DE2160153B2

DE2160153B2 - Verfahren zur Bestimmung der NeutronenfluBverteilung in einem Reaktorkern

Info

Publication number: DE2160153B2
Application number: DE2160153A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Sagamihara Fujii (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-12-04
Filing date: 1971-12-03
Publication date: 1975-07-10
Also published as: GB1360249A; US3845311A; JPS5012080B1; DE2160153A1

Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- und

kennzeichnet, daß die Halbwertszeiten kürzer als Fig. 2 eine axiale Neutronenflußverteilung in

30 s sind. 15 einem Reaktorkern, wie sie mit dem erfindungsgemä-

3. Verfahreß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ßen Verfahren ermittelt wurde.

gekennzeichnet, daß als Fluid wäßrige Lösungen Zunächst soll das Grundprinzip der vorliegenden

von Silbernitrat (AgNO₃), Ammoniumchlorid Erfindung beschrieben werden.

(NH₄CI), Indiumsulfat [In₂(SO₄J₃] oder Scan- Die Aktivierung der neutronenaktivierbaren Fluids

diums.ulfat [Sc₂(SO₄)J bzw. eine Mischung von ao beginnt, sobald dieses in den Reaktorkern eintritt, zwei oder mehreren dieser Lösungen verwendet Die durch die Aktivierung erzeugten radioaktiven wird. Kerne zerfallen gemäß einem Exponentialgesetz.

Wenn deshalb das neutronenaktivierbare Fluid den Ausgang des Reaktorkerns in einer Zeitdauer er-

as reicht, die ein Vielfaches seiner Halbwertszeit ist,

dann ist die in dem Fluid in der Nähe des Eingangs des Reaktorkerns erzeugte Radioaktivität wesentlich

Die Eiündung betrifft ein Verfahren gemäß dem geschwächt und kann am Ausgang des Reaktorkerns Oberbegriff des Anspruchs 1. kaum noch gemessen werden. So stellt die am Aus-

Bei einem derartigen bekannten Verfahren (vgl. 30 gang des Reaktorkerns gemessene Radioaktivität im DT-AS 1162 008) wird als das neutronenaktivier- wesentlichen den dem Ausgang des Reaktorkerns bebare Fluid gasförmiges Argon verwendet, das zu nachbarten Teil mit ihrem Wert dar. Deshalb muß 99,6 °/o aus dem Isotop 40 besteht, welches durch das neutronenaktivierbare Fluid mit einer hohen Ge-Neutronenbestrahlung in das Isotop Ar 41 umgewan- schwindigkeit strömen, um durch die in dem Fluid in delt wird, das eine Halbwertszeit von 1,8 h hat. Wenn 35 einem Teil in der Nähe des Eingangs zum Reaktordort die Gasgeschwindigkeit durch den Reaktorkern kern erzeugte Radioaktivität zu messen,
plötzlich geändert wird, wird ein neuer stetiger Wert Wenn das neutronenaktivierbare Fluid mit großer

des Zustande für den integrierten Neutronenfluß er- Geschwindigkeit durch den Kreis strömt, dann stellt halten. Der Übergang zwischen dem ursprünglichen die am Ausgang des Reaktorkerns gemessene Radio-Aktivitätsniveau (wie an einem Registriergerät ange- 40 akitvität das Integral der in das Fluid an vielen Punkieigt, das durch den Aktivitätsdetektor beliefert wird) ten zwischen dem Eingang und dem Ausgang erzeug- und dem neuen Niveau ergibt die Form des Integrals ten Radioaktivitäten dar. Doch selbst wenn in dem der Neutronenflußverteilung längs der Meßleitung, so Fluid an jedem Punkt dieselbe Radioaktivität erzeugt daß durch Differenzieren der Übergangskurve an der wird, tritt auch jetzt eine stärkere Abschwächung der Aufzeichnung eine axiale Neutronenflußverteilung 45 in den in der Nähe des Eingangs des Reaktorkerns erhalten wird. Ein Tachogenerator, der die Änderung gelegenen Punkten erzeugten Radioaktivitäten auf. der Aktivität mit der Zeit aufzeichnet, fuhrt eine Dif- Wie oben beschrieben wurde, trägt die Neutronen-

ferenzierung der Übergangskurve mechanisch aus. flußverteilung an jedem Punkt im Reaktorkern nicht

Es ist Aufgabe der Erfindung, das Verfahren der einheitlich zu der am Ausgang des Reaktorkerns geeingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, 50 messenen Radioaktivität bei, und die am Ausgang daß die Verfahrensgenauigkeit beträchtlich erhöht gemessene Radioaktivität ändert sich abhängig von wird. der Geschwindigkeit, mit der das neutronenaktivier-

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des bare Fluid durch den Reaktorkern strömt.
Anspruchs 1 gelöst. Daher kann die Neutronenflußverteilung im Reak-

Demgegenüber ist es bisher lediglich noch bekannt- 55 torkern genau bestimmt werden, wenn die Neutronengeworden (vgl. DT-OS 15 39 935), in einem System flußverteilung im Reaktorkern durch eine Funktion lur Messung des Neutronenflusses in einem Kern- dargestellt ist, die, wie unten beschrieben, aus η Komreaktor mehrere sich durch den Reaktorkern erstrek- ponenten besteht, und die Unbekannten oder Koeffikende Meßleitungen in geschlossenem Kreislauf mit zienten dieser Funktion durch Messungen ermittelt außerhalb des Reaktorkerns angeordneten Zählern 60 werden.

zur Zählung der von einem durch die Meßleitungen Ganz allgemein kann eine beliebige Verteilung

fließenden, sauerstoffhaltigen Meßströmungsmittel durch eine geeignete Funktion ausgedrückt werden, ausgehenden Gammastrahlungsaktivität anzuordnen. Ein Beispiel für einen solchen Ausdruck ist eine Ent-Zwar entsteht bei der Neutronenbestrahlung des wicklung in eine Fourierreihe mit η Komponenten. Meßströmungsmittels eine Aktivität mit kurzer Halb- 65 Eine solche Entwicklung ist zwar unvollständig, jewertszeit, doch wird mit diesem bekannten System doch können in der Praxis befriedigende Ergebnisse keine Neutronenflußverteilung längs einer Meßleitung auch mit nur endlich vielen Komponenten erzielt bestimmt. werden.

,ι™ λ,,,μ, a· t ι j η · S ™ ^Reaktorkern kann Aktivität an Stelle der Geschwindigkeit v verändert also durch die folgende Gleichung dargestellt werden: wird, mit der das neutronenaktivierbare Fluid durch

= <p_o/oGO + P₁Z₁GO + .-. <p_n J_n (x) ^{den Reaktorkem strömt}' ^da ^m ^der Exponentialfunk-

tionexpi—-Al, außer dem Abstand/des Meßpunk-

.... tes vom Ausgang des Reaktorkerns, sowohl die Ge-_Λ/>^¹ χι ^X ^ei°^e ₀ ^Koordinate im Reaktorkern, schwindigkeit ν des durch den Reaktorkern strömen-Φ(χ) die NeutronenflußverteUung am Punkt χ, _φ, die den und neutronenaktivierbaren Fluids als auch die Amplitude der ι + l-ten Komponente und f,(x) die Zerfallskonstante λ der gemessenen Radioaktivität Verteilungsfunktion dar. Beispielsweise ist /,(*) = io auftritt. Es ergeben sich mit anderen Worten Gleisin ■— κ, wobei L die Höhe des Reaktorkern be- ^chu"gen, die den Gleichungen (2) und (3) ganz ähn-. lieb sind, wenn verschiedene neutronenaktivierbare deutet. Fluide mit verschiedenen Halbwertszeiten an Stelle

Die unbekannten <p, auf der rechten Seite der Glei- von verschiedenen Geschwindigkeiten verwendet wer-

chung (1) können aus der folgenden Gleichung ermit- ₁₅ den, mit denen ein einziges neutronenaktivierbares

telt werden, welche den Zusammenhang zwischen der Fluid durch den Reaktorkern strömt.

Radioaktivität, welche das neutronenaktivierbare Die Koeffizienten der Gleichung (1) können schließ-

Huid am Ausgang des Reaktorkerns blitzt, und der Hch auch dadurch ermittelt werden, daß die Verän-

oescftwmdiglceit angibt, nnt der das neutronenakti- derung der Geschwindigkeit, mit der ein einziges neu-

vierbare Fluid durch den Reaktorkern strömt, vor- 20 tronenaktivierbares Fluid durch den Reaktorkern

ausgesetzt, daß die Radioaktivität des in den Reak- strömt mit dem Gebrauch von verschiedenen neu-

torkern eintretenden Fluids vernachlässigt werden tronenaktivierbaren Fluiden mit verschiedenen HaIb-

^ann' wertszeiten kombiniert wird. Wenn beispielsweise

A(v) = q>₀F₀ (v) + ^₁F (v)... + φ F (ν) ^zwe' Arten von neutronenaktivierbaren Fluiden ver-

"~¹ " ^l (2) ^{25 wendet una} Messungen bei jedem Fluid mit zwei verschiedenen Geschwindigkeitswerten durchgeführt

Dabei bedeutet ν die Geschwindigkeit, mit der das werden, so werden im wesentlichen die gleichen Er-

neutronenaktivierbare Fluid durch den Reaktorkern gebnisse erhalten, wie wenn vier Arten von neutro-

strömt, A (v) die Radioaktivität, welche das neutronen- nenaktivierbaren Fluiden mit konstanter Geschwin-

aktivierbare Fluid am Ausgang des Reaktorkerns be- 30 digkeit durch den Reaktorkern strömen oder wie

sitzt, wenn das Fluid durch den Reaktorkern mit der wenn ein einziges neutronenaktivierbares Fluid mit

Geschwindigkeit ν geströmt ist, und F₁ (v) die in das vier verschiedenen Geschwindigkeiten durch den

Fluid durch die entsprechende Komponente der Neu- Reaktorkern fließt.

tronenflußverteilung erzeugte Radioaktivität. Daher Die für die Messung erforderliche Zeitdauer ist

stellt F₁- (v) die Radioaktivität dar, die am Ausgang 35 um so kürzer je kürzer die Halbwertszeit der betrach-

des Reaktorkerns gemessen wird, wenn das neutronen- teten Radioaktivität ist. Deshalb wählt man die HaIb-

aktivierbare Fluid mit der Geschwindigkeit ν durch wertszeit des neutronenaktivierbaren Fluids vorzugs-

den Reaktorkern fließt und die Neutronenflußvertei- weise so kurz wie möglich, vorausgesetzt, daß das

lung /, (χ) vorliegt. Fluid eine meßbare Strahlung aussendet und leicht

Die einzelnen Terme der Gleichung (2) können 40 gehandhabt werden kann. Radioaktive Stoffe mit

durch Messungen bestimmt werden. Wenn die Mes- einer Halbwertszeit von beispielsweise weniger als

sung n-mal mit veränderter Geschwindigkeit ν des 30 Sekunden umfassen ^38mCl mit einer Halbwertszeit

aurch den Reaktorkern strömenden und neutronen- von 1 Sekunde, ¹¹SmT_{n m};_{t e}j_ner Halbwertszeit von

aktivierbaren Fluids durchgeführt wird, dann ent- 2 Sekunden, ¹¹⁰Ag mit einer Halbwertszeit von 24 Se-

steht ein n-dimensionales Gleichungssystem erster 45 künden und ^{46 m}Sc mit einer Halbwertszeit von 20 Se-

Ordnung mit den unbekannten Koeffizienten <p_t: künden. Vorzugsweise werden diese radioaktiven

A(v) = mF(v\4-_mF(v\4- -ν, ρ λ, ·» Stoffe einzeln oder in einer Mischung in der Form ^OV VoMV + ^!(V₁) + ...^₁F_n.,(V₁) _{von wäßr}._{gen Lösungen jeweils ν}£_{η Si}|_bernitrat

; ; · (AgNO₃), Ammoniumchlorid (NH₄Cl), Indiumsulfat

Λ(ν_η) = .P₀F₀(V_n) + ,P₁F₁(V_n)+...^₁F_n ,(V_n). ⁵° [In₂(SO₄).,] und Scandiumsulfat [Sc^SO^] oder in

T-u υ -r\ iv n/ vn \ n-i\ nj _tm^ Mischung von zwei oder mehreren dieser Lo-

(3) sungen verwendet.

Wenn die Koeffizienten <p₀, φ_ί...φ_α.₁ aus dem In der Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Vor-

Gleichungssystem (3) ermittelt werden und in die richtung zur Messung der Neutronenflußverteilung

Gleichung (1) eingesetzt werden, dann kann die Neu- 55 dargestellt. Ein Schutzrohr 6 erstreckt sich durch

tronenflußverteilung im Reaktorkern bestimmt wer- einen Reaktorkern 1 in einer Richtung, in der die

den. Eine Verbesserung der Genauigkeit der Mes- Messung der Leistungsverteilung vorgenommen wird,

sung kann erzielt werden, wenn die einzelnen Mes- Im Schutzrohr 6 liegt ein Rohr 7 mit einem konstan-

sungen η-mal durchgeführt werden und die Methode ten Innendurchmesser in der dargestellten Weise. In

der kleinsten Quadrate auf die Ergebnisse der Mes- ^6o d^r oben beschriebenen Art strömt ein Fluid durch

sung angewandt wird. das Rohr 7 und wird durch eine Pumpe 12 um-

Die Geschwindigkeit des neutronenaktivierbaren gewälzt. Die Radioaktivität, die das neutronenakti-

Fluids wird verändert, um den Anteil der Bereiche vierbare Fluid besitzt, bevor es mit den Neutronen

der Neutronenflußverteilung an verschiedenen Punk- bestrahlt wird, wird von einem Gammastrahlendetek-

ten im Reaktorkern in bezug zu der am Ausgang des 65 tor 13 erfaßt, während die im neutronenaktivierbaren

Reaktorkerns gemessenen Radioaktivität zu ändern. Fluid erzeugte Radioaktivität nach der Bestrahlung

Das gleiche Ergebnis kann auch dadurch erhalten mit Neutronen auf Grund des Durchgangs durch den

werden, daß die Zerfallskonstante λ der beobachteten Reaktorkern 1 mit einem Gammastrahlendetektor 8

S"

erfaßt wird. Die Geschwindigkeit des neutronenakti- Pumpe 12 startet, und ein Signal, das am Ende der

vierbaren Fluids, d. h., die Geschwindigkeit, mit der Messung die Pumpe 12 ausschaltet,

das neutronenaktivierbare Fluid durch den Reaktor- Ein Rekombinationsglied 10 ist so angeordnet, daß

kern strömt, wird mit dem Strömungsmesser 9 ge- die durch die Radioaktivität erzeugten zerfallenen

messen. 5 Gase leicht aus dem Rohr 7 entfernt oder in dieses

Wenn die Geschwindigkeit des neutronenaktivier- eingeführt werden können. Zur Steuerung der Konbaren Fluids auf verschiedene Werte eingestellt und zentration und wegen der Abschwächung der Radiodie Radioaktivität bei jeder Geschwindigkeit gemes- aktivität ist ein Vorratsbehälter 11 vorgesehen. Der sen wird, dann können die Unbekannten oder Koeffi- Vorratsbehälter 11 dient zur Einstellung der Konzenzienten φ_ο,φ₁···φ_η-ι ™^ι Hilfe des n-dimensionalen io tration des neutronenaktivierbaren Fluids, so daß da-Gleichungssystems erster Ordnung oder durch die durch eine geeignete Empfindlichkeit erzielt wird. Er Methode der kleinsten Quadrate, wie oben beschrie- bewirkt beispielsweise eine Abnahme der Konzenben, ermittelt werden, so daß die Leistungsverteilung tration, wenn die Neutronenflußdichte hoch ist, und im Reaktorkern 1 bestimmt ist. eine Zunahme, wenn die Neutronenflußdichte niedrig

Ein zentrales Steuerglied 14 umfaßt Einrichtungen, 15 ist. Im Vorratsbehälter 11 wird weiterhin das neutro-

um als Eingangsdaten die oben beschriebenen Neu- nenaktivierbare Fluid für eine ausreichende Zeitdauer

tronenflußverteilungsf unktion, den Geschwindigkeits- zurückgehalten, bevor es wieder in den Reaktorkern 1

wert des neutronenaktivierbaren Fluids, der durch fließt, so daß die Radioaktivität des neutronenakti-

den Strömungsmesser 9 gemessen wird, und den Wert vierbaren Fluids vernachlässigbar klein gemacht wer-

der Radioaktivität des Fluids zu erfassen, der vom 20 den kann, bevor das Fluid wieder zur nächsten Mes-

Gammastrahlendetektor 8 am Ausgang des Reaktor- sung in den Reaktorkern 1 strömt,

kerns 1 gemessen wird. Weiterhin umfaßt das zen- In F i g. 2 ist eine mit Hilfe der zuvor beschriebenen

trale Steuerglied 14 Datenverarbeitungseinrichtungen, Vorrichtung erhaltene axiale Neutronenflußverteilung

um die Eingangsdaten mit dem Wert der durch den im Reaktorkern aufgetragen. Bei dieser Messung war

Gammastrahlendetektor 13 erfaßten Radioaktivität, 25 das neutronenaktivierbare Fluid eine wäßrige Lösung

bevor das Fluid der Neutronenbestrahlung ausgesetzt von Silbernitrat (AgNO₃), die Verteilungsfunktion in

wird, zu kompensieren. Es sind auch Einrichtungen Gleichung (1) war /, = cos ψ-χ{ϊ = 0, 1, 2, 3), und

vorgesehen, die abhängig von der Aktivierung der L-

Komponenten der Neutronenflußverteilung die Ge- die Geschwindigkeit des durch den Reaktorkern strö-

schwindigkeit als Funktion auf der Basis der durch 3° menden Fluids wurde von 0,5 über 0,6 und 0,7 zu

die Datenverarbeitungseinrichtungen gelieferten Da- 0,8 cm/sec verändert.

ten ermitteln und so simultane Gleichungen vorberei- Obwohl beim vorangegangenen Ausführungsbei-

ten. Weiterhin umfaßt das zentrale Steuerglied 14 Ein- spiel die Neutronenflußverteilung in axialer Richtung

richtungen, die die simultanen Gleichungen auflösen des Reaktorkerns gemessen wird, kann sie selbstver-

und die Unbekannten in diesen Gleichungen, die ent- 35 ständlich auch in radialer Richtung gemessen wer-

sprechend vorbereitet wurden, ermitteln. Daraus er- den, wozu das Rohr 7 lediglich radial ausgerichtet

geben sich die Amplituden der Komponenten der werden muß.

Neutronenflußverteilung. Auch sind im Steuerglied 14 Aus der vorangehenden Beschreibung folgt, daß

noch Einrichtungen vorgesehen, die die resultierende die Bestrahlung eines neutronenaktivierbaren Fluids

Neutronenflußverteilung auf der Grundlage der Da- 40 und die Messung der darin erzeugten Radioaktivität

ten ermitteln, die durch die Auflösung der Gleichung kurz hintereinander durchgeführt werden können,

erhalten wurden und die damit die die Neutronen- Dies ist vorteilhaft, da dadurch die für die Messung

flußverteilung festlegende Funktion bestimmen. Wei- der Neutronenflußverteilung erforderliche Zeit gering

terhin umfaßt das zentrale Steuerglied 14 Einrich- ist. Die Anzahl der Messungen der Radioaktivität

tungen, die die Ergebnisse an ein Sichtgerät 15, das 45 und die für die Messung erforderliche Zeit können

beispielsweise ein Schreiber oder eine Kathodenstrahl- weiterhin dann noch verkürzt werden, wenn eine ge-

röhre sein kann, weitergeben, und Einrichtungen, die eignete Verteilungsfunktion in Gleichung (1) ausge-

Signale liefern, um die Geschwindigkeit des neutro- wählt wird.

nenaktivierbaren Fluids zu steuern. Dies kann bei- Die Erfindung kann auf Kernreaktoren der ver-

spielsweise ein Signal sein, das die Geschwindigkeit 50 schiedensten Typen, einschließlich der thermischen

des durch den Reaktorkern 1 strömenden Fluids an- Reaktoren und der schnellen Brüter, angewandt

dert, ein Signal, das bei Beginn der Messung die werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 . Vorzugsweise ist die Halbwertszeit des erfindungs- Patentansprucne: gemäß verwendeten neutronenakitivierbaren Fluids

1. Verfahren zur Bestimmung der Neutronen- kürzer als 30 s.

fiußverteilung in einem Reaktorkern längs einer In einem derartigen Fall beträgt die Zeit zur Be-

Meßleitung, die von einem neutronenaktivier- 5 Stimmung der Neutronenflußverteilung nur einige Mibaren Fluid durchströmt wird, wobei außerhalb nuten bis höchstens einige zehn Minuten,
des Reaktorkerns die erzeugte Aktivität in Ab- Eine Weiterbildung der Erfindung erfolgt durch die

hängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Lehre des Anspruchs 3.

Fluids durch die Meßleitung gemessen wird, da- Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher

durch gekennzeichnet, daß das Fluid so to erläutert. Es zeigt

ausgewählt wird, daß die Halbwertszeit bzw. -zei- Fig. 1 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur

ten der erzeugten Aktivität kurz sind. Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens