-
Aktivierbare Festkörpersonde für Kernreaktoren Ein Maß für die Energieerzeugung
eines Kernreaktors ist unter anderem dessen Neutronenproduktion. Man hat daher -
meist außerhalb des Druckkessels oder Reaktorkernbehälters - durch Neutronen aktivierbare
Sonden gesetzt, die die auf sie einwirkende Neutronendosis auf irgendeine Weise
registrieren. Für die langfristige und in größeren, z. B. jährlichen Abständen vorzunehmende
Überwachung von Reaktoren werden Sonden bzw. Targets gebraucht, deren Radioaktivität
über wenigstens einige Jahre proportional mit der Intensität der auf sie einwirkenden
Neutronenstrahlung ansteigt. Die nach Bestrahlung radioaktiven Sonden sollen einfach
zu handhaben und zu transportieren sein und eine Strahlung aussenden, die leicht
abschirmbar ist.
-
Bekannte Sonden enthalten z. B. natürliches Kobalt (Atomgewicht 59),
das bei Bestrahlung mit Neutronen in das radioaktive Isotop Kobalt 60 übergeht.
Aus der Strahlungsintensität einer solchen nach Bestrahlung radioaktiv gewordenen
Sonde können Rückschlüsse auf die Energieerzeugung des Reaktors gezogen werden.
Ein Nachteil dieser - im allgemeinen als Festkörper vorliegenden - Kobaltsonden
besteht darin, daß an der Kobalt 60 enthaltenden Sonde die Messungen nur unter besonderer
Vorsicht vorgenommen werden können, da das Kobalt 60 unter anderem eine harte y-Strahlung
aussendet. Weiterhin hat das Kobalt 60 eine relativ kurze Halbwertszeit, so daß
die Sonden stets nach weniger als einem Jahr ausgewechselt und deren Strahlungsintensität
gemessen werden müssen, wenn auf exakte Zahlenwerte über die Energieerzeugung des
Reaktors Wert gelegt wird.
-
Es sind Sonden bekannt, die Deuterium enthalten, und zwar in Form
von schwerem Wasser (D20). Das bei Neutronenbestrahlung aus dem Deuterium entstehende
Tritium T (; D -f- ö n ; T - ß) ist ein für den Menschen relativ ungefährlicher
ß-Strahler, insbesondere deshalb, weil weiche ß-Strahlen auf einfache Weise abzuschirmen
sind. Weiterhin hat das Tritium eine Halbwertszeit von 12,1 Jahren. Die Radioaktivität
der Deuteriumssonde steigt also auf Jahre hinaus proportional mit der auf sie einwirkenden
Neutronenstrahlung an, und zwar auch dann, wenn nur eine geringe Menge Deuterium
in der Sonde enthalten ist. Das Deuteron (Deuteriumkern) hat nämlich einen äußerst
geringen Einfangsquerschnitt für Neutronen. Es dauert daher viele Jahre, bis das
Deuterium vollständig in Tritium umgewandelt ist. Die aktivierbare Sonde muß jedoch
innerhalb der Neutronenabschirmung des Reaktors angebracht werden; bei einem Defekt
des Sondengefäßes ist ein Entweichen dampfförmigen schweren Wassers in den übrigen
Reaktorraum und dessen Umgebung nicht ausgeschlossen, zumal das Wasser eine erhöhte
Temperatur hat. Die bekannte Schwerwassersonde kann daher eine radioaktive Verseuchung
der Reaktorumgebung hervorrufen. Auch ist eine Sonde mit flüssigem Schwerwasserinhalt
wegen Gefahr von Zwischenfällen nur unter größten Vorsichtsmaßnahmen zu transportieren.
- Die bekannten D20-Eistargets sind wegen der relativ hohen Temperatur der in Frage
kommenden Meßorte für eine langfristige Überwachung von Reaktoren ungeeignet.
-
Die Erfindung betrifft deshalb eine Festkörpersonde#. (Target) zur
überwachung der Energieerzeugung in Kernreaktoren durch Registrierung der Neutronenstellung
nach dem Prinzip der radioaktiven Indikatoren, welche nicht mit den genannten Mängeln
behaftet ist. Erfindungsgemäß ist im Festkörper physikalisch oder chemisch gebundenes
Deuterium enthalten.
-
Das Deuterium kann in der Grundsubstanz der Festkörpersonde adsorbiert
sein. Beispielsweise besteht die Sonde aus deuteriertem Zirkon (Zirkonhydrid). Ähnlich
wie die bekannten Tritiumtargets läßt sich ein entsprechendes Deuteriumtarget unter
Mitwirkung von Hydrierungskatalysatoren, wie Palladium oder Platin, bei erhöhter
Temperatur erzeugen.
-
Weiterhin kann das Deuterium in der erfindungsgemäßen Festkörpersonde
chemisch gebunden sein. Als besonders geeignet haben sich hierbei polymerisierte
oder polykondensierte Deutero-Kohlenwasserstoffe erwiesen, soweit diese bis zu Temperaturen
um 100° C fest sind und sich nicht zersetzen. Unter »Deutero«-Kohlenwasserstoffen
werden Kohlenwasserstoffe verstanden, in denen der normale Wasserstoff, z. B. durch
Isotopenaustausch, durch Deuterium ersetzt ist.
Festkörpersonden
aus Deutero-Kohlenwasserstoffen sind deshalb besonders vorteilhaft, weil das in
diesen Stoffen enthaltene Kohlenstoffisotop 13C durch die Neutronenstrahlung in
das langlebige, radioaktive Kohlenstoffisotop 14C umgewandelt wird und man somit
eine Verbesserung der erwünschten Eigenschaften der Sonde erhält. Die insbesondere
folienartig ausgebildeten Sonden können z. B. aus Deutero-Polyäthylen oder Deutero-Polystyrol
bestehen. Feste makromolekulare Deutero-Kohlenwasserstoffe, bei denen der Wasserstoff
ganz oder teilweise durch Deuterium ersetzt ist, sind be= kannt. Die Verwendung
von Polystyrol hat den Vorteil, daß dieses Material besonders gut in Toluol löslich
ist. In dieser Flüssigkeit ist in der Regel auch der Phosphor eines Flüssigszintillators
gelöst. Die Verwendung von Polystyrol oder anderer in einer Szintillatorflüssigkeit
leichtlöslicher Stoffe hat den Vorteil, daß eine rasche und hinreichend genaue Feststellung
der Betaaktivität der Sonde möglich ist. Je nachdem, welche Neutronendosis auf die
Sonden einwirken soll und welche Temperatur die Sonden vertragen können, ohne sich
zu zersetzen, werden sie an verschiedene, nach Möglichkeit gut zugängliche Plätze
des Reaktors gebracht.
-
In der Zeichnung ist als Beispiel ein schematischer Längsschnitt durch
einen Kernreaktor dargestellt. Es sind bezeichnet mit 1 der Moderatorbehälter, mit
2 der Druckkessel, mit 3 dessen Deckel, mit 4 Kühlrohre mit den Brennelementen,
mit 5 der thermische Schild und mit 6 der äußere Betonmantel des Reaktors. Die Festkörpersonden
können z. B. an die Stellen 7, 8, 9 oder 10 gesetzt werden. Dabei ist die auf die
Sonde einwirkende Neutronendosis und die Temperatur am Platz 7 (zwischen
Moderatorbehälter und thermischem Schild) r m höchsten und am Platz 10 am niedrigsten.
An der letztgenannten Stelle (10) ist die Sonde in den insbesondere verschließbaren
Kanal 11 des Betonmantels 6 eingeführt; dort ist sie leicht zugänglich und kann
bei Arbeiten am Reaktor weder stören noch beschädigt werden. Außerdem wirkt auf
sie eine so geringe Neutronendosis ein, daß die Überwachung in. Abständen von weit
über einem Jahr vorgenommen werden kann. Je nach Zweck der Sonden und je nach den
Anforderungen an die Meßgenauigkeit können auch mehrere Sonden rund um den Reaktor
und/oder in verschiedenen Abständen vom Reaktorkern angebracht werden. Eine solche
Sonde kann, wenn sie als Folie ausgebildet ist, eine Fläche in der Größenordnung
von 10 cm2 haben.