中

5、子、緩發中子核裂變后核裂變后10-1410-17s內發射出來的中子稱為瞬發中子，內發射出來的中子稱為瞬發中子，約占裂變中子的約占裂變中子的99以上；在裂變后約零點幾秒鐘到幾以上；在裂變后約零點幾秒鐘到幾分鐘之間由某些裂變碎片陸續發射出來的中子，稱為緩分鐘之間由某些裂變碎片陸續發射出來的中子，稱為緩發中子。緩發中子約占發中子。緩發中子約占1左右。左右。School of Nuclear Science and Technology3.2 核反應堆功率的測量核反應堆功率的測量核反應堆功率測量原理：核反應堆功率測量原理：一般來說，反應堆功率由堆內單位時間裂變反應的總數一般來說，反應堆功率由堆內單位時

6、間裂變反應的總數來決定，即瞬發中子數決定。來決定，即瞬發中子數決定。但是，當反應堆達到穩態功率運行或處于功率變化不快但是，當反應堆達到穩態功率運行或處于功率變化不快而可以當作一個準靜態過程時，由于前一時刻的緩發中而可以當作一個準靜態過程時，由于前一時刻的緩發中子補償了后一時刻的緩發中子，因而可以認為裂變釋放子補償了后一時刻的緩發中子，因而可以認為裂變釋放的中子都是瞬時釋放的。這樣，反應堆功率可以用測得的中子都是瞬時釋放的。這樣，反應堆功率可以用測得的中子通量密度得到。的中子通量密度得到。實際上，測量的是一個達到平衡后的中子通量密度。實際上，測量的是一個達到平衡后的中子通量密度。School o

7、f Nuclear Science and Technology3.2 核反應堆功率的測量核反應堆功率的測量核反應堆功率測量原理：核反應堆功率測量原理：以以235U為核燃料，平均熱中子通量密度為為核燃料，平均熱中子通量密度為(n.cm-2.s-1)的的反應堆功率反應堆功率P（MW）可以用下式表示：）可以用下式表示：P=Vf5Ef5V(cm3)：由反應堆裝料的：由反應堆裝料的235U質量所得到的質量所得到的235U所占體積所占體積； f5 ：235U的宏觀裂變反應截面；的宏觀裂變反應截面； Ef5：裂變能。裂變能。反應堆的功率為：反應堆的功率為：P=m/1928.02001.610-19=471

8、.58m(MW)反應堆建成裝料后反應堆建成裝料后235U的質量的質量m（g）是一定的，只要測）是一定的，只要測得中子通量密度得中子通量密度（n.cm-2.s-1），就可以得到反應堆功），就可以得到反應堆功率率P（MW）。）。 School of Nuclear Science and Technology3.2 核反應堆功率的測量核反應堆功率的測量核反應堆周期測量原理：核反應堆周期測量原理： 周期？周期？在反應堆物理中，反應堆周期定義為反應堆內中子密度在反應堆物理中，反應堆周期定義為反應堆內中子密度變化變化e倍所需的時間，用倍所需的時間，用T表示。表示。設在反應堆內中子以相同的速度設在反應堆內

9、中子以相同的速度v雜亂無章地運動，堆雜亂無章地運動，堆內平均中子通量密度內平均中子通量密度nv，則反應堆功率與周期的關，則反應堆功率與周期的關系系School of Nuclear Science and Technology3.2 核反應堆功率的測量核反應堆功率的測量可見，只要把測得的功率信號送到對數電路進行對數變可見，只要把測得的功率信號送到對數電路進行對數變換，變換后的信號再送到微分電路進行微分運算，就可換，變換后的信號再送到微分電路進行微分運算，就可得到反比于反應堆周期的信號，從而求得反應堆周期得到反比于反應堆周期的信號，從而求得反應堆周期T T。反應堆周期的符號、大小可以反映反應堆內

10、中子增減。反應堆周期的符號、大小可以反映反應堆內中子增減變化，所以反應堆啟動時反應堆周期是個被密切監視和變化，所以反應堆啟動時反應堆周期是個被密切監視和控制的重要參數。控制的重要參數。為實用方便，也測量反應堆功率變化兩倍的時間為實用方便，也測量反應堆功率變化兩倍的時間t td d，t td d稱為反應堆功率倍增時間。稱為反應堆功率倍增時間。測量測量t td d的原理與的原理與T T相同。相同。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法中子和其他輻射一樣，也是靠中子和

11、物質的某種相互中子和其他輻射一樣，也是靠中子和物質的某種相互作用來探測的。作用來探測的。但中子不帶電，和物質中的電子不發生作用的，不能但中子不帶電，和物質中的電子不發生作用的，不能直接引起電離，而要靠中子和原子核相互作用產直接引起電離，而要靠中子和原子核相互作用產生能引起電離反應的次級程粒子才被記錄。生能引起電離反應的次級程粒子才被記錄。中子和原子核的相互作用有：產生帶電粒子的核反應中子和原子核的相互作用有：產生帶電粒子的核反應、核反沖、核裂變、活化等。、核反沖、核裂變、活化等。這也是探測中子的這也是探測中子的4 種原理。種原理。School of Nuclear Science and Te

12、chnology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法1 核反應法核反應法核反應法即利用產生帶電粒子核反應核反應法即利用產生帶電粒子核反應(n,b)，通過，通過探測探測帶電粒子帶電粒子（b表示）來間接探測中子的方法。表示）來間接探測中子的方法。中子本身不帶電，它和物質中原子核之間沒有庫侖斥中子本身不帶電，它和物質中原子核之間沒有庫侖斥力，因此比較容易進入原子核，發生核反應。選力，因此比較容易進入原子核，發生核反應。選擇某種能產生帶電粒子的核反應，記錄帶電粒子擇某種能產生帶電粒子的核反應，記錄帶電粒子引起的電離現象就可探測中子。這方法主要用于

13、引起的電離現象就可探測中子。這方法主要用于探測慢中子的強度，在個別情況下，也可用以測探測慢中子的強度，在個別情況下，也可用以測量快中子能譜。量快中子能譜。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法1 核反應法核反應法核反應法中，應用最廣泛的是以下三種核反應：核反應法中，應用最廣泛的是以下三種核反應：3He+np+T+0.764MeV =(532710)b6Li+n+T+4.780MeV =(9414)b10B+n+7Li+2.792MeV 6.1% +7Li*+2.

14、310MeV 93.9% =(38379)b 7Li*7Li+0.478MeVSchool of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法1 核反應法核反應法反應截面反應截面School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法1 核反應法核反應法10B（n，）7Li應用最廣泛。應用最廣泛。因為慢中子與因為慢中子與10B 的的反應截面大反應截面大，反應能也大反應能也大

15、，產生，產生的的粒子和粒子和Li核能量較大，分別為核能量較大，分別為7/11Q和和4/11Q，很，很容被探測；容被探測；硼材料容易得到硼材料容易得到，可用氣態，可用氣態BF3，也可用，也可用固態單質硼或氧化硼，并且天然硼中固態單質硼或氧化硼，并且天然硼中10B的含量也較的含量也較高，約占高，約占19.8。為提高探測效率，濃縮到為提高探測效率，濃縮到96%以上。以上。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法1 1 核反應法核反應法6 6LiLi（n,n,）T T反應

16、放出的反應放出的能量最大能量最大，放出的，放出的T T 和和的動能分別的動能分別為為2.73MeV2.73MeV和和2.05MeV2.05MeV以上，也比較以上，也比較容易探測容易探測，缺點是，缺點是6 6LiLi不存不存在合適的氣態化合物，只能用于固體探測器在合適的氣態化合物，只能用于固體探測器, ,而且天然鋰中而且天然鋰中6 6LiLi的含量只有的含量只有7.5%7.5%。為提高探測效率，濃縮。為提高探測效率，濃縮6 6LiLi 達達90-95%90-95%，但價，但價格高。格高。3 3HeHe（n n，p p）T T反應反應截面最大截面最大，但放出能量最小，探測器不容易，但放出能量最小，

17、探測器不容易去除去除本底；而且天然氦中本底；而且天然氦中3 3HeHe含量僅為含量僅為0.0130.013，制備價格貴，制備價格貴，因此一般僅在探測幾十或幾百，因此一般僅在探測幾十或幾百keVkeV能量的中子時應用。能量的中子時應用。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法2 核反沖法核反沖法使用中子與物質原子核發生勢彈性散射這種作用探測使用中子與物質原子核發生勢彈性散射這種作用探測中子的方法常稱為中子的方法常稱為核反沖法核反沖法。中子靠近原子核時，受到核力場的作

18、用而被散射，入中子靠近原子核時，受到核力場的作用而被散射，入射中子把一部分能量轉移給原子核，原子核獲得射中子把一部分能量轉移給原子核，原子核獲得反沖能，所以叫做反沖能，所以叫做反沖核反沖核。反沖核一般具有一定。反沖核一般具有一定電荷，可以用測量帶電粒子的方法測量。核反沖電荷，可以用測量帶電粒子的方法測量。核反沖法就是法就是通過探測反沖核通過探測反沖核這種帶電粒子來探測中子這種帶電粒子來探測中子的。的。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法2 核反沖法核反沖法中子

19、通量密度測量原理：中子通量密度測量原理：設中子通量密度為設中子通量密度為，轉換靶的厚度為，轉換靶的厚度為d，原子密度，原子密度為為，對一定能量的中子，靶核的彈性散射截面，對一定能量的中子，靶核的彈性散射截面為為s，則單位面積單位時間內的反沖核數目為：，則單位面積單位時間內的反沖核數目為：Np= s ds ，d為常數。測得反沖核的數目，就可得中子為常數。測得反沖核的數目，就可得中子通量密度。通量密度。此法主要用于快中子測量。此法主要用于快中子測量。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本

20、方法中子探測的基本方法2 核反沖法核反沖法中子能譜測量原理：中子能譜測量原理：若入射中子的能量為若入射中子的能量為En，反沖核獲得的反沖能量，反沖核獲得的反沖能量Er為為：式中：式中：M和和mn分別為原子核和中子質量；分別為原子核和中子質量；為反沖核為反沖核飛出方向與中子入射方向之間的夾角。飛出方向與中子入射方向之間的夾角。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法2 核反沖法核反沖法若用原子核的相對原子質量來代替質量的話，則上式若用原子核的相對原子質量來代替質量的

21、話，則上式變為：變為：由上式可以看出，由上式可以看出，A越小，即原子核越輕，則越小，即原子核越輕，則Er越大越大。當。當A=1時，時，Er最大。所以，在核反沖法中通常最大。所以，在核反沖法中通常都選用氫或含氫物質做靶材料。這時：都選用氫或含氫物質做靶材料。這時：School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法2 核反沖法核反沖法核反沖法中轉換靶（輻射體）的選擇原則：核反沖法中轉換靶（輻射體）的選擇原則：1）反沖核的動能大，容易被精確測量；）反沖核的動能大，容易被精確測量；

22、2）彈性散射截面大；）彈性散射截面大；3）截面與中子能量的關系應是平滑的變化，）截面與中子能量的關系應是平滑的變化，4）反沖核的角分布簡單。）反沖核的角分布簡單。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法3 核裂變法核裂變法快中子和熱中子都能引發重核裂變，重核裂變生成的快中子和熱中子都能引發重核裂變，重核裂變生成的幾個中等質量原子核稱為裂變碎片。裂變碎片是幾個中等質量原子核稱為裂變碎片。裂變碎片是重帶電粒子，能使物質原子電離或激發。通過探重帶電粒子，能使物質原子電離

23、或激發。通過探測裂變碎片探測中子的方法稱為核裂變法。測裂變碎片探測中子的方法稱為核裂變法。中子引起裂變時放出的能量大約是中子引起裂變時放出的能量大約是200MeV，兩個裂，兩個裂變碎片共帶走變碎片共帶走165MeV。入射中子的能量一般都。入射中子的能量一般都遠小于這個數值，因此這種方法不能用來直接測遠小于這個數值，因此這種方法不能用來直接測定中子能量，主要用來測定中子通量。定中子能量，主要用來測定中子通量。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法3 核裂變法核裂變

24、法裂變碎片具有較大動能，它們可以在探測介質中引起裂變碎片具有較大動能，它們可以在探測介質中引起很大的總電離，使探測器輸出很大電信號，因此很大的總電離，使探測器輸出很大電信號，因此，裂變法可以在很強的，裂變法可以在很強的本底下探測中子。這對本底下探測中子。這對測量反應堆的中子通量密度很有用。測量反應堆的中子通量密度很有用。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法3 核裂變法核裂變法裂變存在一個裂變勢壘裂變存在一個裂變勢壘Uf，不同核素的，不同核素的Uf不同。許多重核

25、只有不同。許多重核只有在入射中子能量大于某個值（稱為閾值）后才能發生裂在入射中子能量大于某個值（稱為閾值）后才能發生裂變。例如：變。例如：238U，當入射中子能量大于，當入射中子能量大于1.5MeV后才能發后才能發生裂變。生裂變。可以利用一系列具有不同閾能的裂變元素來判斷中子的能量可以利用一系列具有不同閾能的裂變元素來判斷中子的能量，這種探測器稱為，這種探測器稱為“閾探測器閾探測器”。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法3 核裂變法核裂變法缺點：探測效率低。？

26、缺點：探測效率低。？裂變碎片的射程極短，在鈾中平均為裂變碎片的射程極短，在鈾中平均為8mg/cm2。因此，要求裂。因此，要求裂變材料很薄。一般涂成薄膜。即使采用高濃縮鈾，探測變材料很薄。一般涂成薄膜。即使采用高濃縮鈾，探測效率僅效率僅10-3。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法4 活化法活化法中子和原子核相互作用時，輻射俘獲是很主要的作用中子和原子核相互作用時，輻射俘獲是很主要的作用過程。過程。中子很容易進入原子核形成一個處于激發態的復合核中子很容易進入原子

27、核形成一個處于激發態的復合核，復合核通過發射一個或幾個光子迅速躍回基態，復合核通過發射一個或幾個光子迅速躍回基態。這種俘獲中子，放出。這種俘獲中子，放出輻射的過程稱為輻射的過程稱為“輻射輻射俘獲俘獲”，用（，用（n,）表示。）表示。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法4 活化法活化法中子輻照生成新的不穩定核素的過程稱為中子輻照生成新的不穩定核素的過程稱為“活化活化”或或“激活激活”，所產生的放射性稱為，所產生的放射性稱為“感生放射性感生放射性”。測量經過中子輻

28、照后材料中的放射性，就可知道中子測量經過中子輻照后材料中的放射性，就可知道中子的強度，這就是活化法。的強度，這就是活化法。例如，例如，InIn116115nSnIn116116School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.1 3.3.1 中子探測的基本方法中子探測的基本方法由于中子作用截面一般都不大，所以中子探測效率，由于中子作用截面一般都不大，所以中

29、子探測效率，尤其是快中子探測效率是較低的。尤其是快中子探測效率是較低的。與與、輻射探測器相比，中子探測器的探測效輻射探測器相比，中子探測器的探測效率要低一些，過程也復雜一些，測量精度也差一率要低一些，過程也復雜一些，測量精度也差一些。些。在不同的中子能區，這些作用過程的截面相差很大。在不同的中子能區，這些作用過程的截面相差很大。所以對不同能區的中子要采用不同的探測方法和所以對不同能區的中子要采用不同的探測方法和探測器。探測器。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種

30、類中子產生的次級粒子種類繁多，探測儀表種類很多。中子產生的次級粒子種類繁多，探測儀表種類很多。1 1、氣體探測儀表、氣體探測儀表1.1.三氟化硼（三氟化硼（BFBF3 3）正比計數管）正比計數管測量中子最通用的是三氟化硼正比計數管，通常稱測量中子最通用的是三氟化硼正比計數管，通常稱BFBF3 3計數管計數管。它的結構基本上和測量。它的結構基本上和測量射線的射線的G-MG-M管一樣，只是管內管一樣，只是管內充的是充的是BFBF3 3氣體。熱中子通過氣體。熱中子通過1010B B（n n，）7 7LiLi反應在計數反應在計數管內產生離子對，再經氣體放大輸出電信號。管內產生離子對，再經氣體放大輸出電

31、信號。這種計數管測量熱、慢中子的效率都相當高，但對快中子探這種計數管測量熱、慢中子的效率都相當高，但對快中子探測效率太低。？測效率太低。？School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種類1 1、氣體探測儀表、氣體探測儀表1.1.三氟化硼（三氟化硼（BFBF3 3）正比計數管）正比計數管在計數管外面套上一層石蠟或聚乙烯慢化劑，就可探在計數管外面套上一層石蠟或聚乙烯慢化劑，就可探測快中子。長計數管測快中子。長計數管長長School of Nuclear Science and

32、 Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種類1 1、氣體探測儀表、氣體探測儀表2.2.硼電離室和裂變室硼電離室和裂變室（1 1）硼電離室。在電離室的一個電極上涂上一層濃）硼電離室。在電離室的一個電極上涂上一層濃縮硼縮硼1010B B的膜。中子打在硼膜上，通過的膜。中子打在硼膜上，通過1010B B（n n，）7 7LiLi反應產生反應產生粒子和粒子和7 7LiLi核，其中之一在氣體核，其中之一在氣體中產生電離，通常是記錄它們引起的電離電流（中產生電離，通常是記錄它們引起的電離電流（累計電流）來確定入射中子通量。測量范圍：累計

33、電流）來確定入射中子通量。測量范圍：10105 5-10-101010n.cmn.cm-2-2s s-1-1。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種類1 1、氣體探測儀表、氣體探測儀表2.2.硼電離室和裂變室硼電離室和裂變室（2 2）裂變室）裂變室如果在電離室的電極上涂上裂變物質如果在電離室的電極上涂上裂變物質235235U U，中子被，中子被235235U U俘俘獲，發生裂變，裂變碎片在電離室產生電子離子對而被獲，發生裂變，裂變碎片在電離室產生電子離子對而被記錄

34、，從而探測中子。這種通過裂變法測中子的電離室記錄，從而探測中子。這種通過裂變法測中子的電離室就稱為就稱為“裂變室裂變室”。裂變室可以是記錄脈沖的，也有記錄電離電流的。優缺點？裂變室可以是記錄脈沖的，也有記錄電離電流的。優缺點？由于裂變反應放出的能量大，裂變室甄別由于裂變反應放出的能量大，裂變室甄別本底的本領比硼本底的本領比硼電離室更大。電離室更大。因為裂變碎片的射程很短，所以裂變材料涂層最厚不超過因為裂變碎片的射程很短，所以裂變材料涂層最厚不超過2mg/cm2mg/cm2 2。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3

35、.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種類1 1、氣體探測儀表、氣體探測儀表2.2.硼電離室和裂變室硼電離室和裂變室它們是用來測熱中子通量的。反應堆中熱中子通量正它們是用來測熱中子通量的。反應堆中熱中子通量正比于堆的功率，因此可以用這種探測器來控制反比于堆的功率，因此可以用這種探測器來控制反應堆的啟動和運轉。應堆的啟動和運轉。硼電離室和裂變室是目前反應堆中必不可少的控制部硼電離室和裂變室是目前反應堆中必不可少的控制部件。件。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探

36、測儀表的種類2 2、固體探測儀表、固體探測儀表利用中子與固體的相互作用。閃爍探測器、半導體探測器利用中子與固體的相互作用。閃爍探測器、半導體探測器50年代以前氣體探測器。年代以前氣體探測器。50年代以后用閃爍探測器。年代以后用閃爍探測器。60年代年代發展的半導體探測器大大改變了帶電粒子和發展的半導體探測器大大改變了帶電粒子和射線的測量射線的測量技術。技術。但是，在中子測量方面，閃爍探測器仍然是最常用的。這是但是，在中子測量方面，閃爍探測器仍然是最常用的。這是因為中子測量都是經過核反應間接測量的，而中子對物因為中子測量都是經過核反應間接測量的，而中子對物質的穿透力比帶電粒子和質的穿透力比帶電粒子

37、和射線要大得多，所以要提高中射線要大得多，所以要提高中子探測器的探測效率是很不容易的。而子探測器的探測效率是很不容易的。而閃爍探測器的特閃爍探測器的特點是效率高，時間響應快點是效率高，時間響應快，這對提高效率、增加計數率，這對提高效率、增加計數率都是十分有利的。都是十分有利的。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種類2 2、固體探測儀表、固體探測儀表1 1）硫化鋅快中子屏）硫化鋅快中子屏快中子屏是由快中子屏是由ZnSZnS（AgAg）粉與有機玻璃粉均勻混合，）粉與

38、有機玻璃粉均勻混合，然后熱壓成圓柱形。其作用原理是快中子在有機然后熱壓成圓柱形。其作用原理是快中子在有機玻璃中產生的反沖質子使玻璃中產生的反沖質子使ZnSZnS（AgAg）發光。）發光。這種閃爍體呈乳白色，光透明度不高，所以不能做得這種閃爍體呈乳白色，光透明度不高，所以不能做得很厚，一般最厚的是很厚，一般最厚的是7mm7mm。它用于能量大于它用于能量大于0.5MeV0.5MeV快中子通量密度的測量。快中子通量密度的測量。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種類2

39、2、固體探測儀表、固體探測儀表2 2）硫化鋅慢中子屏）硫化鋅慢中子屏它是把它是把ZnSZnS（AgAg）、甘油和硼酸混合，壓制密封在有機玻璃蓋）、甘油和硼酸混合，壓制密封在有機玻璃蓋的鋁盒內。中子通過的鋁盒內。中子通過1010B B（n n，）7 7LiLi反應產生的反應產生的和和7 7LiLi使使ZnSZnS（AgAg）發光，通過光電倍增管放大收集，產生信號）發光，通過光電倍增管放大收集，產生信號由于由于1010B B的熱中子反應截面很大，所以慢中子屏對熱中子和慢的熱中子反應截面很大，所以慢中子屏對熱中子和慢中子的效率很高。易于甄別中子的效率很高。易于甄別本底。在甄別本底。在甄別100R/s

40、100R/s的的本底后，對熱中子的探測效率為本底后，對熱中子的探測效率為5%5%10%10%。如將中子屏做成中空的圓筒，套在四面窗的光電倍增管光陰如將中子屏做成中空的圓筒，套在四面窗的光電倍增管光陰極上，這種閃爍體稱為中子杯。極上，這種閃爍體稱為中子杯。含硼的液體閃爍體含硼的液體閃爍體School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種類2 2、固體探測儀表、固體探測儀表3 3）鋰玻璃閃爍體）鋰玻璃閃爍體銪（銪（EuEu）激活的碘化鋰閃爍體。）激活的碘化鋰閃爍體。它是利用它是利

41、用6 6LiLi（n n，）T T 反應產生的反應產生的T T 和和使閃爍體發光。反應能高使閃爍體發光。反應能高達達4.78MeV4.78MeV，峰窄。分辨時間，峰窄。分辨時間0.30.3s s。這種閃爍。這種閃爍體適用的中子能量范圍較寬，可以測量從熱中子體適用的中子能量范圍較寬，可以測量從熱中子到幾百到幾百keVkeV范圍內的中子。范圍內的中子。對熱中子的探測效率對熱中子的探測效率極高極高，1cm1cm厚的閃爍體，熱中子探測效率已達厚的閃爍體，熱中子探測效率已達100%100%；探測慢中子的效率平均為；探測慢中子的效率平均為70%70%。缺點：易潮解，原料提純和晶體制備較難。缺點：易潮解，原

42、料提純和晶體制備較難。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種類2 2、固體探測儀表、固體探測儀表3 3）鋰玻璃閃爍體）鋰玻璃閃爍體鈰激活的鋰玻璃鈰激活的鋰玻璃，成分是，成分是LiOLiO2 2.2SiO.2SiO2 2（CeCe），含有），含有6.04%6.04%的鋰，其中的鋰，其中6 6LiLi豐度為豐度為90%90%以上。以上。優點是化學穩定性和光透明性好，耐酸，耐化學腐蝕優點是化學穩定性和光透明性好，耐酸，耐化學腐蝕，耐潮濕，耐高低溫，適宜于在惡劣環境中使用

43、，耐潮濕，耐高低溫，適宜于在惡劣環境中使用；工藝簡單，易加工廠合適形狀；工藝簡單，易加工廠合適形狀；對熱中子的探對熱中子的探測效率極高測效率極高，4mm4mm厚的閃爍體，熱中子探測效率厚的閃爍體，熱中子探測效率已達已達100%100%。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種類2 2、固體探測儀表、固體探測儀表4 4）有機閃爍體）有機閃爍體所有有機閃爍體都是碳氫化合物，含有大量氫原子。所有有機閃爍體都是碳氫化合物，含有大量氫原子。所以都可用于快中子測量。快中子打在氫

44、核上，所以都可用于快中子測量。快中子打在氫核上，通過通過n-pn-p彈性散射產生反沖質子，反沖質子引起彈性散射產生反沖質子，反沖質子引起閃爍體的特征熒光而被光電倍增管記錄。閃爍體的特征熒光而被光電倍增管記錄。有機閃爍體一共同特點是發光衰減時間短，因此可用有機閃爍體一共同特點是發光衰減時間短，因此可用于高強度中子通量測量。在快中子能譜測量技術于高強度中子通量測量。在快中子能譜測量技術飛行時間法中，發光時間快的有機閃爍體是飛行時間法中，發光時間快的有機閃爍體是唯一可采用的探測器。唯一可采用的探測器。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表

45、中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種類2 2、固體探測儀表、固體探測儀表4 4）有機閃爍體）有機閃爍體有機閃爍體還有一個特點，即閃爍光輸出產額隨時間的有機閃爍體還有一個特點，即閃爍光輸出產額隨時間的變化對于電子和重帶電粒子是不同的（前者是由變化對于電子和重帶電粒子是不同的（前者是由射線產生的，后者是由快中子產生的反沖質子）。射線產生的，后者是由快中子產生的反沖質子）。利用適當的電子學波形甄別技術可以將中子和利用適當的電子學波形甄別技術可以將中子和給給出的脈沖區分開，因此可以在較強的出的脈沖區分開，因此可以在較強的本底下測中本底下測中子。子。常用的幾種有機閃爍體

46、是：蒽晶體，塑料閃爍體，常用的幾種有機閃爍體是：蒽晶體，塑料閃爍體，液體液體閃爍體閃爍體。School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種類2 2、固體探測儀表、固體探測儀表4 4）有機閃爍體）有機閃爍體School of Nuclear Science and Technology3.3 中子探測儀表中子探測儀表3.3.2 3.3.2 中子探測儀表的種類中子探測儀表的種類2 2、固體探測儀表、固體探測儀表5 5）半導體探測器組成的）半導體探測器組成的6 6LiFLiF中子

47、譜儀。中子譜儀。它是把兩個金硅面壘型探測器面對面地靠在一起，中它是把兩個金硅面壘型探測器面對面地靠在一起，中間夾一層含間夾一層含6 6LiLi的薄膜，見圖，所以又稱的薄膜，見圖，所以又稱“夾心夾心式中子譜儀式中子譜儀”。6 6） 3 3HeHe譜儀譜儀如果在夾心式半導體探測器中間充以如果在夾心式半導體探測器中間充以3 3HeHe氣體，利用氣體，利用3 3HeHe（n n，p p）T T反應，測量反應，測量T T和和p p 的動能就可算出的動能就可算出中子能量，這就是所謂中子能量，這就是所謂3 3HeHe譜儀。譜儀。School of Nuclear Science and Technology

48、3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表監測中子通量，也稱反應堆堆芯外核檢測儀表監測中子通量，也稱反應堆反應堆功率測量系統功率測量系統。主要有兩種功能：主要有兩種功能：一是控制方面的功能，即該系統能夠及時、準確地為一是控制方面的功能，即該系統能夠及時、準確地為反應堆控制提供反應堆裝料、啟動、停堆以及功反應堆控制提供反應堆裝料、啟動、停堆以及功率運行等工況的信息；率運行等工況的信息；二是保護方面的功能，即為反應堆的安全保護系統提二是保護方面的功能，即為反應堆的安全保護系統提供安全保護信號，例如超溫保護信號、超功率保供安全保護信號，例如超溫保護信號、超功率

49、保護信號、短周期保護信號、緊急停堆保護信號等護信號、短周期保護信號、緊急停堆保護信號等等。等。School of Nuclear Science and Technology3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆從啟動到穩態運行，或發生事故工況時，堆外反應堆從啟動到穩態運行，或發生事故工況時，堆外中子通量變化中子通量變化1111個量級以上。個量級以上。這樣寬的范圍內都這樣寬的范圍內都必須對中子通量密度進行準確而快速的測量。必須對中子通量密度進行準確而快速的測量。 ？為了覆蓋這樣大的測量范圍，將整個測量范圍分成三為了覆蓋這樣大的測量范圍，將整個測量范圍分成三個不同的區

50、間，使用三種不同的測量量程（源量個不同的區間，使用三種不同的測量量程（源量程、中間量程和功率量程），用不同靈敏度的核程、中間量程和功率量程），用不同靈敏度的核探測器和核電子儀器組成不同的測量通道。各個探測器和核電子儀器組成不同的測量通道。各個測量量程間有一定的重疊，不僅把整個測量范圍測量量程間有一定的重疊，不僅把整個測量范圍銜接起來，而且從反應堆啟動到正常功率運行都銜接起來，而且從反應堆啟動到正常功率運行都能連續地測量，以保護和控制反應堆。能連續地測量，以保護和控制反應堆。School of Nuclear Science and Technology3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆

51、芯外核檢測儀表系統3.4.1 3.4.1 三量程測量系統三量程測量系統1 1）源量程：中子源啟動量程。）源量程：中子源啟動量程。特點：中子通量密度小，特點：中子通量密度小，本底小。本底小。一般用一般用BFBF3 3正比計數管或涂硼正比計數管和裂變室。正比計數管或涂硼正比計數管和裂變室。任務：指示反應堆啟動過程中的功率和功率變化速度任務：指示反應堆啟動過程中的功率和功率變化速度，同時為保護系統提供功率和周期保護信號。，同時為保護系統提供功率和周期保護信號。School of Nuclear Science and Technology3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表系統3

52、.4.1 3.4.1 三量程測量系統三量程測量系統2 2）中間量程：）中間量程：特點：中子通量密度大增，特點：中子通量密度大增，本底較大。本底較大。一般用補償電流型硼電離室。一般用補償電流型硼電離室。任務：測量反應堆啟動的后半段的功率和周期，也在任務：測量反應堆啟動的后半段的功率和周期，也在正常運行時使用，同時為保護系統提供功率和周正常運行時使用，同時為保護系統提供功率和周期保護信號。期保護信號。School of Nuclear Science and Technology3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表系統3.4.1 3.4.1 三量程測量系統三量程測量系統3 3）

53、功率量程：接近或達到反應堆的滿功率。）功率量程：接近或達到反應堆的滿功率。特點：中子通量密度很大，特點：中子通量密度很大，本底相對小了。本底相對小了。一般用長中子電離室。一般用長中子電離室。任務：輸出比較大的電流信號直接直流放大器放大，任務：輸出比較大的電流信號直接直流放大器放大，進而送給控制室的功率指示儀表、反應堆功率調進而送給控制室的功率指示儀表、反應堆功率調節器和安全保護系統。節器和安全保護系統。School of Nuclear Science and Technology3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表系統3.4.2 3.4.2 儀表布置儀表布置例如例如900

54、MW900MW壓水堆核電站有壓水堆核電站有8 8個獨立的測量通道，其中個獨立的測量通道，其中有兩個相同的源量程測量通道，兩個相同的中間有兩個相同的源量程測量通道，兩個相同的中間量程測量通道、四個相同的功率量程測量通道。量程測量通道、四個相同的功率量程測量通道。不同種類和不同靈敏度的不同種類和不同靈敏度的8 8個探測器放置在反應堆壓個探測器放置在反應堆壓力容器附近的儀器孔內（探測器安放在圓筒形容力容器附近的儀器孔內（探測器安放在圓筒形容器內），用聚乙烯作探測器和定位臺車之間的絕器內），用聚乙烯作探測器和定位臺車之間的絕緣，并作中子慢化劑和準直器。緣，并作中子慢化劑和準直器。School of N

55、uclear Science and Technology3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表系統3.4.2 3.4.2 儀表布置儀表布置兩個源量程探測器是涂硼正比計數管，兩個中間量程兩個源量程探測器是涂硼正比計數管，兩個中間量程探測器是涂硼探測器是涂硼補償電離室，它們共同裝在圓柱補償電離室，它們共同裝在圓柱狀容器內分別放置在狀容器內分別放置在0 0方向與方向與180180方向；方向；4 4 個個功率量程探測器涂硼非功率量程探測器涂硼非補償電離室（長中子電補償電離室（長中子電離室）離室）, ,分別放置在分別放置在4545、135135、225225和和315315方向上。方

56、向上。長中子電離室內部電極分成兩段，實際構成長中子電離室內部電極分成兩段，實際構成8 8個小電個小電離室。由離室。由4 4個孔道讀數的平均值可得到總功率；個孔道讀數的平均值可得到總功率；由由4 4個孔道讀數的偏差，可得徑向功率的不平衡；個孔道讀數的偏差，可得徑向功率的不平衡；由上下電離室讀數的偏差，可得中子通量的軸向由上下電離室讀數的偏差，可得中子通量的軸向偏移。偏移。School of Nuclear Science and Technology3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表系統3.4.3 3.4.3 堆芯外核檢測儀表的原理和結構堆芯外核檢測儀表的原理和結構1)1)

57、 BFBF3 3正比計數管正比計數管最普通的結構是一個圓柱形狀，中心陽極絲用鎢絲做最普通的結構是一個圓柱形狀，中心陽極絲用鎢絲做成，通過玻璃或陶瓷與外殼絕緣，外殼用金屬做成，通過玻璃或陶瓷與外殼絕緣，外殼用金屬做成，兼作陰極，內充成，兼作陰極，內充BFBF3 3氣體作為工作氣體。氣體作為工作氣體。School of Nuclear Science and Technology3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表系統3.4.3 3.4.3 堆芯外核檢測儀表的原理和結構堆芯外核檢測儀表的原理和結構1)1) BFBF3 3正比計數管正比計數管入射中子與入射中子與1010B B產生

58、核反應，通過探測反應產物產生核反應，通過探測反應產物粒粒子和子和7 7LiLi核來間接探測中子。核來間接探測中子。如果工作電壓足夠大，在離子收集的過程中將出現氣如果工作電壓足夠大，在離子收集的過程中將出現氣體放大現象，即被加速的原電離電子在電離碰撞體放大現象，即被加速的原電離電子在電離碰撞中逐次倍增而形成電子雪崩。于是，電流以倍增中逐次倍增而形成電子雪崩。于是，電流以倍增系數系數A=2A=2n n被放大，探測器工作于正比區。被放大，探測器工作于正比區。電壓一定，電壓一定，A A一定，可達一定，可達10106 6. .eWEAQ)/ln()(abrVrESchool of Nuclear Sci

59、ence and Technology3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表系統3.4.3 3.4.3 堆芯外核檢測儀表的原理和結構堆芯外核檢測儀表的原理和結構2)2) 涂硼正比計數管涂硼正比計數管每個源量程有一個涂硼正比計數管。它的靈敏度為每個源量程有一個涂硼正比計數管。它的靈敏度為8 8 C/C/（n.cmn.cm-2-2.s.s-1-1) )School of Nuclear Science and Technology3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表系統3.4.3 3.4.3 堆芯外核檢測儀表的原理和結構堆芯外核檢測儀表的原理和結構3)3) 電

60、離室電離室結構：一個內部充有氣體、兩電極間（高壓極和收集結構：一個內部充有氣體、兩電極間（高壓極和收集極）加有高壓形成電場的小室。由高壓電極、收極）加有高壓形成電場的小室。由高壓電極、收集電極、惰性氣體和電極之間的絕緣體等構成。集電極、惰性氣體和電極之間的絕緣體等構成。School of Nuclear Science and Technology3.4 反應堆堆芯外核檢測儀表系統反應堆堆芯外核檢測儀表系統3.4.3 3.4.3 堆芯外核檢測儀表的原理和結構堆芯外核檢測儀表的原理和結構3)3) 電離室電離室原理：入射粒子或射線使氣體電離產生正負離子對，原理：入射粒子或射線使氣體電離產生正負離子