DE3031107C2 - Antimon-Beryllium-Neutronenquelle zur Erzeugung thermischer Neutronen und Verfahren zur Neutronenradiografie - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine transportable Quelle zum Erzeugen thermischer Neutronen, bestehend aus einem mit AUstrltlsöffnung versehenen Gehäuse, weiches die Komponenten Moderator, Beryllium und radioaktives Antimon umschließt, Des weiteren Ist die Erfindung gerichlet auf ein Verfahren zur neulronenradlograflschen Prüfung von Teilen von wassergekühlten Lelslungsreakloreri Unter Verwendung einer solchen Quelle zum

Erzeugen thermischer Neutronen.

Die vorliegende Erfindung geht von folgendem bekannten Stand der Technik aus:

Beim Betrieb von Leislungsreaktoren, die zur Elektrizitätserzeugung oder zur Bereitstellung von Heiz- oder Reaktionswärme dienen, müssen häufig Schäden an Reaktortellen untersucht werden oder es muß deren schadensfreier Zustand nachgewiesen werden. Für diese Prüfungen kommen In erster Linie zerstörungsfreie Verfahren In Frage, zum Beispiel neben der einfachen optischen Inspektion oder Dimensionskontrolle die schon bekannten Verfahren mittels Röntgen- und Gammastrahlen, Ultraschall oder Wirbelstrom.

Bei Leistungsreaktoren sind die zu überprüfenden Teile meist radioaktiv Dies gilt besonders für die im Reaktorkern eingesetzten Brennstoff- und Steuerelemente. Die Untersuchung mit Röntgen- oder Gammastrahlen 1st dann nicht geeignet, well die radioaktive Eigenstrahlung der Teile die Prüfstrahlung überdeckt und das Aufnahmebild verschleiert. Auch die oben genannten anderen Prüfverfahren sind nur begrenzt einsetzbar, weil sie entweder die in Frage kommenden Schäden nicht erfassen oder mechanische Eingriffe in die Teile erfordern, die langwierig sind und zu Beschädigungen führen können (KWU-Brennelement-Service. Stand der Entwicklung und neuere Ergebnisse, F. Garzarolll, H. Knaab, K. Knecht, Reaktortagung - Düsseldorf; 30. 3. bis 2. 4. 1976).

Ein für radioaktive Teile geeignetes Prüfverfahren 1st die schon bekannte Neutronenradiografle, well hier die radioaktive Eigenstrahlung der Teile nicht stört. Bei diesem Verfahren wird das zu untersuchende Teil mit Neutronen durchstrahlt und das Durchstrahlungsbild mit einem Bildaufnehmer, der nur auf Neutronen und nicht auf Gammastrahlen anspricht, erfaßt (Atomic Energy Review, Vol. 15, No. 2, June 1977, IAEA, Wien).

Da eine sehr Intensive Neutronenstrahlung erforderlich ist. wurde die Neutronenradiografle bisher überwiegend an Forschungsreaktoren als Neutronenquelle ausgeführt. Dies hat den Nachteil, daß die zu untersuchenden Teile jeweils zu dem Forschungsreaktor gebracht werden müssen

Wenn Teile von Leistungsreaktoren untersucht werden sollen, ist es besser, die Neutronenquelle dorthin zu transportleren, well die Teile meist sperrig und auch radioaktiv sind oder Ihre Anzahl groß ist. Der Leistungsreaktor selbst kommt aufgrund seiner Konstruktion und Aufgabenstellung als Neutronenquelle für die radiografische Untersuchung nicht In Frage.

Mögliche transportable Neutronenquellen sind Neutronengeneratoren und Isotopenquellen.

In Neutronengeneratoren werden die Neutronen durch die Einwirkung hoch beschleunigter Teilchen auf ein Target erzeugt Diese Generatoren sind für den Einsatz als transportable Neutronenquelle zu groß und unhandlich, wenn sie eine für die Neutronenradiografle ausreichende Strahlungsintensität haben sollen

Bei Isotopenquellen Ist ein kompakter Aufbau eher möglich. Von den bekannten Isotopenquellen sind In der Vergangenhell für die Neutrone:nradlografle hauptsächlich die Californium- und die Antlmon-Berylllum-Neutronenquelle benutzt worden.

In der Callfornium-Quelle entstehen die Neutronen durch den Zerfall des künstlichen radioaktiven Isotops CalIfornlum-252, Der Hauptnachteil dles6s Quellentyps Ist der hohe Anschaffungspreis für das Californium-^?..

In der Antimon-Berylllüm-Qüelle entstehen die Neutronen durch die Einwirkung der von dem künstlichen

radioaktiven Isotop Antlmon-124 ausgesandten Gammastrahlen auf das Beryllium entsprechend der Formel

⁹Be+ y^^aBe +η

Die erzeugten Neutronen mit einer Energie von etwa 25 keV werden In einem In die Quelle eingesetzten Körper aus Moderatormaterial auf thermische Energien Im Bereich von Null bis einigen Elektronenvolt abgebremst. Diese Abbremsung Ist - wie auch bei anderen Quellen notwendig, well thermische Neutronen ein kontrastrelcheres Durchs'iahlungsbild liefern.

Das benötigte Antlmon-124 läßt sich durch Bestrahlung von natürlichem Antimon In einem Forschungsoder Leistungsreaktor verhältnismäßig einfach erzeugen, und Antlmon-Berylllum-Neutronenquellen sind daher erheblich wirtschaftlicher als Callfornium-Quellen vergleichbarer Intensität.

Transportable Neutronenquelien, die die Antlmon-Berylllum-Reaktlon ausnutzen, werden seit längerem für physikalische Versuche oder als Startquellen In Reaktoren verwendet (USA-Patent 28 68 990 und Atomkernenergie (AKTE) Bd. 15 (1970) S. 255-257). Diese Quellen bestehen aus einem Aniirnonieil, der von Beryllium umgeben Ist. Sie enthalten keinen Modeiator. Demgegenüber Ist die hler beschriebene Neutronenquelle dadurch gekennzeichnet, daß thermische Neutronen Im zentralen Moderator der Quelle erzeugt werden, und daß durch die konzentrische Anordnung der Bauteile um den Moderator der zur Bestrahlung verwendbare thermische Neutronenfluß Im kleinen Volumen des Moderators überhöht wird.

Antimon-Beryllium-Quellen zur Anwendung In der Neutronenradlografle sind bekannt (USA-Patentschrift 32 37 009). Diese In den 60lger Jahren entwickelten Quellen sind dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Antimon-Präparat In der Mitte der Quelle befindet und das Beryllium und der Moderator welter außen angeordnet Ist. Bei dieser Anordnungswelse mußten die Quellen, um einen ausreichenden Neutronenfluß an der Austrittsöffnung zu erreichen, so groß und unhandlich gemacht wer- ^⁰ den, daß sie als transportable Quellen für die Neutronenradlografle Keine Anwendung fanden. Beispielsweise hatte eine zylinderförmige Antimon-Beryllium-Quelle, die für die Neutronenradlografle in einer Heißen Zelle stationär eingesetzt wurde, einen Außendurchmesser und eine Höhe von jeweils rund einem Meter (On Optimizing an Sb-Be Source for Neutron Ridlographlc Applications, DC. Cutforth, Mat. Evaluation, April 1968, S. 49.^

Aufgabe der Erfindung Ist die Schaffung einer Antlmon-Berylllum-Neutronenquelle von erheblich kompakterem Aufbau, die trot? hoher Strahlungsintensität sehr handlich und transportabel Ist und sich zur neutronenradlograflschen Prüfung von radioaktiven Teilen von Leistungsreaktoren Im Servicebecken dieser Reaktoren eignet.

Die vorstehende Aufgabe wird bei der eingangs genannten Neutronenquelle erfindungsgemäß gelöst durch die Im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale.

Weitere Merkmale der Erfindung ergehen sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Neutronenquelle kann bei Ihrem zylindrischen Aufbau mit einem·Durchmesser und einer Höhe von etwa 20 cm hergestellt werden. Wegen Ihrer besonders günstigen, raumlichen Anordnung von Beryllium und radioaktivem Antimon sowie der Werkstoffe für die Moderation und die Reflexion von Neutronen führt dazu, daß mwi an der Austrittsöffnung der

55 Quelle einen Neutronenfluß von etwa 10" Neutronen/cm^ pro k Cl Antlmon-124 erhalt.

Bei der neutronenradlograflschen Prüfung werden die Prüfkörper mit den aus der Quelle austretenden Neulronen durchstrahlt und das Durchstrahlungsblld mit einer neutronenempfindlichen Folie oder einem anderen BlIdaufnehmer, der unmittelbar hinter dem Prüfkörper angebracht Ist, erfaßt. Da die Teile aus Kernreaktoren radioaktiv sind und oft eine Intensive Gammastrahlung aussenden, müssen sie hinter einer Abschirmung gehandhabt werden, die das Bedienungspersonal vor der Strahlung schützt. Auch die erfindungsgemäße Neutronenquelle sendet Gammastrahlen aus. Wegen dieser Strahlung wird erfindungsgemäß für ein Verfahren zur neutronenradlograflschen Prüfung vorgeschlagen. In das Service- bzw. Kühlwasserbecken des Reaktors eine oben geschlossene Glocke, aus der das Wasser herausgedrückt oder abgepumpt werden kann, abzusenken, die In Neutronenstrahlrlchtung hlnterelnander'iegend die Neutronenquelle, das Untersuchungsobjekt und den Bildaufnehmer umschließt. Hierbei bildet eine Wasserschicht von 2 bis 2,5 m eine ausreichende S' .«hlenabschirmung. Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, In der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht Is-

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen axla:en Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Neutronenquelle,

Flg. 2 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie II-II der Flg. 1 und

FIg 3 einen horizontalen Querschnitt durch eine für die neutronenradlograflsche Prüfung von Teilen von wassergekühlten I.elstungsreaktoren vorgesehene in das Service-Becken ues Reaktors absenkbare Glocke mit Neutronenquelle, Untersuchungsobjekt und Bildaufnehmer.

Wie Flg. ! und 2 zeigen, besteht die erfindungsgemäße Neutronenquelle aus einem vorzugsweise ;us Polyäthylen bestehenden Moderator I von becherförmiger Gestalt, einem becherförmigen Beryllium-Körper 2 mit ad.ι koaxial ausgerichteten Bohrungen, welche zur Erzeugung der Neutronen radioaktive Antimon-Stäbe 3 aufnehmen, einem ebenfalls becherförmig ausgebildeten Reflektor 4, der als Material hohen Streuquerschnittes vorzugsweise aus Nickel besteht, einer vorzugsweise aus Polyäthylen bestehenden Abschirmung 5 und einem aus Cadmlumblech bestehenden Gehäuse 6 zum Abfangen der nach außen entweichenden thermischen Neutronen

Die Mittelbohrung des Moderators 1 setzt sich fort In einer als Kollimator ausgebildeten Einstülpung des Gehäuses 6. Dieser Kollimator 7 Ist vorzugsweise ein konischer Trichter, de' auf das Untersuchungsobjekt perlf'iUt werden kann.

Wie die Flg. I erkennen läßt, sind die vorerwähnten Neutronenquellen - Komponenten 2. 4 t:nd 5 Ihrer Bodenfläche gegenüberliegend mit einer mlttlg durchbrochenen DeckenHäche versehen, die an den Kollimator 7 anschließt

Die Bohrungen im Beryllium 2 für die Aufnahme der Antimonstdbe 3 finden Ihre Fortsetzung in entsprechenden Bohrungen des Reflektors 4 und der Abschtemung 5, die unmittelbar art die Bodenfläche 16 ües Gehäuses 6 angrenzen, wo entsprechende Beschickungsöffnungen vorgesehen werden können, damit man das Antimon nach entsprechendem Verbrauch entnehmen und eine NeübeschlckUng vornehmen kann. Dieses Neubeschlk-

Mftr-Üb

ken mit Antimon kann auch unter Wasser mit einer entsprechenden Fernbedienung vorgenommen werden.

Verglichen mit der vorgenannten Antlmon-Berylllum-Quelle nach D. C. Cütforth hat die erfindungsgemäße Quelle bei einer Höhe und einem Durchmesser von etwa 21 cm ein um den Faktor 100 kleineres Volumen, Der Neutronenfluß an der'Austrittsöffnung der Quelle Ist mit 1,2XlO⁸ Neutronen/cm²s bei 1,5 k Cl Antlmon-124, etwa gleich dem der vorbekannlen Quelle.

Die Kompaktheit und der hohe Neutronenfluß der lö erfindungsgemäßen Quelle wird dadurch erreicht, daß die Neutronenabbremsung In einem kleinen Volumen Im Zentrum stattfindet, daß durch den schalenartigen Aufbau eine größere Menge Antimon untergebracht werden kann, daß das Antimon weniger Neutronen absorbiert, well das Material sich In einem Gebiet niedrigen Neutronenflusses befindet, und daß der Reflektor das Austreten der Neutronen verringert.

Die Möglichkeit zur Neubeladung mit dem Antimon ',vurde vorgesehen, ^w?!' das Antlmon-124 nur eine Halbwertszeit von etwa 60 Tagen hat und daher von Zelt zu Zelt erneuert werden muß. Außerdem Ist es beim Transport der Neutronenquelle aus Abschlrmungsgrunden einfacher, wenn das Antimon herausgenommen und getrennt transportiert wird.

Flg. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch die Prüfeinrichtung. Sie befindet sich unter Wasser und Ist nach oben von einer zwei bis zweieinhalb Meter dicken Wasserschicht bedeckt zur Abschirmung der aus der Neutronenquelle und dem Untersuchungsobjekt austretenden Strahlung. Im wesentlichen besteht die Einrichtung aus einer nach oben geschlossenen Glocke 8, die

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25 das Untersuchungsobjekt 9, die Neutronenquelle 10 und den Blldaufnehmer 11 umschließt. Die drei letzleren sind In einer Linie angeordnet, wobei sich In einer bevorzugten Anordnung die Quelle etwa 40 cm vor und der Blldaufnehmer 11 unmittelbar hinter dem Urilersuchungsobjekt 9 befindet. Eine mögliehe Anbringung der Blldaufnehmer ist gegeben durch einen Schacht 12, der nach unten geschlossen Ist und nach oben durch die Glocke 8 hindurch bis Über die Wasseroberfläche reicht.

Zur neütronenradlograflschen Prüfung eines Teiles aus einem Leistungsreaktor, beispielsweise eines Steuer·¹ oder Brennelementes, werden das Untersuchungsobjekt 9 und die Quelle 10 Im Scrvlce-Becken In geeigneter Welse aufgestellt und die Glocke 8 darüber geschoben. Dann v/lrd das Wasser aus der Glocke 8 - beispielsweise durch Preßluft - verdrängt, und als letztes der Blldaufnehmer 11 In dem Schacht 12 In die Aufnahmeposltlon abgelassen. Das Schachtinnere bleibt Immer frei von Wasser.

In einer anderen Ausführungsform der Prüfeinrichtung werden das Untersuchungsobjekt und die Ouelle Im Service-Becken auf einem Unterteil aufgestellt, das eine Dichtung besitzt, die beim Aufsetzen der Glocke wasserdicht schließt. Das Wasser kann dann durch Abpumpen aus der Einrichtung entfernt werden.

Zur Bildaufnahme stehen mehrere bekannte Methoden zur Verfügung. Als preiswerte Blldaufnehmer werden bevorzugt neutronenempflndllche Folien verwendet, die das D'urchstrahlungsblld des Untersüchungsobjektes festhalten "Jnd nach dem Durchstrahlungsvorgang außerhalb der Prüfeinrichtung zu einem optisch sichtbaren Durchstrahlungsblld umgewandelt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Transportable Quelle zum Erzeugen thermischer Neutronen, bestehend aus einem mit Austrittsöffnung versehenen Gehäuse, welches die Komponenten Moderator, Beryllium und radioaktives Antimon umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch um eine als Neutronenaustrittsöffnung dienende Gehäusebohrung (7) in becherförmiger Gestalt Innen der Moderator (1), diesen umgebend das Beryllium (2) und das letztere umgebend ein Neutronenreflektor (4) angeordnet sind, und daß zwischen Neutronenreflektor (4) und Moderator (1) in rlng- oder schalenförmlger Anordnung radioaktive Antimonpräparate (3) liegen.

2. Neutronenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antimonpräparate (3) Im Beryllium (2) eingebettet sind.

3. Neutronenquelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch ^kennzeichnet, daß die Antimonpräparate (3) auf einer Zylinderfläche angeordnete Stäbe sind.

4. Neutronenquelle nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß Beschickungsöffnungen durch Gehäuseboden (16), Abschirmschicht (5) und Neutronenreflektor (4) für das Einbringen der Antimonpräparate (3) vorgesehen sind.

5. Neutronenquelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusebohrung (7) als nach außen divergierender Kollimator ausgebildet Ist.

6 Neutronenquelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) aus Cadmlum-Blech bestem und an der Innenseite mit einer vorzugsweise aus Polyethylen jestehenden Abschirmschicht (5) versehen Ist.

7. Neutronenquelle nach An pruch 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die becherförmig gestalteten Komponenten (2, 4) mit einer dem Becherboden gegenüberliegenden durchbrochenen Deckelfläche an die Neutronenaustrittsöffnung (7) anschließen.

8. Verfahren zur neutronenradlograflschen Prüfung von Teilen wassergekühlter Leistungsreaktoren mit Service- bzw Kühlwasserberken, mit Hilfe einer Neutronenquelle nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß In das Service- bzw. Kühlwasserbecken des Reaktors eine oben geschlossene Glocke (8). aus der das Wasser herausgedrückt oder abgepumpt werden kann, abgesenkt wird, die In Neutronen-Strahlrlchtung hlntereinanderllegend die Neutronenquelle (10). das Untersuchungsobjekt (9) und den Blldaufnehmer (U) umschließt

9 Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Bildaufnehmer (11) In die Glocke 1(8) über einen die Glockenoberseite durchdringenden, nach unten geschlossenen und bis zur Wasseroberfläche ragenden Schacht (12) eingebracht wird