[发明专利]用于进行核燃料棒的有源扫描的系统和方法

说明书

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。

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发明的背景或上下文。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。