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VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER KONZENTRATION EINES NEUTRONEN
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ABSORBIERENDEN WERKSTOFFES UND EINRICHTUNG ZUR VERWIRKLICHUNG DIESES
VERFAHRENS Die Erfindung betrifft Forschungsmethoden für verscniedene Werkstoffeigenschaften
und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration
eines Neutronen absorbierenden Werkstoffes und auf eine Einrichtung zur Verwirklichung
dieses Verfahrens.
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Die Erfindung kann zur Bestimmung der Konzentrtion eines Neutronen
absorbierenden Werkstoffes in der Atom-, chemischen und radiochemischen Industrie
ausgewertet werden. Speziell entsteht ein Problem operativer Kontrolle der Borkonzentration
im Kühlmittel des ersten Kreislaufes der Reaktoren von Atomkraftwerken.
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Es ist ein verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Neutronen
absorbierenden Xerkstoffes, beispielsweise von Bor (s. die Zeitschrift "Atomenergie",
Bd. 38, H. 5,1975),
durch Bestrahlung des zu analysierenden j;jediums
mit dem Neutronen absorbierenden Werkstoff durch die Neutronen einer Isotopquelle,
durch Registrierung der Neutronenabwanderung für ein vorgegebenes Zeit intervall
und im Endergebnis durch Erhaltung eines der Konzentration des Neutronen absorbierenden
Werkstoffes proportionalen Signals bekannt.
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Das bekannte Verfahren gestattet es nicht, eine operative Kontrolle
in technologischen systemen bei hohem Druck- und ;Iemperaturwert des zu analysierenden
idediums ohne Entnahme von Proben und ohne Vorbereitung des zu analysierenden Mediums
auf die Messungen vorzunehmen. Hierbei wird die Meßgenauigkeit durch die UngleichmäBigkeit
der Wandung und die Geometrie der technologischen Konstruktion beeinflußt.
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Es ist eine Einrichtung zur Bestimmung der honzentration eines Neutronen
absorbierenden Werkstoffes bekannt, die auf der Oberfläche der Konstruktion ait
einem zu analysierenden Medium, beispielsweise mit einer Borlösung (s. die DDR-Patentschrift
Nr. 54744, Xl. 2lg 21/51 vom 05.02.70), eine Neutronenquelle und einen ersten, eine
Neutronenabwanderung aus dem zu analysierenden medium registrierenden Detektor,
einen und zweiten Detektorv zwei mit den Detektoren gekoppelte Speicherregister
enthält.
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Die bekannte Einrichtung enthält eine Recheneinheit, die den Konzentrationswert
des Neutronen absorbierenden Werkstoffes errechnet. Der erste und der zweite Eingang
der Recheneinheit sind an die Ausgänge der Speicherregister angeschlossen.
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Die Einrichtung weist einen an den dritten Eingang der mit
einem
Peripheriegerät verbundenen Recneneinheit angeschlossene Verteiler für Kouuiiandoimpulse
auf. Der zweite Detektor - ein messer für den Neutronenhintergrund - ist in einem
mit reinem Wasser unter einem Druck gleich dem Druck des zu analysierenden lviediums
gefüllten Raum untergebracht. Bei dieser Sinrichtung kommt eine Isotop-Neutronenquelle
zur Anwendung. Die Neutronendetektoren befinden sich in einer Meßkammer mit einer
festgelegten Geometrie.
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Die bekannte Einrichtung bedarf einer Probenahme und einer Vorbereitung
des zu analysierenden Mediums auf die Messung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung
der Konzentration eines Neutronen absorbierenden Werkstoffes und solch eine schaltungstechnische
Ausführung der Einrichtung zu dessen Verwirklichung zu schaffen, die es gestatten,
eine operative Kontrolle der Konzentration des Neutronen absorbierenden Werkstoffes
ohne Probenahmen aus der technologischen Konstruktion und ohne Vorbereitung des
zu analysierenden Mediums auf die Messungen zu gewährleisten.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß im Verfahren zur Bestimmung
der Konzentration eines Neutronen absorbierenden Werkstoffes durch Bestrahlung mit
Neutronen eines zu analysierenden Mediums mit deui Neutronen absorbierenden Werkstoff
und durch Registrierung der Neutronenabwanderung aus dem zu analysierenden Medium
das zu analysierende Medium gemaß der Erfindung durch von einer Impuls-Neutroneuelle
emittierte Neutronen bestrahlt, die durch die Impuls-Neutroneruelle emittierten
Neutronen und die Neutronenabwanderung aus dem zu
analysierenden
Medium für die Zeit, wo in dem zu analysierenden Medium die von der Impuls-Neutronenquelle
ausgestrahlten Neutronen anwesend sind, registriert, ein Verhältnis der jdenge der
durch die Impuls-Neutronenquelle emittierten Neutronen zur Menge der aus dem zu
analysierenden medium für die Zeit der Registrierung abgewanderten Neutronen ermittelt
und nach dem erhaltenen Verhältnis die Nonzentraion des Neutronen absorbierenden
Werkstoffes bestimmt wird.
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Das wesen der rindung besteht auch aarin, daS bei der SinrichtuRg
zur Bestimmung der Konzentration eines Neutronen absorbierenden Werkstoffes, die
auf der Oberfläche der Konstruktion mit dem zu analysierenden indium eine Neutronenquelle
und einen ersten, die Neutronenabwanderung aus dem zu analysierenden Medium registrierenden
Detektor, einen zweiten Detektor, zwei mit den Detektoren elektrisch verbundene
Speicherregister, eine den Konzentrationswert des Neutronen absorbierenden werkstoffes
berechnende Recheneinheit enthält, deren erster und zweiter Eingang an die Ausgänge
der Speicherregister und deren Ausgang an ein Peripheriegerät angeschlossen sind,
erfindung.sgemäB, eine Einheit zur zeitlichen Auftastung enthalten ist, die eine
Neutronenregistrierung nur für die Zeit der Anwesenheit der Neutronen der Quelle
in dem zu analysierenden iz;Iedium bei Abwesenheit des Neutronen absorbierenden
Werkstoffes in diesem Medium freigibt, deren Ausgänge mit den Eingängen der Speicnerregister,
mit dem dritten Eingang der Recheneinheit verbunden sind, der erste Eingang der
Einheit zur zeitlichen Auftastung an den Ausgang des ersten Detektors angeschlossen
ist,
wobei als Neutronenquelle eine Impuls"Reutronenquelle dient, deren Eingang an den
Ausgang der Einheit zur zeitlichen Auftastung angeschlossen ist, und als zweiter
Detektor ein Mengenmesser für durch die Impuls-Neutronenquelle emittierte Neutronen
zur Anwendung gelangt, dessen Ausgang mit dem zweiten eingang der Einheit zur zeitlichen
Auftastung verbunden ist.
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Zweckmäßig ist, daS die Einheit zur zeitlichen Auftastung zwei Impulsverstärker
zur Verstärkung und normierung von Impulssignalen, wobei der Eingang des erste Impulsverstärkers
an den Ausgang des Mengenmessers für Neutronen und der Eingang des zweiten Impulsverstärkers
an den Detektor angeschlossen ist, zwei integrale Amplitudendiskriminatoren zur
Diskrimination vom Rauschen des Detektors und des ifengenmessers für Neutronen,
deren Eingänge an die Ausgänge der entsprechenden Impulsverstärker und deren Ausgänge
an die ersten Eingänge entsprechender UND-Schaltungen angeschlossen sind, die zur
Durchfassung von Impulsen nur zu den Zeitpuniten der Registrierung der durch die
Impuls quelle emittierten und der aus dem zu analysierenden Medium abwandernden
Neutronen bestizznt sind und mit den Eingängen der Speicherregister verbundene Ausgänge
aufweisen, einen zur Impulserzeugung mit einer für die Arbeit der Impuls-Neutronenquelle
erforderlichen Frequenz bestimmten Generator, eine dritte UND-Schaltung, deren erster
Eingang an den Ausgang des Generators angeschlossen ist, einen Zykluszähler, der
die Zeit fixiert, in deren Verlauf die Registrierung einer Antwort auf eine Einheitsauslösung
des Generators erfolgt, dessen Ausgang an den dritten Eingang der Recheneinheit
angeschlossen
ist, einen zur J?ormierung eines nach der Dauer der Zeit der Registrierung der Neutronen
in einem Zyklus entsprechenden zeitlichen Auftastimpulses vorgesehenen Univibrator
enthält, dessen Ausgang an die zweiten Eingänge der ersten und der zweiten UND-Schaltung,
an den Eingang des Zykluszählers, an den Eingang eines Sormers angeschlossen ist,
dessen Ausgang an den Eingang der Impuls-tTeutronenquelle gekoppelt ist, der Eingang
des Univibrators an den Ausgang der dritten UhD;tSchaltung angeschlossen ist, deren
zweiter Eingang an den Ausgang eines den Betrieb der Registrierung der durch die
lmpulsquelle emittierten Neutronen ein- und ausschaltenden Flip-h"lops angeschlossen
ist, dessen Eingänge an Steuerschienen gekoppelt sind.
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Die Ausnutzung der Erfindung beispielsweise in einem Atomkraftwerk
gestattet es, die Tiefe des Abbrandes des Spaltstoffes und folglich den Reaktorgang
zu vergröBern, die Betriebssicherheit im Atomkraftwerk zu erhöhen und dessen technisch-ökomische
Kennwerte auf solche Weise zu verbessern.
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Die operative Art und Weise des vorgeschlagenen Verfahrens zur Bestimmung
der Konzentration eines Neutronen absorbierenden Werkstoffes gibt die Möglichkeit,
bei dessen Ausnutzung beispielsweise in Aufbereitungsanlagen für Spaltstoffe und
in Verarbeitungsanlagen für den bestrahlten Brennstoff diese Prozesse zu bescnleunigen,
die Ausbeute der Produktion bei der Gewährleistung der Strahlungssicherheit zu erhöhen.
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Die Auswertung der Erfindung in Thermonuklearanlagen ermöglicht deren
Arbeit bei der Speicherung von Tritium zu opt
imierenO Die Erfindung
soll nachstehend an Hand eines konkreten Ausführungsbeispiels und beiliegender Zeichnungen
näher erläutert werden0 Es zeigt: Fig. I ein Strukturschaltbild der Sinrichtung
zur Bestimmung der Konzentration eines Neutronen absorbierenden VVerkstoffes, gemäß
der Erfindung; Fig. 2 eine Funktionsschaltung der einheit zur zeitlichen Auftastung,
gemäß der Erfindung Die Einrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Neutrow,en
absorbierenden illerkstoffes enthält auf der Oberfläche der Konstruktion I (Eig.
1) mit einem zu analysierenden Medium 2 eine Impuls-Neutronenquelle 3 und einen
eine Neutronenabwanderung aus dem zu analysierenden medium 2 registrierenden Detektor
4.
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Die Impuls-Neutronenquelle 3 ist in bekannter Schaltung (s. z.B.
das Sammelwerk "Strahlungstechnik" Nr. 12, 1975, I82) ausgeführt.
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Die Einrichtung enthält einen lklengenmesser 5 für durch die Impuls-Neutronenquelle
3 emittierte Neutronen, eine Einheit 6 zur zeitlichen Auftastung, die eine Neutronenregistrierung
nur für die Zeit der Anwesenheit der Neutronen der Quelle 3 in dem zu analysierenden
Medium 2 bei Abwesenheit eines Neutronen absorbierenden Werkstoffes in diesem Medium
2 freigibt. Die Eingänge 7,8 der Einheit 6 sind mit dem Ausgang des Detektors 4
bzw. des Mengenmessers 5 für Neutronen verbunden.
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Aul3er den vorstehend erwähnten Einheiten enthält die Einrichtung
zusätzlich
Speicherregister 9, In vene Recheneinheit II. Die Eingänge 12, 13 der Recheneinheit
II sind mit den Ausgängen der Speicherregister 9,10 verbunden und ihr Ausgang ist
an den Eingang eines Peripheriegeräts 14 angeschlossen.
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Der Eingang 15 der Recheneinheit II ist an den dritten Ausgang der
Einheit 6 zur zeitlichen Auftastung angeschlossen, deren vierter Ausgang an den
Eingang 16 der Impuls-Neutronenquelle 3 angeschlossen ist.
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Die Einheit 6 zur zeitlichen Auftastung enthält Impulsverstärker
17, 18 (Fig.2), integrale Amplitudendiskriminatoren 19,20, deren Eingänge an die
Ausgänge der Impulsverstäker 17 bzw. 18 angeschlossen sind.
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Der Eingang des Impulsverstarkers 17 ist an den ausgang des fengenmessers
5 für Neutronen und der Eingang des Impulsverstärkers 18 an den Ausgang des Detektors
4 angeschlossen.
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Die Ausgänge der integralen Amplitudendiskriminatoren sind über UND-Uchaltungen
21 und 22 an die Eingänge der Speicherregister 9,IO angeschlossen.
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In die Einheit 6 sind auch ein Generator 23, der zur Erzeugung von
Impulsen mit einer für die Arbeit der Impuls--Neutronenquelle 3 erforderlichen Frequenz
vorgesehen ist, eine US -Schaltung 24 eingeschaltet, deren erster Eingang tan den
Ausgang des Generators 23 und zweiter Eingang an den I--Ausgang eines Flip-Flops
25 angeschlossen ist, dessen Eingänge an Steuerschienen 26, 27 gekoppelt sind.
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Die Einheit 6 enthält außerdem einen Univibrator 28, dessen Ausgang
an die UND-Schaltungen 21 und 22, an den Eingang
eines mit dem
Eingang 15 der Recheneinheit II verbundenen Zykluszählers 29 und an den Eingang
eines Formers 30 angeschlossen iBt, dessen Ausgang an den Eingang der Impuls-Neutronenquelle
gekoppelt ist.
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Der Betrieb der Einrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines
Neutronen absorbierenden Werkstoffes verläuft wie folgt: Auf einen von der Steuerschiene
26 kommenden Befehl "Start" formiert die einheit 6 (Fig.I) zur zeitlichen Auftastung
einen Auslöse impuls für die Impuls-Neutronenquelle 3.
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Das zu analysierende Medium 2 wird durch Neutronen bestrahlt, die
durch die Impuls-Neutronenquelle 3 im Laufe eines I gleichen Zeitintervalls ausgestrahlt
werden. Dann nimmt die Einrichtung eine Registrierung von aus dem zu analysierenden
Medium 2 abwandernden Neutronen mit Hilfe des Neutronendetektors 4 und eine Registrierung
von durch die Impuls--Neutronenquelle 3 emittierten Neutronen mit Hilfe des Mengenmessers
5 für Neutronen vor.
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Die den registrierten Neutronen entsprechenden Impulse vom Detektor
4 und dem Messer 5 gelangen auf den Eingang 7, 8 der Einheit 6 zur zeitlichen Auftastung,
die im Laufe der vorgegebenen Zeit diese Impulse in die peicherregister 9,IO durchläßt,
wo sie gezählt werden. Die Zeit, in deren Verlauf die Einheit 6 die Eingangsimpulse
in die Speicherregister 9,IO durchläßt, oder die Dauer des Zyklus der negistrierung
der Neutronen wird durch die Verweilzeit der Neutronen der quelle 3 in dem zu analysierenden
Medium bei einer Nullkonzentration
des Neutronen absorbierenden
Werkstoffes bestimmt. Die Zahl der Zyklen zur Registrierung der Neutronen wird vorher
festgelegt und richtet sich nach der içleZzeit für die Konzentration des Neutronen
absorbierenden Jerkstoffes. bei Anwendung der vorgeschlagenen Erfindung unterschreitet
diese Zeit 30 s, was die Wirksamkeit der Kontrolle der Konzentration des Neutronen
absorbierenden Werks-Goffes wesentlich erhöht.
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Die Solgefrequenz aer Auslöse impulse für die Dmpuls-Neutronenquelle
3 wird durch deren maximale Arbeitsfrequenz bestimmt.
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Nachdem die Registrierung der Neutronen für die vorgegebene Zykluszahl
zu Ende ist, liefert die Einheit 6 einen Befehl auf die Recheneinheit II, auf den
die in den Speicherregistern 9,IO enthaltenen Zahlen in die Register der Recheneinheit
II umgeschrieben und die Speicher in den e-Zustand gebracht werden.
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Die in das Speicherregister 9 eingeschriebene Zahl m entspricht der
Zahl aer durch den Mengenmesser 5 für Neutronen registrierten Neutronen.
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Die in das Speicherregister IO eingeschriebene Zahl d entspricht
der Zahl der durch den Detektor 4 registrierten Neutronen.
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Die secileneinheit II errechnet den Konzentrationswert des Neutronen
absorbierenden vVerkstoffes nach dem Verhältnis der ernte m und d,d.h.
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Dann wird der Rechenwert Kauf das Peripheriegerät 14
übertragen7
wo er angezeigt und registriert wird0 Die Einrichtung beginnt mit der nächsten rilessung
vom Augenblick der nächstfolgenden Auslösung der ImpulsNeut:ronenquelle 3. Die Zahl
der Messungen wird bei der vorgegebenen Zykluszahl durch den Operator oder das Peripheriegerät
14 festgelegt.
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Die Messungen werden auf einen an der Einheit 6 zur zeitlichen Auftastung
von der Steuerschiene 27 eintreffenden Stoppbefehl eingeste@t.
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Die einheit 6 zur zeitlichen Auftastung arbeitet wie folgt.
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Zur Einschaltung der Betriebes der Registrierung der Neutronen kommt
am I-Eingang des Flip-Flops 25 (Fig. 2) ein Befehl "Start" von der Schiene 26 an.
Das vorhin im Ausgangszustand befindliche Flip-Flop 25 steuert in den I-Zustand
um.
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Am Ausgang des Flip-Flops 25 tritt ein Potential auf, das an den Eingang
der UND-Schaltung 24 gelangt und den Durchgang der Impulse vom Generator 23 durch
sie freigibt. Die Impulse vom Ausgang der UND-Schaltung 24 lösen den Univibrator
28 aus, der auf jeden Impuls einen zeitlichen Auftastimpuls der vorgegebenen Dauer
formiert.
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Die Vorderflanke aes Ausgangs impulses des Univibrators 28 läßt den
Former 30 ansprechen, und es erfolgt eine Auslösung der Impuls-Neutronenquelle.
Der Ausgangsimpuls des Univibrators 28 läßt die Impulse von den Ausgangen der Diskriminatoren
19,20 über die UND-Schaltungen 21, 22 zu den Eingängen der Speicherregister 9,IO
(Fig.I) durchkommen. Auf die Hinterflanke des Impulses vom Univibrator 28 (Fig.2)
hört der
impulsdurchgang durch die UND-Schaltungen 21,22 auf, und
dementsprechend kommt der Zyklus der Registrierung der Neutronen zum Abschluß. Gleichzeitig
spricht auf die Hinterflanke des Impulses vom Univibrator 28 der Zykluszähler 29
an, dessen Inhalt um eins erhöht wird.
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Die Registrierung der Neutronen erfolgt also zyklisoh. Die Zykluszahl
der Registrierung der Neutronen wird durch den Zykluszähler 29 gezählt.
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Nachdem der Zähler 29 den Durchgang der vorher festgelegten Zykluszahl
resistriert hat, wird an dessen Ausgang ein Impuls formiert, der in die Recheneinheit
II (Fig.1) als Auslösebefehl für den Betrieb der Verarbeitung der aufgespeicherten
Information gelangt.
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Auf diesen Befenl wird in die Recneneinheit II die in den Speicherregistern
9,10 enthaltene Information zur anschlieXenden Verarbeitung übertragen. Die Speicherregister
9,IO werden in den Ausgangszustand gebracht.
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Die Einheit 6 zur zeitlichen Auflastung wird also auf eine nächste
Messung vorbereitet, die mit dem Erscheinen eines nächstfolgenden Impulses am Ausgang
des Generators 23 (Fig. 2) beginnt. Die Zahl der vollständigen Messungen kann sowohl
durch den Operator als auch durch das Peripheriegerät 14 (Fig.I) vorgegeben werden.
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Die Einstellung des Betriebes der Registrierung der Neutronen erfolgt
nach der Ankunft eines Stoppbefehls am O-Eingang des Flip-Flops 25 (Fig. 2). Nach
diesem Befehl wird das Elip-Blop 25 auf O gestellt, und an dessen Ausgang tritt
ein Potential auf, das den Durchgang der Impulse vom Generator 23
über
die UND-Schaltung 24 zum Eingang des Univibrators 28 sperrt.
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Der Einsatz der Impuls Neutronenquelle 3, des Neutronen messers 5,
der Einheit 6 zur zeitlichen Auftastung bei der Einrichtung gab die Möglichkeit,
die Impulsquelle 3, den Detektor 4 und den Messer 5 auBerhalb der technologischen
Konstruktion mit dem zu analysierenden Medium unterzubringen und ohne Probenahmen,
ohne Vorbereitung des zu analysierenden Mediums auf die Messungen und ohne Schalung
spezieller Meßkammern oder -zellen bei der Vorbereitung des zu analysierenden Mediums
auf die Messungen auszukommen. Die Auswertung der Errindung bedarf beispielsweise
keiner Entfernung der Wärmeisolierung von der technologischen Konstruktion, keiner
Kalibrierung der Dicken der Rohrleitungen an der Meßstelle, was es gestattet, die
technologische Konstruktion störungsfrei zu erhalten.
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Die Erfindung gestattet es, die operative Art der Kontrolle der Konzentration
des Neutronen absorbierenden Werkstoffes ohne Störung der technologischen Konstruktion
mit dem zu analysierenden Medium zu erhöhen.