DE3027381C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hilfsenergiefreien Neutronendetektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der US-PS 39 04 881 bekannt ist, sowie einen Neutronendetektor mit Anschlußkabel.

Hilfsenergiefreie Neutronendetektoren sind in Kernreaktoren weithin im Gebrauch. Typischerweise bestehen sie aus einem Koaxialkabel mit einer metallischen Außenhülle, die normalerweise die Kollektorelektrode genannt wird und häufig aus einer Ni-Cr-Fe-Legierung besteht; darauf folgt eine Isolationsschicht aus einem Mineraloxid, normalerweise MgO oder Al₂O₃, und im Inneren befindet sich ein Metall-Zentraldraht, der normalerweise die Emitterelektrode genannt wird. Wenn eine solche Anordnung in ein Strahlungsfeld, beispielsweise das Neutronenfeld im Core eines Kernreaktors, eingebracht wird, und wenn dann der als Emitterelektrode dienende zentrale Leiter elektrisch über einen Strommesser mit der als Kollektorelektrode dienenden Abschirmung über einen Strommesser verbunden wird, fließt ein elektrischer Strom zwischen den beiden Elektroden, ohne daß eine äußere oder Hilfsspannung angelegt wird. Die Größe des elektrischen Stromes ist proportional zur Intensität des Strahlungsfeldes und kann deshalb als Maß für die Stärke dieses Feldes benutzt werden.

Bei einem Kernreaktor kann der Fluß des elektrischen Stroms bei einem hilfsenergiefreien Neutronendetektor auf drei Hauptursachen zurückgeführt werden:

• 1. Neutroneneinfang in den Materialien, aus denen die Emitter- und Kollektorelektroden des Detektors bestehen, kann zur Bildung von radioaktiven Tochter-Nukliden führen, die reinen β-Zerfall erleiden. Die dabei durch die radioaktiven Tochter-Nuklide emittierten hochenergetischen Elektronen erzeugen einen elektrischen Stromfluß zwischen den beiden Elektroden. Diese Wechselwirkung wird von jetzt an als die (n,β )-Wechselwirkung bezeichnet. Bei einigen hilfsenergiefreien Neutronendetektoren werden die Detektormaterialien so ausgewählt, daß die (n,b )-Wechselwirkungen im Emitter den vorherrschenden Stromerzeugungsmechanismus darstellen.
  Der elektrische Strom ist proportional der Neutronenflußintensität, besitzt jedoch eine Zeitkonstante, die durch die Halbwertzeit des radioaktiven Tochter-Nuklides bestimmt wird. Die (n,β )-Wechselwirkungen bilden den vorherrschenden Erzeugungsmechanismus für elektrischen Strom bei hilfsenergiefreien Neutronendetektoren mit einer Emitterelektrode aus Vanadium oder Rhodium, wie sie in der US-PS 33 75 370 beschrieben sind.
• 2. Neutroneneinfang in den Materialien der Emitter- und Kollektorelektroden des Detektors wird normalerweise begleitet durch die Emission von prompten Einfangs-γ-Strahlen. Diese γ-Strahlen können dann in Wechselwirkung mit den Materialien der Emitter- und Kollektorelektroden des Detektors treten, hochenergetische Elektronen über compton- und photoelektrische Vorgänge freisetzen und so einen elektrischen Stromfluß verursachen. Diese Wechselwirkung wird von jetzt ab als die (n,γ,e)-Wechselwirkung bezeichnet. Bei anderen hilfsenergiefreien Neutronendetektoren werden die Detektormaterialien so gewählt, daß die (n,γ,e)-Wechselwirkungen im Emitter den vorherrschenden stromerzeugenden Mechanismus bilden. Der elektrische Strom ist proportional der Neutronenflußintensität, und er hat die Eigenschaft, prompt zu sein, d. h. der elektrische Strom folgt augenblicklich Änderungen in der Neutronenflußintensität. Diese Vorgänge bilden den hauptsächlichen Erzeugungsmechanismus für elektrischen Strom in den hilfsenergiefreien Neutronendetektoren nach der erwähnten US-PS 33 75 370 mit Kobalt-Emitterelektroden, wenn die Detektoren zum ersten Mal in Gebrauch kommen, und dieser Vorgang bildet einen wichtigen stromerzeugenden Mechanismus bei hilfsenergiefreien Neutronendetektoren mit einer Platin-Emitterelektrode, wie sie in der US-PS 37 87 697 beschrieben sind, oder mit einer Molybdän-Emitterelektrode nach US-PS 41 40 910.
• 3. Gammastrahlen, die vom Kernreaktor selbst stammen und auf den Detektor auftreffen, können Elektronen freisetzen und so einen elektrischen Stromfluß erzeugen. Diese Wechselwirkung wird von jetzt ab als die ( γ,e)-Wechselwirkung bezeichnet. Bei einem Kern- oder Nuklearreaktor ergeben sich diese externen Gammastrahlen aus dem Neutroneneinfang im Brennstoff und in den Bauelementen des Nuklearreaktors. Damit ist auch dieser Gammastrahlenfluß und deshalb der ( q,e)-induzierte elektrische Strom proportional zum Neutronenfluß. Die grundlegende Detektorwechselwirkung ist prompt, jedoch ist in einem Nuklearreaktor ein beträchtlicher Anteil der Gammastrahlen verzögert, d. h. diese verzögerten Gammastrahlen entstehen aus dem Zerfall von Spaltprodukten und Aktivierungsprodukten. Damit folgt der ( γ,e)-induzierte elektrische Strom den Änderungen des Flusses nicht vollständig sofort, sondern hat eine verzögerte Komponente. Die ( γ,e)-Wechselwirkung ist ein wichtiger Mechanismus zur Erzeugung elektrischen Stromes bei Detektoren mit einer Platin- oder einer Molybdän-Emitterelektrode und eigentlich in jedem Detektor, bei dem die Atomzahl des Emitterelektrodenmaterials groß in bezug auf die des Kollektorelektrodenmaterials ist.

Der Vollständigkeit halber sollte noch erwähnt werden, daß externe Elektronen von den Reaktorbestandteilen und -materialien, die auf den Detektor auffallen, zum Gesamtausgangsstrom beitragen können. Solche Wechselwirkungen werden jedoch als parasitär angesehen, und es wird normalerweise versucht, sie möglichst klein zu halten. Ebenso induzieren Gammastrahlung und Neutronen gleichfalls elektrische Ströme in dem Anschlußkabel, das den Detektor mit dem elektrischen Strommeßinstrument verbindet. Dieser Anteil kann jedoch, wie später näher erklärt wird, dadurch ausgeglichen werden, daß

• 1. die Anschlußkabelmaterialien und -abmessungen so ausgewählt werden, daß der Gesamtstrom des Kabels klein, bezogen auf den im Detektor erzeugten Strom, ist,
• 2. zwei Kernleiter in dem Anschlußkabel verwendet werden oder
• 3. der erzeugte Strom in einem weiteren Kabel gemessen wird.

Bei jedem hilfsenergiefreien Flußdetektor treten alle drei Wechselwirkungen, d. h. also die (n,β )-, die (n,γ,e)- und die ( γ,e)-Wechselwirkung auf, und der elektrische Gesamtstrom ist die Summe aus den einzelnen elektrischen Strömen, die aus den unterschiedlichen Wechselwirkungen entstehen. Bei einigen Detektoren, beispielsweise bei denen mit Vanadium-Emitterelektroden, herrschen (n,β )- oder bei Kobalt-Emitterelektroden herrschen (n,γ,e)-Wechselwirkungen vor, d. h. es herrscht jeweils nur eine der Wechselwirkungen bei manchen Detektoren vor, jedoch sind bei anderen Detektoren zwei oder mehr Wechselwirkungen wichtig, wie beispielsweise bei Platin-Emitterelektroden die Wechselwirkungen (n,γ,e) und ( γ,e). Allgemein werden jedoch alle drei Wechselwirkungen meßbare elektrische Ströme erzeugen und müssen bei einer genauen Beschreibung des Ansprechverhaltens eines Detektors berücksichtigt werden.

Da die (n,γ,e)-Wechselwirkung ein promptes elektrisches Stromsignal erzeugt, d. h. ein Stromsignal, das Änderungen des Neutronenflusses im wesentlichen sofort folgt, während die (n,β )- und ( γ,e)-Wechselwirkungen verzögerte elektrische Stromsignale ergeben, wird ein Detektor, bei dem die (n,γ,e)-Wechselwirkungen vorherrschen, bei vielen Anwendungsfällen vorzuziehen sein, und insbesondere dann, wenn der Detektor zur Benutzung in einem Reaktor-Sicherheitssystem vorgesehen ist. Ein Detektor mit einer Kobalt-Emitterelektrode stellt ein solches Bauelement dar, mindestens zu Beginn seiner Lebenszeit.

Anfangs wird der elektrische Strom von einem Detektor mit einer Kobalt-Emitterelektrode durch die (n,γ,e)-Wechselwirkung, die durch den Neutroneneinfang in Co 59 entsteht, verursacht. Mit der Zeit bauen sich jedoch elektrische Ströme auf, die vom radioaktiven Zerfall von Co 60 und Co 61 herrühren. Zu irgendeiner Zeit kann der von dem Zerfall von Co 60 stammende Strom als konstant angesehen werden wegen der langen Halbwertzeit dieses Nuklides von 5,26 a, jedoch ist der elektrische Strom, der von dem Zerfall von Co 61 herrührt, proportional dem Neutronenfluß und folgt den Änderungen des Flusses mit einer Zeitkonstante von 130 min. So nimmt mit der zunehmenden Bestrahlung der prompte (n,γ,e)-elektrische Strom mit dem Ausbrennen von Co 59 ab, während die verzögerten Ströme, die von Co 60 und Co 61 herrühren, zunehmen, so daß der elektrische Strom von einem Detektor mit einer Kobalt-Emitterelektrode mit der Zeit immer weniger prompt wird. Bei dem sogenannten CANDU-Nuklearreaktor, einem schwerwassermoderierten Natururan-Druckröhrenreaktor, wurde beobachtet, daß nach nur drei Jahren Betriebszeit bereits 19% des elektrischen Stromsignals dem Zerfall von Co 60 und 23% dem Zerfall von Co 61 zugeordnet werden können, so daß nur ca. 58% des Gesamtsignals prompt sind.

Aus dem obigen ergibt sich, daß ein hilfsenergiefreier Neutronendetektor mit einer Kobalt-Emitterelektrode eine relativ kurze Nutzlebenszeit in einem Kernreaktor mit hohem Fluß besitzt. Im allgemeinen trifft dies bei den meisten hilfsenergiefreien Neutronenflußdetektoren zu, bei denen (n,γ,e)-Wechselwirkungen in der Hauptsache für den elektrischen Strom verantwortlich sind. Das kommt daher, weil der elektrische Strom von einem zweistufigen Vorgang, nämlich einem Neutroneneinfang, bei dem ein Gammastrahl emittiert wird, gefolgt von der Freisetzung eines Elektrons über compton- und fotoelektrische Wechselwirkungen des Gammastrahls mit den Detektormaterialien erzeugt wird. Die daher rührende Empfindlichkeit solcher Detektoren ist demgemäß niedrig. Beispielsweise ist die Anfangsempfindlichkeit pro Einheitslänge eines Detektors mit einer Kobalt-Emitterelektrode von 0,5 mm Durchmesser etwa um den Faktor 20 kleiner als die eines Detektors mit einer Vanadium-Emitterelektrode von gleichem Durchmesser, obwohl Kobalt einen Neutroneneinfangquerschnitt besitzt, der fast achtmal so groß ist wie der von Vanadium. Um so eine nutzbare Empfindlichkeit zu erreichen, d. h. eine Empfindlichkeit, bei der die elektrischen Ströme, die mit den (n,β )- und den ( γ,e)-Wechselwirkungen verbunden sind, klein sind relativ zu dem durch die (n,γ,e)-Wechselwirkung erzeugten elektrischen Strom, und bei dem der gesamte in dem Detektor erzeugte elektrische Strom groß ist gegenüber dem in dem Anschlußkabel erzeugten elektrischen Strom, wurde es vor der vorliegenden Erfindung für notwendig gehalten, ein Emitterelektrodenmaterial zu benutzen, das einen relativ großen Neutroneneinfangquerschnitt besitzt. Wenn jedoch dieser Einfangquerschnitt groß ist, wird auch die Ausbrennrate sehr hoch sein, so daß die Detektorempfindlichkeit wieder sehr schnell abnimmt. Das trifft besonders bei einem schwerwassermoderierten Natururan-Kernreaktor zu, bei dem der Neutronenfluß die Größe von ca. 2×10¹⁸ n · m^-2 · s^-1 besitzt.

Bei einem solchen Neutronenfluß brennt eine Emitterelektrode mit einem Neutroneneinfangquerschnitt von nur 5 b (1 b=10^-28m²) mit einer Rate von etwa 3% pro Jahr aus.

In der älteren DE-OS 29 14 508 wird ein zweiteiliger Emitter, bestehend aus einem Emitterkern und einer äußeren Emitterschicht, für einen hilfsenergiefreien Neutronenfluß- und γ-Strahlenfluß-Detektor beschrieben. Der Emitterkern besteht aus Nickel, Eisen, Titan und/oder auf diesen Metallen basierenden Legierungen. Die äußere Schicht besteht aus Platin, Tantal, Osmium, Molybdän und/oder Cer. Somit besteht dieser Emitter immer aus zwei verschiedenen Materialien. Angaben über die Kollektormaterialien fehlen in dieser Druckschrift.

In der US-PS 39 04 881 wird ein Neutronendetektor beschrieben, der gemäß der Ausführungsform von Fig. 1 zwei parallel zueinander angeordnete Emitterteile mit kreisförmigem Querschnitt aufweist, wobei der eine γ-empfindliche Emitterteil aus einer Nickellegierung (z. B. Ni-Cr-Fe-Legierung) und der zweite neutronen- und q-empfindliche Emitterteil aus Kobalt oder Vanadium besteht. Die beiden Emitterteile werden von einem rohrförmigen Kollektor aus einem neutronenunempfindlichen Material umgeben, wobei als Beispiel für ein solches Material eine Nickellegierung (z. B. Ni-Cr-Fe-Legierung) angegeben wird.

Zwischen den Emitterteilen und dem Kollektor ist ein Isolator angeordnet. Der zweiteilige Aufbau des Emitters mit Materialien mit unterschiedlicher q-Empfindlichkeit wird gewählt, um das Ansprechen des Neutronendetektors auf γ-Strahlen zu reduzieren oder ganz auszuschalten. Das neutronenempfindliche Material ist das Kobalt oder Vanadium, während die Nickellegierung als neutronenunempfindlich bezeichnet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hilfsenergiefreien Neutronendetektor bzw. einen Neutronendetektor mit Anschlußkabel zu schaffen, der auf Änderungen des Neutronenflusses prompt reagiert und eine relativ lange Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Detektoren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Neutronendetektor sind mindestens etwa 90% des gesamten elektrischen Stroms, der in der Emitterelektrode induziert wird, prompt und von (n,γ,e)-Wechselwirkungen in dem Metall abgeleitet.

In einigen Ausführungen der vorliegenden Erfindung erstreckt sich der hilfsenergiefreie Neutronendetektor durch den Reaktor-Core und die Abschirmung bis zu dem zur Messung der Stromdifferenz zwischen den Detektorelektroden benutzten Amperemeter, und der Detektor wird benutzt, um den durchschnittlichen Fluß in Längsrichtung des Detektors zu messen. In diesem Fall kann ein Detektor gemäß Anspruch 1 verwendet werden.

In anderen Ausführungen der vorliegenden Erfindung, in denen der hilfsenergiefreie Detektor benutzt wird, um ein Maß für den Durchschnittsfluß eines bestimmten Bereiches eines Reaktor-Cores zu schaffen, können Detektoren nach einem der Ansprüche 2 bis 4 verwendet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Diagramm, in dem die relative Empfindlichkeit (Empfindlichkeit eines Detektors, bezogen auf die eines anderen Detektors) CS=S (n,γ,e)+S ( γ,e) über dem Kerndrahtdurchmesser D eines mineralstoffisolierten Kabels aus einer auf Nickel basierenden Legierung, die Chrom und Eisen enthält, aufgetragen ist,

Fig. 2-5 Schnittdarstellungen von verschiedenen Ausführungen von hilfsenergiefreien Neutronendetektoren, die mit einer Einrichtung zur Messung der elektrischen Stromdifferenz zwischen den Elektroden der Anordnung versehen sind.

Der hilfsenergiefreie Neutronendetektor entsprechend der vorliegenden Erfindung wurde entwickelt bei einer experimentellen Untersuchung der Bestrahlungswirkungen auf mineralstoffisolierte Kabel (MI-Kabel) mit Ni-Cr-Fe-Legierung-Kerndrahtleitern und Abschirmungen oder Außendrahtleitern aus Ni-Cr-Fe-Legierung. Bei einem Nuklearreaktor wird der aktive Abschnitt (d. h. der Abschnitt, der die Kollektor- und Emitterelektroden enthält) eines Detektors normalerweise mittels eines mineralstoffisolierten Anschlußkabels, d. h. eines MI-Kabels, mit dem Meßinstrument verbunden. Zwar wirkt das Anschlußkabel selbst als hilfsenergiefreier Neutronendetektor, jedoch kann bei angemessener Auswahl der Materialien und der Abmessungen das elektrische Stromsignal von den Anschlußkabelleitern klein gegenüber dem elektrischen Stromsignal von den Detektorelektroden selbst gehalten werden. Bei den in CANDU-Reaktoren verwendeten Detektoren sind die Anschlußkabel normalerweise koaxial, der Kerndrahtleiter und der Außendrahtleiter bestehen aus einer Ni-Cr-Fe-Legierung, die nominell 76% Ni, 15,5% Cr und 8% Fe enthält. Als Isolierung dient MgO. Üblicherweise beträgt der Außendurchmesser der bei den meisten Anwendungen verwendeten Anschlußkabel 1,0 mm, und der in dem Kabel erzeugte elektrische Strom liegt in der Größenordnung von einigen wenigen Prozent des im Detektor erzeugten Gesamtstromes.

Der elektrische Gesamtstrom I _Total , der in einem MI-Anschlußkabel mit aus Ni-Cr-Fe-Legierung bestehendem Kerndrahtleiter und Außendrahtleiter erzeugt wird (das Kabel wird später Ni-Cr-Fe-Legierung-Ni-Cr-Fe-Legierung-MI-Kabel genannt), kann, wie es bei den hilfsenergiefreien Neutronendetektoren der Fall ist, den drei bereits angeführten Wechselwirkungen (n,β ), (n,γ,e) und ( γ,e) zugeordnet werden, und damit ergibt sich der Gesamtstrom als

I _Total = I (n,β ) + I (n,γ,e) + I ( γ,e) (1)

dabei sind

I (n,γ,e)der elektrische Strom, der in erster Linie durch Neutroneneinfang im aus Ni-Cr-Fe-Legierung bestehenden Kerndrahtleiter des Anschlußkabels entsteht. Er ist proportional zum Neutronenfluß, prompt und positiv; I ( γ,e)der elektrische Strom, der von Wechselwirkungen der Gammastrahlung des Reaktors mit dem Anschlußkabel herkommt. Aus mit einem Gamma-Strahler, in dem die Strahlung aus dem Zerfall von Co 60 stammt, ausgeführten Versuchen ist bekannt, daß I ( γ,e) negativ ist, d. h. daß die externen Gammastrahlen einen Nettostrom von Elektronen von dem Ni-Cr-Fe-Legierung-Außendrahtleiter zu dem Ni-Cr-Fe-Legierung-Kerndrahtleiter verursachen. Die Wechselwirkung im Anschlußkabel selbst ist prompt, jedoch hat der durch Gammastrahlung erzeugte elektrische Strom eine verzögerte Komponente, da einige Anteile der Gammastrahlen in einem Reaktor verzögert sind; I (n,β )der elektrische Strom, der vom β-Zerfall von Ni 65 und Mn 56 herrührt, die durch Neutroneneinfang in Ni 64 und Mn 55 erzeugt werden. Der elektrische Strom ist verzögert mit einer Zeitkonstante von 325 s. Mangan ist als Verunreinigung in der Ni-Cr-Fe-Legierung enthalten, bei Einsatz in einem Reaktor wird die Ni-Cr-Fe-Legierung normalerweise mit einem maximalen Gehalt von 0,3 Gew.-% Mn spezifiziert. Je nach den Relativ-Anteilen von Mangan im Kerndrahtleiter und im Außendrahtleiter des MI-Kabels kann dieser elektrische Strom entweder positiv oder negativ sein; normalerweise ist er negativ.

So resultiert der elektrische Nettostrom eines Ni-Cr-Fe-Legierung- Ni-Cr-Fe-Legierung-MI-Kabels in erster Linie aus drei Wechselwirkungen, und ein Anteil ist positiv, ein Anteil negativ, während der dritte beide Vorzeichen haben kann. Damit ergibt sich, daß der elektrische Gesamtstrom entweder positiv oder negativ sein kann, in Abhängigkeit von den Abmessungen des Kabels und von den Anteilen des Mn im Kerndrahtleiter und im Außendrahtleiter.

Bisher wurde aber angenommen, daß der Gesamtstrom pro Längeneinheit im Vergleich zu den elektrischen Strömen, die in den aktiven Teilen, d. h. in den Emitter- und Kollektorelektroden von herkömmlichen Detektoren entstehen, wie solchen mit Vanadium-, Platin- oder Rhodium-Emitterelektroden, relativ gering bleibt, unabhängig von den Dimensionen des Anschlußkabels.

Eine Anzahl von Ni-Cr-Fe-Legierung-Ni-Cr-Fe-Legierung-MI-Kabeln mit Außendurchmessern von bis zu 3,0 mm wurden in einen schwerwassermoderierten Forschungsreaktor in den Chalk River Nuclear Laboratories in Chalk River, Ontario, Kanada, bestrahlt. Die Abmessungen dieser MI-Kabel und die Ergebnisse bei den Bestrahlungsversuchen sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Eine Diskussion dieser Versuchsergebnisse folgt, es wird jedoch hier schon angemerkt, daß die Empfindlichkeit pro Längeneinheit des Kabels mit ansteigendem Kerndrahtdurchmesser sehr rasch anstieg, während der prompte Anteil gegen eins tendierte. Ein solches Ergebnis war entgegen allen Erwartungen zu Beginn des Untersuchungsprogramms. Bisher wurde angenommen, daß Ni-Cr-Fe-Legierung nicht als Emitterelektrodenmaterial eines hilfsenergiefreien Neutronendetektors verwendet werden könnte, da Ni-Cr-Fe-Legierung als im wesentlichen unempfindlich gegen Neutronenfluß angesehen wurde. Diese Meinung wird gestützt durch die US-PS 39 04 881 und die US-PS 39 40 627, die beide feststellen, daß bei allen praktischen Einsätzen Nickellegierungen, also beispielsweise Ni-Cr-Fe-Legierung, neutronenunempfindlich sind.

Tabelle 1

Die relativen Empfindlichkeiten (relative Gesamtempfindlichkeit und relative Empfindlichkeit CS) sind die jeweiligen Empfindlichkeiten der Anschlußkabel VC-0501 bis UC-104, bezogen auf die entsprechende Empfindlichkeit des Anschlußkabels VC-0212. Die relative Empfindlichkeit des Anschlußkabels VC-0212 ist daher per Definition 1,00.

Die Dimension der Empfindlichkeit ist Strom je Längeneinheit des Anschlußkabels (A · m^-1) je Neutronenflußeinheit (n · m^-2 · sec^-1), wobei n Neutronen bedeutet. Die relativen Empfindlichkeiten sind dimensionslos.

Die Resultate werden nun in einigen Aspekten näher betrachtet. Da der elektrische Gesamtstrom eines Ni-Cr-Fe-Legierung- Ni-Cr-Fe-Legierung-MI-Kabels in guter Annäherung aus drei getrennten elektrischen Strömen besteht, wie es durch die Gleichung (1) angezeigt ist, können wir vier getrennte Empfindlichkeiten (pro Längeneinheit) in folgender Weise definieren:

wobei
Φ (x)die Neutronenflußdichte in einer Höhenlage im Reaktor, Ldie Länge des Anschlußkabels und die Empfindlichkeit jedes Strom erzeugenden Mechanismus per Definition der Strom je Längeneinheit des Anschlußkabels je Neutronenflußeinheit ist und die Dimemsion A · m^-1/(n · m^-2 · sec^-1) hat, wobei n Neutronen bedeutet.

Dabei ist zu beachten, daß

S _T = S (n,γ,e) + S ( γ,e) + S (n,β ) (6)

ist.

Durch eine Beobachtung des Abfalls des elektrischen Stromsignals der MI-Kabel auf eine schnelle Reaktorabschaltung hin ist es möglich gewesen, den Anteil I (n,b ) getrennt von I _Total zu bestimmen, jedoch ist es gegenwärtig noch nicht möglich gewesen, genau eine getrennte Bestimmung von I (n,γ,e) und I ( γ,e) vorzunehmen. Aus diesem Grunde sind in Tabelle 1 die Gesamtempfindlichkeiten S _T gezeigt und die relativen kombinierten Empfindlichkeiten CS=S (n,γ,e)+(S ( γ,e). Hier kann darauf hingewiesen werden, daß die in Tabelle 1 gezeigten absoluten Empfindlichkeiten durch Messung des Flusses in Längsrichtung der Anschlußkabel mit einer Spaltkammer mit kleinen Abmessungen (Außendurchmesser etwa 3 mm und aktive Länge 12,5 mm) erreicht wurden. Die absoluten Empfindlichkeiten können nicht genauer als ±10% sein, jedoch wird angenommen, daß die relativen Empfindlichkeiten auf etwa ±3% genau sind.

Die Abhängigkeit der kombinierten Empfindlichkeit auf relativer Basis CS=S (n,γ,e)+S ( γ,e) vom Durchmesser D des Kerndrahtleiters ist in dem Diagramm der Fig. 1 dargestellt. Aus Fig. 1 ist zu sehen, daß bei Kerndrahtleiterdurchmessern ≲1,0 mm die Empfindlichkeit fast kubisch mit dem Kerndrahtleiterdurchmesser ansteigt. Ferner kann aus Tabelle 1 angenommen werden, daß der Anteil des elektrischen Gesamtsignals, der vom verzögerten β-Zerfall von Mn 56 und Ni 65 herrührt, mit ansteigendem Kerndrahtdurchmesser schnell abfällt.

Der rasche Anstieg der kombinierten Empfindlichkeit auf relativer Basis CS=S (n,γ,e)+S ( γ,e) wurde am Anfang des Untersuchungsprogramms nicht vorhergesehen. Eine wahrscheinliche Erklärung dafür besteht darin, daß dieser Anstieg in erster Linie von einem Anstieg des Stromanteils I (n,γ,e) mit dem Kerndrahtdurchmesser herrührt. Die (n,γ,e)-Wechselwirkung ist ein Zweistufenvorgang. Wenn man die Selbstabschirmung außer acht läßt, kann man die (n,γ)-Wechselwirkungsrate pro Längeneinheit als proportional zur Querschnittsfläche des Kerndrahtleiters, d. h. also proportional zu dem Quadrat des Kerndrahtdurchmessers D² ansehen. Da die Entweich-Wahrscheinlichkeit von in der Nähe des Mittelpunktes des Kerndrahtes erzeugten Elektronen durch compton- und photoelektrische Vorgänge sehr klein ist im Vergleich zu der Wahrscheinlichkeit für Elektronen, die in der Nähe der Oberfläche erzeugt werden, wird zu erwarten sein, daß die "effektive" ( γ,e)-Wechselwirkungsrate annähernd proportional zur Oberflächengröße des Kerndrahtleiters, d. h. dem Durchmesser D ist. Damit ändert sich die (n,γ,e)-Wechselwirkungsrate annähernd mit D³. Es ist also zu erwarten, daß die dem (n,γ,e)-Vorgang zuschreibbare Stromgröße rasch mit zunehmendem Kerndrahtleiterdurchmesser zunehmen wird. Dies ist eine allgemeine Regel und nicht auf Kerndrahtleiter aus Ni-Cr-Fe-Legierung beschränkt.

In Tabelle 1 sind auch die Werte des prompten Anteils angegeben, die für jedes MI-Kabel bestimmt wurden. Die prompten Anteile, d. h. die Anteile des elektrischen Gesamtstromsignals, die den Änderungen des Neutronenflusses ohne (meßbare) Verzögerung folgen, wurden so bestimmt, daß der Abfall der elektrischen Stromsignale des MI-Kabels nach einem raschen Reaktorabschalten mit dem Abfall des Signals von einer Spaltkammer mit kleinen Abmessungen (Außendurchmesser etwa 3 mm und aktive Länge 12,5 mm) verglichen wurde. Wie aus Tabelle 1 zu ersehen ist, geht der prompte Anteil gegen Eins, wenn der Kerndrahtdurchmesser wächst. Mit anderen Worten, bei ansteigendem Kerndrahtdurchmesser kommt das MI-Kabel näher an ein vollständig promptes Bauelement heran.

Aus diesen Überlegungen wurde abgeleitet, daß Ni-Cr-Fe-Legierung- Ni-Cr-Fe-Legierung-MI-Kabel als ein prompt ansprechender hilfsenergiefreier Neutronendetektor verwendet werden könnten, falls die Kerndrahtleiterdurchmesser genügend groß gemacht würden.

Bei manchen Anwendungsfällen für einen hilfsenergiefreien Neutronendetektor ist es erwünscht, ein Maß des Durchschnittsflusses im Kernreaktor-Core zu erhalten, und bei diesen Anwendungsfällen kann ein Ni-Cr-Fe-Legierung-Ni-Cr-Fe-Legierung-MI-Kabel mit konstantem Durchmesser als Detektor verwendet werden. Ein annehmbarer prompter Anteil wird erreicht mit einem Emitterdurchmesser von mindestens 0,9 mm.

Bei anderen Anwendungen, für die ein hilfsenergiefreier Neutronendetektor verwendet wird, wird ein Maß des Durchschnittsflusses in einem örtlichen Bereich eines Nuklearreaktor-Cores gewünscht, statt ein Maß über den Durchschnittsfluß im vollständigen Kernreaktor-Core. Bei einer solchen Anwendung ist nicht nur das dynamische Ansprechen wichtig, sondern es ist gleichfalls wichtig, daß das durch den "Detektor" erzeugte Signal groß ist relativ zu dem Signal, das im Anschlußkabel erzeugt wird, das benutzt wird, um das Detektorsignal durch das Core des Kernreaktors und durch die Nuklearreaktorabschirmung bis zur Meßinstrumentation hindurchzuleiten. Ein praktisch brauchbarer, prompt ansprechender, hilfsenergiefreier Neutronendetektor wird unter Benutzung von Ni-Cr-Fe-Legierung sowohl für das Emitter­ elektroden/Anschlußkabel-Kerndrahtleitermaterial als auch das Kollektorelektroden/Anschlußkabel-Außendrahtleitermaterial hergestellt, wobei das elektrische Stromsignal, das in dem Flußdetektor erzeugt wird, groß ist relativ zu dem, das in dem Anschlußkabel erzeugt wird, wenn eine Neutronen­ detektor-Anschlußkabelauslegung benutzt wird, bei der der Durchmesser der Emitterelektrode des Neutronendetektorabschnittes mindestens viermal so groß wie der Durchmesser des Anschlußkabelkerndrahtleiters ist.

In Fig. 2 ist ein hilfsenergiefreier Neutronendetektor dargestellt, der folgende Teile umfaßt:

• a) eine Emitterelektrode 1 mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt und einem Durchmesser von mindestens etwa 0,9 mm,
• b) eine rohrförmige Kollektorelektrode 2, die die Emitterelektrode 1 koaxial umschließt und
• c) ein elektrisch isolierendes Material 4 zwischen den beiden Elektroden 1 und 2.

Die Emitterelektrode 1 besteht aus einem Material, das mit Ausnahme von Verunreinigungen Eisen, Nickel, Titan, Chrom oder eine auf mindestens einem dieser Elemente basierende Legierung ist, so daß mindestens etwa 90% des gesamten, in dem Detektor induzierten elektrischen Stromes prompt ist und aus (n,q,e)-Wechselwirkungen in dem Metall stammt.

Die Kollektorelektrode 2 besteht aus einem Metall, das mit Ausnahme von Verunreinigungen Eisen, Nickel, Titan, Chrom, Zirkon oder eine auf mindestens einem dieser Elemente basierende Legierung ist.

Bei der Detektoranordnung sind die Emitterelektrode 1 und die Kollektorelektrode 2 elektrisch mit einer Einrichtung 18 zur Messung einer elektrischen Stromdifferenz zwischen diesen Elektroden verbunden.

Die Kollektorelektrode 2 besitzt ein geschlossenes Ende 14 und ist beispielsweise mit einer Epoxidharzversiegelung 16 am anderen Ende abgedichtet.

Bei dem Neutronendetektor nach Fig. 3 sind gleiche Teile wie in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und die entsprechenden Teile der Erklärung gelten auch hier.

Der Neutronendetektor nach Fig. 3 weist auch ein koaxiales, mineralstoffisoliertes Anschlußkabel 6 auf. Das Anschlußkabel 6 besitzt einen Kerndrahtleiter 8 und einen Außendrahtleiter 10, die jeweils aus einem Metall bestehen, das mit Ausnahme von Verunreinigungen Eisen, Nickel, Titan, Chrom, Zirkon oder eine auf mindestens einem dieser Elemente basierende Legierung ist. Die Emitterelektrode 1 ist elektrisch mit dem Kerndrahtleiter 8 verbunden und besitzt einen Durchmesser, der mindestens etwa viermal dem des Kerndrahtleiters 8 entspricht. Die Kollektorelektrode 2 ist elektrisch mit dem Außendrahtleiter 10 verbunden.

Ein Übergangsabschnitt 12 verbindet die Emitterelektrode 1 mit dem Kerndrahtleiter 8 und die Kollektorelektrode 2 mit dem Außendrahtleiter 10. Je abrupter der Übergangsabschnitt 12 gestaltet ist, umso zufriedenstellender ist die Unterscheidung zwischen den im Detektor und den im Anschlußkabel 6 erzeugten elektrischen Signalen. Als bevorzugtester Übergangsabschnitt 12 würde sich ein gestufter Übergang anbieten, das ist jedoch nicht möglich, wenn Detektor und Anschlußkabel 6 von einem gemeinsamen Innenleiter aus auf die jeweils unterschiedlichen Größen gebracht wurden, ebenso wie es für die Isolation und den Außendrahtleiter nicht möglich ist, und so ergibt sich als Kompromiß ein Übergangsabschnitt 12, der so abrupt wie möglich verläuft.

Bei einigen Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind die Außendurchmesser der Kollektorelektrode 2 und des Außendrahtleiters 10 gleich.

Ein hilfsenergiefreier Neutronendetektor der in Fig. 3 gezeigten Art wurde hergestellt mit Emitterelektrode 1, Kollektorelektrode 2 und den elektrischen Leitern 8 und 10 aus Ni-Cr-Fe-Legierung und unter Verwendung von MgO als isolierendes Material 4. Mit diesem hilfsenergiefreien Neutronendetektor wurden Untersuchungen im radioaktiven Core eines schwerwassermoderierten Testreaktors angestellt.

Die Abmessungen dieses hilfsenergiefreien Neutronendetektors mit Anschlußkabel sind in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengefaßt:

Tabelle 2

Die wichtigen Versuchsergebnisse aus diesen Untersuchungen mit dem hilfsenergiefreien Neutronendetektor mit Anschlußkabel nach Fig. 3 in einem schwerwassermoderierten Testreaktor sind in der folgenden Tabelle 3 zusammengefaßt. Es ist dabei darauf hinzuweisen, daß prompt ansprechende hilfsenergiefreie Neutronendetektoren mit Anschlußkabel mit Emitterabschnitten von ca. 1 m Länge normalerweise in schwerwassermoderierten Natururan-Nuklearreaktoren sowohl in den Reaktorsteuersystemen als auch in den Reaktorsicherheitssystemen verwendet werden.
ParameterVersuchsergebnis

Verhältnis Detektorsignal/Anschlußkabelsignal∼32 Gesamtempfindlichkeit des Detektors2,23×10^-25 A · m^-1/(n · m^-2 · s^-1) Sofort ansprechender Anteil1,060*) I (n,b)/I _Total -0,035*)

*) Durchschnitt aus zwei Messungen.

Aus Tabelle 3 ist zu ersehen, daß der Detektorabschnitt nahezu 100% prompt ansprechend war und daß der Abschnitt des Anschlußkabels nur etwa 3% zum Gesamtstromsignal beitrug. Andere Untersuchungen haben gezeigt, daß durch eine Verringerung des Kerndrahtleiterdurchmessers des Anschlußkabels 6 auf 0,25 mm das elektrische Stromsignal des Anschlußkabels auf unter 1% des Gesamtsignals verringert werden kann. Die Tatsache, daß der prompte Anteil größer als 1 ist, ergibt sich als Folge davon, daß die verzögerten elektrischen Stromsignale von den verzögerten Reaktorgammastrahlen und von dem Zerfall von Mn 56 und Ni 65 negativ waren, während das prompte elektrische Stromsignal positiv war. Ein prompter Anteil, der etwas den Faktor 1 übertrifft, kann als besonders günstig bei einem hilfsenergiefreien Neutronendetektor mit Anschlußkabel angesehen werden, der in einem Kernreaktor-Sicherheitssystem benutzt wird. Die gemessene Detektorempfindlichkeit des hilfsenergiefreien Neutronendetektors nach Tabelle 2 ist in Fig. 1 mit ⊗ angegeben. Es ist zu sehen, daß sie kleiner ist als auf der Grundlage einer einfachen Extrapolation der vorher mit den kleineren Abmessungen von Ni-Cr-Fe-Legierung-Ni-Cr-Fe-Legierung-MI-Kabels erzielten Ergebnisse zu erwarten war. Dieses Ergebnis wird in erster Linie als eine Folge einer Neutronenselbstabschirmung bei dem hilfsenergiefreien Neutronendetektor mit Anschlußkabel angesehen, wenn auch experimentelle Fehler dazu beigetragen haben können.

Die in Tabelle 3 zusammengefaßten Ergebnisse zeigen klar und deutlich, daß es möglich ist, einen prompt ansprechenden hilfsenergiefreien Neutronendetektor mit Anschlußkabel mit einer guten Unterscheidung zwischen dem elektrischen Stromsignal des hilfsenergiefreien Neutronendetektors und dem Stromsignal des Anschlußkabels der in Fig. 3 gezeigten Art herzustellen unter Verwendung von Ni-Cr-Fe-Legierung als Material für alle Elektroden und Leiter. Untersuchungen haben gezeigt, daß bei der Verwendung eines koaxialen (nicht-kompensierten) Anschlußkabels 6 der in Fig. 3 gezeigten Art der Durchmesser der Emitterelektrode 1 mindestens in der Größenordnung viermal so groß wie der des Anschlußkabel-Kernleiterdrahtes 8 sein muß, falls ein Maß des durchschnittlichen Flusses in einem begrenzten Bereich des Cores erwünscht ist.

Der in Fig. 4 dargestellte hilfsenergiefreie Neutronendetektor mit Anschlußkabel, bei dem wiederum gegenüber Fig. 2 und 3 gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und entsprechend auf die dortige Beschreibung verwiesen wird, enthält einen mineralstoffisolierten Anschlußkabelabschnitt 22 mit zwei Kerndrahtleitern 24 und 26, die im wesentlichen gleichen Durchmesser aufweisen und aus gleichem Material bestehen und einem Außendrahtleiter 28. Jeder Kerndrahtleiter 24 und 26 und der Außendrahtleiter 28 bestehen aus einem Metall, das mit Ausnahme von Verunreinigungen Eisen, Nickel, Titan, Chrom, Zirkon oder eine auf mindestens einem dieser Elemente basierende Legierung ist. Die Emitterelektrode 1 ist elektrisch nur mit einem der Kerndrahtleiter, nämlich dem Kerndrahtleiter 26, verbunden und besitzt einen Durchmesser, der mindestens etwa 2,5mal so groß ist wie der der Kerndrahtleiter 24 und 26. Die Kollektorelektrode 2 ist elektrisch mit dem Außendrahtleiter 28 verbunden.

Der hilfsenergiefreie Neutronendetektor mit Anschlußkabel nach Fig. 4 ist mit den Kerndrahtleitern 24 und 26 im Anschlußkabel 22 versehen, um das durch den Kerndrahtleiter erzeugte elektrische Signal direkt im Anschlußkabel 22 auszugleichen. Das wird dadurch erreicht, daß der durch das elektrische Strommeßgerät 30 angezeigte elektrische Strom von dem durch das elektrische Strommeßgerät 32 angezeigten abgezogen wird. Ein Beispiel des Standes der Technik dieser Art von hilfsenergiefreien Neutronenflußdetektoranordnungen ist in der US-PS 34 00 289, Spalte 2, Zeilen 63 bis 70 angegeben.

In Fig. 5 ist wiederum eine abgewandelte Form eines hilfsenergiefreien Neutronendetektors mit Anschlußkabel gezeigt, für die in entsprechendem Sinne die Vorbemerkung bezüglich Bezugszeichen der Fig. 3 und 4 ebenfalls zutrifft; es handelt sich hier um eine Anordnung mit einem ersten koaxialen, mineralstoffisolierten Anschlußkabel 34 und einem zweiten koaxialen, mineralstoffisolierten Kabel 35. Das erste Anschlußkabel 34 besitzt einen Kerndrahtleiter 36 und einen Außendrahtleiter 38, die jeweils aus einem Metall bestehen, das mit Ausnahme von Verunreinigungen Eisen, Nickel, Titan, Chrom, Zirkon oder eine auf mindestens einem dieser Elemente basierende Legierung ist. Das zweite Kabel 35, das im wesentlichen identisch zum ersten Führungskabel 34 ausgeführt ist, ist zur Kompensation des direkt dem ersten Anschlußkabel induzierten elektrischen Stromes vorgesehen. Die Emitterelektrode 1 ist elektrisch nur mit dem Kerndrahtleiter 36 des ersten Anschlußkabels 34 verbunden und besitzt einen Durchmesser, der mindestens etwa 2,5mal größer als der Durchmesser jedes Kerndrahtleiters 36 bzw. 40 des ersten bzw. zweiten Anschlußkabels 34 bzw. 35 ist. Die Kollektorelektrode 2 ist elektrisch mit dem Außendrahtleiter 38 nur des ersten Anschlußkabels 34 verbunden.

Wie bereits einmal erwähnt, ist der hilfsenergiefreie Neutronendetektor nach Fig. 5 mit einem zweiten Kompensationsanschlußkabel 35 versehen, um elektrischen, direkt in dem ersten Anschlußkabel 34 induzierten Strom zu kompensieren. Das wird dadurch erreicht, daß der durch den Strommesser 42 angezeigte Strom von dem durch den elektrischen Strommesser 44 angezeigten abgezogen wird. Ein Beispiel des Standes der Technik für diese Art von Anschlußkabelkompensation befindet sich in der bereits erwähnten US-PS 33 75 370, Spalte 5, Zeilen 62 bis 75.

Untersuchungen haben gezeigt, daß durch Ausgleich des in dem Anschlußkabel erzeugten Signals, beispielsweise durch Verwendung eines Anschlußkabels 22 mit zwei Kerndrahtleitern 24 und 26 nach Fig. 4 oder durch Verwendung eines zweiten Kabels 35 nach Fig. 5 die Kerndrahtleiter verringert werden können; da jedoch der elektrische Strom des hilfsenergiefreien Neutronendetektors fast mit der dritten Potenz des Emitterdurchmessers abfällt, sollte das Verhältnis des Emitterdurchmessers zum Kerndrahtdurchmesser nicht kleiner als etwa 2,5 sein.

Wenn der hilfsenergiefreie Neutronendetektor benutzt wird, um den durchschnittlichen Fluß im Gesamt-Core eines Nuklearreaktors zu messen, statt in einem begrenzten Bereich des Cores, dann können der Emitter- und der Kollektorelektrodenabschnitt der Detektoranordnung zur Übertragung des Signals an den Strommesser benutzt werden, da Untersuchungen ergeben haben, daß der in jenem Abschnitt der Detektoranordnung erzeugte Strom, der durch die Reaktorabschirmung hindurchgeht, vernachlässigbar ist im Vergleich zu dem Strom, der in dem durch den Core des Reaktors hindurchtretenden Abschnitt des Detektors erzeugt wird. Um jedoch einen prompten Anteil in der Nähe von 1 zu erhalten, muß der Durchmesser der Emitterelektrode etwa mindestens 0,9 mm sein.

Ein wichtiger Vorteil eines hilfsenergiefreien Neutronendetektors entsprechend der vorliegenden Erfindung bei Benutzung einer Ni-Cr-Fe-Legierung als Emitterelektrodenmaterial im Vergleich zu anderen prompt ansprechenden hilfsenergiefreien Neutronendetektoren mit beispielsweise Kobalt als Emitterelektrodenmaterial ist die viel geringere Ausbrenn- oder Verbrauchsrate. Der effektive Einfangsquerschnitt für eine Ni-Cr-Fe-Legierung ist ca. 4 b (1 b=10^-28m²) im Vergleich zu 37 b für Co. Damit brennt ein hilfsenergiefreier Neutronendetektor mit Ni-Cr-Fe-Legierung als Emitterelektrodenmaterial nur etwa neunmal so langsam aus wie ein gleichartiger Detektor mit Kobalt als Emitterelektrodenmaterial. Wie später näher besprochen wird, steigt tatsächlich die Empfindlichkeit des Ni-Cr-Fe-Legierung-Detektors während der ersten Jahre der Bestrahlung an, bevor sie abzufallen beginnt.

Ein prompt ansprechender hilfsenergiefreier Neutronendetektor mit geringer Ausbrennrate kann auch unter Benutzung von Materialien anderer Art als einer Ni-Cr-Fe-Legierung für die Emitterelektrode geschaffen werden. Um eine langsame Ausbrennrate zu erreichen, muß der Neutroneneinfangquerschnitt relativ klein sein; er kann natürlich nicht so klein sein, daß er die Erzeugung eines nutzbringenden Signals ausschließt. Um ein promptes Ansprechen zu erreichen, sollten die Materialien der Detektoranordnung nicht in einem beträchtlichen Ausmaß nach dem Neutroneneinfang in β-aktive Tochternuklide transmutieren. Weiter sollte zur Erreichung eines prompten Ansprechens die Gammastrahlenempfindlichkeit der Detektoranordnung relativ gering sein, um die verzögerten Reaktor-Gammastrahlen daran zu hindern, ein nennenswertes verzögertes Signal zu ergeben. Wenn man die Eigenschaften benutzt, die in dem Aufsatz "A Platinum In-Core Flux Detector" von R. B. Shields, erschienen in den IEE Trans. Nucl. Sci., NS-20, 1973, S. 603, als Führung bei der Auswahl der Materialien nimmt, um so eine geringe Gammastrahlenempfindlichkeit zu erreichen, kann abgeleitet werden, daß die Atomnummer der Materialien für den Kollektorelektrodenleiter und die Emitterelektrode sich vorzugsweise nicht mehr als in der Größe von 15 unterscheiden sollten.

Unter Berücksichtigung der angeführten Erfordernisse wurde eine Anzahl von Materialien, die zur Verwendung in einem prompt ansprechenden hilfsenergiefreien Neutronendetektor oder einem Neutronendetektor mit Anschlußkabel mit geringem Abbrand entsprechend der vorliegenden Erfindung geeignet sind, ausgewählt und ihre wichtigen Eigenschaften in der nachfolgenden Tabelle 4 zusammengefaßt, in der gleichfalls auch die geschätzten Werte für die Empfindlichkeit S _R (n,γ,e) für die Materialien, bezogen auf die Empfindlichkeit für eine Ni-Cr-Fe-Legierung, angegeben sind. Diese Empfindlichkeiten wurden aus der folgenden Gleichung (7) erhalten:

wobei
S (n,γ,e)ist die (n,γ,e)-Empfindlichkeit bei einer Emitterelektrode aus dem Material X, bezogen auf die Empfindlichkeit bei einer Emitterelektrode aus einer Ni-Cr-Fe-Legierung, ρ _X die Dichte des Materials X, A _X das Atomgewicht des Materials X, N _X die Durchschnittszahl der pro Neutroneneinfang im Material X ausgesandten Gammastrahlen, σ _X der mikroskopische Neutroneneinfangquerschnitt für das Material X, Z _X die Atomnummer des Materials X und A _I , ρ _I , N _I , σ _I und Z _I in gleicher Weise für die Ni-Cr-Fe-Legierung definiert sind.

Tabelle 4

Die geschätzten Werte für die relative Empfindlichkeit S _R (n,γ,e) können nicht als sehr genau angesehen werden. Trotzdem dienen sie als nützlicher Leitwert und zeigen an, daß die Neutronenempfindlichkeiten von Nickel, Eisen, Chrom und Titan der der Ni-Cr-Fe-Legierung vergleichbar sind. Ferner sind auch die relativen Intensitäten der verzögerten elektrischen Ströme, die von dem β-Zerfall von radioaktiven Tochter-Nukliden stammen, vergleichbar zu oder kleiner als die relative Intensität des verzögerten elektrischen Stromes, der in Ni-Cr-Fe-Legierung-Ni-Cr-Fe-Legierung-MI-Kabeln durch den β-Zerfall von Mn 56 und Ni 65 erzeugt wird. Da die Atomzahlen von Nickel, Eisen, Chrom und Titan nahe beieinander und an der der Ni-Cr-Fe-Legierung liegen, sind auch die elektrischen Stromempfindlichkeiten für Gammastrahlen von MI-Kabeln, die aus diesen Materialien hergestellt werden, in der Nähe von denen für Ni-Cr-Fe-Legierung- Ni-Cr-Fe-Legierung-MI-Kabeln. Auf diese Weise kann ein prompt ansprechender hilfsenergiefreier Neutronendetektor mit Anschlußkabel mit geringem Ausbrennen entsprechend der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von irgendeiner Kombination aus Nickel, Eisen, Chrom, Titan und Legierungen aus diesen Materialien als Emitterelektroden- und Kollektor­ elektroden-Material des Gerätes hergestellt werden.

Aus der Tabelle 4 ist zu ersehen, daß Zirkon und damit auch Zirkonlegierungen zur Verwendung als Emitterelektrodenmaterial eines prompt ansprechenden hilfsenergiefreien Neutronendetektors wegen der niedrigen Neutronenempfindlichkeit des Zirkons nicht geeignet sind. Jedoch können Zirkon oder Zirkonlegierungen, wie Zirkaloy, als Kollektorelektrodenmaterial so gut wie Eisen, Nickel, Chrom, Titan und/oder Legierungen aus diesen Materialien eingesetzt werden. Eine Detektoranordnung mit einer Zirkonkollektorelektrode besitzt dann eine etwas größere negative Gammastrahlenempfindlichkeit, als wenn ein Material mit einem niedrigen Z-Wert für die Kollektorelektrode eingesetzt worden wäre, jedoch ist die Ansprecheigenschaft der Detektoranordnung immer noch in der Nähe von 100% prompt. Zirkon und Zirkonlegierungen, wie Zirkaloy, können auch für das Kerndrahtleitermaterial des Anschlußkabels eingesetzt werden. Es besteht ein bestimmter Vorteil bei der Benutzung von Zirkon oder einer Zirkonlegierung als Kollektorelektrodenmaterial deswegen, weil die durch einen solchen hilfsenergiefreien Neutronendetektor erzeugte Fluß-Depression und die Neutronenbelastung für den Nuklearreaktor beträchtlich geringer wird als bei Verwendung eines anderen vorgeschlagenen Materials als Kollektorelektrodenmaterial. Auf diese Weise ergeben sich Zirkon und Zirkonlegierungen als bevorzugte Materialien für die Kollektorelektrode. Auch Nickel ist ein bevorzugtes Material für die Kollektorelektrode wegen der relativen Einfachheit bei der Herstellung unter Benutzung dieses Materials.

Wie sich auch aus Tabelle 4 ergibt, ist Nickel ein bevorzugtes Material für die Emitterelektrode wegen der relativ großen Empfindlichkeit und der kleinen verzögerten Komponente. Die Benutzung von Nickel als Emittermaterial besitzt noch einen zusätzlichen Vorteil. Das häufigst vorkommende Nickelisotop ist Ni 58, welches 68% des natürlich vorkommenden Elementes bildet, und dieses Isotop besitzt einen Absorptionsquerschnitt von 4,6 b. Dieses Isotop verwandelt sich in Ni 59 durch Neutroneneinfang, und Ni 59 besitzt einen Gesamtneutronenquerschnitt von 104 b.

Auf diese Weise ergibt jedes Ni-58-Nuklid, das ein Neutron einfängt, ein Ni-59-Nuklid mit einem viel größeren Neutroneneinfangquerschnitt, so daß angangs die Detektorempfindlichkeit tatsächlich zunimmt infolge der Bestrahlung, d. h. der Detektor "brütet".

Bei dem Erprobungsdetektor, der mit der Ni-Cr-Fe-Legierung gefertigt wurde (sie enthält ca. 76% Ni), stieg das Signal tatsächlich während etwa sieben Monaten um ∼20% an. Bei einem Ni-Cr-Fe-Legierung-Detektor ergibt sich der Strom I _I (t) nach einer Bestrahlung während einer Zeit t in einem Fluß Φ auf folgende Weise:

I _I (t) = I _I (o) e ^-σ I ^{Φ t} + I₅₉ (t) (8)

wobei
I _I (0)der Anfangsstrom der Ni-Cr-Fe-Legierung-Detektoranordnung, σ _I ein effektiver Querschnitt zur Beschreibung des Ausbrennens der Ni-Cr-Fe-Legierung und
I₅₉ (t)der durch den Neutroneneinfang in Ni 59 erzeugte Strom ist.

Da der Strom I₅₉ vom Einfang in Ni 59 entsteht, ist er proportional zur Relativzahl von Ni-59-Nukliden pro Einheitsvolumen χ₅₉, d. h.

I₅₉ = K χ₅₉ (9)

Da jedoch Ni 59 aus dem Neutroneneinfang in Ni 58 entsteht, ergibt sich

wobei
χ₅₈die Relativzahl von Ni-58-Nukliden pro Einheitsvolumen und
λdie Zerfallskonstante für Ni 59 ist.

Da
λ₅₉sehr klein gegen σ₅₉ · Φ bei typischen Reaktorflußwerten, ergibt sich

Löst man die Gleichungen (11) und (12) unter Beachtung der Grenzbedingungen auf, daß zur Zeit 0 gilt:

χ₅₈ = χ₅₈(0) (13)

χ₅₉ = 0, (14)

ergibt sich

Damit gilt:

= kf ( Φt) (17)

wobei gilt:

k = K χ₅₈(0) (18)

Damit ergibt sich für den Ni-Cr-Fe-Legierung-Detektor

I _I (t) = I _I (o) e ^-σ I ^{Φ t} + kf( Φ t) (19)

Es wurde experimentell gefunden, daß nach einer Bestrahlung von etwa 0,6 a in einem mittleren Fluß von etwa 2×10¹⁸n · m^-2 · s^-1 das Signal des Testdetektors um einen Faktor von 1,22 anwuchs.

Unter der Annahme σ _I =4,6 b ergibt sich

so daß

Die Gleichungen (16), (19) und (21) können benutzt werden, um die Änderung des durch einen Ni-Cr-Fe-Legierung-Detektor erzeugten Stromes als Funktion der Strahlungsgeschichte des Detektors abzuschätzen. In Tabelle 5 sind die Ergebnisse zusammengefaßt, die bei einer Bestrahlung eines Detektors in einem mittleren Fluß von 2×10¹⁸n · m^-2 · s^-1 erhalten werden. Es sind ebenfalls die Ergebnisse gezeigt, die bei Verwendung eines Reinnickelemitters erwartet werden. Die Anfangsempfindlichkeit des Nickeldetektors ist etwa 5% größer als die eines äquivalenten Ni-Cr-Fe-Legierung-Detektors, und der Wert von k/I _I (0) für den Nickeldetektor ist um den Faktor 1,32 größer als der für den Ni-Cr-Fe-Legierung-Detektor, da die Ni-Cr-Fe-Legierung nur 76% Nickel enthält. Es wurde hier angenommen, daß der effektive Querschnitt, der das Ausbrennen sowohl des Ni-Cr-Fe-Legierung- als auch des Nickeldetektors berücksichtigt, 4,6 b ist.

Tabelle 5

Signaländerung bei einem Ni-Cr-Fe-Legierung- und einem Nickeldetektor als Funktion der Zeit unter Annahme eines konstanten Flusses von 2×10¹⁸n · m^-2 · s^-1

Wie zu sehen ist, steigt das vom Ni-Cr-Fe-Legierung-Detektor erhaltene Signal zunächst vier Jahre lang an und nimmt dann ab. Nach etwa vier Jahren wird Ni 59 so schnell ausgebrannt, wie es erzeugt wird. Danach nimmt das Signal ab, da Ni 58 ausbrennt und das Verhältnis I₅₉/I _Total annähernd konstant bleibt.

Wie zu sehen ist, wird vorausgesagt, daß das Signal des Nickeldetektors mehr ansteigt als das des Ni-Cr-Fe-Legierung-Detektors. In beiden Fällen ist der Anstieg sehr beträchtlich, und nach einer Bestrahlung von 20 Jahren ist der Detektor immer noch so empfindlich wie bei seinem ersten Einbau.

Damit ergibt sich Nickel als das bevorzugte Material für die Emitterelektrode.

Es sollte beachtet werden, daß im allgemeinen unterschiedliche Materialien für den Anschlußkabelabschnitt des hilfsenergiefreien Neutronendetektors und die Emitterelektrode verwendet werden können.

Claims (8)

1. Hilfsenergiefreier Neutronendetektor mit einer metallischen Emitterelektrode von im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt und einem Durchmesser von mindestens 0,9 mm, die aus einem einzigen Material besteht, das mit Ausnahme von Verunreinigungen Eisen, Nickel, Titan oder Chrom oder eine auf mindestens einem dieser Elemente basierende Legierung ist, mit einer rohrförmigen, die Emitterelektrode umgebenden Kollektorelektrode, die mit Ausnahme von Verunreinigungen aus Eisen, Nickel, Chrom, Titan oder Zirkon oder aus einer auf mindestens einem dieser Elemente basierenden Legierung besteht, und mit einem zwischen der Emitterelektrode und der Kollektorelektrode angeordneten Isolator, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Emitterelektrode vorgesehen ist, die von der Kollektorelektrode koaxial umgeben ist.

2. Neutronendetektor nach Anspruch 1, mit einem koaxialen, mineralstoffisolierten Anschlußkabel, das einen Kerndrahtleiter und einen Außendrahtleiter besitzt, wobei der Kerndrahtleiter elektrisch mit der Emitterelektrode und der Außendrahtleiter elektrisch mit der Kollektorelektrode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Leiter mit Ausnahme von Verunreinigungen aus Eisen, Nickel, Titan, Chrom oder Zirkon oder aus einer auf mindestens einem dieser Elemente basierenden Legierung bestehen und daß die Emitterelektrode einen Durchmesser aufweist, der mindestens viermal so groß wie der Durchmesser des Kerndrahtleiters ist.

3. Neutronendetektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Leiter des Anschlußkabels mit Ausnahme von Verunreinigungen aus Eisen, Nickel, Titan, Chrom oder Zirkon oder aus einer auf mindestens einem dieser Elemente basierenden Legierung bestehen, daß zur Kompensation eines in dem Anschlußkabel induzierten Stromes ein zweites koaxiales, mineralstoffisoliertes Kabel vorgesehen ist, das im wesentlichen identisch mit dem Anschlußkabel ist, und daß die Emitterelektrode einen Durchmesser hat, der mindestens 2,5mal so groß wie der Durchmesser der Kerndrahtleiter ist.

4. Neutronendetektor nach Anspruch 1, mit einem mineralstoffisolierten Anschlußkabel, das zwei Kerndrahtleiter aus im wesentlichen dem gleichen Metall und mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser sowie einen Außendrahtleiter besitzt, wobei der eine Kerndrahtleiter elektrisch mit der Emitterelektrode und der Außendrahtleiter elektrisch mit der Kollektorelektrode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kerndrahtleiter und der Außendrahtleiter mit Ausnahme von Verunreinigungen aus Eisen, Nickel, Titan, Chrom oder Zirkon oder aus einer auf mindestens einem dieser Elemente basierenden Legierung bestehen, daß der Durchmesser der Emitterelektrode mindestens 2,5mal so groß wie der der Kerndrahtleiter ist und daß der nicht mit der Emitterelektrode verbundene Kerndrahtleiter so angeordnet ist, daß der im Anschlußkabel induzierte Strom ausgeglichen wird.

5. Neutronendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter- und die Kollektorelektrode aus dem gleichen metallischen Material bestehen.

6. Neutronendetektor nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode, die Kollektorelektrode und die Leiter des Anschlußkabels aus dem gleichen metallischen Material bestehen.

7. Neutronendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter- und die Kollektorelektrode aus einer Legierung auf Nickelbasis bestehen, die Chrom und Eisen enthält.

8. Neutronendetektor nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode, die Kollektorelektrode und die Leiter der Anschlußkabel aus einer Legierung auf Nickelbasis bestehen, die Chrom und Eisen enthält.