檢查熱中子吸收器壁的系統、裝置和方法
2023-09-18 09:53:35 2
專利名稱：檢查熱中子吸收器壁的系統、裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種檢查熱中子吸收器壁的系統。還涉及利用根據本發明的系統檢查這種類型的系統的方法。
特別是，檢查中子吸收器壁包括檢查器壁的吸收量，檢測器壁中的任何缺陷，定位這些缺陷，以及確定缺陷尺寸和程度。
本發明的應用特別包括貯運核燃料的隔離框架的器壁的檢查。
隔離框架投入使用之前以及其後在使用階段的定期檢查過程中要特別檢查這些隔離框架的器壁。
在核工業中，放射性燃料的組件存儲在一架櫃中，該架櫃包含一些通常為多邊形或方形的隔離框架。這種類型的架櫃在例如本說明書結尾處所列舉的參考文獻(1)中給予了介紹。
該架櫃例如可以沉入一個已經添加中子吸收劑的含水池中。
隔離框架具有的金屬器壁或材料能夠吸收熱中子即具有大約1電子伏的中子。在本說明書的其餘部分，這種類型的材料稱為「中子吸收」材料。隔離框架的器壁可以直接由中子吸收材料，例如鎘合金或含硼的鋼製成。另外，它們可以由兩層不鏽鋼支承板構成，在其間具有中子吸收材料。
在本說明書結尾處的參考文件(1)和(2)中，介紹了這一問題。
附
圖1表示一種已知的用於檢查存儲隔離框架器壁的系統的斷面圖。該系統包含一個鋼製塊10，調節其尺寸以便適合隔離框架12的尺寸，使得該塊10能夠在隔離框架的內側沿著器壁在垂直於圖面的方向上滑動。
該鋼製塊包含處於中心的由鉲252製成的各向同性的快中子14源，以及4個圓柱形的熱中子探測器16a、16b、16c和16d，圍繞鋼製塊的各側放置，面向隔離框架12的器壁18a、18b、18c、18d。
快中子是具有的能量量級大約為1兆電子伏特的中子。由於它們的能量太高，探測器16a、16b、16c和16d實際上對這些快中子是不靈敏的。而且裝有中子吸收材料的器壁18a、18b、10c、18d幾乎不吸收快中子。
由各向同性的源14發出的快中子通過用作中子減速劑的鋼製塊10，以便改進在隔離框架內的中子熱能慢化效率，使檢測器16a、16b、16c、16d和器壁18a、18b、18c、18d能夠獲得一個圍繞隔離框架12的中子熱能慢化環境20。例如，可以用添加硼或以氫右碳不主要成份的任何其它材料的水。
在該中子熱能慢化環境內，快中子損失其動能，並變換為能由中子吸收材料截住的熱中子，以及能由中子探測器進行檢測。熱中子的能量僅約為1電子伏特。
熱中子朝所有方向擴散，因此，也朝隔離框架12的內側擴散。假如在器壁18a、18b、18c或18d中的中子吸收材料吸收能力弱或者如果沒有中子吸收材料，熱中子將不會被吸收，並因此將貫穿進入隔離框架，在隔離框架它們由探測器16a、16b、16c、16d進行檢測。為了得到關於這一問題的更進一步的信息，參閱在本說明書結尾處的參考文件(3)。
由利用其中一個探測器得到的中子的記錄曲線可以確定在器壁中的薄弱或缺陷的近似位置。
應指出，使用各向同性的源會引起輻射屏蔽問題，特別是在運輸過程中以及當將鋼塊10轉移到隔離框架內部時。
為了探測中子輻射，鋼塊10在隔離框架內部沿器壁18a、18b、18c、18d滑動移動。
圖2以簡化方式示意表示鋼塊10在隔離框架12內部的滑動，並表示探測器16a、16b、16c、16d的位置。這些探測器通常是圓柱形的，沿與隔離框架12器壁平行、用箭頭表示的方向X延伸。
當鋼塊10在隔離框架內部移動時，如在圖2中對於探測器16a用虛線所示，探測器描繪出一個軌跡。
圖3以任選比例繪製，表示由其中一個探測器所記錄的信號，例如表示當探測器16a通過隔離框架的器壁18a上的缺陷24的正面的情況，在該處部分地或者完全缺少吸收材料。圖3中的曲線表示探測器由隔離框架的底部朝向頂部即沿圖2中的箭頭方向移動的情況。
信號曲線包括探測器還沒有到達缺陷區24或者已經離開這一區域的區域32和34。
曲線的部分36和40對應於探測器的移動範圍，探測器曲線的遞增部分(36)和遞減部分(40)對應有缺陷的部分。
在部分36，表示當探測器16a的端部26到達缺陷24處時，信號幅度開始增加。在部分40，表示當探測器16a的對端28開始離開含有缺陷的區域時，信號幅度開始減少。
曲線的部分38對應當於探測器16a面向缺陷24時出現的最大幅度信號。
曲線的部分36和40的斜率很小，不可能精確地確定器壁中缺陷的位置和程度。
本發明的一個目的是提出一種能夠精確地確定在這種類型的器壁中的缺陷的具體位置和/或程度的檢查中子吸收器壁的優選系統。
另一個目的是提出一種用於檢查在器壁中的中子吸收材料厚度的系統。
再一個目的是提出一種能夠消除很多輻射屏蔽問題的檢查系統。
本發明的再一個目的是提出一種利用該檢查系統的檢查器壁的方法。
為了實現上述目的，作為本發明的一個部分的用於檢查含有熱中子吸收材料的吸收器壁的系統，包括一個檢測裝置，包含能夠發出快中子的中子源和能夠輸出檢測信號的熱中子檢測裝置；該檢測裝置面向器壁的第一側，並能夠順著器壁的其中一個移動方向移動。
一個中子熱能慢化環境，位於與該第一側相反的器壁的一側，以便將快中子變換為熱中子。
用於處理檢測信號的裝置，其特徵在於，該檢測裝置包括至少一對細長的並排放置的基本平行的熱中子探測器，其方向基本與移動方向垂直，每個檢測器能夠向信號處理裝置輸出檢測信號，以產生器壁檢查信號。
使用按上述限定方式放置的一對檢測器能夠由檢測信號中產生檢查信號，由此能夠精確地檢測出器壁中缺陷的存在、程度和位置。
使用根據本發明的系統，能夠確定器壁中的中子吸收材料的質量和/或厚度。
應考慮，當各探測器的分開距離與它們的橫截面的尺寸處於相同的量級時，將各探測器並排放置的方式。例如，外徑大約1釐米的圓柱形探測器可以分開幾釐米。
特別是，調節探測器之間的距離可以調節該檢測裝置的解析度，假如存在器壁缺陷，就可確定其位置。
根據本發明的一個方面，處理裝置包括一個加法器，其將由成對探測器中的每個探測器輸出的檢測信號相加，形成一個作為各檢測信號之和的函數的檢查信號。
通過取來自每對探測器中的兩個探測器中的每個探測器的檢測信號的和，得到特別適合於檢測器壁中的中子吸收材料的厚度和吸收質量的器壁檢查信號。
根據本發明的另一個方面，信號處理裝置包括一個減法器，將由成對探測器中的每個探測器輸出的二檢測信號相減，形成一個作為二檢查信號之間差值函數的檢查信號。
減法器可以與加法器一起提供，或不與加法器一起提供。
當記錄一等於各檢測信號之間差值的檢查信號時，對於在器壁中的每個被檢測的缺陷，觀察到表示出具有相反符號的兩個突變區的檢測信號。這些突變區是非常集中限制在局部的，故可用來精確地確定每個被檢測的缺陷的尺寸和位置。
為了進一步提高解析度和檢測系統的效率，檢測裝置可以裝有位於在快中子源和熱中子探測器之間的快中子散射體(diffuser)。該中子散射體可以增加在「有效角度」範圍內的快中子數量。有效角度的頂點是快中子源的中心，該角邊並與每對探測器的兩個快中子探測器相交。
在根據本發明的系統的一個特別優選的實施例中，中子源可以是快中子發生器。快中子發生器是一個響應於提供到其上的電脈衝、能夠發出中子的裝置。因此，這種類型的發生器與連續提供中子的「各向同性的」中子源不同。與這種類型的各向同性的源相比較，中子發生器便於和簡化輻射屏蔽測量，特別是當從需檢測的隔離框架中卸下或安裝檢測裝置時。
本發明還涉及一種用在上述系統中的檢查裝置。
該裝置包括最好接近至少一個檢測面的快中子源和熱中子檢測裝置。該裝置還可以順著器壁沿一個移動方向移動，並且檢測表面面向器壁。
根據本發明，該檢測裝置包含至少一對細長的並排放置的基本上平行的熱中子探測器，其方向垂直於該裝置順著器壁移動的方向。
該裝置可以包括幾個檢測面，每個面上裝有一或幾對檢測器。特別是，為了檢測該燃料存儲隔離框架，該裝置對於隔離框架中的每個器壁可以具有一個檢測面，以便同時檢查所有的器壁。
該裝置的橫斷面最好可以適於存儲核燃料的隔離框架的內部橫斷面，平行於各熱中子探測器，使得在隔離框架內部能夠沿著隔離框架器壁移動。
特別是，裝置的橫斷面的形狀和尺寸可調節，以便能夠在隔離框架內部滑動。
本發明還包括用於利用上述系統檢查器壁的方法。
按照第一種方法，沿著器壁移動檢測裝置，記錄作為檢測裝置在器壁上的位置的函數的、與來自兩個探測器的檢測信號的和成比例的檢查信號；並且將該檢查信號與基準信號比較，確定中子吸收材料的厚度。
按照另一種方法，檢測裝置沿著器壁移動，記錄作為檢測裝置在器壁上的位置的函數的、與各檢測信號之間差值成比例的檢查信號，測量在檢測信號中的一對可能的突變區的位置，確定在該材料中的每個缺陷的範圍和/或在該信號中所述各突變區之間的距離的特徵。
通過參閱附圖並為了說明而不是限定目的的如下介紹，會使本發明的其它特徵和優點變得更加明顯。
已經介紹圖1是根據現有技術狀態的核燃料存儲隔離框架的示意斷面圖，其中已經置有一個用來檢查隔離框架器壁的裝置，圖2是表示圖1中的探測器怎樣在隔離框架中滑動的簡化示意圖，圖3表示當根據圖1和圖2的一個探測器通過隔離框架器壁中的缺陷的正面時得到的信號的記錄，圖4表示根據本發明的器壁檢查系統的一個實例，圖5是一簡化示意圖，表示在該系統中的熱中子探測器相對於隔離框架的器壁和相對於中子源的配置，圖6A和圖6B是利用本發明產生的檢查信號理論上的記錄曲線，圖7A和7B是利用圖5中所示系統產生的記錄曲線。
如圖4所示，用於檢查吸收器壁的系統包含一個具有快中子源112的檢測裝置110和一對熱中子探測器114。
中子源112例如可以是由SODERN Company市售的GENIE型中子發生器。中子探測器為BF3或He3型。
應指出，源112和探測器114位於在需檢查的器壁118的一側116。器壁118包括中子吸收材料，例如鎘合金或添加硼的鋼。
在器壁118的與側面116相反的一側120形成一個中子熱能慢化的環境122。例如，這個環境可以由添加硼或富集氫原子的材料，例如聚乙烯的水構成。
由源發出的快中子通過探測器114和未被檢查的器壁118。快中子的能量約在1到14兆電子伏特之間。當快中子達到中子熱能慢化環境122時，由於與在這一環境中的輕原子相互作用，它們變為能量約1電子伏特的中子。這些中子被稱為熱中子，然後沿所有方向擴散，特別是朝向探測器114。
由於器壁包含中子吸收材料，換句話說，截住了熱中子，只有這些中子中的很小一部分在探測器114中被檢測。然而，當器壁4的中子吸收材料中存在薄弱處式缺陷時，則通過該處併到達探測器的中子的數量將增加。
檢測裝置110最好包括位於在源112和探測器114之間的金屬散射體124。
這種散射體124由於中子散射助增作用，增加了在使用的立體檢查角度126內的快中子的數量。這個有效角度兩邊與在成對探測器中的快中子探測器114相交，它的角頂是源112的中心113。在圖中用間斷線表示。
位於在有效角度126外側及在間斷線128的範圍內的散射體部分由於助增散射作用也可以增加在有效角度126內的中子。
散射體的另外的功能是利用散射使由源發出的快中子減速，以便改進在接近器壁118的環境122內部的中子熱能慢化作用。例如，快中子的能量由在由源112發射時的14兆電子伏特的量級變化為從幾個電子伏特到1毫電子伏特的能量。
可以將源、散射體和探測器整體安裝在一個未表示的架構上，以便於檢測裝置110沿著器壁118移動。
為了增加測量精確度，最好將各探測器114的位置儘可能地接近器壁118。
以簡化方式表示的信號處理裝置130電連接到各探測器114。它包含檢測信號檢測器。來自兩個探測器的檢測信號或者彼此加在一起，或者彼此相減，以形成檢查信號。
圖5以簡化方式表示源和探測器相對於需檢查的存儲隔離框架器壁的相對位置。外殼用虛線非常示意表示的檢測裝置具有的橫斷面對應於需檢查器壁的隔離框架的內部形狀，在圖中所示的情況下為方形。因此，該裝置可以順著隔離框架器壁沿圖5中利用箭頭表示的方向X滑動。
以成對探測器形式的探測器114可以為圓柱形，長度為200毫米，外徑為20毫米。它們的放置垂直於檢測器裝置110滑動方向，即垂直於方向X。
以成對探測器方式配置探測器114，使它們接近裝置外殼的檢測表面，因此接近需檢測的器壁118。它們彼此平行放置，分開距離較小。在這一實例中，探測器分開40毫米。
源112也是圓柱形的，它的中心113包含在通過二探測器114之間的中間平面內。當檢測裝置沿方向X順著器壁118和如由底部向頂部滑動時，對這一器壁可以進行掃描，以便進行檢查。然而，該裝置可以同時裝有幾對面向其它隔離框架器壁的探測器，以便同時檢查幾個器壁。
圖6A和6B以任選的比例表示一對探測器在器壁中的缺陷的正面通過的過程中得到的檢查信號的記錄曲線。圖6A的上面部分非常簡要地表示存在缺陷119和在該缺陷正面通過的一對探測器114的情況。
圖6A中用曲線200表示的信號對應於來自成對探測器方式的兩個探測器的檢測信號的和。
該曲線從左到右對應於在一核燃料存儲隔離框架中的根據本發明的檢測裝置從底部到頂部在器壁的正面的位移。
曲線200包含的部分202和204對應於器壁沒有任何缺陷的部分，並且其中的中子吸收材料是穩定和良好的。曲線這些部分代表的信號對應於背景噪聲並對應於間接到達探測器的熱中子的計數值。
在器壁缺陷區的起始點，第一探測器先於第二探測器計數反映熱中子數量的增加。曲線的部分206對應於被檢測的中子的數量增加。當成對的兩個探測器面向缺陷時，曲線的隔度最高的部分208對應於最大的中子計數值。最後，當二探測器行進到缺陷區以外時，曲線的部分210的幅值下降。
檢查信號的幅度即來自兩個探測器的信號的和與在器壁中的中子吸收材料的厚度或該處的吸收效率成反比。
因此，如果例如通過在器壁沒有任何中子吸收材料的區域進行測量，以及然後在器壁包含已知厚度的中子吸收材料器壁區域進行測量來校準測量系統，則可以在所有器壁部分測量中子吸收材料的厚度。
與之相似，可以確定中子吸收材料的質量。
圖6B表示當兩個探測器在器壁中的缺陷的正面通過時，對於等於兩個信號之間差值的檢查信號的記錄曲線。
當兩個探測器正面向沒有缺陷的器壁部分時，它們接收少量的熱中子，在兩個探測器的檢測的噪聲除了統計脈動之外通過相減進行消除。這種情況表示在曲線300的部分302和304。當兩個探測器面向器壁中的缺陷時，每個都檢測到最火數量的中子。然而，當二檢測信號相減時，檢查信號的幅度也基本上為零。這種情況是曲線6B中的部分308。
曲線300還包含兩個具有相反符號的突變區320、330，它們對應於器壁缺陷的起始和終止位置。每個突變區包括快速上升的波沿322、332，接著是恆定部分324、334，然後是快速下降的波沿326、336。
恆定部分324、334的長度決定於兩探測器之間的距離。
通過識別在曲線上的突變區320和330，可以精確地測量缺陷的位置。此外，可非常精確地確定在下降的波沿326、336的起點之間所測量的缺陷的尺寸。
圖7A和7B是利用本發明的系統記錄的曲線，分別對應於相加的和相減的檢測信號。兩個所用探測器是外徑為20毫米的探測器。它們相互分開的距離為40毫米。在圖7A和7B中的曲線400和500表示在器壁中無缺陷區和損失中子吸收材料的區域之間過渡的細節情況。
圖7A和7B的曲線圖的原點表示器壁中缺陷的起始位置。這一缺陷每側的距離按釐米給定。信號的幅度(以任選單位表示)對應於在以成對探測器方式的每個探測器中檢測的中子的數量的和(圖7A)或差(圖7B)。
標號404和504分別標記曲線的信號部分400和500，其中二探測器正面對完全填充中子吸收材料的器壁區域。標號408和508表示二探測器正面向缺陷的曲線部分400和500。
圖7A中的曲線400對應於圖6A中的曲線部分200，它表示在缺陷邊界每側5釐米距離範圍內在部分404和408之間的轉移的分布情況。
圖7B中的曲線500對應於圖6B中的曲線部分300，它表示中心位於在器壁缺陷區的邊界上的突變區。利用可以易於確定的曲線500上的拐點501，精確地確定缺陷的範圍。
最後，利用本發明可以精確地確定中子吸收材料中缺陷的程度、尺寸和邊界。
本中請參考的文件(1)FR-A-2680909(2)FR-A-2511907(3)US-A-424388權利要求
1.一種用於檢查包含熱中子吸收材料的吸收器壁(118)的系統，該系統包含檢測裝置(110)，包含能夠發出快中子的中子源(112)，以及檢測熱中子能夠輸出檢測信號的裝置，該裝置面對器壁(118)的第一側(116)放置，並且能夠順著器壁沿著位移方向(X)移動，中子熱能慢化環境(122)，位於器壁(118)的與第一側(116)相反的一側(120)，將來自源的快中子變為熱中子，處理檢測信號的裝置(130)，其特徵在於，該檢測裝置包含至少一對細長的並排基本平行放置的熱中子探測器(114)，方向基本上垂直於移動方向(x)，每個探測器(114)能夠向信號處理裝置(180)輸出檢測信號，以便形成器壁檢查信號。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，該信號處理裝置(130)包含一個加法器，用於以成對探測器方式的每個探測器(114)輸出的檢測信號，形成一作為二檢測信號之和函數的的檢查信號。
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，該信號處理裝置(130)包括一個減法器，用於以成對探測器方式的每個探測器(114)輸出的檢測信號，形成一個作為二檢測信號之間差值的函數的檢查信號。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，該檢測裝置(110)包括一個位於快中子源(112)和熱中子探測器(114)之間的中子散射體(124)，以便增加在稱為有效角度的一個角度(126)內的快中子的數量，所述有效角度(126)的角頂在快中子源的中心(113)，角的兩邊與在每對探測器中的兩個熱中子探測器相交。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，該熱中子探測器(114)為圓柱形，長度約為200毫米，外徑約為20毫米，間距約為40毫米。
6.根椐權利要求1所述的系統，其特徵在於，該中子源(112)是一個能夠響應施加到其上的電脈衝發出快中子的中子發生器。
7.一種用於檢查中子吸收器壁(118)的檢測裝置(110)，包含快中子源(112)和檢測熱中子的裝置；該裝置能夠順著器壁(118)沿著一個位移方向(x)移動，其特徵在於，該檢測裝置包含至少一對細長的並排基本平行放置的熱中子探測器(114)，其方向基本上垂直於該裝置順著器壁的位移方向(x)。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，該裝置具有的平行於熱中子探測器(114)的橫斷面適合於燃料存儲隔離框架的內部橫斷面，以便能夠在該隔離框架內部沿著艙室器壁移動。
9.一種用於檢查中子吸收器壁(118)的方法，利用根據權利要求1的檢查系統確定熱中子吸收材料的厚度，或材料吸收效率，其中檢測裝置(110)順著器壁(118)移動，記錄一個與來自兩個探測器的檢測信號的和成比例的檢查信號(200)，該信號為檢測裝置順著器壁的位置的函數，以及將該檢查信號與基準信號相比較，以確定順著器壁的中子吸收材料的厚度或材料吸收效率。
10.一種用於檢查中子吸收器壁的方法，利用根據權利要求1的檢查系統確定在器壁(118)中的中子吸收材料的缺陷(119)的位置和/或長度、其中順著器壁移動該檢測裝置，記錄作為檢測裝置在器壁上的位置的函數的、與檢測信號之間差值成比例的檢查信號(300)，測量在該信號中的兩個突變區(320，330)的位置和/或在該信號中的所述突變區之間的距離，這些突變區為材料中的每個缺陷的邊界的特徵。
全文摘要
用於檢查熱中子吸收器壁的系統，裝置和方法，根據本發明的裝置(110)包含快中子源(112)和熱中子檢測裝置。該裝置順著器壁(118)沿著一個位移方向可以移動。根據本發明，該檢測裝置包含至少一對細長的並排基本平行放置的熱中子探測器(114)，其方向基本上垂直於移動方向。
文檔編號G01T3/00GK1155665SQ9612274
公開日1997年7月30日 申請日期1996年9月14日 優先權日1996年9月14日
發明者P·巴哈, P·戈塞特 申請人:A·T·E·A·大西洋技術促進公司