一种伽马补偿型长寿命堆内中子探测器的设计方法

本发明涉及辐射场在线监测及堆芯中子探测器，具体涉及一种伽马补偿型长寿命堆内中子探测器的设计方法。

背景技术：

1、中子辐射场总是伴随着γ射线的产生，中子和γ射线的甄别是中子探测必须解决的技术问题。核反应堆堆芯是典型的中子-γ混合场，其堆内中子探测器以基于核裂变的裂变电离室和基于中子活化的自给能探测器为主。γ射线补偿电极的设计对于电离室探测器的抗γ射线辐射能力有显著增强，但由于反应能强、燃耗快的特点，裂变电离室难以长期在堆内辐射场连续工作，无法适应当前在线式、长寿命的中子探测要求；而基于活化法的自给能探测器更易受到γ射线的噪声干扰。

2、为解决自给能探测器抗γ干扰能力极差的问题，在工程实际中应用了以本底补偿芯线和轴向电流信号补偿为代表的解决方法，然而这些措施仅对铠装电缆的信号屏蔽有一定效果，无法提高探测器探头的抗γ能力。而针对n/γ甄别的自给能探测器方案设计，国际上公开提出了基于实验的低z材料背景电流补偿方法和基于电路信号调节的外源光子补偿方法，这两种思路通过探测器参数调节直接考虑对本底电流的补偿，然而第一种方法由于缺乏理论指导，设计成本显著；第二种方法目前在实践中尚未解决绝缘体微弱电荷测量的难题。近年来，随着中子探测器机理研究和高精度响应计算模型的发展，从探测器设计根本上解决其γ射线噪声干扰成为可能。此外，当前我国核反应堆所用的堆内中子探测器长期依赖进口，高信噪比、长寿命的探测器方案设计对国产探测器的自主化研制具有积极推动作用。

3、基于上述背景，如何从堆内中子探测器和目标辐射场的响应机理出发，提供有效的设计方案以解决现有中子探测器γ噪声强烈的问题，从而保障堆芯测量及状态参数在线监测的准确性成为制约堆内中子探测技术的现实挑战之一。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种伽马补偿型长寿命堆内中子探测器的设计方法，以解决中子探测过程γ射线背景噪声电流干扰的问题。基于γ射线分支电流计算，通过调整探测器基本参数以实现对伽马总响应电流的补偿，并基于探测器灵敏区的微观吸收反应率定量计算探测器的预期运行寿命，保证在目标辐射场条件下的可持续运行。

2、为了实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

3、一种伽马补偿型长寿命堆内中子探测器的设计方法，包括如下步骤：

4、步骤1：读取包含堆内仪表管的燃料组件的几何和材料信息，求解稳态中子输运方程得到堆内仪表管处的中子能谱和光子能谱；

5、步骤2：读取堆内中子探测器的初始化材料和结构参数，根据步骤1得到的中子能谱和光子能谱建立堆内中子探测器蒙特卡罗模型，利用公式(1)和公式(2)分别计算堆内中子探测器的中子灵敏度和光子灵敏度，并利用公式(3)计算堆内中子探测器的瞬发灵敏度系数；

6、

7、

8、式中：

9、sn——堆内中子探测器的中子灵敏度；

10、sγ——堆内中子探测器的光子灵敏度；

11、qn(t)——堆内中子探测器与中子反应在t时刻产生的有效电荷量；

12、qγ——堆内中子探测器与光子反应产生的有效电荷量；

13、φn——堆内中子探测器灵敏区的中子通量密度；

14、φγ——堆内中子探测器灵敏区的光子通量密度；

15、l——堆内中子探测器长度；

16、t——时间；

17、

18、式中：

19、kp——堆内中子探测器的瞬发灵敏度系数；

20、qn(0)——堆内中子探测器与中子反应在初始时刻产生的有效电荷量；

21、步骤3：根据步骤1得到的堆内仪表管处的中子能谱和光子能谱，以及步骤2得到的堆内中子探测器的中子灵敏度、光子灵敏度和瞬发灵敏度系数，利用公式(4)计算堆内中子探测器的伽马电流；

22、

23、式中：

24、ip——堆内中子探测器的伽马电流；

25、δen——堆内仪表管处中子能谱的能量范围；

26、φn(e)——堆内仪表管处的中子能谱；

27、sn(e)——能量为e时堆内中子探测器的中子灵敏度；

28、δeγ——堆内仪表管处光子能谱的能量范围；

29、φγ(e)——堆内仪表管处的光子能谱；

30、sγ(e)——能量为e时堆内中子探测器的光子灵敏度；

31、步骤4：根据步骤2读取的堆内中子探测器初始化材料和结构参数，获得堆内中子探测器灵敏区的衰变常数和微观吸收截面；

32、步骤5：根据步骤4得到的堆内中子探测器灵敏区的衰变常数和微观吸收截面，以及步骤1得到的堆内仪表管处的中子能谱，利用公式(5)计算堆内中子探测器的预期运行寿命；

33、

34、式中：

35、l——堆内中子探测器的预期运行寿命；

36、λ——堆内中子探测器灵敏区的衰变常数；

37、σa(e)——能量为e时堆内中子探测器灵敏区的微观吸收截面；

38、——堆内中子探测器灵敏区的微观吸收反应率；

39、步骤6：调整步骤2中堆内中子探测器的材料和结构参数，重复步骤2～步骤5；根据步骤3得到的堆内中子探测器的伽马电流和步骤5得到的堆内中子探测器的预期运行寿命，使两者满足公式(6)所示的设计目标，所对应得到的堆内中子探测器的材料和结构参数即作为优化设计的伽马补偿型长寿命堆内中子探测器；

40、ip≤is,l＞ls (6)

41、式中：

42、is——堆内中子探测器伽马电流的设计限值；

43、ls——堆内中子探测器预期运行寿命的设计限值。

44、优选的，步骤2所述的堆内中子探测器蒙特卡罗模型以中子能谱和光子能谱作为辐射场输入参数，以探测器材料和结构作为计算单元输入参数。

45、优选的，步骤4所述的堆内中子探测器灵敏区的衰变常数和微观吸收截面是从材料核数据库获取的。

46、所设计的堆内中子探测器类型为自给能探测器；堆内中子探测器灵敏区材料为51v，探测器结构为同轴圆柱型，堆内中子探测器的γ噪声占比低于0.5％。

47、与现有技术相比，本发明具有如下突出的优点：

48、1.在本发明中，伽马补偿设计从堆内中子探测器辐射诱导电流机理出发，确保来自辐射俘获和裂变瞬发的分支伽马电流相互补偿，从设计原理上解决了γ噪声的干扰；

49、2.在本发明中，设计方法基于堆内中子探测器蒙特卡罗模型，不依赖于成本高昂的试验探索；设计目标通过调整堆内中子探测器的材料和结构参数实现，对当前阶段制造技术适应性强，方案具备工程可行性；

50、3.通过本发明设计方法提供的伽马补偿型长寿命堆内中子探测器，不仅可以显著提高堆内中子探测器本身的信噪比，而且增强了基于堆内中子探测器信号的堆芯监测能力，使其可用于瞬态工况的控制和保护。

技术特征：

1.一种伽马补偿型长寿命堆内中子探测器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种伽马补偿型长寿命堆内中子探测器的设计方法，其特征在于：步骤2所述的堆内中子探测器蒙特卡罗模型以中子能谱和光子能谱作为辐射场输入参数，以探测器材料和结构作为计算单元输入参数。

3.根据权利要求1所述的一种伽马补偿型长寿命堆内中子探测器的设计方法，其特征在于：步骤4所述的堆内中子探测器灵敏区的衰变常数和微观吸收截面是从材料核数据库获取的。

4.根据权利要求1所述的一种伽马补偿型长寿命堆内中子探测器的设计方法，其特征在于，所设计的堆内中子探测器类型为自给能探测器；堆内中子探测器灵敏区材料为51v，探测器结构为同轴圆柱型，堆内中子探测器的γ噪声占比低于0.5％。

技术总结一种伽马补偿型长寿命堆内中子探测器的设计方法，基于γ分支电流补偿原理用以解决中子探测器在核反应堆混合辐射场的γ噪声干扰问题。通过求解堆内仪表管的辐射场信息并建立探测器灵敏度分离模型，计算堆内中子探测器的伽马电流；基于探测器灵敏区的衰变常数和微观吸收截面，计算探测器的预期运行寿命；通过调整材料和结构参数，获得满足设计目标的探测器优化方案。这种堆内中子探测器信噪比高，从原理设计上解决了γ场的电流干扰，有利于提升堆芯状态参数的可持续在线监测能力；所提出的设计方法基于探测器辐射诱导电流机理，不依赖于先期试验基础和制造工艺升级，简易高效，具备工程可行性。技术研发人员：刘宙宇,周遥,曹良志,吴宏春受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29