DE2729210C2

DE2729210C2 - Neutronennachweiseinrichtung mit einem aus einer Spaltionisationskammer und einer Gammakompensationskammer bestehenden Neutronendetektor

Info

Publication number: DE2729210C2
Application number: DE2729210A
Authority: DE
Inventors: William Harold Elmira Heights N.Y. Todt sen.
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-07-07
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1987-02-26
Also published as: GB1589434A; FR2357915B1; DE2729210A1; US4086490A; JPS536796A; FR2357915A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Neutronennachweiseinrichtung, mit einem Neutronendetektor, der aus einer Spaltionisationskammer, die innerhalb eines Gehäuses koaxial eine erste Hochspannungselektrode, innerhalb welcher koaxial eine zweite Elektrode angeordnet ist, aufweist, und einer Gammakompensationskammer, deren eine Elektrode durch die zweite Elektrode der Spaltionisationskammer gebildet ist und deren weitere Elektrode eine zentral innerhalb der zweiten Elektrode angeordnete Elektrode ist, besteht, und mit einer Anordnung, die den Neutronendetektor bei hohem Neutronenflußpegel in einer Gleichstrombetriebsart betreibt.
Eine derartige Neutronennachweiseinrichtung ist aus der US-PS 33 11 770 bereits bekannt.
Neutronennachweiseinrichtungen dienen z. B. zum Nachweis von thermischen Neutronenflüssen bei der Überwachung von Kernreaktoren, insbesondere Leichtwasserkernreaktoren. Dabei ist es notwendig, einen Neutronenfluß in dem Bereich von 1 bis 10¹⁰ N/cm²×sec erfassen zu können. In der Vergangenheit hat es sich nun als erforderlich erwiesen, eine größere Zahl von verschiedenen Neutronendetektoren einzusetzen, um diesen, bei typischen Leichtwasserkernreaktoren interessierenden Bereich abzudecken. Bisher wurde dabei derart vorgegangen, daß für die hohen Neutronenflußpegel eine erste Art von Ionisationskammer eingesetzt wurde, die eine Gleichstrombetriebsart anwendet, während für die niedrigen Neutronenflußpegel eine andere Art von Ionisationskammer benutzt wurde, bei der ein Proportionalzählerdetektor der Impulsbetriebsart eingesetzt ist. Die Ionisationskammer kann dabei gammakompensiert sein, um die Genauigkeit des Signalspegels zu verbessern.
Zur Messung eines Neutronenflusses kann eine gasgefüllte Ionisationskammer dienen, bei der durch die Kammer hindurchdringende thermische Neutronen mit spaltbarem Material reagieren, das in der Vorrichtung angeordnet ist. Bei dem spaltbaren Material kann es sich z. B. um Uran 235 handeln. Die durch die Reaktion mit den thermischen Neutronen freigesetzten Spaltprodukte ionisieren das Füllgas, woraus sich der Nachweis eines Impulssignals bei kleinen Flußpegeln ergibt, während ein durchschnittlicher Gleichstrompegel bei hohen Flußpegeln gemessen wird. Die Gleichstrombetriebsart eines derartigen Neutronendetektors ist infolge von Sättigungseigenschaften des Detektors auf einen Wert von maximal 10¹⁰ N/cm²×sec begrenzt, während der minimal nachweisbare Neutronenflußpegel in der Gleichstrombetriebsart gewöhnlich bei etwa 10⁶ N/cm²×sec liegt, bedingt durch den Gleichstrom-Alphasignal-Hintergrundstrom in der Kammer. Die Impulsbetriebsart ist bei üblicherweise verwendeten Geräten auf einen oberen Pegel von ungefähr 10⁵ Zählvorgängen pro Sekunde beschränkt, und zwar durch das begrenzte Auflösungsvermögen einzelner Impulse in der Kammer, während der untere Pegel, der bei einem Zählvorgang pro Sekunde liegt, durch Hintergrundstrahlung und/oder durch die Zählstatistik sich ergibt. In der Druckschrift "Nuclear Instruments and Methods", Bd. 116, 1974, 1, Seite 45 bis 53, wird eine solche Spaltionisationsdetektoreinrichtung beschrieben, bei der die Erfassungseinrichtung Impulsraten bis zu 10⁷ pro Sekunde erfassen soll, bei Zählverlusten von 12%. Aus der Fig. 7 dieser Druckschrift ergibt sich jedoch, daß auch hier die Sättigungsgrenze bei 10⁵ Zählvorgängen pro Sekunde liegt. Immerhin wird eine Spaltkammer eingesetzt, deren Impulse bei relativ niedrigen Neutronenflußwerten gezählt werden.
Es zeigt sich somit, daß die beiden Betriebsarten sich nicht überlappen, so daß, um den gesamten interessierenden Betriebsbereich zu erfassen, zwei unterschiedliche Meßeinrichtungen sowie zwei voneinander abweichende Betriebsarten angewendet werden müssen, was sowohl von der Funktionsweise her aufwendig ist, als auch eine wenig kompakte Anordnung erlaubt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Neutronennachweiseinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß nicht nur der gesamte Bereich des Neutronenflusses, der hier interessiert (1 bis 10¹⁰ N/cm²×sec) in einem Betriebsreaktor abgedeckt werden kann, sondern daß gleichzeitig die Anzahl der Bauteile und die Raumerfordernisse möglichst klein gehalten werden.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß innerhalb der Gammakompensationskammer eine bestimmte Menge eines Alphateilchen emittierenden Isotops mit kleinem Neutroneneinfangquerschnitt angeordnet ist und daß die Anordnung, die den Neutronendetektor bei hohem Neutronenflußpegel in einer Gleichstrombetriebsart betreibt, so ausgestaltet ist, daß sie bei niedrigem Neutronenflußpegel den Neutronendetektor in einer Impulszählbetriebsart betreibt.
Hierbei wird mittels des Alphateilchen emittierenden Isotops zum Minimieren der Alphasignaleffekte eine Alphasignalkompensation bewirkt.
Eine weitere Verbesserung läßt sich dadurch erreichen, daß das Alphasignal, das durch die Spaltionisationskammer erzeugt wird, durch Verwendung von Uranoxidspaltmaterial, das an Uran 234 verarmt ist, minimiert wird. Insbesondere sollte gemäß einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung der Gehalt an Uran 234 geringer als 100 ppm sein.
Bei der bereits erwähnten Druckschrift "Nuclear Instruments and Methods" wird zwar in der dort verwendeten Detektoreinrichtung ein Uran der Isotopart 235 (90%) benutzt, jedoch wird nicht deutlich, warum dies geschieht und welche Vorteile es bringt.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt
Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer gammakompensierten Spaltungskammer und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Neutronennachweissystems.
Aus Fig. 2 geht deutlich ein Neutronennachweissystem bzw. eine Neutronennachweiseinrichtung 10 hervor und in Fig. 1 ist in größeren Einzelheiten ein Neutronendetektor 12 der Spaltungsart dargestellt. Der Neutronendetektor 12 der Spaltungsart mit Ionisierungskammer weist ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse 14 auf, das eine isolierte Grundplatte 16 und ein dünnes leitfähiges im allgemeinen rohrförmiges Gehäuse 18 enthält. Innerhalb des Gehäuses 18 ist koaxial eine erste Hochspannungselektrode 20 angeordnet, innerhalb welcher ebenfalls koaxial eine zweite Elektrode 22 angeordnet ist, wobei das zwischen diesen Elektroden vorgesehene Volumen eine Neutronennachweiskammer (Spaltionisationskammer) 24 bildet. Auf der inneren Oberfläche der ersten Elektrode 20 ist eine kleine Menge von spaltbarem Uranoxid 26 vorgesehen. Eine zentral angeordnete Elektrode 28 ist innerhalb einer Gammakompensationskammer 30 vorgesehen, welche durch die zweite Elektrode 22 bestimmt wird. Innerhalb der Gammakompensationskammer 30 ist eine kleine Menge eines Alphateilchen emittierenden Isotops wie z. B. Radium 226 angeordnet, um eine Alphakompensationseinrichtung einstückig mit der Gammakompensationskammer zu schaffen. Das Neutronennachweissystem 10 weist eine positive Spannungsquelle 32 auf, die mit der ersten Hochspannungselektrode 20 verbunden ist. Eine negative Hochspannungsquelle 34 ist mit der zentralen Elektrode 28 verbunden. Das Betriebssignal wird von der zweiten Elektrode 22 abgeleitet, die mit einem Signalvorverstärker 36 verbunden ist. Wenn der Detektor im Bereich eines hohen Neutronenflußpegels betrieben wird, wird eine Gleichstrombetriebsart verwendet und die Signalausgang des Vorverstärkers 36 wird auf ein Gleichstromelektrometer 38 gegeben. Von einem solchen Elektrometer 38 wird ein Stromsignalpegel abgeleitet, der einen Flußpegel thermischer Neutronen anzeigt. Solche Signalpegel sind in Fig. 3 dargestellt. Wenn das Neutronennachweissystem für niedrige Neutronenflußpegelmessungen verwendet wird, wird das System in einer Impulszählbetriebsart betrieben und das Ausgangssignal des Vorverstärkers 36 wird einem linearen Verstärker 40 zugeführt, wobei das verstärkte Signal auf einen Einkanalanalysator 42 und eine Zähler-Zeitgeber-Einrichtung 44 gegeben wird.
Bei dem vorliegenden System wird ein einziger Neutronendetektor der Spaltungsbauart verwendet, der gammakompensiert ist und dessen Alphasignaleffekt möglichst klein gehalten wird, um einen Betrieb des Detektors über den gesamten Bereich von Neutronenflußpegeln zu ermöglichen, die in arbeitenden Reaktoren vorhanden sind.
Man hat erkannt, daß man eine Ausdehnung des unteren Bereichs des Gleichstrombetriebspegels für einen Detektor der Spaltungskammerbauart durch Reduzierung des in dem Detektor vorhandenen Gleichstrom-Alphahintergrund-Strompegels erzielen kann. Der Urangehalt der Spaltungskammer besteht normalerweise aus vier natürlich radioaktiven Isotopen des Urans. Der größte Anteil des Urans liegt als Uran 235 vor mit einem mäßigen Gehalt an Uran 238 und sehr kleinen Mengen an Uran 234 und Uran 236. Es ist festgestellt worden, daß Uran 234 hauptsächlich zu den Alphahintergrundstrompegeln beiträgt aufgrund seiner relativ kurzen Halbwertzeit (2,47×10⁵ Jahre) verglichen mit den anderen vorhandenen Uranisotopen. Das Uran 234-Material hat einen Spaltungsschwellwert von ungefähr 0,1 MEV und ist daher nicht sehr zweckmäßig zum Nachweis von thermischen Neutronen. Es hat sich daher als sehr wünschenswert herausgestellt, den Gehalt an Uran 234 in der Spaltungskammer möglichst klein zu halten oder zu eliminieren. Bei Verwendung von Uran, das weniger als 100 ppm Uran 234 enthält, wird der Alphastromanteil des Uran 234 reduziert, wodurch sich eine Reduzierung des gesamten vorhandenen Alphahintergrundes um einen Faktor von ungefähr 20 ergibt. Eine solche an Uran 234 verarmte Spaltungskammer wird einen ausgedehnten nutzbaren Bereich von ungefähr 5×10⁴ N/cm²×sec aufweisen. Für eine solche Vorrichtung, die arm an Uran 234 ist, ergibt sich eine Überlappung der Gleichstrombetriebsart mit der Impulszählbetriebsart, um vollständig den 10 Dekadenbereich der thermischen Neutronenflußpegel in Kernreaktoren abzudecken.
Bei der Ausführungsform der Fig. 1 erstrecken sich konventionelle ringförmige Schutzringelelektroden 46 und 48 durch die Grundplatte 16 ein kleines Stück in die jeweiligen Kammern 30 und 24. Die Schutzringelelektrode 46 erstreckt sich zwischen der zentral angeordneten Elektrode 28 und der zweiten Elektrode 22, während sich die Schutzringelelektrode 48 zwischen der zweiten Elektrode 22 und der ersten Elektrode 20 befindet. Solche Schutzringelelektroden sind im Stand der Technik bekannt und geerdet, um für eine größere Signalempfindlichkeit zu sorgen.

Claims

1. Neutronennachweiseinrichtung mit

a) einem Neutronendetektor, der aus

a1) einer Spaltionisationskammer (24), die innerhalb eines Gehäuses (18) koaxial eine erste Hochspannungselektrode (20), innerhalb welcher koaxial eine zweite Elektrode (22) angeordnet ist, aufweist, und

a2) einer Gammakompensationskammer (30), deren eine Elektrode durch die zweite Elektrode (22) der Spaltionisationskammer (24) gebildet ist und deren weitere Elektrode eine zentral innerhalb der zweiten Elektrode (22) angeordnete Elektrode (28) ist, besteht, und

b) einer Anordnung (36, 38, 40, 32, 34), die den Neutronendetektor (10) bei hohem Neutronenflußpegel in einer Gleichstrombetriebsart betreibt, dadurch gekennzeichnet, daß

a2.1) innerhalb der Gammakompensationskammer (30) eine bestimmte Menge eines Alphateilchen emittierenden Isotops mit kleinem Neutroneneinfangquerschnitt angeordnet ist und

b1) die Anordnung, die den Neutronendetektor (10) bei hohem Neutronenflußpegel in einer Gleichstrombetriebsart betreibt, so ausgestaltet ist, daß sie bei niedrigem Neutronenflußpegel den Neutronendetektor (10) in einer Impulsbetriebsart betreibt.

2. Neutronennachweiseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Alphasignal, das durch die Spaltionisationskammer (24) erzeugt wird, durch Verwendung von Uranoxidspaltmaterial (26), das an Uran 234 verarmt ist, minimiert wird.

3. Neutronennachweiseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Uran 234 geringer als 100 ppm ist.