專利名稱:在高溫氣冷堆初裝堆芯和過渡堆芯中鑒別燃料元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反應(yīng)堆在堆核燃料循環(huán)領(lǐng)域，尤其涉及一種在高溫氣冷堆初裝堆芯和過渡堆芯中鑒別燃料元件的方法。
背景技術(shù)：
高溫氣冷堆是以石墨為慢化劑、氦氣為冷卻劑的高溫反應(yīng)堆，是一種固有安全性好、發(fā)電效率高、用途廣泛的先進核反應(yīng)堆。高溫氣冷堆采用球形燃料元件，依賴燃料元件的連續(xù)流動實現(xiàn)連續(xù)裝填新燃料與卸出乏燃料，可以提高電廠負荷因子，提高電廠經(jīng)濟性。
出于安全要求，在高溫氣冷堆從初裝堆芯向平衡堆芯過渡過程中，反應(yīng)堆中將裝入加載有不同初始富集度燃料的燃料元件。反應(yīng)堆運行要求將這些裝有不同初始富集度燃料的燃料元件區(qū)分揀(分揀是在反應(yīng)堆運行中同時進行的)開來，并執(zhí)行不同的卸出策略。 此處所謂的卸出，就是將燃料元件作為乏燃料卸出燃料在堆循環(huán)。
分揀加載不同初始富集度核燃料的燃料元件是高溫氣冷堆運行過程中的獨特問題，也是高溫氣冷堆運行中必須解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何較好地區(qū)分裝載有不同初始富集度燃料的燃料元件。
( 二)技術(shù)方案
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種在高溫氣冷堆初裝堆芯和過渡堆芯中鑒別燃料元件的方法，所述燃料元件為多種，分別裝載有不同初始富集度的燃料，且在該方法中，通過在其中一種或者多種燃料元件中添加核素，然后測量所添加的核素經(jīng)活化后的產(chǎn)物中是否存在特征Y射線來分揀燃料元件。
優(yōu)選地，所述燃料元件為兩種時，所述添加的核素為鉻、鈧和鈷中的一種。
優(yōu)選地，所述燃料元件為兩種以上時，在其中一些種類的燃料元件中添加的核素為鉻、鈧和鈷中的一種、兩種的組合或兩種以上的組合，以實現(xiàn)區(qū)別各類燃料元件。
其中，利用高純鍺Y譜儀測量所添加的核素經(jīng)活化后的產(chǎn)物中是否存在特征Y射線。
其中，所述燃料元件為燃料球。
優(yōu)選地，所添加的核素經(jīng)包覆后以顆粒的形式添加到燃料元件中。
(三)有益效果
本發(fā)明通過在燃料元件中添加額外的材料，可以較好地將裝載不同初始富集度燃料的燃料元件(尤其是燃料球，燃料球也可稱為球形燃料元件)分開，區(qū)分過程誤判的可能性比較小。和現(xiàn)有技術(shù)一樣都使用了放射性測量(利用高純鍺Y譜儀測量Y射線)的方法，但是本發(fā)明不需要定量分析核素的活度，因此降低了實現(xiàn)難度。本發(fā)明也是一種非破壞性測量，可以實現(xiàn)在線分揀。


圖I是依本發(fā)明在燃料元件中添加59Co后，經(jīng)輻照過的燃料元件的Y譜；
圖2中(a)、(b)是依本發(fā)明在燃料元件中添加45Sc后，經(jīng)輻照過的燃料元件的Y譜；
圖3是依本發(fā)明在燃料元件中添加5tlCr后，經(jīng)輻照過的燃料元件的Y譜；
圖4是本發(fā)明的一個應(yīng)用實例的示意圖。
其中，I計算機；2燃料裝卸系統(tǒng)；3混凝土墻；4高純鍺Y譜儀；5高純鍺探頭；6探頭冷卻器；7數(shù)字化譜儀；8輸送單一器；9-1組合轉(zhuǎn)換器；9-2前置放大器；10主控制器；11定位球。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細說明。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明首先給出兩個定義添加在燃料元件中的核素被稱為標識元素。活化后可以發(fā)出易于測量的特征Y射線的核素稱為標識核素。中子與重金屬反應(yīng)誘發(fā)裂變，生成質(zhì)量較小的裂變產(chǎn)物核素，同時這些裂變產(chǎn)物核素也將吸收中子，生成活化產(chǎn)物。裂變產(chǎn)物和活化產(chǎn)物核素質(zhì)量數(shù)通常在65 170之間。如果想利用標識核素的方法鑒別不同燃料元件就要求其質(zhì)量數(shù)在上述范圍之外，所以標識元素應(yīng)該為輕元素，且其生成的標識核素只在添加了標識元素的燃料元件中才存在。由于高溫堆中燃料元件流動的隨機性，燃料元件中到達檢測位之前經(jīng)過的時間不同，元件中的放射性核素衰變時間也不同，為保證能夠探測到燃料元件中標識核素的特征Y射線，要求標識核素的半衰期不能太短。再者，燃料元件中因裂變和活化生成的核素有數(shù)百種，其發(fā)射的Y射線有上千條，為使用于鑒別燃料類別的Y射線具有唯一性和可探測性，要求標識核素有具有較高發(fā)射強度的Y射線，而且該射線與其他核素發(fā)射的射線明顯區(qū)別開來。最后，添加進去的標識元素必須具有較高的中子吸收截面，能夠吸收中子生成標識核素，且能夠吸收中子生成標識核素的標識元素應(yīng)該具有較高的自然豐度，這樣才能保證添加的雜質(zhì)的量比較少，不顯著增加燃料元件的質(zhì)量(重量)和相關(guān)物性。
實施例一
為達到在高溫氣冷堆初裝堆芯與過渡過程中實時分揀裝載有不同富集度燃料的燃料元件的目的，本發(fā)明的實施例一需要在裝載有低富集燃料的燃料元件中添加少量的鈷元素，鈷元素中核素59Co具有100%的自然豐度，且其通過反應(yīng)59Co(n，Y)6°Co生成放射性核素6°Co。該核素發(fā)射的能量為I. 17MeV和I. 33MeV的特征、射線的絕對強度均大于99%，且可與燃料元件中其他核素發(fā)射的Y射線明顯區(qū)分開來。而本發(fā)明的方法優(yōu)選使用高純鍺Y譜儀來探測燃料元件中的Y譜，圖I給出了一個燃料元件的Y譜，其中含有6°Co的特征Y射線。
實施例二
本發(fā)明的實施例二在裝載有低富集燃料的燃料元件中添加少量的鈧元素，鈧元素中核素45Sc具有100%的自然豐度，其通過反應(yīng)45Sc(n，Y ) 46Sc生成放射性核素46Sc。該核素發(fā)射的能量為889keV和I. 12MeV的特征Y射線的絕對強度均接近100%，且可與燃料元件中其他核素發(fā)射的Y射線明顯區(qū)分開來。本發(fā)明的方法優(yōu)選使用高純鍺Y譜儀來探測燃料元件中的Y譜，圖2給出了一個燃料元件的Y譜，其中含有46Sc的特征Y射線。本方案中，雖然添加量比較小，但是由于元素鈧為貴重金屬，因此材料成本較高。因而可作為次優(yōu)選方案。
實施例三
本發(fā)明的實施例三在裝載有低富集燃料的燃料元件中添加少量的鉻元素，鉻元素中核素5tlCr具有約3. 5%的自然豐度，其通過反應(yīng)5°Cr (n，Y )51Cr生成放射性核素51Cr。該核素發(fā)射的能量為320keV的特征Y射線的發(fā)射強度為9.8%。本方案也優(yōu)選使用高純鍺Y譜儀來探測燃料元件中的Y譜，圖3給出了一個燃料元件的Y譜，其中含有51Cr特征Y射線。本方案中，由于5°Cr自然豐度小，原料添加量比較大。另外，裂變產(chǎn)物147Nd也將發(fā)射319keV的射線，雖然147Nd產(chǎn)生量很小，但仍然會使鑒別320keV射線過程出現(xiàn)很大的不 確定性，需要進一步通過測量147Nd活度的方法來分析147Nd的產(chǎn)生量才能確定燃料元件中是否有51Cr。所以，添加5tlCr的方案只可作為再次優(yōu)選的方案。
上述三種方案中，標識元素可通過包覆后以包覆顆粒的形式添加到燃料元件中，使新添加的核素不會影響燃料元件的物性。
圖4給出了一個應(yīng)用本發(fā)明鑒別高溫氣冷堆裝載不同初始富集度燃料的燃料元件的探測系統(tǒng)示意圖。
燃料元件發(fā)射出來的Y射線經(jīng)準直器準直后入射到探測器上。探測器探測到的信號經(jīng)電子學(xué)部件成型放大后生成Y譜。Y譜數(shù)據(jù)送到計算機I中進行數(shù)據(jù)分析后，判斷標識核素的特征Y射線是否存在。
圖4中混凝土墻3左側(cè)為燃料元件循環(huán)管道，右側(cè)為探測系統(tǒng)構(gòu)成。本應(yīng)用中探測系統(tǒng)為高純鍺Y譜儀4，由高純鍺探頭5，探頭冷卻器6、數(shù)字化譜儀7和計算機I構(gòu)成。
添加4mg59Co的燃料元件經(jīng)輻照后在燃耗不同的情況下的Y譜可參見圖I?？梢詮膱DI看出，6tlCo的兩個峰很明顯，說明本發(fā)明的方案可以較好地將裝載不同初始富集度燃料的燃料元件分開。
由以上實施例可以看出，本發(fā)明通過在燃料元件中添加額外的材料,可以較好地將裝載不同初始富集度燃料的燃料元件分開，區(qū)分過程誤判的可能性比較小。本發(fā)明使用了放射性測量的方法，不需要定量分析核素的活度，因此降低了實現(xiàn)難度。本發(fā)明也是一種非破壞性測量，可以實現(xiàn)在線分揀。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種在高溫氣冷堆初裝堆芯和過渡堆芯中鑒別燃料元件的方法，其特征在于，所述燃料元件為多種，分別裝載有不同初始富集度的燃料，且在該方法中，通過在其中一種或者多種燃料元件中添加核素，然后測量該核素經(jīng)活化后的產(chǎn)物中是否存在特征Y射線來分揀燃料元件； 所述燃料元件為兩種時，所述添加的核素為鉻、鈧和鈷中的一種； 所述燃料元件為兩種以上時，在其中一些種類的燃料元件中添加的核素為鉻、鈧和鈷中的一種、兩種的組合或兩種以上的組合，以實現(xiàn)區(qū)別各類燃料元件。
2.如權(quán)利要求
I所述的方法，其特征在于，利用高純鍺Y譜儀測量所添加的核素經(jīng)活化后的產(chǎn)物中是否存在特征Y射線。
3.如權(quán)利要求
I所述的方法，其特征在于，所述燃料元件為燃料球。
4.如權(quán)利要求
I 3中任一項所述的方法，其特征在于，所添加的核素經(jīng)包覆后以顆粒的形式添加到燃料元件中。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種高溫氣冷堆初裝堆芯和過渡堆芯中鑒別燃料元件的方法，屬于反應(yīng)堆在堆核燃料循環(huán)領(lǐng)域。所述燃料元件為多種，分別裝載有不同初始富集度的燃料，且在該方法中，通過在其中一種或者多種燃料元件中添加核素，然后分析所添加的核素經(jīng)活化后的產(chǎn)物中是否存在特征γ射線來分揀燃料元件。本發(fā)明能較好地區(qū)分裝載有不同初始富集度燃料的燃料元件，降低了實現(xiàn)難度。本發(fā)明也是一種非破壞性測量，可以實現(xiàn)在線分揀。
文檔編號G21C17/10GKCN102208220SQ201110098049
公開日2012年12月26日 申請日期2011年4月19日
發(fā)明者張立國, 薛大知, 張作義, 吳宗鑫, 李富 申請人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan