DE9305956U1 - Vorrichtung für die Messung von Neutronenflußdichten - Google Patents
Vorrichtung für die Messung von NeutronenflußdichtenInfo
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Description
G 3 1 9 8 DE
Siemens Aktiengesellschaft
Vorrichtung für die Messung von Neutronenflußdichten
5
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Messung von Neutronenflußdichten mit einer Meßkammer und einer
Meßleitung.
Vorrichtungen für die Messung von Neutronenflußdichten
werden beispielsweise in Kernkraftwerken zur Überwachung der Kernspaltungskettenreaktionen eingesetzt.
In dem Buch "Strahlung und Strahlungsmeßtechnik in Kernkraftwerken"
von E. Schrüfer (Herausgeber), Elitera-Verlag, ■Berlin, 1974, insbesondere Kapitel 3, Abschnitte 3.2 und
3.4, sowie in dem Buch "Radiation Detection and Measurement" von Glenn F. Knoll, John Wiley & Sons, New York,
2. Auflage, 1989, insbesondere Kapitel 5 und 14, III und IV, werden Aufbau und Funktionsweise solcher Vorrichtungen,
insbesondere kompakter Vorrichtungen für den Einsatz innerhalb eines Reaktors, d.h. für die sogenannte Inkerninstrumentierung,
beschrieben.
Vorrichtungen der in obigen Büchern beschriebenen Art bestehen jeweils aus einer Meßkammer und einer Meßleitung.
Häufig wird als Meßkammer eine Ionisationskammer zum Nachweis von Gamma-Strahlung oder eine sogenannte Spaltkammer
zur Messung von Neutronen verwendet. Die Meßkammer weist in der Regel einen Außendurchmesser von ca. 1 cm und kleiner
auf. Sie hat häufig eine zylinderförmige Hülle, die als äußere Elektrode verwendet wird, sowie einen Innenraum,
in dem eine ebenfalls zylinderförmige innere Elektrode angeordnet ist. Entlang einer Achse, in der
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Regel der Symmetrieachse der Meßkammer, weist eine Meßkammer einen empfindlichen Bereich mit einer Länge von
meistens einigen Zentimetern auf.
In diesem Bereich sind bei einer Spaltkammer beide Elektroden durch einen schmalen Zwischenraum mit einer Breite
von in der Regel etwa 1 mm voneinander getrennt, wobei entweder auf der Innenseite der äußeren Elektrode oder auf
der Außenseite der inneren Elektrode eine dünne Schicht aufgebracht ist. Die Schicht weist ein durch Neutronen
spaltbares Material, das Spaltmaterial, sowie gegebenenfalls ein weiteres Material auf, das Brutmaterial, wobei
2 häufig eine Massenbelegung von etwa 2 mg/cm vorliegt.
Als Spaltmaterial wird in der Regel Uranoxid mit an U235
angereichertem Uran verwendet. In dem Zwischenraum befindet sich ein ionisierbares Füllgas, insbesondere Argon.
Dieses Füllgas ist durch Spaltprodukte, die bei der Spaltung des Spaltmaterials nach Einfang thermischer Neutronen
entstehen, ionisierbar. Das ionisierte Füllgas führt bei einer zwischen die Elektroden gelegten Gleichspannung zu
einem elektrischen Strom. Der elektrische Strom hängt bis zu einer Neutronenflußdichte von ca. 2 &khgr; 10 Neutronen/
(cm2 s) im wesentlichen linear von der Neutronenflußdichte
ab.
Der elektrische Strom ist hierbei ein Meßsignal, welches über die an die Spaltkammer angeschlossene Meßleitung an
eine, insbesondere außerhalb des Reaktorkerns gelegene, Auswertevorrichtung übertragen wird.
Aufgrund des Abbrandes des Spaltmaterials infolge der durch Neutronen induzierten Spaltung nimmt das Meßsignal,
welches von durch die Spaltprodukte ionisierten Atomen des 35
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Füllgases erzeugt wird, selbst bei gleichbleibender Neutronenf lußdichte stetig ab. Nach einer gewissen Zeit, in der
Regel einigen Jahren, kann das Meßsignal nicht mehr effizient von Störsignalen getrennt werden. Störsignale werden
beispielsweise durch ionisierte Atome des Füllgases hervorgerufen, wobei diese Atome durch radioaktive Strahlung
ionisiert werden, insbesondere durch Gamma-Strahlung und
Beta-Strahlung. Eine weitere Quelle für Störsignale ist eine Gamma-Strahlung die von Brennelementen innerhalb des
Reaktorkerns ausgeht. Daher kann es gelegentlich notwendig sein, Vorrichtungen für die Messung von Neutronenflußdichten
auszutauschen.
Häufig werden mehrere Meßkammern innerhalb einer sogenannten Meßlanze angeordnet und dabei von einem Hüllrohr umgeben.
Dieses Hüllrohr ist zum Zwecke der Kühlung mit Bohrungen versehen, durch welche Kühlwasser des Reaktors in
das Innere der Meßlanze gelangt.
Zur Eichung der Meßkammern ist eine Eichmeßkammer entlang einer Achse frei beweglich. Diese als Fahrkammer bezeichnete
Eichmeßkammer wird von einem druckfesten, beispielsweise aus Stahl bestehenden Meßrohr umschlossen und ist in
diesem frei beweglich.
Bei einer sogenannten nassen Meßlanze sind die Meßkammern an der Außenseite des Meßrohres befestigt und werden als
Ganzes von dem Hüllrohr umschlossen. Mit Ausnahme der Fahrkammer werden alle Meßkammern direkt von Kühlwasser umgeben.
Ist eine der Meßkammern defekt, so muß die gesamte Meßlanze ausgetauscht werden.
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Innerhalb einer sogenannten trockenen Meßlanze sind sämtliche Meßkammern in druckfesten Meßrohren angeordnet, wobei
mindestens eine Meßkammer zu Eichzwecken beweglich ist. Eine Kühlung einer Meßkammer erfolgt über einen
trockenen Kontakt zwischen Meßkammer und Meßrohr; das Meßrohr wird direkt vom Kühlwasser umgeben. Ist eine Meßkammer
defekt, so kann diese ausgetauscht werden, indem die Meßleitung und die Meßkammer aus dem Meßrohr herausgeführt
werden.
Da die Einsatzdauer einer Vorrichtung für die Messung von Neutronenflußdichten durch Abbrand des Spaltmaterials begrenzt
ist, werden in Kernkraftwerken in regelmäßigen Abständen Vorrichtungen ausgetauscht. In den oben zitierten
Büchern wird auf den Gesichtspunkt des Austausches nur insofern eingegangen, als der zeitliche Verlauf des elektrischen
Signals angegeben wird, nachdem die Spaltkammer aus dem Neutronenfluß herausgenommen wurde. Dieses Signal
klingt zeitlich ab und es entsteht aufgrund von zeitlich verzögerten radioaktiven Zerfällen in dem Spaltmaterial,
durch welche weiterhin Atome des Füllgases ionisiert werden.
Auf die Problematik von radioaktiver Strahlung, insbesondere von Gamma-Strahlung und Beta-Strahlung, wird in den
Büchern nicht eingegangen. Da die Werkstoffe der Vorrichtung während der Einsatzdauer einem großen Neutronenfluß
ausgesetzt sind, findet durch Einfang von Neutronen eine Umwandlung eines Teiles der Atome der Werkstoffe in radioaktive
Nuklide statt. Von Bedeutung ist daher, insbesondere in Hinsicht auf eine Strahlenbelastung von Wartungspersonal und in Hinsicht auf eine Entsorgung der Vorrichtungen,
eine Gamma-Strahlung, die durch solche radioaktive Nuklide der für den Aufbau des Detektors verwendeten Werk-35
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stoffe entsteht. Die heute vorwiegend verwendeten Werkstoffe für Vorrichtungen, insbesondere Chrom-Nickel-Legierungen,
führen zu hohen Strahlenbelastungen. Obwohl in der Regel der Austausch von Vorrichtungen ferngesteuert durchgeführt
wird, kann bei betrieblichen Störungen des Austauschvorganges, eine manuelle Fortführung des Austauschvorganges
notwendig sein. Ist dabei ein Teil der Meßleitung schon beispielsweise aus dem Meßrohr herausgefahren,
so kann im Extremfall die Strahlenbelastung für Wartungspersonal so hoch sein, daß aus strahlenschutztechnischen
Gründen ein Fortführen des manuellen Austauschvorganges nicht möglich ist. Dadurch kann es zu einer erheblichen
zeitlichen Verzögerung des Austauschvorganges kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung für die Messung von Neutronenflußdichten zu schaffen, die zu
einer möglichst geringen Strahlenbelastung der Umwelt, insbesondere von Wartungspersonal, führen soll, insbesondere
dadurch, daß durch den Einfang von Neutronen mögliehst wenig radioaktive Nuklide entstehen sollen und die
von solchen Nukliden erzeugte Strahlung rasch abklingen soll.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung für die Messung von Neutronenflußdichten mit einer Meßkammer und
einer Meßleitung angegeben, wobei die Meßkammer sowie die Meßleitung einen metallischen Werkstoff aufweisen und
dieser Werkstoff weitgehend reines Titan ist.
Da weitgehend reines Titan, selbst bei einer längeren Bestrahlung mit Neutronen nur zu einer geringen Stahlungsbelastung
führt, ist es möglich, bei einer manuellen Durch-
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führung des Austauschvorganges von Vorrichtungen nach kurzer Zeit hinreichend kleine Strahlenbelastungen zu haben,
so daß Wartungspersonal unter Einhaltung von üblichen Strahlenschutzbedingungen in die Nähe der auszutauschenden
Vorrichtungen gelangen kann. Darüber hinaus ist eine Entsorgung der Vorrichtungen bzw. Teilen der Vorrichtungen
einfach möglich, z.B. dadurch, daß Abschirmbehälter, in denen die Vorrichtungen aufbewahrt werden, geringe Massen
besitzen können. Die Lagerzeiten bis zum Abklingen unterhalb vorgegebener Dosisleistungen sind darüber hinaus beachtlich
kürzer als bei den heute vorwiegend verwendeten Chrom-Nickel-Legierungen.
Es ist günstig, als Werkstoff, insbesondere als elektrisch leitenden Werkstoff, weitgehend reines Titan zu verwenden.
Durch Einfang insbesondere thermischer Neutronen können Isotope von Verunreinigungen entstehen, von denen ebenfalls
radioaktive Strahlung ausgeht. Es ist möglich, die Verunreinigung des Titans so gering zu halten, daß die
radioaktive Strahlung, die von den Isotopen der Verunreinigungen oder daraus durch radioaktiven Zerfall entstandenen
anderen Nukliden ausgeht, deutlich geringer ist als die radioaktive Strahlung, die von Isotopen des Titans
oder daraus durch radioaktiven Zerfall entstandenen anderen Nukliden ausgeht. Dies ist selbst dann möglich, wenn
die Verunreinigungsatome einen deutlich höheren Wirkungsquerschnitt und die Nuklide der Verunreinigungen eine
deutlich längere Zerfallszeit als die des Titans haben.
Darüber hinaus verfügt Titan über einige weitere Vorteile. Dazu zählt beispielsweise, daß Titan bei den innerhalb der
Meßkammer herrschenden Temperaturen von bis zu 450 eC sehr gute mechanische und elektrische Eigenschaften auf-
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weist. Es kann zudem in ausreichend guter Reinheit hergestellt werden, so daß nur Anteile von Verunreinigungen
vorhanden sind, deren Einfluß auf die Strahlenbelastung gering ist. Zudem verfügt Titan über einen thermischen
Ausdehnungskoffizienten, der weitgehend mit dem thermischen Ausdehnungskoffizienten von Aluminiumoxid übereinstimmt,
welches häufig als elektrisches Isolationsmaterial verwendet wird. Dadurch können mechanische Spannungen innerhalb
einer Vorrichtung, aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoffizienten der Werkstoffe vermieden
werden.
Vorteilhafterweise weist die Meßkammer eine äußere, elektrische leitende Hülle, eine innere Elektrode und einen
elektrischen Isolator auf. Die äußere Hülle dient für die Messung von Neutronen- und Gamma-Flußdichten als äußere
Elektrode. Die innere Elektrode wird von der äußeren Hülle durch den Isolator getrennt.
Um eine geringe Strahlenbelastung zu erreichen, sind die Hülle und die Elektrode günstigerweise weitgehend aus
Titan gefertigt. Das Titan verfügt über einen hinreichend kleinen Wirkungsschnitt für den Einfang thermischer Neutronen,
und die entstehenden Isotope des Titans sowie daraus durch radioaktiven Zerfall entstehende radioaktive
Nuklide weisen geringe Halbwertszeiten auf. Bei einer Vorrichtung, die in einem Meßrohr, insbesondere einem Rohr
aus' einem austenitischen Stahl, eingesetzt wird und innerhalb dieser beweglich ist, zeichnet sich eine Hülle aus
Titan, insbesondere wärmebehandeltem Titan, durch einen geringen Reibungskoeffizienten aus. Dadurch kann ein Verschleiß
des Meßrohres und der Hülle klein sein.
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Der Isolator weist vorteilhafterweise Siliziumoxid und/ oder ein Metalloxid, wie z.B. Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid,
auf. Besonders geeignet ist hierbei Magnesiumoxid, welches sich für den Einsatz in aus Titan gefertigten
Bauteilen leicht bearbeiten läßt. Siliziumoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumoxid weisen hinreichend kleine Wirkungsquerschnitte
auf und verfügen über gute elektrische Isolationseigenschaften, auch bei hohen Temperaturen.
Es ist günstig, wenn die Vorrichtung über eine Meßleitung verfügt, die eine Mantelleitung ist. Die Mantelleitung
weist zumindest einen inneren Leiter auf, der von einem elektrischen Isolator umhüllt ist, wobei der Isolator von
einem Mantel umschlossen ist. Eine solche Meßleitung ist gegenüber den thermischen und mechanischen Belastungen
innerhalb des Reaktorkerns beständig, auch über eine Einsatzdauer von mehreren Jahren. Sie verfügt darüber
hinaus über gute elektrische Übertragungseigenschaften.
Der Mantel und der Leiter der Mantelleitung bestehen vorzugsweise weitgehend aus Titan, wodurch eine geringe
Strahlenbelastung erreicht werden kann. Der Werkstoff für den Isolator ist dabei bevorzugtermaßen Siliziumoxid und/
oder ein Metalloxid, insbesondere Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid. Dadurch geht auch von dem Isolator nur eine
geringe Strahlenbelastung aus.
Vor'teilhafterweise liegt ein Spaltmaterial, welches innerhalb der Meßkammer angeordnet ist, in Form eines Uranoxides
oder eines Plutoniumoxides vor, wobei es insbesondere U 235 bzw. Pu 239 aufweist. Ein Spaltmaterial, das in
Form eines Oxides vorliegt, kann besonders einfach als dünne Schicht, beispielsweise auf der Außenseite einer
inneren Elektrode, angeordnet werden.
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Es ist günstig, daß eine Spaltkammer zusätzlich zu dem Spaltmaterial ein Brutmaterial aufweist. Vorteilhafterweise
sind Spalt- und Brutmaterial innerhalb einer Schicht angeordnet, wodurch über eine längere Zeitdauer ein gleichbleibend
gutes Meßsignal erzeugt werden kann. Denn aus dem Brutmaterial, beispielsweise U 234, U 238 und/oder Th 232,
entsteht durch Einfang thermischer Neutronen und anschließendem radioaktiven, ggf. mehrstufigen Zerfall neues Spaltmaterial.
Besonders eignet sich U 234 als Brutmaterial. 10
Besonders günstig ist es, die Vorrichtung für die .Messung
von Neutronenflußdichten in Kernkraftwerken zu verwenden.
In Kernkraftwerken treten während eines regulären Betrie-
14 bes, hohe Neutronenflußdichten bis zu etwa 2 &khgr; 10 Neu-
tronen/(cm s) auf. Bei diesen Neutronenflußdichten liefert
die Vorrichtung gute und zuverlässige Meßsignale, die für eine Überwachung und/oder Steuerung eines Kernreaktors
von Vorteil sind.
Anhand der Zeichnung wird der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung für die Messung von Neutronenflußdichten
erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine Vorrichtung in einem Längsaxialschnitt und
FIG 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Bereiches II zwischen innerer Elektrode und äußerer Hülle
in einem Längsaxialschnitt.
In FIG 1 und FIG 2 sind hierzu nur für die Erläuterung wesentliche
Teile der Vorrichtung dargestellt. Eine Mantelleitung 2 mit einem Innenleiter 6 aus Titan, einem äußeren Mantel
5 ebenfalls aus Titan und einem Isolator 10 aus Magnesiumoxid ist mit einer zylindrischen Spaltkammer 1 stoff-
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&iacgr;&ogr;
schlüssig verbunden. Die Spaltkammer 1 weist eine äußere Hülle 9, ebenfalls aus Titan, auf. Innerhalb der Hülle 9
ist eine innere, zylindrische Elektrode 8 aus Titan angeordnet. Die innere Elektrode 8 ist von der Hülle 9 an
ihren Enden durch einen Isolator 4 aus Magnesiumoxid isoliert. In einem mittleren Bereich ist die innere Elektrode
8 durch einen Zwischenraum 3 von der Hülle 9 getrennt, wobei sich in dem Zwischenraum 3 ein Füllgas, nämlich Argon,
befindet. In dem mittleren Bereich (siehe FIG 2) ist auf der Außenseite der inneren Elektrode 8 eine dünne Schicht
7 aufgebracht, die ein durch Neutronen spaltbares Material aus Uranoxid aufweist. Titan als Werkstoff sowohl für die
äußere Hülle 9 und die innere Elektrode 8 als auch für den Mantel 5 und den Innenleiter 6 bewirkt, daß von der Vorrichtung
nach Gebrauch nur eine geringe Strahlenbelastung ausgeht, auch wenn diese über eine längere Zeitdauer einer
großen Neutronenflußdichte ausgesetzt war. Ein Isolator 4, 10 aus Magnesiumoxid verfügt ebenfalls über den Vorteil,
daß die chemischen Elemente, nämlich Sauerstoff und Magnesium, geringe Wirkungsquerschnitte für den Einfang thermischer
Neutronen besitzen und Isotope der Elemente über kurze Halbwertszeiten verfügen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Meßkammer und Meßleitung
für die Messung von Neutronenflußdichten zeichnet sich dadurch aus, daß auch bei einer längeren Einsatzdauer
und bei hohen Neutronenflußdichten die Strahlenbelastung auf die Umwelt gering bleibt. Dazu weist die Vorrichtung
Werkstoffe auf, die über geringe Wirkungsquerschnitte für den Einfang thermischer Neutronen verfügen. Zudem entstehen
aus den Werkstoffen bei Neutronenbestrahlung Isotope und ggf. durch radioaktiven Zerfall Nuklide, die kurze
Halbwertszeiten, besitzen. Dies erleichtert die Lagerung und die Entsorgung verbrauchter Vorrichtungen.
35
Claims (8)
1. Vorrichtung für die Messung von Neutronenflußdichten mit einer Meßkammer (1) und einer Meßleitung (2), wobei
die Meßkammer (1) und die Meßleitung (2) zumindest teilweise aus einem metallischen Werkstoff bestehen,
dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff weitgehend reines Titan ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (1) eine äußere, elektrisch leitende
Hülle (9), eine innere Elektrode (8) und einen elektrischen Isolator (4) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (9) und die innere Elektrode (8) weitgehend aus
Titan bestehen und der Isolator (4) ein Oxid, insbesondere Siliziumoxid und/oder Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid,
aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßleitung (2) eine Mantelleitung ist, die zumindest einen inneren Leiter (6) aufweist, der von einem
elektrischen Isolator (10) umhüllt ist, wobei der Isolator (10) von einem Mantel (5) umschlossen ist.
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5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (5) und der innere Leiter (6) weitgehend
aus Titan bestehen und der Isolator (10) ein Oxid, insbesondere Siliziumoxid und/oder Magnesiumoxid und/oder
Aluminiumoxid, aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß sich in der Meßkammer (1) ein Spaltmaterial (7) befindet und das Spaltmaterial (7) Uranoxid und/oder Plutoniumoxid
ist, insbesondere U 235 bzw. Pu 239 aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßkammer (1) zusätzlich zu dem Spaltmaterial (7) ein Brutmaterial, insbesondere mit U 234 und/oder
U 238 und/oder Th 232, aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Messung von Neutronenflußdichten in einem Kernkraftwerk,
insbesondere während eines regulären Betriebes des Kernkraftwerkes.
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Cited By (2)
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| EP1482236A1 (de) * | 2003-04-30 | 2004-12-01 | Nexans | Flexible Leitung |
| CN112334993A (zh) * | 2018-07-31 | 2021-02-05 | 法马通有限公司 | 喷枪单元和产生放射性核素的方法 |
-
1993
- 1993-04-20 DE DE9305956U patent/DE9305956U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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