DE102017222344A1 - Apparatus and method for determining the boron content in a medium - Google Patents

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Abstract

Eine Messanordnung (2) zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium, welches durch eine Rohrleitung (1) strömt, soll auch ohne aktive Kühlung bei hohen Mediumstemperaturen in der Rohrleitung (1) und/ oder bei hohen Umgebungstemperaturen langfristig zuverlässig funktionieren und eine möglichst präzise Bestimmung des Borgehalts ermöglichen. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Messanordnung (2) mit• einer Neutronenquelle (16), die neben der Rohrleitung (1) angeordnet ist,• einem Neutronendetektor (18), der neben der Rohrleitung (1) angeordnet ist, und• einer Auswertungsvorrichtung (80), die anhand einer mit dem Neutronendetektor (18) gemessenen Zählrate (N) den Borgehalt im Medium bestimmt, wobei die Neutronenquelle (16) und/oder der Neutronendetektor (18) von einem Neutronenmoderator umgeben sind, der aus einem Material aus der Gruppe umfassend Graphit und Polyetheretherketon und Polyimid besteht.A measuring arrangement (2) for determining the boron content in a medium which flows through a pipeline (1) should also operate reliably without active cooling at high medium temperatures in the pipeline (1) and / or at high ambient temperatures, and should be as precise as possible of the boron content. This is achieved according to the invention by a measuring arrangement (2) having • a neutron source (16) which is arranged next to the pipeline (1), • a neutron detector (18) which is arranged next to the pipeline (1), and • an evaluation device ( 80), which determines the boron content in the medium by means of a counting rate (N) measured by the neutron detector (18), the neutron source (16) and / or the neutron detector (18) being surrounded by a neutron moderator consisting of a material from the group comprising graphite and polyetheretherketone and polyimide.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.The invention relates to an apparatus and a method for determining the boron content in a medium.

Die Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Weiterentwicklung der aus der europäischen Patentschrift EP 0 932 905 B1 bekannten Messanordnung. Das heißt, der grundlegende Aufbau in Bezug auf eine Neutronenquelle und mindestens einen Neutronendetektor, die bevorzugt im Wesentlichen gegenüberliegend um ein Rohr befestigt werden, bleibt erhalten.The measuring arrangement according to the present invention is a further development of the European patent specification EP 0 932 905 B1 known measuring arrangement. That is, the basic structure with respect to a neutron source and at least one neutron detector, which are preferably secured substantially opposite one another around a pipe, is maintained.

Das Messprinzip lässt sich wie folgt beschreiben: Durch das Rohr fließt ein Medium, nämlich Wasser mit Borsäure, dessen Borgehalt (Isotop B-10) aufgrund der Absorption im Medium der von der Neutronenquelle ausgesendeten Neutronen mithilfe der Neutronendetektoren bestimmt werden kann.The measuring principle can be described as follows: Through the tube flows a medium, namely water with boric acid, whose boron content (isotope B-10) can be determined by the neutron detectors due to the absorption in the medium of the neutrons emitted by the neutron source.

Die Neutronenquelle, kurz Quelle, und die Neutronendetektoren, kurz Detektoren, sind eingebettet in einen Moderator. Gemäß dem Stand der Technik handelt es sich dabei um Polyethylen (PE). Der Moderator erfüllt zwei wesentliche Funktionen:

  • • Moderation der von der Quelle ausgesendeten Neutronen, um damit eine stärkere Absorption im Medium und ein höheres Signal bei den Detektoren (sprich eine Verbesserung des Signal- zu Rausch-Verhältnisses bei der Bormessung) erreichen zu können.
  • • Der Moderator ist auch aus strahlenschutztechnischer Sicht bedeutend, da die moderierten Neutronen besser abgeschirmt werden können.
The neutron source, short source, and the neutron detectors, short detectors, are embedded in a moderator. According to the prior art, these are polyethylene (PE). The moderator fulfills two essential functions:
  • • Moderation of the neutrons emitted by the source in order to be able to achieve greater absorption in the medium and a higher signal at the detectors (ie an improvement in the signal-to-noise ratio during the boron measurement).
  • • The moderator is also important from a radiation protection point of view, since the moderated neutrons can be better shielded.

Das bisherige Design ist allerdings nur für Mediumstemperaturen bis maximal 100 °C und Umgebungstemperaturen bis ca. 70 °C geeignet, da der eingesetzte Moderator PE eine Schmelztemperatur von ca. 130 °C hat und schon bei ca. 80 °C erweicht. Zudem kann man bei Kunstoffen wie PE störende Alterungseffekte nicht ausschließen.However, the previous design is only suitable for medium temperatures up to 100 ° C and ambient temperatures up to about 70 ° C, since the used moderator PE has a melting temperature of about 130 ° C and already softens at about 80 ° C. In addition, you can not rule out annoying aging effects in plastics such as PE.

Aufgabe der Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannte Messanordnung derart weiter zu entwickeln, dass sie auch ohne aktive Kühlung bei hohen Mediumstemperaturen in der Rohrleitung von beispielsweise über 100 °C und/ oder bei hohen Umgebungstemperaturen langfristig zuverlässig funktioniert und eine möglichst präzise Bestimmung des Borgehalts ermöglicht. Des Weiteren soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.The object of the invention is to further develop the known from the prior art measuring arrangement such that it works reliably without active cooling at high medium temperatures in the pipeline, for example, above 100 ° C and / or at high ambient temperatures and as precise as possible Determination of the boron content possible. Furthermore, a corresponding method should be specified.

In Bezug auf die Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine weitere unabhängige Lösung, die zusammen mit der Lösung gemäß Anspruch 1 eine allgemeine erfinderische Idee verwirklicht, ist in Anspruch 2 spezifiziert. Überdies enthält Anspruch 10 eine weitere unabhängige Lösung, die mit den genannten anderen beiden Lösungen kombinierbar ist. Das entsprechende Verfahren ist in Anspruch 14 definiert.With respect to the device, said object is achieved according to the invention by a measuring arrangement having the features of claim 1. A further independent solution which, together with the solution according to claim 1, realizes a general inventive concept, is specified in claim 2. Moreover, claim 10 contains a further independent solution that can be combined with the other two solutions mentioned. The corresponding method is defined in claim 14.

Die Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet einen temperaturbeständigen Moderator bzw. je nach Einsatzgebiet eine Kombination aus mehreren Moderatoren. Es ist auch der gänzliche Verzicht auf einen Moderator möglich.The measuring arrangement according to the present invention uses a temperature-resistant moderator or, depending on the field of application, a combination of several moderators. It is also the total abandonment of a moderator possible.

Als Moderator infrage kommen alle temperaturbeständigen Materialen, die gewisse Moderationseigenschaften für Neutronen aufweisen, sowie eine geringe Neutronenabsorption, die mit zunehmender Temperatur nach Möglichkeit noch weiter abnimmt und damit andere temperaturabhängige Effekte ausgleicht.Suitable moderators are all temperature-resistant materials, which have certain moderation properties for neutrons, and a low neutron absorption, which decreases even further with increasing temperature and thus compensates for other temperature-dependent effects.

Ein möglicher geeigneter Moderator ist Graphit. Eine graphit-moderierte Messanordnung funktioniert auch bei deutlich höheren Mediumstemperaturen und /oder Umgebungstemperaturen. Da Graphit temperaturbeständig ist, ist ein Einsatz bis 300 °C (Mediumstemperatur und auch Umgebungstemperatur) und auch darüber hinaus generell möglich. Damit kann die Messanordnung in einem Kernkraftwerk direkt an die Leitungen aus dem Primärkreis angebracht werden und bleibt auch während und nach einem Störfall mit höherer Temperatur noch einsatzbereit.One possible suitable moderator is graphite. A graphite-moderated measuring arrangement also works at significantly higher medium temperatures and / or ambient temperatures. Since graphite is temperature resistant, it is generally possible to use it up to 300 ° C (medium temperature and also ambient temperature) and beyond. Thus, the measuring arrangement can be mounted in a nuclear power plant directly to the lines from the primary circuit and remains even during and after a fault with higher temperature still ready for use.

Eine Kombination aus verschiedenen Moderatoren ist immer dann sinnvoll, wenn die Eigenschaften zweier verschiedener Moderatoren in vorteilhafter Weise kombiniert werden können. Beispielsweise kann man bei einem Einsatzort mit heißem Medium aber mäßiger Außentemperatur in einer inneren Schicht oder Schale einen temperaturbeständigen Moderator (z. B. Graphit) anbringen und in einer äußeren Schicht oder Schale einen weniger temperaturbeständigen Moderator (z. B. PE). Dies hat den Vorteil einer Gewichtsreduktion (weil die Dichte von Graphit etwa zweimal so groß ist wie die von PE) bei unveränderter Moderationswirkung und Abschirmung der Neutronen nach außen (strahlenschutztechnischer Aspekt).A combination of different moderators is always useful if the characteristics of two different moderators can be combined in an advantageous manner. For example, at a hot medium but moderate outdoor temperature location in an inner layer or shell, a temperature resistant moderator (eg graphite) may be applied and in a outer layer or shell a less temperature resistant moderator (eg PE). This has the advantage of a weight reduction (because the density of graphite is about twice as large as that of PE) with unchanged moderation effect and shielding the neutrons to the outside (radiation protection aspect).

Das äußere Material kann auch so gewählt werden, dass es neutronenreflektierende Eigenschaften hat, um das Messsignal möglichst zu maximieren.The outer material may also be chosen to have neutron reflective properties to maximize the measurement signal as much as possible.

Man kann auch zum Beispiel die Halbschale, in der die Quelle sitzt mit einem anderen Moderator füllen, als die Halbschale, in der die Detektoren sitzen. Hier kann man den jeweilig besten Moderator auswählen, um das Signal- zu-Rausch-Verhältnis des Messsignals zu optimieren. Denn am Ort der Quelle geht es hauptsächlich darum, die von der Quelle emittierten schnellen Neutronen so abzubremsen, dass sie möglichst effizient vom Bor im Medium absorbiert werden, während es am Ort des Detektors viel mehr darauf ankommt, die durch das Medium hindurchgelaufenen Neutronen vollständig zu detektieren und keine zu verlieren. Deswegen ist hier die Reflexion bzw. Rückstreuung der Neutronen zum Detektor hin entscheidender als die Moderation. Ausgehend von diesen Überlegungen kann man dann für die Seite der Neutronenquelle und die Seite der Detektoren unabhängig geeignete Moderatoren wählen.For example, you can fill the half-shell in which the source sits with another moderator, as the half-shell in which the detectors sit. Here you can select the best moderator to analyze the signal-to-noise ratio. Ratio of the measurement signal to optimize. Because the main purpose of the source is to slow down the fast neutrons emitted by the source so that they are absorbed by the boron in the medium as efficiently as possible, while at the detector site it is much more important to completely close the neutrons that have passed through the medium detect and lose none. Therefore, the reflection or backscattering of the neutrons towards the detector is more decisive than moderation. Based on these considerations, it is then possible to independently select suitable moderators for the side of the neutron source and the side of the detectors.

Es sind auch weitere Kombinationen von Moderatoren möglich, wie etwa die Kombination von drei oder mehr Moderatoren (z. B. ein Neutronenreflektor als zusätzliche äußere Schicht). Hierbei sind jeweils die spezifische Anwendung bzw. die gegebenen Einschränkungen (Gewicht, Strahlenschutz, Mediumstemperatur, Außentemperatur) zu berücksichtigen.Other combinations of moderators are also possible, such as the combination of three or more moderators (eg, a neutron reflector as an additional outer layer). In each case the specific application or the given restrictions (weight, radiation protection, medium temperature, outside temperature) have to be considered.

Ein gänzlicher Verzicht auf einen Moderator hat den Vorteil eines sehr robusten Aufbaus. Zudem hat man eine deutliche Kostenreduktion und Gewichtseinsparung. Damit ist ein Design ohne Moderator überall dort einsetzbar, wo bestimmte Leitungen nur ein beschränktes Gewicht zusätzlich aushalten können, bzw. wo die seismischen Anforderungen besonders groß sind. Zusätzlich ist auch ein Einsatz unter höheren Temperaturen (Mediumstemperatur und Außentemperatur) möglich.A complete renouncement of a moderator has the advantage of a very robust construction. In addition, you have a significant cost reduction and weight savings. Thus, a design without a moderator can be used anywhere where certain lines only a limited weight can withstand, or where the seismic requirements are particularly large. In addition, use under higher temperatures (medium temperature and outside temperature) is possible.

Allerdings hat man am Einsatzort einer Messanordnung ohne Moderator eine höhere Strahlenbelastung, weil die abschirmende Wirkung des Moderators wegfällt. Zudem sollten die Anforderungen an die Genauigkeit und Responsezeit nicht zu hoch sein, da man aufgrund des geringeren absoluten Messsignals eine längere Messzeit (und/oder eine reduzierte Genauigkeit) in Kauf nehmen muss.However, one has a higher radiation exposure at the site of a measuring arrangement without a moderator, because the shielding effect of the moderator is eliminated. In addition, the requirements for the accuracy and response time should not be too high, because you have to accept a longer measurement time (and / or a reduced accuracy) due to the lower absolute measurement signal.

Eine Temperaturerhöhung im Medium führt zu einer Ausdehnung des Wassers im Medium, wodurch das Bor verdünnt wird. Für die Messanordnung heißt das eine Erhöhung der gemessenen Zählrate, weil weniger Neutronen durch die temperaturbedingte Verdünnung absorbiert werden. Diese temperaturabhängigen Auswirkungen auf die Zählrate werden erfindungsgemäß mit einer Temperaturkorrektur kompensiert.An increase in temperature in the medium causes the water in the medium to expand, which dilutes the boron. For the measuring arrangement, this means an increase in the measured counting rate, because fewer neutrons are absorbed by the temperature-induced dilution. These temperature-dependent effects on the count rate are compensated according to the invention with a temperature correction.

Zudem gibt es thermische Effekte im Moderatormaterial und auch im Detektor, was gerade bei wechselnden Umgebungstemperaturen einen Einfluss auf die Messung hat. Auch diesbezüglich ist vorteilhafterweise eine Korrektur vorgesehen.In addition, there are thermal effects in the moderator material and also in the detector, which has an influence on the measurement especially with changing ambient temperatures. Also in this regard, a correction is advantageously provided.

Ein besonders einfacher Algorithmus zur Temperaturkorrektur korrigiert thermische Effekte mit einem einzelnen Faktor. Dies setzt voraus, dass die Temperatureffekte unabhängig von der Borkonzentration sind. Dies ist nur näherungsweise der Fall. Deshalb ist eine solche Korrektur bei einem Einsatz über einen großen Temperaturbereich (z. B. 0 °C bis 300 °C) nicht mehr adäquat. Zudem muss man bei wechselnden Umgebungstemperaturen auch stärker thermische Effekte im Moderatormaterial berücksichtigen und korrigieren, um zu einem genauen Messergebnis zu kommen. Dies ist bei der genannten einfachen Temperaturkorrektur auch noch nicht berücksichtigt.A particularly simple temperature correction algorithm corrects thermal effects with a single factor. This assumes that the temperature effects are independent of the boron concentration. This is only approximately the case. Therefore, such a correction is no longer adequate for use over a wide temperature range (eg 0 ° C to 300 ° C). In addition, it is necessary to consider and correct more thermal effects in the moderator material at changing ambient temperatures in order to arrive at an accurate measurement result. This is also not taken into account in the said simple temperature correction.

Neuere Informationen zeigen, dass gerade die Umgebungstemperatur bisher zu wenig berücksichtigt worden ist, was zu ungenauen Ergebnissen bei der Borbestimmung führt.Recent information shows that just the ambient temperature has so far been taken into account too little, which leads to inaccurate results in the Borbestimmung.

Stattdessen wird erfindungsgemäß eine Temperaturkorrektur vorgeschlagen, die mehrere Einflussparameter auf die Zählrate N berücksichtigt, wie z. B. die jeweilige Borkonzentration c, die Mediumstemperatur TI und die Umgebungstemperatur TA . Das Auswertungsverfahren arbeitet also bevorzugt mit einer Zählrate N(c, TI , TA ), die funktionell von den genannten Einflussparametern abhängt.Instead, a temperature correction is proposed according to the invention, which takes into account several influencing parameters on the count rate N, such. B. the respective Borkonzentration c, the medium temperature T I and the ambient temperature T A , The evaluation method thus operates preferably with a count rate N (c . T I . T A ), which functionally depends on the mentioned influencing parameters.

Gegebenenfalls sollte auch ein Temperaturgradient innerhalb des Moderators korrigiert werden. Dies kann man entweder über die Implementation einer geeigneten mehrdimensionalen Funktion in der Auswertungssoftware lösen, oder indem man die Kennlinie N(c) für verschiedene Temperaturen (Mediumstemperatur TI und Außentemperaturen TA ) misst und dazwischen interpoliert. Dazu werden bevorzugt die Messdaten von mindestens zwei Temperatursensoren, nämlich zum einen im Medium und zum anderen im bzw. außen am Moderator, verwendet.If necessary, a temperature gradient within the moderator should also be corrected. This can be solved either by the implementation of a suitable multi-dimensional function in the evaluation software, or by the characteristic curve N (c) for different temperatures (medium temperature T I and outside temperatures T A ) measures and interpolates in between. For this purpose, preferably the measurement data of at least two temperature sensors, namely on the one hand in the medium and on the other in or outside the moderator used.

Bei schnellen Temperaturänderungen reagieren die Temperatursensoren schneller, als sich die Moderatortemperatur einstellt, so dass hieraus schon die Korrektur abgeleitet werden kann, bevor sich ein entsprechender Gradient im Moderator einstellt. Mit einem solchen Verfahren kann man permanent und vorausschauend die benötigte Temperaturkorrektur bestimmen und den Messwert entsprechend korrigieren. Das heißt, die benötigte Temperaturkorrektur für die Temperatur am Ort des Detektors, die insbesondere für Messungen in einem großen Temperaturbereich merklich ins Gewicht fallen kann, wird ständig neu berechnet anhand der Eingangssignale der Temperatursensoren. Sie liefert Voraussagen für die nach einer gewissen Zeit (in der sich ein bestimmter Gradient im Moderator eingestellt hat) benötigte Korrektur. Diese Methode ist auch anwendbar bei der Verwendung von unterschiedlichen Moderatorschichten.In the case of rapid temperature changes, the temperature sensors react faster than the moderator temperature, so that the correction can already be deduced therefrom before a corresponding gradient occurs in the moderator. With such a method, one can permanently and predictively determine the required temperature correction and correct the measured value accordingly. That is, the required temperature correction for the temperature at the location of the detector, which may be significant in particular for measurements in a wide temperature range, is constantly recalculated on the basis of the input signals of the temperature sensors. It provides predictions for the correction needed after a certain amount of time (in which a particular gradient has set in the moderator). This method is also applicable when using different moderator layers.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen und zum Teil stark vereinfachten Zeichnungen näher erläutert:

  • 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Messanordnung aus dem Stand der Technik (SdT) zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.
  • 2 zeigt einen zu 1 gehörigen Querschnitt.
  • 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Messanordnung gemäß einer Variante der Erfindung zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.
  • 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Messanordnung gemäß einer weiteren Variante der Erfindung zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.
  • 5 zeigt einen zu 4 gehörigen Querschnitt.
  • 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Messanordnung gemäß einer weiteren Variante der Erfindung zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.
  • 7 zeigt eine vereinfachte Ansicht einer Messanordnung gemäß einer der vorherigen Figuren, wobei zusätzliche Temperatursensoren schematisch angedeutet sind.
  • 8 zeigt für eine Messanordnung gemäß einer der vorherigen Figuren den Verlauf der Temperatur am Ort des Detektors als Funktion der Zeit, wenn sich der den Detektor umgebende Moderator aufheizt (d. h. die Temperatur im Medium steigt).
  • 9 zeigt den Verlauf Temperatur am Ort des Detektors als Funktion der Zeit, wenn sich der Moderator abkühlt (d. h. die Temperatur im Medium sinkt auf die Außentemperatur).
  • 10 zeigt ein Beispiel einer Kennlinie für einen Detektor in einer der hier beschriebenen Messanordnungen. Die relativen Zählraten sind normiert auf die Zählrate von deionisiertem Wasser (0 ppm Bor). Eine Änderung der Zählrate überträgt sich auf eine Änderung in der Borkonzentration. Die Konzentrationsangaben sind hier für natürliches Bor gegeben.
Various exemplary embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to the schematic and partially greatly simplified drawings:
  • 1 shows a longitudinal section through a measuring arrangement of the prior art (SdT) for determining the boron content in a medium.
  • 2 shows you one 1 proper cross section.
  • 3 shows a cross section through a measuring arrangement according to a variant of the invention for determining the boron content in a medium.
  • 4 shows a longitudinal section through a measuring arrangement according to a further variant of the invention for determining the boron content in a medium.
  • 5 shows you one 4 proper cross section.
  • 6 shows a cross section through a measuring arrangement according to another variant of the invention for determining the boron content in a medium.
  • 7 shows a simplified view of a measuring arrangement according to one of the preceding figures, wherein additional temperature sensors are indicated schematically.
  • 8th shows for a measuring arrangement according to one of the preceding figures, the course of the temperature at the location of the detector as a function of time when the moderator surrounding the moderator heats up (ie the temperature in the medium rises).
  • 9 shows the temperature at the location of the detector as a function of time when the moderator is cooling down (ie the temperature in the medium drops to the outside temperature).
  • 10 shows an example of a characteristic curve for a detector in one of the measuring arrangements described here. The relative count rates are normalized to the count rate of deionized water (0 ppm boron). A change in count rate translates to a change in boron concentration. The concentration data are given here for natural boron.

Gleiche oder gleichwirkende technische Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.The same or equivalent technical elements are provided in all figures with the same reference numerals.

1 und 2 sind aus der europäischen Patentschrift EP 0 932 905 B1 entnommen und zeigen einen Längsschnitt und einen Querschnitt durch eine Messanordnung gemäß dem Stand der Technik zur Bestimmung des Borgehalts in einer Flüssigkeit. Bezüglich der Einzelheiten wird auf die genannte Patentschrift verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hiermit zum Bestandteil der vorliegenden Beschreibung erklärt wird (Einbeziehung durch Verweis). 1 and 2 are from the European patent specification EP 0 932 905 B1 taken and show a longitudinal section and a cross section through a measuring arrangement according to the prior art for determining the boron content in a liquid. For details, reference is made to said patent, the disclosure of which is incorporated herein by reference (incorporated by reference).

Zusammengefasst beschreibt die die Patentschrift EP 0 932 905 B1 eine Messanordnung 2 zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium, hier einem Reaktorkühlmittel, welches im Kühlkreislauf eines Kernreaktors in einem Kernkraftwerk zirkuliert. Der Kühlkreislauf umfasst einen Abschnitt, in dem das Reaktorkühlmittel während des Betriebs des Kernreaktors in flüssiger Form durch eine Rohrleitung 1 strömt. Die auch als Messleitung bezeichnete Rohrleitung 1 ist hier im Beispiel senkrecht ausgerichtet. Die Messanordnung 2 umfasst eine Neutronenquelle 16, die auf einer Seite der Rohrleitung 1 in einem gewissen Abstand zu ihr angeordnet ist, sowie einen Neutronendetektor 18 in Gestalt zumindest eines Zählrohrs, das im Wesentlichen der Neutronenquelle 16 gegenüberliegend auf der anderen Seite der Rohrleitung 1 in einem gewissen Abstand zur ihr auf ungefähr gleicher Höhe wie die Neutronenquelle 16 angeordnet ist.In summary, the patent describes EP 0 932 905 B1 a measuring arrangement 2 for determining the boron content in a medium, here a reactor coolant, which circulates in the cooling circuit of a nuclear reactor in a nuclear power plant. The refrigeration cycle comprises a section in which the reactor coolant during operation of the nuclear reactor in liquid form through a pipeline 1 flows. The pipeline, also referred to as the measuring line 1 is here in the example aligned vertically. The measuring arrangement 2 includes a neutron source 16 standing on one side of the pipeline 1 is arranged at a certain distance to her, as well as a neutron detector 18 in the form of at least one counter tube, essentially the neutron source 16 opposite on the other side of the pipeline 1 at a certain distance from it at about the same height as the neutron source 16 is arranged.

Die von der Neutronenquelle 16 emittierten Neutronen treten (jedenfalls zum großen Teil) durch die Rohrleitung 1 und durch das darin strömende Reaktorkühlmittel hindurch und werden, sofern sie auf ihrem Weg nicht absorbiert oder in nach außen gestreut werden, auf der gegenüberliegenden Seite durch den Neutronendetektor 18 erfasst. Die am Neutronendetektor 18 gemessene Zählrate korreliert mit dem Grad der Neutronenabsorption im Reaktorkühlmittel, welcher wiederrum vom Borgehalt bzw. Borsäuregehalt im Reaktorkühlmittel abhängig ist. Auf diese Weise kann in einer zugehörigen Auswertungseinheit bei bekannter Intensität der Neutronenquelle 16 aus der gemessenen Zählrate der Borgehalt bzw. die Borkonzentration im Reaktorkühlmittel bestimmt werden.The of the neutron source 16 emitted neutrons occur (at least in large part) through the pipeline 1 and through the reactor coolant flowing therethrough and, unless they are absorbed on their way or scattered outward, on the opposite side by the neutron detector 18 detected. The at the neutron detector 18 The measured count rate correlates with the degree of neutron absorption in the reactor coolant, which in turn depends on the boron content or boric acid content in the reactor coolant. In this way, in an associated evaluation unit with a known intensity of the neutron source 16 From the measured count rate, the boron content or the boron concentration in the reactor coolant can be determined.

Die Neutronenquelle 16 ist von einer Halbschale 4 umschlossen, die aus einem Neutronenmoderator oder kurz Moderator besteht. Zur Aufnahme der Rohrleitung 1 im Zentrum und der Neutronenquelle 16 etwas weiter außen ist die Halbschale 4 mit einem entsprechenden Ausschnitt versehen. Der Neutronendetektor 18 ist in entsprechender Weise von einer Halbschale 6 umschlossen, die ebenfalls aus einem Neutronenmoderator oder kurz Moderator besteht. Beide Halbschalen 4, 6 zusammen bilden in der Einbaulage eine komplette Schale, hier im Beispiel mit einer im Querschnitt achteckigen Außenkontur, die im Allgemeinen natürlich auch anders geformt sein kann. Gemäß EP 0 932 905 B1 besteht der Neutronenmoderator beider Schalen aus Polyethylen (PE). Der Zweck des Neutronenmoderators liegt in erster Linie in der Thermalisierung der von der Neutronenquelle 16 emittierten Neutronen zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses am Neutronendetektor 18. Darüber hinaus bewirkt er eine strahlenschutztechnische Abschirmung der Messanordnung 2 zur äußeren Umgebung. Zur Verbesserung der Abschirmung ist optional eine zusätzliche Umhüllung 12 der beiden Halbschalen 4, 6 aus neutronenabsorbierendem Material, hier Cadmium, vorhanden.The neutron source 16 is from a half-shell 4 enclosed, which consists of a neutron moderator or short moderator. For holding the pipeline 1 in the center and the neutron source 16 a little further out is the half shell 4 provided with a corresponding cutout. The neutron detector 18 is in a similar way by a half-shell 6 enclosed, which also consists of a neutron moderator or short moderator. Both half shells 4 . 6 together form a complete shell in the installed position, here in the example with an octagonal outer contour in cross section, which in general can of course also be shaped differently. According to EP 0 932 905 B1 the neutron moderator of both shells exists Polyethylene (PE). The purpose of the neutron moderator is primarily in the thermalization of the neutron source 16 emitted neutrons to improve the signal-to-noise ratio at the neutron detector 18 , In addition, it causes a radiation protection shielding of the measuring device 2 to the outside environment. To improve the shield is optionally an additional enclosure 12 the two half-shells 4 . 6 of neutron absorbing material, here cadmium.

Weiterhin ist in einer bevorzugten Variante ein im Querschnitt ringförmiger, im Betrieb von einem Kühlmittel durchströmter Kühlkanal 20 zwischen der Rohrleitung 1 und den beiden Halbschalen 4, 6 vorhanden. Bevorzugt kommt als Kühlmittel Kühlluft zum Einsatz, die mit Hilfe eines Gebläses oder Ventilators 24 in den Kühlkanal 20 eingeblasen wird. Schließlich befindet sich vorteilhafterweise zwischen dem Kühlkanal 20 und den umliegenden Halbschalen 4, 6 eine im Querschnitt ringförmige thermische Isolationsschicht 28, vorzugsweise aus einem eingeschlossenen statischen Luftpolster.Furthermore, in a preferred variant, a cross-sectionally annular cooling passage through which a coolant flows during operation 20 between the pipeline 1 and the two half-shells 4 . 6 available. Preferably used as a coolant cooling air is used, with the help of a blower or fan 24 in the cooling channel 20 blown. Finally, advantageously located between the cooling channel 20 and the surrounding half-shells 4 . 6 a ring-shaped in cross-section thermal insulation layer 28 , preferably from an enclosed static air cushion.

Das gemäß EP 0 932 905 B1 als Moderator verwendete Material Polyethylen ist nur für Umgebungstemperaturen bis ca. 70 °C geeignet, weil es bei ca. 80 °C schon erweicht. Die entspricht einer Mediumstemperatur in der Rohrleitung 1 von rund 100 °C. Durch die oben beschriebenen Maßnahmen zur Kühlung wird zwar die durch das Medium bewirkte Wärmelast auf die beiden Halbschalen 4, 6 vermindert, ist aber bei höheren Mediumstemperaturen immer noch beträchtlich. Außerdem besteht die Gefahr, dass die aktive Kühlung mittels Gebläse ausfällt. Zudem kann in einem Szenario mit hohen Umgebungstemperaturen (Außentemperaturen) auch eine unzulässig hohe Aufheizung von außen erfolgen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden daher verschiedene Abwandlungen der bekannten Messanordnung 2 vorgeschlagen, die auch ohne aktive Kühlung bei Mediumstemperaturen in der Rohrleitung 1 über 100 °C und/oder bei hohen Umgebungstemperaturen langfristig zuverlässig funktionieren.The according to EP 0 932 905 B1 Material used as moderator Polyethylene is only suitable for ambient temperatures up to approx. 70 ° C because it softens at approx. 80 ° C. This corresponds to a medium temperature in the pipeline 1 of around 100 ° C. Although the measures described above for cooling the heat load caused by the medium on the two half-shells 4 . 6 but is still considerable at higher media temperatures. In addition, there is a risk that the active cooling by means of blower fails. In addition, in a scenario with high ambient temperatures (outside temperatures) also an inadmissibly high heating from the outside can take place. In the context of the present invention, therefore, various modifications of the known measuring arrangement 2 also proposed without active cooling at medium temperatures in the pipeline 1 over 100 ° C and / or at high ambient temperatures to function reliably in the long term.

In einer ersten Hauptvariante der erfindungsgemäßen Messvorrichtung bzw. Messanordnung 2 wird gemäß 3 auf den Moderator komplett verzichtet. Das heißt, ähnlich wie im Stand der Technik ist auf der einen Seite der das zu untersuchende Medium führenden Rohrleitung 1 eine Neutronenquelle 16 und im Wesentlichen diametral gegenüberliegend auf der andere Seite ein Neutronendetektor 18, umfassend ein oder mehrere Zählrohre, angeordnet. Die aus 1 und 2 bekannten Halbschalen 4, 6 sind aber nicht vorhanden. Zwischen den genannten Komponenten befindet sich lediglich Luft. Dadurch erreicht man bei hoher Temperaturbeständigkeit eine deutliche Kostenreduktion und Gewichtseinsparung, muss allerdings eine höhere Strahlenbelastung in der Umgebung hinnehmen, da die abschirmende Wirkung des Moderators wegfällt. Außerdem entfällt der positive Einfluss des Moderators auf das Signal-Rausch-Verhältnis am Neutronendetektor 18.In a first main variant of the measuring device or measuring arrangement according to the invention 2 is according to 3 completely dispensed with the moderator. That is, similar to the prior art is on the one hand, the pipeline leading to the medium to be examined 1 a neutron source 16 and, substantially diametrically opposite, on the other side, a neutron detector 18 comprising one or more counter tubes arranged. From 1 and 2 known half shells 4 . 6 but are not available. There is only air between these components. This achieves a significant cost reduction and weight saving with high temperature resistance, but must accept a higher radiation exposure in the environment, since the shielding effect of the moderator is eliminated. In addition, the moderator's positive influence on the signal-to-noise ratio at the neutron detector is eliminated 18 ,

In einer zweiten Hauptvariante gemäß 4 und 5 ist der grundsätzliche Aufbau der Messanordnung 2 ähnlich wie im Stand der Technik gemäß 1 und 2. Auf der einen Seite der das Medium führenden Rohrleitung 1 ist eine Neutronenquelle 16 angeordnet, und im Wesentlichen diametral gegenüberliegend auf der anderen Seite ist ein Neutronendetektor 18, umfassend ein oder mehrere Zählrohre, angeordnet. Die Neutronenquelle 16 ist von einer Halbschale 4 umschlossen, die aus einem Neutronenmoderator oder kurz Moderator besteht. Zur Aufnahme der Rohrleitung 1 im Zentrum und der Neutronenquelle 16 etwas weiter außen ist die Halbschale 4 mit einem entsprechenden Ausschnitt versehen. Der Neutronendetektor 18 ist in entsprechender Weise von einer Halbschale 6 umschlossen, die ebenfalls aus einem Neutronenmoderator besteht. Beide Halbschalen 4, 6 zusammen bilden in der Einbaulage eine komplette Schale 30, hier im Beispiel mit einer im Querschnitt kreisförmigen Außenkontur, die im Allgemeinen natürlich auch anders geformt sein kann.In a second main variant according to 4 and 5 is the basic structure of the measuring arrangement 2 similar to the prior art according to 1 and 2 , On one side of the medium-carrying pipeline 1 is a neutron source 16 arranged, and substantially diametrically opposite on the other side is a neutron detector 18 comprising one or more counter tubes arranged. The neutron source 16 is from a half-shell 4 enclosed, which consists of a neutron moderator or short moderator. For holding the pipeline 1 in the center and the neutron source 16 a little further out is the half shell 4 provided with a corresponding cutout. The neutron detector 18 is in a similar way by a half-shell 6 enclosed, which also consists of a neutron moderator. Both half shells 4 . 6 together form a complete shell in the installation position 30 Here, in the example with a circular cross-sectional outer contour, which in general can of course also be shaped differently.

Im Unterschied zum Stand der Technik, bei dem für beide Halbschalen 4, 6 Polyethylen (PE) als Moderator verwendet wird, wird hier zumindest für eine der beiden Halbschalen 4, 6, vorzugsweise für beide Halbschalen 4, 6 ein besonders temperaturbeständiger Moderator aus der Gruppe der Materialien umfassend Graphit und Polyetheretherketon (abgekürzt PEEK) und Polyimid (PI) verwendet. Es kann sich auch um eine Mischung aus diesen Materialien handeln. Diese Materialien sind für einen Einsatz bei Temperaturen bis 300 °C oder mehr geeignet. Auf eine aktive Kühlung mittels eingeblasener Kühlluft oder dergleichen kann in diesem Fall verzichtet werden. Der aus EP 0 932 905 B1 bekannte Kühlkanal 20 zwischen der Rohrleitung 1 und den umliegenden Halbschalen 4, 6 kann daher entfallen. Es werden keine beweglichen Teile benötigt.In contrast to the prior art, in which for both half-shells 4 . 6 Polyethylene (PE) is used as a moderator here is at least for one of the two half-shells 4 . 6 , preferably for both half-shells 4 . 6 a particularly temperature-resistant moderator from the group of materials comprising graphite and polyetheretherketone (abbreviated PEEK) and polyimide (PI) used. It can also be a mixture of these materials. These materials are suitable for use at temperatures up to 300 ° C or more. Active cooling by means of injected cooling air or the like can be dispensed with in this case. The out EP 0 932 905 B1 known cooling channel 20 between the pipeline 1 and the surrounding half-shells 4 . 6 can therefore be omitted. There are no moving parts needed.

In einer möglichen Ausgestaltung wird für beide Halbschalen 4, 6 derselbe temperaturbeständige Moderator, also beispielsweise entweder Graphit oder PEEK oder PI, verwendet. In einer alternativen Ausgestaltung können die beiden Halbschalen 4, 6 aus unterschiedlichen temperaturbeständigen Materialien bestehen, was eine zielgerichtete Anpassung an unterschiedliche physikalische Anforderungen auf der Seite der Neutronenquelle 16 einerseits und auf der Seite des Neutronendetektors 18 andererseits ermöglicht.In a possible embodiment is for both half shells 4 . 6 the same temperature-resistant moderator, so for example either graphite or PEEK or PI used. In an alternative embodiment, the two half shells 4 . 6 consist of different temperature-resistant materials, resulting in a targeted adaptation to different physical requirements on the side of the neutron source 16 on the one hand and on the side of the neutron detector 18 on the other hand allows.

Die dritte Hauptvariante gemäß 6 baut auf der zweiten Hauptvariante gemäß 4 und 5 auf. Zusätzlich zu der aus den beiden Halbschalen 4, 6 gebildeten inneren Schale 30, für die die obige Beschreibung gilt, ist hier eine aus zwei Halbschalen 34, 36 gebildete äußere Schale 40 vorhanden, die vorzugsweise an der inneren Schale 30 anliegt und diese umschließt. Im Schnitt betrachtet bilden die innere Schale 30 und die äußere Schale 40 bevorzugt ein System aus zwei konzentrischen Ringen. Sofern keine besonders hohen Außentemperaturen anliegen, kann die äußere Schale 40 aus einem weniger hitzebeständigen Moderator bestehen als die innere Schale 30. Falls die Außentemperaturen höher sind als die Mediumstemperaturen in der Rohrleitung 1, kann es aber auch umgekehrt sein. Außerdem kann der Moderator der äußeren Schale 40 für eine Reflexion von Neutronen optimiert sein, also als Neutronen-Reflektor wirksam sein. Denkbar ist auch hier wieder - wie bei der inneren Schale 30 - die Verwendung unterschiedlicher Materialien für die beiden äußeren Halbschalen 34, 36. In diesem Fall liegen die Stoßflächen 44 zwischen den beiden äußeren Halbschalen 34, 36 bevorzugt in einer Ebene mit den Stoßflächen 42 zwischen den inneren Halbschalen 4, 6. Wenn die beiden äußeren Halbschalen 34, 36 allerdings aus dem gleichen Material bestehen, die äußere Schale mithin vom Material her uniform ausgebildet ist, dann können die Stoßflächen 42, 44 im Prinzip beliebig zueinander liegen.The third main variant according to 6 builds on the second main variant according to 4 and 5 on. In addition to the two half-shells 4 . 6 formed inner shell 30 to which the above description applies, here is one of two half-shells 34 . 36 formed outer shell 40 present, preferably on the inner shell 30 is present and encloses this. Seen in section form the inner shell 30 and the outer shell 40 preferably a system of two concentric rings. If there are no particularly high outside temperatures, the outer shell can 40 consist of a less heat-resistant moderator than the inner shell 30 , If the outside temperatures are higher than the medium temperatures in the pipeline 1 but it can also be the other way around. In addition, the moderator of the outer shell 40 be optimized for a reflection of neutrons, so be effective as a neutron reflector. It is also possible here again - as with the inner shell 30 - the use of different materials for the two outer shells 34 . 36 , In this case, the abutment surfaces lie 44 between the two outer half shells 34 . 36 preferably in a plane with the abutment surfaces 42 between the inner half shells 4 . 6 , If the two outer half shells 34 . 36 However, consist of the same material, the outer shell is therefore formed uniformly from the material, then the abutting surfaces 42 . 44 in principle, are arbitrary to one another.

Beispielsweise kann die aus den beiden Halbschalen 4, 6 gebildete innere Schale 30 komplett aus Graphit oder PEEK oder PI bestehen. Wie bereits oben erwähnt, können alternativ die beiden inneren Halbschalen 4, 6 aus verschiedenen Materialien bestehen, etwa die eine aus Graphit und die andere aus PEEK. Die aus den beiden Halbschalen 34, 36 gebildete äußere Schale 40 hingegen kann beispielsweise komplett aus PE bestehen, mit dem Vorteil einer Gewichtsreduktion der Gesamtanordnung.For example, from the two half shells 4 . 6 formed inner shell 30 completely made of graphite or PEEK or PI. As already mentioned above, alternatively, the two inner half shells 4 . 6 made of different materials, such as one of graphite and the other of PEEK. The from the two half shells 34 . 36 formed outer shell 40 however, for example, can be made entirely of PE, with the advantage of a weight reduction of the overall arrangement.

Im Allgemeinen ist es zwar vorteilhaft, jedoch muss die Neutronenquelle 16 nicht unbedingt gegenüberliegend zum Neutronendetektor 18 angeordnet sein. Beide können auch mehr oder weniger nebeneinander, quasi auf einer Seite bezüglich der Rohrleitung 1 angeordnet sein. Das gilt für alle hier beschriebenen Varianten der Erfindung. Gegebenenfalls vorhandene Moderatoren bilden dann entsprechende Schalensegmente. Zur Vereinfachung der Beschreibung deckt der hier verwendete Begriff „Halbschale“ auch solche Konfigurationen ab.While it is generally advantageous, the neutron source must be 16 not necessarily opposite the neutron detector 18 be arranged. Both can also be more or less side by side, almost on one side with respect to the pipeline 1 be arranged. This applies to all variants of the invention described here. Optionally present moderators then form corresponding shell segments. To simplify the description, the term "half-shell" as used herein also covers such configurations.

Bei vergleichsweise hohen Mediumstemperaturen in der Rohrleitung 1 über 100 °C, aber auch bei hohen Umgebungstemperaturen, sind bei allen beschriebenen Varianten die im Folgenden beschriebenen Temperaturkorrekturen aufgrund von thermischen Moderatoreffekten und Detektoreffekten und aufgrund von thermisch bedingten Dichteänderungen im Medium besonders vorteilhaft zur Erzielung verlässlicher Messwerte.At comparatively high medium temperatures in the pipeline 1 above 100 ° C, but also at high ambient temperatures, the temperature corrections described below are particularly advantageous for obtaining reliable measured values in all the variants described due to thermal moderator effects and detector effects and due to thermally induced density changes in the medium.

7 illustriert die in diesem Zusammenhang zweckmäßigerweise verwendeten Eingangsgrößen, nämlich zum einen die (intrinsische) Temperatur TI des im Bereich der Messanordnung 2 durch die Rohrleitung 1 strömenden Mediums, die im Falle eines gut wärmeleitenden Rohrwandmaterials ungefähr mit der Temperatur an der Außenseite der Rohrwand bzw. an der Innenseite der die Rohrleitung 1 umgebende Schale 30 gleichzusetzen ist. Der zur Messung der Temperatur TI benötigte Temperatursensor 50 kann abweichend von der Darstellung in 7 in einiger Entfernung von der Messanordnung 2 weiter stromabwärts oder stromaufwärts angeordnet sein, sofern sich die Temperatur TI über die entsprechende Strecke hinweg nicht wesentlich ändert. Zum anderen wird die an der Außenseite der Schale 30 (oder der äußeren Schale 40 bei zweischaligem Aufbau) anliegende Umgebungs- oder Außentemperatur TA durch einen weiteren Temperatursensor 60 gemessen, der abweichend von der Darstellung in 7 auch weiter entfernt von der Messanordnung 2 angeordnet sein, sofern sich die Temperatur TA über die entsprechende Strecke hinweg nicht wesentlich ändert. Wie weiter unten beschrieben, kann daraus mit ein paar zweckmäßigen, vereinfachenden Annahmen die Temperatur TD am Ort des Neutronendetektors 18 oder kurz Detektors innerhalb der Schale 30 ermittelt werden, sowie an jedem anderen beliebigen Punkt innerhalb des Moderators. 7 illustrates the input variables expediently used in this context, namely on the one hand the (intrinsic) temperature T I in the area of the measuring arrangement 2 through the pipeline 1 flowing medium, which in the case of a good heat conducting pipe wall material approximately with the temperature on the outside of the pipe wall or on the inside of the pipeline 1 surrounding shell 30 equate to. The for measuring the temperature T I required temperature sensor 50 may differ from the illustration in 7 at some distance from the measuring arrangement 2 be located downstream or upstream, provided that the temperature T I does not change significantly over the corresponding route. On the other hand, on the outside of the shell 30 (or the outer shell 40 in the case of a two-shell construction), the surrounding ambient or outside temperature T A through another temperature sensor 60 measured, which deviates from the illustration in 7 also farther away from the measuring arrangement 2 be arranged, provided the temperature T A does not change significantly over the corresponding route. As will be described below, this can be done with a few expedient, simplifying assumptions of temperature T D at the location of the neutron detector 18 or shortly detector inside the shell 30 as well as at any other point within the moderator.

Man kann auch direkt die Temperatur TD am Detektor messen. Ein außen am Moderator angebrachter Detektor ist jedoch leichter zu montieren und auch nachzurüsten. Zudem kommt es auf die Temperaturverteilung im gesamten Moderator an (auch in den äußeren Schichten), um thermische Effekte im Moderatormaterial entsprechend korrigieren zu können. Vorteilhafterweise werden daher mindestens zwei Temperatursensoren eingesetzt, einer davon möglichst innen und der andere möglichst weit außen.You can also change the temperature directly T D at the detector. However, a detector mounted on the outside of the moderator is easier to assemble and retrofit. In addition, it depends on the temperature distribution throughout the moderator (also in the outer layers) in order to correct thermal effects in the moderator material accordingly. Advantageously, therefore, at least two temperature sensors are used, one of them as possible inside and the other as far as possible outside.

Die nachfolgend beschriebenen Auswertungen erfolgen bevorzugt in einer elektronischen Auswertungseinheit 80, in der die Auswertungs- und Korrekturalgorithmen hard- und/oder softwaremäßig implementiert sind. Insbesondere sind dort auch die für die Auswertung und Korrektur erforderlichen Kennlinien in digitaler Form hinterlegt, welche zuvor im Rahmen von Kalibrier- oder Normierungsmessungen ermittelt wurden. Eingangsseitig werden der Auswertungseinheit 80 die erforderlichen Messwerte, insbesondere die gemessene Zählrate N und die Temperaturen TI und TA zugeführt, und ausgegeben wird dann die aktuelle Borkonzentration c.The evaluations described below are preferably carried out in an electronic evaluation unit 80 , in which the evaluation and correction algorithms are implemented in hardware and / or software. In particular, the characteristics required for the evaluation and correction are also stored there in digital form, which were previously determined as part of calibration or standardization measurements. On the input side are the evaluation unit 80 the required measured values, in particular the measured count rate N and the temperatures T I and T A supplied, and then outputs the current Borkonzentration c.

Temperaturkorrektur aufgrund von thermischen Moderator- und Detektoreffekten: Temperature correction due to thermal moderator and detector effects:

Die Temperatur TD am Ort des Detektors hängt von den gemessenen Temperaturen von mindestens zwei Temperatursensoren ab - hier zur Vereinfachung zum einen TI : Temperatur im Medium durch intrinsischen Sensor gemessen, und zum anderen TA : Außentemperatur an der äußeren Oberfläche des Moderators gemessen. Zusätzlich muss der zeitliche Verlauf berechnet werden, um Vorhersagen für eine Korrektur zu treffen: T D ( t ) = f ( T I T A , t )

Figure DE102017222344A1_0001
The temperature T D at the location of the detector depends on the measured temperatures of at least two temperature sensors - here for simplicity on the one hand T I : Temperature in the medium measured by intrinsic sensor, and on the other T A : Outside temperature measured on the outer surface of the moderator. In addition, the time history must be calculated to make predictions for a correction: T D ( t ) = f ( T I - T A . t )
Figure DE102017222344A1_0001

Falls sich das Medium im Rohr aufheizt, d. h. TI(t) > TI(t0) mit t>t0 (t0: Anfangszeitpunkt, t: aktuelle Zeit, t1: Zeitkonstante zur Normierung) und TD(t0) =TA), gilt: T D ( t ) = T A + α ( T I T A ) ( 1 exp ( ( t t 0 ) / t 1 )

Figure DE102017222344A1_0002
If the medium in the tube heats up, ie T I (t)> T I (t 0 ) with t> t 0 (t 0 : start time, t: current time, t 1 : time constant for normalization) and T D (t 0 ) = T A ), the following applies: T D ( t ) = T A + α ( T I - T A ) ( 1 - exp ( - ( t - t 0 ) / t 1 )
Figure DE102017222344A1_0002

Hierbei bezeichnet α < 1 eine material- und geometriespezifische Konstante (bzgl. der Wärmeleitfähigkeit des Materials).Here, α <1 denotes a material- and geometry-specific constant (with respect to the thermal conductivity of the material).

Der entsprechende Verlauf der Temperatur TD am Ort des Detektors als Funktion der Zeit t bei einem Aufheizvorgang ist exemplarisch in 8 dargestellt.The corresponding course of the temperature T D at the location of the detector as a function of time t during a heating process is exemplified in 8th shown.

Falls sich das Medium im Rohr abkühlt, d. h. TI(t) < TI(t0) mit t>t0 (t0: Anfangszeitpunkt, t: aktuelle Zeit, t1: Zeitkonstante zur Normierung) und mit TD(t0) =TA + α · (TI - TA), gilt entsprechend: T D ( t ) = T A + α ( T I T A ) exp ( ( t t 0 ) / t 1 )

Figure DE102017222344A1_0003
If the medium in the tube cools down, ie T I (t) <T I (t 0 ) with t> t 0 (t 0 : start time, t: current time, t 1 : time constant for normalization) and T D (t 0 ) = T A + α · (T I -T A ), applies accordingly: T D ( t ) = T A + α ( T I - T A ) exp ( - ( t - t 0 ) / t 1 )
Figure DE102017222344A1_0003

Der entsprechende Verlauf der Temperatur TD am Ort des Detektors als Funktion der Zeit t bei einem Abkühlvorgang ist exemplarisch in 9 dargestellt.The corresponding course of the temperature T D at the location of the detector as a function of time t during a cooling process is exemplified in 9 shown.

Die Temperatur des Detektors TD ist hier beispielshaft gewählt. Genauso könnte man die Temperatur an jedem Punkt innerhalb des Moderators als Funktion der Zeit bestimmen und Vorhersagen über die benötigte Korrektur treffen.The temperature of the detector T D is chosen here by example. Similarly, one could determine the temperature at each point within the moderator as a function of time and make predictions about the correction needed.

Statt durch eine Exponentialfunktion kann das Aufheizen bzw. Abkühlen auch durch ein Polynom beschrieben werden.Instead of an exponential function, the heating or cooling can also be described by a polynomial.

Die Zählrate wird dann entsprechend des Temperatureffekts (im Moderatormaterial selbst oder im Detektor) korrigiert: N k o r r ( t ) = f ( T A T D ) ,

Figure DE102017222344A1_0004
wobei die Zeitabhängigkeit in der Temperatur am Ort des Detektors steckt: T D = T D ( t )
Figure DE102017222344A1_0005
The count rate is then corrected according to the temperature effect (in the moderator material itself or in the detector): N k O r r ( t ) = f ( T A - T D ) .
Figure DE102017222344A1_0004
where the time dependence is in the temperature at the location of the detector: T D = T D ( t )
Figure DE102017222344A1_0005

Allgemein kann eine solche Korrektur als Polynom angesetzt werden: N k o r r ( t ) = N m e s s ( 1 + i β i ( T A T D ) i )

Figure DE102017222344A1_0006
mit material- bzw. geometriespezifischen Konstanten βi.In general, such a correction can be used as a polynomial: N k O r r ( t ) = N m e s s ( 1 + Σ i β i ( T A - T D ) i )
Figure DE102017222344A1_0006
with material- or geometry-specific constants β i .

In erster Näherung kann die Korrektur linear angesetzt werden: N k o r r ( t ) = N m e s s ( 1 + β ( T A T D ) )

Figure DE102017222344A1_0007
As a first approximation, the correction can be applied linearly: N k O r r ( t ) = N m e s s ( 1 + β ( T A - T D ) )
Figure DE102017222344A1_0007

Wenn man die obige Formel für das Aufheizen einsetzt, erhält man: N k o r r ( t ) = N m e s s ( 1 β α ( T I T A ) ( 1 exp ( ( t t 0 ) / t 1 ) )

Figure DE102017222344A1_0008
If you use the above formula for heating, you get: N k O r r ( t ) = N m e s s ( 1 - β α ( T I - T A ) ( 1 - exp ( - ( t - t 0 ) / t 1 ) )
Figure DE102017222344A1_0008

Und für das Abkühlen: N k o r r ( t ) = N m e s s ( 1 β α ( T I T A ) exp ( ( t t 0 ) / t 1 )

Figure DE102017222344A1_0009
And for cooling: N k O r r ( t ) = N m e s s ( 1 - β α ( T I - T A ) exp ( - ( t - t 0 ) / t 1 )
Figure DE102017222344A1_0009

Die Konstanten können zusammengefasst werden, und man hat dann eine Abhängigkeit nur noch von Nkorr(t) =Nmess · f(TI-TA,t) für die Temperaturkorrektur bezüglich thermischer Moderatoreffekte und Detektoreffekte.The constants can be summarized, and then one has only a dependence of N korr (t) = N mess * f (T I -T A , t) for the temperature correction with respect to thermal moderator effects and detector effects.

Temperaturkorrektur aufgrund thermisch bedingter Dichteänderungen im Medium:Temperature correction due to thermally induced density changes in the medium:

Des Weiteren wird eine zusätzliche Temperaturkorrektur benötigt, die thermisch bedingte Dichteänderungen im Medium berücksichtigt. Dazu führt man zusätzlich eine Korrekturfunktion g(TI ,c) ein, die von der Innentemperatur (Mediumstemperatur) TI und der Konzentration c abhängt. Das heißt, man erhält insgesamt folgende Korrektur: N k o r r = N m e s s f ( T I T A , t ) g ( T I , c )

Figure DE102017222344A1_0010
Furthermore, an additional temperature correction is needed, which takes into account thermally induced density changes in the medium. For this purpose a correction function g ( T I , c) a, which of the internal temperature (medium temperature) T I and the concentration c depends. This means that you get the following correction: N k O r r = N m e s s f ( T I - T A . t ) G ( T I . c )
Figure DE102017222344A1_0010

Allgemein kann die Funktion g(TI ,c) auch über ein Polynom dargestellt werden: g ( T I , c ) = i a i ( c ) T I i

Figure DE102017222344A1_0011
In general, the function g ( T I , c) are also represented by a polynomial: G ( T I . c ) = Σ i a i ( c ) T I i
Figure DE102017222344A1_0011

Die Faktoren ai(c) werden konzentrationsabhängig angesetzt. In erster Näherung könnte man die Faktoren ai(c) linear in der Konzentration ansetzen: a i ( c ) = a i 0 + a i 1 c

Figure DE102017222344A1_0012
The factors a i (c) are applied as a function of concentration. In a first approximation, the factors a i (c) could be set linearly in the concentration: a i ( c ) = a i 0 + a i 1 c
Figure DE102017222344A1_0012

Die zugehörigen Konstanten ai0 und ai1 müssten dann experimentell bestimmt werden.The associated constants a i0 and a i1 would then have to be determined experimentally.

Mithilfe der korrigierten Zählrate Nkorr kann dann über die exemplarisch in 10 dargestellte Kennlinie die Borkonzentration bestimmt werden. Dank der oben beschriebenen Korrekturen funktioniert die Bestimmung der Borkonzentration auch hinreichend genau bei höheren Temperaturen (im Medium und im Moderator).With the aid of the corrected counting rate N korr, it is then possible to use the example in 10 shown characteristic Borkonzentration be determined. Thanks to the corrections described above, the determination of the boron concentration also works reasonably well at higher temperatures (in the medium and in the moderator).

Die Borkonzentration bezieht sich hier im Beispiel immer auf die Massenkonzentration (nicht die Volumenkonzentration).In this example, the boron concentration always refers to the mass concentration (not the volume concentration).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Rohrleitungpipeline
22
Messanordnungmeasuring arrangement
44
Halbschalehalf shell
66
Halbschalehalf shell
1212
Umhüllungwrapping
1616
Neutronenquelleneutron source
1818
Neutronendetektorneutron detector
2020
Kühlkanalcooling channel
2424
Ventilatorfan
2828
Isolationsschichtinsulation layer
3030
SchaleBowl
3434
Halbschalehalf shell
3636
Halbschalehalf shell
4040
SchaleBowl
4242
Stoßflächeabutting face
4444
Stoßflächeabutting face
5050
Temperatursensortemperature sensor
6060
Temperatursensortemperature sensor
8080
Auswertungsvorrichtungevaluation device

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 0932905 B1 [0002, 0026, 0027, 0029, 0031, 0034]EP 0932905 B1 [0002, 0026, 0027, 0029, 0031, 0034]

Claims (14)

Messanordnung (2) zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium, welches durch eine Rohrleitung (1) strömt, mit • einer Neutronenquelle (16), die neben der Rohrleitung (1) angeordnet ist, • einem Neutronendetektor (18), der neben der Rohrleitung (1) angeordnet ist, und • einer Auswertungsvorrichtung (80), die anhand einer mit dem Neutronendetektor (18) gemessenen Zählrate (N) den Borgehalt im Medium bestimmt, wobei die Neutronenquelle (16) und/oder der Neutronendetektor (18) von einem Neutronenmoderator umgeben sind, der aus einem Material aus der Gruppe umfassend Graphit und Polyetheretherketon und Polyimid besteht.Measuring arrangement (2) for determining the boron content in a medium which flows through a pipeline (1) with A neutron source (16), which is arranged next to the pipeline (1), • a neutron detector (18), which is arranged next to the pipeline (1), and An evaluation device (80) which determines the boron content in the medium from a count rate (N) measured by the neutron detector (18), the neutron source (16) and / or the neutron detector (18) being surrounded by a neutron moderator consisting of a neutron moderator Material from the group comprising graphite and polyetheretherketone and polyimide. Messanordnung (2) zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium, welches durch eine Rohrleitung (1) strömt, mit • einer Neutronenquelle (16), die neben der Rohrleitung (1) angeordnet ist, • einem Neutronendetektor (18), der neben der Rohrleitung (1) angeordnet ist, und • einer Auswertungsvorrichtung (80), die anhand einer mit dem Neutronendetektor (18) gemessenen Zählrate (N) den Borgehalt im Medium bestimmt, wobei weder die Neutronenquelle (16) noch der Neutronendetektor (18) von einem Neutronenmoderator umgeben sind.Measuring arrangement (2) for determining the boron content in a medium which flows through a pipeline (1) with A neutron source (16), which is arranged next to the pipeline (1), • a neutron detector (18), which is arranged next to the pipeline (1), and An evaluation device (80) which determines the boron content in the medium from a count rate (N) measured by the neutron detector (18), wherein neither the neutron source (16) nor the neutron detector (18) is surrounded by a neutron moderator. Messanordnung (2) nach Anspruch 1, wobei die Neutronenquelle (16) und der Neutronendetektor (18) jeweils von einer Halbschale (4, 6) aus Graphit oder Polyetheretherketon oder Polyimid umgeben sind.Measuring arrangement (2) according to Claim 1 wherein the neutron source (16) and the neutron detector (18) are each surrounded by a half-shell (4, 6) of graphite or polyetheretherketone or polyimide. Messanordnung (2) nach Anspruch 3, wobei die beiden Halbschalen (4, 6) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.Measuring arrangement (2) according to Claim 3 , wherein the two half-shells (4, 6) consist of different materials. Messanordnung (2) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die aus den beiden Halbschalen (4, 6) gebildete Schale (30) von einer äußeren Schale (40) umgeben ist, die aus einem Neutronenmoderator besteht.Measuring arrangement (2) according to Claim 3 or 4 , wherein the shell (30) formed by the two half-shells (4, 6) is surrounded by an outer shell (40) consisting of a neutron moderator. Messanordnung (2) nach Anspruch 5, wobei die äußere Schale (40) aus Polyethylen besteht.Measuring arrangement (2) according to Claim 5 wherein the outer shell (40) is made of polyethylene. Messanordnung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei als äußerste Schale ein Neutronenreflektor vorhanden ist.Measuring arrangement (2) according to one of Claims 3 to 6 , as the outermost shell, a neutron reflector is present. Messanordnung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei als äußerste Schale ein Neutronenabsorber vorhanden ist.Measuring arrangement (2) according to one of Claims 3 to 6 , where as the outermost shell a neutron absorber is present. Messanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Neutronenquelle (16) und der Neutronendetektor (18) in Bezug auf die Rohrleitung (1) im Wesentlichen diametral einander gegenüberliegend angeordnet sind.Measuring arrangement (2) according to one of Claims 1 to 8th wherein the neutron source (16) and the neutron detector (18) are disposed substantially diametrically opposite each other with respect to the pipeline (1). Messanordnung (2) zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium, welches durch eine Rohrleitung (1) strömt, mit • einer Neutronenquelle (16), die neben der Rohrleitung (1) angeordnet ist, • einem Neutronendetektor (18), der neben der Rohrleitung (1) angeordnet ist, und • einer Auswertungsvorrichtung (80), die anhand einer mit dem Neutronendetektor (18) gemessenen Zählrate (N) den Borgehalt im Medium bestimmt, wobei die Auswertungsvorrichtung (80) derart konfiguriert ist, dass sie anhand der Temperatur an einer ersten Temperaturmessstelle, insbesondere der am Neutronendetektor (18) vorliegenden Temperatur (TD) oder der Umgebungstemperatur (TA), und anhand der Temperatur an einer zweiten Temperaturmessstelle, insbesondere der Temperatur (TI) des Mediums, eine temperaturabhängige Korrektur der gemessenen Zählrate (N) vornimmt.Measuring arrangement (2) for determining the boron content in a medium which flows through a pipeline (1), having • a neutron source (16) which is arranged next to the pipeline (1), • a neutron detector (18) adjacent to the pipeline (1), and • an evaluation device (80) which determines the boron content in the medium based on a count rate (N) measured by the neutron detector (18), wherein the evaluation device (80) is configured to read based on the temperature a first temperature measuring point, in particular the temperature (T D ) or the ambient temperature (T A ) present at the neutron detector (18), and a temperature-dependent correction of the measured counting rate based on the temperature at a second temperature measuring point, in particular the temperature (T I ) of the medium (N). Messanordnung (2) nach Anspruch 10 mit einem Temperatursensor (50), der die aktuelle Temperatur (TI) des Mediums erfasst, und mit einen Temperatursensor (60), der die aktuelle Umgebungstemperatur (TA) oder die Temperatur (TD) am Neutronendetektor (18) erfasst, wobei die Auswertungsvorrichtung (80) aus den zumindest zwei an verschiedenen Orten gemessenen Temperaturen zeitlich vorausschauend die Temperatur an einem Ort zwischen den Temperaturmessstellen, insbesondere die Temperatur (TD) am Neutronendetektor (18), ermittelt.Measuring arrangement (2) according to Claim 10 with a temperature sensor (50) which detects the current temperature (T I ) of the medium, and with a temperature sensor (60) which detects the current ambient temperature (T A ) or the temperature (T D ) at the neutron detector (18), the evaluation device (80) determines the temperature at a location between the temperature measuring points, in particular the temperature (T D ) at the neutron detector (18), from the at least two temperatures measured at different locations. Messanordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Auswertungsvorrichtung (80) die mit der Temperatur (TI) des Mediums variierende Dichte des Mediums bei der Bestimmung der Borkonzentration (c) berücksichtigt.Measuring arrangement after Claim 10 or 11 , wherein the evaluation device (80) takes into account the density of the medium which varies with the temperature (T I ) of the medium in determining the boron concentration (c). Messanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis Anspruch 12, wobei die Auswertungsvorrichtung (80) mehrere gekoppelte Einflussfaktoren, insbesondere thermische Effekte und Borkonzentrationseffekte, durch eine mehrdimensionale, in Temperatur und Konzentration gemischte Funktion (N(c;T) ≠ f1(c) · f2(T)) berücksichtigt.Measuring arrangement according to one of Claims 10 to Claim 12 wherein the evaluation device (80) takes into account a plurality of coupled influencing factors, in particular thermal effects and boron concentration effects, by a multi-dimensional function mixed in temperature and concentration (N (c; T) ≠ f 1 (c) .f 2 (T)). Verfahren zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium, welches durch eine Rohrleitung (1) strömt, mittels einer Messanordnung (2) mit • einer Neutronenquelle (16), die neben der Rohrleitung (1) angeordnet ist, • einem Neutronendetektor (18), der neben der Rohrleitung (1) angeordnet ist, und • einer Auswertungsvorrichtung (80), die anhand einer mit dem Neutronendetektor (18) gemessenen Zählrate (N) den Borgehalt im Medium bestimmt, wobei anhand der Temperatur an einer ersten Temperaturmessstelle, insbesondere der am Neutronendetektor (18) vorliegenden Temperatur (TD) oder der Umgebungstemperatur (TA), und anhand der Temperatur an einer zweiten Temperaturmessstelle, insbesondere der Temperatur (TI) des Mediums, eine temperaturabhängige Korrektur der gemessenen Zählrate (N) vorgenommen wird.Method for determining the boron content in a medium which flows through a pipeline (1) by means of a measuring arrangement (2) having • a neutron source (16) which is arranged next to the pipeline (1), • a neutron detector (18) is arranged next to the pipeline (1), and • an evaluation device (80) which determines the boron content in the medium from a count rate (N) measured with the neutron detector (18), wherein on the basis of the temperature at a first temperature measuring point, in particular at the neutron detector (18) present temperature (T D ) or the ambient temperature (T A ), and based on the temperature at a second temperature measuring point, in particular the temperature (T I ) of the medium, a temperature-dependent correction of the measured count rate (N) is made.
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