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Einrichtung zum Hessen des momentanen lokalen Ncutronenflusses.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen des momentanen
lokalen Neutronenflusses und von lokalen zeitlichen Fluss-Schwankungen mit einem
Messvolumen, welches einen mit Neutronen exotherm reagierenden Stoff (neutronensensitiver
Stoff) enthält.
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Solche Messanordnungen werden vor allem benötigt zur Ermittlung von
mechanischen dynamischen VerSnderungen in einem Reaktor, also z. B. für Untersuchungen
der Turbulenz von Kühlmittelstromen oder Gcschwindigkcitsschwankungen in Kthlmedien,
aber auch von Lageänderungen (Schwingungen) von Brennelementen und von Strukturmaterialien.
Solche Vorgänge werden allgemein unter dem Begriff Leistungsrauschen zusammengefasst,
da sie die Reaktorleistung in einer geringen Schwankungsbreite modulieren. Aus Frequenz
und
Amplitude des Leistungsrauschens sowie zeitlichen Änderungen
dieser Grössen und der Geometrie der Punkte an denen diese Werte gemessen werden,
können wertvolle Schldßse sowohl fUr die konstruktive Ausbildung von Reaktorkomponenten
als auch auf das Betriebsverhalten von Leistungsreaktoren gezogen werden. Solche
Messungen dienen also allgemein der Aufgabe, Reaktorkomponenten zu optimieren und
deren Lebensdauer und die Betriebssicherheit von Reaktoren tu erhdhen.
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Es ist bekannt, für die Messung des momentanen lokalen Neutronenflusses
im Core von Kernreaktoren Spaltkammern mit sehr kleinem Spaltstoffeinsatz zu verwenden,
deren Nachweisempfindlichkeit (Neutronennachweisrate/gesamte Spaltrate im Reaktor)
mit W <10-6 jedoch relativ klein ist. In machen Fällen, z. B. für die lokale
Messung des leistungsrauschens in einem Kernreaktor, sind jedoch Detektoren miteinerEmpfindlichkeitWlo*erforderlich.
Bekannte Zähler hoher Empfindlichkeit, wie Spaltkammern oder Ionisationskammern
kdnnen nicht verwendet werden, da diese wegen ihrer grossen Abmessungen nicht ohne
Störung der Flussverteilung in das Reaktorcore eingebracht werden kdnnten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Meaeen
des momentanen lokalen Neutronentluases und von lokalen zeitlichen Fluss-Schwankungen
zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Einrichtungen beseitigt und gleichzeitig
hohe Empfindlichkeit und kleine Ansprechzeit besitzt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen aus elektrischem
Widerstandsmaterial bestehenden Xbrper mit temperaturabhSngigem spezifischem elektrischen
Widerstand, der mit dem neutronensensitiven Stoff identisch oder mit diesem wärmelest-nid
verbunden ist und in welchem den Meutronenfluasänderungen entsprechende Widerstandsänderungen
erzeugt werden (Heutronenflusa-M sswiderstand). ;
Der Neutronenflussmesswiderstand
muss also aus einem Material bestehen, in dem Neutronen exotherme Kernreaktionen
auslösen und dessen spezifischer lwiderstand mdglichst stark temperaturabhSngig
ist. Diese Bedingungen werden z. B. durch einen aus einem homogenen Stoff wie UO2
bestehenden Einstoffwiderstand als Neutronenflussmesswiderstand erfüllte können
aber auch durch eine Kombination von mehreren Stoffen realisiert werden. Dabei können
diese Stoffe, die vorzugsweise entweder neutronensensitive Stoffe oder temperaturabhSngige
Widerstandsmaterialien sind, in homogener oder inhomogener Verteilung als Neutronenflusamesswiderstand
angewendet werden.
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Als Einstoffwiderstand eignet sich beispielsweise U 235-haltiges Urandioxid,
da es sowohl neutronensensitiv mit sehr hoher ReaktionswSrme als auch elektrisch
halbleitend ist.
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Ein Einstoffwiderstand mit kleinerer ReaktlonewSrme kann aus Bor 10-haltigem
Halbleitermaterial wie Bornitrid (B-N hexegonal oder kubisch) oder Borphosphid (B-P)
hergestellt werden, weil Bor 10 mit Neutronen exotherm reagiert.
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Es kann aber bei besonderen AnwendungfSllen such vorteilhaft sein,
einen Neutronenflusmesswideratand zu verwenden, der aus neutronensensitivem Material
besteht, in welches temperaturempfindlichen widerstandsmaterial eingelegt ist.
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Zum schnelleren AbfUhren der in dem Neutronenfluaameaawiderstand erzeugten
Reaktionswärme ist es zweckmäaaig, denselben in einem. kühlenden Gas-oder Flüssigkeitastrom
anzuordnen. Hierzu kann evtl. der in einem Reaktor ohnehin erforderliche KUhlmittelstrom
verwendet werden. Ist die unmittelbare Anordnung des Neutronenfluss-Messwiderstandes
im Kühlmittelstrom nicht mdglich, oder sollen durch kühlleistungsschwankungen bedingte
Verminderungen der relativen TemperaturSnderungen weitgehend ausgeschaltet werden,
so kann der Neutronenflussmesswiderstand über einen Wärmeleitwiderstand mit einer
Wärmesenke verbunden werden.
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Zur besseren tFärmeableitung aus dem Neutronenflussnesswidcrstand
und zum Einstellen einer möglichst isothermen Temperaturverteilung in seinem Innern
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, in denselben im wesentlichen in hauptwärmestromrichtung
orientierte Schichten aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Aluminium, einzulegen,
die aber den Hesswiderstand nicht kurzschliessen dUrfen und deshalb insbesondere
dann angewendet werden, wenn die Richtungen des W&rmestromes und des Mess-Stromea
nicht identisch sind.
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Es ist auch vorteilhaft, zum Kompensieren von z. B. durch KUhlmitteltemperaturschwankungen
verursachten WiderstandsSnderungen des bleutronenfluss-Messwiderstandes diesen in
an sich bekannter Weise mit einem anderen Widerstand (Vergleichswiderstand) zusammenzuschålten,
dessen LeitfShigkeit sich ebenfalls mit seiner Temperatur Sndert.
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Dabei wird eine wesentliche Erh8hung der Messempfindlichkeit dadurch
erzielt, dass der Vergleichswiderstand beispielsweise durch eine geregelte elektrische
Heizung auf der Temperatur des Neutronenfluss-Messwiderstandes gehalten und unter
den gleichen Bedingungen wie der Neutronenfluaa-Mesawideratand gekühlt wird.
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Der Neutronenflussmesswideratand wird zweckmäaaigerweise plattenförmig
ausgebildet und beiderseits mit sehr dünnen, evtl. nach aussen elektrisch isolierten
Metallelektroden belegt, die gut gekUhlt werden und zum Zu-und Ableiten des Mesa-Stromes
dienen. Es k8nnen z. B. U 235-haltige UO2-Platten von 0, 1 mm und 1, 00 mm Dicke
mit 0, 1 mm starken Nickelelektroden verwendet werden.
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Der Neutronenfluss-Messwiderstand kann auch zylinderf8rmig ausgebildet
werden mit an den StirnflAchen angeordneten Elektroden oder mit einer in der Zylinderachse
angeordneten Mitteleketrode und einer den Zylindermantel bildenden Hüllelektrode.
Dabei wird die neutronensensitive temperaturempfindliche Uiderstandsschicht auf
einen dünnen IAetalldraht aufgetragen und erhält beispielsweise eine aufgedampfte
metallische Deckschicht als zweite Elektrode.
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Der Temperaturausgleich im Neutroenfluss-Messwiderstand wird mit kleiner
Zoitkonstanten ablaufen, wenn möglichst dünne Platten oder Zylinder mit nöglichst
kleinem Durchmesser verwendet werden.
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Die Zeitkonstante ist bei Zylindergeometrie kleiner als bei ebener
Geometrie, wenn Zylinderdurchmesser und Plattendicke gleich gross sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1a und Fig. 1b plattenförmige
Neutronenfluss-Messewiderstände, Fig. 2a und Fig. 2b zylinderformige Neutronenfluss-Kesswiderstände,
Fig. 3 eine mit Vergleichswiderstand arbeitende Kompensationsschaltung.
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Neutronensensitive Stoffe und Widerstandsmaterial mit stark temperaturabhängigem
spezifischem elektrischen Widerstand sind in homogener Verteilung zu einem plattenfdrmigen
Xbrper 1 (Fig. la) verarbeitet, an dessen gegenüberliegenden grossen Begrenzungsfläche
metallische Elektroden 2 aufgebracht sind, die an eine Spannungaquelle 3 angeschlossen
sind. Die durch den Neutronenfluss im Neutronenfluss-Messwiderstand erzeugte Wärme
wird fast ausschliesslich tuber die Elektroden 2 in das Kühlmedium abgeführt, so
dass der WXrmestrom und der mit einem Messgerät 4 gemessene dem Neutronenfluss entsprechende
Mess-Strom parallel verlaufen.
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Der in Fig. lb dargestellte Neutronenflussmesswiderstand ist an den
Stirnfl3chen der Platte 1 mit Elektroden 5 versehen, so dass die Richtungen des
Meas"bzw. Wärmcstromes senkrecht zueinander stehen.
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Fig. 2a zeigt einen Neutronenflussmesswiderstand, in dessen neutronensensitiven
Uiderstandskörper 6 eine Mittelelektrode 7 eingelegt ist, und der von einer liantelelektrode
8 umschlossen ist. Zwischen den Elektroden fliesst ein von der Spannung 3 angetriebener,
von einem Messinstrument 4 angezeigter liess-Strom.
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In Fig. 2b sind die Elektroden 9 an die StirnflAchen des widerstandskdrpers
6 angeschlossen. Hinsichtlich der Richtungen von Wärmestrom und Mess-Strom ergeben
sich hier die gleichen Verhältnisse wie bei der analogen Elektrodenanordnung an
einem Plattenwiderstand.
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Die in Fig. 3 dargestellte vereinfachte Anordnung erlaubt eine Erhdhung
der Messempfindlichkeit, indem insbesondere durch KUhlleistungoschwankungen hervorgerufene
Messfehler des Neutronenfluss-Messwiderstandes 10 mit einem Vergleichswiderstand
11, der kein neutronensensitives Material enthAlt, eliminiert werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beatehen insbesondere darin,
dass mit einer kompakten sehr kleinen Messanordnung mit einer Nachweisempfindlichkeit
W a 10-5 der lokale Neutronenfluss und lokale Neutronenfluss-Schwankungen bis zu
Frequenzen von etwa 10 bis 100 Hz im Reaktorcore messbar werden. Dabei kann die
Betriebstemperatur des Neutronenfluss-Messwiderstandes so niedrig gewählt werden,
dass die Wärmeabfuhr oder im neutronensenaitiven Material entstehende Spaltgase
keine Schwierigkeiten bereiten.
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Ein anderer Vorteil ist darin zu sehen, dass die zu messende integrale
Spaltwärmeleistung, d. h. die gesamte Reaktionsrate der Neutronen im neutronensensitiven
Material integral gemessen wird, so dass die Messempfindlichkeit des neutronensensitiven
Materials voll ausgenutzt wird.