技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆控制領(lǐng)域，具體涉及醫(yī)院中子照射器治療反應(yīng)堆控制技術(shù)。

背景技術(shù)：

硼中子俘獲療法（BNCT）是一種新型二元靶向惡性腫瘤放射治療技術(shù)，國際上均使用大功率實(shí)驗(yàn)研究堆的一條中子束流孔道作為中子源，因?yàn)檫@種中子源都是建造在核技術(shù)研究中心或大學(xué)內(nèi)，遠(yuǎn)離居民區(qū)和醫(yī)院，而且建造成本高，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，非BNCT專用，對(duì)病人的施治造成很大的不便和困難。因此，亟需提供一種新型的醫(yī)院中子照射器以及用于安裝該設(shè)備并用于照射治療的建筑物。

對(duì)于醫(yī)院中子照射器使用的反應(yīng)堆，為了能夠長時(shí)間運(yùn)行，需要提高反應(yīng)堆的后備反應(yīng)性。另外，為了保證反應(yīng)堆的安全，也需要對(duì)反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種硼中子俘獲治療反應(yīng)堆控制系統(tǒng)，使其提高反應(yīng)堆的后備反應(yīng)性，并且保證反應(yīng)堆的安全。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種硼中子俘獲治療反應(yīng)堆控制系統(tǒng)，包括主控計(jì)算機(jī)、主控制單元、輔助控制單元、輻射劑量監(jiān)測(cè)單元；所述主控制單元控制中心控制棒，所述輔助控制單元控制輔助控制棒；反應(yīng)堆的側(cè)鈹反射層中設(shè)有一或兩根反應(yīng)性調(diào)節(jié)器的安裝位置；輔助控制棒也布置在側(cè)鈹反射層中。

進(jìn)一步的，反應(yīng)性調(diào)節(jié)器是由鎘組成的黑體，初裝料時(shí)當(dāng)冷態(tài)后備反應(yīng)性超過了規(guī)定值時(shí)，則用一個(gè)或兩個(gè)反應(yīng)性調(diào)節(jié)器進(jìn)行吸收和調(diào)節(jié)；如果不需要時(shí)，則在放置反應(yīng)性調(diào)節(jié)器的位置上用鈹棒替代。

進(jìn)一步的，反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，只有輔助控制棒和中心控制棒是可以動(dòng)作的，調(diào)節(jié)器的位置是固定的；當(dāng)需要補(bǔ)償反應(yīng)性的慢變化時(shí)，才逐步提升調(diào)節(jié)器，使反應(yīng)堆的冷態(tài)后備反應(yīng)性恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)。

進(jìn)一步的，輔助控制棒的黑體為鎘段、中間過渡體是鋁段，下面跟隨體是鈹段；反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)首先把輔助控制棒提到頂部，正常運(yùn)行時(shí)一直維持在頂部狀態(tài)，此時(shí)鈹段處于活性區(qū)的中心。

進(jìn)一步的，中心控制棒以鎘作吸收體，用于調(diào)節(jié)反應(yīng)性使功率增加、降低或維持反應(yīng)堆在設(shè)定的功率水平上穩(wěn)定運(yùn)行。

進(jìn)一步的，控制系統(tǒng)失電時(shí)中心控制棒和輔助控制棒都會(huì)自動(dòng)下落，使反應(yīng)堆處于次臨界的安全狀態(tài)。

進(jìn)一步的，在控制臺(tái)和觀察室均設(shè)有緊急停堆按鈕，用于手動(dòng)緊急停堆。

進(jìn)一步的，系統(tǒng)檢測(cè)中子注量率和堆水進(jìn)出口溫度差，任一指標(biāo)超過設(shè)定值將導(dǎo)致自動(dòng)停堆。

進(jìn)一步的，輻射劑量監(jiān)測(cè)單元采集堆廳、堆頂和照射室的γ輻射水平。

進(jìn)一步的，照射室防護(hù)門與主控計(jì)算機(jī)連鎖控制，在照射室防護(hù)門未關(guān)閉時(shí)，開堆鍵無效。

采用上述技術(shù)方案，可以達(dá)到以下效果：(1) 反應(yīng)性調(diào)節(jié)器的設(shè)置可以提高反應(yīng)堆的后備反應(yīng)性，使反應(yīng)堆能夠長時(shí)間運(yùn)行；(2) 計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)停堆，控制臺(tái)還可以手動(dòng)緊急停堆，失電時(shí)中心控制棒和輔助控制棒都會(huì)自動(dòng)下落，保證了反應(yīng)堆的安全；（3）照射室防護(hù)門與主控計(jì)算機(jī)連鎖控制，提高了輻射防護(hù)安全性。

附圖說明

附圖1是本方案控制系統(tǒng)示意圖。

附圖2是本方案控制系統(tǒng)工作流程圖。

附圖3是本方案軟件緊急停堆的觸發(fā)邏輯框圖。

附圖4是本方案硬件緊急停堆的觸發(fā)邏輯框圖。

附圖5是本方案防護(hù)門安全連鎖控制系統(tǒng)示意圖

附圖6是本方案安全連鎖控制工作流程圖。

圖中附圖標(biāo)記，1-主控計(jì)算機(jī)，2-網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管計(jì)算機(jī)，3-觀察室計(jì)算機(jī)，4-輔助控制單元，5-主控制單元，6-輻射劑量監(jiān)測(cè)單元，21-控制室LED顯示屏，31-觀察室LED顯示屏，32-熱室LED顯示屏，33-超熱室LED顯示屏，41-第一裂變電離室，42-第一熱電偶，43-第二熱電偶，44-第三熱電偶，45-第四熱電偶，46-輔助控制棒電機(jī)，51-第二裂變電離室，52-第一電導(dǎo)率儀，53-第二電導(dǎo)率儀，54-中心控制棒電機(jī)，61-第一γ輻射探頭，68-第八γ輻射探頭，69-開關(guān)量。

具體實(shí)施方式

第一實(shí)施例

如圖1所示，本發(fā)明的醫(yī)院中子照射器反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)，包括主控計(jì)算機(jī)1、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管計(jì)算機(jī)2、觀察室計(jì)算機(jī)3，三者通過局域網(wǎng)連接。主控計(jì)算機(jī)1連接輔助控制單元4，主控制單元5，輻射劑量監(jiān)測(cè)單元6。輔助控制單元4連接第一裂變電離室41，第一熱電偶42，第二熱電偶43，第三熱電偶44，第四熱電偶45，輔助控制棒電機(jī)46。主控制單元5連接有第二裂變電離室51，第一電導(dǎo)率儀52，第二電導(dǎo)率儀53，中心控制棒電機(jī)54。輻射劑量監(jiān)測(cè)單元6連接有八個(gè)輻射探頭，即第一γ輻射探頭61至第八γ輻射探頭68，還有開關(guān)量69。另外，控制室、觀察室、熱中子照射室、超熱中子照射室內(nèi)分別設(shè)有LED顯示屏21、31、32、33，用于顯示反應(yīng)堆處于運(yùn)行狀態(tài)還是停堆狀態(tài)。

輔助控制單元的功能包括：輔助控制單元內(nèi)集成了高精度對(duì)數(shù)放大器、溫度（溫差）檢測(cè)放大器、電壓比較器、混合型號(hào)微控制器和通訊電路等，它們構(gòu)成核功率輔助控制通道和熱功率輔助控制通道，輔助控制動(dòng)作由硬件實(shí)現(xiàn)：通過內(nèi)設(shè)的對(duì)數(shù)放大器采集堆內(nèi)中子注量率數(shù)據(jù)上傳到主控計(jì)算機(jī)。采集堆內(nèi)的溫度信號(hào)上傳到主控計(jì)算機(jī)。根據(jù)主控計(jì)算機(jī)的指令驅(qū)動(dòng)輔助控制棒升降。通過溫差電壓（2路）比較和對(duì)數(shù)放大器采集的堆內(nèi)中子注量率電壓比較觸發(fā)緊急停堆。

主控制單元的功能包括：通過內(nèi)設(shè)的自動(dòng)微電流放大器精確采集堆內(nèi)中子注量率數(shù)據(jù)上傳到主控計(jì)算機(jī)。根據(jù)主控計(jì)算機(jī)的指令驅(qū)動(dòng)中心控制棒升降。

輻射劑量監(jiān)測(cè)單元的功能包括：8只閃爍探頭采集堆廳、堆頂和照射室的γ輻射水平，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的輻射劑量率數(shù)據(jù)上傳到主控計(jì)算機(jī)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防護(hù)門開關(guān)、堆水和池水上下限位開關(guān)信號(hào)上傳到主控計(jì)算機(jī)。

醫(yī)院中子照射器反應(yīng)堆共有2根控制棒：中心控制棒和輔助控制棒。此外堆內(nèi)設(shè)有2根半固定的反應(yīng)性調(diào)節(jié)器。輔助控制棒和調(diào)節(jié)器都布置在側(cè)鈹反射層中。輔助控制棒的黑體為鎘段、中間過渡體是鋁段，下面跟隨體是鈹段。

反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)首先把輔助控制棒提到頂部，正常運(yùn)行時(shí)一直維持在頂部狀態(tài)，此時(shí)鈹段處于活性區(qū)的中心。正常停堆時(shí)，輔助控制棒緩速下插。

調(diào)節(jié)器是由鎘組成的黑體，初裝料時(shí)當(dāng)冷態(tài)后備反應(yīng)性超過了規(guī)定值時(shí)，可以用一個(gè)或兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行吸收和調(diào)節(jié)（處在堆芯不同高度）。如果不需要時(shí)，可以在放置調(diào)節(jié)器位置上用鈹棒替代。一般情況下，調(diào)節(jié)器的位置是用鋼絲繩固定在堆頂上。當(dāng)需要補(bǔ)償反應(yīng)性的慢變化（燃耗、結(jié)渣、中毒）時(shí)，才逐步提升調(diào)節(jié)器，使反應(yīng)堆的冷態(tài)后備反應(yīng)性恢復(fù)到4.0～4.5mK范圍內(nèi)。所以在醫(yī)院中子照射器反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，只有輔助控制棒和中心控制棒是可以動(dòng)作的，調(diào)節(jié)器的位置是固定的或者被鈹棒替代。

在活性區(qū)中心的中心控制棒，鎘作吸收體。用此棒調(diào)節(jié)反應(yīng)性使功率增加、降低或維持反應(yīng)堆在設(shè)定的功率水平上穩(wěn)定運(yùn)行。

如圖2所示，開堆時(shí)，由主控計(jì)算機(jī)發(fā)出開堆指令，反應(yīng)堆啟動(dòng)。反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)首先提起輔助控制棒，然后再根據(jù)功率要求逐步提升中心控制棒。運(yùn)行過程中系統(tǒng)檢測(cè)中子注量率和堆水進(jìn)出口溫度差，任一指標(biāo)超過設(shè)定值將導(dǎo)致自動(dòng)停堆。當(dāng)中心控制棒提升到頂端時(shí)，意味著其反應(yīng)性消耗殆盡，這時(shí)需要停堆，然后提升反應(yīng)性調(diào)節(jié)器進(jìn)行反應(yīng)性補(bǔ)償。主控計(jì)算機(jī)可單獨(dú)發(fā)出停堆指令，停堆指令會(huì)使輔助控制棒、中心控制棒全部落下。

控制臺(tái)設(shè)置緊急停堆按鈕，按下緊急停堆按鈕會(huì)使輔助控制棒、中心控制棒全部落下。斷電時(shí)，輔助控制棒、中心控制棒依靠重力全部落下。

另外，照射室防護(hù)門與主控計(jì)算機(jī)連鎖控制，在照射室防護(hù)門未關(guān)閉時(shí)，開堆鍵無效。

第二實(shí)施例

在之前實(shí)施例的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)該控制系統(tǒng)的緊急停堆控制進(jìn)行描述。

如圖3所示，反應(yīng)堆中有2只裂變電離室分別采集中子注量率數(shù)據(jù)，任意一路測(cè)量的中子注量率超過限定值10%發(fā)出警告信息，任意一路測(cè)量的中子注量率超過限定值20%都將執(zhí)行緊急停堆。4副熱電偶分為2組監(jiān)測(cè)堆芯出入口水溫差，其中任一組測(cè)量的溫差超過24℃發(fā)出警告信息，任一組測(cè)量的溫差超過25℃都將執(zhí)行緊急停堆。

圖3中沒有示出，運(yùn)行時(shí)開啟照射室防護(hù)門或者鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕上的緊急停堆鍵也會(huì)觸發(fā)軟件緊急停堆。

如圖4所示，自動(dòng)硬件緊急停堆控制包括中子注量率檢測(cè)緊急停堆電路和兩路熱工控制電路。其所用的裂變電離室、兩組熱電偶同樣也是軟件緊急停堆的測(cè)量裝置。中子探測(cè)器（裂變電離室）設(shè)有2套，它們采集的中子注量率數(shù)據(jù)互相校核，如果二者相差很大，通過計(jì)算機(jī)可以識(shí)別和警告，提醒及時(shí)更換有問題的中子探測(cè)器。兩路熱工控制電路各自包括一套熱電偶，由它們采集的溫度和溫差數(shù)據(jù)互相校核，如果二者相差很大，通過計(jì)算機(jī)可以識(shí)別和警告，提醒及時(shí)更換有問題的熱電偶。這些測(cè)量裝置的信號(hào)一方面通過混合信號(hào)處理器傳給計(jì)算機(jī)，另一方面?zhèn)鹘o自動(dòng)硬件緊急停堆控制中的電壓比較器。自動(dòng)硬件緊急停堆控制是通過電壓比較器和邏輯元件觸發(fā)繼電器動(dòng)作，關(guān)斷中心控制棒和輔助控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源，中心控制棒和輔助控制棒依靠重力下落到底。

手動(dòng)硬件緊急停堆裝置沒有在附圖中示出，其包括設(shè)在控制臺(tái)的緊急停堆按鈕。按下控制臺(tái)的緊急停堆按鈕，等于關(guān)斷中心控制棒和輔助控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源，控制棒和輔助控制棒依靠重力下落到底。電源的恢復(fù)必須手動(dòng)完成，按下控制臺(tái)的電機(jī)投入按鈕后控制棒才能動(dòng)作。

采用上述技術(shù)方案，使得緊急停堆控制構(gòu)成多重備份，大大提高了反應(yīng)堆的安全系數(shù)。

第三實(shí)施例

在之前實(shí)施例的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)該控制系統(tǒng)的防護(hù)門安全連鎖控制進(jìn)行描述。如圖5所示，防護(hù)門安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)包括控制計(jì)算機(jī)、照射室防護(hù)門狀態(tài)檢測(cè)裝置、中子注量率檢測(cè)裝置、反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)裝置。

照射室防護(hù)門狀態(tài)檢測(cè)裝置與照射室的防護(hù)門關(guān)聯(lián)，用于檢測(cè)照射室的防護(hù)門狀態(tài)，其可以是微動(dòng)開關(guān)。

中子注量率檢測(cè)裝置用于檢測(cè)照射室內(nèi)的中子注量率，其可以采用電流型的微型裂變室。

反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)裝置包括步進(jìn)電機(jī)、鋼絲繩及滑輪機(jī)構(gòu)，用于控制反應(yīng)堆控制棒，反應(yīng)堆控制棒包括中心控制棒和輔助控制棒。

控制計(jì)算機(jī)包括操作界面（沒有在圖中示出），以及相應(yīng)的控制按鍵，包括開堆鍵、解鎖鍵、載入數(shù)據(jù)鍵和退出鍵。按照控制系統(tǒng)的要求，在不同狀態(tài)下，各個(gè)控制鍵將會(huì)處于不同的有效狀態(tài)。

如圖6所示，反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)每間隔一定時(shí)間，優(yōu)選為1秒，檢測(cè)一次照射室防護(hù)門狀態(tài)和中子注量率運(yùn)行值，并執(zhí)行以下的控制方案：

（1）點(diǎn)擊控制計(jì)算機(jī)的開堆鍵；

（2）讀取中子注量率運(yùn)行值和設(shè)定值；

（3）檢測(cè)照射室防護(hù)門的狀態(tài)；

（4）判斷中子注量率是否大于設(shè)定值和防護(hù)門是否未關(guān)閉；

（5）當(dāng)中子注量率大于設(shè)定值且防護(hù)門未關(guān)閉時(shí)，執(zhí)行緊急停堆；否則，反應(yīng)堆繼續(xù)運(yùn)行。

反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，步驟（2）至（5）每秒循環(huán)一次。

當(dāng)中子注量率大于設(shè)定值，優(yōu)選為1.0×10⁹ n/(cm²?s），且防護(hù)門狀態(tài)檢測(cè)裝置發(fā)現(xiàn)防護(hù)門未關(guān)閉時(shí)，執(zhí)行緊急停堆操作；否則，反應(yīng)堆繼續(xù)運(yùn)行。

當(dāng)防護(hù)門狀態(tài)檢測(cè)裝置發(fā)現(xiàn)防護(hù)門未關(guān)閉時(shí)，發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，使得控制計(jì)算機(jī)的開堆鍵無效；

緊急停堆后，控制計(jì)算機(jī)除解鎖鍵外，其余各鍵都處于失效狀態(tài)；

按下解鎖鍵，界面恢復(fù)到正常停堆狀態(tài)；

處于開堆狀態(tài)時(shí)，控制計(jì)算機(jī)的載入數(shù)據(jù)鍵和退出鍵失效，只有在反應(yīng)堆控制棒下落到底和功率降至運(yùn)行功率的10%后才恢復(fù)有效。

采用上述技術(shù)方案，可以提高反應(yīng)堆的后備反應(yīng)性和安全性。

以上所述實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。