DE1489685C3

DE1489685C3 - Verfahren zur Unterscheidung von kugelförmigen Betriebselementen von Kernreaktoren nach ihren Neutronenwechselwirkungseigenschaften

Info

Publication number: DE1489685C3
Application number: DE1489685A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Dipl.-Phys. 5100 Aachen Bachus; Claus-Benedikt Von Der Dr. 5101 Verlautenheide Decken; Wilfried Dipl.-Phys. Dr. 5161 Strass Rausch
Original assignee: Hochtemperatur-Reaktorbau 5000 Koeln GmbH
Current assignee: Hochtemperatur-Reaktorbau 5000 Koeln GmbH
Priority date: 1965-06-10
Filing date: 1965-06-10
Publication date: 1976-01-02
Also published as: DE1489685A1; NL6607830A; BE681789A; CH456785A; US3650894A; GB1151724A; DE1489685B2; AT270829B

Description

signale lassen eine genaue Aussage darübeF zu, ob es sich bei den Betriebselementen um Elemente mit Spalt-, Streu- oder Absorbereigenschaften handelt.

Aus den deutschen Auslegeschriften 11 26 037 und 11 84 873 ist es zwar bekannt, kugelförmige Elemente in. einem Kanal durch ein multiplizierendes Medium zu führen und dadurch eine Leistungsänderung dieses Mediums zu erzielen. Bei beiden Vorrichtungen handelt es sich jedoch nicht um kritische Anordnungen, sondern um Kernreaktoren mit einer unterkritischen Menge von mit einem Moderator gemischtem Spaltstoff. Diese Kernreaktoren bzw. Einrichtungen zum Pulsen von Kernreaktoren sind zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht geeignet, da zwischen einer Anordnung mit einer unterkritischen Menge hochangereicherten Materials und einer kritischen Anordnung ein gravierender Unterschied besteht. Eine kritische Anordnung kann bei einer konstanten, wiewohl begrenzten Leistung, z.B. 10 oder 100 W, dauernd betrieben werden. Dies ist nur möglich, wenn die Anordnung mit einer Überschußreaktivität, d.h. mit einer überkritischen Menge an spaltbarem Material, versehen ist. Im Inneren einer kritischen Anordnung herrscht, auch wenn gerade kein Probekörper durch den Bestrahlungskanal geführt wird, entsprechend der eingestellten Leistung ein beträchtlicher Neutronenfluß, der unabhängig von der Quellstärke der eventuell vorhandenen Neutronenquelle ist. Erst hierdurch wird es möglich, die sich beim Einführen eines Probekörpers ergebenden Leistungsänderungen, die normalerweise bei einigen Prozenten, in jedem Falle aber unterhalb von 100 % liegen, genügend genau zu messen. In einer unterkritischen Anordnung gemäß den beiden Schriften sind solche Messungen dagegen im Normalfall nicht möglich, da sich beim Einbringen des Probekörpers (durch den erst die Anordnung kurzzeitig überkritisch gemacht wird) der Neutronenfluß um viele Zehnerpotenzen ändern müßte, wodurch eine Auflösung des gemessenen Signals wegen der endlichen Lebensdauer der beteiligten prompten Neutronen ganz wesentlich erschwert, wenn nicht unmöglich wird. Bezüglich der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten kritischen Anordnung und den bekannten Vorrichtungen zur Erzeugung kurzzeitiger Neutronenimpulse bestehen daher nur rein äußerliche Gemeinsamkeiten, nämlich daß spaltbares Material in einem Behälter angeordnet ist, der von einem Kanal durchdrungen wird, und daß durch diesen Kanal Probekörper geführt werden, was mit Leistungsänderungen verbunden ist. Ferner soll noch darauf hingewiesen werden, daß bei einer Vorrichtung gemäß der deutschen Auslegeschriften 1126 037 oder 1184 873 nur .Spaltstoffproben den gewünschten Übergang vom unterkritischen in den überkritischen Zustand herbeiführen können; andere Proben, z.B. aus Absorber- oder Streumaterial, können nicht gemessen und auch nicht unterschieden werden, da eine Grundleistung nicht vorliegt.

Um eine unterkritische Anordnung handelt es sich auch bei der in der USA.-Patentschrift 29 36 274 beschriebenen Vorrichtung, mit der die spezifische Neutronenreaktivität von Proben (d. h. ihre quantitative Reaktionsrate bei der Absorption von Neutronen und der Erzeugung von Neutronen durch Spaltung unter Neutronenbeschuß) bestimmt werden soll. Die im Zusammenhang mit den beiden deutschen Auslegeschriften geschilderten Nachteile einer unterkritischen Anordnung gelten daher auch für die Vorrichtung gemäß der USA.-Patentschrift 29 36 274, bei der eine Anzahl von eine unterkritische Menge Spaltstoff enthaltenden Brennstoffelementen in einem mit einem flüssigen Moderator (Wasser) gefüllten Tank angeordnet ist, in welchem außerdem eine konstante Neutronenquelle (Polonium-Beryllium) untergebracht sowie ein Kanal zur Aufnahme einer zu untersuchenden Probe vorgesehen ist. Die Messung der

ίο Proben wird mit Hilfe einer Standardprobe bekannter Zusammensetzung vorgenommen,' die gleiche Form und Größe wie die zu messenden Proben hat und vor Beginn der Messungen, in den Kanal gebracht wird. Zur Bestimmung von nach Größe, Form und Zusammensetzung unterschiedlicher Proben muß die Anordnung jeweils mit einer entsprechenden Standardprobe neu kalibriert werden. Die Anordnung dient daher vorzugsweise zur. Messung einer großen Zahl nominell identischer Proben. Zur Unterscheidung von Proben, deren Neutronenwechselwirkungseigenschaften" nicht bekannt sind, ist sie daher völlig ungeeignet. Sie gestattet lediglich den Vergleich einer Probe bekannter Eigenschaft (z. B. aus spaltbarem oder neutronenabsorbierendem Material) mit einer Standardprobe in bezug auf den Gehalt der Probe an spaltbarem oder neutronenabsorbierendem Material. Sowohl die zu messende Probe als auch die Standardprobe wird jeweils in den Kanal gebracht und während des Meßvorganges dort kurz in der gleichen Position festgehalten. Es findet also keine stetige Bewegung der Proben durch die Anordnung statt.

Der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens dienende kritische Reaktor sollte eine möglichst geringe kritische Masse besitzen. Vorzugsweise wird für den Reaktor daher Brennstoff mit 90% angereichertem U 235 sowie ein Graphitreflektor verwendet. Derartige für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete kritische Anordnungen sind bekannt und bereits als Forschungsreaktoren in Betrieb.

Bewegt sich das zu untersuchende Betriebselement wenigstens annähernd gleichmäßig durch die kritische Anordnung, so ändert sich deren Leistung entsprechend dem Einfluß des zu untersuchenden Elementes an seinem jeweiligen Aufenthaltsort. Wegen der endlichen Zeitkonstante τ (Anzeige) erfolgen die Leistungsänderungen mit einer gewissen Trägheit, d. h., Änderungen auf Grund des Einflusses des zu messenden Betriebselementes werden von den bekannten Meßgeräten mit einer gewissen Verzögerung, angezeigt. Solange sich die Einflußfunktionen an der jeweiligen Position des Betriebselementes in einem Zeitabschnitt von der Länge r nicht wesentlich ändert, ist diese Verzögerung vemachlässigbar. Dies ist bei einigen 10"¹ see der Fall und somit bei einem Zeitabschnitt, der etwa beim freien F.all eines Elementes durch die kritische Anordnung verstreicht.

Handelt es sich bei den zu messenden Betriebselementen um Spaltstoff enthaltende Elemente, so wird bei der Untersuchung von Elementen mit einem geringen Aktivitätsgrad die Zeitkonstante für den prompten Anstieg im wesentlichen als Quotient aus Neutronenlebensdauer und Anteil der verzögerten Neutronen erhalten. Damit ergeben sich Werte für r in der Größenordnung von wenigen 10~³ see.

Vorteilhaft kann eine an sich bekannte Steuervor-

richtung vorgesehen sein, mit deren Hilfe der weitere Weg der zu untersuchenden Betriebselemente in Abhängigkeit von dem Meßergebnis gesteuert werden kann. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise Sortiervorgänge ausführen.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren beruht auf der Tatsache, daß ein Reaktor mit einer hinreichend kleinen kritischen Masse mit hoher Empfindlichkeit auf das Einbringen von Spaltstoff, Absorber- oder Streumaterial reagiert, wobei der Einfluß dieser Proben auf die Reaktivität des Reaktors nicht nur von der Menge des eingeführten Materials, sondern auch von dem Aufenthaltsort der Proben abhängt, wie aus der Zeichnung zu erkennen ist. So ist beim Einbringen einer spaltbaren Substanz in eine kritische Anordnung die Reaktivität immer positiv und besitzt ein Maximum im Zentrum der Anordnung. Bei streuendem Material (z. B. Moderatormaterial) ist die Reaktivität ebenfalls positiv, hat aber an beiden Rändern der Anordnung ein Maximum, was auf den Reflektoreffekt derartiger Proben zurückzuführen ist; Proben aus absorbierendem Material hingegen entsprechen negativen Reaktivitäten mit einem Minimum im Zentrum der kritischen Anordnung. Im Falle von gemischten Proben, wie sie die kugelförmigen Brennstoffelemente darstellen, addieren sich die relativen Einflüsse der einzelnen Materialkomponenten zu einem Leistungssignal, und diese Signale können in Bruchteilen von Sekunden aufgenommen werden, während das zu untersuchende Element selbst in etwa einer Sekunde durch die kritische Anordnung geführt wird.

In der Zeichnung sind die bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erwartenden Leistungsänderungen der kritischen Anordnung schematisch dargestellt. Dabei zeigt F i g. 1 die Signalkurve einer reinen Streuprobe, d. h. die auftretende Leistungsänderung bei einer gleichmäßigen Bewegung eines aus einem neutronenstreuenden Stoff bestehenden Betriebselementes.

In der F i g. 2 ist die entsprechende Signalkurve bei der Bewegung von aus Absorbermaterial bestehenden Betriebselementen abgebildet.
Die F i g. 3 zeigt die sich bei der Hindurchführung

ao eines frischen, d. h. noch nicht dem Reaktorbetrieb ausgesetzten Brennstoffelementes einstellende Signalkurve. ■

In der Fig.4 ist die entsprechende Signalkurve eines völlig abgebrannten Brennstoffelementes dargestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2

dem Testraum verändert werden kann. Eine Anzahl

Patentanspruch: von Neutronendetektoren ist in senkrechten Bohrun

gen in zwei Reihen parallel zu dem Testraum an-

Verfahren zur Unterscheidung von kugelförmi- geordnet; mit ihrer Hilfe kann die Verteilung von gen Betriebselementen von Kernreaktoren nach 5 Brennstoff und Absorbermaterial in einem Betriebsihren Neutronenwechselwirkungseigenschaften, element auf dessen ganzer Länge bestimmt werden, wobei die kugelförmigen Betriebselemente zeit- Dies ist allerdings nur möglich unter Verwendung weise in einen kritischen Reaktor eingebracht eines Standardelementes; d. h., sämtliche Messungen werden und die dabei entstehende Leistungsände- müssen doppelt ausgeführt werden, zunächst an dem rung (Neutronenfluß als Funktion der Zeit) des io Standard- und darauf an dem zu untersuchenden Reaktors als Meßgröße benutzt wird, da- Element. Zur Unterscheidung zwischen Brennstoff durch gekennzeichnet, daß die kugel- und. Absorber und zur Ermittlung des Brennstoffförmigen Betriebselemente einzeln und in konti- oder Absorbergehaltes an einem Punkt 'der Probe nuierlicher Nacheinanderfolge und in annähernd sind vier Messungen erforderlich, zwei an dem Stanstetiger Bewegung auf einem Weg durch den 15 dardelement und zwei an der Probe, wobei jeweils Reaktor innerhalb einer unterhalb 10 see, vor- bei einer Messung die bohrhaltigen Platten in die für zugsweise zwischen 10~³ und 10° see, liegenden sie bestimmten Schlitze eingeführt werden müssen. Durchlaufzeit geführt werden, auf dem sie ver- Dieses Verfahren ist sehr zeitraubend und völlig unschiedene Zonen durchlaufen, in denen Neutro- geeignet für Kugelhaufenreaktoren, bei denen die nen absorbierende, Neutronen streuende und 20 Zugabe und das Abziehen von Betriebselementen in durch Neutronen spaltbare Substanzen jeweils einer Taktfolge von wenigen Sekunden erfolgt und maximalen Einfluß auf die Reaktivität des Reak- für die Messung der einzelnen Elemente nur entspretors besitzen, wobei die in den genannten Zonen chend kurze Zeiträume zur Verfügung stehen, auftretenden Leistungsänderungen für die Neu- Außerdem können durch die Länge der Meßzeiten tronenwechselwirkungseigenschaften der zu un- 25 für die einzelnen Probekörper zeitlich langsame Vertersuchenden kugelförmigen Betriebselemente änderungen der Reaktivität, die auf anderen Einflüscharakteristische Leistungssignale liefern, daß die sen als denen der Probekörper beruhen, nicht elimi-Leistungssignale während der Durchlaufzeit auf- niert werden.

genommen und die daher gewonnenen Kurven Von diesem Stand der Technik geht die vorlie-

hinsichtlich ihrer Form zur Unterscheidung der 30 gende Erfindung aus, wobei sie sich die Aufgabe ge-Betriebselemente mit den Kurven von Proben aus stellt hat, ein Verfahren zur Unterscheidung von kuabsorbierendem, streuendem und/oder spaltba- gelförmigen Betriebselementen von Kernreaktoren rem Material verglichen werden. nach ihren Neutronenwechselwirkungseigenschaften

anzugeben, das es gestattet, unter Vermeidung der 35 genannten Nachteile die erforderlichen Messungen im Zeitraum von wenigen Sekunden durchzuführen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

' gelöst, daß die kugelförmigen Betriebselemente einzeln und in kontinuierlicher Nacheinanderfolge und 40 in annähernd stetiger Bewegung auf einem Weg durch den Reaktor innerhalb einer unterhalb 10 see, vorzugsweise zwischen 10~³ und 10° see, liegenden

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren Durchlaufzeit geführt werden, auf dem sie -verschiezu Unterscheidung von kugelförmigen Betriebsele- dene Zonen durchlaufen, in denen Neutronen absormenten von Kernreaktoren nach ihren Neutronen- 45 bierende, Neutronen streuende und durch Neutronen Wechselwirkungseigenschaften, wobei die kugelförmi- spaltbare Substanzen jeweils maximalen Einfluß auf gen Betriebselemente zeitweise in einen kritischen die Reaktivität des Reaktors besitzen, wobei die in Reaktor eingebracht werden und die dabei entste- den genannten Zonen auftretende Leistungsänderunhende Leistungsänderung (Neutronenfluß als Funk- . gen für die Neutronenwechselwirkungseigenschaften tion der Zeit) des Reaktors als Meßgröße benutzt 50 der zu untersuchenden kugelförmigen Betriebselewird. mente charakteristische Leistungssignale liefern, daß

Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, die Leistungssignale während der Durchlaufzeit aufdaß sich beim Einbringen von spaltbaren, absorbie- genommen und die dabei gewonnenen Kurven hinrenden oder streuenden Stoffen in ein multiplizieren- sichtlich ihrer Form zur Unterscheidung der Bedes Medium infolge der eintretenden Aktivitätsände- 55 triebselemente mit den Kurven von Proben aus abrung eine Leistungsänderung des Mediums ergibt. sorbierendem, streuendem und/oder spaltbarem Ma-Aus der USA.-Patentschrift 30 70 538 ist es bekannt, terial verglichen werden.

diese Leistungsänderung zur Unterscheidung von Der Weg der zu untersuchenden Betriebselemente

Brennstoff- und Absorberelementen heranzuziehen ist also so festgelegt, daß jedes Betriebselement in- und aus den gewonnenen Meßgrößen den Gehalt der 60 nerhalb der kritischen Anordnung nacheinander Elemente an Spaltstoff oder Absorbermaterial zu be- durch Zonen maximalen Einflusses geführt wird, die stimmen. Bei diesem Verfahren werden die Probe- verschiedenen kernphysikalischen Größen zugeordkörper einzeln schrittweise durch einen langgestreck- net sind, nämlich der Neutronenabsorption, -streuten, waagerecht durch den Kernreaktor verlaufenden ung und -spaltung. Die in diesen Zonen jeweils auf-Testraum geführt, um den vier Schlitze angeordnet 65 tretenden Änderungen der Leistung der kritischen sind, die ebenfalls durch den Reaktorkern verlaufen. Anordnung stellt ein Kriterium für die Eigenschaften Sie dienen zur Aufnahme von Platten aus einem bor- des zu untersuchenden Betriebselements dar, d.h., die haltigen Material, mit denen der Neutronenfluß in . aus den Leistungsänderungen gewonnenen Meß-