KR101843603B1 - 자기 보상식의 고정밀 고수명의 듀얼 로듐 바나듐 이미터 로내 핵 검출기 - Google Patents

자기 보상식의 고정밀 고수명의 듀얼 로듐 바나듐 이미터 로내 핵 검출기 Download PDF

Info

Publication number
KR101843603B1
KR101843603B1 KR1020137012348A KR20137012348A KR101843603B1 KR 101843603 B1 KR101843603 B1 KR 101843603B1 KR 1020137012348 A KR1020137012348 A KR 1020137012348A KR 20137012348 A KR20137012348 A KR 20137012348A KR 101843603 B1 KR101843603 B1 KR 101843603B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
neutron
detector
magnetically
emitter
output
Prior art date
Application number
KR1020137012348A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130140000A (ko
Inventor
벨돈 디 홀라데이
리차드 씨 드베니
알렉산더 와이 쳉
존 웨슬리 데이브스
웨슬리 디 스털츠
Original Assignee
프라마톰 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 프라마톰 인크. filed Critical 프라마톰 인크.
Publication of KR20130140000A publication Critical patent/KR20130140000A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101843603B1 publication Critical patent/KR101843603B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T3/00—Measuring neutron radiation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T3/00—Measuring neutron radiation
    • G01T3/006—Measuring neutron radiation using self-powered detectors (for neutrons as well as for Y- or X-rays), e.g. using Compton-effect (Compton diodes) or photo-emission or a (n,B) nuclear reaction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T7/00—Details of radiation-measuring instruments
    • G01T7/005—Details of radiation-measuring instruments calibration techniques
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
    • G21C17/10—Structural combination of fuel element, control rod, reactor core, or moderator structure with sensitive instruments, e.g. for measuring radioactivity, strain
    • G21C17/108—Measuring reactor flux
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

본 발명은 원자로 내에서 장기간 사용되도록 제1 자기 출력형 중성자 검출기를 제2 자기 출력형 중성자 검출기로 보상하는 방법 및 장치를 제공하며, 제2 자기 출력형 중성자 검출기의 이미터 재료는 제1 자기 출력형 중성자 검출기의 제1 이미터 재료의 중성자 흡수 단면적보다 큰 중성자 흡수 단면적을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

자기 보상식의 고정밀 고수명의 듀얼 로듐 바나듐 이미터 로내 핵 검출기{SELF-CALIBRATING, HIGHLY ACCURATE, LONG-LIVED, DUAL RHODIUM VANADIUM EMITTER NUCLEAR IN-CORE DETECTOR}
본 발명은 원자로에 사용되는 자기 출력형(self-powered) 로내 중성자 검출기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 운전 중인 원자로의 노심 내에서 보상 기준으로 사용되는 제2 자기 출력형 로내 중성자 검출기에 의해 하나의 자기 출력형 로내 중성자 검출기가 보상되는 방법 및 장치에 관한 것이다.
자기 출력형 로내 중성자 검출기는 상업용 핵발전 원자로에서 노심 출력 분포를 측정하는데 사용되는 것으로, 이러한 검출기는 노심 출력과 직접 관계된 중성자 선속을 직접 측정하는 것으로 알려져 있다. 통상, 자기 출력형 로내 중성자 검출기는 원자로 노심 내의 고정 위치에 배치되며, 원자로 핵연료 교환 작업 중에만 교환된다. 고정된 검출기는 전체 노심 주기 중에 동일한 핵연료 집합체 위치에서 동일한 축방향 위치에 유지된다. 다시 말해, 검출기는 노심 내에 핵연료 집합체를 장입한 후 관련 핵연료 집합체의 계측 튜브 내로 삽입되고, 연료 집합체가 노심 내에 재배치되기 전에 해당 계측 튜브로부터 제거된다.
로내 중성자 검출기, 즉 원자로의 노심 내에 위치된 검출기는 원자로 오퍼레이터가 원자로 노심 상태를 모니터링하고 로외 검출기, 즉 원자로의 노심 외부에 위치된 검출기에 비해 높은 정밀도로 원자로 노심 출력 분포를 계산 및 연속 관찰할 수 있도록 한다. 이것은 열적 한계의 폭을 증가시킴으로써, 보다 높은 허용 가능한 출력 레벨 또는 첨두 계수(peaking factor) 또는 추가적인 동작 공간을 제공하거나, 및/또는 연료 관리에 있어서 융통성을 부가한다.
자기 출력형 로내 중성자 검출기는 미국 특허 제3,375,370호에 개시되어 있다. 해당 자기 출력형 로내 중성자 검출기는 중성자 방사의 결과로써 전자를 방출하는 전도체 재료 또는 반도체 재료로 형성된 이미터와, 중성자 선속에 노출시 이미터에 비해 적은 수의 전자를 발생시키는 콜렉터와, 이미터와 콜렉터 사이의 절연체를 포함한다. 바람직하게, 절연체의 전기적 특성은 연장된 시간 기간 동안 강력한 방사선장에 노출시 거의 변하지 않게 유지된다. 검출기로부터의 신호는 검출기에 의한 중성자 흡수율에 직접 비례하는 것으로 알려져 있다.
미국 특허 제3,375,370호의 표 1에서 보여지는 바와 같이, 이미터로서 기능할 수 있는 공지의 재료는 로듐, 바나듐, 알루미늄, 은, 카드듐, 가돌리늄, 코발트 및 스칸듐을 포함하고; 공지의 콜렉터 재료는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 니켈, 스테인레스 강, 니켈-크롬 합금, 및 지르코늄-알루미늄 합금을 포함하고; 공지의 절연체는 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물, 및 실리콘 신화물을 포함한다.
이미터는 이미터 원자의 핵에 의한 중성자 포획 후 얻어지는 활성화된 원자핵의 베타 붕괴의 결과로써 전자를 방출하며, 이 경우 베타 붕괴는 포획 생성물에 의한 베타 입자, 즉 전자의 방출에 의한 중성자-양성자 변환을 포함한다. 예를 들면, 로듐 이미터에서, 103Rh 원자핵은 중성자를 흡수하여 104Rh로 변환된다. 이후, 104Rh 원자핵은 베타 붕괴를 경험하면서 감마와 베타 방사선, 즉 감마선 양성자와 전자를 방출한다. 에너지를 얻은 전자의 일부는 이미터를 벗어나서 검출기 피복 내에 모아진다. 중성자 흡수 직후에는 작은 비율의 전자가 이미터를 빠져나가고, 나머지 활성화된 원자핵들은 42초의 반감기로 베타 붕괴를 경험한다.
검출기 이미터 신호는 통상적으로 증폭되고 디지털화된 후 배경 방사(background emission) 및 이미터 번 업(burn-up) 효과를 보상하도록 처리된다. 로듐 이미터의 경우, 103Rh 원자핵에 의한 중성자 흡수 후 얻어지는 104Rh 원자핵의 베타 붕괴는 원자핵의 원자 번호를 1 만큼 증가시킨다. 따라서, 원자핵은 104Pd(팔라듐-104) 원자핵으로 변형됨으로써 추가의 중성자 흡수에 사용될 수 있는 이미터 내의 103Rh의 양을 감소시킨다. 결국, 이미터에 의해 생성되는 신호는 이미터의 번 업의 결과로써 사용이 줄어든다. 이러한 감소 비율은 로듐과 같이 다른 이미터에 대해 상대적으로 불확실한 소정의 이미터에 대해 잘 알려져 있다.
각각의 포획-방사 이벤트가 원자량과 원자 번호의 변화를 가져오므로, 이미터에 의해 생성되는 신호와 이미터의 수명은 이미터 재료의 중성자 흡수 단면적의 함수이다. 따라서, 자기 출력형 로내 중성자 검출기 내의 이미터로서 통상 사용되는 로듐은 바나듐에 의해 생성되는 신호의 대략 15배에 이르는 신호를 생성하지만, 미국 특허 제3,375,370호의 4 칼럼 26-32행과 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 바나듐에 비해 크게 낮은 수명을 갖는다.
미국 특허 제3,879,612호는 단일 구조체로서 결합되는 중성자 선속 측정을 위한 다중-센서 방사 검출 시스템을 개시하고 있다. 시스템 내의 결합된 단일 구조체는 자기 출력형 검출기와 이온 또는 핵분열 챔버를 포함하는데, 이들은 방사 검출기 프로브로서 원자로 내로 제거 가능하게 삽입되도록 전기적으로 병렬 연결되어 있다. 부하 임피던스에 연결시, 검출 시스템은 오직 자기 출력형 검출기로부터 온 중성자 선속 신호를 제공한다. 부하 임피던스와 전압원에 연결시, 검출 시스템은 본질적으로 이온 또는 핵분열 챔버로부터 온 바로 그 중성자 선속 신호를 제공하는데, 이는 해당 검출기로부터 온 중성자 선속 신호의 경우 자기 출력형 검출기로부터 온 신호보다 실질적으로 크기 때문이다. 자기 출력형 프로브는 전술한 미국 특허 제3,375,370호에 개시된 자기 출력형 로내 중성자 검출기의 방식으로 기능한다. 로듐과 바나듐 이미터를 갖는 자기 출력형 로내 중성자 검출기가 예시되고 있지만, 로듐과 바나듐 이미터를 함께 사용하는 것은 개시되고 있지 않다.
미국 특허 제3,904,881호는 중성자 검출기 내에서 이미터 재료의 감마 방사 감도를 보상하는 자기 출력형 중성자 검출기를 개시하고 있다. 각각의 검출기는 감마 방사에 대한 감도가 다른 두 가지 이미터 재료를 포함하는데, 이미터 재료 중 하나 또는 양자는 중성자 선속에도 반응한다. 하나의 구성예에서, 제1 이미터 재료는 중성자 선속과 감마 방사 모두에 반응하는 이미터를 형성하고, 제2 이미터 재료는 중성자 선속에는 거의 반응하지 않고 감마 방사에 반응하는 이미터를 형성하는데, 이러한 두 개의 이미터는 단일의 콜렉터에 의해 수용되고 절연 재료에 의해 분리된다. 검출기 내에서 두 개의 이미터로부터의 신호는 감마 방사로부터 나오는 임의의 신호를 보상하는데 사용된다. 제2 구성예에서, 두 가지 이미터 재료는 하나의 이미터로서 형성되는데, 양자의 재료는 감마 방사에는 반응하지만, 반대인 극성을 가지며, 함께 하나의 이미터를 형성한다. 극성의 차이는 감마 방사 신호를 보상한다. 단일 검출기에 사용되는 두 가지 이미터 재료의 조합은 로듐-바나듐을 포함한다.
미국 특허 제4,426,352호는 중성자 검출기 쌍의 어레이를 개시하고 있는데, 여기서 각 쌍은 중성자 선속의 변화에 거의 즉시 반응하는 즉시 반응 검출기와 중성자 선속의 변화의 종료 이후 소정의 시간이 경과 후에만 평형에 도달하는 지연된 반응 중성자 검출기를 포함한다. 검출기의 쌍들은 원자로 노심의 핵연료 유효 길이를 따라 축방향으로 이격되어 있다. 지연된 반응 검출기는 유효 신호를 제공하기 위해 통상 적어도 약 1분을 필요로 하므로, 지연 반응 중성자 검출기는 원자로 제어 또는 안전 채널 내에 사용될 수 없고, 출력 분포의 히스토리와 출력 동작 모드 중의 변화를 제공하는 것으로 제한된다. 개시된 쌍에서, 보다 정확한 지연 반응 검출기는 덜 정확한 즉시 반응 검출기에 대해 통상 연속적인 중성자 선속 보상을 제공한다. 개시된 검출기 쌍은 즉시 반응 하프늄 검출기와 쌍을 이룬 지연된 반응 로듐 검출기를 구비한다. 미국 특허 제4,426,352호에 따르면, 로듐은 전술한 중성자 활성화의 하나의 모드만을 가지며, 정상 상태 조건 하에서 즉시 반응 하프늄으로부터의 신호가 쌍을 이룬 로듐 검출기 신호로부터 유도되는 출력을 사용하여 쉽게 보상될 수 있도록 감손 보상이 충분히 정확하게 허용되도록 천천히 감손된다.
미국 특허 제5,251,242호는 여러 개의 독립적이고 비교적 짧은 로듐 검출기와 단일의 전장의 바나듐 계 검출기로 이루어진 검출기 구성의 마케팅을 개시하고 있다. 알려진 바로, 바나듐은 로듐의 경우인 156 반(barns)에 비해 작지만 무시할 수 없는, 2200 m/sec에서 4.5 반으로 알려진 중성자 흡수 단면적을 가진다. 그러나, 상대적으로 무거운 바나듐 이미터는 핵변환에 기인하여 매우 느린 감손만을 경험하면서 유효 신호를 생성하는 것으로 알려졌다. 미국 특허 제5,251,242호에 따르면, 이론상, 중성자 유도된 핵변환에 기인한 로듐 검출기의 감손율을 추적하기 위해 개별 로듐 검출기 섹션에 의해 생성된 신호와 비교되는 기준으로서 긴 바나듐 검출기로부터의 출력 신호를 사용하는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 단일의 긴 바나듐 검출기의 출력 신호는 시간적으로 변동하는 복소 축방향 출력 분포의 공간 적분(spatial integral)만을 특징으로 한다. 따라서, 상기 특허는 개별 로듐 검출기 신호를 긴 바나듐 검출기로부터의 신호에 관련시키는 것에 문제가 있음을 개시하고 있다.
대신, 미국 특허 제5,251,242호는 동일한 원자로 어셈블리 내에서 공간적으로 동일한 대응하는 길이의 바나듐 검출기 세그먼트와 함께 원자로 어셈블리 내에서 축방향으로 분포된 백금 검출기 세그먼트의 활용을 개시한다. 바나듐 검출기는 백금 검출기 신호를 보상하여 백금 검출기 반응 신호로부터 붕괴 생성물의 감마선 선속 기여분을 제거하는데 사용된다. 대안적으로, 전장 백금 검출기는 원자로 내의 감마선 반응성의 짧은 백금 세그먼트에 대한 필요한 보상을 결정하기 위해 전장 바나듐 검출기와 쌍을 이뤄 전장의 공간적으로 동일한 바나듐 검출기에 대한 전장의 백금 검출기를 보상한다.
미국 특허 출원 공개 제2006/0165209호는 동반 바나듐 검출기와 함께 핵연료 집합체의 축방향 길이에 걸쳐 일정한 길이로 코발트 검출기를 배치하는 것은 물론, 동반 바나듐 검출기와 함께 등가의 길이의 감마 에너지 검출기를 핵연료 집합체의 축방향의 간격을 따라 배치하는 종래의 배치를 개시하고 있다.
국제 특허 출원 공개 WO97/13162는 바나듐 중성자 반응 검출기 요소와 바람직하게는 백금인 감마 방사 반응 검출기 요소를 갖는 자기 출력형의 고정식 로내 검출기를 개시하고 있다. 중성자 반응 바나듐 이미터 요소는 낮은 중성자 흡수 단면적을 가지며, 유효 연료 영역의 길이를 확장시킴으로써 전장 원자로 출력을 나타내는 전장 신호를 발생시킨다. 감마 방사 반응 검출기 요소는 다수의 평행한 감마 반응 이미터 요소를 포함하며, 해당 이미터 요소는 바람직하게는 백금이지만, 대안적으로는 지르코늄, 세륨, 탄탈 또는 오스뮴 요소이고, 순차적으로 중성자 반응 이미터 요소와 중복도가 증가됨으로써 유효 연료 영역의 축방향 영역을 형성하고 할당 신호를 생성한다. 노심의 축방향 영역들 각각에 기인하는 중성자 반응 이미터 요소에 의한 전장 신호의 부분은 감마 반응 요소에 의해 생성된 할당 신호의 비율로부터 결정된다. 할당 신호의 비율은 핵분열의 반응물로부터 나오는 지연된 감마 방사으이 효과를 감소시키고, 감마 반응 이미터 요소에 의해 생성된 할당 신호의 해당 성분을 필터링하는 것에 의해 과도 응답이 더 개선되는 것으로 알려져 있다.
짧은 수명의 검출기가 이미터 재료의 감손에 기인하여 유용성이 떨어진 후에 긴 수명의 자기 출력형 로내 중성자 검출기가 사용될 수 있도록, 높은 중성자 흡수 단면적의 자기 출력형 로내 중성자 검출기에 의해 원자로의 운전 중에 긴 수명과 낮은 중성자 흡수 단면적의 자기 출력형 로내 중성자 검출기를 보상하는 종래 기술은 알려진 바 없다.
본 발명은 원자로 노심 내에 자기 출력형 중성자 검출기의 쌍을 장기간 사용하기 위해 제1 자기 출력형 중성자 검출기를 제2 자기 출력형 중성자 검출기로 보상하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 당업자들이 이해하겠지만, 자기 출력형 중성자 검출기의 수명은 여러 가지 인자의 함수, 주로 중성자 검출기의 총 방사 노출의 함수이다. 결국, 중성자 검출기의 수명은 중성자 검출기의 노심 내 위치 및 축방향 위치에 따라 크게 다를 수 있다. 따라서, 노심 중 비교적 높은 중성자 선속 섹션 내에 위치된 자기 출력형 중성자 검출기는 단 일 주기의 원자로 주기의 수명을 가질 수 있다. 이에 비해, 노심 중 비교적 낮은 중성자 선속 섹션 내에 위치된 자기 출력형 중성자 검출기는 다중 원자로 주기의 수명을 가질 수 있다.
본 발명의 방법은: 원자로 내에서 적어도 한 쌍의 자기 출력형 중성자 검출기를 중성자 선속에 노출하는 단계를 포함하며, 쌍의 자기 출력형 중성자 검출기 각각은 동일한 중성자 선속에 비례하는 신호를 생성한다. 자기 출력형 중성자 검출기의 쌍은 제1 자기 출력형 중성자 검출기와 제2 자기 출력형 중성자 검출기를 포함한다. 쌍의 제1 및 제2 자기 출력형 중성자 검출기 각각은 이미터와 콜렉터를 포함한다. 각각의 쌍의 제1 자기 출력형 중성자 검출기의 이미터는 제1 이미터 재료를 포함하고, 각각의 쌍의 제2 자기 출력형 중성자 검출기의 이미터는 제2 이미터 재료를 포함하며, 해당 제2 이미터 재료는 제1 이미터 재료의 중성자 흡수 단면적보다 큰 중성자 흡수 단면적을 가진다.
본 발명의 방법에서, 원자로 노심 내에서 동일한 중성자 선속에 대한 제1 및 제2 자기 출력형 중성자 검출기 각각의 반응은 데이터 획득 시스템을 사용하여 동시에 측정되며, 중성자 선속에 응답하여 쌍의 제1 자기 출력형 중성자 검출기에 의해 생성되는 신호는 주어진 이미터 감손에 대해 제1 이미터 재료 관련 열적 중성자 감도를 결정하는데 충분한 기간에 걸쳐 중성자 선속에 응답하여 쌍의 제2 자기 출력형 중성자 검출기에 의해 생성되는 신호로 보상된다.
바람직하게, 제1 자기 출력형 중성자 검출기의 이미터는 바나듐을 포함하고, 제2 자기 출력형 중성자 검출기의 이미터는 로듐을 포함한다. 바람직하게, 원자로 노심 내의 중성자 선속은 로듐 자기 출력형 중성자 검출기 중의 로듐이 많이 감손될 때까지 로듐 자기 출력형 중성자 검출기로 모니터링되며, 이후 중성자 선속은 보상된 바나듐 자기 출력형 중성자 검출기에 의해 모니터링된다. 바람직하게, 보상된 바나듐 자기 출력형 중성자 검출기로 중성자 선속을 모니터링하는 것은 로듐 검출기의 감도가 약 68%만큼 감손될 때 시작한다. 즉, 중성자에 대한 로듐 검출기의 감도는 검출기 내의 로듐의 감손에 의해 방사 전 검출기의 감도의 약 32%로 감소되었다. 그러나, 보상된 바나듐 자기 출력형 중성자 검출기에 의한 중성자 선속의 모니터링은 로듐 검출기의 감도가 약 80만큼 감손될 때까지 지연될 수 있음을 발견하였다.
자기 출력형 중성자 검출기의 감도 감손은 통상 검출기의 재료의 감손과 동일하지 않다. 예를 들면, 로듐 검출기의 68% 감도 감손은 통상 검출기 내의 로듐의 약 80%의 감손에 대응한다.
일단 중성자 선속의 모니터링이 제1 자기 출력형 중성자 검출기로부터 보상된 제1 자기 출력형 중성자 검출기로 전환되면, 감손된 제2 자기 출력형 중성자 검출기의 응답은 보상된 제1 자기 출력형 중성자 검출기로부터의 응답으로 보상될 수 있다.
본 발명의 장치는 적어도 한 쌍의 자기 출력형 중성자 검출기를 포함하며, 각각의 자기 출력형 중성자 검출기는 중성자 선속에 노출시 해당 중성자 선속에 비례하는 신호를 생성한다. 검출기 쌍은 제1 자기 출력형 중성자 검출기와 제2 자기 출력형 중성자 검출기를 포함하고, 쌍의 제1 및 제2 자기 출력형 중성자 검출기 각각은 이미터와 콜렉터를 포함한다. 각각의 쌍의 제1 자기 출력형 중성자 검출기의 이미터는 제1 이미터 재료를 포함하고, 각각의 쌍의 제2 자기 출력형 중성자 검출기의 이미터는 제2 이미터 재료를 포함하며, 해당 제2 이미터 재료는 제1 이미터 재료의 중성자 흡수 단면적보다 큰 중성자 흡수 단면적을 가진다. 쌍의 양자의 검출기는 쌍으로 된 제1 및 제2 자기 출력형 중성자 검출기가 동일한 중성자 선속장에 노출되도록 원자로 내에 배치된다. 제2 자기 출력형 중성자 검출기는 중성자 선속에 노출시 검출기 쌍의 제1 자기 출력형 중성자 검출기에 대한 보상 신호를 제공한다. 바람직하게, 제1 이미터 재료는 바나듐이고, 제2 이미터 재료는 로듐이다.
도 1은 본 발명의 장치를 예시하며;
도 2는 다중 검출기를 포함하는 본 발명의 검출기 조립체를 예시하며;
도 3은 도 2에 예시된 검출기 조립체의 3-3에서의 단면도를 나타내며;
도 4는 본 발명에 사용되는 자기 출력형 중성자 검출기를 예시하며;
도 5는 도 4에 예시된 자기 출력형 중성자 검출기의 5-5에서의 단면도를 나타내며;
도 6은 도 4에 예시된 자기 출력형 중성자 검출기의 6-6에서의 단면도를 나타내며;
도 7은 핵연료 집합체의 계측 튜브 내에 위치된 외부 피복 내에 배치된 자기 출력형 검출기의 쌍을 예시하며;
도 8은 로듐 자기 출력형 중성자 검출기와 관련된 소모 전하에 대한 정규화된 감도의 도면을 나타내며;
도 9는 로듐 자기 출력형 중성자 검출기와 관련된 이미터 감손에 대한 정규화된 감도의 도면을 나타낸다.
본 발명은 운전 중인 원자로의 노심 내에서 보상 기준으로 사용되는 제2 자기 출력형 로내 중성자 검출기로부터의 신호를 이용하여 제1 자기 출력형 로내 중성자 검출기가 보상되는 방법 및 장치에 관한 것이다. 바람직하게, 원자로는 가압수형 원자로(pressurized water reactor: PWR) 또는 비등수형 원자로(boiling water reactor:BWR)와 같은 경수로(light water reactor)이다.
바람직하게, 본 발명에 사용되는 자기 출력형 중성자 검출기는 미국 특허 제3,375,370호에 개시된 종류의 검출기이다. 이러한 자기 출력형 중성자 검출기는 중성자 방사의 결과로서 전자를 방출하는 전도체 재료 또는 반도체 재료로 형성된 이미터와, 중성자 선속에 노출시 이미터에 비해 적은 수의 전자를 발생시키는 콜렉터와, 이미터와 콜렉터 사이의 절연체를 포함한다. 바람직하게, 절연체의 전기적 특성은 연장된 기간 동안 강력한 방사선장에 노출시 거의 변하지 않게 유지된다. 당업자들은 이해할 것이지만, 중성자 선속은 각각의 중성자 검출기의 주어진 면적상을 시간 당 통과하는 중성자의 수의 척도이다. 가장 바람직하게, 이미터 재료는 로듐 또는 바나듐이고, 기준 검출기로 사용되는 각각의 로듐 자기 출력형 중성자 검출기는 통상 본 발명에서 보상되는 바나듐 자기 출력형 중성자 검출기와 쌍을 이룬다.
바람직하게, 이미터 내의 로듐과 바나듐의 순도는 매우 높아서 가장 바람직하게는 99%를 초과한다. 유용한 절연 재료들이 당업계에 알려져 있는데, 바람직하게는 10 GΩ(100억 Ω)보다 큰 저항을 가진다. 알루미늄 산화물이 특히 유용하고 효과적인 것으로 판명된 바 있다. 전술한 바와 같이, 공지된 콜렉터 재료는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 니켈, 스테인레스 강, 니켈-크롬 합금 및 지르코늄-알루미늄 합금을 포함한다. 바람직하게, 콜렉터 재료는 Special Metals Corporation으로부터 입수 가능한 INCONEL®600과 같은 니켈계 재료이다. INCONEL®600은 72% 니켓, 14-17% 크롬, 6.0-10% 철, 1% 망간, 0.5% 구리, 0.5% 실리콘, 0.15% 탄소, 0.015% 황을 포함하는 합금이다. 바람직하게, 검출기 조립체의 다발(bundle) 구성을 유지하도록 스페이서로서 동작하고 검출기를 축방향으로 위치시키도록 검출기 조립체 내에 배치된 충전 와이어와, 검출기 신호를 이미터로부터 데이터 획득 시스템으로 전달하도록 이미터에 연결된 리드 와이어는 바람직하게는 INCONEL®600과 같은 니켈계 합금인 콜렉터와 동일한 재료로 형성된다.
통상, 본 발명에 사용되는 로듐 검출기는 바람직하게는 0.062 인치인 0.054-0.062 인치의 외경과, 이미터와 콜렉터의 내부면 사이의 거리인 0.012 인치의 절연 두께와, 0.018 인치의 로듐 이미터 직경을 가지며, 전체 직경 중 나머지는 콜렉터의 두께이다. 리드 와이어의 직경은 약 0.009 인치이다. 통상의 바나듐 검출기는 약 0.0560-약 0.0824 인치의 외경과, 0.0384 인치인 것이 바람직한 0.0200-0.0384 인치의 바나듐 이미터 직을 가지며, 절연 두께, 콜렉터의 두께 및 리드 와이어 직경은 로듐 검출기의 경우와 거의 동일하다. 로듐 및 바나듐 검출기 양자에 대한 콜렉터의 두께는 통상 약 0.006-약0.010 인치이다. 바람직하게, 로듐과 바나듐 검출기 사이의 거리는 약 0.15-0.30 인치이고, 통상적으로 검출기를 내장하기 위한 연료 집합체의 가이드 튜브와 계측 튜브의 크기와 사용되는 검출기의 갯수에 따라 결정된다.
본 발명은 로듐/바나듐 쌍에 관해 개시하고 있지만, 본 발명은 이러한 로듐/바나듐 쌍에 제한되지 않는다. 대신, 본 발명은 중성자 반응 검출기들과 검출기 쌍의 수명 연장을 위해 이러한 중성자 반응 검출기들의 상호 보상에 관한 것이다. 바람직하게, 중성자 반응 검출기는 자기 출력형 중성자 검출기이다. 따라서, 본 발명은 보호 시스템에 사용되는 검출기 쌍과 같이 중성자 반응 검출기와 감마 반응 검출기를 포함하고 검출기의 쌍 중 하나의 검출기를 보상하는 종래 기술의 시스템과는 기본적으로 상이하다.
유용한 중성자 반응 검출기의 경우, 로듐과 바나듐이 가장 바람직한데, 이는 신호의 크기, 검출기의 예상 수명, 이미터 반응의 단순성 및 순도를 포함하는 이러한 검출기의 바람직한 특성에 기인한다. 또한, 현재, 로듐은 감손 특성의 상세한 지식을 구할 수 있는 유일한 이미터 재료이다. 그러나, 당업자들이 인식하는 바와 같이, 감손 특성의 상세 지식은 다른 이미터 재료에 대해 구해질 것이므로, 본 발명은 로듐과 바나듐 이외의 이미터 재료를 사용하는 검출기에 적용될 수 있다.
제1 및 제2 자기 출력형 로내 중성자 검출기는 원자로 노심 내에 장기간 사용되도록 쌍으로 되어 있다. 여기에 사용되는 "장기간 사용"이란 용어는 원자로 노심 내의 자기 출력형 로내 중성자 검출기의 위치의 함수이다. 자기 중성자 검출기의 수명은 주로 중성자 검출기의 총 방사 노출인 여러 인자의 함수이다. 결국, 중성자 검출기의 수명은 중성자 검출기의 노심 내 위치 및 축방향 위치에 따라 크게 다를 수 있다. 따라서, 노심 중 비교적 높은 중성자 선속 섹션 내에 위치된 자기 출력형 중성자 검출기는 단 일 주기의 원자로 주기의 수명을 가질 수 있다. 이에 비해, 노심 중 비교적 낮은 중성자 선속 섹션 내에 위치된 자기 출력형 중성자 검출기는 다중 원자로 주기의 수명을 가질 수 있다. 따라서, 노심 중 비교적 높은 중성자 선속 섹션에 노출된 검출기의 경우, 검출기의 "장기간 사용"은 추가의 단일 원자로 주기의 길이일 수 있지만, 비교적 낮은 중성자 선속에 노출시 여러 개의 추가의 원자로 주기의 길이일 수 있다. 당업자들은 중성자 선속이 원자로 노심 내에서 위치에 따라 어떻게 변하는지를 이해할 것이다. 바람직하게, 본 발명의 방법에 따르면, 중성자 검출기의 쌍의 장기간 사용은 다중 원자로 주기를 넘어선다.
바람직하게, 원자로 노심 내의 핵연료 집합체 내에 적어도 하나의 검출기 쌍이 배치된다. 제2 또는 기준 검출기의 이미터는 제1 또는 피보상 검출기의 이미터보다 중성자 포획을 위한 단면적이 크다. 그러므로, 이미터 재료의 감손 전에 기준 검출기의 유효 수명은 피보정 검출기의 유효 수명보다 상당히 낮다. 추가로, 기준 검출기의 초기 중성자 감손 응답은 피보정 검출기의 초기 중성자 감손 신호보다 상당히 크다. 그러나, 피보정 검출기의 수명이 길어짐에 따라, 피보상 검출기의 낮은 중성자 감손 응답은 결국 피보상 검출기의 중성자 선속에 대한 응답이 기준 검출기의 경우보다 크게 되도록 기준 검출기의 경우보다 더 점진적으로 변한다.
바람직하게, 기준 검출기의 이미터 재료는 로듐을 포함하고, 피보상 검출기의 이미터 재료는 바나듐을 포함한다. 그러나, 피보상 검출기의 유효 수명이 기준 검출기의 유효 수명보다 연장되도록, 쌍으로 된 검출기의 상이한 이미터 재료들의 중성자 포획 단면적이 크게 차이가 있으면 자기 출력형 중성자 검출기의 어떤 조합도 본 발명에 사용될 수 있다. 로듐은 기준 검출기의 이미터용 재료로서 바람직한데, 이는 이미터 번 업 특성이 로듐에 대해 잘 알려져 있기 때문이다. 바나듐은 피보상 검출기의 이미터용 재료로서 바람직한데, 이는 바나듐에 의한 중성자 포획과 바나듐의 핵변환이 이미터 재료의 감손을 매우 느리게 하기 때문이다.
각각의 쌍의 가준 검출기에 대한 중성자 선속 응답은 이미터 재료가 핵변환됨에 따라 감소되므로, 해당 검출기에 대한 중성자 선속 응답은 덜 신뢰적이 될 것이다. 그러나, 기준 검출기의 감도가 예컨대, 로듐 검출기의 경우 약 68%-약 80% 정도로 크게 감소될 때까지, 제2 검출기는 잘 보상될 것이다. 그러므로, 피보상 검출기는 더 많이 감손된 기준 검출기를 보상하는데 사용될 수 있어서 양방향 보상을 제공한다.
다른 중성자-반응 검출기에 의한 중성자-반응 검출기의 보상은 오직 사용량과 그에 따른 검출기의 이미터 감손량에 따라 결정되며, 비교적 간단하다. 보상 과정은 원자로의 운전 중에 거의 연속적으로, 즉 순간순간 수행되며, 보상을 위해 검출기에 대한 중성자 선속의 효과의 정확한 히스토리를 제공한다.
자기 출력형 중성자 검출기는 다음과 같이 보상되는 것이 바람직하다:
자기 출력형 중성자 검출기로부터의 신호는 증폭기와 미국 특허 제3,375,370호에 개시된 것과 같은 당업계에 널리 공지된 종류의 신호 포착 회로를 사용하여 증폭 및 측정된다. 바람직하게, 감마 방사에 의해 생성되는 배경 신호는 전치 증폭기 시스템을 사용하여 제거한다. 다시 말해, 이러한 전치 증폭기는 당업자에게 잘 알려진 것이다. 바람직하게는 배경 제거된 측정된 로듐 검출기로부터의 신호는 우선, 로듐에 대해 알려진 감손-보상 상관 관계를 이용하여 등가의 새로운 로듐 검출기에 대해 얻어질 수 있는 신호에 대응하는 신호로 변환된다. 소모되는 전하, 즉 이미터 재료의 응답으로부터 나온 쿨롱 당위의 시간-통합된 측정 신호, 및 재료 감손에 대한 로듐 자기 출력형 중성자 검출기의 감도 변화의 도면이 도 8 및 도 9에 각각 예시된다. 당업자들은 이해할 것이지만, 도 8 및 도 9에 그려진 감도 값은 검출기에 대해 측정된 초기 응답 신호에 의해 나눠진 검출기로부터의 측정된 응답 신호에 대응하는 단위 없는 비율이다. 유사하게, 도 9에 그려진 재료 감손 값은 검출기 내의 초기 이미터 재료의 양에 의해 나눠진 중성자 포획 후 변환된 이미터 재료의 양에 대응하는 단위 없는 비율이다.
이후 감손-보상 신호는 중성자 코드 시스템으로 생성된 변환 인자를 기초로 출력으로 변환된다. 현재, 이러한 목적의 중성자 시스템 대부분은 예컨대 ARCADIA 코드 시스템과 같이 AREVA NP로부터 입수 가능하고 2007년 샌프란시스코 국제 LWR 핵연료 성능 미팅에서 논의된 3차원(3D)의 노심 코드 및 2차원(2D)의 스펙트럼 코드를 포함한다. 3D 노심 코드는 노드에 의한 관심 대상의 실제 전체 노심(real full core)을 시뮬레이션하는데, 각각의 노드는 반경 방향으로 통상 25% 또는 100%이고 축방향으로 약 3-10 인치인 수 인치의 핵연료 집합체의 부분을 나타낸다. 이러한 3D 노심 코드에서 각각의 노드의 요구되는 특성은 2D 스펙트럼 코드와 기본 물리학에 의한 무한 격자 모델과 관심 대상의 노드를 포함하는 핵연료 집합체의 반경 방향 슬라이스에 대한 기계적 데이터를 사용하여 생성된다.
바람직한 보상 과정에서, 역시 배경 제거된 측정된 바나듐 검출기로부터의 신호는 동일한 방식으로 처리된다. 그러나, 바나듐 검출기의 경우, 감손-보상 상관 관계는 아직 알지 못한다. 보상 과정의 시작시, 바나듐 검출기 감도와 바나듐 소모 전하 사이의 감손-보상 상관 관계에 대해, 유효한 총 전하의 추정량에 의해 세팅된 기울기의 초기 추정으로, 통상 선형 관계가 가정된다. 유효한 총 전하 추정량은 새로운 바나듐 검출기의 예상 반응 속도와 새로운 바나듐 검출기로부터의 측정 신호를 사용하여 얻어진다. 이후 얻어지는 출력은 로듐 검출기로부터의 측정 신호에 의해 생성되는 출력과 비교된다. 이후 이러한 비교는 바나듐 및 로듐 검출기에 의해 측정된 신호로부터 변환되는 결과 출력을 매칭하기 위해 반복 처리로써 가정된 기울기를 조정하는데 사용된다.
시간에 따라, 예컨대 운전의 일 주기 또는 이 주기에 따라 데이터를 축적한 후에는, 바나듐 검출기에 대한 감손-보상 상관 관계의 함수 형태가 바람직하게는 선형 형태로부터 로듐 검출기에 대한 감손-보상 상관 관계의 형태와 유사한 지수 함수 형태로 변화되며, 이로써 해당 형태는 검출기의 물리적 거동을 기초로 이론적으로 더 정확하다. 여러 추가 주기에 걸친 이러한 조정을 계속하는 것에 의해 로듐 검출기의 수명의 종료 시점에 도달하기 전에 바람직한 지수 함수적 형태로써 바나듐 검출기에 대해 상당히 정확한 감손-보상 상관 관계가 얻어진다.
중성자 선속에 노출되는 것으로부터 얻어지는 이미터의 동위원소수 밀도 변화의 척도를 제공하는 것 이외에, 검출기에 대한 중성자 선속의 영향의 정확한 히스토리는 중성자 선속에 대한 노출에 기인하여 검출기 응답 변화가 시간에 따라 어떻게 변하는지에 대한 척도를 제공한다. 예를 들면, 바나듐 이미터가 사용되어 소정 시간 동안 소모된 후에는, 바나듐 동위원소수 밀도가 부분적으로 감손되며, 바나듐 검출기 내의 베타 누설 확률(beta escape probability)도 변화된다. 바나듐 이미터가 서서히 감손되도록 바나듐의 중성자 흡수 단면적이 비교적 작으면, 바나듐 이미터에 대한 예상 수명은 로듐 이미터에 비해 크게 연장된다. 바나듐 이미터의 예상 수명에 걸쳐, 검출기의 바나듐 이미터 내의 총 동위원소수 밀도와 해당 밀도의 분포 및 검출기의 절연체 내에 형성된 전위를 포함하는 검출기의 특성은 검출기가 사용될 때 여전히 크게 변할 수 있다. 그러나, 검출기에 대한 중성자 선속의 영향의 정확한 히스토리에 의해, 본 발명의 방법 및 장치는 피보상 검출기가 연장된 기간 동안, 바람직하게는 여러 원자로 주기에 걸쳐 유용한 중성자 관련 신호를 제공할 수 있게 하는 검출기의 보상을 제공한다.
대부분의 종래 기술의 바나듐 자기 출력형 로내 중성자 검출기에 비해, 본 발명에 유용한 바나듐 검출기는 전장이 아니다. 각 검출기 쌍의 바나듐 검출기의 길이는 해당 쌍의 로듐 검출기의 길이와 실질적으로 동일하며, 다시 말하면 통상 약 5-15 인치이지만, 필요에 따라 1 인치보다 크거나 1 인치 미만으로 작을 수 있다. 그러므로, 원자로에 있어서 시간에 따라 변하는 복소 축방향 출력 분포의 공간적 적분만이 특징일 수 있는 단일의 긴 바나듐 검출기의 출력 신호에 관한 미국 특허 제5,251,242호에서 제기된 문제점은 자동적으로 해결되며, 따라서 본 발명에서는 존재하지 않는다.
바람직하게, 본 발명에서, 바람직하게는 각각 로듐 및 바나듐인 기준 검출기와 피보상 검출기 모두는 거의 모든 감마 방사-유도 배경 신호를 제거하는 리드 쌍(twin leads)을 가짐으로써 검출기들은 감마 방사에 의해 영향을 받지 않는 중성자 선속에 대해 응답을 제공한다. 바람직하게, 감마 방사 배경 신호는 전치 증폭기 회로를 사용하여 검출기 신호로부터 제거된다. 대안적으로, 감마 방사 배경 신호는 데이터 획득 시스템에서의 알고리즘을 이용하여 검출기 신호로부터 제거될 수 잇다.
또한, 바나듐 검출기인 것이 바람직한 피보상 검출기는 비록 종래 기술의 전장 검출기보다 상당히 짧지만 최대의 가능한 신호를 제공하도록 가능한 많은 이미터 재료를 제공하는 방식으로 마련된다.
본 발명은 바나듐 검출기와 같은 피보상 검출기의 신호 세기와 수명 간의 관계를 제공하며, 이는 로듐 검출기와 같은 기준 검출기의 신호 세기와 수명 사이의 알려진 관계가 보다 높은 수준의 이미터 소모로 확장될 수 있게 한다. 즉, 제2 검출기 또는 기준 검출기의 출력을 이용하여 일단 제1 검출기 또는 피보상 검출기가 보상되면, 피보상 검출기는 감손된 기준 검출기를 재보상하는데 사용될 수 있으므로 기준 검출기의 유효 수명을 연장할 수 있다. 이것은 양방향 보상을 제공한다. 단지 필요한 것은 기준 검출기가 로듐 자기 출력형 중성자 검출기에 대해 도 8 및 도 9에 예시된 것과 같은 이미터 감손 특성을 알고 있는 것이다.
본 발명에 따른 장치는 도 1에 예시된다. 도 1은 로내 선속 모니터링 시스템(17)이 로내 계측 탱크(11)와 원자로 용기 하부 커버(42)를 통해 원자로 노심(10)에 접근하는 전형적인 원자로 구성을 예시한다. 본 발명은 로내 탱크 대신에 "밀봉 테이블"을 가지고 로내 선속 모니터링 시스템이 원자로 용기 하부 커버(42) 대신에 원자로 용기 상부 커버(41)를 통해 접근하는 다른 종류의 원자로에 사용될 수 있다. 본 발명은 임의의 종류의 원자로에 적용 가능하고, 그 안에서 기능할 것이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 로내 선속 모니터링 시스템(17)은 원자로 운전 중에 고정되고 연속적으로 노심 중성자 선속을 측정한다. 중성자 선속 측정은 노심(10) 내의 선택된 위치에 배치된 검출기 조립체(12)로부터 얻어진다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 검출기 조립체 구성을 예시하는데, 도 4에 도시된 종류의 자기 출력형 중성자 검출기를 여러 쌍 포함한다. 도 3에 예시된 자기 출력형 중성자 검출기(25)의 쌍들은 원자로 노심의 모니터링을 위해 필요한 바와 같이 노심(10) 내의 다른 축방향 높이에서 선속을 측정하기 위해 검출기 조립체(12)에서 다른 축방향 높이에 위치된다. 각각의 검출기 조립체(12)는 핵연료 집합체의 계측 튜브 내로 삽입된다. 도 1에 예시된 바와 같이, 가이드 튜브(14)는 핵연료 집합체(43)의 바닥으로부터 원자로 용기 하부 커버(42)를 통해 연장되고, 로내 계측 탱크(11) 또는 밀봉 테이블에서 종료된다. 도 2에 예시된 바와 같이, 검출기 조립체(12)는 밀봉부를 제공하고 원자로 운전 중 원자로 냉각수의 손실을 방지하도록 적절한 설계의 압력 경계 플랜지(16)를 포함할 것이다. 당업자들은 검출기 조립체의 외경의 경우 검출기 조립체가 가이드 튜브와 계측 튜브 내로 삽입될 수 있도록 형성되어야 함을 이해할 것이다.
도 2 및 도 3에 예시된 검출기 조립체(12)는 도 4에 도시된 검출기로서 도 1에 예시된 노심(10)의 유효 핵연료 높이의 길이를 따라 축방향으로 이격된 다수의 자기 출력형 중성자 검출기(15)를 포함한다. 바람직하게, 도 3에 예시된 바와 같이, 검출기들은 외부 피복(24) 내에 배열된다. 보다 바람직하게, 이들 검출기들은 튜브, 고체 와이어 또는 중심 배치된 열전쌍인 것이 바람직한 중심 부재(23) 주변에 배열된다. 외부 피복(24) 및 중심 부재로서 튜브 또는 고체 와이어의 재료는 콜렉터에 사용 가능한 임의의 재료이고, 바람직하게는 콜렉터의 재료와 같은 재료이다. 예시된 바와 같이, 검출기 조립체(12)는 로듐 검출기(15')와 바나듐 검출기(15")를 포함한다. 각 쌍의 자기 출력형 중성자 검출기(25)의 경우, 로듐 검출기(15')와 바나듐 검출기(15")는 동일한 검출기 조립체(12) 내에 포함되고 동일한 축방향(수직 방향) 높이에 배치됨으로써 자기 출력형 중성자 검출기 쌍(25)을 형성한다. 도 7에 예시된 바와 같이 바나듐 검출기(15")을 동일 쌍의 로듐 검출기(15')로부터 횡방향(가로 방향)으로 멀리 배치하는 것은 동일 쌍의 로듐 검출기의 출력을 이용하여 바나듐 검출기의 정확한 보상을 제공하여 높은 정밀도와 긴 수명이 조합된 검출기를 제공한다. 소정의 실시예에서, 검출기 조립체(12) 내의 검출기의 총 갯수와 검출기 조립체(12)의 크기(직경)을 줄이기 위해, 검출기 조립체(12) 내의 최상위 및 최하위 축방향 위치는 해당 위치에서의 로듐 검출기의 소모가 로듐 검출기의 유효 수명에 도달되지 않도록 해당 축방향 위치에서의 선속이 크게 낮다면 오직 로듐 자기 출력형 중성자 검출기(15')만을 포함할 수 있다.
도 3에 예시된 바와 같이, 검출기 조립체 내에는 검출기 조립체(12)의 외부 피복(24) 내에 (핵연료) 다발 구성을 유지하고 검출기를 축방향으로 배치하도록 스페이서로서 동작하는 충전 와이어(22)가 배치된다. 도 4에 예시된 바와 같이, 도 3에 예시되고 검출기 조립체(12) 내에 배치되는 종류의 자기 출력형 중성자 검출기(15) 내에 이미터(31)가 배치된다. 자기 출력형 중성자 검출기(15)는 검출기 콜렉터(30)로서 기능하는 외부 피복을 구비하여 자기 출력형 중성자 검출기의 중성자 감지 요소, 즉 이미터(31)를 내장한다. 이미터(31)는 로듐 또는 바나듐인 것이 바람직하다. 자기 출력형 중성자 검출기(15)는 이미터(31)에 연결되어 해당 이터(31)로부터 검출기 신호를 전달하는 리드 와이어(21)를 가진다. 자기 출력형 중성자 검출기(15)는 이미터(31)와는 절연되고 배경 감마 방사 신호를 전달하는 리드 와이어(20)도 포함한다. 양자의 리드 와이어(20, 21)는 콜렉터(30) 내에 배치된 알루미늄 산화물과 같은 세라믹 절연체(32)에 의해 둘러싸여 있다. 도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 검출기(15)의 상세를 단면도로 나타낸다.
원자로 내에서 중성자 선속에 노출되면, 중성자는 자기 출력형 중성자 검출기(15', 15")의 이미터(31) 내의 이미터 원자의 원자핵에 의해 흡수됨으로써 원자핵이 핵변형되고 베타 붕괴가 일어난다. 방출된 베타 전자 중 적어도 일부는 콜렉터(30)에 의해 흡수되어 검출기 리드 와이어(21)에 전류를 발생시킨다. 동시에, 배경 감마 방사의 결과로써 통상 리드 와이어(21)에 전류가 발생된다. 바람직하게, 이미터(31)와는 절연된 리드 와이어(20)에 감마 방사 신호가 발생된다. 리드 와이어(21) 내의 신호로부터 리드 와이어(20) 내의 배경 감마 방사 신호를 제거하는 것에 의해, 자기 출력형 중성자 검출기(15', 15")로부터 중성자 선속에 비례하는 신호가 바람직하게 얻어진다.
자기 출력형 중성자 검출기(15', 15")는 임의의 주어진 시간에 실질적으로 동일한 중성자 선속에 노출된다. 따라서, 임의의 주어진 시간에서 자기 출력형 중성자 검출기(15', 15")에 의해 생성된 신호 각각은 중성자 선속에 비례하지만, 기준 및 피보상 검출기의 이미터들의 특성 차이에 기인하여 다른 진폭을 가질 것이다. 기준 및 피보상 검출기에 의해 생성되는 신호 간의 관계가 결정되는 것에 의해 피보상 검출기의 감손 특성이 정해짐으로서 피보상 검출기가 보상될 수 있다.
본 발명은 자기 출력형 중성자 검출기의 쌍(25)에 관해 전술되었다. 그러나, 각각의 검출기 조립체는 통상 적어도 4개의 검출기, 즉 그 중 2개의 검출기는 제1 쌍(25)을 형성하고 나머지 2개의 검출기는 제2 쌍(25)을 형성하는 4개의 검출기를 포함한다. 바람직하게, 검출기 조립체는 12개의 검출기를 포함하는데, 그중 10개의 검출기는 5개 쌍(25)을 형성하고 검출기들 중 2개는 전술한 바와 같이 개별 검출기이다. 보다 바람직하게, 각 쌍의 제1 검출기는 바나듐 이미터를 포함하고, 해당 바나듐 이미터를 보상하는데 사용되는 로듐 이미터를 갖는 제2 검출기와 쌍을 이룬다. 가장 바람직하게, 개별 검출기는 로듐 이미터를 포함한다.

Claims (9)

  1. 원자로 노심 내의 제1 및 제2 자기 출력형 중성자 검출기의 쌍을 장기간 사용하도록 상기 제1 자기 출력형 중성자 검출기를 상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기로 보상하는 방법으로서:
    원자로 내에서 적어도 한 쌍의 자기 출력형 중성자 검출기를 중성자 선속에 노출하는 단계로서,
    상기 쌍의 자기 출력형 중성자 검출기 각각은 동일한 중성자 선속에 비례하는 신호를 생성하고,
    상기 쌍은 제1 자기 출력형 중성자 검출기와 제2 자기 출력형 중성자 검출기를 포함하고,
    상기 쌍의 자기 출력형 중성자 검출기 각각은 이미터와 콜렉터를 포함하고,
    각각의 상기 쌍의 상기 제1 자기 출력형 중성자 검출기의 이미터는 제1 이미터 재료를 포함하고, 각각의 상기 쌍의 상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기의 이미터는 제2 이미터 재료를 포함하며,
    상기 제2 이미터 재료는 상기 제1 이미터 재료의 중성자 흡수 단면적보다 큰 중성자 흡수 단면적을 가지는, 그러한 노출 단계와;
    원자로 노심 내에서 동일한 중성자 선속에 대한 상기 제1 및 제2 자기 출력형 중성자 검출기 각각의 응답을 동시 측정하는 단계와;
    중성자 선속에 응답하여 상기 쌍의 상기 제1 자기 출력형 중성자 검출기에 의해 생성되는 신호를, 주어진 이미터 감손에 대해 상기 제1 이미터 재료의 열적 중성자 감도를 결정하는데 충분한 기간에 걸쳐 중성자 선속에 응답하여 상기 쌍의 상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기에 의해 생성되는 상기 신호로 보상하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 자기 출력형 중성자 검출기의 상기 이미터는 바나듐을 포함하고, 상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기의 상기 이미터는 로듐을 포함하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기 중의 이미터 재료가 감손될 때까지 상기 원자로 노심 내의 중성자 선속을 상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기로 모니터링한 다음, 상기 중성자 선속을 상기 보상된 제1 자기 출력형 중성자 검출기로 모니터링하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 감손된 제2 자기 출력형 중성자 검출기의 응답을 보상된 제1 자기 출력형 중성자 검출기로부터의 응답으로 보상하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 원자로 노심 내의 제1 및 제2 자기 출력형 중성자 검출기의 쌍을 장기간 사용하도록 바나듐 이미터를 갖는 자기 출력형 중성자 검출기를 로듐 이미터를 갖는 상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기로 보상하는 방법으로서:
    원자로 내에서 적어도 한 쌍의 자기 출력형 중성자 검출기를 중성자 선속에 노출하는 단계로서,
    상기 쌍의 자기 출력형 중성자 검출기 각각은 동일한 중성자 선속에 비례하는 신호를 생성하고,
    상기 쌍은 바나듐 이미터를 갖는 제1 자기 출력형 중성자 검출기와 로듐 이미터를 갖는 제2 자기 출력형 중성자 검출기를 포함하는, 그러한 노출 단계와;
    원자로 노심 내에서 동일한 중성자 선속에 대한 상기 제1 및 제2 자기 출력형 중성자 검출기 각각의 응답을 동시 측정하는 단계와;
    중성자 선속에 응답하여 상기 쌍의 상기 제1 자기 출력형 중성자 검출기에 의해 생성되는 신호를, 주어진 바나듐 이미터 감손에 대해 상기 바나듐 이미터의 재료의 열적 중성자 감도를 결정하는데 충분한 기간에 걸쳐 중성자 선속에 응답하여 상기 쌍의 상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기에 의해 생성되는 상기 신호로 보상하여, 보상된 바나듐 검출기를 제공하는 단계
    를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 자기 출력형 중성자 검출기 쌍 중 로듐 자기 출력형 중성자 검출기의 응답을, 상기 자기 출력형 중성자 검출기 쌍 중 보상된 바나듐 자기 출력형 중성자 검출기로부터의 응답으로 보상하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 운전 중인 원자로 내의 핵 중성자 선속 밀도를 검출 및 측정하는 장치로서,
    상기 장치는 적어도 한 쌍의 자기 출력형 중성자 검출기를 포함하며, 각각의 상기 자기 출력형 중성자 검출기는 중성자 선속에 노출시 중성자 선속에 비례하는 신호를 생성하고;
    상기 쌍은 제1 자기 출력형 중성자 검출기와 제2 자기 출력형 중성자 검출기를 포함하고;
    상기 쌍의 상기 제1 및 제2 자기 출력형 중성자 검출기 각각은 이미터와 콜렉터를 포함하고;
    각각의 쌍의 상기 제1 자기 출력형 중성자 검출기의 이미터는 제1 이미터 재료를 포함하고, 각각의 쌍의 상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기의 이미터는 제2 이미터 재료를 포함하며,
    상기 제2 이미터 재료는 상기 제1 이미터 재료의 중성자 흡수 단면적보다 큰 중성자 흡수 단면적을 가지며;
    상기 쌍의 양자의 검출기는 쌍으로 된 제1 및 제2 자기 출력형 중성자 검출기가 동일한 중성자 선속장에 노출되도록 원자로 내에 배치되며;
    상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기는 중성자 선속에 노출시 상기 쌍의 상기 제1 자기 출력형 중성자 검출기에 대한 보상 신호를 제공하고,
    중성자 선속에 응답하여 상기 쌍의 상기 제1 자기 출력형 중성자 검출기에 의해 생성되는 신호를, 주어진 이미터 감손에 대해 상기 제1 이미터 재료의 열적 중성자 감도를 결정하는데 충분한 기간에 걸쳐 중성자 선속에 응답하여 상기 쌍의 상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기에 의해 생성되는 상기 신호로 보상하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 이미터 재료는 바나듐이고, 상기 제2 이미터 재료는 로듐인 장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기 중의 이미터 재료가 감손될 때까지 상기 원자로 노심 내의 중성자 선속을 상기 제2 자기 출력형 중성자 검출기로 모니터링한 다음, 상기 중성자 선속을 상기 보상된 제1 자기 출력형 중성자 검출기로 모니터링하는 단계를 더 포함하는 방법.
KR1020137012348A 2010-10-14 2011-09-20 자기 보상식의 고정밀 고수명의 듀얼 로듐 바나듐 이미터 로내 핵 검출기 KR101843603B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/904,362 2010-10-14
US12/904,362 US8445839B2 (en) 2010-10-14 2010-10-14 Self-calibrating, highly accurate, long-lived, dual rhodium vanadium emitter nuclear in-core detector
PCT/US2011/052348 WO2012050762A1 (en) 2010-10-14 2011-09-20 Self-calibrating, highly accurate, long-lived, dual rhodium vanadium emitter nuclear in-core detector

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130140000A KR20130140000A (ko) 2013-12-23
KR101843603B1 true KR101843603B1 (ko) 2018-05-14

Family

ID=45933318

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137012348A KR101843603B1 (ko) 2010-10-14 2011-09-20 자기 보상식의 고정밀 고수명의 듀얼 로듐 바나듐 이미터 로내 핵 검출기

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8445839B2 (ko)
EP (1) EP2628022B1 (ko)
JP (1) JP6012610B2 (ko)
KR (1) KR101843603B1 (ko)
CN (1) CN103314309B (ko)
HU (1) HUE041562T2 (ko)
TR (1) TR201902049T4 (ko)
WO (1) WO2012050762A1 (ko)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2811485C (en) 2010-09-17 2020-04-14 Atomic Energy Of Canada Limited Reactor shutdown trip algorithm
US8767903B2 (en) * 2011-01-07 2014-07-01 Westinghouse Electric Company Llc Wireless in-core neutron monitor
US8681920B2 (en) * 2011-01-07 2014-03-25 Westinghouse Electric Company Llc Self-powered wireless in-core detector
CN103871526B (zh) * 2012-12-14 2016-12-21 中国核动力研究设计院 一种用于反应堆堆芯中子通量和温度的探测装置
KR101443363B1 (ko) 2013-12-27 2014-09-29 유저스(주) 실드 튜브를 이용한 노내핵계측기
CN103943158B (zh) * 2013-12-31 2016-06-29 西安交通大学 一种消除自给能中子探测器延迟效应的方法
CN104882176A (zh) * 2015-04-09 2015-09-02 中国核动力研究设计院 基于Luenberger形式H∞滤波的铑自给能探测器信号延迟消除方法
CN104900279A (zh) * 2015-04-09 2015-09-09 中国核动力研究设计院 基于Luenberger形式H2/H∞混合滤波的铑探测器信号延迟消除方法
US20170140842A1 (en) 2015-11-12 2017-05-18 Westinghouse Electric Company Llc Subcritical Reactivity Monitor Utilizing Prompt Self-Powered Incore Detectors
CN106782688B (zh) * 2015-11-20 2024-01-05 国家电投集团科学技术研究院有限公司 装载157盒燃料组件的堆芯的探测器布置方法
CN107170497B (zh) * 2017-05-10 2019-03-12 中国原子能科学研究院 一种大型池式钠冷快堆中子探测方法
US11227697B2 (en) * 2018-10-29 2022-01-18 Framatome Inc. Self-powered in-core detector arrangement for measuring flux in a nuclear reactor core
US10838087B2 (en) * 2018-12-20 2020-11-17 Westinghouse Electric Company Llc Method and apparatus for real-time measurement of fissile content within chemical and material handling processes
WO2020146183A1 (en) * 2019-01-08 2020-07-16 Westinghouse Electric Company Llc Temperature measurement sensor using material with a temperature dependent neutron capture cross section
US11361869B2 (en) 2019-08-13 2022-06-14 Westinghouse Electric Company Llc System and method enabling signals from replacement self-powered neutron detectors to be used to generate inputs to legacy software
JP7412635B2 (ja) * 2021-04-07 2024-01-12 三菱電機株式会社 中性子束計測装置
CN116543939B (zh) * 2023-05-10 2024-04-26 兰州大学 一种中子能谱测量装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4103161A (en) 1976-07-15 1978-07-25 The Babcock & Wilcox Company Composite transducer
KR100301297B1 (ko) * 1992-06-22 2001-10-22 드폴 루이스 에이 노심내고정형검출기및원자로내의출력분포결정방법
US20060165209A1 (en) 2005-01-27 2006-07-27 Cheng Alexander Y Neutron detector assembly with variable length rhodium emitters

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3375370A (en) 1965-12-28 1968-03-26 Ca Atomic Energy Ltd Self-powered neutron detector
US3760183A (en) * 1972-06-08 1973-09-18 Gen Electric Neutron detector system
GB1405825A (en) 1972-08-09 1975-09-10 Siemens Ag Neutron detector
US3879612A (en) 1973-08-24 1975-04-22 Combustion Eng Multi-sensor radiation detector system
US4197463A (en) 1978-05-25 1980-04-08 Westinghouse Electric Corp. Compensated self-powered neutron detector
CA1084176A (en) * 1979-08-13 1980-08-19 Her Majesty In Right Of Canada As Represented By Atomic Energy Of Canada Limited Self-powered neutron flux detector assembly
JPS5723877A (en) * 1980-07-18 1982-02-08 Hitachi Ltd Detection of neutron
US4426352A (en) * 1980-11-14 1984-01-17 The Babcock & Wilcox Company Composite detector
US4637913A (en) * 1983-07-05 1987-01-20 Scandpower, Inc. Device for measuring the power in a nuclear reactor
US4637910A (en) * 1984-01-20 1987-01-20 Westinghouse Electric Corp. Method and apparatus for continuous on-line synthesis of power distribution in a nuclear reactor core
US5745538A (en) 1995-10-05 1998-04-28 Westinghouse Electric Corporation Self-powered fixed incore detector
US6061412A (en) * 1995-10-05 2000-05-09 Westinghouse Electric Company Llc Nuclear reaction protection system
US20060023828A1 (en) * 2004-07-29 2006-02-02 Mcgregor Douglas S Micro neutron detectors

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4103161A (en) 1976-07-15 1978-07-25 The Babcock & Wilcox Company Composite transducer
KR100301297B1 (ko) * 1992-06-22 2001-10-22 드폴 루이스 에이 노심내고정형검출기및원자로내의출력분포결정방법
US20060165209A1 (en) 2005-01-27 2006-07-27 Cheng Alexander Y Neutron detector assembly with variable length rhodium emitters

Also Published As

Publication number Publication date
JP6012610B2 (ja) 2016-10-25
CN103314309B (zh) 2015-11-25
HUE041562T2 (hu) 2019-05-28
CN103314309A (zh) 2013-09-18
EP2628022A4 (en) 2017-11-01
WO2012050762A1 (en) 2012-04-19
TR201902049T4 (tr) 2019-03-21
EP2628022A1 (en) 2013-08-21
US8445839B2 (en) 2013-05-21
EP2628022B1 (en) 2018-11-14
JP2014500480A (ja) 2014-01-09
US20120091327A1 (en) 2012-04-19
KR20130140000A (ko) 2013-12-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101843603B1 (ko) 자기 보상식의 고정밀 고수명의 듀얼 로듐 바나듐 이미터 로내 핵 검출기
JP6334704B2 (ja) 電離箱放射線検出器
JPH0659045A (ja) 固定式炉内検出器装置
Todt Characteristics of self-powered neutron detectors used in power reactors
KR101484000B1 (ko) 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체
US4614635A (en) Fission-couple neutron sensor
EP2992532B1 (en) Self-powered nuclear detector
EP1842205B1 (en) Neutron detector assembly with variable length rhodium emitters
KR20230004587A (ko) 축방향 및 반경방향 고밀도 센서와 향상된 분열 감마 측정 감도로 구성된 sic 쇼트키 다이오드를 사용하는 고정형 인-코어 검출기 설계
Banda et al. Dynamic compensation of rhodium self powered neutron detectors
Böck Miniature detectors for reactor incore neutron flux monitoring
US11841469B2 (en) Devices, systems, and methods for detecting radiation with Schottky diodes for enhanced in-core measurements
Vermeeren et al. Irradiation tests of prototype self-powered gamma and neutron detectors
US20200219630A1 (en) Temperature measurement sensor using material with a temperature dependent neutron capture cross section
Kleiss et al. A twin self-powered neutron detector for steam velocity determination in a boiling water reactor
KR101445557B1 (ko) 노심감시 및 노심보호용 하이브리드 노내계측기 집합체
US11714009B2 (en) Ultrasonic sensors and methods of using the ultrasonic sensors
Palmer et al. Conceptual Design Report for the I2 Instrumentation Experiment in ATRC
Strindehag Self-powered neutron and gamma detectors for in-core measurements
JPS6138830B2 (ko)
Loving Neutron, temperature and gamma sensors for pressurized water reactors
Cha Long-lived Hybrid Incore Detector for Core Monitoring and Protection
JP2023549609A (ja) 放射性同位元素の放射能監視装置、システム、及び方法
Thacker In-Core Flux/Power Distribution Detectors: A Comparison of Types
Versluis CE in-core instrumentation-functions and performance

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant