DE1087719B - Vorrichtung zur UEberwachung von Gasstroemen auf Spaltprodukte, insbesondere zur Feststellung von Schutzhuellenbruechen in Kernreaktoren - Google Patents

Vorrichtung zur UEberwachung von Gasstroemen auf Spaltprodukte, insbesondere zur Feststellung von Schutzhuellenbruechen in Kernreaktoren

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DE1087719B
DE1087719B DEC19251A DEC0019251A DE1087719B DE 1087719 B DE1087719 B DE 1087719B DE C19251 A DEC19251 A DE C19251A DE C0019251 A DEC0019251 A DE C0019251A DE 1087719 B DE1087719 B DE 1087719B
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Description

Die Erfindung betrifft ganz allgemein die Überwachung von Gasströmen auf Spaltprodukte, insbesondere von aus einem Kernreaktor kommenden Gasströmen zur Feststellung von Lecken od. dgl. in den Schutzhüllen der Brennstoffpatronen derartiger Reaktoren.
Die Erfindung eignet sich besonders zur Überwachung von heterogenen Reaktoren, in welchen die Elemente aus Spaltmaterial (Uran oder eine Uranverbindung oder -legierung, welche gegebenenfalls an dem IsotopU235 angereichert sind) in einer gewissen Zahl von Kanälen (häufig mehr als tausend) angeordnet sind, welche sich in einem Block aus einem festen ModeratorstofF (z. B. Graphit) befinden, wobei die durch die Kettenreaktion des Spaltmaterials entwickelte Wärme durch eine gewisse Zahl von Gasströmen abgeführt wird, welche die Kanäle durchspülen und in Wärmeaustausch mit den Spaltmaterialelementen stehen. Die Erfindung betrifft jedoch auch ganz allgemein beliebige Ausführungen von durch Gasströme gekühlten Kernreaktoren.
Bekanntlich hat der Bruch der ein Spaltmaterialelement umgebenden Schutzhülle in einem Kernreaktor sehr schwere Folgen und muß daher möglichst sofort festgestellt werden. Eine derartige Schutzhülle soll ja einerseits das von ihr umgebene Spaltmaterialelement gegen den Angriff durch -den in Wärmeaustausch mit ihm stehenden Gasstrom schützen und andererseits einen Übertritt der hochradioaktiven Spaltprodukte (welche durch die Kettenreaktion in dem Spaltmaterial des Brennstoffelementes erzeugt werden) in den Gasstrom verhindern.
Es ist bereits bekannt, die Brüche von Schutzhüllen in gasgekühlteti Kernreaktoren durch Messung der Radioaktivität der durch die gebrochene Hülle in das Kühlgas übertretenden Spaltprodukte festzustellen, wobei diese Messung mittels einer oder mehrerer Vorrichtungen zur Feststellung oder Zählung von Kernstrahlungen, wie Szintillationszähler, erfolgt, welche auf .dem Weg von dem Kühlgaskreis des Reaktors entnommenen Gasproben angeordnet sind.
Im allgemeinen kann die Vorrichtung zur Messung der Radioaktivität in einer Einrichtung zur Überwachung der Spaltprodukte nicht einfach durch eine Vorrichtung zur Entdeckung oder Zählung von Strahlungen, z. B. einen Szintillationszähler, gebildet werden, da die Radioaktivität in einem aus einem Kernreaktor kommenden Gasstrom in jedem Augenblick im wesentlichen durch die Summe der Radioaktivitäten folgender Bestandteile gebildet wird:
a) der radioaktiven Isotope, welche in dem Gas aus nicht radioaktiven Bestandteilen desselben unter der Einwirkung des in dem Kernreaktor vorhandenen Neutronenflusses entstehen (so entstehen z. B. unter Vorrichtung zur überwachung
von Gasströmen auf Spaltprodukte,
insbesondere zur Feststellung von
Schutzhüllenbrüchen in Kernreaktoren
Anmelder:
Commissariat ä l'Energie Atomique,
Paris
Vertreter: Dr. phil. W. P. Radt
und Dipl.-Ing. E. E. Finkener, Patentanwälte,
Bochum, Heinrich-König-Str. 12
Beausprudite Priorität;
Frankreich vom 23. Juni 1958
Jean Coupil, Saint-Germain-en-Laye, Seine-et-Oise,
Jean Graftiesux, Gif-sur-Yvette, Seine-et-Oise,
und Jean Megy, Paris (Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden.
dem Neutronenbeschuß Argon 41 und Stickstoff 16 aus dem Argon 40 bzw. dem Stickstoff 15 der Luft, wenn das Kühlgas Luft ist);
b) der das Kühlgas durch einen Hüllenbruch erreichenden Spaltprodukte, nämlich einerseits der langlebigen. Spaltprodukte, welche, wenn das Kühlgas in einem geschlossenen Kreislauf den Kernreaktor mehrmals durchströmt, eine Radioaktivität haben, welche in dem Kühlgas noch lange nach ihrem Übertritt in dasselbe erscheint, andererseits 'der kurzlebigen Spaltprodukte, deren Radioaktivität auf eine sehr kurze, ihrem Übertritt in das Kühlgas folgende Zeitspanne beschränkt ist, selbst wenn das Gas wieder in den Strömungskreis eingeführt wird, und zwar gerade infolge ihrer kurzen Halbwertzeit.
Die langlebigen Spaltprodukte wie auch die durch Bestrahlung der Kühlluft entstandenen radioaktiven Isotope fälschen offenbar die Radioaktivitätsmessungen zur Feststellung von Hüllenbrüchen, so daß die einzige festzustellende und zu messende Radioaktivität
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die der kurzlebigen Spaltprodukte ist, wenn der Übertritt von Spaltprodukten in das Kühlgas (und auch eine Zunahme der in dem Gas vorhandenen Menge an Spaltprodukten) sofort festgestellt werden soll, um einen Hüllenbruch sofort festzustellen (und den zeitlichen Verlauf desselben zu-verfolgen).
Die Empfindlichkeit der Detektorvorrichtung hängt somit von der Selektivität der Messung ab, welche auf den besonderen Eigenschaften der verschiedenen radioaktiven Elemente beruht, wie Art und Energie ihrer Strahlung, ihre Halbwertzeit, ihre physikalischen Bedingungen.
Die Erfindung beruht auf der Messung der Radioaktivität von radioaktiven Ionen, wie Rubidium-, Cäsium-, Barium- und Strontiumionen, welche durch den Zerfall der gasförmigen Krypton- und Xenonisotope mit einer Halbwertzeit von einigen Sekunden entstehen, welche unter gewissen Bedingungen von festen Körpern adsorbiert werden. Es ist bekannt, daß, wenn ein radioaktive Ionen, z. B. Tochterionen von kurzlebigen Krypton- oder Xenonisotopen, enthaltender Gasstrom in eine Zone gelegt, in welcher ein elektrisches Feld mit einem auf einen Metall teil gerichteten Spannungsgradienten vorhanden ist, die Ionen von dem Feld in Bewegung gesetzt und von dem Metallteil aufgefangen werden, an welchem sie ihre Ladung verlieren, so daß dort die Radioaktivität des Niederschlags mit einem Strahlungsmeßgerät festgestellt werden kann.
Die positiven Ionen, wie Rubidium-, Cäsium-, Barium- und Strontiumionen, werden allein adsorbiert, und ihre Konzentration an dem Metallteil nimmt im Laufe der Zeit zu. Nach einer sehr langen Auffangperiode erreicht die Ionenkonzentration auf dem Metallteil praktisch einen Grenzwert, bei welchem dem Ionenstrom durch den Zerfall oder die Entaktivierung der aufgefangenen Ionen das Gleichgewicht gehalten wird. Die Ionenkonzentration erreicht daher an einem solchen Metallteil nach einer bestimmten Zeit einen Wert, welcher dem Gehalt des überwachten Gasstroms an Spaltprodukten proportional ist.
Da der Detektor nicht nur die kurzlebigen Spaltprodukte, sondern auch die etwaige remanente Radioaktivität des auffangenden Metallteils und die Radioaktivität des Gasstroms selbst (welche von einem Neutronenbeschuß der Atome desselben herrühren kann)* feststellt, müssen selektive Einrichtungen zur alleinigen Bestimmung der Radioaktivität der kurzlebigen Spaltprodukte vorgesehen werden. Nach einem älteren Vorschlag der Erfinder wird die remanente Aktivität durch eine besondere Speichereinheit ausgeschieden, welche die Aktivität des Metallteils vor der Auffangung der Ionen von der Radioaktivität desselben nach der Auffangung der Ionen abzieht, und bei einer in Fig. 8 dieser Patentanmeldung dargestellten Ausführungsform führt ein durchlaufender Metalldraht die aufgefangenen festen Ionen aus dem radioaktiven Gasstrom ab und bringt sie vor einen Strahlungsdetektor, wodurch eine Beeinflussung des Detektors durch die Radioaktivität des Gasstroms verhindert wird. Die Verwendung eines solchen ruckweise endlos umlaufenden Metalldrahtes als Auffangelektrode ist bei ähnlichen Einrichtungen bereits bekannt. Ein solcher metallischer Auffangdraht hat jedoch mehrere Nachteile:
Er hat hohe mechanische Beanspruchungen auszuhalten, so daß er von Zeit zu Zeit bricht, und seine Reparatur ist sehr schwierig, da er eine dichte Kammer durchläuft, welche das radioaktive, im allgemeinen unter Druck stehende Kühlgas enthält; ferner ist eine genaue Steuerung der Bewegungen des Drahtes sehr schwer herzustellen, wodurch die Radioaktivitätsmessung gefälscht wird, da die von einem Abschnitt des Drahtes aufgefangenen radioaktiven Ionen nicht in ihre richtige Lage gegenüber dem Detektor gebracht werden (geometrischer Fehler).
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der Nachteile der obigen Vorrichtungen zur Überwachung der Radioaktivität.
ίο Die Erfindung sieht daher eine Vorrichtung zur Überwachung von Gasströmen auf Spaltprodukte, insbesondere von aus einem Kernreaktor kommenden Gasströmen, vor, welche auf der Auffangung von radioaktiven Ionen und auf der Messung der Radioaktivität der aufgefangenen Ionen allein beruht.
Die Erfindung bezweckt die Herstellung einer robusten, genauen, selektiven und empfindlichen Vorrichtung zur Überwachung auf Spaltprodukte, welche Brüche od. dgl. an Schutzhüllen von Brennstoffelementen durch die alleinige Bestimmung des Wertes der Radioaktivität der kurzlebigen Spaltprodukte feststellt, so daß der Verlauf des Hüllenbruchs unverzüglich verfolgt werden kann.
Erfindungsgemäß wird bei einer solchen Vorrichtung nach Ausscheidung aller festen Stoffe aus dem zu überwachenden Gasstrom (welcher durch eine einfache, einem oder mehreren Hauptströmen mit Hilfe von entsprechenden Ventilen entnommene Probe gebildet werden kann) dieser Strom zunächst in eine Zerfallszone geleitet, in welcher die kurzlebigen gasförmigen Spaltprodukte des Stroms zu positiven Ionen im Normalzustand fester Stoffe zerfallen, worauf der Strom mit diesen Ionen einer Auffangzone zugeführt wird, welche längs eines Abschnitts von einem Mantelflächenabschnitt einer drehbaren Metalltrommel begrenzt wird und in welcher ein elektrisches Feld mit einem auf diesen Flächenabschnitt gerichteten Spannungsgradienten vorhanden ist, so daß die positiven Ionen von diesem Flächenabschnitt aufgefangen werden, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, welche die Trommel so drehen, daß dieser Flächenabschnitt auf Radioaktivität von einem Strahlungsdetektor untersucht wird, welcher in der Auffangzone in unmittelbarer Nähe der Trommel angeordnet ist, wobei die von dem Detektor angezeigte Strahlungsaktivität praktisch der in dem Strom vorhandenen Menge an gasförmigen Spaltprodukten proportional ist, wenn die vor der Auffangung der Ionen bereits vorhandene Radioaktivität dieses Flächenabschnitts entweder vernachlässigbar ist oder abgezogen wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausübung des obigen Verfahrens zur Bestimmung der kurzlebigen Spaltprodukte in einem Gasstrom enthält eine Zerfallskammer, eine Auffangleitung, bei welcher ein Wandabschnitt durch einen Mantelflächenabschnitt eine drehbaren Metalltrommel gebildet wird, Einrichtungen, welche den Gasstrom nacheinander durch die Zerfallskammer und die Auffangleitung leiten, Einrichtungen, welche in dieser Leitung ein elektrisches Feld mit einem auf diesen Abschnitt gerichteten Spannungsgradienten erzeugen, einen in unmittelbarer Nähe des Mantels der Trommel außerhalb der Leitung angeordneten Strahlungsdetektor, und Einrichtungen, welche aufeinanderfolgende Mantelflächenabschnitte der Trommel in eine Lage bringen, in welcher sie einen Wandabschnitt der Auffangleitung während einer Auffangperiode 'bilden, sowie in eine Stellung, in welcher sie dem Detektor während einer Meßperiode gegenüberliegen.
Das elektrische Feld wird vorzugsweise durch eine Elektrode erzeugt, welche an dem Ende der Auffangzone oder der Auffangleitung gerade gegenüber dem Mantelflächenabschnitt der Trommel angeordnet ist und wenigstens während der Auffangperioden auf ein hohes positives Potential gebracht wird, wodurch die positiven Ionen diesem Flächenabschnitt zugeführt werden. Ferner kann noch eine Elektrode in der Zerfallskammer vorgesehen sein, welche während von den hängt von dem Gasdruck in der Kammer 2 ab und liegt etwa zwischen —1000 und —2000 V.
Hinter der Kammer 2 gelangt der Gasstrom, welcher radioaktive Ionen enthält, wenn die Elektrode 3 geerdet ist, in der durch den Pfeil f2 dargestellten Weise in eine kegelförmige Leitung 4, welche eine Wirbelbildung verhindern soll, welche einerseits die Ansammlung und Adsorption von Ionen an den Wänden und andererseits einen Druckabfall begünstigen
Auffangperioden verschiedener Zeitabschnitte auf ein io würde, und hierauf in eine zylindrische Leitung 5 mit hohes negatives Potential gebracht wird, um die in der geringem Durchmesser.
Zerfallskammer während dieser Zeitabschnitte gebildeten positiven Ionen zurückzuhalten.
Zur Berücksichtigung der Radioaktivität des Mantelflächenabschnitts der Trommel vor dem Auffangen der Ionen wird diese vorherige Radioaktivität mit dem gleichen Strahlungsdetektor unmittelbar vor der Ionenauffangung bestimmt und von der Radioaktivität 'dieses Flächenabschnitts nach der Ionenauffangung abgezogen.
Infolge dieser Subtraktion und infolge der Tatsache, daß die Radioaktivität des Gases selbst keinen Einfluß auf den Detektor hat, welcher nur die aufgefangenen Ionen überwacht, erhält man eine sehr genaue und selektive Bestimmung der Radioaktivität allein der kurzlebigen Spaltprodukte, so daß die zeitlichen Änderungen der relativen Menge von Spaltprodukten, welche in den überwachten Gasstrom z. B.
durch einen Hüllenriß der Spaltmaterialelemente über-In dieser Leitung 5 sind in der Nähe des strömungsabwärts liegenden Endes der Leitung 4 zwei Fenster oder öffnungen 5 α und 5 b ausgeschnitten.
Das Fenster 5 b wird durch eine Elektrode 6 verschlossen, welche von den Wänden der Leitung 5 durch einen Ring 6 b aus Isolierstoff isoliert sein kann und durch eine Leitung 6 α während der Ionenauffangperiode (wenn die Ionen sich entsprechend dem Pfeil fe bewegen) auf ein hohes positives Potential gebracht werden kann, welches von dem Gasdruck in dieser Leitung abhängt und z. B. zwischen +1000 und +4000 V liegt, so daß ein elektrisches Feld entsteht, welches die Ionen von der Elektrode wegtreibt.
Das Fenster 5 α wird durch einen Mantelflächenabschnitt der drehbaren Trommel 8 verschlossen, welche auf einer Welle 8 a sitzt, welche mittels eines umsteuerbaren Elektromotors 10 in beiden Richtungen in Umdrehung versetzt wenden kann, und zwar jedes-
gegangen sind, sehr genau überwacht werden können. 30 mal über einen begrenzten Winkelweg, wobei diese Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme Drehung selbsttätig und sehr genau durch einen
auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
' Fig. 1 bis 3 zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Radioaktivität von kurzlebigen Spaltpradukten in einem Gasstrom im Schnitt längs der Linie I-I der Fig. 3 bzw. im Schnitt längs der Linie H-II der Fig. 3 'bzw. im Schnitt längs der Linie HI-III der Fig. 1 und 2. .
Fig. 4 zeigt schematisch das elektrische Schaltbild
der Trommel und der Elektroden der in Fig. 1 bis 3 40 Zähleinheit speist.
dargestellten Vorrichtung. Der Gasstrom verläßt die Leitung 5 durch die Lei-
Der Gasstrom, in welchem die Radioaktivität der
kurzlebigen Spaltprodukte gemessen und überwacht werden soll, kann z. B. durch eine Probe gebildet werden, welche am Ausgang eines Kanals, einer Kanalgruppe oder aller Kanäle eines Kernreaktors der in Fig. 1 der erwähnten Patentanmeldung dargestellten Art entnommen wird. Derartige Gasströme können z. B. durch die Probe gebildet werden, welche
in einem Rohr 11 a, 11 b, 11 c oder 11 d der Fig. 1 die- 50 Fig. 1 dargestellte Vorrichtung sichtbar ist.
ser Patentschrift entnommen wird. Zunächst sei die Drehung der Trommel 8 in beiden
In Fig. 1 bis 3 kommt der Gasstrom in Richtung Richtungen betrachtet, welche jedesmal über einen
des Pfeils Z1 durch die Leitung 15 an und durchströmt bestimmten Winkel erfolgt, welcher z. B. 18° betragen zunächst ein Filter 16, welches alle festen Teilchen kann, wodurch der Trommelumfang in zwanzig Sekzurückhält, welche später an Metallflächen adsorbiert 55 toren oder Zonen von je 18° unterteilt wird. Diese werden könnten. Nach Filterung an dem Filter 16 Drehung erfolgt durch den umsteuerbaren Elektro-
Nocken 11 und einen Mikroschalter 12 gesteuert wird, wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert ist.
Gegenüber einem anderen Abschnitt der Trommel 8 befindet sich ein Radioaktivitätsdetektor D, ζ. Β. ein Szintillationsdetektor mit einem Szintillationsstoff 13, auf welchen ein Photomultiplier 14 folgt, welcher durch eine Leitung 21 eine in Fig. 2 nicht dargestellte
tung 9, wie durch den Pfeil fg dargestellt (vollausgezogene Pfeile bedeuten Gasströme und gestrichelte Pfeile Ströme von Ionen).
Das Arbeitsspiel zur Speisung der Elektroden 3 und 6 und zur Steuerung der genauen Drehung der Trommel 8 wird durch entsprechende Steuer- und Schaltelemente verwirklicht, für welche Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel zeigt, in welcher auch die in
gelangt der Gasstrom durch die Leitung 1 in eine Zerfall skammer 2 mit einem Rauminhalt von etwa 1 bis 2 1, in welcher der Gasstrom etwa 1 Sekunde vermotor 10, welcher hierfür eine Hauptwicklung 10 a aufweist, welche zwischen eine Phase 19 (z. B. von 127 V) und den Nulleiter 20 geschaltet wird, wobei
bleibt. Während dieses Zeitraums bilden sich feste 60 gleichzeitig parallel zu den Klemmen der Wicklung Rubidium-, Cäsium-, Barium-und Strontiumionen als 10 a eine Signallampe 25 liegt, um die Drehung des
Zerfallsprodukte aus den kurzlebigen gasförmigen Spaltprodukten, wie Krypton- und Xenonisotopen.
In der Kammer 2 befindet sich eine Elektrode 3, Motors 10 anzuzeigen.
Ferner sind zwei Hilfswicklungen vorhanden, nämlich eine Hilfswicklung 10/», welche bei ihrer Kurzweiche normalerweise durch die Leitung 3 α geerdet 65 Schließung während der Speisung der Wicklung 10 a ist, aber im gewünschten Augenblick ebenfalls durch die Drehung der Welle 10 & des Motors 10 in einer diese Leitung auf ein hohes negatives Potential gebracht werden kann,· um die in der Kammer 2 gebildeten radioaktiven Ionen in der durch den Pfeil f3 dar-
ersten, nachstehend »positive Richtung« genannten Richtung bestimmt, und eine Hilfswicklung 1Ow, welche bei ihrer Kurzschließung bei gleichzeitiger
gestellten Weise anzuziehen. Dieses negative Potential 7o Speisung der Wicklung 10a die Drehung der Welle
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10 b des Motors 10 in der entgegengesetzten oder »negativen« Richtung bestimmt. Der Läufer kann ein Kurzschlußläufer sein.
Die gleichzeitige Speisung -der Hauptwicklung 10 α und die Kurzschließung der Hilfswicklung 10^ oder 1On erfolgt durch Relais 26 p bzw. 26 n, welche aus einer Batterie 28 (von z. B. 48 V) gespeist werden, wenn sich der Anker 29 p oder 29 η in der Arbeitsstellung befindet. Jedes Relais 26 p und 26 η enthält eine Windung 27, einen Halteanker 30., einen Anker 31, welcher in der Arbeitsstellung die Wicklung 10ρ bzw. 10» kurzschließt, einen Anker 32, welcher in seiner Arbeitsstellung den elektrischen Stromkreis zur Speisung der Hauptwicklung IQa, zwischen der mit der Phasenklemme 19 verbundenen Klemme 19 α und der mit dem nicht mit der Nulleiterklemme 20 verbundenen Ende der Wicklung 10 α verbundenen Klemme 19 b schließt.
Der (auch den Halteanker 30 enthaltende) Haltestromkreis der beiden Relais 2Qp, 26 ra wird nach einer vollständigen Umdrehung der Welle 10 b des Motors 10 durch den Mikroschalter 12 geöffnet, wenn die Rolle 12 a desselben in eine in einem Nocken 11 vorgesehene Nut 11 α gelangt (d. h. in die in Fig. 4 dargestellte Stellung). Bei der Schließung des den Motor speisenden Stromkreises bei 29 p oder 29» läuft daher der Motor 10 in positiver oder negativer Richtung, und die Welle 10 b des Motors 10 führt eine vollständige Umdrehung aus, bis der Mikroschalter 12 den Motor anhält, wobei Bremseinrichtungen vorgesehen sind, welche die Welle 10 b des Motors verhindern, eine vollständige Umdrehung zu überschreiten. Auf der Welle 10 b bzw. auf der Welle 8 a der Trommel 8 befestigte Zahnräder 17 bzw. 18 haben ein Übersetzungsverhältnis von genau 1Z^6, so daß die Trommel 8 bei jeder Umdrehung der Welle 10b, d.h. nach jeder Betätigung des Ankers 29/> oder 29 m auf die weiter unten beschriebene Weise, eine Drehung von 18° ausführt. .
Die normalerweise geerdete Elektrode 3 kann dadurch auf ein hohes negatives Potential gebracht werden; so daß sie Ionen anzieht, daß die Wicklung 33 gespeist wird, wodurch der Anker 33 a aus seiner normalen Ruhestellung, in welcher er an einem Erdungskontakt 33 & anliegt, in die dargestellte Arbeitsstellung gebracht wird, in welcher er die Leitung 3 α mit dem Kontakt 33 c verbindet, welcher mit der negativen Klemme einer Hochspannungsquelle 34 (von z. B. 1000 V) verbunden ist, deren positive Klemme geerdet ist.
Die Elektrode6 kann über die Leitung 6a und den Anker 35 α entweder auf das Erdpotential des Kontakts 35 b (dargestellte Stellung) oder bei Erregung der Wicklung 35 auf das Potential der positiven Klemme 35 c einer Batterie 36 (von z.B. 2000V), deren negative Klemme geerdet ist, gebracht werden.
Die Speisung der Wicklungen 33 und 35 sowie der Wicklungen 37 p und 37« (welche die Anker 29 £ bzw 29 η betätigen) kann z. B. durch einen einzigen durch einen rotierenden Schalter S gebildeten Teil gesteuert werden. Dieser Schalter weist folgende Teile auf:
einen mit einer Klemme einer Batterie 57 (von z, B. 48 V) verbundenen leitenden Ring 56,
Kontaktstifte öder -zonen58a, 58*, 58c, 58<£, 58 e, 58/, welche mit dem Punkt 57 g (welcher seinerseits mit der anderen Klemme der Batterie 57 verbunden ist) über die Wicklungen 33 bzw. 37 p bzw. 35 bzw. 3711 bzw. 33 bzw. 37 p verbunden sind,
und einen rotierenden Arm 59, welcher den Ring 56 nacheinander elektrisch mit den Kontaktstiften oder -zonen 58 a bis 58/ verbindet und in der Richtung des Pfeils F2 von einem Elektromotor 60 über ein Untersetzungsgetriebe 61 in Umdrehung versetzt wird, derart, daß er in z. B. 48 Sekunden eine Umdrehung ausführt, wobei die Kontaktzonen oder -stifte 58 a bis 58/ solche Winkelabmessungen haben, daß der Arm 59 sie bei seiner Drehung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit während folgender Zeiten mit dem Ring 56 verbindet:
58α für 12 Sekunden, 58 b für 1 Sekunde, 58 c für 20 Sekunden, 58 d für 1 Sekunde, 58 e für 12 Sekunden, 58/ für !Sekunde,
was zusammen mit einer Zeit von etwa 1 Sekunde zur Herstellung der Verbindungen die 48 Sekunden für eine Umdrehung des Arms 59 ergibt.
ao Schließlich ist (der Ausgang des Detektors D an einen Verstärker 22 geschaltet, aufweichen eine Impulsformungseinheit 23 und ein Zähler 24 folgen, welcher ein Signal liefert, welches für die Zahl von Szintillationen kennzeichnend ist, welche in dem Szintillator 13 durch den radioaktiven Zerfall der Ionen erzeugt werden, welche sich in der vor dem Szintillator liegenden Zone A der Trommel 8 befinden.
Der durch den Detektor D und die elektronischen Einheiten 223 23 und 24 gebildete Kanal ist an sich bekannt und braucht daher hier nicht naher beschrieben zu werden. Eine Beschreibung derartiger Einrichtungen findet sich an folgenden Literaturstellen: J. Sharpe: Nuclear radiation detectors (2. Ausgabe, 1957; Methuen and Co Ltd, London); D. Taylor:
The measurement of radio isotopes (2. Ausgabe, 1957; Methuan and Co. Ltd, London); J. Cork: Radioactivity and Nuclear Physics, Kapitel 3 (3. Ausgabe, 1957; Van Nostrand Co. Inc. Princeton, New Jersey); Bericht über »Scintillation Counting, 1956«, S. 33 bis 64 der Monatsschrift »Nucleonics« vom April 1956 (eine Veröffentlichung von MacGraw-Hill).
Der Szintillator 13 kann z. B. eine organische Substanz sein, wie Tetraphenylbutadien in Polystyrol. Damit nur die den kurzlebigen Spaltprodukten entsprechende Radioaktivität bestimmt wird, wird die zu der von dem Detektor D gemessenen Radioaktivität proportionale Ausgangsgröße des Zählers 24 an eine Speichervorrichtung M angelegt, welche zwei Trioden 39 und 40 enthält, deren Gitter 41 und 42 durch eine Leitung 43 und den Anker 44 eines Relais miteinander verbunden sind, wenn ,sich das Relais in der Ruhestellung befindet, d. h. wenn die zwischen die Wicklung 33 und die Kontaktzone 58 e geschaltete Wicklung 46 desselben nicht erregt ist. Ferner ist das Gitter 41 mit dem Ausgang des Zählers 24 verbunden, während das Gitter 42 mit einer Belegung eines die Elektrizität speichernden Gliedes oder einer Kapazität 45 verbunden ist, deren andere Belegung geerdet ist. Die Kathoden 47 und 48 der Trioden 39 und 40 sind einerseits über Widerstände 49, 50 geerdet und andererseits an die beiden Eingangsklemmen eines Differentialvoltmeters 51 angeschlossen, so daß der Zeiger 52 desselben eine von dem Unterschied zwischen den an die Gitter 41 und 42 angelegten Spannungen abhängende Stellung einnimmt.
Die Ausgangsgröße des Voltmeters 51 kann auch an eine Registriervorrichtung 53 und/oder ein Alarmsignal 54 angelegt werden. Die Speichereinheit kann von dem Detektor abgeschaltet werden, indem der Anker 62 α durch Speisung seiner Wicklung 62 in die
Arbeitsstellung gebracht wird, welche zwischen dem Punkt 57 α und der Kontaktzone 58 c mit der Wicklung 35 in Reihe geschaltet ist.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist (vgl. insbesondere Fig. 3 und 4) folgende:
Es .sei angenommen, daß sich zu Beginn des Arbeitsspiels der Arm 59 auf der Kontaktzone 58 a befindet und daß sich ein besonderer Mantelflächenabschnitt A der Trommel 8 vor dem Szintillator 13 befindet (wie in Fig. 3 dargestellt), wobei dieser Flächenabschnitt A einem Winkel entspricht, welcher gleich 18° oder etwas kleiner als dieser ist und z. B. 16° beträgt.
Während einer ersten der Länge der Kontaktzone 58 α entsprechenden Periode von etwa 12 Sekunden steht der Arm 59 mit dieser Zone in Berührung, wie in Fig. 4 dargestellt, und die Relaiswicklung 33 wird erregt, wodurch ein hohes negatives Potential an die Elektrode 3 angelegt wird, welche die in der Kammer 2 gebildeten positiven Ionen auffängt. Während des gleichen Zeitraums ist jedoch die Elektrode 6 geerdet, da die Wicklung 35 nicht .erregt ist. Die Aktivität des sich gerade dem Szintillator 13 des Detektors D gegenüber befindlichen Abschnitts A wird bestimmt, und da die Wicklungen 62 und 46 nicht erregt werden und sich die Anker 62 a und 44 in der dargestellten Stellung befinden, wird diese Aktivität des Abschnitts A gemessen und in der Speichereinheit M als Ladung der Kapazität 45 aufgespeichert. Der Zeiger 52 zeigt »Null« an, da keine Spannungsdifferenz zwischen den Kathoden 47 und 48 vorhanden ist, weil sich die Gitter 41 und 42 auf dem gleichen Potential befinden. Diese erste Periode ist daher eine Tarierungsperiode.
Wenn hierauf der Arm 59 den Kontaktstift 58 b erreicht, wird die Wicklung 37 p erregt und zieht den Anker 29 p an, wodurch die Wicklung 27 des Relais 26 p erregt wird. Die Wicklung 10 a wird daher gespeist, und die Wicklung 10 p wird kurzgeschlossen, wodurch die Welle IQ b. des Motors 10 und die Trommel 8 in.der in Fig. 3 durch den Pfeil F1 dargestellten positiven Richtung anlaufen.
Selbst wenn der Arm 59 den Kontaktstift 58 verlassen hat, bleibt die Wicklung 27 des Relais 26 über den Halteanker 30 desselben aus der Batterie 28 gespeist. Die Welle 10 b dreht sich .daher in der positiven Richtung weiter, bis nach einer vollständigen Umdrehung derselben der Mikroschalter 12 bei ■ 12 b den Haltestromkreis des Relais 26 p öffnet. Infolge des Vorhandenseins der Zahnräder 17 und 18 hat die Trommel 8 eine Drehung von 18° in Richtung des Pfeils F1 (Fig. 3) ausgeführt und steht nun gerade der Elektrode 6 gegenüber. Da sich der Arm 59 jetzt mit der Zone 58 c in Kontakt befindet, werden die Wicklungen 35 und 62 erregt. Die Elektrode 6 wird auf ein hohes positives Potential gebracht und stößt daher die positiven Ionen, welche durch die Leitung 5 strömen (da die Elektrode 3 jetzt geerdet ist), in Richtung auf den Abschnitt A der Trommel 8 ab, welcher ihr gerade gegenüberliegt und diese Ionen auffängt. Da sich außerdem der Anker 62 α in der Arbeitsstellung befindet, gelangt die Ausgangsgröße des Detektors D nicht in die Speichereinheit M, welche immer noch die Anfangsaktivität des Abschnitts A in der Kapazität 45 aufspeichert. Diese Ionenauffangperiode dauert 20 Sekunden.
Am Ende dieser Periode erreicht der Arm 59 den Kontaktstift 58 d, wodurch die Wicklung 37 η gespeist und ein elektrischer Stromkreis bei 29 η geschlossen wird. Hierdurch wird die Wicklung 27 des Relais 26η erregt, die Wicklung 10 a des Motors 10 wird gespeist, und die Wicklung XOn desselben wird kurzgeschlossen, so daß der Motor in negativer Richtung läuft. Die Wicklung 27 des Relais 26 η wird weiter über den Halteanker 30 desselben gespeist, bis die Welle 10 b des Motors 10 eine vollständige Umdrehung ausgeführt hat, wenn die Haltestromkreise bei 12 & durch den Mikroschalter 12 geöffnet werden. Die Trommel 8 dreht sich daher um 18° in der negativen (der Richtung des Pfeils F1 entgegengesetzten) Richtung, wodurch der Flächenabschnitt A wieder vor den Szintillator 13 (in die in Fig. 3 dargestellte Stellung) zurückgebracht wird. Da der Arm 59 während dieser Drehung in der negativen Richtung die Kontaktzone 58 e erreicht hat, wird jetzt die Wicklung 33 aus der Batterie 57. gespeist. Die Elektrode 3 · wird auf ein hohes negatives Potential gebracht, so daß sie die in der Kammer 2 gebildeten positiven Ionen auffängt und festhält (während die Elektrode6 geerdet wird). Da ferner die Wicklung 62 nicht erregt ist, erreicht die
ao Ausgangsgröße des Detektors D1 welcher die Radioaktivität des Flächenabschnitts A feststellt, welcher vorher die Ionen aufgefangen hat, die Speichereinheit M, da jedoch die Wicklung 46 mit der Wicklung 33 erregt wird, wird die Verbindung zwischen "den Gittern 41 und 42 bei 44 unterbrochen, und das Differentialvoltmeter 51 vergleicht die gegenwärtige und die vergangene, von dem Detektor D festgestellte Radioaktivität. Der Zeiger 52 des Voltmeters zeigt die Differenz zwischen diesen Aktivitäten an, d. h. die wahre Aktivität der von dem Flächenabschnitt A während der Auffangperiode, aufgefangenen kurzlebigen Spaltprodukte, wobei kein radioaktives Gas den Szintillator 13 beaufschlagt, welcher ganz dicht vor dem Flächenabschnitt A angeordnet ist (z. B. in einem Abstand von einigen Zehntelmillimetern). Diese dem Vorbeigang des Arms 59 an der Kontaktzone 58 e entsprechende Periode zur Messung der Radioaktivität kann etwa 12 Sekunden dauern.' Am Ende dieser Periode erreicht der Arm 59 den Kontaktstift 58 f, wodurch die Wicklung 37 p erregt wird, so daß der Motor 10 aus den oben für die vorhergehende Erregung der Wicklung 37p angegebenen Gründen die Trommel 8 in der Richtung des Pfeils F1 um einen Winkel von 18° dreht. Ein in Richtung des Pfeils F1 hinter dem
Abschnitt A liegender Flächenaibschnitt B kommt vor den Szintillator 13., und mit dem Flächenabschnitt B beginnt das gleiche Arbeitsspiel wie mit dem Flächenabschnitt A1 wenn der Arm 59 die Kontaktzone 58 a erreicht.
Die Dauer eines Arbeitsspiels für jeden Trommelabschnitt A kann etwa 48 Sekunden sein. Die Dauer der zwanzig Arbeitsspiele (für zwanzig Abschnitte) beträgt dann etwa 15 Minuten. Wenn der Flächenabschnitt^ nach einer solchen-Periode von 15 Minuten vor den Szintillator 13 für ein neues Arbeitsspiel kommt, ist seine remanente Aktivität infolge des Zerfalls der vorher aufgefangenen radioaktiven Ionen sehr klein (diese remanente Aktivität beträgt etwa ein Dreißigstel der remanenten Aktivität von Appa-
raten mit einer feststehenden Metallelektrode zum Auffangen der Ionen).
Als Tarierungseinrichtungen zum Subtrahieren der Aktivität eines gegebenen Flächenabschnitts der Trommel 8 vor dem Auffangen der Ionen von der Aktivität desselben nach dem Auffangen der Ionen könnenr auch andere Einrichtungen als die Speichereinheit M benutzt werden, z. B. ein Digitalzähler, in welchem zunächst als negative Zahl (d. h. subtrahiert) die Impulse registriert werden, welche von der Impulsformungseinheit 23" während der Tarierungs-
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periode (Arm 59 auf der Zone 58 α) geliefert wenden, worauf als positive Zahl die Impulse registriert werden, welche von der Einheit 23' während der Meßperiode (Arm 59 auf der Zone 58 e) geliefert werden.
Die die Aktivität der kurzlebigen Spaltprodukte darstellende Differenzialausgangsgröße des Digitalzählers kann z. B, durch an sich bekannte Fernschreiber niedergeschrieben werden.
Bei einer abgeänderten Ausführungsform kann die Elektrode 3 wegfallen, wobei dann die Elektrode 6 auch die Aufgabe der Elektrode 3 übernimmt. Bei dieser abgeänderten Ausführungsform wird die Elektrode 6 während der Tarierungsperioden (wenn die remanente Aktivität eines Flächenabschnitts der Trommel bestimmt wird) und während der Meßperiöden der Radioaktivität dieses Flächenabschnitts auf ein hohes negatives Potential gebracht, während sie während der Auffangperiode zwischen den Tarierungsund Meßperioden auf ein hohes positives Potential gebracht wird.
Bei dieser Abwandlung wird die Klemme 35 b mit der negativen Klemme einer Batterie von etwa 1000 V (z. B. Batterie 34) verbunden, deren positive Klemme geerdet ist, anstatt in der in Fig. 4 dargestellten Weise an Erde gelegt zu sein.
Ferner fallen die Elektrode 3 und die ihr zugeordneten Teile 3 a, 33 a, 33 b, 33 c, 34, 33, 58 a weg, und die Zone 58 e wird über die Wicklung 46 unmittelbar an den Punkt 57 a geschaltet.
Bei einer anderen Abwandlung können die Kontakte 29^ und 29 η von Nocken gesteuert werden, welche einer an der Welle 59 α des Arms 59 befestigten Nockenanordnung angehören, wobei die Nockenanordnung für den Kontakt 29/» zwei getrennte Nocken aufweist, deren Winkelabstand gleich dem Winkelabstand zwischen den Stiften 58/ und 58 δ ist, während der Kontakt 29» durch eine Nockenanordnung mit einem einzigen Nocken gesteuert wird, welcher gegenüber den den Kontakt 29^ betätigenden Nocken die gleiche Winkelstellung einnimmt, wie der Kontaktstift 58 d gegenüber den Kontaktstiften 58 b und 58 f. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Steuerung der Elektroden 3 und 6 durch einen rotierenden Schalter S, welcher nur die Kontaktzonen 58 α, 58 c und 58 e aufweist, während die Kontaktstifte 58 &, 58 a" und 58 f weggefallen sind.
Bei einer anderen Ausführungsaibwandlung kann die Metalltrommel 8 anstatt einer Kreisbewegung eine Schraubenbewegung ausführen, indem eine von. dem Motor 10 angetriebene Schraubenspindel in der Achse der Trommel vorgesehen wird. Bei dieser Ausführungsform ist eine sehr große Zahl von verschiedenen Auffangflächenabschnitten A auf der Trommel 8 vorgesehen, wobei der Zeitraum., nach welchem ein gegebener Flächenabschnitt von neuem zum Auffangen der Ionen benutzt wird, mit der Zahl der Windungen der die Schraubenbewegung bestimmenden Schraube multipliziert ist.
Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung kann natürlich auch zur Überwachung der Aktivität einer gewissen Zahl von Kanälen benutzt werden, um einen Hüllenbruch in einem gegebenen Kanal eines Kernreaktors festzustellen. Tatsächlich ist es, wenn der überwachte Kernreaktor viele Kanäle enthält, aus wirtschaftlichen Gründen zweckmäßig, mit einer ein- 6g zigen Strahlungsdetektoreinheit eine Gruppe von mehreren Kanälen zu überwachen, wie dies in der französischen Patentschrift 1 127 618 vorgeschlagen ist, wobei diese Detektoreinheit nacheinander Gasproben aus jedem Kanal der Gruppe empfängt. Andere mit Registriergeräten zur Aufzeichnung der Aktivität versehene S tr ahlungs detektor einhei ten überwachen ständig die Radioaktivität der Gasströme, welche aus Kanälen kommen, weiche vorher eine alarmierend hohe Radioaktivität zeigten.
Die bei der Überwachung der aus mehreren Kanälen kommenden Gasströme mittels einer einzigen Strahlungsdetektoreinheit, erforderlichen Schalthandlungen können durch mechanisch oder elektrisch gesteuerte Ventile oder durch statische Einrichtungen der in der eingangs erwähnten Patentanmeldung beschriebenen Art erfolgen, wobei diese Schalthandlungen ermöglichen, der Detektoreinheit nacheinander zyklisch Gasproben zuzuführen, welche den aus den von dieser Detektoreinheit überwachten Kanälen kommenden Gasströmen entnommen sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich gut zur Verwendung als Dtektoreinheit für eine größere Zahl von Kanälen in einem Kernreaktor.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Vorrichtung zur Bestimmung des Gehalts eines Gasstroms an kurzlebigen Spaltprodukten, bei welcher nach Ausscheidung aller festen Stoffe aus dem Gasstrom dieser nacheinander in eine Zerfallszone, in welcher die kurzlebigen gasförmigen Spaltprodukte des Stroms zu positiven Ionen im Normalzustand fester Stoffe zerfallen, und in eine Auffangzone geleitet wird, dadurdb gekennzeichnet, daß die Auffangzone zum Teil durch einen Mantelflächenabschnitt einer drehbaren Metalltrommel (8) begrenzt wird, daß in ihr ein elektrisches Feld mit einem auf diesen Flächenabschnitt gerichteten Spannungsgradienten erzeugt werden kann, so daß die in der Auffangzone vorhandenen positiven Tonen von diesem Flächenabschnitt aufgefangen werden, und daß die Trommel so gedreht werden kann, daß die Radioaktivität dieses Flächenabschnitts der Trommel von einem in der Auffangzone in der Nähe der Trommel angeordneten Strahlungsdetektor bestimmt wird, wobei die von dem Detektor angezeigte Radioaktivität praktisch dem Gehalt des Stroms an gasförmigen Spaltprodukten proportional ist, wenn die vor der Auffängung der Ionen bereits vorhandene Radioaktivität des betreffenden Flächenabschnitts entweder vernachlässigbar ist oder abgezogen wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zerfallskammer (2), eine Auffangleitung (5), bei welcher ein Wandabschnitt durch einen Mantelflächenabschnitt der Trommel (8) gebildet wird, Einrichtungen, welche den Gasstrom nacheinander durch 'ein Filter (16), die Zerfallskammer (2) und die Auffangleitung (5) leiten, Einrichtungen, welche wenigstens während bestimmter Auffangperioden in der Auffangleitung ein elektrisches Feld mit einem auf den Mantelfiächenabschnitt. der Trommel gerichteten Spannungsgradienten erzeugen, einen in der Nähe des Mantels der Trommel außerhalb der Auffangleitung (5) angeordneten Strahlungsdetektor (D) und Einrichtungen, welche aufeinanderfolgende. Mantelflächenabschnitte der Trommel in eine Lage bringen, in welcher sie einen Wandabschnitt der Auffangleitung während einer Auffangperiode bilden, sowie in eine Stellung, in welchem sie dem Detektor während einer Meßperiode gegenüberliegen. ■
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes eine Abstoßungselektrode (6), eine erste Hochspannungsquelle (36) mit einer geerdeten negativen Klemme und einer positiven Klemme (35 c) und Einrichtungen (3Sj 25 a) aufweisen, welche während der Auffangperioden die Abstoßungselektrode elektrisch mit der positiven Klemme der Spannungsquelle verbinden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine in der Zerfallskammer (2) angeordnete Ausscheidungselektrode (3) und eine zweite Hochspannungsquelle (34) mit einer geerdeten positiven Klemme und einer negativen Klemme (33 c) und Einrichtungen, welche die Ausscheidungselektrode außer während der Auffangperioden praktisch dauernd elektrisch mit der negativen Klemme der zweiten Spannungsquelle verbinden.
5. Vorrichtung nach Anspruch4, gekennzeichnet durch Einrichtungen, welche während der Meßperioden zyklisch die Abstoßungselektrode (6) mit der positiven Klemme (35 c) der ersten Spannungsquelle (36) und während der Auffangperioden die Ausscheidungselektrode (3) mit der negativen Klemme (33 c) der zweiten Spannungsquelle (34) verbinden, sowie mit diesen Einrichtungen zur Herstellung einer zyklischen Verbindung synchronisierte Einrichtungen zur Verdrehung der Trommel (8).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Speichereinrichtungen (45), welche die Ausgangsgröße des Detektors (D) während bestimmter Tarierungsperioden empfangen, sowie Vergleichseinrichtungen, welche von der Ausgangsgröße des Detektors während der Meßperioden die während früherer Tarierungsperioden in diesen Speichereinrichtungen gespeicherte Ausgangsgröße des Detektors abziehen, wobei die Einrichtungen zur zyklischen Verbindung auch während der Tarierungsperioden die Ausscheidungselektrode (3) mit der negativen Klemme (33 c) der zweiten Spannungsquelle (34) verbinden, wobei die Einrichtungen zum Antrieb der Trommel die aufeinanderfolgenden Umfangsabschnitte (A1 B) derselben während der Tarierungsperioden in die Meßstellung vor dem Detektor, während der Auffangperioden in die Auffangstellung zur Bildung des Wandabschnitts der Auffangleitung und während der Meßperioden von neuem in die Meß Stellung vor den Detektor bringen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen für die zyklische Verbindung sowie die Einrichtungen zur Betätigung der Trommel folgende Teile umfassen: ein erstes Relais (33, 33 a), welches bei seiner Speisung elektrisch die Ausscheidungselektrode (3) mit der negativen Klemme (33 c) der zweiten Spannungsquelle (34) verbindet, ein zweites Relais 35, 35 a), welches bei seiner Speisung elektrisch die Abstoßungselektrode (6) mit der positiven Klemme (35 c) der ersten Spannungsquelle (36) verbindet, einen umsteuerbaren Elektromotor (10) mit einer Ausgangswelle (10δ), welche sich in einem ersten Sinn und in einem zweiten entgegengesetzten Sinn drehen kann, Einrichtungen (17,18, 8 a) zur Übertragung der Drehung der Welle auf die Trommel (8), ein drittes Relais (26p), welches bei seiner Speisung die Drehung der Welle in dem ersten Sinn bewirkt, ein viertes Relais (26«), welches bei seiner Speisung die Drehung der Welle in dem zweiten Sinn bewirkt, Einrichtungen (11,12) zur Abstellung des Motors nach einer bestimmten Drehung der Welle, welche einer Verstellung der Trommel entspricht, welche einen ihrer aufeinanderfolgenden Mantelflächenabschnitte aus der Auffangstellung in die Meßstellung oder umgekehrt aus der Meßstellung in die Auf f angstellung bringt, und wenigstens eine rotierende Steuervorrichtung (S), welche nacheinander zyklisch eine erste, dritte und fünfte Stellung von verhältnismäßig langer Dauer einnimmt, auf welche eine zweite bzw. eine vierte bzw. eine sechste Stellung von verhältnismäßig kurzer Dauer folgt, wobei die Ankunft des Steuergliedes in der ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Stellung die Speisung des ersten bzw. des dritten bzw. des zweiten bzw. des vierten bzw. des ersten bzw. des dritten Relais bewirkt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Journal of the British Nuclear Energy Conference, Bd. 2, 1957, S. 197 bis 204.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
\ 009 588/337 8.60
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