3.1 课题项目的来由
上海电缆研究所曾承担了上级有关部门下达的国家重点科技项目:耐高温、耐辐照、低噪音同轴电缆研究。电缆使用技术条件:工作电压500 V(直流),工作温度350e,瞬时中子通量1010nvtPs,C射线通量10LRPs。电缆性能要求:绝缘电阻(常温)>10138#m;工作电容[50 pFPm;噪音[0.1 mV。根据调研并与用户方科技人员交流,获知了该电缆安置于反应堆堆芯中,是与中子测量仪连接用的核反应堆堆芯仪用电缆,主要关键技术是能经受高温和高剂量的辐照,以及具有低噪音。使用时,将电缆一端与电离室(或称探头)连接,另一端与中子测量仪连接。其中用轴电缆内导体与探头内瓷片相接,而外导体与探头外壳相接。由于,瓷片表面涂覆一层放射性物质,当中子轰击放射性物质后产生裂变及电离而产生微电流(LA)或微电压(LV)的被测信号,然后通过内导体引入到中子检测仪,严格地说引入到仪器中的前置放大器部分,经放大后检测中子通量的大小。
3.2 产品的设计思路和材料、结构的选择对于一个从事电缆制造专业的科技人员,核反应堆及其有关仪器的相关知识是贫乏的,要正确、科学合理地设计核反应堆电缆,就应深入该领域,开拓自己的知识范围。为此,笔者一方面向用户方科技人员学习和交流,另一方面深入查阅相关图书和资料[1,2],逐渐了解了核反应堆结构、工作原理,以及相关的中子检测仪器[3],从中了解了核反应中金属材料和绝缘材料的物理和化学的变化过程,以及中子检测仪的工作原理及其相关的要求,正确、合理、科学地制订了电缆材料选择和电缆结构设计的技术路线和技术方案。
3.2.1 材料的选择
根据产品的使用条件及技术指标,并进行了相关文献和资料的调研和分析,提出了材料选择的几大关键的技术要求。
(1)选择耐高温、耐辐照的导体和绝缘材料。通常耐高辐照的材料都是耐高温的,同样,耐高温材料通常大多数也是耐辐照的[4,5],但也有例外,例如四氟乙烯是很好的耐高温材料,但其耐辐照性能却不如聚乙烯。通过分析比较,认为内导体宜选用镍包铜线、不锈钢线及其他合金线;外导体宜采用不锈钢管或其他合金管。绝缘材料宜采用高纯度无机绝缘,例如高纯度氧化镁、氧化铝、氧化铍和二氧化硅(石英),其中有的可采用粉末状结构,有的可采用瓷珠形结构,以及纤维(如石英纤维)编织或绕包结构。
(2)选择中子吸收截面小的材料。众所周知,核反应堆的工作原是由于中子不断地轰击浓缩的核源)))铀(U238),并引起核裂变的联琐反应,由此产生大量热能。核电站就是利用这种高效、高能量的热动力来进行发电。因此核反应堆组成的材料,当然包括使用于核芯中的电线电缆材料,绝不允许选用中子吸收截面大的材料,因这些材料对中子的吸收特别厉害,这样就会影响反应堆的有功功率的产生,严重时要危及反应堆的运行。当然也有例外的,例如选用中子吸收截面大的材料镉(Cd)和硼(B)制成反应堆的控制棒,利用其能吸收大量中子的这个功能,可以用以调节、控制,甚至终止核反应。(3)选择原子序号小、活化能低和半衰期短的材料。这要从以下几方面来考虑。首先,从有利于反应堆的维护和核废料的处理来考虑。通常,当材料在反应堆中子或C射线不断轰击和照射下,往往会发生一系列的核物理和核化学的反应,使材料活化、电离而变成一个带有放射性的物质,如果该材料具有原子序号大、活化能高和半衰期长等特性,则该材料就是易于活化后变成一个带有强放射性的放射源,而且其放射性释放周期特别长(即半衰期长),这无疑对反应堆维护和核废料的处理带来了极大的困难。当然,也有例外,例如为了医疗和科学研究,人们往往需要一个半衰期特别长,放射性很强的放射源,这时可以把这种材料,例如钴(Co)放入反应堆内进行核反应,使之成为一个理想的放射源Co60,供医疗和科研的使用。其次从检测仪器的测量精度来考虑。从上述可知,当中子轰击电离室内瓷片上放射性物质并激化电离产生电流,这电流可称为检测电流I检,同样在中子轰击作用下,电缆也会被活化电离产生电流,这电流称为本底电流I本。由此可见,要使仪器的测量精度高,则必须使I检远大于I本,至少要大于一个数,也就是说,要选用原子序号小、活化能低、中子吸收截面小和半衰期短的材料。
(4)选择产生I本小并且稳定的绝缘材料。由上述可知,当中子轰击电离室内放射性物质会产生一定量的检测电流I检,通常I检正比于中子通量,呈线性关系,在这同时,电缆材料也会产生本底电流I本。尽管I本很小,但是如果I本值与中子通量不呈线性关系,有时会出现类似于磁滞回归曲线的话,即I本与中子通量的关系曲线随中子通量的增加或减小而发生变化,并不在同一条曲线上,那么这无疑会影响中子通量测量的准确性和重复性。根据用户方多次实验,证实采用氧化镁绝缘的电缆其检测的重复性和准确最佳,其次是氧化铝绝缘,石英纤维绝缘最差,已不能使用。据分析,这主要原因是石英纤维拉丝工艺,引入了有机润滑剂,以及石英纤维绕包和编织,需要涂有半有机半无机的粘结涂层(为提高石英纤维憎水性,石英纤维需涂有粘结涂层并绕结)并进行高温烧结处理,这样使石英纤维的纯度发生了变化。
3.2.2 结构的选择
(1)采用低噪音电缆的结构。根据产品技术要求,电缆的噪音值应小于0.1 mV。根据文献[6,7]报导,由于电缆采用了一些高绝缘的电介质,当电缆处于振动或弯曲情况下,绝缘会与内外导体之间产生相对位移,并因摩擦产生静电荷,一旦这些静电荷积聚到一定量后,将会释放并产生电噪音。笔者曾对一般普通同轴电缆按文献[7]报导的低噪音测试方法进行试验,发现有的同轴电缆噪音值约为1.0mV~100 mV,而中子测量仪的信号值仅为微伏(LV)级,可见必须采用低噪音同轴电缆。
根据文献[7]报导,有三个途径可达到减小噪音的目的:1减小绝缘与内外导体的摩擦系数,使之不产生或少产生因摩擦而生成的静电荷,通常可在绝缘层表面涂以硅树脂润滑剂来达到这目的。因为静电荷的产生与绝缘及导体之间摩擦截面成正比,所以外导体和绝缘层之间产生的静电荷远大于内导体与绝缘层之间的静电荷,所以只需在绝缘表面涂覆硅树脂即可。o在内导体表面及绝缘层外表面挤包一层半导电塑料,使其能把静电荷不断地、及时地释放,从而不会产生电荷的积聚并放电,这种方法比前者更能减小噪音。?电缆外导体制造成不可弯曲的刚体,即消除了绝缘与内外导体产生相对移动的可能性,因此,这种方法是消除电噪音最有效的方法。由于本产品外导体采用不锈钢管,即采用第三种方法来达到低噪音的目的。
(2)采用无空气间隙的实心结构或抽真空结构。由上述可知,在中子轰击和C射线照射下,空气也会活化电离并产生电流,从而影响检测电流I测的测量。因此,当采用氧化镁粉状绝缘和石英纤维绝缘时,应采用实心结构(即避免有空气间隙存在);当采用氧化铝或氧化铍瓷珠状绝缘时,应采用抽真空的结构,以提高中子通量的测量精度。