DE3629965C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung des Füllstandes von verglastem HAW in aufrechtstehenden Behäl­ tern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für die zerstörungsfreie Messung des Füllstandes von z. B. verglastem HAW (= hochaktiver Abfall) in Kokillen bieten sich Messungen von/mit Neutronen und/oder Gammastrahlung an. Bei der Neutronenmes­ sung kommt sowohl eine aktive (Verwendung einer externen n- Quelle) als auch eine passive Messung in Betracht. Da die aktive Messung den Einsatz einer n-Quelle erfordert, diese aber nicht immer zur Verfügung steht und der Meßaufwand relativ aufwendig ist, wird diese Methode nicht bevorzugt.

Analysenresultate an HAW haben ergeben, daß allein aus der Spontanspaltung des Cm-244 eine Neutronenemission pro cm³ LEWC und Sekunde von ca. 14-22 n/cm³ sec. entstehen. Wegen des Einsatzes von Flußsäure zur Brennstoff- und Hüllrohrauf­ lösung enthält der LEWC (= nieder angereichertes Abfallkonzentrat) jedoch bis zu 10 g Fluor/l. Fluor geht quantitativ ins Glas. Das Glas enthält außerdem 13 Gew.-% Bor (Borsilikatglas). Damit wird die Neutronenemis­ sion im Glas überwiegend von Neutronen aus (α, n)-Reaktionen an den Elementen Fluor und Bor verursacht. Die Glasbeladung mit LEWC beträgt ca. 1 l pro 1 kg Glas, entsprechend ca. 170 g Oxid.

Aus alledem ergibt sich schließlich eine Gesamtneutronen­ emission größer 200 n/cm³ sec im Glas. Damit würde man aufgrund der Erfahrung bei einem n-Detektor der Empfindlich­ keit ε=1 cps/nv an der Kokillenoberfläche eine Zählrate in Höhe von 500 cps erhalten.

Da eine hohe Ortsauflösung zur Füllstandsbestimmung gefor­ dert wird (∼2 cm), wäre ein voluminöser Meßaufbau erfor­ derlich. Laboruntersuchungen zeigten, daß eine Polyethylen-Abschir­ mung von 40 cm Wandstärke notwendig ist, um ein hohes Si­ gnal-Untergrund-Verhältnis und so einen drastischen Zählra­ tenanstieg zu erzielen. Die passive n-Messung kann demnach auch ausgeschlossen werden.

Aus der DD-PS 75 644 ist eine Vorrichtung zur Messung des Füllstandes radioaktiver Füllgüter bekannt, welche ein Detektorsystem mit bis zu drei Detektoren aufweist. Die zugehörigen Kollimatoren besitzt gleich große, zum Füllgut gerichtete Öffnungen. Damit ist nur eine grobe Füllstandsüberwachung möglich.

Die DE-AS 12 26 320 beschreibt eine Nachlaufeinrichtung zur kontinuierlichen Füllstandsüberwachung für nicht radioaktive Füllgüter mit radioaktiver Schranke mit zwei Strahlungsempfängern. Der Füllstand ist dann angezeigt, wenn ein Empfänger Strahlung erhält und die andere Empfänger nicht.

Aus der DE 26 24 575 A1 ist eine Einrichtung zum Überwachen einer radioaktiven Füllstandsmeßeinrichtung ebenfalls in Form einer radioaktiven Schranke bekannt.

Des weiteren ist aus der DE 31 35 838 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem mit mehreren unabhängigen radioaktiven Schranken der Füllstand meßbar ist.

Die drei letztgenannten Vorrichtungen sind für die Füllstandsüberwachung radioaktiver Schüttgüter nicht geeignet, da diese die Schranken nicht eindeutig unterbrechen, sondern dies mit ihrer eigenen Strahlung überlagern.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die eingangs genannte Einrichtung derart zu gestalten, daß mit ihr eine zuverlässige Füllstandshöhenbestimmung von HAW auch im automatisierten bzw. ferngesteuerten Betrieb - ermöglicht ist.

Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspru­ ches 1 beschrieben.

Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder.

Für die Messung des Füllstandes des verglasten HAW in Kokil­ len wird erfindungsgemäß die passive Gammamessung ausge­ wählt. Sie zeichnet sich durch den einfachen Aufbau und eine hohe Ortsauflösung aus.

Das Detektorsystem, bestehend aus z. B. 2 GM-Zählrohren (Geiger-Müller-Zählrohren) mit kugelförmiger Bleiabschirmung (Radius 12 cm) als Kollimator, ist auf einer Tragplatte montiert und kann an die Kokille in Meßposition gebracht werden. In der horizontalen Ebene beträgt der Abstand der 2 GM-Zählrohre, z. B. 15 cm (sie liegen symmetrisch zur Mittelachse), so daß der einströmende Glasfaden keine signifikante Signalerhöhung erzeugt und Positionierungsänderungen keinen Einfluß haben. Der Höhenab­ stand der Detektoren beträgt ebenfalls beispielhaft 15 cm, so daß die gesamte obere Hälfte der Kokille überwacht werden kann. Mit Bleifiltern vor den Kollimatoröffnungen kann die Gammadosis am Detektorort optimiert werden. Für eine genü­ gend hohe spezifische Aktivität des Glases (< Ci/l) kann durch einen zusätzlichen Kollimator mit kleiner Schlitzhöhe vor der Kollimatoröffnung die Ortsauflösung erhöht werden.

Die Zählrate, die ohne Kokille in Abfüllposition gemessen wird, steigt mit dem Füllen der Kokille auf das 1000-fache an, so daß ein gutes Signal/Untergrundverhältnis vorliegt. Durch das vertikale Verfahren der Kokille kann die Ortsauflö­ sung bestätigt und die Positionierung optimiert werden.

Das erfindungsgemäße Gamma-Meßsystem erlaubt eine gute Be­ obachtung des Füllvorganges. Mit dem unteren Meßkanal werden die obere Hälfte der Kokille überwacht und Störungen des Füllvorganges frühzeitig erkannt. Mit dem oberen Meßkanal werden im Normalbetrieb die Beendigung des Füllvorganges festgelegt und das Versiegen des Glaszuflusses beobachtet.

Aus dem Vergleich der Meßdaten von Waage und Gamma-Meßsystem wurden Eichkurven gewonnen. Durch den Zusatzkollimator ist die Höhe zum Abschalten des Glasflusses (= 175 kg) selbst bei einer Aktivitätsänderung um einen Faktor 2 auf 1,5 cm genau festgelegt.

Im Normalbetrieb müssen die 3 Werte (Waage, Meßkanal unten, Meßkanal oben) innerhalb der Fehler übereinstimmen. Stimmen die beiden Werte aus der Gamma-Messung überein und zeigt der Wert der Waage hierzu Abweichungen, so liegt eine Störung bei der Waage vor. Der Füllvorgang kann mit Hilfe der Gamma- Messung sicher beendet werden. Da das Gamma-Meßsystem zwei unabhängige Meßkanäle besitzt, ist eine zusätzliche Kontrol­ le gegeben.

Die Testmessungen und die Erprobung während eines größeren Zeitraumes zeigten, daß das konzipierte Gamma-Meßsystem zuverlässig die Füllhöhe zum Abschalten des Glaszuflusses anzeigt und ein Überfüllen der Kokille ausgeschlossen werden kann.

Für den Einsatz im Routinebetrieb ist eine Vereinfachung der Meßelektronik vorgenommen worden. Die Angaben der Zählraten (absolut) und die Einstellung der Parameter für den Mikro­ prozessor erfolgen durch Einrichtungen (z. B. Anzeige, Wahl­ schalter etc.) auf der Frontplatte und/oder ein Drucker mit Miniaturtastatur ist an die V24-Schnittstelle angeschlossen, um eine umfangreichere Dokumentation vorzunehmen.

Eine automatische Kalibrierung, die insbesondere für den unteren Meßkanal nützlich ist, kann durch Programmänderung unter Mitberücksichtigung des Startsignales erfolgen, so daß Aktivitätsschwankungen keine Rolle mehr spielen. Bei diesem Verfahren wird ausgenutzt, daß das Zählratenverhältnis V=ZR₁/ZR₂ der beiden Meßkanäle unabhängig von Aktivitätsän­ derungen ist. Im Bereich zwischen Füllhöhen von 70 und 80 cm liegt eine signifikante Abhängigkeit V=f(h) vor.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels mittels der Fig. 1-4 näher erläutert.

Die Anordnung der Meßeinrichtung zeigt die Fig. 1. Neben der Kokille 1 zur Ofenzelle 2 hin ist das Detektorsystem 3 montiert. Die Meßelektronik (s. auch Fig. 3) befindet sich außerhalb der Zelle 5 neben der Anzeige der Waage 4.

Den Aufbau der Einrichtung zeigt Fig. 1 als vertikale An­ sicht und Fig. 2 als horizontale Ansicht. Das Detektorsystem 3 steht auf einer Tragplatte 6 und kann an die Kokille 1 in Meßposition (dargestellt) gebracht und aus dem Fahrbereich des Kokillenwagens geschwenkt werden. Durch zwei Tragarm­ paare 7, 7′ mit Zwischengelenk 8 können die Detektoren 9, 10 in Richtung zum Kokillenzentrum bewegt und so der Abstand: Detektor-Kokille problemlos variiert werden. Die Höhenände­ rung erfolgt über eine Spindel 11.

Die beiden Detektoren 9 und 10 - GM-Zählrohre - sind in Bleikugeln 12, 13 (Abschirmungen) von 12 cm Radius mit einem 4 cm langen zylindrischen Zwischenteil, eingebettet. Diese Form wurde gewählt, weil sie das Gewicht der Abschirmung optimiert. Die eingelassenen Kollimatorschlitze 14, 15 sind asymmetrisch gefertigt, so daß das Gesichtsfeld 19, 20 der Detektoren 9, 10 nach unten (Vertikale 16) scharf begrenzt wird und die Abschrägung nach oben einen großen Blickwinkel zuläßt. Die Detektoren 9, 10 mit einem gegenseitigen Abstand von 15 cm in der horizontalen Ebene sehen in 40 cm Abstand einen Bereich von Δ h=11,5 cm und Δ b=3,9 cm (mittlere geome­ trische Breiten) und diese Gesichtsfelder 19, 20 weisen am Zentrum bzw. der Symmetrieachse (Vertikalen 16) der Kokille 1 vorbei (s. Fig. 2). Damit erzeugt der einströmende Glasfa­ den keine zusätzlichen Signale, und Positionierungsänderungen der Kokille 1 bewirken keine signifikanten Signaländerungen.

Der Höhenabstand beider Detektoren 9, 10 voneinander beträgt 15 cm. Diese Einstellung wurde so gewählt, daß der obere Detektor 9 die Füllhöhe zum Abschalten des Glaszuflusses im Normalbetrieb sieht. Mit dem unteren Detektor 10 wird der Füllvorgang (Glasauslauf 22, Auslaufstutzen 23) in der obe­ ren Hälfte der Kokille beobachtet. Im Störfall, d. h. bei zu hohen Füllgeschwindigkeiten bis zu 300 kg/h (= 3,2 cm/min) kann der Füllvorgang frühzeitig beendet werden.

Für höhere spezifische Aktivitäten des Glases (< Ci/l) wird durch Pb-Filter 17, 18 die Dosis am Detektorort reduziert. Da der obere Meßkanal 14 die Höhe zum Abschalten des Glaszu­ flusses bestimmt, kann dort ein zusätzlicher Kollimator mit einer kleinen Schlitzhöhe (6 mm) montiert und so die Orts­ auflösung wesentlich verbessert werden.

Die Gamma-Aktivität im Glas 21 beträgt ca. 1,9 TBq/l. Der Hauptemitter ist ¹³⁷Cs mit ca. 1,4 TBq/l, dessen Gamma- Energie beträgt 662 keV. Bei Vernachlässigung der Gamma- Absorption im Glas 21 selbst ergibt sich für einen Raumwin­ kel von 10^-3 ster eine Dosis am Detektorort 9/10 von ca. 2,5 Siv. Damit sind bei Verwendung eines Miniatur-GM-Zählrohres Zählraten von ca. 500 cps erreichbar.

Durch einen allseits 10 cm dicken Bleikollimator erzielt man fast eine Stufenkurve als Funktion des Füllstandes und damit eine hohe Ortsauflösung. Die Detektoren 9, 10 sehen durch die Kollimatorschlitze 14, 15 auf den Randbereich der Kokil­ le 1 (s. Fig. 2).

Einen Überblick der Meßelektronik zeigt Fig. 3. Als Detekto­ ren 9, 10 wurden zwei GM-Zählrohre mit folgenden Empfind­ lichkeiten eingebaut:

• 1. Nr. 132 ε = 103 400 cps/Siv (Cobalt 60),
• 2. Nr. 133 ε =  95 100 cps/Siv (Cobalt 60).

Als Widerstand unmittelbar am Detektor 9 bzw. 10 wurden 2,2 M gewählt.

Der erste Baustein 24, der als separate Einheit gefertigt wurde, umfaßt die Hochspannungsversorgung (550 V), den Vor­ verstärker und den Diskriminator (1,5 V).

An diesem Baustein 24 ist intern ein Steuergerät für Ver­ stärker- und Diskriminatoreinstellung mit Mikroprozessor 25 zur Grenzwerteinstellung (Strompegel 26 für den Zentralrech­ ner 27; Spannungspegel 28 für einen Schreiber 29) sowie zwei Zählereingänge für Zählraten bis 5 kHz statistisch ange­ schlossen. Über eine V24-Schnittstelle 30 erfolgen die Ein­ stellungen und die Datenabfrage.

Für den Eichbetrieb des Meßsystems werden die Diskriminator­ signale 24 über einen Pulsformer auf einen CAMAC-Scaler 31 gegeben, der von einem Tischrechner 32 gesteuert und ausge­ lesen (Drucker 33) wird. Für den Routinebetrieb genügt das Stromsignal zwischen 4 und 20 mA, das durch eine entspre­ chende EPROM-Software gesteuert und zum Zentralrechner 27 geführt wird.

Der Mikroprozessor 25 summiert die Impulse in einer vorgege­ benen Zeitspanne Δt. Diese Zählraten ZR können über die V24-Schnittstelle 30 abgefragt und dokumentiert werden.

Das Spannungssignal 28 zwischen 0 und 10 V und das Stromsi­ gnal 26 zwischen 4 und 20 mA sind proportional zur Zählrate. Die Größe des Signals kann durch Eingabe eines Skalierungs­ faktors F über die V24-Schnittstelle 30 geändert werden.

Das Stromsignal 26 wird zum Zentralrechner 27 geführt. Aus dem Vergleich der Gewichtsangaben von Waage 4 (Fig. 1) mit den Stromwerten (der Detektoren 9, 10) erhält man die Eich­ kurven 34 und 35 gemäß Fig. 4, die in Form von Stützstellen eingegeben werden. Auf dem Bildschirm in der Warte können die 3 Gewichtsangaben (Waage, Meßkanal unten 10, Meßkanal oben 9) verglichen werden. Wird vom unteren Kanal das Ge­ wicht 160 kg angezeigt, erfolgt ein Hupsignal als Vorwarnung und wird vom oberen Kanal das Gewicht 170 kg angezeigt, erfolgt das Warnsignal zum Abschalten des Glaszuflusses 22.

Zur Schonung der Detektoren 9, 10 und problemlosen Datener­ fassung selbst für einen möglichen Aktivitätsanstieg des Glases 21 um einen Faktor 2 wurden Bleifilter 17, 18 vor die Kollimatoröffnungen gesetzt. Die maximale Zählrate für den unteren Meßkanal (10, 15, 20) beträgt 2000 cps und für den oberen (19, 14, 19) 1500 cps.

Das Gewicht von 5 kg zu Beginn des Abfüllens entspricht dem Anpreßdruck der Kokille 1 an den Auslaufstutzen 23. Der Unterschied zwischen dem Füllgewicht und der Anzeige der Waage 4 am Ende des Füllvorganges gibt den erhöhten Anpreß­ druck an, der infolge der Temperaturerhöhung durch das Auf­ heizen der Gefäße entsteht.

Zu Beginn des Füllvorganges ist die Zählrate sehr niedrig. Mit steigender Füllhöhe, d. h. mit zunehmendem Gewicht, gelangt immermehr Streustrahlung zum Detektor 10. Der cha­ rakteristische Anstieg ab 135 kg im unteren Meßkanal besagt, daß der Flüssigkeitsspiegel vom Detektor 10 gesehen wird. Nach 160 kg ist die Oberkante des Fensters überschritten. Der gleiche Verlauf ist auch für den oberen Meßkanal 9 zu beobachten. Beim Erreichen des Endgewichtes wird in diesem Fall der Flüssigkeitsspiegel noch vom oberen Detektor 9 gesehen. Der Vergleich der Daten zeigt eine gute Reprodu­ zierbarkeit der Messungen.

Legt man die Bandbreite der Streuung zugrunde und setzt voraus, daß sich die Aktivität des Glases 21 nicht ändert, so kann aus den Zählraten die Gewichtsbestimmung im Bereich 135-155 kg für den unteren Meßkanal 10 und im Bereich 153- 180 kg für den oberen Meßkanal 9 auf 2 kg genau ermittelt werden. Außerhalb der Fenster zeigt die Zählrate nur noch eine geringe Abhängigkeit mit dem Gewicht, so daß sich die Genauigkeit verschlechtert.

Mit dem unteren Meßkanal 10 wird so der obere Bereich der Kokille 1 beobachtet und der obere Meßkanal 9 kann zum Abschalten des Füllvorganges verwendet werden.

Ändert sich die Aktivität des Glases 21, so muß eine neue Eichkurve (Fig. 4) gemessen werden, um die richtige Zuord­ nung: Zählrate- Gewicht zu erhalten.

Die Einstellung der Meßzeit und des Skalierungsfaktors er­ folgt über die V24-Schnittstelle 30 (Fig. 3). Um eine hohe Auflösung des Stromsignals zu erzielen, wird der Skalie­ rungsfaktor so gewählt, daß die maximale Zählrate einem Strom von 16 mA entspricht. Der Sicherheitsabstand zu 20 mA soll verhindern, daß bei kleineren Aktivitätsänderungen nicht eine neue Einstellung des Mikroprozessors 25 notwendig ist. Zur Schonung der Detektoren 9, 10 ist nach der Füllung der Kokille 1 die Hochspannung abzuschalten.

Wenn eine Positionierungsänderung des Detektors 9 oder 10 oder zusätzliche Änderungen z. B. Pb-Filterwechsel vorgenom­ men und/oder die Meßelektronik neu eingestellt wird, muß eine neue Eichkurve 34 bzw. 35 (gem. Fig. 4) aufgenommen werden. Die Wahl der Stützstellen ist entsprechend der Krüm­ mung der Kurve auszuwählen, da eine lineare Interpolation zwischen den Stützstellen vorgenommen wird.

Bei Änderung der spezifischen Aktivität wird ebenfalls eine neue Eichkurve aufgenommen.

Im Normalbetrieb müssen die 3 Werte (Waage, Meßkanal unten, Meßkanal oben) innerhalb der Fehler übereinstimmen. Liegt diese Übereinstimmung nicht vor, so sind folgende Fälle zu unterscheiden:

• 1. Die Werte aus der Gamma-Messung stimmen untereinander überein; sie zeigen gemeinsam Abweichungen mit der Waage 4. Wenn im Bereich 120-170 kg, der von allen 3 Meßkanälen eine gute Gewichtsbestimmung erlaubt, die Werte aus den Gamma-Messungen übereinstimmen, so kann nur ein Fehler an der Waage 4 vorliegen.
• 2. Der Wert der Waage 4 stimmt nur mit einem Wert der Gamma-Messung überein. In diesem Fall liegt eine Störung im anderen Meßkanal vor (Detektor 9, 10, Meßelektronik, Dejustierung, Änderung der Kalibrierung etc.).
• 3. Die drei Werte stimmen nicht überein. Für beide Gamma- Meßkanäle kann Fall 2 eingetreten sein. Eine Aktivitäts­ änderung bewirkt den gleichen Effekt. Bei Aktivitätser­ höhung liegen beide Gamma-Werte über den Werten der Waage 4 bzw. umgekehrt.

Bei großen Änderungen, die ein zu großes Stromsignal I <19 mA bzw. ein zu kleines Stromsignal I_max< 6 mA liefern, muß der Mikroprozessor 25 neu eingestellt und/oder die Pb-Filter 17, 18 ausgetauscht werden.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Messung des Füllstandes von verglastem HAW in aufrechtstehenden Behältern mit einem Detektorsystem mit mindestens zwei Gammadetektoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammadetektoren (9, 10)

• a) innerhalb von Abschirmungen (12, 13) mit zum Behälter (1) ausrichtbaren, durch Kollimatorschlitze (14, 15) gebildeten Kollimatoröffnungen (14, 15) untergebracht sind, wobei die Kollimatorschlitze (14, 15) asymmetrisch gefertigt sind, so daß die Gesichtsfelder (19, 20) der Detektoren (9, 10) nach unten scharf begrenzt sind und eine Abschrägung nach oben jeweils einen großen Blickwinkel zuläßt.
• b) im Abstand zueinander in definierte Lagen bezüglich der Mittelachse (16) des Behälters (1) einstellbar sind und ihre Gesichtsfelder (19, 20) an der Mittelachse des Behälters (1) vorbei weisen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammadetektoren (9, 10) mit ihren Abschirmungen (12, 13) auf einem Tragarm (7, 8, 7′) angeordnet sind, der beweglich ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gammadetektoren (9, 10) in der Vertikalen im Abstand zueinander angeordnet sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gammadetektoren (9, 10) in der Horizontalen im Abstand zueinander angeordnet sind und daß sie symmetrisch zur Mittelachse (16) liegen.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatoröffnungen (14, 15) derart ausgerichtet sind, daß mit dem unteren Detektor (10) die obere Hälfte des Behälters (1) betreffend des Füllstandes überwachbar und mit dem oberen Detektor (9) die Beendigung des Füllvorganges festlegbar ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Kollimatoröffnungen (14, 15) Filter (17, 18) anbringbar sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammadetektoren (9, 10) mittels eines Kniehebelgelenkes (7, 8, 7′) zumindest in horizontaler Ebene bewegbar sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine elektronische Schaltung mit Prozeßsteuerung.