DE3143330A1

DE3143330A1 - Selbst strom liefernder neutronendetektor

Info

Publication number: DE3143330A1
Application number: DE19813143330
Authority: DE
Inventors: Cheng-lin Pittsburgh Pa. Chen; Norman P. Murrysville Pa. Goldstein; William H. Elmira Heights N.Y. Todt
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1980-11-05
Filing date: 1981-10-31
Publication date: 1982-06-24
Also published as: FR2493530A1; US4381451A; FR2493530B1; SE450976B; JPS57106886A; SE8106533L; CA1171560A

Description

C it fr

DR.-iNG. Ernst Stratmann

PATENTANWALT
D-4000 DÜSSELDORF I · SCHADOWPLATZ 9

3-

Düsseldorf, den 3o. Okt. 1981

VNR: 1o9126

Westinghouse Electronic Corporation Pittsburgh, PA., V. St. A.

Selbst Strom liefernder Neutronen-Detektor-

Die Erfindung betrifft selbst Strom liefernde Neutronendetektoren, die innerhalb des Kerns eines Nuklear-Reaktors zur Messung des Neutronen-Flusses und zur Erkennung von plötzlichen Änderungen in der lokalen Reaktivität verwendet werden.

Ein Strahlungsdetektor ist ein solcher, bei dem ein elektrisches Signal zwischen einer Emitter- und einer Kollektor-Elektrode als eine Funktion des Neutronenflusses erzeugt wird, ohne daß ein externes Antriebspotential vorliegt. Das Signal wird als Ergebnis einer unterschiedlichen Strahlungsantwort von unterschiedlichen Metallen erzeugt, die den Emitter und den Kollektor bilden. Im allgemeinen verwenden derartige Einrichtungen einen zentralen Emitterdraht eines Metalls wie Platin, Rhodium oder Kobalt. Eine isolierende Einrichtung ist um den Emitter herum angeordnet, und ein koaxial angeordneter Kollektormantel aus einem Material niedriger Neutronenempfindlichkeit, wie die Nickellegierung Inconel, wird um die isolierende Einrichtung herum angeordnet. Die Detektoreinrichtung besitzt typischerweise einen Durchmesser von weniger als 6,4 mm und läßt sich leicht in die Brennstoffanordnung eines

Reaktorkerns anordnen.

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Bei einem typischen Kraftwerkskernreaktor umfaßt das Neutronenspektrum eine thermische Neutronenkomponente mit einer Maxwell¹sehen Durchschnittsenergieverteilung von etwa KT, die etwa o,o4 Elektronenvolt bei 3oo° C beträgt. Derartige Reaktoren enthalten auch eine epithermische Neutronenkomponente mit einer Flußverteilung, die gemäß 1/E abfällt und sich von Werten größer als etwa o,o4 Elektronenvolt bis etwa 1 Megaelektronenvolt erstrecken. Jedes dieser Neutronenspektralkomponenten trägt zur Reaktorleistung bei, jedoch dominiert die thermische Komponente, die etwa 85 bis 9o % der Leistung bei einem Leichtwasserreaktor des Drucktyps oder des Siedewassertyps beiträgt. Die thermische Komponente macht ungefähr 97 % der Leistung bei einem Schwerwasserreaktor aus, wie beispielsweise bei dem Kanadischen Candu-Reaktor.

Es konnte kürzlich gezeigt werden, daß selbst Strom liefernde Detektoren sowohl auf den thermischen als auch auf den epithermischen Neutronenfluß reagieren, siehe dazu einen Aufsatz mit dem Titel "The Epithermal Component in the Neutron Response of Various Self-Powered Detectors", IEEE Transactions on Nuclear Science, Februar 198o. In einem Leichtwasserreaktor verteilt sich der Signalstrom, der von einem selbst Strom liefernden Detektor mit Rhodium-Emitter erzeugt wird, gleichmäßig auf die thermischen und die ep!thermischen Neutronen. Bei einem Detektor mit Kobalt-Emitter beruhen etwa 35 % des erzeugten Signals auf epithermischen Neutronen.

Es ist auch bekannt, daß das Verhältnis von epithermischen zu thermischen Neutronenstrom sich mit der Stellung innerhalb des Reaktorkerns ändert, was insbesondere an den äußeren Kanten gilt, wie auch das Verhältnis abhängig ist vom Alter des Brennstoffs im Kern. Im allgemeinen verändert sich das Verhältnis des epithermischen zum thermischen Fluß im zentralen Kern während der Lebensdauer

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des Brennstoffs um mehr als 2o %, über etwa 15 bis 2o % des Kernvolumens.

Die selbst Strom liefernden Detektoren wurden als ein Hilfsmittel zur Aufzeichnung des Neutronenflusses verwendet, um die Reaktorbetriebsweise sowohl hinsichtlich wirtschaftlicher wie auch hinsichtlich Sicherheitsgesichtspunkten zu optimieren. Um eine genaue Flußaufzeichnung (Flußkartographie) sicherzusteilen,muß also die Detektorreaktion auf den epithermischen Strom in die Flußaufzeichnung mit einem Bewertungsfaktor eingebracht werden.

In dem oben erwähnten, kürzlich erschienenen Aufsatz _r der von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung stammt, wird gezeigt, daß der Signalstrom I eines selbst Strom liefernden Detektors wie folgt ausgedrückt werden kann:

¹ - *th ^Sth ^{+ 0}L ^Se_P

In der obigen Gleichung ist der Detektorstrom I in Ampere pro cm aktiver Detektorlänge ausgedrückt, 0^, ist der gesamte thermische Fluß, S_th die Empfindlichkeit des Detektors gegenüber einem thermischen Neutronenfluß, ausgedrückt in Ampere pro Neutronenfluß pro cm Detektorlänge, S die epithermische Neutronenempfindlichkeit in den gleichen Einheiten und 0 ein Maß des epithermischen Neutronenflusses, ausgedrückt als epithermischer Neutronenfluß pro Einheit "Lethargie". Der Ausdruck "Lethargie" ist ein Fachausdruck und bezieht sich auf den Neutronenfluß pro logarithmischem Energieintervall.

Die obige Signalstromgleichung kann benutzt werden, wenn Signalströme vorhanden sind, die von selbst Strom liefernden Detektoren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden, so daß zwei simultane Gleichungen mit zwei Unbekannten sich ergeben, wobei die Unbekannten der thermische und der epithermische Fluß sind. Diese Gleichungen können dann für diese Flüsse gemäß dem folgenden gelöst werden:

X₉ (S )._r .-. I₁(SeP^

/ ep ι ι ) δ

/C \ ic \ _ /c A lc \

^lbep^J1 ^tbth^;2 ^lfaep^J2 ^lfath^}

<^sep>1 ^(Sth>2 - (^Sep^}2 ^(Sth^}

In der US-Patentschrift 3,9o4,881 wird ein selbst Strom liefernder Strahlungsdetektor offenbart, bei dem zwei unterschiedliche Emitter parallel zueinander innerhalb eines Kollektormantels angeordnet sind. Die Emitter umfassen unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher Gamma-Empfindlichkeit, um eine Gamma-Kompensation des Ausgangssignals zu ermöglichen. Ein erster Emitter ist Neutronen- und Gamma- ^mpfindlich, und das durch diesen Emitter erzeugte Signal wird mit dem separaten Signal von dem anderen Emitter verglichen, der Gamma-Empfindlich ist, jedoch im wesentlichen nicht auf einen Neutronenfluß reagiert. Eine Vielzahl von Gamma-Kompensationsverfahren werden beim Stand der Technik angewendet, doch ist dies eine andere Funktion als die, mit der die thermischen und epithermischen Neutronenflußwerte ermittelt werden, um so die Kernzustände des Reaktors genau aufzuzeichnen.

Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen selbst Strom liefernden Neutronendetektor zu schaffen, der auf thermische und epithermische Neutronenflüsse eines nuklearen Reaktorkerns dergestalt reagiert, daß er Signalströme liefert, die wesentlich genauer die Reaktorleistung messen. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß dem Kennzeichenteil des Hauptanspruchs dadurch, daß der Detektor zwei separate neutronenempfindliche Emitter aus zwei unterschiedlichen neutronenempfindlichen Materialien umfaßt, die unterschiedliche Antworten auf den thermischen und den epithermischen Neutronenfluß liefern, daß isolierende Einrichtungen um die Emitter angeordnet sind, und daß ein verhältnismäßig wenig gegenüber

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Neutronen empfindlicher leitender Kollektor um die Isoliereinrichtung angeordnet ist.

Die zwei unterschiedlichen Signale werden getrennt gemessen und dann verglichen, um getrennt den thermischen Neutronenfluß und den epithermischen Neutronenfluß zu bestimmen. Die Signalströme von den entsprechenden Emittern können verwendet werden, um die obige Gleichung für den Signalstrom zu lösen, welche Gleichung für jedes Emittermaterial mit bekannter thermischer und epithermischer Empfindlichkeit für die Materialien aufgestellt werden kann. Der gesamte thermische Fluß und der gesamte epithermische Fluß können dann aus der Lösung der simultanen Gleichungen ermittelt werden, die für die zwei getrennten Signalströme'aufgestellt werden können =

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Figur 1 in einer geschnittenen Aufsicht eine erste Ausführungsform eines selbst Strom liefernden Detektors;

Figur 2 eine Ansicht entlang der Linie II-II der Figur 1;

Figur 3 eine geschnittene Aufsicht einer anderen Ausführungsform eines selbst Strom liefernden Detektors.

In den Figuren 1 und 2 ist ein selbst Strom liefernder Detektor Io dargestellt, bestehend aus zwei im Abstand zueinander angeordneten Emitterdrähten 12 und 14, die durch eine Isoliereinrichtung 16 und einer im wesentlichen

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rohrförmigen Kollektorelektrode 18 umgeben sind. Die Kollektorelektrode 18 ist am Abschlußende 2o dicht verschlossen.

Die getrennten Emitterdrähte 12 und 14 sind aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet, die unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber den thermischen Neutronen und epithermischen Neutronen aufweisen. Die Emitter 12 und 14 können beispielsweise einerseits aus Rhodium und andererseits aus Kobalt gebildet sein. Der Detektor 1o ist inner— halb des Kerns eines Nuklearreaktors angeordnet, und elektrisch mit einem gegenüber Strahlung .beständigem Doppelkoaxinstrumentenkabel (nicht dargestellt) verbunden, daß an ein digitales Strommeßgerät zur Messung der getrennten Signalströme zwischen dem Kollektor 18 und einem Emitter 12 sowie zwischen dem Kollektor 18 und dem anderen Emitter 14 angeschlossen ist.

Die digitalisierten separaten Ströme können dann benutzt werden, um den entsprechenden thermischen Neutronenfluß und den epithermischen Neutronenfluß zu berechnen.

Die thermische Neutronenempfindlichkeit und die epithermische Neutronenempfindlichkeit der Emitter aus Rhodium und Kobalt sind berechnet worden, wie in dem oben erwähnten Aufsatz der Erfinder der vorliegenden Anmeldung beschrieben. Die Empfindlichkeiten verändern sich mit der Größe der Emitterdrähte. Für einen typischen Durchmesser des Emitterdrahtes von o,51 mm ergibt sich bei Raumtemperatur T = 293 K eine thermische Empfindlichkeit S.. für Rhodium von 8,68 χ

1o A/nv/cm, während die epithermische Empfindlichkeit

S für dieses Material 2,94 χ 1o~²¹ A/nv/cm beträgt. Für einen Kobaltemitter gleichen Durchmessers ergibt sich für Raumtemperatur eine thermische Empfindlichkeit von

-24
9,52 x 1o A/nv/cm, während sich für die epithermische

—23 Empfindlichkeit der Wert von 1,86 χ 1o A/nv/cm ergibt. Diese Empfindlichkeiten sind abhängig von der Raumtemperatur, und die Werte bei der Standardreaktorbetriebstemperatur

von etwa 573° K lassen sich aus dem oben erwähnten Aufsatz ermitteln, oder auch aufgrund experimenteller Resultate anderer Autoren.

Bei der Erzeugung einer Flußkarte für den Reaktorkern ist es wichtig, daß das Verhältnis von thermischem Fluß und epithermischem Fluß sich mit der Stellung innerhalb des Kerns ändert, wie auch mit dem Abbrandgrad des Brennstoffs sowie mit der Brennstoffbeladung.

Nachdem die Empfindlichkeitswerte erhalten wurden, kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen Detektoren eine Lösung der simultanen Gleichungen, die oben beschrieben wurden, erreicht werden, wobei die Empfindlichkeiten verwendet werden, um eine genaue Flußkarte für den Reaktorkern zu erhalten.

Für die Emitterdrähte können irgendwelche zwei neutronenempfindliche Materialien mit unterschiedlichen thermischen und epithermischen Antwortverhalten verwendet werden. Das Emittermaterial kann auch aus Platin bestehen, aus Rhodiumdraht, das mit Kadmium plattiert ist, wie auch aus Kadmium, das mit Kobalt plattiert ist. Dies sind Materialien, für die die thermischen und epithermischen Empfindlichkeiten ermittelt worden sind.

Die zwei Flußkomponenten können digital berechnet werden, wenn eine digitale Strommessung für die zwei Signalströme zur Verfügung steht oder die Berechnung kann mit Hilfe von geeigneten Serienschaltungen von Operationsverstärkern erfolgen.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, siehe Figur 3, umfaßt der Detektor 3o einen ersten Emitterdraht 32, der längst der Longitudinalachse des Detektors 3o angeordnet ist. Ein zweiter Emitterdraht 34 ist in Tandemanordnung entlang der Detektorlängsachse angeordnet, jedoch im Abstand von dem ersten Emitter und elektrisch isoliert

davon, und zwar mit Hilfe von Isoliereinrichtungen 33. Jeder der beiden Emitter 3 2 und 34 ist mit Zufuhrdrähten 32a, 34a elektrisch verbunden, die mit den Doppelleitungen eines Instrumentenkabels, nicht dargestellt, in Verbindung stehen. Ein Kollektorelektrodenmantel 3 6 ist koaxial um die Isoliereinrichtungen und die Emitter angeordnet, mit einem abgedichteten Anschlußendteil 38. Die aktiven Emitterdrähte 32 und 3 4 haben die gleiche Länge₃die beispielsweise etwa 3o cm betragen kann.

Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform kann in bestimmtem Ausmaß elektrisches Übersprechen zwischen den Leitern erwartet werden, was Diskriminierung erfordert, um die Signalströme von den Neutronenantwor.ten der Emitter zu trennen. Wenn Rhodium und Kobalt die separaten Emitter ausmachen, kann der Übersprechfaktor leicht ermittelt werden. Dies liegt daran, weil Rhodium auf den Neutronenfluß erst mit einer Halbwertzeit von 44 Sekunden reagiert, während Kobalt sofort reagiert. Das zwischen dem Kollektor und dem Rhodiumemitter gemessene Signal würde eine unmittelbare Antwort geben, die teilweise aus der eigenen kleinen unmittelbaren Antwort und teilweise aus dem übersprechen von dem Kobaltemitter bestehen würde. Der Signalstrom zwischen dem Kollektor und dem Kobaltemitter umfaßt eine verzögerte Teilantwort, die Übersprechen von dem Rhodiumsignal darstellt, wobei die unmittelbare Antwort die Kobaltanwort ist.

Claims

drying. Ernst Stratmann

PATENTANWAU
D-4ÜOO DUSSELDONI- ! · Si: HADOWPI.A Γ/ 9

Düsseldorf, 3o. Oktober 1981

VNR: 1o9126

49,129

Westinghouse Electronic Corporation Pittsburgh., PA. , V. St. A.

PATENTANSPRÜCHE :

Selbst Strom liefernder Neutronendetektor, der auf den thermischen und den ep!thermischen Neutronenfluß eines Nuklearreaktorkerns reagiert, um Signalströme zu erzeugen, die ein Maß der Reaktorleistung darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (1o; 3o) zwei separate neutronenempfindliche Emitter (12, 14; 32, 34) aus zwei unterschiedlichen neutronenempfindlichen Materialien umfaßt, die unterschiedlich auf den thermischen und den epithermischen Neutronenfluß reagieren, daß Isoliereinrichtungen (16; 33) um die Emitter angeordnet sind, und daß ein verhältnismäßig neutronenunempfindlicher leitender Kollektor (18; 36) um die Isoliereinrichtungen (16; 33) angeordnet ist.
2. Neutronendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emittermaterialien zwei unterschiedliche Metalle aus der Gruppe Rhodium, Cobalt und Platin darstellen.

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3. Neutronendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter aus zwei nahe beieinander angeordneten Metallen unterschiedlicher Neutronenempfindlichkeit (12, 14, Figur 1, 2) besteht, die sich relativ zur zentralen Längsachse des selbst Strom liefernden Detektors (lo; Figur 1, 2) in logitudinaler Beziehung erstrecken.
4. Neutronendetektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor zwei elektrisch voneinander isolierte Emitterdrähte, (32, 34, Figur 3)

umfaßt, die in Tandem entlang der Longitudinalachse des Detektors (33) angeordnet sind.
5. Verfahren zur genauen Messung des gesamten Neutronenflusses und der Reaktorleistung in einem Kernreaktor, gekennzeichnet durch Erzeugen eines ersten Signals als eine Funktion des thermischen und des epithermischen Neutronenflusses, basierend auf einer ersten Antwortfunktion; Erzeugen eines zweiten Signals als eine Funktion des thermischen und des epithermischen Neutronenflusses, basierend auf einer zweiten Antwortfunktion; und Differenzieren der thermischen und epithermischen Neutronenflüsse, basierend auf den zwei Signalen und den unterschiedlichen Antwortfunktionen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Antwortfunktionen durch zumindest zwei unterschiedliche selbst Strom liefernde Detektoremitter geliefert werden, die unterschiedliche Antwortfunktionen besitzen.