技术领域
[0001] 本
发明涉及伽马补偿技术领域，特别涉及一种裂变偶探测器及其伽马补偿方法。
背景技术
[0002] 利用裂变偶
中子探测器测量裂变物质温升和时间的响应关系进而反映脉冲
辐射场的瞬态特性，国外已有相关报道，认为裂变偶具有优越的瞬态响应性能以及独特的结构尺寸，在研究堆安全与自熄灭机制、获取中子脉冲相关参数、监测狭小空间“点”中子注量等方面都具有重要意义。美国利用基于
热电堆结构的裂变偶探测器，成功获得了Super KUKLA脉冲堆的
瞬发中子能谱、初始周期以及脉冲功率分布。。国内在近几年也开展了一些裂变偶测试技术的
基础研究与实验，取得了较明显的进展。
[0003] 目前，国内在进行脉冲堆中子脉冲监测中，通常采用
闪烁体或电离室(如裂变室)来测量瞬发中子通量。闪烁体由于体积较大，只能固定在距堆一定距离处，其输出
信号反映的是对周围所有在闪烁体产生
荧光的射线或粒子的积分，因而与实际脉冲中子
波形存在差异；而电离室(如裂变室)由于响应较慢，不宜用于瞬态测量。在
现有技术中还存在一些涉及反应堆
堆芯中子通量测量的方法，如γ
温度计，具有结构简单、性能稳定、使用寿命长等优点，但由于较大的尺寸(外径大约为0.8cm)、较长的响应时间(典型的为几分钟)、测量量程范围小等原因，使其使用局限在反应堆元件通道功率和轴向功率分布的测量中。以上这些方法都不是理想的脉冲中子监测手段。所以，建立一种体积小、响应快、对中子场的扰动小的脉冲堆瞬态特性参数诊断技术是十分必要的。
[0004] 利用裂变偶进行脉冲中子监测，必须考虑伽马射线辐射对测量的影响。裂变偶采用裂变材料作为传感元件，其对中子与伽马辐射同时具有快响应，综合体现在探测器的热电输出上，反映的是热电势输出与中子通量以及伽马射线的函数。这一结果与中子通量的准确测量相冲突，必须采取补偿的方法将伽马辐射效应消除，以便在整个堆容积上获得中子通量的准确测量。
发明内容
[0005] 本发明针对现有技术的
缺陷，提供了一种中子脉冲监测中裂变偶探测器的伽马补偿方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。
[0006] 为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
[0007] 一种裂变偶探测器的伽马补偿方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤1：建立裂变偶伽马补偿结构的模型；
[0009] 所述伽马补偿结构的模型包括第一热偶和第二热偶，上述热偶分别由两根细热偶丝之间
焊接一个金属珠构成，其中第一热偶的金属珠为裂变珠，第二热偶的金属珠采用非裂变材料，对入射中子不产生响应，所述第一热偶和第二热偶成极性相反连接；
[0010] 分析第二种热偶的伽马补偿程度，首先进行以下假设：
[0011] (1)第一热偶的裂变珠尺寸足够小，以避免中子自屏蔽，确保在它的整个体积上被均匀加热，从而在与热偶引线
接触的两个结点上产生的温度一致；
[0012] (2)热偶引线的几何尺寸足够小，使得由传导端面热辐射引起的传导损失可以忽略；
[0013] (3)第二热偶的中间金属D与所选择的金属A有同样的
密度，以使其对伽马加热有相同的响灵敏度；
[0014] (4)裂变元件的热传导率无穷大，所以，在中子入射小珠引起裂变的有限时间内，热传导滞后于裂变碎片在小珠内沉积的
能量，且小珠内的温度平衡时间可以忽略；
[0016] 步骤2：计算模型，采用蒙特卡罗方法计算得到CFBR-II堆超瞬发4￠时的脉冲波形；将裂变偶模型置于脉冲辐射场下，中子和伽马同时在裂变珠内部沉积能量进而引起温升，采用伽马补偿的方法扣除裂变珠内的伽马沉积能量，使得裂变珠温升仅仅反映中子引起的致热效应；
[0017] 基于蒙特卡罗方法建立CFBR-II脉冲堆堆芯处中子、伽马在裂变珠内的能量沉积计算模型，在模型中，选用一种非裂变材料制成与裂变珠同样尺寸的补偿珠，并假设裂变珠和补偿珠位于CFBR-II堆辐照孔道内的同一平面上，二者表面相距1mm，由
位置差异引起的中子、伽马注量差异可忽略；
[0018] 基于该模型，选取不同材料的补偿珠，其形状尺寸均与裂变珠相同，为 的实心球体，采用MCNP5计算得到裂变珠和补偿珠内中子、伽马的沉积能量，以及由沉积能量引起的温升如表1所示；
[0019] 表1：不同材料的中子和伽马沉积能量计算结果
[0020]
[0021] 依据表1中6种金属材料珠与裂变珠内由于伽马射线能量沉积引起的温升，可以分235 235 235 235
别得到补偿用材料与 U的伽马致热比为：铋/ U为86.1％、钼/ U为20.4％、钨/ U为
63.4％、
钛/235U为7.6％、镍铬/235U为9.7％、康
铜/235U为10.4％。比较这几种材料的伽马致热温升，根据表1的计算结果，分别以铋、钛、康铜作为伽马补偿珠设计材料进行理论模拟和效果分析；
[0022] 步骤3：基于伽马补偿的裂变偶ANSYS模拟；
[0023] 基于裂变偶结构，利用ANSYS WORKBENCH仿真工具建立了有限元计算模型，以CFBR-II堆超瞬发4￠时的脉冲波形作为模型输入条件，珠直径为1mm，偶丝直径为0.05mm、长5mm，设空气
对流散热系数为5W/m2·℃，热辐射发射率为0.9，环境初始温度为22℃；
[0024] 考虑裂变时，仅在裂变珠内加载裂变所沉积的能量；考虑伽马影响时，分别在裂变珠、补偿珠、偶丝上都加载相应的能量；
[0025] 在计算模型中将裂变珠替换为相应的补偿珠分别进行计算，分别考虑不同条件下测点温度的变化，从而获得不同组合下达到的补偿效果；
[0026] 步骤4：伽马的影响分析；以CFBR-II堆超瞬发4￠时的脉冲波形作为模型输入条件，测试康铜丝和镍铬丝的平均温度随时间的变化而变化的结果，测试伽马对裂变偶测试温度的影响；
[0027] 步骤5：补偿珠补偿程度模拟，分别对铋珠、钛珠、康铜珠进行补偿效果模拟，两端分别连接康铜-镍铬热偶丝；
[0028] 步骤6：通过补偿珠补偿程度模拟设计补偿型裂变偶的结构；
[0029] 针对裂变珠内的伽马能量沉积，采用铋、钛、康铜三种材料进行补偿，通过在裂变偶
电路中与裂变珠反向
串联，可以建立4种补偿型裂变偶结构，采用铋、钛、康铜三种材料珠串联使用。
[0030] 本发明还公开了一种裂变偶探测器，包括：235U珠、钛珠、康铜珠和铋珠各一个，每个珠的尺寸均为
[0031] 所述235U珠与钛珠之间以康铜材料的直径为0.05mm的热偶丝连接，偶丝长度为5mm；
[0032] 所述235U珠与康铜珠之间以镍铬材料的直径为0.05mm的热偶丝连接，偶丝长度为5mm；
[0033] 所述康铜珠与铋珠之间以康铜材料的直径为0.05mm的热偶丝连接，偶丝长度为5mm；
[0034] 所述铋珠的另一端采用直径为0.05mm、长为5mm的镍铬热偶丝引出，并与直径为0.8mm、长为1cm的相同材料的粗偶丝相连；
[0035] 所述钛珠的另一端采用直径为0.05mm、长为5mm的镍铬热偶丝引出，并与直径为0.8mm、长为1cm的相同材料的粗偶丝相连；
[0036] 所述两根粗偶丝的热接点处材料不同，导致的温升不同，所以会产生热电动势输出，而输出的热电动势与监测点的中子注量存在线性函数关系；所以，只要得到了热电动势，就可以获得“点”中子注量。
[0037] 作为优选，所述235U珠、钛珠、康铜珠和铋珠各一个，每个珠的尺寸均为[0038] 与现有技术相比本发明的优点在于：基于裂变偶模型，分别以铋、钛、钼、钨、镍铬、康铜金属作为伽马补偿材料，利用ANSYS Workbench有限元仿真工具，建立了中子脉冲监测中伽马补偿型裂变偶的计算模型，得到了不同补偿材料对裂变珠内伽马吸收所致温升的补偿结果，并对补偿效果进行了比较。通过与裂变
铀珠进行反向串接的方式，可以消除裂变珠内98％的伽马沉积能量引起的温升，为伽马补偿型裂变偶探测器的设计提供依据。
附图说明
[0039] 图1为现有技术中裂变偶伽马补偿结构图；
[0040] 图2为本发明
实施例裂变偶伽马补偿结构图；
[0041] 图3为本发明实施例CFBR-II堆超瞬发4￠时脉冲波形图；
[0042] 图4为本发明实施例蒙特卡罗计算模型图；
[0043] 图5为本发明实施例有限元计算模型图；
[0044] 图6为本发明实施例在裂变珠、补偿珠、偶丝上都加载的热功率线形图；
[0045] 图7为本发明实施例伽马对铀珠温度分布的影响示意图；
[0046] 图8为本发明实施例伽马对偶丝温度分布的影响示意图；
[0047] 图9为本发明实施例伽马对温度测试的影响示意图；
[0048] 图10为本发明实施例铋补偿珠补偿效果模拟示意图；
[0049] 图11为本发明实施例钛补偿珠补偿效果模拟示意图；
[0050] 图12为本发明实施例康铜补偿珠补偿效果模拟示意图；
[0051] 图13为本发明实施例不同补偿效果比较示意图；
[0052] 图14为本发明实施例补偿型裂变偶探测器结构图。
具体实施方式
[0053] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。
[0054] 一种中子脉冲监测中裂变偶探测器的伽马补偿方法，包括如下步骤：
[0055] 步骤1：建立裂变偶伽马补偿结构的模型；
[0056] 如图1所示，裂变偶由一个采用铀材料制成的裂变珠A和两根细热偶丝B、C构成。两根热偶引线B和C分别焊接在裂变珠A上，形成两个热接触点。裂变珠A被入射中子和伽马射线加热，而引线B和C仅对伽马能量产生响应。因此，裂变偶的输出热电势ΔU是中子与伽马共同作用的函数。如果要裂变偶仅仅对中子通量响应，就必须消除裂变珠A以及热偶引线B、C对伽马加热产生的热电势。
[0057] 如图2所示，将两种不同的热偶反向串联，当中子和伽马共同作用在探测器上时，第二种热偶的中间金属D采用非裂变材料，对入射中子不产生响应。由于两个热偶BAC和BDC是极性相反连接的，所以金属B和C上因伽马能量加热而产生的接触热电势被抵消了，物体A和D因伽马加热引起的温升而产生的热电势也就被抵消了。此时，裂变偶的输出热电势ΔU’仅由裂变珠A因中子能量沉积加热而产生。
[0058] 为了分析图2中第二种热偶BDC的伽马补偿程度，首先进行以下假设：
[0059] (1)第一热偶A的尺寸足够小，以避免中子自屏蔽，确保在它的整个体积上被均匀加热，从而在与热偶引线接触的两个结点上产生的温度一致。
[0060] (2)热偶引线的几何尺寸足够小，使得由传导端面热辐射引起的传导损失可以忽略。
[0061] (3)第二热偶的中间金属D与所选择的金属A有同样的密度，以使其对伽马加热有相同的响灵敏度
[0062] (4)裂变元件的热传导率无穷大，所以，在中子入射小珠引起裂变的有限时间内，热传导滞后于裂变碎片在小珠内沉积的能量，且小珠内的温度平衡时间可以忽略。
[0063] (5)裂变元件的热容量与温度无关。
[0064] 1.1计算模型
[0065] CFBR-II
快中子脉冲堆在超瞬发
临界状态运行时，能在几百微秒至十几毫秒的时间内产生超强脉冲中子，单次脉冲的累积中子注量在堆芯辐照腔内接近1014cm-2，在堆表面附近达到1013cm-2，并伴随伽马射线的产生，而伽马与裂变中子的占比份额在10％以内。采用蒙特卡罗方法计算得到CFBR-II堆超瞬发4￠时的脉冲波形，如图3所示。
[0066] 将裂变偶置于脉冲辐射场下，中子和伽马同时在裂变珠内部沉积能量进而引起温升，这是两者综合作用的体现，因此，裂变珠的温升与其内部的沉积能量有着线性关系。将裂变偶用于中子通量测量时，为了得到温升与中子通量的线性关系，就必须采用伽马补偿的方法扣除裂变珠内的伽马沉积能量，使得裂变珠温升仅仅反映中子引起的致热效应。
[0067] 如图4所示，基于蒙特卡罗方法建立CFBR-II脉冲堆堆芯处中子、伽马在裂变珠内的能量沉积计算模型。模型中，选用一种非裂变材料制成与裂变珠同样尺寸的补偿珠，并假设裂变珠和补偿珠位于CFBR-II堆辐照孔道内的同一平面上，二者表面相距1mm，由位置差异引起的中子、伽马注量差异可忽略。
[0068] 基于该模型，选取不同材料的补偿珠，其形状尺寸均与裂变珠相同，为 的实心球体，采用MCNP5计算得到裂变珠和补偿珠内中子、伽马的沉积能量，以及由沉积能量引起的温升如表1所示。
[0069] 表1：不同材料的中子(裂变)和伽马沉积能量计算结果
[0070]
[0071]
[0072] 依据表1中6种金属材料珠与裂变珠内由于伽马射线能量沉积引起的温升，可以分别得到补偿用材料与235U的伽马致热比为：铋/235U为86.1％、钼/235U为20.4％、钨/235U为235 235 235
63.4％、钛/ U为7.6％、镍铬/ U为9.7％、康铜/ U为10.4％。比较这几种材料的伽马致热温升，可以发现：
[0073] 1)任意单一材料都不能完全补偿掉裂变珠内伽马能量沉积引起的温升，需要两种材料才能达到较好的补偿效果。
[0074] 2)选用补偿材料时，需要关注材料的伽马自屏蔽效应，对于
原子序数小的材料，其伽马自屏蔽效应也相应减小，这在伽马补偿应用中具有一定优势。
[0075] 根据表1的计算结果，分别以铋、钛、康铜作为伽马补偿珠设计材料进行理论模拟和效果分析。
[0076] 2基于伽马补偿的裂变偶ANSYS模拟
[0077] 基于裂变偶结构，利用ANSYS WORKBENCH仿真工具建立了有限元计算模型，如图5。以CFBR-II堆超瞬发4￠时的脉冲波形作为模型输入条件，珠直径为1mm，偶丝直径为
0.05mm、长5mm，设
空气对流散热系数为5W/m2·℃，热辐射发射率为0.9，环境初始温度为22℃。考虑裂变时，仅在裂变珠内加载裂变所沉积的能量；考虑伽马影响时，分别在裂变珠、补偿珠、偶丝上都加载相应的能量。加载的热功率如图6所示。
[0078] 裂变偶输出热电势直接与接触点温度相关，在一定范围可近似成线性关系。当裂变偶的细偶丝远小于铀球时，接触面的温度主要由铀球决定，因此细偶丝与铋球、钛球等补偿珠接触时，其接触面的温度也主要由相应小球决定，抵消伽马的影响本质上就是抵消铀球上伽马引起的温升影响。
[0079] 为了分析不同材料补偿珠的补偿效果，在计算模型中将裂变珠替换为相应的补偿珠分别进行计算，分别考虑不同条件下测点温度的变化，从而获得不同组合下可能达到的补偿效果。
[0080] 2.1伽马的影响分析
[0081] 以CFBR-II堆超瞬发4￠时的脉冲波形作为模型输入条件，且在0.002s时沉积了99％以上的能量。考虑如下两种加载方式：一是裂变和伽马共同作用，裂变仅发生在裂变珠内且均匀分布，而伽马分别在康铜、镍铬和铀球内沉积相应比例的能量，同种材料内伽马沉积能量也均匀分布。图7给出了两种情况的温度分布，可以看出考虑伽马和不考虑伽马两种情况的铀球最高温升分别为58.501℃和55.464℃(初始
环境温度为22℃)，因此伽马额外贡献了3.037℃，相当于裂变引起温升的5.476％，这与伽马理论上贡献的份额5.474％是一致的。
[0082] 从温度分布看，两种情况的偶丝接触面温度非常接近裂变珠温度，只是由于热传导的存在而略低于铀球中心温度。
[0083] 图8给出了0.002s时偶丝上的温度。可以看出，对于伽马和不考虑伽马的两种情况，其变化趋势是相同的，由于康铜的热导率40w/m.℃相对于镍铬丝的15w/m.℃更高，因而偶丝温度出现显著变化的长度更长，但影响范围都在5mm的长度之内。
[0084] 如图9所示，康铜丝和镍铬丝测点的平均温度随时间的变化，图中偶丝测点温度都是略滞后于铀球温度，这与前期的裂变偶理论分析结果一致。在能量开始沉积、裂变珠温度迅速上升时，由于伽马的贡献使得裂变偶的测试温度更高，主要体现在脉冲峰附近，而峰值过后温度就以非常缓慢的速度降低，这主要是由
热损失引起的，温度越高热损失越快，降温也越快。
[0085] 2.2补偿珠补偿程度模拟
[0086] 2.2.1铋珠补偿效果模拟
[0087] 采用铋材料作为补偿珠，其结构模型与裂变偶相同，铋珠玉裂变珠的几何尺寸相同，两端分别连接康铜-镍铬热偶丝，计算结果如图10所示。可以看出，测点温度与铋珠中心最高温度同样存在显著的滞后，与裂变珠的变化趋势一致，只是在0.002s时铋珠的最高温升仅2.562℃。铋珠和偶丝上温度分布也与裂变偶情况基本相似，由于热传导，接触面温度略低于铋珠中心温升。
[0088] 2.2.2钛珠补偿效果模拟
[0089] 将裂变珠替换为相同尺寸的钛珠，计算结果如图11所示。偶丝接触面温度在脉冲峰后出现了一个小的峰值，然后又逐渐降低到接近钛珠的温度，如图11a所示，这与裂变珠以及铋珠的情况存在显著差异。由于偶丝温度高于钛珠温度，脉冲峰后在非常短的时间内可以近似看做
绝热过程，接触面温度由偶丝和钛珠温度共同决定，但随着时间增加，偶丝靠近接触面附近由于热传导而迅速降低，因而接触面温度仍然主要由钛珠主导。
[0090] 在0.002s时,康铜丝和镍铬丝在偶丝中部有一段均温区，相对于起始状态温升分别为0.31℃和0.289℃，而靠近钛珠一端由于将热量传导给了钛温度较低，另一端为初始设定固定温度。钛珠中心温度在0.002s时上升了0.228℃，康铜丝和镍铬丝与之接触面平均温升分别为0.232℃和0.23℃。
[0091] 2.2.3康铜珠补偿效果模拟
[0092] 将裂变珠替换为相同尺寸的康铜珠，计算结果如图12所示。康铜珠接触面温度与康铜珠中心温度一致，偶丝与补偿珠之间温差非常小，在整个脉冲期间偏差不超过0.003℃，仅偶丝在两端由于边界条件设置存在较大温度梯度。在0.002s时接触面温升约为0.31℃，略大于钛珠的贡献。
[0093] 3补偿型裂变偶的结构设计
[0094] 以CFBR-II堆超瞬发4￠时的脉冲波形为中子注入条件，在0.002s时裂变珠内已沉积了99％以上的能量，其中伽马射线能量在裂变珠内的贡献约3.037℃。由前述对铋、钛、康铜三种材料的分析，在0.002s时铋珠内伽马射线能量产生的最高温升约为2.562℃，钛珠内伽马射线能量产生的最高温升约为0.23℃，康铜珠内伽马射线能量产生的最高温升约为0.31℃。可以看出，任意一种材料珠都不足以起到较好的伽马补偿效果。
[0095] 针对裂变珠内的伽马能量沉积，采用铋、钛、康铜三种材料进行补偿，通过在裂变偶电路中与裂变珠反向串联，可以建立4种补偿型裂变偶结构，并对这4种结构的补偿效果进行了对比，如图13所示。
[0096] 以上结果表明，铋珠可以补偿掉裂变珠内84.3％的伽马能量贡献，钛珠可以补偿掉裂变珠内7.5％的伽马能量贡献，康铜珠可以补偿掉裂变珠内10.2％的伽马能量贡献，如果将这三种材料珠串联使用，则可以达到98％的伽马补偿结果。依据这一结果，建立了裂变偶的伽马补偿结构设计，如图14所示。
[0097] 3结论
[0098] 基于裂变偶模型，分别以铋、钛、钼、钨、镍铬、康铜金属作为伽马补偿材料，利用ANSYS Workbench有限元仿真工具，建立了中子脉冲监测中伽马补偿型裂变偶的计算模型，得到了不同补偿材料对裂变珠内伽马吸收所致温升的补偿结果，并对补偿效果进行了比较。计算结果表明，以 的铋珠、 的钛珠和 的康铜珠作为伽马补偿材料，通过与裂变铀珠进行反向串接的方式，可以消除裂变珠内98％的伽马沉积能量引起的温升，为伽马补偿型裂变偶探测器的设计提供依据。
[0099] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体
变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
