Verfahren und Einrichtung zur Messung und Überwachung des Tritiumgehaltes von Wasser
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung und Überwachung des Tritiumgehaltes von Wasser im Beisein von anderen Radioisotopen unter Verwendung eines Proportional-Zählrohres, das von getrocknetem gasförmigem Tritium durchströmt wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Einrichtung zur Durchführung des erwähnten Verfahrens.
Das Wasserstoffisotop Tritium ist ein energiearmer ss-Strahler, dessen Nachweis und insbesondere dessen quantitative Bestimmung immer dann erheblichen Schwierigkeiten begegnet, wenn in der tritiierten Substanz Verbindungen mit einem Gehalt an anderen Radioisotopen gelöst oder suspendiert sind. Solch ungünstige Messbedingungen liegen beispielsweise bei der Überwachung von Abwässern aus Kernbrennstoff-Aufbereitungsanlagen vor. Wegen der sehr leichten physiologischen Resorbierbarkeit ist die Verhinderung eines Übertrittes von tritiiertem Wasser in den biologischen Wasserkreislauf eine sehr wichtige Aufgabe der Strahlenschutztechnik, die hier mit sehr niedrigen Toleranzkonzentrationen zu rechnen hat.
Bei der Messung des Tritiumgehaltes von Wasser, insbesondere von Abwasser aus kerntechnischen Aufbereitungsanlagen, müssen das dabei angewendete kernphysikalische Messverfahren und die erforderliche Messeinrichtung neben einer hohen selektiven Nachweisempfindlichkeit für Tritium in der Grössenordnung der Toleranzkonzentration eine geringe Verzögerung der Anzeige besitzen sowie eine störungsfreie kontinuierliche Arbeitsweise gestatten.
Bekannte Verfahren und Einrichtungen der hier in Rede stehenden Art arbeiten beispielsweise mit einem Durchflussproportionalzähler, dem das Probenwasser in Form von getrocknetem Dampf kontinuierlich zugeleitet wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass der Probendampf mit einem Zählgas vermischt werden muss und dadurch die Messempfindlichkeit reduziert wird. Ausserdem werden beim Verdampfungsvorgang immer noch Fremdsubstanzen in Spuren mitgerissen, die energiereich strahlende Radionukleide enthalten können.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Messung und Überwachung des Tritiumgehaltes von Wasser unter Verwendung eines Proportionalzählrohres, das von getrocknetem gasförmigem Tritium durchströmt wird, vermeidet die geschilderten Nachteile dadurch, dass das Wasser in einer Elektrolysezelle zersetzt und das selektiv entstehende Wasserstoffgas gefiltert, getrocknet und sodann in einem Durchfluss-Proportionalzählrohr radiologisch ausgemessen wird.
Eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle an einen Wasserzulauf angeschlossen und eine Gasauslassleitung eines Zellenelementes der Elektrolysezelle durch die Reihenschaltung eines Flüssigkeitsabscheiders und einer Trockenpatrone zu einem elektrisch an einer Auswerteelektronik angeschlossenen Proportionalzählrohr und von diesem zu einer Gassperre geführt ist.
Zur Terminologie sei festgehalten, dass hier mit gasförmig die die Gasphase der Probe gemeint wird, wo- bei Wasserstoff in Form von Dampf (H20, HTO, T20) oder in Form von Wasserstoffgas (H2, HT, T2) volliegen kann. Messtechnisch sind jedoch Wasserdampf oder Wasserstoffgas streng zu unterscheiden. In der Erfindungsdefinition ist unter gasförmigem Tritium selbstverständlich zu verstehen, dass die Gasphase der Probe lediglich einen Gehalt an Tritium aufweist, während der Anteil an leichtem Wasserstoff überwiegt. Die gleichzeitige Anwesenheit von Deuterium bleibt hier ausser Betracht.
Ein Ausführlmgsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Zeichnungsfigur zeigt das Prinzip einer kernphysikalischen Messeinrichtung in schematischer Darstellung.
In der Figur bedeutet 1 einen Wasserzulauf für das Probenwasser, welches in einem Zulaufbecken 2 gesammelt und mittels einer Dosiervorrichtung 3 durch Zugabe von Säure soweit angesäuert wird, dass sich für eine über eine Verbindungsleitung 4 an das Zulaufbecken angeschlossene Elektrolysezelle 5 günstige Betriebsverhältnisse ergeben.
Die Elektrolysezelle 5 besteht aus zwei Zellenelementen 6 und 7, deren jedes eine Elektrode 8 bzw. 9 enthält und die durch einen Flüssigkeitssteg 10 miteinander in Verbindung stehen. Ein Steigrohr 11 schliesslich bildet den Ablauf für das Probenwasser.
Die Elektrode 8 ist an den Minuspol einer nicht gezeichneten Gleichspannungsquelle angeschlossen, die Elektrode 9 an deren Pluspol. Der Gasdom des Zellenelementes 7 besitzt eine Entnahmevorrichtung 12, während in den Gas dom des Zellenelementes 6 eine Gasleitung 13 mündet, welche zu einem Flüssigkeitsabscheider 14 geführt ist. Im Zuge der Gasleitung 13 folgt eine Trockenpatrone 15 sowie ein Durchfluss Proportionalzählrohr 16, dem eine Gassperre 17 in bekannter, rückstromsicherer Bauweise nachgeschaltet ist.
Das Zählrohr 16 steht elektrisch mit einer Auswerteelektronik 18 in Verbindung, die sich aus einem Hochspannungsspeisegerät 19 und aus einem rauscharmen Vorverstärker 20 sowie einem diesem nachgeschalteten Einkanal-Amplitudendiskriminator 21 und einem Impulsfrequenzmeter 22 zusammensetzt. Das radiologisch auszumessende Wasser, kurz Probenwasser genannt, wird nach Ansäuerung kontinuierlich der Elektrolysezelle 5 zugeleitet, und zwar wenigstens einem der beiden Zellenelemente, in der gezeichneten Anordnung also wenigstens dem Zellenelement 6. Steht genügend Probenwasser zur Verfügung, so können wie in der Figur dargestellt - auch beide Zellenelemente 6 und 7 kontinuierlich durchströmt werden.
In der Elektrolysezelle 5 erfolgt bei Stromdurchgang die Zersetzung des Probenwassers, wobei neben H2 auch HT und T2 abgeschieden wird. Die Zersetzungsrate der schwere Wasserstoffisotope enthaltenden Wassermoleküle ist bekanntlich kleiner als diejenige des leichten Wassers, so dass einer günstigen Auslegung der Elektrolysezelle 5 eine grosse Bedeutung zukommt. Andererseits wird durch die elektrolytische Abscheidung eine durch andere Methoden nicht erreichbare Selektivität der Probenerfassung und Reinheit der Probe gewonnen, verbunden mit einer rückstandsfreien und weitgehend wartungsfreien Probenaufbereitung.
Die Einstellung des pH-Wertes des Probenwassers mittels der Dosiervorrichtung 3 sowie die Regelung des elektrischen Zellenstromes in der Elektrolysezelle 5 bereitet keine verfahrenstechnischen Schwierigkeiten. Sind diese Parameter konstant, so hängt der Abscheidegrad der Elektrolysezelle, das ist das Verhältnis der Tritiumkonzentrationen im Wasser und im Wasserstoffgas, im wesentlichen nur noch von der Tritiumkonzentration im Wasser ab.
Das in dem Zellenelement 6 als Isotopengemisch entwickelte Wasserstoffgas wird nun im mechanischen Flüssigkeits abscheider 14 gefiltert, wobei sich Glasfasern als Füllung des Flüssigkeitsabscheiders 14 besonders gut bewähren, weil diese bei niedrigem Preis in feinster Form und hinreichender Reinheit zur Verfügung stehen. Zur nachfolgenden Trocknung des Wasserstoff gases (H2, HT, T2) dient die Trockenpatrone 15, wel che vorzugsweise mit Silicagel gefüllt ist, weil diese
Trockensubstanz die Reinheit des Probengases nicht beeinträchtigt.
Die radiologische Ausmessung des Isotopengemi sches erfolgt nun in dem unter Atmosphärendruck im
Proportionalbereich betriebenen Durchfluss-Zählrohr
16, das gegenüber z. B. einer Ionisationskammer mit einem wesentlich geringeren Zählvolumen auskommt und für Kontamination durch Wasserstoffgas praktisch nicht anfällig ist. Der Wechsel des Gasvolumens im
Zählrohr 16 bestimmt im wesentlichen die grösste An zeigeverzögerung.
Die Auswertelektronik 18 besitzt an sich einen üb lichen Aufbau, ist in ihrer Zusammenstellung jedoch so gewählt, dass mit geringstem Aufwand eine zuver lässige Auswertung erfolgt. Insbesondere weist der la dungsempfindliche Vorverstärker einen grössten effek tiven Rauschpegel von Qr eff 10-16 Amperesekunden auf.
Zur Verhinderung von Rückdiffusion von Fremd gasen in das Zählrohr und zur gleichzeitigen Durch flussanzeige dient die Gassperre 17, bei der sich Sili- konöl als Sperrflüssigkeit besonders gut bewährt.
Das hier erläuterte Verfahren und eine praktisch ausgeführte Einrichtung zu dessen Durchführung be sitzt beispielsweise eine selektive Nachweisempfindlich keit für Tritium von 3 10-3FrCilCm8 und eine Anzei geverzögerung von fünf Minuten. Demgegenüber be trägt die Toleranzkonzentration von Tritium in Wasser nach ICRP 3 10-2, aci/cm3.
Eine Erhöhung der Nachweis empfindlichkeit kann ausser durch eine Steigerung des Abscheidegrades der
Elektrolysezelle 5 durch Vergrösserung der elektrischen
Zeitkonstante der Auswerteelektronik 18 auch noch durch eine Abschirmung des Zählrohres (16) mit Blei erreicht werden, um den Nulleffekt herabzusetzen.
Method and device for measuring and monitoring the tritium content of water
The present invention relates to a method for measuring and monitoring the tritium content of water in the presence of other radioisotopes using a proportional counter tube through which dried gaseous tritium flows.
The invention also relates to a device for carrying out the aforementioned method.
The hydrogen isotope tritium is a low-energy SS-emitter whose detection and especially its quantitative determination always encounters considerable difficulties when compounds with a content of other radioisotopes are dissolved or suspended in the tritiated substance. Such unfavorable measurement conditions exist, for example, when monitoring waste water from nuclear fuel processing plants. Because of the very easy physiological resorbability, the prevention of the passage of tritiated water into the biological water cycle is a very important task of radiation protection technology, which has to reckon with very low tolerance concentrations.
When measuring the tritium content of water, in particular of waste water from nuclear treatment plants, the nuclear physical measuring method used and the required measuring device must have a high selective detection sensitivity for tritium in the order of magnitude of the tolerance concentration, a slight delay in the display and allow a trouble-free continuous operation.
Known methods and devices of the type in question work, for example, with a flow proportional counter to which the sample water is continuously fed in the form of dried steam. However, this has the disadvantage that the sample vapor has to be mixed with a counting gas, which reduces the measurement sensitivity. In addition, traces of foreign substances that can contain high-energy radiating radionuclides are still carried away during the evaporation process.
The method according to the invention for measuring and monitoring the tritium content of water using a proportional counter tube through which dried gaseous tritium flows, avoids the disadvantages outlined in that the water decomposes in an electrolysis cell and the hydrogen gas that is selectively produced is filtered, dried and then in a flow -Proportional counter tube is measured radiologically.
A device for carrying out this method is characterized according to the invention in that the electrolysis cell is connected to a water inlet and a gas outlet line of a cell element of the electrolysis cell is routed through the series connection of a liquid separator and a desiccant cartridge to a proportional counter tube that is electrically connected to an electronic evaluation system and from this to a gas barrier.
Regarding the terminology, it should be noted that the gas phase of the sample is meant here by gaseous, whereby hydrogen in the form of steam (H20, HTO, T20) or in the form of hydrogen gas (H2, HT, T2) can be complete. In terms of measurement technology, however, a strict distinction must be made between water vapor and hydrogen gas. In the definition of the invention, gaseous tritium is of course to be understood as meaning that the gas phase of the sample only has a content of tritium, while the proportion of light hydrogen predominates. The simultaneous presence of deuterium is not taken into account here.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. The only figure in the drawing shows the principle of a nuclear physical measuring device in a schematic representation.
In the figure, 1 denotes a water inlet for the sample water, which is collected in an inlet basin 2 and acidified by adding acid by means of a metering device 3 to such an extent that favorable operating conditions result for an electrolysis cell 5 connected to the inlet basin via a connecting line 4.
The electrolytic cell 5 consists of two cell elements 6 and 7, each of which contains an electrode 8 and 9, respectively, and which are connected to one another by a liquid bridge 10. Finally, a riser pipe 11 forms the outlet for the sample water.
The electrode 8 is connected to the negative pole of a direct voltage source (not shown), the electrode 9 to its positive pole. The gas dome of the cell element 7 has a removal device 12, while a gas line 13, which is led to a liquid separator 14, opens into the gas dome of the cell element 6. In the course of the gas line 13 follows a desiccant cartridge 15 and a flow proportional counter tube 16, which is followed by a gas barrier 17 in a known, non-returnable design.
The counter tube 16 is electrically connected to evaluation electronics 18, which are composed of a high-voltage supply device 19 and a low-noise preamplifier 20 as well as a single-channel amplitude discriminator 21 and a pulse frequency meter 22 connected downstream of this. The water to be measured radiologically, called sample water for short, is continuously fed to the electrolysis cell 5 after acidification, namely to at least one of the two cell elements, i.e. at least to cell element 6 in the arrangement shown. If there is enough sample water available, as shown in the figure - flow through both cell elements 6 and 7 is also continuous.
In the electrolysis cell 5, the decomposition of the sample water takes place when a current passes through, with HT and T2 being deposited in addition to H2. The rate of decomposition of the water molecules containing heavy hydrogen isotopes is known to be lower than that of light water, so that a favorable design of the electrolytic cell 5 is of great importance. On the other hand, electrolytic deposition results in a selectivity of the sample acquisition and purity of the sample that cannot be achieved by other methods, combined with residue-free and largely maintenance-free sample preparation.
The adjustment of the pH value of the sample water by means of the metering device 3 and the regulation of the electrical cell current in the electrolytic cell 5 do not present any procedural difficulties. If these parameters are constant, the degree of separation of the electrolysis cell, that is the ratio of the tritium concentrations in the water and in the hydrogen gas, essentially only depends on the tritium concentration in the water.
The hydrogen gas developed in the cell element 6 as an isotope mixture is now filtered in the mechanical liquid separator 14, with glass fibers proving to be particularly good as a filling of the liquid separator 14 because they are available in the finest form and with sufficient purity at a low price. For the subsequent drying of the hydrogen gas (H2, HT, T2) the desiccant cartridge 15 is used, wel che is preferably filled with silica gel because this
Dry matter does not affect the purity of the sample gas.
The radiological measurement of the Isotopengemi cal is now carried out in the under atmospheric pressure im
Proportional range operated flow counter tube
16, the opposite z. B. an ionization chamber with a much smaller counting volume and is practically not susceptible to contamination by hydrogen gas. The change in the gas volume in
Counter tube 16 essentially determines the largest display delay.
The evaluation electronics 18 itself has a customary structure, but its composition is chosen so that a reliable evaluation is carried out with the least possible effort. In particular, the charge-sensitive preamplifier has a maximum effective noise level of Qr eff 10-16 ampereseconds.
To prevent back diffusion of foreign gases into the counter tube and to display the flow at the same time, the gas barrier 17 is used, in which silicone oil has proven to be particularly effective as a barrier liquid.
The method explained here and a practically implemented device for its implementation have, for example, a selective detection sensitivity for tritium of 3 10-3FrCilCm8 and a display delay of five minutes. In contrast, the tolerance concentration of tritium in water according to ICRP 3 is 10-2, aci / cm3.
An increase in the detection sensitivity can also be achieved by increasing the degree of separation
Electrolytic cell 5 by enlarging the electrical
The time constant of the evaluation electronics 18 can also be achieved by shielding the counter tube (16) with lead in order to reduce the background effect.