NL9201614A - Turbine-meter voor nucleaire koelmiddelstroom. - Google Patents

Description

TURBINE-HETER VOOR EEN NUCLEAIRE KOELMIDDELSTROOM

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op het meten van het vloeistofdebiet in bijv. een kokend-waterreactor, en meer in het bijzonder op een vloeistofstroom-meter waarbij een turbine-rotor wordt gebruikt en op een daarmee uitgeruste kernreactor. Een belangrijk doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een meer geschikte meting van een koelmiddelstroom in een reactorvat van een kernreactor.

Kernreactoren genereren warmte door splijting van radioactieve elementen zoals uraniumisotopen (U-233, U-235) en plutoniumisotopen (Pu-239, Pu-241), die zijn opgenomen in brandstofelementen in de reactorkern. In kokend-waterreactoren (BWRs) wordt deze warmte gebruikt om water van vloeistof in stoom om te zetten. De stoom wordt naar een stoomturbine geleid, die een generator kan aandrijven voor het opwekken van elektriciteit. Het niet in stoom omgezette water wordt door de kern gerecirculeerd. Een dergelijke kernreactor is niet uitgerust met middelen voor het opwekken van een geforceerde waterstroom door de kern.

Het uitgangsvermogen van de reactor moet variëren om te voldoen aan variërende belastingen. Als het reactorvermogen toeneemt, is een grotere koelmiddelstroom vereist. Bij een onvoldoende koelmiddelstroom kunnen de brandstofelementen beschadigen, omdat ze een isolerende laag stoom rond de brandstofstaven in de bundel kan vormen. De isolerende laag doet afbreuk aan de warmteoverdracht en veroorzaakt een toename van de temperatuur in de brandstofstaaf. De hoge temperatuur en de stoomlaag veroorzaken een snelle oxidatie van de bekleding van de brandstofstaven. Als gevolg van de oxidatie wordt de bekleding bros en kan breuk vertonen. Een daaruit voortvloeiende breuk van de bekleding stelt splijtstof bloot aan het koelmiddel. De brandstof kan dan door uitlogen in het koelmiddel geraken, dat op zijn beurt in de brandstofstaaf kan binnendringen en de brandstof verder eroderen. De gevolgen kunnen zijn het verlies van brandstof en een toegenomen verontreiniging van reactorcomponenten met radioactieve brandstof.

Om een dergelijk brandstofverlies en vervuiling te voorkomen, moet het debiet van het koelmiddel bij de brandstofelementen worden gevolgd, opdat de juiste maatregelen kunnen worden genomen wanneer de stroming van het koelmiddel te laag wordt. Een werkwijze voor het volgen van de stroming van het koelmiddel is het meten van de drukval over een onderste roosterplaat van de kern. De gemeten drukval kan dan worden omgerekend naar een stromingsdebiet. In reactoren met een lage drukval, zoals kokend-waterreactoren met natuurlijke circulatie (NCBWRs) is de nauwkeurigheid van de drukval-methode voor het volgen van het debiet van het koelmiddel echter beperkt. Kokend-waterreactoren met natuurlijke circulatie, die voor de circulatie van koelmiddel berusten op convectie in plaats van op pompen, bieden significante voordelen op het gebied van reactor-economie, betrouwbaarheid en veiligheid.

Een andere methode voor het volgen van het debiet van koelmiddel is het gebruiken van elektro-magnetische pulsen.

In de inlaat van een brandstofelement wordt een metalen turbine-rotor aangebracht. Het vloeibare water dat door de inlaat stroomt, laat de rotor draaien. De rotatie van de rotor wekt magnetische pulsen op. Een elektrisch geleidende spoel in de nabijheid van de rotor zet de magnetische pulsen om in elektrische pulsen. De snelheid waarmee de pulsen worden opgewekt komt overeen met de rotatiesnelheid van de turbine. Het stromingsdebiet van het koelmiddel kan worden berekend uit de rotatiesnelheid van de turbine.

De spoel moet daartoe worden geplaatst binnen een paar millimeter van de turbine-rotor teneinde een puls te ontvangen die sterk genoeg is om de puls-generatiesnelheid te kunnen bepalen. Vanwege de dichte nabijheid van de spoel moet deze binnen het brandstofelement zelf worden geplaatst. Signaalleidingen die de elektrische pulsen van de spoel naar een controlekamer leiden moeten dan worden bevestigd aan de brandstofelementen. De leidingen maken de elementen moeilijk hanteerbaar, wat het opnieuw inbrengen van brandstof bemoeilijkt. De leidingen die zich vanuit de elementen uitstrekken zijn gevoelig voor beschadiging en raken gemakkelijk in de war, wat lastig kan zijn. Om deze redenen zijn turbine-stromingsmeters beperkt gebleven tot experimentele bundels zijn deze niet routinematig gebruikt.

Waar behoefte aan bestaat is een verbeterd systeem voor het meten van de stroming van koelmiddel door brandstofstaven in NCBWRs en andere reactoren met een beperkte drukval. Bij voorkeur moet een dergelijk systeem niet interfereren met het vervangen van brandstofelementen. Daarenboven moet het systeem betrekkelijk ongevoelig voor beschadigingen zijn.

De uitvinding is gebaseerd op de ontdekking, dat nabij en met name vlak onder de kern de grootte orde van het neutronen- en/of gamma-stralingsveld tijdens bedrijf toch zodanig enger is, dat met een turbine-samenstel een voldoend grootte stralingsveldmodulatie kan worden verkregen om een nauwkeurige stromingmeting te doen.

Overeenkomstig de onderhavige uitvinding detecteert een stralingsdetector modulaties in een stralingsveld, die voortkomen uit de door een vloeistofstroming geïnduceerde rotatie van een turbine-rotor. De turbine-rotor kan een ruimtelijk inhomogene verdeling van kern-actief materiaal omvatten, dat neutronen absorbeert en/of radioactieve straling genereert na neutronen activering.

Een kernreactor volgens de uitvinding omvat een reactorvat met daarin opgenomen een kern die omvat splijtbaar materiaal bevattende brandstofelementen en regelstaven, en die is gedompeld in water, een waterinlaat, en een stoomuitlaat, en een nabij de kern opgestelde meetinrichting voor het meten van de waterstroom in de kern, welke meetinrichting omvat een turbine-samenstel met een roteerbaar in een huis gelagerde rotor die ten minste één stralingsveld modulerend materiaal bevat, ten minste één stralingsdetector voor het omzetten van de stralingsveldmodulatie in een detectorsignaalmodulatie, en een met de stralingsdetector gekoppelde omvormer voor het omvormen van het detectorsignaal in een met de waterstroom corresponderende waarde.

De turbine-rotor kan worden geplaatst bij de inlaat van het koelmiddel van en brandstofelement, alwaar de stroming van het koelmiddel de rotor in rotatie brengt. Het kern-actieve materiaal is bij voorkeur langs slechts een deel van de omtrek van de turbine-rotor aangebracht, zodat rotatie van de rotor een regelmatige modulatie van het stralingsveld veroorzaakt. De modulaties kunnen op verscheidene centimeters afstand worden gedetecteerd, waardoor de kernstralingsdetector buiten het brandstofelement kan worden geplaatst. Een omvormer, zoals een frequentie-analysator, vertaalt het uitgangssignaal van de detector in een flux-oscillatiesnelheid die correspondeert met de omwentelings-snelheid van de rotor. De omwentelingssnelheid van de rotor levert het koelmiddeldebiet.

In het kader van deze aanvrage omvat de aanduiding "kem-actief" zowel materialen die kernstraling absorberen, als materialen die dergelijke straling uitzenden, voor zover de absorptie of de emissie een detecteerbare modulatie in het gedetecteerde stralingsveld bewerkstelligt.

Emitterend kernmateriaal kan zodanig worden gekozen, dat het in de kern radioactief gemaakt zal worden door de vangst van thermische neutronen die worden geproduceerd door de werking van de reactor zelf, of het emitterend kernmateriaal kan radioactief worden gemaakt voorafgaande aan installatie in de reactor. Door een materiaal te kiezen dat radioactief wordt bij neutronenvangst in de reactorkern kan de gebruiker het voor zijn doeleinden geschikte moment van activering kiezen. Met de keuzen van een bronmateriaal dat direct na neutronvangst gammastralen uitzendt, die prompte gammastralen worden genoemd, verzekert men zich ervan dat de emissie van straling zal plaatsvinden bij blootstellen van de kern aan thermische neutronen. Als alternatief kan ook een bronmateriaal worden gekozen, dat na neutronvangst vertraagde gammastralen uitzendt, als een vertraagde activering in de kern aanvaardbaar is. Materialen met een relatief hoge werkzame doorsnede voor neutronvangst moeten worden gebruikt om de produktie van voldoende gammastralen voor detectie zeker te stellen.

Een kernmateriaal met vertraagde emissie kan ook vooraf worden geactiveerd door gebruikmaking van een andere reactor of een deeltjesversneller voorafgaande aan de installatie in de reactorkern. Met deze werkwijze verzekert men zich van een bronstraling geschikt is voor onmiddellijke detectie na opname in de reactor.

Als alternatief kan een kern-actief materiaal dat neutronen absorbeert, worden gekozen. Een in de rotor ingebedde sterke neutronen-absorber kan het lokale neutronveld nabij de turbine verlagen, hetgeen modulaties in het neutronveld veroorzaakt wanneer de rotor roteert. Een neutrongevoelige detector kan de modulaties detecteren. De omwentelingssnelheid van de turbine en dus het debiet van het koelmiddel kunnen worden berekend uit de modulatie van het neutronveld.

Als neutronen absorberend materiaal kan 113-Cd en/of 176-180-Hf worden gebruikt vanwege de hoge thermische neutronenabsorptie-coëfficiënt, wanneer de kernreactor op 50-100% van zijn vermogen draait.

Als door neutronen activering gamma-straling emitterend materiaal kan worden gebruikt 110-Ag wanneer de kernreactor op 50-100% van zijn vermogen draait of 45-Sc en/of 59-Co wanneer de kernreactor op laagvermogen draait of stilligt.

Deze materialen hebben gunstige neutronen-activeringseigenschappen en optimale gamma-vervalschema's.

Het turbine-samenstel kan de verschillende typen stralingsveld modulerende materialen gelijktijdig bevatten, bijvoorbeeld als een composiet-materiaal, zoals cadmium/indium/zilver eventueel bedekt met een laag nikkel.

De penetratie van gamma- en neutronvelden kan veel groter zijn dan die van de magnetische velden, die overeenkomstig de stand van de techniek door de beweging van de rotor worden gegenereerd. Dientengevolge kan de stralings-detector op een grotere ruimtelijke afstand van het turbine-samenstel worden geplaatst dan detectoren voor het magnetische veld. Onder praktijk-omstandigheden kan de detector op centimeters afstand van de stralingsbron worden geplaatst, in tegenstelling tot de millimeters die worden vereist door de met een magnetisch veld werkende stromingsmeter. Het grotere bereik van de detector maakt het mogelijk, dat de detector buiten de brandstofelementen wordt geplaatst; deze kan worden geplaatst in de door de kern heen en weer stekende meetkop, samenstel van instrumenten dat al in veel reactorkernen is opgenomen.

Hoewel het gebruik van radioactieve straling om de stroming van een koelmiddel te meten in sommige omgevingen problemen kan opwerpen, zijn deze nadelen minimaal in een reactorkern. Aldus verschaft de onderhavige uitvinding een stromingsmeter voor koelmedium die geschikt is om te werken in een omgeving met een lage drukval zoals in een NCBWR. Verder maakt de stromingsmeter gebruik van detectie op voldoende afstand, zodat geen aansluitingen vanaf de brandstofelementen zijn vereist. Aldus kunnen de brandstofelementen worden verwisseld zonder de leidingen van de stromingsmeter te manipuleren of te beschadigen. Deze en andere aspecten en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen in de navolgende beschrijving worden verduidelijkt onder verwijzing naar de tekeningen.

Figuur 1 is een schematische doorsnede van een reactor met een inlaatsamenstel voor brandstofelementen met een stromingsmeter overeenkomstig de onderhavige uitvinding.

Figuur 2 is een blokdiagram van het systeem van de uitvinding zoals dat wordt toegepast in de reactor van figuur 1.

Figuur 3 is een vergroot detailaanzicht van een brandstofelement- inlaat van de reactor uit figuur 1, waarbij meer in het bijzonder een uitvoeringsvoorbeeld van de stromingsmeter volgens de onderhavige uitvinding wordt geïllustreerd.

Figuur 4A is een schematische voorstelling van een rotor van een stromingsmeter die wordt geplaatst in een brandstofelement-inlaat uit de figuren 1 en 3, met een wafer van neutronen absorberend, materiaal met prompte emissie van gammastraling, overeenkomstig de onderhavige uitvinding.

Figuur 4B is een schematische voorstelling van een alternatieve rotor van een stromingsmeter die wordt geplaatst in een brandstofelement-inlaat uit de figuren 1 en 3, met een wafer van neutronen absorberend materiaal met een emissie van gammastraling door vervalgamma's, overeenkomstig de onderhavige uitvinding.

Figuur 4C is een schematische voorstelling van een andere alternatieve rotor van een stromingsmeter die wordt geplaatst in een brandstofelement-inlaat uit de figuren 1 en 3, met een wafer van een neutronen-absorberend kern-actief materiaal overeenkomstig de onderhavige uitvinding.

Figuur 5A is een schematische voorstelling van een deel van de dwarsdoorsnede van de kern van een kernreactor langs het vlak 5A uit figuur 1.

Figuur 5B is een vergroting van een deel van figuur 5A, die meer in het bijzonder de configuratie toont van brandstof staven, regelstaven en instrumentatiebuizen in de kern van de reactor uit figuur 1.

Figuur 6 is een stroomdiagram van de opeenvolgende stappen van een werkwijze volgens de onderhavige uitvinding zoals die in de praktijk wordt toegepast in de context van de reactor uit figuur 1.

Figuur 7 is een stroomdiagram van de opeenvolgende stappen van een alternatieve werkwijze volgens de onderhavige uitvinding, zoals die in de praktijk wordt toegepast in de context van de reactor uit figuur 1.

Figuur 8 is een stroomdiagram van de opeenvolgende stappen van een alternatieve werkwijze overeenkomstig de onderhavige uitvinding, zoals die in de praktijk wordt toegepast in de context van de reactor uit figuur 1.

Figuur 9 is een andere uitvoeringsvorm van de in figuur 3 getoonde stromingsmeter volgens de uitvinding.

De onderhavige uitvinding wordt in de praktijk toegepast in de context van een kernreactor 100, zoals getoond in figuur 1. Een reactorvat 102 biedt plaats aan brandstofelementen 104, die splijtbaar materiaal bevatten. De reactorkern 103 wordt gevormd door de brandstofelementen 104 die worden gerangschikt en ondersteund in het vat door een bovenste geleider 106. Een kernplaat 108 voorziet in zijwaartse ondersteuning voor regelstaven 110. De regelstaven 110 kunnen worden gebracht in en uit ruimtes tussen de brandstofelementen 104 door middel van regelstaaf- aandrijvingen 112. Toezicht op de 'kern wordt gerealiseerd met een heen en weer bewegende meetkop 132.

In reactor 100 is water het koelmiddel. De koelmiddel-stroming 900 in de kern 103 en de produktie van stoom in reactor 100 vinden plaats op de volgende manier. Water 910 in vloeistofvorm komt in het vat door een koelmiddel-inlaat 116 en komt in de brandstofelement-inlaat 118. Als het water in vloeistofvorm in de brandstofelementen 104 stroomt, absorbeert het thermische energie en stijgt de temperatuur tot een mengsel 902 van stoom en water wordt geproduceerd. Vanwege de door stoom ingenomen ruimte is dit mengsel minder dicht dan verzadigd of onderkoeld water 912 dat onder aan de kern aankomt. Het minder dichte mengsel van water en stoom stijgt op als gevolg van opwaartse krachten, en wordt continu vervangen van onder de kern inkomend koelmiddel 912 dat vrij is van door stoom ingenomen ruimtes.

Als het mengsel 902 van stoom en water de kern 103 verlaat, stijgt het op in een schoorsteen 120, naar stoomscheiders 122, waar water 904 wordt afgescheiden door centrifugale krachten en wordt toegevoegd aan de retourstroom via een ringvormige neerwaartse leiding 124. De natte stoom 906 verlaat de bovenkant van de schelders 122 en komt in een kamer 126 voor natte stoom onder een stoomdrooginstallatie 128. Het vocht wordt door de stoomdrooginstallatie 128 verwijderd en teruggeleid door een aantal afvoerleidingen naar de neergaande ringvormige leiding 124. De gedroogde stoom 908 verdwijnt door een stoomstraalpijp 130 om een turbine aan de drijven die een elektriciteitsgenerator aandrijft. Door koelmiddel-inlaat 116 wordt water ingelaten in een sprenkelinstallatie voor voedingswater om het terugkomende koelmiddel af te koelen en de circulatie te bevorderen. Een brandstofelement-inlaat 118 bevat een turbine-stromingsmeter overeenkomstig de onderhavige uitvinding.

Een systeem 200 overeenkomstig de uitvinding omvat een koelmiddelstroming 109 voor de kern, die een turbine-samenstel 204 laat draaien om modulaties op te wekken in een stralingsveld 206 bij een stralingsdetector 208, die de stralingsveldmodulatie omvormt tot een elektrische stroom- of spanningsmodulatie, zoals getoond in figuur 2. De aflezingen van de stralingsdetector 208 worden door een elektrische verbinding 210 overgebracht naar de omvormer 212, die een frequentie-analysator is en het detectorsignaal omvormt tot een frequentieprofiel en de piekwaarde van dit profiel bepaalt. De piekwaarde wordt dan door een elektrische verbinding 214 overgebracht naar een computer 216, die deze gebruikt om het stromingsdebiet van het koelmiddel te berekenen. In een alternatieve uitvoeringsvorm kan de debietwaarde worden doorgegeven aan de reactor-operator, die dan een ijktabel kan raadplegen om het stromingsdebiet van het koelmiddel te bepalen.

Een representatieve brandstofelement-inlaat 118 is afgebeeld in figuur 3. Koelmiddel komt de brandstofelement-inlaat 118 binnen en stijgt op binnen het brandstofelement 104 doordat het opwarmt. Het opstijgende koelmiddel brengt een turbine-rotor 304 om een turbine-as 306 in rotatie. De turbine-rotor 304 is in hoofdzaak samengesteld uit een ferritisch chroomstaal. De rotor is gekoppeld met de as 306 via een rotorsamenstel dat op een spindelas van Inconel aangebrachte lagerhuizen van grafiet omvat. Een uit cadmium-113 samengestelde wafer 308 is ingebed in een blad 310 van de turbine-rotor 304. De cadmium-wafer 308 heeft een diameter van 2 centimeter (cm) en een dikte van 1 millimeter (mm).

Gedurende het normale bedrijf van de reactor worden vrije neutronen geproduceerd en deze bewegen door de kern. Wanneer neutronen de cadmium-wafer 308 raken, worden sommige ingevangen door de cadmiumkernen onder de produktie van geactiveerd (radioactief) cadmium volgens de reactie 113 Cd(n,g)114 Cd. Neutronenvangst door Cd-113 resulteert in de onmiddellijke uitzending van gammastralen.

De activering van cadmium-wafer 308 leidt tot de vorming van een gammaveld 206 dat kan worden gedetecteerd door stralingsdetector 208. De detector is binnen de heen en weer bewegende meetkop 132 buiten brandstofelement 104 geplaatst. De heen en weer bewegende meetkop 132 omvat een halfstijve kabel 318 die is gekoppeld aan een in de kern heen en weer beweegbare meetkop 320 aan het zich binnen de reactorkern bevindende kabeleinde. Ten behoeve van de signaaldetectie is een venster 316 gevormd in een buitenwand 312 van brandstofelement 104 nabij de in de kern heen en weer beweegbare meetkop. Het venster wordt gevormd door het verwijderen of het weglaten van de roestvast stalen bekleding n , 314 over een klein gebied (ongeveer 6 cm ) van de buitenwand 312 van brandstofelement 104.

Omdat het radioactieve materiaal over slechts een deel van de omtrek van de rotor is aangebracht, wordt het gammaveld 206 tijdelijk gemoduleerd als turbine-rotor 304 ronddraait. Omdat de veldsterkte op zijn minst met de inverse van het kwadraat van de afstand afneemt, zal stralingsdetec-tor 208 een sterke gammapuls ontvangen wanneer de cadmium-wafer 308 op korte afstand passeert, waarbij de veldsterkte snel afneemt als de wafer 308 zich verder weg beweegt. Bij een constante omwentelingssnelheid zal de ronddraaiende rotor 304 een regelmatig patroon van tijdelijk gemoduleerde pulsen voortbrengen, waarbij de pulsfrequentie overeenkomt met de rotatiesnelheid van de turbine-rotor 304 en dus met het stromingsdebiet van het koelmiddel. Het apparaat volgens de onderhavige uitvinding reageert op tijdelijke variaties in het gammaveld 206. Het stromingsdebiet van het koelmiddel kan dus nauwkeurig worden bepaald, ondanks variaties in de gemiddelde deeltjesflux op de detector, en kan nauwkeurig worden bepaald ondanks andere bronnen voor gammastraling, zoals vertraagde gammastralen uit radioactief verval.

De stralingsdetector 208 omvat een ionisatiekamer die stroompulsen detecteert. Gammastralen die de ionisatiekamer van stralingsdetector 208 binnenkomen, brengen een zekere hoeveelheid ionisatie teweeg. Elektrische pulsen die uit ionisatie voortkomen worden gedetecteerd door de detector 208, en verschaffen een maat voor de gammastralen die de kamer van detector 208 binnenkomen.

Alternatieve configuraties van rotor 304 worden getoond in de figuren 4A, 4B en 4C, die meer in het bijzonder representatieve rotorbladen en alternatieven voor het kern-actieve materiaal 308 tonen. Een kleine in figuur 4A getoonde rotor 402 past in een turbine met een openingsdiameter van 40 millimeter (mm) en is geschikt voor een koelmiddel-stromings-debiet van 1 tot 6,5 liter per seconde (1/s). De rotor is in hoofdzaak samengesteld uit ferritisch chroomstaal. Kern-actief materiaal 404 is ingebed in een van de bladen 406 van rotor 402. Kern-actief materiaal 404 is een wafer van kobalt-59 dat wordt geactiveerd (radioactief gemaakt) door het tijdens bedrijf heersende neutronen-veld volgens de reactie 59 Co(n,g)60 Co na plaatsing in de reactorinlaat. Vertraagde gammastralen van het kobalt-60 met een halfwaardetijd van 5,27 jaar kunnen worden gedetecteerd door stralingsdetector 208. Als rotor 402 ronddraait worden modulaties in het door de kobalt wafer uitgezonden gammaveld gedetecteerd door detector 208. Het detectorsignaal wordt omgevormd door omvormer 212 naar een reciproke tijdwaarde waaruit computer 216 het stromingsdebiet van het koelmiddel kan bepalen.

Een alternatieve rotor 408 past in een turbine met een ingangsopeningsdiameter van 59 mm en is geschikt voor een stromingsdebiet van het koelmiddel in een bereik van 1,5 tot 10 1/s, zoals getoond in figuur 4B. De rotor is in hoofdzaak samengesteld uit ferritisch chroomstaal. Het kern-actieve materiaal 410 is een wafer die kobalt-59 omvat dat niet is voorgeactiveerd voor plaatsing in de reactorinlaat. De kobalt wafer wordt geactiveerd door de Vangst van neutronen die worden gegenereerd door de normale werking van de reactor. Na activering kunnen vertraagde gammastralen uit het verval van het kobalt-60 worden gedetecteerd door detector 208. Wanneer rotor 408 ronddraait worden modulaties in het gammaveld dat wordt uitgezonden door de kobalt wafer na activering worden gedetecteerd door detector 8, wat het mogelijk maakt om het stromingsdebiet van koelmiddel te bepalen zoals boven beschreven.

Een in figuur 4C getoonde grote rotor 412 past in een turbine-ingangsdiameter van 150 mm. Kern-actief materiaal 414 is een wafer die gadolinium omvat. De gadolinium wafer heeft een hoge werkzame doorsnede voor neutronenvangst, en absorbeert voldoende neutronen om het lokale neutronveld in het gebied van de turbine omlaag te drukken. Als de rotor 412 ronddraait, worden modulaties in het neutronveld gedetecteerd door een neutrongevoelige detector, gelijk aan detector 208, wat het mogelijk maakt om het stromingsdebiet van het koelmiddel zoals boven beschreven, te bepalen.

Figuur 5A toont de opstelling van elementen binnen de reactorkern 102 in een dwarsdoorsnede langs vlak 5A van figuur 1. Regelcel 502 omvat brandstofstaven 504 die zijn gerangschikt tot brandstofelementen 104, die zijn geplaatst rond regelstaven 110 zoals getoond in figuur 5B. Een in de kern heen en weer beweegbaar samenstel 132 dat een stralings-detector 208 bevat, is buiten de brandstofelementen 104 geplaatst, zoals getoond in figuur 5B. Een kanaalwand 506 rond elk brandstofelement 104 definieert een kanaal 508, waardoor koelmiddel stroomt. Door het kanaal 508 stromend koelmiddel omgeeft de brandstofstaven 504, en wordt daarbij opgewarmd door thermische neutronen die tijdens het bedrijf van de reactor worden gegenereerd.

Een werkwijze 600 overeenkomstig de huidige uitvinding omvat vier stappen 601 tot 604, zoals aangegeven in figuur 6. Werkwijze 600 wordt in de praktijk toegepast in de context van reactor 100. In de eerste stap 600 wordt een turbine-samenstel 204 in de weg van het stromende koelmiddel van een kernreactor 100 geplaatst, zodat de koelmiddelstroom 900 de rotor 304 van het turbinesamenstel 204 doet draaien. Tijdelijke variaties in het stralingsveld die overeenkomen met ruimtelijke variaties in de emissie van radioactieve deeltjes worden dan gedetecteerd bij 602. Een oscillatie-snelheid wordt bepaald, bij 603, uit het uitgangssignaal van de detector. Tenslotte wordt het stromingsdebiet van het koelmiddel bepaald, bij 604, uit de snelheid van de tijdelijke variaties. Een alternatieve werkwijze 700 overeenkomstig de onderhavige uitvinding omvat vijf stappen, 701 tot 705, zoals geïllustreerd in figuur 7. Kern-actief materiaal wordt vooraf geactiveerd, bij stap 701, om vertraagde gammastralen uit te zenden voordat het rotor-samenstel dat het nucleair actieve materiaal bevat wordt geplaatst, bij 702, in de weg van de stromende koelmiddel van een kernreactor 100. Wanneer de stromende koelmiddel 900 de rotor 304 van het turbine-samenstel 204 laat draaien, worden tijdelijke variaties in de gammaflux gedetecteerd, bij 703. Een oscillatiesnelheid wordt bepaald, bij 704, uit het uitgangssignaal van de detector. Tenslotte wordt het stromingsdebiet van het koelmiddel bepaald, bij 705, uit de snelheid van de tijdelijke variaties.

Een alternatieve werkwijze 800 overeenkomstig de onderhavige uitvinding omvat vijf stappen, 801 tot 805, zoals aangeduid in figuur 8. Volgens werkwijze 800, in de praktijk toegepast in de context van reactor 100, wordt een turbine-samenstel 204 dat een rotor omvat met kern-actief materiaal 404 geplaatst, bij 801, op de weg van de stromende koelmiddel van een kernreactor 100, zodat de stromende koelmiddel 900 de rotor 304 van het turbine-samenstel 204 doet draaien. Volgens werkwijze 800 wordt een rotor met kern-actief materiaal 404, zoals getoond in figuur 4A gebruikt. Het nucleair actieve materiaal, kobalt-59, wordt geactiveerd in situ, bij 802, door de neutronen die in reactorkern 103 worden geproduceerd gedurende de werking van de reactor. Na activering zendt het nucleair actieve materiaal vertraagde gammastralen uit. Tijdelijke variaties in de door het geactiveerde materiaal uitgezonden stralingsflux kan dan worden gedetecteerd, bij 803, wat het mogelijk maakt om de oscillatiesnelheid te bepalen, bij 804, en het stromingsdebiet van het koelmiddel te berekenen, bij 805.

Figuur 9 toont een reactorvat 901 met brandstofelementen 902 omvattende kern 903 die via een vloeistofinlaatstuk 904 is verbonden met een steunplaat 905. Op het inlaatstuk 904 sluit aan een door de steunplaat 905 heen tredend, cilindrisch huis van het turbine-samenstel 907 volgens de uitvinding. Het turbine-samenstel 907 omvat een in het huis 906 roteerbaar gelagerde rotor 908, doordat een lager huis 909 via leidschotten 910 en 911 is verbonden met het huis 906.

De rotorbladen 912 zijn vervaardigd van een composiet materiaal (legering) op basis van cadmium/indium/zilver. Aldus kunnen met de rotorbladen 912 zowel het neutronenveld als ook het gammaveld gemoduleerd worden.

Axiaal langs de kern 903 is een detectorbuis 913 aangebracht, waardoorheen een detector-samenstel voor het detecteren van fluctuaties in het neutronenveld en/of gammaveld kunnen worden gedetecteerd en omgezet in een detectorsignaal dat wordt toegevoerd aan de tot de meetinrichting volgens de uitvinding behorende omvormer, waarmee het detector-signaal omgezet wordt met een waarde die correspondeert met de waterstroming 915 door een inlaat 916 van de kern 903.

De uitvinding voorziet ook in andere systemen, zoals een zuigersamenstel, dat een nucleair bronmateriaal omvat dat het mogelijk maakt om het stromingsdebiet te bepalen uit modulaties in het stralingsveld. In het geval van een apparaat met een zuiger veroorzaakt de beweging van de zuiger tijdelijke variaties in de stralingsflux.

Het kern-actieve materiaal hoeft niet in de vorm van een wafer te zijn, en kan star worden verbonden met de rotor of, in een alternatieve uitvoeringsvorm, worden opgenomen in de rotor. Het kern-actieve materiaal hoeft niet tot een klein gebied op de rotor te worden beperkt; het kan over de gehele rotor worden verdeeld zolang de resulterende verdeling een voldoende variërend veld teweeg brengt, zoals bijv. in het geval dat er gaten tussen de rotorbladen zijn. De veldmodulatie hoeft niet plaats te vinden als een gevolg van rotatie van kern-actief materiaal, maar kan plaatsvinden wanneer een rotor een materiaal omvat met een moderator-sterkte die verschilt van water; de rotor verplaatst water, zodat rotatie van de rotor een differentiële moderatie van de snelle neutronen uit de kern veroorzaakt, wat modulaties teweeg zal brengen in het radioactieve veld bij de detector die corresponderen met de omwentelingssnelheid van de rotor. Rotoren kunnen een andere configuratie hebben dan de getoonde, en kunnen zijn samengesteld uit elk materiaal dat geschikt is voor een turbine die wordt gebruikt in de omgeving van de reactorkern van een kernreactor. Een rotor kan aan een as worden gekoppeld door elk middel dat een rotatie die resulteert in een stralingsveldmodulatie mogelijk maakt, met inbegrip van rotorsamenstellingen met saffieren kogellagers in stalen loopvlakken.

De uitvinding omvat het gebruik van andere bronnen van prompte gammastralingen, zoals borium, gadolinium, chloor, indium, kwik, samarium, mangaan en neodymium. Andere bronnen van vertraagde gammastralen omvatten iridium. De gedetecteerde straling is niet beperkt tot gammastraling en thermische neutronen, maar kan iedere straling omvatten die een veld creëert dat detecteerbaar kan worden gemoduleerd door het beschreven systeem. De uitvinding voorziet in reactoren van andere typen, inclusief reactoren met gedwongen circulatie, en in andere dan nucleaire omgevingen waarin een systeem zoals beschreven kan worden geïnstalleerd. Deze en andere variaties op en modificaties van de beschreven uitvoeringsvoorbeelden worden verschaft door de onderhavige uitvinding, waarvan de reikwijdte alleen door de volgende conclusies wordt beperkt.

*******

Claims (16)

1. Kernreactor, omvattende een reactorvat met daarin opgenomen een kern die omvat splijtbaar materiaal bevattende brandstofelementen en regelstaven, en die is gedompeld in water, een waterinlaat, en een stoomuitlaat, en een nabij de kern opgestelde meetinrichting voor het meten van de waterstroom in de kern, welke meetinrichting omvat een turbine-samenstel met een roteerbaar in een huis gelagerde rotor die ten minste één stralingsveld modulerend materiaal bevat, ten minste één stralingsdetector voor het omzetten van de stralingsveldmodulatie in een detectorsignaalmodulatie, en een met de stralingsdetector gekoppelde omvormer voor het omvormen van het detectorsignaal in een met de waterstroom corresponderende waarde.

2. Kernreactor volgens conclusie 1, waarin het stralingsveld modulerend materiaal een neutronen absorberend materiaal is.

3. Kernreactor volgens conclusie 2, waarin het neutronen absorberend materiaal 113-Cd en 176-180-Hf omvat.

4. Kernreactor volgens conclusie 1-3, waarin het stralingsveld modulerend materiaal een door neutronenactivering gamma-straling emitterend materiaal is.

5. Kernreactor volgens conclusie 4, waarin het gamma-straling emitterend materiaal omvat 45-Sc, 59-Co, en 110-Ag.

6. Kernreactor volgens conclusie 1-5, waarin de rotor een neutronen absorberend materiaal en een door neutronen activering gamma-straling emitterend materiaal bevat.

7. Kernreactor volgens conclusie 6, waarin de beide stralingsveld modulerende materialen een composiet materiaal vormen.

8. Kernreactor volgens conclusie 7, waarin het composiet materiaal 113-Cadmium/Indium/llO-Zilver omvat.

9. Kernreactor volgens conclusie 1-8, waarin het stralingsveld modulerend materiaal is opgenomen in een rotorblad.

10. Kernreactor volgens conclusie 1-9, waarin het huis van het turbine-samenstel aansluit op een waterinlaat van de kern.

11. Kernreactor volgens conclusie 1-10, waarin in het huis van het turbine-samenstel leidschotten zijn opgenomen.

12. Kernreactor volgens conclusie 1-11, waarin de stralingsdetector is opgenomen in een axiaal langs de kern zich uitstrekkende detectorbuis.

13. Meetinrichting voor het in een kernreactor meten van de waterstroom in de kern, omvattende een turbine-samenstel met een roteerbaar in een huis gelagerde rotor die ten minste één stralingsveld modulerend materiaal bevat, ten minste één stralingsdetector voor het omzetten van de stralingsveldmodulatie in een·, detectorsignaalmodulatie, en een met de stralingsdetector gekoppelde omvormer voor het omvormen van het detectorsignaal in een met de waterstroom corresponderende waarde.

14. Werkwijze voor het meten van een vloeistofdebiet in een kernreactor, welke een warmte-producerende kern en een langs een koelmiddelweg door de kern stromend koelmiddel omvat, welke werkwijze de stappen omvat van: het plaatsen van een turbinesamenstel die een rotor omvat, welke rotor een kern-actief materiaal omvat dat ruimtelijke variaties in een stralingsflux in de koelmiddelweg kan veroorzaken, zodanig dat de stroming van het koelmiddel de rotor van de turbine-inrichting in rotatie brengt: het detecteren van tijdelijke variaties in genoemd stralingsveld door de detector, welke corresponderen met ruimtelijke variaties in het stralingsveld; het bepalen van een oscillatiefrequentie uit variaties in de uitgang van de detector; en het berekenen van het vloeistofdebiet van het koelmiddel uit genoemde oscillatiefrequentie.

15. Werkwijze volgens conclusie 9, waarin het nucleair kern-actieve materiaal neutronen absorbeert, zodat het kern-actieve materiaal het neutronen-veld moduleert.

16. Werkwijze volgens conclusie 9, waarin kern-actief materiaal door neutronen wordt geactiveerd, zodat het kern-actieve materiaal alleen na het plaatsen van het turbinesamenstel prompte of vertraagde gammastralen uitzendt.