HU185091B

HU185091B - Gamma radiation detector for contactless detecting coclant-traffic in the primary circuit of the reactors

Info

Publication number: HU185091B
Application number: HU82643A
Authority: HU
Inventors: Tibor Hargitai; Sandor Horanyi; Dezsoe Pallagi; Sandor Toezser
Original assignee: Mta Koezponti Fiz Kutato Intez
Priority date: 1982-03-03
Filing date: 1982-03-03
Publication date: 1984-11-28

Abstract

A találmány olyan gamma-sugárzás-detektor, amely egyszerűen és maradéktalanul kielégíti az ennél a mérési módnál az érzékeléssel szemben támasztott követelményeket: gyűrűalakú kiképzése folytán egyrészt úgy átlagolja a csőben áramló hűtőközeg esetleg nem körszimmetrikus sebességprofilját, mintha a csövet sok egyedi konvencionális detektorral vettük volna körül és ezek összeadott jelével dolgoznánk, másrészt, azáltal, hogy működő térfogatának határai közel vannak a cső felületéhez, jól kihasználja a cső fala által nyújtott sugárzáscsillapítást és ezáltal feleslegessé teszi külön kollimátorok alkalmazását. Ily módon az érzékelés az eddigi megoldásokkal szemben lényegesen egyszerűbben és kisebb költség árán oldható meg, a detektorelrendezés pedig már üzemelő reaktoroknál utólag is könnyűszerrel telepíthető. -1-The present invention is a gamma-radiation detector that simply and completely satisfies the detection requirements of this measurement mode: by virtue of its annular design, it averages the non-circularly symmetrical velocity profile of the refrigerant flowing in the tube as if the tube were surrounded by many unique conventional detectors and working with their combined signal, on the other hand, because the boundaries of its working volume are close to the surface of the tube, it makes good use of the radiation attenuation provided by the wall of the tube and thus eliminates the need for separate collimators. In this way, detection can be solved in a much simpler and less costly way than the previous solutions, and the detector layout can be easily installed in the case of already operating reactors. -1-

Description

A találmány tárgya atomreaktorok primérköri hűtőközeg-forgalmának kontaktmentes mérésére szolgáló gamma-sugárzás-detektor, amely előnyösen alkalmazható nyomottvizes atomerőműveknél és más atomreaktoroknál a primérköri hűtőközeg-forgalom nagy pontosságú mérésére.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a gamma radiation detector for contactless measurement of the primary circuit refrigerant flow, which is advantageously used in high-pressure primary nuclear refrigerant and pressurized nuclear power plants and other nuclear reactors.

Ismeretes, hogy különösen a nyomottvizes atomerőművek primérköri forgalommérését megnehezíti az a tény, hogy a primérköri nem szabad megbontani érzékelők elhelyezése céljából és emiatt az általánosan elterjedt közvetlen forgalommérés! eljárások nem jöhetnek számításba. A mérést a legtöbb esetben csak közvetett módon — pl. a keringető szivattyúk teljesítményének a mérése alapján — hajtják végre; az így nyert eredmények azonban nem elég pontosak és az üzemvitel folyamán végbemenő változásoktól is függnek.It is known that primary circuit measurement of pressurized nuclear power plants in particular is made difficult by the fact that the primary circuit should not be disassembled for the purpose of placing sensors, and hence the widespread direct traffic measurement! procedures cannot be considered. In most cases the measurement is only indirect - eg. based on the measurement of the performance of the circulating pumps; however, the results obtained are not accurate enough and are also dependent on changes in operation.

Ismeretes ennek a mérési feladatnak olyan megoldása, amely kontaktmentes érzékeléssel nyeri a méréshez szükséges információt (K. F. Graham, R. Gopal: Measuiements of PWR Primary CoolantFlowUsingN —16 Nőise, j Trans. Am. Nucl. Soc. 22, 554 (1975).A solution to this measurement task is obtained which obtains the information required for measurement by contactless sensing (K.F. Graham, R.Gopal, Measurements of PWR Primary Coolant FlowUsingN-16 Female, Trans. Am. Nucl. Soc. 22, 554 (1975)).

Lényegében ezt a megoldást, az N-16-aktivitás fluktuációjának delek tálasán alapuló korrelációs átfutási-időmérést írja le a 3.818.231 sz. amerikai (USA) szabadalmi leírás is (R. Gopal, Η. H. Weiss: N-16 Nuclear Reactor 2 Coolant Flow-Rate Measuring System) és ennek vizsgálatáról, illetve alkalmazásáról jelennek meg publikációk napjainkban is. (J. Bouchet et al.: PWR Primary Flow Measurements by Correlation Analysis of N-16 Fluctuation. Sped. Meeting on Reactor Nőise, Tokió, 1981.) jEssentially, this solution, the delta-response correlation of N-16 activity fluctuation, is described in U.S. Pat. No. 3,818,231. and U.S. Patent No. 4,600,500 (R. Gopal, H. Weiss, N-16 Nuclear Reactor 2 Coolant Flow-Rate Measuring System), and publications thereon are being published today. (J. Bouchet et al .: PWR Primary Flow Measurements by Correlation Analysis of N-16 Fluctuation. Sped. Meeting on Reactor Female, Tokyo, 1981.)

A módszer azon alapul, hogy a reaktor aktív zónájának különböző részein átáramló hűtőközeg nem pontosan egyforma mértékben aktivizálódik fel és ennek következtében a zóna utáni csőszakasz valamelyik pontján mérve a gamma-sugárzás intenzitását, az mindig fiuk- 2 tuál egy kicsit az átlag értéke körül. Ez a fluktuációs kép együtt halad az áramló közeggel és ily módon a csőszakasz egy másik pontján is hasonló fluktuáció észlelhető.The method is based on the fact that the refrigerant flowing through different parts of the reactor core is not exactly uniformly activated and consequently, when measuring the intensity of gamma radiation at some point in the downstream tube section, it always fluctuates slightly around the average. This fluctuation pattern goes along with the flowing medium and thus similar fluctuation can be observed at another point of the pipe section.

Megfelelően választott gamma-detektorokkal ezek a fluktuációk a csövön kívül is jól érzékelhetők. Ha a cső _zmentén elhelyezett két detektor között a fluktuációs kép nem torzul jelentősen, akkor a két detektor jele az idő függvényében közel azonosan változik, de köztük akkora időeltolás van, amennyi a detektorok közötti távolság átfutásához szükséges. Ezt az átfutási időt a ι két jel keresztkorreláció-függvényéből nagy pontossággal meghatározhatjuk és ennek, valamint a távolságnak az ismeretében kiszámíthatjuk a hűtőközeg áramlási sebességét, további paraméterek (csőkeresztmetszet, vízhőfok) ismeretében pedig a forgalmat és a tömegáramot is. ;Properly selected gamma detectors can detect these fluctuations well outside the tube. If between two detectors arranged along the _guide tube of the image fluctuation is not distorted significantly, the two detector signal versus time varies nearly identically, but among them there is a time shift as large as is necessary to scan a distance between the detectors. This turnaround time can be determined with great precision from the cross-correlation function of the ι two signals, and by knowing this and the distance, we can calculate the flow rate of the refrigerant and, knowing other parameters (tube cross section, water temperature), traffic and mass flow. ;

A fenti megoldásnál a gamma-sugárzás érzékelésére a szokásos megoldású gamma-detektorokat használják. Ezeknek a detektoroknakházban elhelyezett két elektródája van, amelyek egymástól és a háztól el vannak szigetelve, és kivezetésekkel vannak ellátva. A detektorokat 1 vastagfalú ólomvédelemmel kell körülvenni azért, hogy elsősorban az alattuk levő csőkeresztmetszetből kapják a sugárzást, tehát a távolabbi szakaszból érkező sugárzás csökkenjen. Ezek a detektorok azonban az itteninél magasabb igényeket is kielégítenek és így erre a célra indo- 1 kolatlanul drágák, az ólomkollimátorok alkalmazása pedig — nagy tömegük és a környezeti hőmérséklet tartományába eső olvadáspontjuk miatt — nehézkes műszaki megoldásokra vezet.In the above solution, conventional gamma detectors are used to detect gamma radiation. These detectors have two electrodes housed in a housing that are insulated from each other and the housing and provided with terminals. The detectors must be surrounded by a thick-walled lead shield in order to receive radiation primarily from the tube cross-section below them, so that radiation from the farther section is reduced. However, these detectors also meet higher demands than those used herein and are therefore unreasonably expensive for this purpose and the use of lead collimators, due to their high mass and their melting point in the ambient temperature range, leads to difficult technical solutions.

Fenti hátrányokat tovább fokozza az a tény, hogy aThe above disadvantages are exacerbated by the fact that

091 primérköri csővezetéknek általában nincs elegendően hosszú egyenes-, ill. zavarmentes szakasza ahhoz, hogy benne az áramló hűtőközeg sebességprofilja körszimmetrikussá, tudjon kialakulni. Emiatt a helyes átlagsebesség 5 megkapásához a cső körül több detektort kell elhelyezni, ami tovább növeli a költségeket és a kollimátor alkalmazásából adódó nehézségeket. Egy vonatkozó Westinghouse publikáció (A. G. Chaprnka, et al.: An N—16 Transit Time Flow Meter fór Pressurized Water Reactors. NUCLEX 78, C 4/9) pl. hűtőkörönként 8 db detektor alkalmazásáról számol be (egy detektor ára kb.3000 U$), az ólomkollimátor tömege pedig hurkonként tonna-nagyságrendű. (Itt említjük meg, hogy a Paksi Atomerőműnél minden 440 MW-os blokknak hat hűtőköre van.)091 Primary Circuit Pipelines generally do not have sufficiently long straight or longitudinal piping. a smooth section so that the velocity profile of the flowing refrigerant can be circularly symmetrical. Therefore, to obtain the correct average velocity 5, more detectors need to be placed around the tube, which further increases the cost and the difficulty of using the collimator. A relevant Westinghouse publication (A.G. Chaprnka, et al .: An N-16 Transit Time Flow Meter for Pressurized Water Reactors. NUCLEX 78, C 4/9) e.g. he reports the use of 8 detectors per cooling circuit (the cost of a detector is approximately $ 3,000 U $) and the weight of the lead collimator is in the order of tons per loop. (It is mentioned here that at Paks Nuclear Power Plant, each unit of 440 MW has six cooling circuits.)

A találmány célja a fentiekben vázolt hátrányok egyidejű kiküszöbölése egy olyan detektor kidolgozása révén, amely kifejezetten az itteni igények kielégítésére szolgál és így alkalmazása a konvencionális detektorokkal szemben egyértelmű előnyöket jelent.It is an object of the present invention to simultaneously overcome the drawbacks outlined above by providing a detector which is specifically designed to meet the needs herein and thus has clear advantages over conventional detectors.

A találmánnyal megoldandó feladatot ennek megfelelően úgy tűztük ki, hogy egyrészt tökéletes sebességprofil átlagolást érjük el anélkül, hogy erre a célra nagyszámú konvencionális gamma-detektort kellene használnunk, másrészt pedig ne légyen szükség kollinrátorok alkalmazására.Accordingly, the object of the present invention is to achieve, on the one hand, perfect velocity profile averaging without the need for a large number of conventional gamma detectors and, on the other hand, no need to use collinators.

A találmány alapja az a felismerés, hogy a kitűzött feladat egyszerűen megoldódik, ha a detektort úgy képezzük ki, hogy az gyűrűszerűén körbefogja a hűtőközeget szállító csövet és működő térfogatának fizikai határai minél közelebb legyenek a cső felületéhez.The invention is based on the discovery that the object is simply solved by providing the detector so as to annularly enclose the refrigerant tube and to have physical operating limits as close as possible to the surface of the tube.

A találmány szerinti detektornak házban elhelyezett két elektródája van, amelyek egymástól és a háztól el vannak szigetelve és kivezetésekkel vannak ellátva. A detektor háza a benne levő elektródákkal együtt gyűrűszerűén veszi körűi a hűtőközeget szállító csövet és a detektor működő térfogatának fizikai határai közelebb vannak a cső felületéhez, mint a csőátmérő egyötöd része.The detector of the present invention has two housed electrodes which are insulated from each other and the housing and provided with terminals. The detector housing, along with the electrodes contained therein, annularly surrounds the refrigerant tube and the physical limits of the operating volume of the detector are closer to the surface of the tube than one-fifth of the tube diameter.

A találmány értelmében célszerű, ha a gyűtűalakú detektor két merev félgyűrűbő! tevődik össze, mert ily módon egyszerűen rábilincselhetővé válik a hűtőközeget szállító cső alkalmasan megválasztott szakaszára.According to the invention, it is preferable for the ring-shaped detector to have two rigid semicircles. This is done by simply engaging it in a suitable section of the refrigerant tube.

Célszerű továbbá, ha a detektor olyan házban nyer kiképzést, amelynek anyaga úgy van megválasztva, hogy a csővel való közvetlen érintkezés ne okozzon korróziós-, vagy egyéb problémát.It is also desirable for the detector to be trained in a housing of a material selected such that direct contact with the tube will not cause corrosion or other problems.

Célszerű az is, ha a detektornál alkalmazott szigetelők anyagát úgy választjuk meg, hogy azok a rádioaktiv sugárterhelés mellett károsodás nélkül kibírják azt az igénybevételt is, amit a megközelítőleg a hőhordozó hőmérsékletével azonos környezeti hőmérséklet jelent, tehát ezek pl. kvarcból, vagy porcelánból készülnek.It is also desirable to select the material of the insulators used in the detector so that they can withstand, without damaging the radioactive radiation, the stresses of the ambient temperature approximately equal to the temperature of the heat carrier, e.g. quartz or porcelain.

A találmányt a továbbiakban kiviteli példák és rajz alapján részletesebben ismertetjük. A rajzon azThe invention will now be described in more detail with reference to embodiments and drawings. In the drawing it is

1. ábra a találmány szerinti detektor egyik kiviteli alakját ábrázolja, részben metszetben, és aFigure 1 is a partially sectional view of an embodiment of a detector according to the invention, and a

2. ábra az 1. ábra szerinti detektorral felszerelt cső hosszmetszete.Figure 2 is a longitudinal sectional view of the tube provided with the detector of Figure 1.

Az 1, ábrán látható detektor lényegében két, félkörív-alakú, téglalap keresztmetszetű, merev 1 házból, a bennük egymástól és az 1 háztól szigetelten elhelyezett 2 elektródából és a 3 kivezetésekből áll és a hűtőközeget szállító csőre a 4 fülek összehúzása révén 65 fogható fel. Az 1 ház célszerűen lemezből készül, hegesz-2185 091 téssel. Az egymással párhuzamos, ívelt lemezekkel megvalósított 2 elektródák az 5 szigetelő tuskókkal olymódon vannak az 1 ház falához erősítve, hogy azok lehetővé teszik a 2 elektródáknak a hőmérsékletváltozásokkor bekövetkező kismértékű érintőirányú 5 elmozdulását. A csövet gyűrűszerűén körülfogó detektor működő térfogatának fizikai határai közelebb vannak a cső felületéhez, mint a csőátmérő egyötöd része.The detector of Fig. 1 consists essentially of two semi-circular rigid rectangular housings 1, electrodes 2 and terminals 3 insulated there from each other and the housing 1 and can be received on the refrigerant tube by tightening the tabs 4. The housing 1 is preferably made of sheet metal with a welding 2185 091. The electrodes 2, formed by parallel, curved plates, are secured to the housing 1 by the insulating blocks 5 so as to allow a slight tangential movement of the electrodes 2 during temperature changes. The physical limits of the working volume of the annular detector that surrounds the tube are closer to the surface of the tube than a fifth of the tube diameter.

A szigetelő tüskök hő- és sugárzásálló porcelánból, -jq vagy kvarcból készülnek és 100 Megohm feletti szigetelési ellenállást biztosítanak.The insulation pins are made of heat and radiation resistant porcelain, -jq or quartz and provide insulation resistance of over 100 Megohm.

A 3 kivezetések a tápfeszültség bevitelére, illetve a jeláram kihozatalára szolgálnak és lényegében egy-egy csőből állnak, amelyekben - a fenti követelményeknek 15 eleget tévőén elszigetelt - huzalok futnak végig. A csövek a detektor szomszédságában elhelyezkedő csatlakozó dobozig vezetnek, ahonnan a jelvezetés tovább már konvencionális kábellel történhet.The terminals 3 are for supplying the power supply and for the output of the signal current and consist essentially of a single tube in which the wires are run, insulated in accordance with the above requirements. The tubes lead to a junction box adjacent to the detector, from where the signal can be routed via a conventional cable.

Előfordulhat, hogy legyártás után a 2 elektródák szi- 20 getelése nem éri el a kívánt értéket. A 6 csőcsonkok segítségével ilyenkor forró, száraz gázt áramoltathatunk át a detektoron és ily módon megjavíthatjuk a szigetelést.After manufacture, the insulation of the electrodes 2 may not reach the desired value. With the help of the pipe nozzles 6, hot dry gas can be passed through the detector and thus the insulation can be improved.

A 7 fülek arra szolgálnak, hogy a hozzájuk csatlakozó, és célszerűen az 1 ház anyagával megegyező anyag- 25 ból készült távolságtartókkal biztosíthassuk az egy méréshez szükséges két detektor között az előírt távolságot.The tabs 7 are used to provide the required distance between two detectors required for one measurement by means of spacers 25 which are connected thereto and preferably made of the same material as the housing 1.

A találmány szerinti detektor egy másik kiviteli alakját a fent ismertetett merev és méretreszabott félgyűrűkkel szemben az jellemzi, hogy mind a ház-, mind a benne 30 elhelyezett elektródák és azok szigetelése lehetővé teszi a különféle nagyságú ívben való hajlítási és ily módon ez a „kábelszerű” detektor a helyszínen egyszerűen ráhajlítható a hűtőközeget szállító — bizonyos határok között tetszőleges átmérőjű — csőre, tehát nem szűk- 35 séges azt már a gyártáskor pontosan adott átmérőre készíteni.Another embodiment of the detector of the present invention, as opposed to the rigid and scaled semicircles described above, is that both the housing and the electrodes placed therein and their insulation permit bending of various sizes of arc and thus this "cable-like" The detector can be easily bent on site to the refrigerant tube, with any diameter within certain limits, so it is not necessary to make it to the exact diameter at the time of manufacture.

A találmány szerinti detektornak azt a tulajdonságát, hogy kollimátorok nélkül is alkalmas a gamma-sugárzás fluktuációjának detektálására, a 2. ábra segítségével 40 magyarázhatjuk meg a legegyszerűbben.The property of the detector of the present invention to detect gamma-ray fluctuation without collimators is most easily explained with reference to FIG.

Itt a hűtőközeget szállító cső látható a ráhelyezett detektorral, metszetben. Berajzoltuk továbbá egy távolról jövő-, egy közelebbről jövő-, valamint egy, a detektor alatti keresztmetszetből jövő gamma-sugár útját a de- 45 tektorig.Here is a section of the refrigerant tube with the detector on it. We also plotted the path of a distant, a closer, and a gamma ray from a cross section below the detector to the detector.

Természetes, hogy a gammasugárzás a cső falán áthatolva jut el a detektorig. Az ábrából azonban az is jól érzékelhető, hogy a távolról jövő sugárzás s₁ útja-, de még a közelről jövő sugárzás s₂ útja is lényegesen 50 hosszabb a csőfalban, mint a detektor alatti térből jövő sugárzás s₃ útja. És, mivel a cső falának anyaga annál jobban csillapítja a gamma-sugárzást, minél hosszabb a benne megtett út, a kívánt hatás — az oldalról érkező sugárzás csökkentése — automatikusan létrejön, nincs szükség külön kollimátorok alkalmazására. Ily módon a detektor az éppen alatta áthaladó közeg-aktivitást érzékiái legjobban, és ha időben változik, akkor ez a fluktuáció a detektor által szolgáltatott jelben is megjelenik.It is natural for gamma radiation to pass through the tube wall to the detector. The figure, however, is perceptible to the radiation coming from a distance and _one útja-, but still close to the future path of rays ₂ and 50 is significantly longer than the pipe wall as the space below the radiation detector and _three future path. And, since the material of the tube wall dampens the gamma radiation the longer it goes, the desired effect - reducing the radiation coming from the side - is automatically generated, without the need for additional collimators. In this way, the detector senses the medium activity just below it, and if it changes over time, this fluctuation will also appear in the signal provided by the detector.

Mint látható, a találmány szerinti detektor valóban egyszerűen és maradéktalanul elégíti ki a vele szemben támasztott igényeket: gyűrűalakú kiképzése folytán egyrészt úgy átlagolja a csőben áramló hűtőközeg esetleg nem körszimmetrikus sebességprofilját, mintha a csövet sok egyedi konvencionális detektorral vettük volna körül és ezek összeadott jelével dolgoznánk, másrészt, azáltal, hogy működe térfogatának határai közel vannak a cső felületéhez, jól kihasználja a cső fala által nyújtott sugárzás-csillapítást és ezáltal feleslegessé teszi külön kollimáterok alkalmazását. Ily módon a kontaktmentes mérés kivitelezéséhez szükséges érzékelés az eddig ismert megoldásokkal szemben lényegesen egyszerűbben és kisebb költség árán oldható meg. Végül az sem elhanyagolható előny, hogy ez a detektor-elrendezés nem kíván külön tartóelemeket és ennek folytán már üzemelő reaktorok primérköreire utólag is könnyen telepíthető.As can be seen, the detector according to the invention really simply and completely meets its requirements: due to its annular design, it averages the possibly non-circular symmetry velocity profile of the refrigerant flowing in the tube as if it were surrounded by a number of unique conventional detectors, on the other hand, by being close to the surface of the tube, the volume limits of its working volume make good use of the radiation attenuation provided by the tube wall, thus eliminating the need for separate collimators. In this way, the sensing required for contactless measurement can be solved much simpler and at a lower cost than prior art solutions. Last but not least, this detector array does not require separate supports and can therefore be easily retrofitted to primary circuits of already operating reactors.

Claims

Claims 1. A gamma radiation detector for contactless measurement of refrigerant flow in a primary reactor of nuclear reactors, comprising two electrodes housed in a housing which are insulated and terminated from each other and the housing, characterized in that the detector housing (1) has electrodes therein. (2) is annularly surrounding the refrigerant tube and the physical limits of the operating volume of the detector are closer to the tube surface than one-fifth of the tube diameter.

An embodiment of the detector as defined in claim 1, characterized in that the casing (1) of the tube, which can be detached in a clamp-like manner, consists of two semi-circular rigid pieces.

An embodiment of the detector as defined in claim 2, characterized in that the electrodes (2J) are formed by parallel arc sheets.

An embodiment of the detector as defined in claim 1, characterized in that the detector housing (1), together with the electrodes (2) therein, is foldable.

2 pieces of figure

Published by the National Office for Inventions Responsible for publishing: Zoltán Himer, Head of Department, Technical Publishing House, Indicentr'a COPYLUX Printing Industry Copier Small Cooperative