SE509116C2 - Anordning för detektering av ädelgaser i avgaser från en kärnreaktor - Google Patents

Description

k) 509116 Vid en allvarlig bränsleskada måste reaktorn stängas av och det skadade bränslet avlägsnas från härden. Detta är mycket kostsamt och bör om möjligt undvikas. Normalt tas reaktorn ner ca en gång per år för service och bränslebyte och då kan även skadat bränsle bytas ut. Om en liten bränsleskada detekteras under drift behöver den inte åtgärdas förrän vid nästa bränslebyte.

För att undvika att skadan under tiden utvecklas till en stor och allvarlig skada kan effekten reduceras, genom införsel av styrstavar, i den del av härden som innehåller det skadade bränslet. Det är därför viktigt att under drift inte bara detektera en bränsleskada utan ockå att lokalisera var i härden skadan finns.

Ett sätt att detektera en bränsleskada är att mäta den totala halten av radioaktiva ädelgaser i reaktorns avgaser. Ett problem med denna metod är att det finns två olika källor som avger radioaktiva ädelgaser, dels skadat bränsle och dels härdkonta- mination, dvs radioaktiva föroreningar deponerade på ytor i härden. Med tiden ökar kontamineringen och blir en allt större felkälla. De ädelgaser som avges från härdkontaminationen skiljer sig dock från de som härrör från en bränsleskada genom att de innehåller en betydligt högre andel kortlivade nuklider.

För att kunna avgöra om ädelgaserna härrör från härdkontamina- tion eller från en bränsleskada så måste man känna till för- delningen av kortlivade och långlivade nuklider i avgaserna. Det är alltså nödvändigt att mäta halten av varje enskild nuklid.

I patentskriften US 5,537,45O visas en anordning för att on-line mäta halterna av radioaktiva ädelgaser i avgaserna från reaktorn i syfte att detektera en bränsleskada samt en metod för att lokalisera bränsleskadan. Under reaktordrift leds kontinuerligt en del av avgaserna från reaktorn till en gammaspektrograf som dels mäter vilka olika ädelgaser som förekommer i avgaserna och dels aktivitetsnivàn pà var och en av ädelgaserna. Aktivitets- nivån är ett mått på halten av ämnet i avgaserna. Utifrån dessa data kan en bedömning göras av om det föreligger en bränsleskada eller ej. När en bränsleskada har detekterats avgörs var bränsleskadan är lokaliserad genom att styrstavarna, en i taget, 1* 509116 rörs fram och tillbaka sà att effekten ökar och minskar i intilliggande bränslepatroner samtidigt som aktivitetsnivàerna för ädelgaserna mätes av gammaspektrografen. När effekten ändras i den skadade bränslepatronen ändras ocksa aktivitetsnivàerna.

Pà sä sätt kan den skadade bränslepatronen lokaliseras.

Innan lokaliseringen av skadan kan pàbörjas mäste reaktorns effekt sänkas till mellan 60% och 80% av full effekt för att inte skadan ska förvärras under läcksökningen. Att sänka reaktorns effekt är kostsamt och bör därför ske under så kort tid som möjligt. Den detektoranordning som beskrivs i ovan nämnda skrift kan endast göra 2-3 mätningar per timme (col 3, lines 26-30). Eftersom antalet styrstavar i en kärnreaktor är stort sä innebär det att reaktorn mäste köra med reducerad effekt under läng tid.

Det finns också naturliga orsaker till ökade ädelgashalter som inte har nàgot att göra med bränsleskador, t ex flödesändringar.

En annan nackdel med en läng mättid är att det kan vara svàrt att se kopplingen mellan en ökning av halten av radioaktiva ädelgaser och en viss driftsändring, och att ökningen av ädel- gasflödet kan vara i endast nägra minuter.

Den gammaspektrograf som används i nämnda patent innefattar en mätkammare med en kristalldetektor anordnad i centrum av mät- kammaren. Vid mätningen fylls mätkammaren med avgaser fràn reaktorn. Kristalldetektorn detekterar de fotoner, s k gamma- stràlning, som avges fràn ädelgaserna i mätkammaren under en given mätperiod. Varje foton ger upphov till en puls vars amplitud beror av fotonens energiinnehåll. En beräknings- anordning räknar antalet pulser inom olika givna energiintervall och med kännedom om mätperiodens längd kan antalet uppmätta pulser per tidsenhet i de olika energiintervallen beräknas, varvid halten av olika radioaktiva ädelgaser kan uppskattas. Av figur 2 i patentskriften framgar att kristalldetektorn är en s k koaxialdetektor. En koaxialdetektor har formen av en rak cylinder med en höjd som kan variera mellan 2-7 cm och den mäter optimalt i ett energiomràde frän 100 keV till ca 2000 keV. lO 509116 4 SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen avser att åstadkomma en anordning som under drift mäter aktivitetsnivàer för ett antal olika nuklider av ädelgaser i avgaserna från en kärnreaktor och som kan göra betydligt fler och noggrannare mätningar per tidsenhet än tidigare kända mot- svarande anordningar.

Vad som kännetecknar en anordning enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

En av orsakerna till att en koaxialdetektor mäter långsamt i denna tillämpning är att den ger en hög bakgrundsstràlning.

Bakgrundsstrålningen orsakas av växelverkan i kristallen, t ex Comptonspridning. Bakgrundsstrålningen dränker delvis de pulser som man vill detektera, varvid det blir nödvändigt att mäta under en relativt lång tid för att få fram statistiskt signifi- kanta värden på nuklidhalterna. Vid detektering av en bränsle- skada är Xe133 den viktigast nukliden att mäta. Xe133 är en relativt långlivad nuklid och avger gammastràlning i energ- området runt 80 keV. Övriga nuklider som är intressanta att mäta, t ex Xe135 och Xelgg, avger gammastràlning med betydligt högre energier. Eftersom Xe133 har en lång halveringstid i jämförelse med de övriga nukliderna så avger den mycket färre fotoner per tidsenhet än dessa. En koaxialdetektor som mäter optimalt i energiområdet lO0keV till ca 2000keV ger ett stort antal pulser från nuklider med höga energier. Eftersom det finns en begränsning för hur många pulser beräkningsorganet kan ta hand om per tidsenhet så måste räknehastigheten dras ner när antalet pulser blir för högt. Detta innebär att för att kunna mäta Xe133 som avger få fotoner måste mättiden förlängas. Ett stort antal pulser från nuklider med höga energier bidrar således till den långa mättiden.

För att minska mättiden innefattar en anordning enligt upp- finningen en kristall som har formen av en tunn platta och vars höjd ligger inom intervallet 3-10 mm, företrädesvis mellan 5-10 mm. En sådan detektor benämnes planardetektor. En planardetektor har alltid en diameter som är större än dess höjd. En lO 2O 509116 keV.

Därefter sjunker detektorns effektivitet men den kan fortfarande planardetektor mäter optimalt i ett energiomràde 5-100 detektera fotoner med energier upp till ca 600 keV. En fördel med en sàdan detektor är att den är optimalt känslig vid energin för Xe133 som är svàr att mäta samtidigt som den är mindre känslig för nuklider med högre energier som avger många fotoner och därför är lätta att detektera. Optimal räknehastighet med avseende pà Xe133 kan därigenom erhållas. Med en tunnare kristall minskar Comtonspridningen och därmed bakgrundsstrálningen. Detta medför att mättiden kan förkortas väsentligt samtidigt som kvalitén pà mätningen bibehàlles.

För att ytterligare minska mättiden är kristallen anordnad intill en av mätkammarens väggar. Jämfört med en kristall som är anordnad mitt i mätkammaren minskar bakgrundsstràlningen när kristallen är anordnad intill en av väggarna tack vare en minskad reflektion av strålningen i väggarna och därmed minskad bakgrundsstràlning.

Vidare har mättiden ytterligare reducerats genom att anordna mätkammaren så att dess volym varierar i storlek i beroende av avgasernas aktivitet. När aktiviteten är làg sà ökar mätkamma- Pà sà sätt kan räknehastigheten optimeras varvid den nödvändiga mät- rens volym och när aktiviteten är hög sà minskas volymen. tiden kan minimeras.

En anordning enligt uppfinningen kan klara av att göra upp till mätningar per timme.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar en tabell över en del av de radioaktiva ädelgaser som förekommer vid en bränsleskada och deras fotonenergier.

Figur 2 visar mätkänslighet som funktion av fotonenergi för en koaxialdetektor och en planardetektor. l0 l5 509116 6 Figur 3 visar schematiskt en anordning enligt uppfinningen för att mäta halten av radioaktiva ädelgaser i avgaser fràn en kärnreaktor.

Figur 4 visar en kristallkropp för detektering av gammastràlning från ädelgaserna.

BESKRIVNING AV EN UTFÖRINGSFORM Beroende pà härdkontamination och typ av bränsleskada kommer sammansättningen av nukliderna att variera. De nuklider som bör Xel33mf Xel35f Xel35mf Xel37f Xel38f Kr85m« I figur l visas en tabell över dessa detekteras är Xe133, Kr87, Krgg och Krgg. nukliders fotonenergier och dess utbyte. Vissa av nukliderna har flera olika fotonenergier men av tabellen framgår det att alla nukliderna har minst en fotonenergi under 600 keV med ett fotonutbyte över 10%. Detta betyder att det räcker att mäta i energiintervallet 50-600 keV.

För att klara att mäta den viktigaste nukliden ur bränsleskade- synpunkt Xe133 ska detektorn ha hög effektivitet i energiområdet runt cirka 80 keV. Samtidigt behöver inte detektorn mäta över ca 600 keV. Figur 2 visar ett diagram över effektiviteten för tvà olika kristalldetektorer som funktion av den detekterade energin. Kurva A visar den relativa effektiviteten för en koaxialdetektor som mäter optimalt i energiområdet 100 keV till ca 2000 keV. i energiområdet 5-100 keV.

Kurva B visar en planardetektor som mäter optimalt Figur 3 visar en anordning enligt uppfinningen för att mäta halten av radioaktiva ädelgaser i de avgaser som under drift produceras av en kärnreaktor. En del av avgaserna fràn reaktorn leds in till en mätkammare l via ett inloppsrör 2. Mätkammaren har formen av en rak cylinder och är utformad så att mätvolymen kan ändras kontinuerligt, för att pà sà sätt optimera räkne- hastigheten. Mätvolymen ändras genom att en kolv 4 anordnad i mätkammaren förflyttas i axiell riktning. Ena kortsidan av mätkammaren innefattar en mätkristall 3. Mätkristallen är en planardetektor av germanium. Planardetektorn är kopplad till en l5 7 509116 enhet 5 vilken räknar antalet pulser med olika energier och upprättar ett spektra för mätningen. Spektrat hämtas sedan av en analysenhet 6 vilken analyserar spektrat och presenterar resul- tatet av analysen t ex på en skärm i form av en plott. En sådan anordning enligt uppfinningen klarar mätperioder pà ner till tvà minuter.

Figur 4 visar mera i detalj hur kristalldetektorn är utformad.

Den har formen av en cirkulär platta och i detta exempel har plattan en höjd h = 5 mm och diameter d = 30 mm. Olika reaktorer har olika nukleidsammansättningar i sina avgaser. Höjden pà kristalldetektorn kan ligga inom intervallet 3-10 mm. Vilken höjd som väljes beror av nukleidsammansättningen i de avgaser som ska mätas. Diametern kan givetvis också variera men är alltid större än höjden pà plattan.

Claims (5)

1. 0 15 20 25 30 5:19 116 8 PATENTKRAV l. Anordning för att mäta halten av radioaktiva ädelgaser i de avgaser som under drift produceras av en kärnreaktor, varvid anordningen innefattar en mätkammare (l) som under mätningen innehåller en del av avgaserna fràn reaktorn, en kristallkropp (3) fràn de radioaktiva ädelgaserna, som detekterar gammastrálning avgiven beräkningsorgan (5) som utgående frán den detekterade gammastàlningen beräknar halten av de olika nukliderna, att kristallkroppen (3) har formen k ä n n e t e c k n a d a v av en platta vars höjd ligger inom intervallet 3-10 mm. k ä n n e t e c k n a d a v

2. Anordning enligt patentkrav l att kristallkroppen (3) är anordnad intill en av mätkammarens (1) väggar.

3. Anordning enligt nagot av de tidigare patentkraven k ä n n e t e c k n a d a v att mätkammaren (l) är anordnad sà att dess volym kan variera i storlek i beroende av avgasernas aktivitet pà sà sätt att tiden för mätningen optimeras.

4. Anordning enligt nágot av de tidigare patentkraven k ä n n e t e c k n a d a v att de ädelgaser vars nuklider detekteras är xenon och krypton.

5. Anordning enligt nàgot av de tidigare patentkraven k ä n n e t e c k n a d a v att kristallkroppen innefattar germanium.