DD240447A1 - Verfahren zur bestimmung der mittleren strahlendosisleistung im primaerkreislauf wassergekuehlter kernreaktoren - Google Patents

Abstract

Zur Bestimmung der genannten Groesse waehrend des Anfahr-, Abfahr- oder Stillstandsbetriebes bei Temperaturen unterhalb 480 K wird dem Kuehlmittel zu einem bestimmten Zeitpunkt eine bekannte Menge eines Metallkomplexes zugesetzt, gleichmaessig im Kuehlmittel verteilt und dann die Konzentrationsaenderung in Abhaengigkeit von der Zeit gemessen. Anhand einer Kalibrierung wird auf die Strahlendosisleistung geschlossen. Besonders geeignet sind Fe(III)-enthaltende Komplexe bzw. Chelate von mono- oder polyfunktionellen aliphatischen oder aromatischen Carbonsaeuren.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung -

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der mittleren Strahlendosisleistung im Primärkühlmittel von wassergekühlten Kernreaktoren während des Anfahr-, Abfahr- oder Stillstandsregimes.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Infolge von Kernreaktionen wirken in wassergekühlten und wassermoderierten Kernreaktoren Strahlungen unterschiedlicher Art und Intensität auf das Primärkühlmittel ein. Die Hauptbelastung geht vom Reaktor-Core aus. Darüberhinaus erfolgt die Bestrahlung des Wassers auch von Aktivitätsablagerungen aus, die sich während des Reaktorbetriebes auf den Metalloberflächen der Reaktoranlage ausbilden. Eine weitere Strahlungskomponente ist die im Wasser selbst gelöste Aktivität. Der Strahlenpegel im Primärkreislauf ist dabei vom jeweiligen Betriebsregime abhängig. Im Vollastbetrieb gelten andere Verhältnisse als während der Anfahr-, Abfahr- und Stillstandsphase.

Für viele Belange der Charakterisierung des Strahlenpegels, z. B. für die Beurteilung des Aufbaues von Aktivitätsablagerungen während des Reaktorbetriebes, der Strahlenbelastung von Reaktormaterialien oder der Strahlengefährdung des Betriebspersonals, sind ortsdosimetrische Messungen ausreichend. Komplizierter sind jedoch die Verhältnisse, wenn die Gesamtheit aller Strahlung, d. h. die von allen Nukliden ausgehende Strahlung unterschiedlicher Qualität und Energie, die auf das gesamte Wasservolumen eines Reaktors einwirkt, bestimmt werden muß. Die Kenntnis dieser mittleren Strahlendosis pro Zeiteinheit, d. h. der mittleren Strahlendosisleistung, ist eine entscheidende Grundlage für die Bewertung einer Anzahl von wasserchemischen Prozessen im Primärkreislauf von Kernreaktoren. Ein spezielles Problem in diesem Zusammenhang ist z. B. der Dekontaminationsprozeß, der im allgemeinen in einem definierten Zeitabschnitt der Reaktorabschaltphase durchgeführt wird. Bedingt durch die Anforderungen des Revisionsprogrammes werden dabei dem Reaktor — wenn die Temperatur unter 480 K gefallen ist—anorganische und/oder organische Dekontaminationschemikalien zugesetzt, welche die auf der Innenkontur in oxidischen Schutzschichten akkumulierten Radionuklide auflösen sollen. Dabei kommen unterschiedliche Verfahren und Rezepturen zum Einsatz. Die organischen Chemikalien, die hauptsächlich bei der Dekontamination verwendet werden, sind Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), Zitronensäure, Oxalsäure, und Picolinsäure (R. M. Seilers, Radiat. Phys. Chem.21 [1983] 295). '

Die energiereiche Strahlung wird in beträchtlichem Maße vom Kühlmittel Wasser absorbiert. Dadurch werden strahlenchemische Reaktionen ausgelöst, die den radiolytischen Abbau der Dekontaminationschemikalien verursachen. Der während der Dekontamination durch Radiolyse und Thermolyse bewirkte Verlust an Dekontäminationskapazität muß ersetzt werden. Ist die Gesamtstrahlenbelastung des Reaktorwasservolumens bekannt; kann die Radiolyse quantifiziert und damit der Dekontaminationsprozeß hinsichtlich Effektivität und Kosten optimiert werden.

Die Bestimmung der Strahlen und die Strahlenmeßtechnik in Kernkraftwerken werden ausführlich beschrieben (z.B. E.Schrüfer „Strahlung und Strahlungsmeßtechnik in Kernkraftwerken", Elitera-Verlag 1974).

Allgemein üblich ist die lokale Messung des Strahlenniveaus an ausgewählten zugänglichen Stellen. Aussagen über die Strahlenbelastung eines geschlossenen Systems, das so vielen verschiedenen Strahlenkomponenten wie das Reaktorkühlmittel ausgesetzt ist, werden durch mathematische Methoden gewonnen, wobei jedoch Vereinfachungen getroffen werden müssen. Sollen alle wesentlichen Strahlungskomponenten erfaßt werden, erfordert die mathematische Lösung einen großen Aufwand. Direkte Dosisleistungsmessungen sind nicht an allen Stellen des Kernreaktors möglich. Der Strahlenpegel ändert sich innerhalb bestimmter Abschnitte der Anfahr-, Abfahr- und Abschaltphasen des Reaktors (z. B. während des Dekontaminationsprozesses) ständig. Mathematische Näherungsverfahren sind deshalb zur Bestimmung der mittleren Strahlendosis im Gesamtwasservolumen des Primärkreisiaufes von wassergekühlten Kernreaktoren für die genannten Verhältnisse nur bedingt geeignet. . -

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die schnelle und einfache Bestimmung der mittleren Strahlendosis, die innerhalb definierter Zeitabschnitte des Anfahr-, Abfahr- bzw. Stillstandsregimes auf das effektive Gesamtwasservolumen des Primärkreislaufes von wassergekühlten Kernreaktoren einwirkt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der mittleren Strahlendosis, der das effektive Gesamtwasservolumen des Prim'ärkreises von Leichtwasserreaktoren bei einer Betriebstemperatur unterhalb 480K innerhalb definierter Zeiträume (mittlere Strahlendosisleistung) ausgesetzt ist, anzugeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß dem Primärkuhlmittel zu einem vorgegebenen Zeitpunkt eine bekannte Menge eines Metallkomplexes (oder auch mehrerer Metallkomplexe) zugesetzt, möglichst schnell gleichmäßig im Primärkühlmittel verteilt und dann die Konzentratibnsänderung in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird. Aus der Konzentrationsänderung wird anhand einer Kalibrierung auf die Strahlendosis geschlossen. Der Metallkomplex muß dabei folgenden Bedingungen genügen:

— die Bestandteile des Komplexes (Metailion und Komplexbildner) sollen keine zusätzlichen Verunreinigungen des Kühlmittels bewirken,

— der Komplex darf nicht die Gefahr einer zusätzlichen Aktivierung hervorrufen,

— unter Meßbedingungen im Primärkreislauf dürfen keine störenden Redoxreaktionen des Metallions stattfinden.

— das Metallion darf keinem oder nur einem vernachlässigbar geringen Austausch mit anderen, im Kühlmittel vorhandenen, Metallionen unterliegen,

— die Zersetzung des Komplexes (und damit die Konzentrationsänderung) darf unter den gegebenen Bedingungen nur auf den radiolytischen Abbau zurückzuführen sein, d. h., sie muß der integralen Strahlendosis, die auf das Gesamtwasservolumen einwirkt, proportional sein.

Als besonders geeignet erweisen sich Fe(lll)-Ionen enthaltende lösliche Komplexe bzw. Chelate von mono- oder polyfunktionellen aliphatischen oder aromatischen Carbonsäuren, z. B. der Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), der Nitrilotriessigsäure (NTA), der Zitronensäure und der Oxalsäure. Aber auch die Fe(lll)-Ionen enthaltenden Chelate der folgenden Säuren und ihrer Derivate erfüllen die Bedingungen weitestgehend; Malonsäure, Salicylsäure, Weinsäure, Bernsteinsäure, Aminodiessigsäure, Aminodipropionsäure, Ethylendiamintetrapropionsaure usw.

Die Konzentrationen der genannten Fe(lll)-Komplexe können schnell und leicht durch Messen der optischen Absorption bestimmt werden. Die Komplexe absorbieren im UV-Bereich des Spektrums. Zur spektroskopischen Auswertung der Fe(III)-Komplexe der EDTA bzw. NTA eignet sich z.B. die Wellenlänge von 260nm. Bei sehr sorgfältigen Arbeiten kann zum Vergleich auch die Wellenlänge 208 ± 2nm dienen.

Ein wesentlicher Aspekt für die Eignung eines Metallkomplexes für die Dosimetrie ist seine chemische Stabilität. Auch die ist bei Fe(lll)-Komplexen in ausreichendem Maße gewährleistet, so daß z.B. bei pH-Werten zwischen 3 und 9 gearbeitet werden kann.

Es gilt allerdings die Bedingung, daß bei einem konkreten Meßbeispiel ein definierter pH-Wert eingehalten werden muß.

Da es sich beim Primärkühlmittel um ein hochreines wäßriges Medium handelt, treten Störungen'(bei Beachtung der oben genannten Forderungen) in der Regel nicht auf. Einflüsse von Verunreinigungen, hervorgerufen z. B. durch Borsäure, Nitrate, Nitrite oder Metallionen, sind äußerst gering und können außerdem durch Messen.einer Referenzprobe, die dem Kühlmittel vor Zusatz des Metallkomplexes entnommen wurde, kompensiert werden.

Der Metailkomplex kann dem Kühlmittel in gelöster Form zugesetzt werden. Die gleichmäßige Verteilung (in möglichst kurzer Zeit) erfolgt mittels Hauptumwälzpum'pen bei dem dafür erforderlichen Mindestdruck im Primärkreislauf.

Die Proportionalität zwischen Konzentrationsänderung durch radiolytischen Abbau und Strahlendosis kann unabhängig von der direkten Kontrollmessung durch Anwendung einer Modellstrahlung (z. B. der Gammastrahlung von Cö-60) bestimmt und in einer Kalibrierkurve dargestellt werden. Die integrale Strahlendosis wird aus den Meßwerten des strahlenbelasteten Primärkühlmittels direkt entnommen. Dafür wird die zulässige Vereinfachung gemacht, daß der radiolytische Abbau der Metallkomplexe weitestgehend unabhängig von der Strahlenart ist.

Die Verwendung der genannten Fe(lll)-Komplexe bietet zusätzlich folgende Vorteile:

— Die spezifischen molaren Extinktionskoeffizienten sind sehr groß, der absorptionsspektroskopische Nachweis ist dementsprechend sehr empfindlich. Die für den gesamten Primärkreislauf notwendige Menge an Komplex ist damit sehr gering. Im speziellen Fall kann die Lösung vor der Messung eingeengt werden.

— Es bestehen Routineverfahren zur ggf. notwendigen Entfernung von Restkonzentrationen nach der Messung.

— Die Metallkomplexe können bei Zimmertemperatur und bei erhöhter Temperatur bis zu 480 K eingesetzt werden. Der radioiytische Abbau bei höheren Temperaturen kann als zusätzliche Information über synergistische Effekte (Thermolyse der Komplexe) benutzt werden.

— Die Verbindungen sind nicht toxisch.

Ausführungsbeispiel

Als Dosimetriechemikalie wird der Eisen(lll)-Komplex der EDTA verwendet. Die Ausgangskonzentration des Komplexes im Kühlmittel beträgt c = 5 · 10~⁵ molar, der pH-Wert des Kühlmittels liegt bei 7,2. Da das effektive Kühlmittelvolumen 200m³ ausmacht, sind 3,45kg des Komplexes einzusetzen

Die Kalibrierung wird unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Dosisleistung — 9,8kGy-h~¹

Wellenlänge —260nm (bzw. 208nm)

Schichtdicke—1cm ·

Temperatur —293K und 373K '

Die Ergebnisse der Kalibrierung, d. h. die Abhängigkeit der Extinktion des Fe(III)-EDTΑ-Komplexes von der Strahlendosis bei einer Ausgangskonzentration von 5 · 10~⁵m sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt.

Wird anstelle des Fe(lll)-EDTA-Komplexes der Fe(lll)-NTA-Komplex, der sich für sehr hohe Strahlenbelastungen eignet, verwendet und wird die Kalibrierung unter denselben Bedingungen durchgeführt, werden die in Tabelle 2 zusammengefaßten Ergebnisse erhalten. ' ,

Tabelle 1:

T = 373K j" '

D(kGy)	0	2T,4	36	*	5 0,41	71	158	238	359
E.= 260nm E = 208 nm	0,42 1,80	0,34 1,43	0,30 1,37	0,27 1,24	0,19 0,88	0,15 0,73	0,10 0,43
T = 293K
D(kGy) E = 260nm	0 0,42	1 ' 0,42	10 0,40	30 0,37	50 100 0,34 0,29	500 0,15

Tabelle 2:

T = 293 K E = 260nm --. DinkGy

D	0	1	5	10	30	40	100	500	1 000
E	0,26	0,26	.0,26	0,26	0,24	0,24	0,23	0,18	0,13
					>

Claims (6)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Bestimmung der mittleren Strahlendosisleistung im Primärkreislauf von wassergekühlten Kernreaktoren während des Anfahr-, Abfahr- oder Stillstandsregimes bei Betriebstemperaturen unterhalb 4S0K, dadurch gekennzeichnet, daß dem Primärkreislaufmittel zu einem vorgegebenen Zeitpunkt eine bekannte Menge eines oder mehrerer Metallkomplexe zugesetzt, gleichmäßig im Primärkreislaufmittel verteilt und dann die Konzentrationsänderung in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird, aus der anhand einer Kalibrierung auf die Strahlendosisleistung geschlossen wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß Fe(lll)-Ionen enthaltende Komplexe bzw. Chelate von mono-oder polyfunktionellen aliphatischen oder aromatischen Karbonsäuren eingesetzt werden.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Fe(lll)-Ionen enthaltende Komplexe bzw. Chelate der Ethylendiamintetraessigsäure, der Nitrilotriessigsäure, der Zitronensäure oder der Oxalsäure eingesetzt werden.
4. 4. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Fe(lll)-Ionen enthaltende Komplexe bzw. Chelate der folgenden Säuren bzw. deren Derivate eingesetzt werden: Malonsäure, Salicylsäure, Weinsäure, Bernsteinsäure, Aminodiessigsäure, Aminodipropionsäure, Ethylendiamintetrapropionsäure.
5. 5. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangskonzentrationen des Metallkomplexes im Primärkreislaufmittel in der Größenordnung von S 10"⁷MoI-T¹ liegen.
6. 6. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationsbestimmungen des Komplexes durch Messen der optischen Absorption erfolgt.