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Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung für ein Kugelmesssystem und ein dazugehöriges Kugelmesssystem in einer kerntechnischen Anlage. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Messung der Strahlungsverteilung an einer Mehrzahl von radioaktiv aktivierten Kugelsäulen eines Kugelprobensystems.
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In einer kerntechnischen Anlage, beispielsweise in einer Kernkraftwerksanlage mit einem Druckwasserreaktor, werden so genannte Kugelmesssysteme verwendet, um die Leistungsdichteverteilung der Strahlung im Reaktorkern zu messen. Dabei werden Kügelchen aus aktivierbarer Materie, beispielsweise aus Vanadium, mit einem charakteristischen Durchmesser in einem Bereich von unter einem Millimeter bis wenigen Millimetern an vorgegebenen Positionen im Reaktorkern in Röhren parallel zu den Kernbrennstäben eingefüllt, so dass die Kügelchen in den Röhren unmittelbar an- bzw. aufeinander liegen und jede Kugel genau einer Längskoordinate der benachbarten Kernbrennstäbe zugeordnet ist. Die Kugeln werden durch die von den Kernbrennstäben emittierte Strahlung aktiviert und danach in Röhren des Kugelmesssystems aus dem Reaktorkernbereich auf den Messtisch (Detektionsbereich) transportiert, wobei die Reihenfolge der Kugeln erhalten bleibt, weil die Röhren ein in sich geschlossenes System bilden.
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Die Röhren des Kugelmesssystems haben einen mit den Röhren im Reaktorkern vergleichbaren Durchmesser, so dass die Kugeln in den Röhren unmittelbar aneinander anliegen und jede Kugel an genau einer Längskoordinate in der jeweiligen Röhre liegt. Jede Röhre des Kugelmesssystems ist genau einer Röhre im Reaktorkern zugeordnet. Die Röhren des Kugelmesssystems sind parallel zueinander auf einem Messtisch angeordnet und bilden einen Detektionsbereich für eine Detektoranordnung mit einer Mehrzahl von Detektoren. Über jeder Röhre des Kugelmesssystems sind in gleichem Abstand zueinander mehrere Detektoren angeordnet. Die von den Kugeln abgegebene Strahlung wird von den Detektoren gemessen. Die von jeder Kugel abgegebene Strahlung korrespondiert eindeutig zu einer Strahlungsleistung des oder der durch die jeweilige Messröhre abgebildeten Kernbrennstabes bzw. Kernbrennstäbe an der durch die Position der Kugel in der Messröhre abgebildeten Längskoordinate. Durch den Abstand der Detektoren entlang der jeweiligen Messröhre zueinander ist somit die Auflösung der Strahlungsverteilungsmessung des Kugelmesssystems bestimmt.
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Ein Nachteil eines derartigen Detektorsystems ist darin begründet, dass eine hohe Anzahl von Detektoren erforderlich ist, um eine Messung der Leistungsdichteverteilung mit möglichst hoher Ortsauflösung zu erreichen. Falls ein Detektor ausfällt, so muss dieser Detektor ausgewechselt werden, was einen Zugang zum Kontrollbereich des Reaktors erforderlich macht. Weiterhin ist zur Kalibrierung der Detektoren ein Zugang zum Kontrollbereich erforderlich.
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Eine erste Aufgabe der Erfindung ist es, ein Detektorsystem zur Erfassung der Leistungsdichte in einem Reaktorkern anzugeben, welches möglichst wartungsarm ist, und welches bei einfach gehaltener Bauweise möglichst genau und zuverlässig ist.
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Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Kugelmesssystem anzugeben, welches möglichst genaue und zuverlässige Messungen ermöglicht.
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Schließlich soll ein entsprechendes Messverfahren angegeben werden.
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Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach wird eine Detektoranordnung für ein Kugelmesssystem in einer kerntechnischen Anlage bereitgestellt, mit einem Detektionsbereich, mit einer Messplattform, mit einer Anzahl von auf der Messplattform angeordneten Detektoren und mit einer Steuereinheit, wobei die Messplattform bezüglich des Detektionsbereiches beabstandet angeordnet und relativ zu dem Detektionsbereich verschiebbar gelagert ist.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, mit Hilfe einer bezüglich des Detektionsbereiches verschiebbaren Detektoranordnung den Detektionsbereich mit einer wesentlich geringeren Anzahl von Detektoren erfassen zu können, als mit einer bezüglich des Detektionsbereiches ortsfesten Detektoranordnung möglich wäre, bei zugleich einer höheren räumlichen Auflösung der Messung. Die höhere räumliche Auflösung wird im Wesentlichen dadurch bewerkstelligt, dass die Strahlungsdetektoren relativ zu den Kugeln in den Messröhren verschiebbar sind, vorzugsweise kontinuierlich verschiebbar sind. Insbesondere kann somit mit vergleichsweise wenigen Detektoren nach Art einer zeitlich seriellen Messwertaufnahme an einer Mehrzahl festgelegter Messpunkte die Strahlung von jeder einzelnen Kugel gemessen werden.
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Das Erfindungsprinzip beruht darauf, dass eine Aufnahme eines einzelnen Messwerts bzw. eine Einzelmessung an einem Detektor nur eine vergleichsweise geringe Messzeitdauer beansprucht, und dass ein durch das Verfahren bzw. Verschieben des Messbalkens bedingter geringfügiger Unterschied zwischen den zu unterschiedlichen räumlichen Positionen gehörigen jeweiligen Messzeitpunkten tolerierbar ist.
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Die Anzahl der Detektoren kann so gewählt werden, dass sie einerseits hinreichend groß ist, um einen möglichst hohen Grad der Redundanz zu erreichen, und dass sie andererseits – im Vergleich zu einer ortsfesten Detektoranordnung – möglichst klein ist, um die Anzahl der Zugänge zum Kontrollbereich des Reaktors, die für den Austausch eines Detektors einer dort installierten Detektoranordnung erforderlich ist, so klein wie möglich zu halten.
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Vorzugsweise ist die Messplattform der Detektoranordnung in Form eines Balkens ausgebildet, welcher entlang seiner Längsrichtung den Detektionsbereich überspannt, und welcher relativ zu dem Detektionsbereich querverschiebbar gelagert ist.
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Die Messtische von Kugelmesssystemen sind zweckmäßigerweise in der Form eines Rechtecks ausgebildet, wobei parallel zur Längsrichtung des Messtisches die Messröhren mit den radioaktiv aktivierten Kugeln angeordnet sind. Die Längen der Messröhren sind im Wesentlichen durch die Längen der aktiven Zonen der den Messröhren jeweils zugeordneten Kernbrennstäbe im Reaktorkern vorgegeben. Bezüglich der Querrichtung sind die Messröhren zweckmäßigerweise jeweils in gleichem Abstand zueinander angeordnet. Die Wahl der Definition von Längs- und Querrichtung des Messtisches resultiert daraus, dass einerseits typischerweise die Summe der Abstände zwischen den Messröhren kleiner ist als die mittlere Länge der Messröhren, und andererseits die Ausrichtung der Messröhren eine definierende Richtung für das Kugelmesssystem darstellt. Da der Messtisch dem Detektionsbereich der einem Kugelmesssystem zugeordneten Detektoranordnung entspricht, korrespondiert die Längsrichtung der in Form eines Balkens ausgebildeten Messplattform somit der Querrichtung des Detektionsbereiches, und invers. Eine Querverschiebbarkeit der Messplattform relativ zu dem Detektionsbereich ist somit von der Bedeutung her äquivalent zu einer Verschiebbarkeit der Messplattform entlang der Längsrichtung des Detektionsbereiches, mithin entlang der Messröhren eines der Detektoranordnung zugeordneten Kugelmesssystems.
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Zweckdienlicherweise ist eine Mehrzahl von Detektoren auf der Messplattform in Form einer Matrix, insbesondere in Form eines regelmäßigen Gitters, gruppiert angeordnet. Insbesondere umfasst die Messplattform eine Mehrzahl von Detektoren für jede Längskoordinate der Messplattform. Durch die Verschiebbarkeit der Messplattform relativ zum Detektionsbereich steht somit diese Mehrzahl von Detektoren für jede Längskoordinate des Detektionsbereiches zur Verfügung. Damit wird eine Redundanz erreicht, die in dieser Form bei einer Detektoranordnung mit ortsfest installierten Detektoren nicht existiert. Einerseits nämlich kann die Messung eines Detektors durch weitere Detektoren validiert werden, und andererseits kann bei Ausfall eines Detektors die Messfunktion durch andere Detektoren übernommen werden. Zugänge zum Kontrollraum zum Zweck der Reparatur und/oder des Austausches können somit in gebündelter Form stattfinden und sind nicht zwingend schon dann erforderlich, wenn nur ein Detektor ausfällt.
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Weiterhin ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Detektoranordnung ein Behälter oder ein Gehäuse zur Aufnahme und zum Transport von Instrumenten mit der Messplattform verbunden. Ein solcher Behälter dient beispielsweise zur Aufnahme der Steuereinheit sowie von Leitungen zwischen den Detektoren und der Steuereinheit, die hinderlich wären, wenn sie direkt zwischen den Detektoren auf der Messplattform und einem ortsfesten Anschlusspunkt gelegt wären. Die Steuereinheit kann auch als kombinierte Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt sein, die einerseits Steuersignale an zugehörige Antriebsmittel (Schrittmotoren etc.) zum Verfahren der Messplattform mit den Detektoren ausgibt, und in der andererseits die Messsignale der einzelnen Detektoren zusammenlaufen und ausgewertet bzw. für eine spätere externe Auswertung geeignet aufbereitet werden.
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Zweckmäßigerweise ist die Messplattform in eine Position verschiebbar, die bezüglich der Verschiebungsrichtung der Messplattform außerhalb des Detektionsbereiches angeordnet ist (Parkposition oder Kalibrierposition). Dies ermöglicht insbesondere einen vereinfachten Zugang zu der Messplattform, insbesondere zum Zwecke einer Entnahme und/oder eines Austausches von Detektoren.
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In einer geeigneten Weiterbildung der letztgenannten Ausführungsvariante der Detektoranordnung ist die Position bezüglich der Verschiebungsrichtung der Messplattform eine Endposition. Dies stellt eine besonders einfache Ausführung dar, bei welcher gegenüber der eingangs genannten Verschiebungsrichtung der Messplattform bezüglich des Detektionsbereiches keine zusätzlichen Freiheitsgrade der Verschiebbarkeit der Messplattform erforderlich sind.
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Darüber hinaus ist zweckmäßigerweise die Position als Eichposition zur Eichung oder Kalibrierung von zumindest einem Detektor vorgesehen. Dies ist im Vergleich zu einer Detektoranordnung mit ortsfest installierten Detektoren besonders vorteilhaft, da bei einer solchen Detektoranordnung eine Eichung (Kalibrierung) eines oder jedes Detektors durch Personal durchgeführt werden muss, womit zusätzliche Zugänge in den Kontrollbereich erforderlich sind. Sind jedoch die Detektoren in einen Bereich außerhalb des Detektionsbereiches überführbar, so ist eine einfache und automatische Eichung möglich, da keine Reststrahlungsmengen aus dem Detektionsbereich eine vollautomatische Eichung verfälschen können.
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In einer weiteren, geeigneten Ausführung des Detektorsystems ist die Steuereinheit zur vollautomatischen Durchführung einer Messsequenz ausgebildet. Eine derartige Messsequenz umfasst insbesondere eine Anzahl von Messpositionen der Messplattform und eine Anzahl von Fahrgeschwindigkeiten der Messplattform zwischen den jeweiligen Messpositionen und gegebenenfalls die Auswahl einer Anzahl von Messparametern eines oder jedes Detektors an der jeweiligen Messposition.
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Insbesondere umfassen die möglichen und anwählbaren Fahrgeschwindigkeiten der Messplattform einen Bereich um ca. 10 cm/s. Innerhalb dieses Geschwindigkeitsbereiches kann eine Messsequenz recht genau durchgeführt und zugleich recht schnell abgeschlossen werden.
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Weiterhin ist vorteilhafterweise die Eichung (Kalibrierung) eines oder jedes Detektors und das dafür erforderliche Verfahren der Messplattform in die Eichposition als Teilsequenz einer vollautomatisch durchgeführten Messsequenz vorgesehen.
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Zweckmäßigerweise ist die die Detektoren aufnehmende Messplattform entlang von Schienen geführt, die durch ihre Ausrichtung die gewünschte Verschiebbarkeit der Detektoren in Längsrichtung der Messröhren gewährleisten. Als Verstellanrieb kommt zweckmäßigerweise ein elektrischer Antrieb, beispielsweise mit einem Schrittmotor, zum Einsatz. Bevorzugt ist eine sensorische Erfassung der aktuellen Ist-Position der Messplattform vorgesehen, anhand derer eine Kontrolle und gegebenenfalls Korrektur der Ist-Position gegenüber der vorgebebenen Soll-Position durchführbar ist.
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Die zweite der beiden eingangs genannten Aufgaben wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Danach wird ein Kugelmesssystem für eine kerntechnische Anlage vorgeschlagen, mit einer Detektoranordnung der oben genannten Art, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektionsbereich der Detektoranordnung einen Messtisch mit einer Anordnung von einer Anzahl von Messröhren umfasst, wobei die oder jede Messröhre zur Aufnahme von radioaktiv bestrahltem Material, insbesondere in Gestalt von Kugeln, ausgebildet und eingerichtet ist.
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Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird schließlich durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Demnach ist zur Messung der Strahlungsverteilung an einer Mehrzahl von radioaktiv aktivierten Kugeln eines Kugelprobensystems, welches eine Anzahl von die Kugeln aufnehmenden, parallel zueinander ausgerichteten Messröhren aufweist, eine Messplattform mit einer Anzahl von jeweils mindestens einer der Messröhren zugeordneten Detektoren vorgesehen. Die Messplattform wird im Verlauf eines Messzyklus derart relativ zu dem Kugelprobensystem verschoben, dass zumindest einer der Detektoren nacheinander eine Serie von Messwerten an verschiedenen Messpositionen der ihm zugeordneten Messröhre aufnimmt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zumindest einer der Detektoren beim Verschieben der Messplattform die von den Kugeln abgegebene Strahlung kontinuierlich über einen ausgedehnten Längsabschnitt, vorzugsweise über die gesamte Länge, der ihm zugeordneten Messröhre erfasst. Da die Messpositionen der Detektoren kontinuierlich variierbar und nicht auf einzelne diskrete Messplätze beschränkt sind, und da jede der Kugeln in der Messröhre charakteristisch für die Strahlungseigenschaften an einer ihr eindeutig zugeordneten Längsposition eines Kernbrennstabes im Kernreaktor ist, können somit beispielsweise auch diejenigen Positionen vermessen werden, an denen sich Abstandshalter zwischen den üblicherweise zu Brennstabbündeln zusammengefassten Brennstäben befinden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Detektorsystems anhand einer Zeichnung dargestellt.
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Dabei zeigen jeweils in schematischen Darstellungen:
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1 ein Detektorsystem, mit einer verschiebbaren Messplattform über einem dazugehörigen Kugelprobenystem in einer Ansicht von oben, und
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2 das Detektorsystem 1 mit dem dazugehörigen Kugelprobensystem nach 1 in einer Endposition.
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In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Detektorsystem 1 mit einer verschiebbaren Messplattform 2 über einem dazugehörigen Kugelprobensystem 3 in einer Ansicht von oben. Das Detektorsystem 1 und das Kugelprobensystem 3 werden zusammen auch als Kugelmesssystem 10 bezeichnet. Die Messplattform 2 weist die Form eines Balkens auf und ist bezüglich eines Detektionsbereiches 4 entlang der Achsenrichtung X verschiebbar gelagert. Die Längsrichtung des Balkens entspricht der Achsenrichtung Y, somit ist die Messplattform 2 bezüglich des Detektionsbereiches 4 querverschiebbar gelagert. Der Detektionsbereich 4 umfasst einen Messtisch 5 des Kugelprobensystems 3. Auf dem Messtisch 5 sind parallel zu der Achsenrichtung X in regelmäßigen Abständen zueinander bezüglich der Achsenrichtung Y Messröhren 6 angeordnet. Die Messröhren 6, auf deren detaillierte Darstellung hier verzichtet wird, weisen einen Durchmesser von unter einem Millimeter bis wenigen Millimetern auf und sind zur Aufnahme von Kügelchen aus radioaktiv bestrahlbarem Material – beispielsweise Vanadium – ausgebildet, wobei in jeder Messröhre 6 die Kugeln linear aneinandergereiht zu liegen kommen. Zur Vereinfachung der Befüllung der Messröhren 6 können die Messröhren 6 bezüglich der Achsenrichtung Z leicht geneigt sein. Die Achsenrichtung Z zeigt in der vorliegenden Darstellung in Richtung des Beobachters.
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Die Messplattform 2 umfasst eine Mehrzahl von Detektoren 7, die in Form einer Matrix gruppiert angeordnet sind. Die Detektoren 7 sind bezüglich der Achsenrichtung Z über den Messröhren 6 angeordnet, wobei jeder Messröhre 6 eine Mehrzahl – in der vorliegenden Darstellung zwei – Detektoren 7 zugeordnet sind, deren Koordinaten bezüglich der Achsenrichtung Y identisch sind mit der Koordinate der jeweiligen Messröhre bezüglich der Achsenrichtung Y. Durch die Verschiebbarkeit der Messplattform 2 können beide Detektoren 7, die einer Messröhre 6 zugeordnet sind, die Gesamtheit aller Längskoordinaten der Messröhre 6 bezüglich der Achsenrichtung X erfassen. Die Detektoren 7 messen und registrieren für jede vorgegebene Position X0 der Messplattform 2 bezüglich der Achsenrichtung X die von den Kugeln in den Messröhren 6 abgegebene Strahlung und geben die aufgenommenen Daten an eine Auswerte- und Steuereinheit 8 weiter, die in einer an die Messplattform 2 angegliederten Instrumentenbox 9 untergebracht ist. Über die Auswerte- und Steuereinheit 8 kann eine Messsequenz vorgegeben sein, nach welcher vorgegebene Positionen X0 mit vorgegebenen Geschwindigkeiten V0 abgefahren werden. Dazu sind entsprechende steuer- bzw. regelbare Antriebsmittel zum Verfahren der Messplattform 2 vorgesehen, die hier nicht näher dargestellt sind.
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2 zeigt das Detektorsystem 1 nach 1 in einer Position X1 außerhalb des Detektionsbereiches 4. In dieser Position X1 werden die Detektoren 7 im Zuge der Durchführung einer Messsequenz vollautomatisch kalibriert. Dies ist möglich, da die Detektoren 7 durch Reststrahlung aus dem Detektionsbereich 4 nicht beeinflusst werden. Eine manuelle Kalibrierung durch Personal ist somit nicht erforderlich. Für weitere Details der Darstellung siehe die Beschreibung zu 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Detektoranordnung
- 2
- Messplattform
- 3
- Kugelprobensystem
- 4
- Detektionsbereich
- 5
- Messtisch
- 6
- Messröhre
- 7
- Detektor
- 8
- Steuereinheit
- 9
- Behälter/Instrumentenbox
- 10
- Kugelmesssystem
- X
- Achsenrichtung
- Y
- Achsenrichtung
- Z
- Achsenrichtung
