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Vorrichtung zum Nachweis radioaktiver Spaltprodukte Die vorliegende
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachweis gasförmiger radioaktiver Spaltprodukte
mit einem Szintillation-Gamma-Strahlungsdetektor oder einem Zählrohr.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Feststellung
von Hüllrohrschäden an Kernreaktor-rennstäben geeignet. Diese Schäden machen sich
zunächst durch das Entweichen geringer engen gasförmiger radioaktiver Zerfallsprodukte
des Kernbrennstoffes aus dem diesen umgebenden Hüllrohr bemerkbar, insbesondere
verschiedener Isotope des Xenons. Diese Spaltprodukte entweichen beispielsweise
über ein flüssiges Künlmittel in die Reaktorschutzgasatmdsphäre, und es ist bekannt,
aus dieser in gewissen Abständen Proben zu entnehmen, die auf ihren Gehalt an radioaktiven
Spaltprodukten untersucht werden. Da eine Freisetzung größerer Mengen radioaktiver
SpaLtprodukte vermieden werden muß, um eine Verseuchung der gesamten Anlage zu verhindern,
ist es wünschenswert, solche Hüllrohrschäden in ihrem Anfangsstadium festzustellen,
zumal die Gefahr besteht, daß stärker l-eschädigte Brennstäbe lie Sühlmittelzirtculation
in dem be--reffenden 3rennelement behindern und zu dessen Überhitzung ühren können.
Demgemä ist es von großer Bedeutung, den Nachweis von aus solchen beschädigten Brennelementen
stammenden Spaltprodukten in möglichst kurzer Zeit zu führen.
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Ferner ist es wunschenswert, die Vorrichtungen zum Nachweis von Spaltprodukten
leicht zugänglich, d.h. außerhalb des eigentlichen Reaktors und seiner Abschirmung
anzuordnen, um die Strahlenbelastung in der Nachbarschaft der Vorrichtungen möglichst
klein zu halten.
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Der Nachweis der Spaltprodukte kann beispielsweise mit einer Vorrichtung
erfolgen, wie sie in der DT-OS 2 131 097 beschrieben ist, in der die festen Folgeprodukte
gasförmiger Spaltprodukte auf elektrostatischem Wege in einer Kammer niedergeschlagen
werden, die mit Gas aus der Reaktorschutzgasatmosphäre gefüllt ist. Derartige elektrostatische
Abscheider haben jedoch den Nachteil, daß infolge der verhältnismäßig starken Untergrundstrahlung
des Reaktors chutzgas es selbst geraume Zeit vergeht, bis sich eine für den Nachweis
ausreichende enge angesammelt hat. Auch reagiert ein solches Nachweis gerät nur
mit erheblicher Verzögerung auf plötzliche änderungen des Gehaltes an Spaltprodukten,
wodurch ein rasches Erkennen plötzlich auftretender Hüllrohrschäden erschwert wird.
Darüberhinaus ist eine verhältnismäßig schwere Abschirmung erforderlich, um die
an die Umgebung abgegebene Strahlung in vertretbaren Grenzen zu halten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte Vorrichtung
zum Nachweis radioaktiver Spaltprodukte, die sa empfindlich ist, daß bereits geringe,
von einer kleinen Leckage in einem Brennstab-Hüllrohr herrührende Mengen solcher
Spaltprodukte mit Sicherheit und innerhalb kurzer Zeit nachgewiesen werden können.
So soll beispielsweise in einem Brennstab-Hüllrohr eine Leckstelle mit einem Querschnitt
von 0,2 mm2 innerhalb von 1,5 blinuten nachweisbar sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Strahlungsdetektor
vo einer Anordnung zur selektiven Verzögerung der in einem Gasstrom mitgeführten
Spaltprodukte umgeben ist
Dies führt dazu, daß in der Umgebung des
Strahlungsdetektors der-Anteil der gesuchten Spaltprodukte soweit erhöht wird, daß
er einen merklichen, über die Wirkung der Hintergrundstrahlung hinausgehenden Einfluß
auf die Zählrate des Strahlungsdetektors hervorruft. Durch die Anordnung des Strahlungsdetektors
inmitten der Verzögerungsanordnung wird erreicht, daß ein erheblicher Teil der von
den Spaltprodukten herrührenden Strahlung (ca. 40t) tatsächlich den Strahlungsdetektor
erreicht und die Verluste an die Umgebung entsprechend gering gehalten werden.
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In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß
die Verzögerungsanordnung aus einem wendelförmig um den Strahlungsdetektor geführten,
Aktivkohle enthaltenden Rohr besteht. In einem solcnen mit Aktivkohle gefüllten
Rohr finden die Spaltprodukte eine ausreichende Verzögerungsstrecke vor, da bei
Raumtemperatur das vorzugsweise zum Nachweis von Hüllrohrschäden verwendete Xenon
einen etwa 300mal stärkeren Adsorptionskoeffizienten in Aktivkohle als Argon hat,
das beispielsweise in flüssigmetallgekühlten Kernreaktoren bevorzugt als Schutzgas
verwendet wird, sodaß die Strahlung des Schutzgases ohne merklichen Einfluß auf
das Meßergebnis bleibt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung spricht innerhalb weniger Sekunden
auf Anderungen-in der Spaltproduktkonzentration an, und erreicht nach ca. 2 Minuten
einen Gleichgewichtszustand.
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Damit ist gewährleistet, daß die aus einem Brennstabhüllrohrschaden
herruhrende plötzliche Erhöhung der Spaltproduktkonzenration einwandfrei von einer
durch Anderung der Leistung des Reaktors hervorgerufenen änderung unterschieden
wird, die auf die sogen. Tramp-Kontamination zuriickgeht, d.h auf die Freisetzung
von Spaltprodukten aus unvermeidlicherweise an der Außenwand des Hüllrohres haftenden
Brennstoffpartikeln, E-.n Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und zwar zeigt
Figur 1 eine schematische Übersicht der
gesamten Vorrichtung und Figur 2 in vergrößertem Maßstab denjenigen Teil derselben,
in dem die eigentliche Messung stattfindet und Figur 3 in abermals vergrößertem
Maßstab eine Einzelheit der Figur 2.
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In einer Leitung 1, die zum Schutz vor Störstrahlung hinter einer
Abschirmwand 2 angeordnet ist strömt das Gas, dessen Gehalt an radioaktiven Spaltprodukten
bestimmt werden soll und das beispielsweise aus der Schutzgasatmosphäre eines hier
nicht dargestellten Kernreaktors stammt. Von der Leitung 1 zweigt eine weitere Leitung
3 ab> die durch ein gegebenenfalls fernbetätigtes Ventil 4 absperrbar ist. Über
ein Reduzierstück 5 ist die aus Sicherheitsgründen verhältnismäßig dickwandige Leitung
3 mit einer weiteren Leitung 28 geringeren Durchmessers verbunden. Durch diese Querschnittsverminderung
wird die Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung 28 erhöht, was zur Verringerung
der Transportzeit und damit zu einem schnelleren Ansprechen des Gerätes beiträgt.
Vermittels einer Kühivorrichtung 6, vorzugsweise einer Luftkühlung, wird das in
der Leitung 28 strömende Gas etwa auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend
der eigentlichen Meßvorrichtung 8 zugeführt, wobei der Gas durchs atz durch ein
Strömungsmeßgerät 7 überwacht und vermittels eines Regelventils 16 den Erfordernissen
angepaßt werden kann. Die Meßvorrichtung 8 ist in einem Behälter 9 angeordnet, der
durch weitere Leitungen 10 und 11 belüftet werden kann. Nach dem Verlassen der Meßvorrichtug
8 strömt das Gas durch eine weitere Leitung 12 ab, und zwar üblicherweise über einen
hier nicht dargestellten Kamin in lie Atmosphäre. Die Stromversorgung der Meßvorrichtung
8 erfolgt über ein durch die Wand des Behälters 9 geführtes Kabel 13.
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Um die Meßvorrichtung 8 nach Gebrauch van darin zurückgehaltenen Spaltprodukten
reinigen zu können, kann über eine weitere, vermittels eines weiteren Ventils 15
absperrbare Leitung 14 Spülgas
aus einem Behälter 29 in die Leitung
28 eingeführt werden.
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Zur Sicherung der Vorrichtung gegen Oberdruck ist ein ebenfalls in
die Leitung 12 abblasendes Sicherheitsventil 27 vorgesehen. Der Überdruck im Bereicn
der Leitung 28 und der evorrichtung 8 wird zweckmäßigerweise auf etwa 1,5 Bar begrenzt.
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Die Meßvorrichtung 8 ist in der Figur 7 näher dargestellt, und zwar
bestent sie aus einem Gehäuse 17, das zweckmäßigerweise aus Aluminium hergestellt
ist, um einen möglichst ungehinderten Durchgang der Strahlung zu gewährleisten.
Die Leitungen 28 und 12 sind vermittels druckfester Verbindungsstücke 18 (Fig. 3)
mit einem wendelförmig um das Gehäuse 17 geführten Rohr 19 aus Kupfer oder rostfreiem
Stahl verbunden.- Das Rohr 19 enthält Aktivkohle, wobei sich eine Korngröße von
400 Mikrometern und eine Dichte von ca. 0,05 g/cm3 als besonders zweckmäßig erwiesen
haben. Als gäsdurchlässiger Stopfen ist an beiden Enden des Rohres 19 nicht adsorbierende
Glaswolle 21 eingebracht, und zur Zurückhaltung grober Verunreinigungen im Gasstrom
ist ein Filter 22 aus rostfreier Preßstahlschlacke vorgeschaltet. Infolge der höheren
Adsorptionsfähigkeit der Aktivkohle 20 für Isotope des Xenons werden diese, soweit
sie in einem Strom von Argongas mitgeführt werden, in ersterer verzögert, d.h. in
einem Maße angereichert, daß die vQn ihnen ausgehende Strahlung erheblich stärker
als die des Argons wird.
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Diese Gamma-Strahlung wird in bekannter Weise (Fig. 2) vermittels
eines Szintillationsdetektors 23, beispielsweise eines Natrium-Jodid-Kristalls nachgewiesen.
Die in dem Detektor 23 hervorgerufenen Szintillationen werden mittels eines Fotovervielfachers
24 verstärkt und einem außerhalb des Gehäuses 9 angordneten Diskriminator 25 zugeführt.
Dieser Diskriminator läßt sich in bekannter Weise auf Strahlung bestimmter Energiebereiche
(sogen. "Fenster") einstellen. Bei einem während der Anfahrphase der Brennelemente
auftretenden Hül lrohrs chaden werden hauptsächlich Xenon135 und in geringerem Maße
Xenon133 auftreten, so daß eine Einstellung des Diskriminators auf einen Energiebereich
von 0,2 MeV bis 0,5 MeV zweckmäßig ist. Mit
fortschreitendem Zerfall
des Reaktorbrennstoffes wird vo,-133 zugsweise Xe gebildet, so daß im späteren Betrieb
eine Einstellung des Diskrimlnators auf einen Energiebereich von 0,07 MeV bis zu
0,09 MeV zweckmäßig ist.
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Bei Verwendung eines Natrium-Jodid-Kristalls in Form eines Würfels
von ca. 50 mm hantenlänge und eines handelsüblichen Fotovervielfachers braucht das
Gehäuse 17 und damit das Meßgerät 8 die Abmessungen von 70 mi Durchmesser x 320
mm nicht zu überschreiten. Bei Verwendung einer Rohrwendel 1@ aus einem Rohr mit
3 mm lichtem Durchmesser und 1 mm Wand-3 starke ist der Inhalt der Rohrwendel so
gering (ca. 13 cm daß auch bei einem z.B. 2000 µCi/s freisetzenden BrennstoEfhüllrohrschaden
in einem Abstand von 1 m von der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung nur eine Strahlenbelastung
auftritt, die geringer als 10 2 mr/h ist.