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Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung thermisch
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spaltbarer Nuklide in ausgedehnten Proben Gegenstand der Erfindung
ist eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung thermisch spaltbarer Nuklide
in großvolumigen, in einer Richtung beliebig ausgedehnten Proben; insbesondere in
Reaktorbrennelementen für Leichtwasser-, Schwerwasser-Reaktoren und Brüter, in Brennstäben
und in spaltmaterialhaltigen Dosen. Die Vorrichtung soll für unbestrahltes sowie
für bestrahltes abgebranntes Material gleichermaßen geeignet sein, wobei sich der
Fortschritt besonders aus der Anwendung auf bestrahltes Material ergeben wird.
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Es sind verschiedene Vorrichtungen zur zerstörungsfreien Spaltstoffbestimmung
in unbestrahltemMaterial bekannt. Außerdem wurde für die zerstörungsfreie Spaltstoffbestimmung
in bestrahltem abgebranntem Material vom Erfinder eine Vorrichtung angegeben und
erprobt (Report Jü1-1046-CT (1974), TANSAO 20 (1975) 341), die auf kleine Proben
beschränkt bleibt. Hierbei werden bei der Nachbestrahlung der Proben mit Neutronen
der niederenergetischen Sb-Be Neutronenquelle höherenergetische Spaltneutronen erzeugt
und diese auf Grund ihrer unterschiedlichen Energie mit Hilfe ihres Transportverhaltens
in für thermische Neutronen vergiftetem wasserstoffhaltigen Material bevorzugt nachgewiesen.
Hierbei wird der Nachweis durch radioaktive Spaltprodukte nicht oder nur unerheblich:
beeinträchtigt und gelingt daher auch bei bestrahltem Material.
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Bei der bekannten Anordnung für kleine Proben muß die Probe jedoch
ins Innere einer hohlzylinderförmigen Neutronenquelle gebracht werden und Probe,
Quelle, Neutronentransportweg und Neutronenzählerwerden gemeinsam von einem geschlossenen
Abschirmfaß umgeben. Wegen dieser kompakten Bauweise ist der genannte Aufbau nur
für kleine Proben begrenzter Länge, z.B.
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für Kugeln von 6 cm ß geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei kleinen Proben erfolgreich
erprobte zerstörungsfreie Spaltstoffbestimmung in bestrahltem Material auf ausgedehnte
Proben zu übertragen, um in bestrahlten Brennelementen den Spaltstoffgehalt zerstörungsfrei
zu bestimmen.
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Bei der erfinderischen Lösung der Aufgabe wird der Bestrahlungsbereich
für die Meßproben vom Bereich der Neutronenquelle und dem Detektorbereich räumlich
klar getrennt und die drei genannten Bereiche werden nicht meht von einer gemeinsamen
Abschirmung umschlossen. Dadurch wird der Bestrahlungsbereich von der Seite her
frei zugänglich für beliebig lange Proben wie Brennelementbündel. Die notwendigen
Abschirmungen werden am Quellbereich und am Detektorbereich vorgenommen. Außerhalb
des Bestrahlungsbereichs befindet sich die niederenergetische Neutronenquelle, vorzugsweise
vom Typ Sb-Be. Sie bildet gegebenenfalls mit ihren Abschirmungen den Quellbereich,
der den zur Anregung der Kernspaltungen benötigten Strom der Quellneutronen in den
Bestrahlungsbereich emittiert. Voraussetzung für den erfindungsgemäßen Nachweis
der Spaltneutronen im Detektorbereich ist ein großer Energieunterschied zwischen
den Spaltneutronen (En = 2 MeV) und den Quellneutronen, bei Sb-Be En = 24 KeV.
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Deutlich getrennt vom Quellbereich und Bestrahlungsbereich ist der
Detektorbereich, dessen erfindungsgemäßer Aufbau in Verbindung mit der niederenergetischen
Neutronenquelle den erforderlichen Nachweis der Spaltneutronen ermöglicht, indem
die Quellneutronen und die zum Nachweis des spaltbaren Materials dienenden Spaltneutronen
zuerst eine wasserstoffreiche Neutronen-Transportschicht 9 kritischer Dicke durchdringen
müssen, die entweder selbst thermische Feutronenabsorber enthält, oder durch eine
konzentrierte Absorptionsschicht 12 für thermische Neutronen gegen die anschließende,
von zusätzlichen Neutronenabsorbern freie Moderatorschicht 11 abgeschlossen ist,
die zur Aufnahme der Neutronendetektoren 13 dient Die angegebene Kombination von
wasserstoffreicher Transportschicht und thermischen Neutronenabsorbern bewirkt eine
unterschiedliche Schwächung der Quellneutronen und der Spaltneutronen, bevor die
hindurchgedrungenen Neutronen unterschiedslos von den Detektoren der lQoderatorschicht
11 nachgewiesen werden.
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Bei einer Neutronen-Transportschicht aus Wasser oder Polyäthylen von
15 cm Dicke und einer anschließenden Absorptionsschicht aus 0,5 mm dickem Cd-blech
ist eine Schwächung des Neutronenstroms der Sb-Be Quelle um den Faktor 106 des Spaltneutronenstroms
jedoch nur um den Faktor 30 zu erwarten. Da sich das Verhältnis der Schwächungen
bei größeren Schichtdicken nicht mehr wesentlich verbessert, ist die angegebene
Schichtdicke weitgehend optimal.
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Der soeben beschriebene Detektorbereich ermöglicht den bevorzugten
Nachweis von Spaltneutronen, die in ausgedehnten spaltstoffhaltigen Proben entstanden
sind. Durch die dabei mögliche Wahl einfacher strahlungsunempfindlicher Neutronendetektoren
gelingt die Bestimmung auch in Gegenwart strahlender Spaltprodukte und dadurch wird
erstmals die zerstörungsfreie Spaltstoffbestimmung in abgebranntem ausgedehntem
Material möglich.
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Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, den Detektorbereich
nach allen Seiten hin gegen Streuneutronen abzuschirmen, wobei in Richtung der ankommenden
Streuneutronen erst eine Moderatorschicht und dann eine Absorberschicht zweckmäßig
ist. Weiterhin ist es zweckmäßig, die Emission der Neutronenquelle in andere als
die Probenrichtung zu unterbinden, da auch hierdurch der allgemeine Streuneutronenuntergrund
gesenkt wird. Schließlich kann es die Beschaffenheit der Probe zweckmäßig erscheinen
lassen, thermische Neutronen bei der Bestrahlung zu vermeiden. Eine derartige Veränderung
des Quellneutronenstroms wird durch eine die thermischen Neutronen absorbierende
Schicht am Quellbereich bewirkt. Weiterhin ist es für die optimale Gestaltung der
Vorrichtung zweckmäßig, die Größe des freigehaltenen Bestrahlungsraums der jeweils
erwarteten Probengröße anzupassen.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel liegen darüberhinaus
der Quellbereich, der Bestrahlungsbereich und der Detektorbereich in gerader Linie
hintereinander.
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Die Bezugsziffefn der Fig. 1 haben folgende Bedeutung.
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1 ist die Antimonquelle, die zuvor im Reaktor zur Erzeugung von Sb-124
bestrahlt wurde. Nach einer Abklingzeit von ca.
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30 d ist das störende kurzlebige Sb-122 zerfallen. Die Radioaktivität
des Sb-124 kann 100 Ci betragen.
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2 ist ein Hohlzylinder aus beryllium, der die Sb-Quelle umschließt
und in dem der (t,n)-ProzeB zur Erzeugung der Quellneutronen stattfindet. 1 und
2 bilden gemeinsam die Sb-Be-Photoneutronenquelle.
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3 ist der seitliche Reflektor der Neutronenquelle. Wasserstoffhaltiges
Reflektormaterial moderiert die Quellneutronen zusätzlich. Blei schirmt zusätzlich
die t-Strahlung ab.
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4 ist die neutronenabsorbierende Schicht um den Reflektor der Neutronenquelle,
z.B. Borax oder Cadmium. Sie unterbindet den Austritt von moderierten Quellneutronen
in andere als die Bestrahlungsrichtung und verringert dadurch den allgemeinen Streuneutronenuntergrund
in der Umgebung und am Zähler.
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5 ist die Öffnung der Neutronenquelle in Richtung zum Bestrahlungsbereich,
durch den der für die Bestrahlung nutzbare Neutronenstrom fließt. Bei Bestrahlungen
mit epithermischen Neutronen wird in Kombination mit 4 die Öffnung zum Bestrahlungsbereich
mit Cd belegt.
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Die Ziffern 1 - 5 bilden den Bereich der Neutronenquelle.
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6 ist ein würfelförmiges Gestell, das zwischen dem Quellbereich und
dem Detektorbereich den benötigten Bestrahlungsbereich für die Proben offenhält.
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7 ist der offene Bestrahlungsbereich, in den die zu untersuchenden
Proben, z.B. Brennelementbündel gebracht werden.
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8 soll eine Probe im Bestrahlungsbereich darstellen
Die
Ziffern 6 - 8 beschreiben den Bestrahlungsbereich der Vorrichtung.
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9 ist die quellseitige Neutronen-Transportschicht aus wasserstoffreichem
Material, wie z.B0 Wasser oder Polyäthylen, die zusätzliche Neutronenabsorber wie
Borsäure enthalten kann.
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10 sind seitliche und obere Hoderatorschichtenzur Abbremsung unerwünschter
schneller Streuneutronen vor dem Zählbereich. Sie können eine vergleichbare Zusammensetzung
wie 9 haben.
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11 ist die oderatorschicht, in die die Neutronenzähler eingebettet
werden. Diese Schicht enthält keine zusätzlichten Neutronenabsorber, sondern besteht
z.B. aus reinem Wasser oder reinem Polyäthylen. Die Rohre oder Bohrungen, die in
diese Schicht führen, dienen zur Aufnahme der Neutronenzähler.
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12 ist die Schicht zur Absorption der thermischen Neutronen, z.B.
Cadmiumblech, die den Moderatorbereich 11 allseitig mit Ausnahme der Bohrungen umgibt.
Sie unterbindet de Diffusion von thermischen Neutronen aus der Transportschicht
9 und den Moderatorschichten 10 in die Moderatorschicht 11.
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13 sind die Detektoren zum Nachweis moderierter Neutronen, z.B. BF3
Zählrohre, borbeschichtete Zählrohre, 3He Rohre oder Spaltkammern.
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Die Ziffern 9 - 13 bilden den Detektorbereich.