用于进行核燃料棒的有源扫描的系统和方法技术方案

提供了一种对核燃料棒进行有源扫描的系统和方法。所述系统包括电驱动的中子发生器、慢化器、燃料棒通道和多个辐射检测器，其中所述中子发生器包括离子源、加速器和靶，所述慢化器围绕中子发生器并配置为慢化中子发生器产生的中子，所述燃料棒通道设置在慢化器内，所述燃料棒通道配置为接收核燃料棒并使核燃料棒经受预定的中子通量。当核燃料棒经受预定的中子通量时，中子将诱发即时和延迟的γ发射、中子发射或其组合的二次辐射，所述二次辐射由所述多个辐射检测器检测以确定核燃料棒中裂变材料的量和裂变材料沿核燃料棒的长度的空间分布。

System and Method for Active Scanning of Nuclear Fuel Rods

A system and method for active scanning of nuclear fuel rods are provided. The system comprises an electrically driven neutron generator, a moderator, a fuel rod channel and a plurality of radiation detectors, wherein the neutron generator comprises an ion source, an accelerator and a target, the moderator is surrounded by the neutron generator and configured to moderate the neutrons generated by the neutron generator, the fuel rod channel is set in the moderator, and the fuel rod channel is configured to receive the nuclear fuel rod and The nuclear fuel rod is subjected to a predetermined neutron flux. When a nuclear fuel rod undergoes a predetermined neutron flux, the neutron will induce immediate and delayed gamma emission, neutron emission or a combination of secondary radiation detected by the multiple radiation detectors to determine the amount of fissile material in the nuclear fuel rod and the spatial distribution of fissile material along the length of the nuclear fuel rod.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于进行核燃料棒的有源扫描的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2016年6月9日提交的美国临时专利申请序列号62/347,969的优先权，该临时专利申请通过引用整体并入本文。领域本申请总的涉及进行核燃料棒的有源扫描以识别沿燃料棒的长度的富集度变化的领域。更具体地，本申请涉及用于进行核燃料棒的有源扫描的系统和方法。技术信息本部分旨在提供权利要求中所述本专利技术的背景或上下文。这里的描述可包括可被采取的概念，但不一定是先前已构思或采取的概念。因此，除非本文另有指出，否则本部分中描述的内容不是本申请中说明书和权利要求的现有技术，并且不因包括在本部分中而被承认是现有技术。在美国，大约20%的电力产生自核反应堆。这些核反应堆中使用的燃料以二氧化铀(UO2)的小圆柱形芯块的形式出现，其长大约1cm(0.39英寸)，直径为1cm(0.39英寸)。这些芯块中的有用燃料为铀，具体而言，U-235和U-238。UO2芯块堆叠在金属护套内形成长度为约152.4cm(60英寸)至406.4cm(160英寸)的燃料棒。然后将多个燃料棒布置成每束大约15×15个燃料棒的矩形束。典型的核反应堆将使用150至200束，相当于约40,000个燃料棒或约1500万个燃料芯块。核反应堆大约每两年补给一次燃料。在每次补给燃料期间，大约三分之一的燃料棒被更换。因此，燃料棒的平均寿命约为六年。为延长核燃料的寿命，人们已付出巨大的努力。已经证明非常有效的一种方法是向燃料芯块中引入“可燃毒物”。可燃毒物的典型实例为钆和硼。这些材料被称为毒物是因为它们在吸收热中子方面非常有效。热中子通常被定义为能量小于约0.5eV的中子。核反应堆从核裂变中获得能量，即分裂原子(例如，铀原子)并利用释放的能量来加热水。中子与核燃料中的铀的相互作用是诱发裂变反应的原因，并且每个裂变反应发射出若干中子，这些中子产生更多的裂变反应，因此核反应堆的关键(“链式反应”)操作性质。在核反应堆中于特定位置处以特定的量引入可燃毒物可减缓链式反应并使其更容易控制。这样做的一个有益效果是增长燃料的寿命。为了规范核反应堆的运行，必须严格控制核燃料的质量。也就是说，必须以非常高的准确度和精度知道U-235和U-238的数量和空间分布。因此，在离开核燃料制造设施之前，对燃料棒进行最终检查以测量燃料棒中铀同位素的含量和分布。历史上，这种测量是通过使燃料棒通过辐射器来完成的，在那里它被热中子轰击。热中子引起燃料棒中铀的裂变(但其速率远低于燃料棒在核反应堆中运行时的速率)。在裂变事件之后，将在随后的几秒钟和几分钟内发射许多γ射线。因此，在辐照之后，使核燃料棒通过γ检测器组件，在那里捕获并计数发射的γ射线。燃料棒的每个部分发射的γ射线的数量提供了关于燃料棒中U-235和U-238的相对浓度和空间分布的信息。然后将该信息与燃料棒设计进行比较，作为燃料离开制造设施之前的最终质量控制步骤。通常，可使用无源扫描系统或有源扫描系统扫描核燃料棒沿棒的长度的富集度变化(即，富集度均匀性)。无源扫描系统检测核燃料的自然辐射，而有源扫描系统在核燃料中诱发高于自然辐射量的额外辐射并检测该额外辐射性。历史上，有源扫描系统的辐照器中的中子源为自然发射中子的放射性同位素，特别是锎-252(Cf-252)。Cf-252发射的中子具有峰值约1MeV的能谱。然后需要将中子慢化或“热化”至在燃料棒中诱发裂变反应的可能性将要高得多的较低能量。这通过将Cf-252放入慢化材料(通常为重水、石墨或聚乙烯)的块内来实现。当中子与这些材料相互作用时，它们通过从慢化材料中的原子核“反弹”而减速。典型的中子在达到热能水平之前会“反弹”数十次。热中子具有高得多的被核燃料吸收并诱发裂变事件的可能性，其最终导致γ射线的产生和检测器处可测量的信号。Cf-252的半衰期为2.64年，这意味着有源燃料棒扫描仪(即，使用中子的燃料棒扫描仪)中的Cf-252必须大约每两年更换一次以保持高的中子输出。在过去几年中，Cf-252的价格已增加不止十倍，这使得用这种同位素产生中子来进行有源燃料棒扫描是价格限制性的。燃料棒制造商正在积极寻找替代的高产率中子源以在燃料棒离开制造设施之前进行最终的关键质量控制步骤。在测定铀和钚含量及空间分布的问题上，扫描含有可燃毒物的燃料棒是一项特别的挑战。可燃毒物对热中子具有非常高的吸收截面——远高于用来在铀中诱发裂变的截面。因此，当含有可燃毒物的燃料棒穿过辐照器时，大多数中子将被毒物材料吸收，且在燃料棒中的铀中诱发的裂变量将最小。这导致γ检测器处的信号非常低，不足以确定燃料芯块中的U-235和U-238浓度和分布。需要改进的技术，包括与新型有源燃料棒扫描仪有关的技术和用于对核燃料棒进行有源扫描的方法。概述一个示例性实施方案涉及一种用于对核燃料棒进行有源扫描的系统，其包括电驱动的中子发生器、慢化器、第一燃料棒通道和多个辐射检测器。中子发生器包括离子源、加速器和靶。慢化器围绕中子发生器并慢化中子发生器产生的中子。第一燃料棒通道设置在慢化器内。第一燃料棒通道接收第一核燃料棒并使第一核燃料棒经受预定的中子通量。中子诱发即时和延迟的γ发射、中子发射或其组合的二次辐射，所述二次辐射由多个辐射检测器检测以确定第一核燃料棒中裂变材料的量和裂变材料沿第一核燃料棒的长度的空间分布。在上述示例性实施方案中，慢化器可包括围绕靶的腔室、围绕腔室的中子慢化器以及围绕中子慢化器的附加中子慢化器。靶可以是包含适合氘或氚的自浸渍的材料的固体靶。围绕腔室的中子慢化器可包含石墨，并且所述附加中子慢化器可包含5%的硼酸化聚乙烯。第一燃料棒通道可配置为接收含有铀、钚或它们的组合的核燃料棒。核燃料棒可含有或可不含可燃毒物如钆或硼。第一燃料棒通道可包括内壳，该内壳具有包含可燃毒物如钆或硼并配置为吸收热中子的外层。上述示例性实施方案还可包括至少一个附加燃料棒通道(例如，第二燃料棒通道、第三燃料棒通道、第四燃料棒通道、第五燃料棒通道、第六燃料棒通道、第七燃料棒通道、第八燃料棒通道等)，其配置为接收不含可燃毒物的铀或钚核燃料棒。所述至少一个附加燃料棒通道可包括内部热壳，该内部热壳具有包含铝的外层和包含聚乙烯的内层。另一个示例性实施方案涉及一种对核燃料棒进行有源扫描的方法。所述方法包括用包括离子源、加速器和靶的电驱动的中子发生器产生中子；用围绕中子发生器的慢化器慢化中子；将核燃料棒设置在设置于慢化器内的第一燃料棒通道中；使核燃料棒经受预定的中子通量以诱发即时和延迟的γ发射、中子发射或其组合的二次辐射；和利用所述多个辐射检测器检测二次辐射，以确定裂变材料的量和裂变材料沿核燃料棒的长度的空间分布。核燃料棒可含有或可不含可燃毒物如钆或硼。如上所述，对核燃料棒进行有源扫描的方法的示例性实施方案可还包括在至少一个附加燃料棒通道中设置至少一个不含有可燃毒物的附加核燃料棒；使所述至少一个核燃料棒经受预定的中子通量以诱发即时和延迟的γ和/或中子发射的二次辐射；和利用多个辐射检测器中的至少一个检测来自所述至少一个核燃料棒的即时和延迟的γ和/或中子发射以确定裂变材料的量和裂变材料沿所述至少一个核燃料棒的长度的空间分布。在一些实施方案中，本文提供了用于对核燃料棒进行有源扫描的系统，该系统包括以下各项本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对核燃料棒进行有源扫描的系统，所述系统包括：电驱动的中子发生器，所述中子发生器包括离子源、加速器和靶；慢化器，所述慢化器围绕所述中子发生器并配置为慢化所述中子发生器产生的中子；设置在所述慢化器内的第一燃料棒通道，所述第一燃料棒通道配置为接收第一核燃料棒并使所述第一核燃料棒经受预定的中子通量；和多个辐射检测器，其中中子诱发即时和延迟的γ发射、中子发射或其组合的二次辐射，所述二次辐射由所述多个辐射检测器检测以确定所述第一核燃料棒中裂变材料的量和所述裂变材料沿所述第一核燃料棒的长度的空间分布。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.09 US 62/3479691.一种用于对核燃料棒进行有源扫描的系统，所述系统包括：电驱动的中子发生器，所述中子发生器包括离子源、加速器和靶；慢化器，所述慢化器围绕所述中子发生器并配置为慢化所述中子发生器产生的中子；设置在所述慢化器内的第一燃料棒通道，所述第一燃料棒通道配置为接收第一核燃料棒并使所述第一核燃料棒经受预定的中子通量；和多个辐射检测器，其中中子诱发即时和延迟的γ发射、中子发射或其组合的二次辐射，所述二次辐射由所述多个辐射检测器检测以确定所述第一核燃料棒中裂变材料的量和所述裂变材料沿所述第一核燃料棒的长度的空间分布。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一燃料棒通道配置为接收含有可燃毒物的第一核燃料棒。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一燃料棒通道包括内部超热壳，所述内部超热壳具有包含可燃毒物并配置为吸收热中子的外层。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述内部超热壳还包括配置为将快中子散射到超热区域中的内层，所述内层与所述外层同心。5.根据权利要求4所述的系统，其中所述内层包含铍。6.根据权利要求2至4中任一项所述的系统，其中所述第一燃料棒通道配置为接收含有钆或硼的第一核燃料棒。7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述预定的中子通量为超热中子通量，并且超热中子诱发所述二次辐射，所述二次辐射由所述多个辐射检测器检测。8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述离子源为微波离子源或电子回旋共振(ECR)离子源。9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述靶为包含钛、铜、锆、铀、钯或铝中的至少一种的固体靶。10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述慢化器包括围绕所述靶的腔室、围绕所述腔室的中子慢化器和围绕所述中子慢化器的附加中子慢化器。11.根据权利要求10所述的系统，其中所述腔室含有介电固体、液体或气体。12.根据权利要求11所述的系统，其中所述腔室含有含氟惰性液体。13.根据权利要求10至12中任一项所述的系统，其中所述围绕所述腔室的中子慢化器包含石墨、D2O或聚乙烯。14.根据权利要求10至13中任一项所述的系统，其中所述附加中子慢化器包含聚乙烯。15.根据权利要求10至14中任一项所述的系统，其中所述附加中子慢化器包含5%的硼酸化聚乙烯。16.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一燃料棒通道包括内部超热壳，所述内部超热壳具有包含可燃毒物并配置为吸收热中子的外层。17.根据前述权利要求中任一项所述的系统，所述系统还包括第二燃料棒通道，所述第二燃料棒通道配置为接收第二核燃料棒并使所述第二核燃料棒经受预定的热中子通量，其中所述第二燃料棒通道设置在所述慢化器内，并且其中热中子在所述第二核燃料棒中诱发γ发射、中子发射或其组合的二次辐射，所述二次辐射由所述多个辐射检测器中的至少一个检测以确定裂变材料的量和所述裂变材料沿所述第二核燃料棒的长度的空间分布。18.根据权利要求17所述的系统，其中所述第二燃料棒通道包括内部热壳，所述内部热壳具有包含铝的外层和包含聚乙烯的内层。19.根据前述权利要求中任一项所述的系统，所述系统还包括至少一个附加燃料棒通道，所述燃料棒通道配置为接收核燃料棒并使所述核燃料棒经受超热中子通量或热中子通量，其中所述超热中子通量或所述热中子通量的中子在所述核燃料棒中诱发γ发射、中子发射或其组合的二次辐射，所述二次辐射由所述多个辐射检测器中的至少一个检测以确定裂变材料的量和所述裂变材料沿所述核燃料棒的长度的空间分布。20.根据权利要求17所述的系统，其中所述靶为包含钛的固体靶；其中所述中子慢化器包含石墨；其中所述附加中子慢化器包含硼酸化聚乙烯；其中所述第一燃料棒通道包括内部超热壳，所述内部超热壳具有包含钆并配置为吸收热中子的外层和包含铍并配置为将快中子散射到超热能区中的内层；其中所述第一燃料棒通道配置为接收含有钆的核燃料棒；其中所述第二燃料棒通道包括内部热壳，所述内部热壳具有包含铝的外层和包...

【专利技术属性】
技术研发人员：ER森布希，AV科伯尼克，ER摩尔，CM赛弗特，RF拉德尔，M托马斯，J赫克拉，
申请(专利权)人：凤凰有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US