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" Strahlungsdetektor für Kernreaktoren 11 Die Erfindung bezieht sich
auf einen der Instrumentierung von Kernreaktoren dienenden Strahlungsdetektor mit
Emitter, Kollektor, und zwischen Emitter und Kollektor angeordneter Isolierschicht,
der für eine längere Verwendung im Reaktorkern als Überwachungsgerät für das örtliche
Leistungsniveau geeignet ist.
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Es ist wirtschaftlich von Vorteil, soviel Leistung wie möglich aus
einer gegebenen Menge Kernreaktorbrennstoff zu erhalten.
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Eine Steigerung auf optimale Leistungsdichte in einem Reaktorkern
kann nur erzielt werden1 wenn das Sicherheitssystem augenblicklich Schutz gewähren
kann, indem es sofort auf Leistungsänderungen in jedem Brennstoffkanal anspricht.
Es ist daher wichtig, daß solche im Reaktorkern angeordneten Detektoren, wie sie
zur Überwachung der Leistungsdichte des Reaktorkernes verwendet werden, imstande
sind, sofort auf Änderungen der Leistungsdichte anzusprechen, wie sie durch Änderungen
des örtlichen Neutronen- und Gammastrahlen-Flusses in Erscheinung treten. Die Ausgangssignale
von derartigen
Strahlungsdetektoren mUssen dann notwendigerweise
den Flußzustanden im Reaktorkern entsprechen, die im Augenblick herrschen, und nicht
denen, die mehrere Sekunden oder noch länger zuvor bestanden haben.
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Neutronendetektoren in Festkörperausfuhrung sind allgemein bekannt,
beispielsweise durch das U.S.A. Patent 3 375 370 (Hilborn) und das U.S.A. Patent
3 400 289 (Anderson).
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Ein typischer Neutronendetektor in Festkörperausführung besteht aus
einen Emitter, der, wenn er einen Neutronenbeschuß ausgesetzt ist, Elektronen emittiertm
aus einem Kollektor und aus einer zwischen Emitter und Kollektor angeordneten Isolierschicht.
Die Anzahl der pro Zeiteinheit emittierten Elektronen entspricht der Intensität
des Neutronen-Flusses, und bei einer gegebenen Anordnung der Isolierung entspricht
die Zahl der Elektronen1 die den Kollektor erreichen und den Ausgangssignalstrom
bilden, der Intensität des Neutronen-Flusses, der mit dem Emitter in Wechselwirkung
steht.
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ViSe Emitter-Materialien emittieren auch Elektronen, wenn sie mit
Gammastrahlen beschossen werden. Daher wird in derartigen Detektoren ein Teil der
Elektronenemission auf einfallende Gammastrahlen zurückzuführen sein, ein Teil auf
die im Inneren stattfindende Gamma-Eliminierung, die aus dem Einfang einfallender
Neutronen resultiert, und ein Teil der Elektronenemission wird auf Beta-Zerfälle
zurückzuführen sein, die infolge des Neutronenbeschusses auftreten. Die Elektronen,
die von außen einfallenden Gaimastrahlen herrUhren, und die sekundären Gammastrahlen,
die beim Neutroneneinfang erzeugt werden, werden von dem Emitter sofort emittiert,
während
die von dem Beta-Zerfall herrührenden Elektronen erst nach einer festen Verzögerungszeit
nach dem Neutroneneinfang emittiert werden. Dabei ist die Verzögerungszeit charakteristisch
fUr das Emitter-Material.
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Somit ist ersichtlich, daß, wenn der Signalausgangsstrom des Detektors
ganz aus den prompten Elektronen gebildet werden könnte, und die verzögerten Elektronen
auf irgendeine Weise daran gehindett werden könnten, den Kollektor zu erreichen
und damit aus dem Signalstrom eliminiert werden könnten, dieser Signalstrom den
Augenblickswert der Intensität des Neutronen- und/oder Gammastrahlen-Flusses darstellen
würde, der auf den Emitter einwirkt. Sich aus der Vermischung der Daten eines vergangenen
Flußzustandes mit den augenblicklichen Daten ergebende IrrtUmer könnten dann vermieden
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsdetektor
mit Emitter, Kollektor und zwischen Emitter und Kollektor angeordneter Isolierschicht
zu schaffen, der im Reaktorkern zur Uberwachung des Neutronen-Flusses, der Gammastrahlung
oder der beiden Strahlebarten gemeinsam verwendet werden kann und der ausschließlich
den jeweiligen Momentanwert der Intensität dieser Strahlungsarten anzeigt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Emitter
des Strahlungsdetektors aus einem Material besteht, das bei Neutronenbeschuß prompte
und verzögerte Elektronen emittiert, die kennzeichnend fUr die jeweiligen Intensität
des Neutronen-Flusses sind, wobei die verzögerten Elektronen mit einem geringeren
Primörenergieniveau emittiert werden als die prompten Elektronen,
und
daß die Isolierschicht eine solche Dicke aufweist, daß die verzögerten Elektronen
mit geringerer Energie absorbiert werden und die prompten Elektronen mit höherer
Energie den Kollektor erreichen.
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Der Strahlungsdetektor nach der vorliegenden Erfindung ist imstande,
die Intensität des Neutronen-Flusses und/oder die Intensität des kombinierten Neutronen-
oder Gammastrahlen-Flusses zu Uberwachen, die in einem gegebenen lokalisierten Gebiet
innerhalb des Reaktorkernes vorhanden ist. Der Detektor liefert einen Signalausgangs
strom, der dem Momentanwert der Uberwachten Strahlung entspricht.
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Durch Anwendung der entsprechenden Meßdaten ist es möglich, nach Wunsch
entweder den örtlichen Neutronen-Fluß, den örtlichen Gammastrahlen-Fluß oder das
örtliche Leistungsniveau beider Strahlenarten zu bestimmen.
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Dieser Strahlungsdetektor besteht, wie es auch bei bestimmten nach
dem Stand der Technik bekannten Detektoren der Fall ist, aus einem Emitter, einem
Kollektor und einer zwischen Emitter und Kollektor angeordneten Isolierung. Die
durch die Erfindung bezweckte Verbesserung besteht in der Kombination eines besonderen
Emittermaterials mit der gewählten Dicke der Isolierung. Der Emitter besteht aus
einem Material, das bei gleichzeitiger Neutronen- und Gammastrahlenbeschießung prompte
Elektronen in einer Anzahl emittiert, die kennzeichnend fUr die kombinierte Intensität
des Neutronen-und Gammastrahlen-Flusses ist, und das verzögerte Elektronen in einer
Anzahl emittiert, die kennzeichnend fUr die Neutronen-Flußintensität ist.
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Bei bevorzugten praktischen AusfUhrungsformen der Erfindungsgegenstandes
kann das Material, aus dem der Emitter besteht, entweder Ytterbium oder Hafnium
sein. Die Wahl dieser Materialien beruht auf der Tatsache, daß die verzögerten Elektronen,
die beim Beta-Zerfall durch Neutroneneinfang emittiert werden, mit einem niedrigeren
Primör-Energieniveau emittiert werden als die prompten Elektronen, die als Ergebnis
der einfallenden Gammastrahlen und der sekundären Gamma-Emission nach dem Neutronenbeschuß
emittiert werden.
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Da im Durchschnitt die prompten Elektronen eine höhere Energie haben
als die verzögerten Elektronen, ist es bei derartigen Materialien daher möglich,
die Komponente des Kollektor-Ausgangsstromes abzuschirmen, die durch die verzögerten
Elektronen erzeugt würde.
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Dies geschieht durch die Wahl einer Isolierschicht, die von ausreichender
Stärke ist, um die verzögerten Elektronen mit niedrigerer Energie zu absorbieren
und die es dennoch den prompten Elektronen mit höherer Energie ermöglicht, den Kollektor
zu erreichen.
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Das Stromausgangssignal des Kollektors wird dann ausschließlich von
den prompten Elektronen gebildet und wird augenblicklich den Schwankungen des Neutronen-Flusses
undioder der Gammastrahlen-Intensität folgen. Durch Absorption der verzögerten Elektronen
in der Isolierschicht, von der aus sie schließlich in den Emitter zurückkehren,
ist in dem Signalstrom des Strahlungsdetektors keine vergangene Flußzustönde darstellende
Komponente enthalten, so daß sich bei einem solchen Signal keinerlei Verwechselungen
der derzeitigen und-der vorherigen Flußdaten ergeben.
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Bei weiteren bevorzugten praktischen AusfUhrungsformen nach der Erfindung
umgibt der Kollektor konzentrisch den Emitter, und die Isolierschicht besteht aus
einer Schicht Magnesiumoxyd oder Aluminiumoxyd, die den Emitter konzentrisch umgibt
und die selbst von dem Kollektor konzentrisch umgeben ist. Bei einem aus Ytterbium
oder Hafnium bestehenden Emitter beträgt die radiale Dicke der Isolierung vorteilhaft
0,020 Zoll bis 0,025 Zoll.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines
in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden. Es
zeigen: Figur 1 eine teils im Schnitt dargestellte Längsansicht eines Strahlungsdetektors
nach einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der Erfindung und Figur 2 einen
Querschnitt des in Figur 1 dargestellten Strahlungsdetektors nach 2-2.
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Das in Figur 1 und Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Strahlungsdetektors
10 besitzt einen Emitter 11, der aus einem zylindrischen Ytterbiumstab besteht.
Eine aus Magnesiumoxyd bestehende Isolierschicht 13 umgibt konzentrisch den Emitter
11 und ist selbst von einem zylindrischen Kollektormantel 12 umgeben.
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Kollektor 12 besteht zweckmäßigerweise aus Inconel-Rohr und ist an
seinem einem Ende durch einen Metallstopfen 14 verschlossen, der durch Anschweißen
befestigt ist.
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Am duBeren Ende des Kollektors 12 ist ein konzentrisches Kabel 15
angeschlossen, das ein äußere Unmantelung 16 aus Inconel umfaßt,
die
eine Isolierfüllung 17 aus Magnesiumoxyd umgibt, durch welche ein Inconel-Leitungsdraht
18 fUhrt, der an das Ende des Emitters 11 durch Anschweißen oder Verlöten elektrisch
angeschlossen ist.
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Die Kabelummantelung 16 wird von einer Metallbuchsel9 aufgenommen,
die in den Kollektor eingefügt und an ihm durch Schweißen so befestigt ist, daß
die Buchse 19, die Kabelummantelung 16 und der Kollektor 12 elektrisch miteinander
verbunden sind.
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Wenn der Detektor 10 im Kern eines in Betrieb befindlichen Reaktors
(nicht abgebildet) eingebaut ist, gehen Neutronen und Gammastrahlen leicht und ohne
besondere Wechselwirkung durch das Kabel 15, den Kollektor 12 und die Isolierung
13 hindurch und werden vom Emitter 11 absorbiert. Die Folge dieser Neutronen- bzw.
Gammastrahlen-Einfangs im Material des Emitters 11 ist die Emission von Elektronen
von dessen Außenflöche. Bei einem aus Ytterbium oder Hafnium bestehenden Emitter
11 verursacht der Neutronenbeschuß die Emission sowohl prompter Elektronen als auch
verzögerter Elektronen.
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Ein wichtiges Merkmal dieser beiden gewählten Elemente Ytterbium und
Hafnium ist es, daß die von ihnen durch Beta-Zerfall emittierten verzögerten Elektronen
mit einem niedrigeren Primör-Energieniveau emittiert werden als die von ihnen emittierten
prompten Elektronen.
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Für Yb175 und Hf 181 ist das Primdr-Energieniveau der Beta-Zerfall-Elektronen
470 keV bzw. 410 keV, während bei den gleichen Elementen prompte Elektronen mit
Energien von 0 bis 7,5 MeV emittiert werden, wobei das Primörenergieniveau 500 KeV
weit übersteigt.
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Die Anzahl der in jeder dieser Klassen pro Zeiteinheit emittierten
Elektronen entspricht der Intensität des Neutronen-Flusses. Im Falle der verzögerten
Elektronen entspricht jedoch die Anzahl der von der Oberfläche des Emitters 11 in
einem gegebenen Augenblick emittierten Elektronen der Neutronen-Fluß-Intensitdt,
die gemäß der festen Verzögerungszeit vorher vorhanden war, wobei diese Verzögerungszeit
der Halbwertszeit des Beta-Zerfallproduktes entspricht, die bei Yb 175 5,2 Tage
und bei Hf181 43 Tage beträgt.
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Um einen Signalausgangsstrom zu erhalten, der dem Augenblickswert
des mit Emitter 11 in Wechselwirkung stehenden Neutronen-Flusses entspricht, müssen
die verzögerten Elektronen daran gehindert werden, den Kollektor 12 zu erreichen.
Nach der Erfindung geschieht dies durch Verwendung einer Magnesiumoxydisolierung
13 mit einer radialen Dicke von 0,020 Zoll bis 0,025 Zoll, die ausreicht, um im
wesentlichen alle verzUgerten Elektronen unter 500 Kev zu absorbieren, es jedoch
den prompten Elektronen mit höherer Energie gestattet, den Kollektor 12 zu erreichen.
Diese bilden dann den gesamten Signalausgangsstrom, der Uber das Kabel 15 zu der
außenliegenden (nicht abgebildeten) Uberwachungsinstrumentiereng geleitet wird.
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Eine praktische Ausführungsform des Detektors nach der Erfindung kann
aus einem Ytterbium-Draht von 0,048 - 0,050 Zoll Durchmesser und 9,0 Zoll lang als
Emitter 11, einem Inconel-Rohr mit 0,125 Zoll äußeren Durchmesser und 0,10 Zoll
Wanddicke als Kollektor 12 und einer Magnesiumoxydschicht fUr die Isolierung 13
bestehen.
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Bei einem solchen Detektor 10 wird das koaxiale Kabel 15 zweckmäßigerweise
aus Inconel-Rohr mit 0,062 Zoll Außendurchmesser bei 0,010 Zoll Wanddicke für die
Ummantelung 16 und aus Inconel-Draht 0,009 Zoll Durchmesser für den Leitungsdraht
18 bestehen.
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Unter typischen Betriebsbedingungen wird der Detektor 10 sowohl Gammastrahlen
als auch thermischen Neutronen ausgesetzt sein.
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Der Emitter 11 ist auch gegen Gammastrahlenbeschuß empfindlich und
emittiert prompte Elektronen in einer Anzahl, die kennzeichnend für die Intensität
des Gamma-Strahlenflusses ist. Das Verhältnis zwischen der Neutronen- und Gammastrahlen-Empfindlichkeit
des Detektors 10 kann leicht durch einfache Meßverfahren festegestellt werden, die
den Fachleuten bekannt sind, so daß das Signal des Detektors 10 so korrigiert werden
kann, daß es entweder die Neutronen-Fluß-Intensitat, die Gammafluß-Intensitöt oder
beides darstellt.
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Der prompt ansprechende Detektor 10 nach der Erfindung ist geeignet,
für Langzeit-Einsatz in einem Leistungsreaktor, weil bei Ytterbium- und Hafnium-Ebittern
weit weniger Abb'rand auftritt als bei anderen Emitter-Materialien, die bei bisher
bekannten Detektoren verwendet wurden.
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Bei bisher bekannten Detektoren, die keine Elektronenenergie unterscheidende
Isolierung zwischen Emitter und Kollektor verwenden, kann zwar ein prompten Ansprechen
auf Neutronen und Gammastrahlen erzielt werden, doch wird dieses prompte Ansprechen
auf Kosten der Lebensdauer des Emitters erreicht, während bei der vorliegenden Erfindung
die Lebensdauer des Emitters nicht ernsthaft beeintrdchtigt wird, um ein promptes
Ansprechen zu erzielen.
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Wenn auch entsprechend den gesetzlichen Vorschriften in dieser Beschreibung
eine spezifische praktische Ausführungsfprm der Erfindung beschrieben und veranschaulicht
ist, so werden die Fachleute doch verstehen, daß Änderungen der Form der von den
Ansprüchen erfaßten Erfindung vorgenommen werden können und daß gewisse Merkmale
der Erfindung manchmal ohne entsprechende Verwendung der anderen Merkmale verwendet
werden können.