NO128856B

NO128856B -

Info

Publication number: NO128856B
Application number: NO02152/70A
Authority: NO
Inventors: I Takezawa
Original assignee: Mitsubishi Heavy Ind Ltd
Priority date: 1969-06-05
Filing date: 1970-06-02
Publication date: 1974-01-21
Also published as: GB1278147A; DE2027273A1; NL156100B; FR2049955A5; NL7008258A; DK140798B; US3675606A; SE385838B; DK140798C; JPS4918394B1; ES380427A1

Description

Tetthetsmåling. Density measurement.

Oppfinnelsen går ut på tetthetsmåling og beskriver særlig en anordning for måling av lokal, midlere tetthet eller prosent-vis forhold mellom gass- og væskefaser i et medium som består av en gassfase og en eller flere væskefaser, som for eksempel et kjølemiddel eller en moderator i en kjernereaktor. The invention focuses on density measurement and describes in particular a device for measuring local, average density or the percentage ratio between gas and liquid phases in a medium that consists of a gas phase and one or more liquid phases, such as a coolant or a moderator in a nuclear reactor.

Slike tetthetsmålinger er særlig viktige for kontrollen av kjernereaktorer med kokende kjølemiddel, der det er vanskelig å anvende konvensjonelle målinger av vol-umfraksjon og romlig fordeling av dampen i reaktorkjernen. Such density measurements are particularly important for the control of nuclear reactors with boiling coolant, where it is difficult to use conventional measurements of volume fraction and spatial distribution of the steam in the reactor core.

Det er tidligere kjent å måle tettheten av en vann-damp-blanding som flyter gjennom et rør ved å plasere en strålings-kilde, for eksempel en gammakilde, på den ene siden av røret og en strålingsdetektor, for eksempel et ionisasjonskammer, på den andre siden. Strålingsintensiteten som slipper gjennom røret er et mål for blandingens tetthet. Slike målinger kan imidlertid ikke benyttes i forbindelse med kjernereaktorer på grunn av den høye bak-grunnsaktiviteten. It is previously known to measure the density of a water-steam mixture flowing through a pipe by placing a radiation source, for example a gamma source, on one side of the pipe and a radiation detector, for example an ionisation chamber, on the other since. The intensity of radiation that escapes through the tube is a measure of the density of the mixture. However, such measurements cannot be used in connection with nuclear reactors due to the high background activity.

Ifølge oppfinnelsen overvinnes denne vanskeligheten ved at en plaserer et nøy-tronabsorberende legeme i det mediet en skal måle tettheten til, og holder dette mediet i et nøytronfelt. Ved å måle nøytron-feltets fluks nær overflaten av legemet, vil finne mediets tetthet på dette stedet fordi fuksen vil være avhengig av mediets spred-ningsevne for nøytroner, og denne spred-ningsevnen vil være forskjellig for mediets ulike komponenter. According to the invention, this difficulty is overcome by placing a neutron-absorbing body in the medium whose density is to be measured, and holding this medium in a neutron field. By measuring the flux of the neutron field near the surface of the body, the density of the medium at this location will be found because the flux will depend on the scattering ability of the medium for neutrons, and this scattering ability will be different for the different components of the medium.

Eksperimenter har vist at når et le- Experiments have shown that when a le-

geme med høyt nøytronabsorbsjonstverr-snitt befinner seg i en væske, for eksempel vann, og denne væsken er utsatt for en nøytronfluks, vil den termiske nøytron-fluksen ved overflaten av legemet øke be-tydelig dersom væsken omkring legemet erstattes med luft. Dette skyldes at væskens store spredningstverrsnitt forårsaker spredning av nøytroner bort fra legemet, men når væsken omkring legemet erstattes med luft, vil nøytronene lettere kunne bli absorbert av legemet fordi luft har et be-tydelig mindre spredningstverrsnitt enn væsker, og følgelig ikke forårsaker spredning i samme grad som disse. Den termiske nøytronfluks ved overflaten av et nøytron-absorberende legeme er følgelig avhengig av tettheten til det mediet som legemet befinner seg i. I tungtvann er nøytronabsor-sjonen for liten til å være av noen praktisk betydning ved slike målinger. I lett vann derimot, der nøytronabsorbsjonen er større, vil virkningen av at vann erstattes med luft bli adskillig større enn i tungtvann, fordi en da ved legemets overflate ikke bare får lavere nøytronspredning, men også reduserer nøytronabsorbsjonen. Dessuten er nøytronspredningen i lett vann større enn i tungtvann. Siden nøytronfluksen ved overflaten av det absorberende legemet i be-tydelig grad avhenger av spredningen, opp-nås lignende resultater enten vannet blir erstattet med luft, vanndamp eller andre gasser. body with a high neutron absorption cross-section is in a liquid, for example water, and this liquid is exposed to a neutron flux, the thermal neutron flux at the surface of the body will increase significantly if the liquid around the body is replaced with air. This is because the liquid's large scattering cross-section causes scattering of neutrons away from the body, but when the liquid around the body is replaced with air, the neutrons will be more easily absorbed by the body because air has a significantly smaller scattering cross-section than liquids, and consequently does not cause scattering in the same degree like these. The thermal neutron flux at the surface of a neutron-absorbing body is consequently dependent on the density of the medium in which the body is located. In heavy water, the neutron absorption is too small to be of any practical importance in such measurements. In light water, on the other hand, where the neutron absorption is greater, the effect of replacing water with air will be considerably greater than in heavy water, because one then at the body's surface not only gets lower neutron scattering, but also reduces neutron absorption. Moreover, the neutron scattering in light water is greater than in heavy water. Since the neutron flux at the surface of the absorbing body depends to a significant extent on the scattering, similar results are obtained whether the water is replaced by air, water vapor or other gases.

Målingene ifølge oppfinnelsen kan fo-retas med mange forskjellige apparattyper. Et utførelseseksempel skal nå beskrives med henvisninger til figurene, der fig. 1 viser en enkel anordning som demonstrerer brukbarheten av oppfinnelsen. Fig. 2 viser en anordning for måling av tetthet ifølge oppfinnelsen og fig. 3 er en grafisk fram-stilling av oppnådde resultater ved bruk av anordningene vist på fig. 1 og fig. 2. The measurements according to the invention can be carried out with many different types of apparatus. An embodiment will now be described with reference to the figures, where fig. 1 shows a simple device that demonstrates the utility of the invention. Fig. 2 shows a device for measuring density according to the invention and fig. 3 is a graphical representation of the results obtained using the devices shown in fig. 1 and fig. 2.

Det nøytronabsorberende materiale på fig. 1 er et kadmiumsrør 1 med fem små kopperfolier 2 festet til overflaten av rø-ret i samme radiale plan. Kadmiumsrøret 1 står med den ene enden mot den øvre enden av aluminiumsstaven 3, som fort-setter med en tynnere forlengelse 3a gjennom røret 1, og både røret 1 og sta-ven 3 er omgitt av et aluminiumsrør 4 med en ytre diameter på omkring 2,75 cm. Røret 4 er omgitt av et aluminiumsrør 5 med indre diameter lik 6,25 cm. Rommet mellom rørene 4 og 5 er vanligvis fylt med tungtvann, og dysen 6 i den nedre enden av røret 5 leder luft inn mellom rørene 4 og 5 fra luftinntaket 7. Hele denne oppstillingen ble plasert i en ledig brenselselementposisjon i en eksperimen-tell tungtvannsreaktor. Reaktoren ble kjørt med en ytelse på 0,9 KW i 30 minutter for hver av flere forskjellige volumf raks joner av luft i rommet mellom rørene 4 og 5. Nøytronfluksen ved hvert forsøk ble antatt å være proporsjonal med koppperfolienes induserte beta-aktivitet, målt som et gjen-nomsnitt for de fem foliene. The neutron absorbing material in fig. 1 is a cadmium tube 1 with five small copper foils 2 attached to the surface of the tube in the same radial plane. The cadmium tube 1 stands with one end against the upper end of the aluminum rod 3, which continues with a thinner extension 3a through the tube 1, and both the tube 1 and the rod 3 are surrounded by an aluminum tube 4 with an outer diameter of about 2 .75 cm. The tube 4 is surrounded by an aluminum tube 5 with an inner diameter equal to 6.25 cm. The space between the tubes 4 and 5 is usually filled with heavy water, and the nozzle 6 at the lower end of the tube 5 directs air into between the tubes 4 and 5 from the air intake 7. This entire arrangement was placed in a free fuel element position in an experimental heavy water reactor. The reactor was run at an output of 0.9 KW for 30 minutes for each of several different volume fractions of air in the space between tubes 4 and 5. The neutron flux in each experiment was assumed to be proportional to the induced beta activity of the copper foils, measured as a general average for the five foils.

I en kokende, vannmoderert kjernereaktor er det ønskelig å kunne foreta kon-tinuerlige målinger av vanndampens volumf raksj on. Derfor ble det foretatt eksperimenter med anordningen som er vist på fig. 2. Denne anordningen består av en uranring 8 som er plasert i en innsnev-ring på den ytre overflaten til et kadmiums-rør 9 som er dekket av en aluminiums-hylse 10. På grunn av fisjon av uranet i nøytronfeltet, vil det oppstå en temperatur-forskjell mellom uranringen og alumini-umshylsen, og denne temperaturforskjellen ble målt ved hjelp av et sekundært kopper-konstantan-termoelement. Urantermoele-mentet med det sekundære kopper-kon-stantan-termoelementet ble kalibrert ved bestråling i reaktoren ved forskjellige ytel-ser. Ved målingene av volumf raksj oner av luft i blandinger av tungtvann og luft ble dette kombinerte termoelementet plasert i det indre aluminiumsrøret på apparatet som er vist på fig. 1. For å oppnå et rimelig stort utslag på termoelementet, ble reaktoren kjørt ved 90 KW. In a boiling, water-moderated nuclear reactor, it is desirable to be able to make continuous measurements of the water vapor volume fraction. Experiments were therefore carried out with the device shown in fig. 2. This device consists of a uranium ring 8 which is placed in a constriction on the outer surface of a cadmium tube 9 which is covered by an aluminum sleeve 10. Due to fission of the uranium in the neutron field, a temperature difference between the uranium ring and the aluminum sleeve, and this temperature difference was measured using a secondary copper-constantan thermocouple. The uranium thermocouple with the secondary copper constant thermocouple was calibrated by irradiation in the reactor at different outputs. In the measurements of volume fractions of air in mixtures of heavy water and air, this combined thermocouple was placed in the inner aluminum tube of the apparatus shown in fig. 1. In order to achieve a reasonably large output on the thermocouple, the reactor was run at 90 KW.

Resultatene fra de beskrevne eksperi-mentene er vist på fig. 3, der kurven A viser målingene med uran-termoelementet og kurve B viser målingene med kopperfoliene. The results from the described experiments are shown in fig. 3, where curve A shows the measurements with the uranium thermocouple and curve B shows the measurements with the copper foils.

Istedenfor å bruke de anordningene som er beskrevet ovenfor, kan også andre praktiske utførelser benyttes. Nøytronfluk-sen kan for eksempel bli målt ved hjelp av et bor-termoelement festet til en absorb-sjonsstav, eller ved hjelp av et BF<:!>kammer plasert i et perforert legeme. Dessuten er det mulig å plasere et ionisasjonskammer, av den typen som er beskrevet av A.L. Gray i Nuclear Power, april 1958, side 172, i et perforert, absorberende legeme. Alle disse måleanordningene må være lite følsomme for gammastråling. Instead of using the devices described above, other practical designs can also be used. The neutron flux can, for example, be measured using a boron thermocouple attached to an absorption rod, or using a BF<:!> chamber placed in a perforated body. Moreover, it is possible to place an ionization chamber, of the type described by A.L. Gray in Nuclear Power, April 1958, page 172, in a perforated absorbent body. All these measuring devices must be insensitive to gamma radiation.

Selv om måleprinsippet ifølge oppfin nelsen ventes å få størst betydning for kokende-vann-reaktorer, vil det også kunne bli av stor verdi i materialprøvingskretser og andre steder der en nøytronfluks er til-gjengelig. Although the measuring principle according to the invention is expected to be most important for boiling-water reactors, it could also be of great value in material testing circuits and other places where a neutron flux is available.

Claims

Method for using a neutron field and using a calibration measurement to make density measurements in fluids with different scattering abilities for neutrons, such as a mixture of a chemical compound in liquid form and the same compound in gaseous form, in particular the local, average density of the mixture or percentage distribution of gas and liquid phases, used for example in measurements in cooling fluids and moderator fluids in a nuclear reactor, characterized by the fact that a neutron-absorbing body is placed in the mixture, and that the flux of the neutron field, which depends on the different scattering abilities of the different components in the mixture for neutrons, is measured near the surface of the body.