SE519355C2 - Anordning för bestämning av nuklidinnehållet hos en radioaktiv fluid - Google Patents

Description

25 30 35 . u | . . . ~ . oo 2 en BWR, och Np-239 i kylmedlet i en BWR och en PWR, är två nyckelnuklider för utvärderingen bränslets integritet.

Sådan detektering kan emellertid vara svår när det finns höga aktivitetsnivåer från kortlivade isotoper i det mätta mediet, dvs från N-16 (tg = 7.14 s), C-15 (tg = 2.50 s), O- l9 (tx = 27.1 s) och N-13 (tx = 10.0 min). orsakar en hög bakgrund av Compton-spridning av deras pri- Dessa isotoper mära fotoner och från annihileringstoppen, från parbildning (i detektorn själv, det omgivande materialet och i det mätta mediet) och dess Compton-spridning, se Fig 1. Detta gäller i både avgaserna och kylvattnet i BWR och PWR, oberoende av om det finns ett bränslemissöde eller inte i reaktorhärden.

Compton-spridning kan också uppträda :L detektorn själv, i det omgivande materialet och i det mätta mediet.

När signaler från Compton-spridning undertrycks beräknas den totala undertrycksfaktorn S normalt enligt l/(1-x), där x är fraktionen av spridda fotoner, vilket resulterar i lyckade veton hos den primära signalen. Om 50% av de spridda foto- nerna resulterar i lyckade veton hos den primära signalen, så år S=2. Det finns också ett starkt vinkelberoende i Compton-spridningsprocessen, se Fig 2 och 3. Ett detektor- system med total Compton-undertryckning är ej optimalt vid mätning under drift i en BWR- eller PWR, eftersom en sådan skyddsdetektor skulle erhålla alltför många signaler och därför begränsa området med mätbara intensiteter hos detek- torsystemet.

WO98/47023 visar en anordning för bestämning av nuklidinne- hállet hos radioaktiva inerta gaser. Den kända anordningen innefattar en mätkammare, som innehåller de inerta gaserna, och en detektor, som detekterar gammastrålning från de radioaktiva inerta gaserna. Beräkningsorgan beräknar inne- hållet av olika nuklider baserat pá den detekterade gamma- 10 15 20 25 30 35 5 19 3 5 5 Éï* ÉÃÉÉ - -.I= - IÃÉÉ ÉÃÉI strålningen. Detektorn har formen av en platta med en tjocklek inom intervallet 3 till 20 mm.

SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en förbättrad anordning för bestämning av nuklidinnehållet hos en radioaktiv fluid. Mer specifikt eftersträvas en an- ordning för mätningar under drift, vilken uppfyller kraven på att undertrycka bakgrundsstràlningen på ett lämpligt sätt.

Detta ändamål uppnås med den inledningsvis angivna anord- ningen som kännetecknas av att den primära detektorn inne- fattar en första detektordel som har en främre ände riktad mot utrymmet och en andra detektordel som är inrättad intill nämnda främre ände mellan den första detektordelen och utrymmet.

Med ett sådant förbättras avsevärt effektiviteten vid bestämningen av gammastrålar med låg detektorarrangemang energi från exempelvis Xe och Kr i avgaserna i en BWR och Xe, Kr, I och Np i kylmedlet i BWR och PWR under drift av den. nukleära. kraftanläggningen" Detektorarrangemanget möj- liggör också ett avsevärt större antal mätningar av intres- santa nuklidinnehåll per tidsenhet än kända anordningar en- ligt teknikens ståndpunkt. Vidare förbättras noggrannheten hos mätningarna eftersom arrangemanget enligt uppfinningen möjliggör ett effektivt undertryckande av bakgrundsstràl- ningen.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning har den andra detektordelen en plattliknande form. Därvid kan den andra detektordelen vara avsevärt tunnare än den första de- tektordelen. Bestämningen av den intressanta gammastràl- ningen med låg energi är möjlig eftersom den första relativt 10 15 20 25 30 35 519 355 tjocka detektordelen endast kommer att detektera gammastrål- ning med hög energi medan den andra relativt tunna detektor- delen kommer att detektera gammastràlning med alla energier men med en signifikant högre effektivitet för låga energier (omkring 50 - 500 keV). Bearbetningsorganet är företrädesvis inrättat att inte registrera fotoner mätta med bägge detek- tordelarna, exempelvis kommer signaler från den andra detek- tordelen inte att registreras av bearbetningsorganet när de sammanfaller med signaler från den första detektordelen, med hjälp av s k antikoincidensspärrteknik.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfin- ning innefattar den andra detektordelen en HPGe-detektor. I synnerhet är den andra detektordelen en HPGe-planardetektor.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfin- ning bildas den första detektordelen och den andra detektor- delen av en gemensam kristall som är monolitiskt segmenterad i nämnda två delar. Företrädesvis uppnås externa och interna elektriska kontakter genom litiumdiffusion. Enligt en annan utföringsfonn av föreliggande uppfinning bildas den första detektordelen och den andra detektordelen av två separata kristaller som är inrättade intill varandra. Valet av en gemensam kristalldetektor eller två separata detektordelar skall göras beroende på de speciella omständigheterna, såsom optimering av upplösningen och omsättningen.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfin- ning har anordningen en centrumaxel som sträcker sig genom den första detektordelen, den andra detektordelen och utrym- met. Företrädesvis är den andra detektordelens radiella ut- sträckning med avseende pà centrumaxeln mindre än den första detektordelens radiella utsträckning.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfin- ning innefattar anordningen en sekundär detektor som har en u u « | . ø n n on 10 15 20 25 30 35 q | n | o; n 519 355 främre ände riktad mot utrymmet och den primära detektorn.

Med en sådan ytterligare detektor kan också strålningen i bakåtriktningen motsatt framåtriktningen sonl mäts med den primära detektorn tas hänsyn till vid bestämningen av inne- hållet av specifika nuklider. Den sekundära detektorn kan vara innefattad i antikoincidensspärrbearbetningen. Företrä- desvis sträcker sig centrumaxeln genom den sekundära detek- torn. Den sekundära detektorn innefattar åtminstone en av en BGO-detektor och en NaI(Tl)-detektor.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfin- ning innefattar den första detektordelen åtminstone en av en HPGe-detektor, en BGO-detektor och en NaI(Tl)-detektor.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfin- ning definieras utrymmet av en inneslutning. Vidare kan an- ordningen innefatta en inloppskanal för en väsentligen kon- tinuerlig tillförsel av fluiden till utrymmet och, en ut- kontinuerlig utmatning av loppskanal för en väsentligen fluiden från utrymmet.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfin- ning är fluiden en gas och/eller en vätska. I en fördelaktig tillämpning av uppfinningen kan anordningen användas för bestämning av nuklidinnehållet i avgaserna från en nukleär kylmedlet hos den nukleära kraftanläggning och/eller i kraftanläggningen.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfin- ning är den första detektordelen inrättad att detektera en- dast gammastràlning' med en relativt hög energi, medan den andra detektordelen kommer att detektera gammastrålning med alla energier, med en signifikant högre effektivitet för låga energier. Bearbetningsorganet är därvid inrättat att bestämma kvantiteten av bestämda gammastrålning med relativt lO 15 20 25 30 35 s 19 355 2.' lág energi med hjälp av antikoincidensspärrning av signaler från den första detektordelen och den andra detektordelen.

Enligt ännu en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfinning är den sekundära detektorn inrättad att detektera endast gammastrålning med en relativt hög energi och från annihilering. Bearbetningsorganet är därvid inrättat att bestämma kvantiteten av nämnda gammastrålning med relativt låg energi med hjälp av antikoincidensspärrning av signaler från den första detektordelen, den andra detektordelen och den sekundära detektorn.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Föreliggande uppfinning skall nu förklaras närmare med hjälp av en beskrivning av utföringsformer av uppfinningen. och också med hänvisning till bifogade ritningar.

Fig 1 är ett diagram som visar den linjära utsläcknings- koefficienten hos germanium.

Fig 2 är ett diagram över fotonenergin som en funktion av spridningsvinkeln. spridningssannolikheten mot för fotoner med olika ener- är ett vinkeln Fig 3 diagram över <0 till 1so°) gier.

Fig 4 är ett diagram som visar energifördelningen hos elektroner från Compton-spridning för primära foto- ner pä 511, 1200 och 2760 keV, d v s det relativa bakgrundsbidraget från annihileringsprocessen.

Fig 5 är som visar ett diagram spridningsvinklar mot Compton-kontinuet. Denna figur illustrerar att för att undertrycka Compton-kontinuet med låg energi (exempelvis från elektroder med låg energi) mäste fotoner spridda med små vinklar undertryckas.

Fig 6 visar schematiskt en anordning enligt en utförings- form av föreliggande uppfinning. u u a a u u : | nu 10 15 20 25 30 35 n non DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER AV FÖRELIGGANDE UPPFINNING Fig 6 visar en anordning för bestämning, genom detektering och beräkning, av nuklidinnehållen hos en radioaktiv fluid.

Fluiden kan vara en gas, exempelvis avgaserna som produceras av en nukleär reaktor hos en nukleär kraftanläggning under drift. Fluiden kan också vara kylmediet, väsentligen vatten, kärnreaktorn hos den nukleära som strömmar genom kraftanläggningen. Uppfinningen är applicerbar på nukleära kraftanläggningar av olika typer, speciellt lättvattenreak- innefattande torer kokarvattenreaktorer och tryckvatten- reaktorer.

Anordningen innefattar ett hus 1 som innesluter anordningens aktiva komponent. Huset l bildar en kollimator och är före- trädesvis tillverkad av ett material som förhindrar pene- trering av radioaktiv strålning, såsom bly. I huset 1 är ett utrymme 2 anordnat för nwttagande av fluiden. Utrymmet 2 definieras av en inneslutning 3. Utrymmet 2 innesluter sä- ledes en volym av fluiden vars nuklidinneháll skall bestäm- mas med anordningen. Anordningen innefattar en inloppskanal 4 för tillförseln av fluiden till utrymmet 2 och en utlopps- kanal 5 för utmatningen av fluiden från utrymmet 2. Inlopps- kanalen 4, utrymmet 2 och utloppskanalen 5 är inrättade att medge ett väsentligen kontinuerligt flöde av fluiden där- igenom. Anordningen kan vara anordnad i en kärnreaktor på så sätt att en del av avgaserna eller kylmedlet leds väsentli- gen kontinuerligt genom utrymmet 2. Med ett sädant arrange- mang är en bestämning i allt väsentligt under drift möjlig.

Vidare innefattar anordningen en primär detektor 6 och en sekundär detektor 7. Den primära detektorn 6 innefattar en första detektordel 8 och en andra detektordel 9. Anordningen har en centrumaxel >< som sträcker sig genom utrymmets 2 10 15 20 25 30 35 519 355 centrum, den första detektordelen 8, den andra detektordelen 9 och den sekundära detektorn 7. Detektorerna är inrättade på så sätt att den första detektordelen 8 har en främre ände riktad mot utrymmet 2 och att den andra detektordelen 9 är anordnad intill nämnda främre ände mellan den första detek- tordelen 8 och utrymmet 2. Den sekundära detektorn 7 har också en främre ände riktad mot utrymmet 2 och den primära detektorn 6 i linje med centrumaxeln X. Den sekundära detek- torn 7 är följaktligen lokaliserad på den andra sidan om utrymmet 2 motsatt den primära detektorn 6. Detektorerna 8, 9 och 7 är anslutna till ett bearbetningsorgan 10 för be- räkningen av nuklidinnehállen som skall bestämmas. Bearbet- ningsorganet 10 kan vara utformat på olika sätt och i den visade utföringsformen innefattar det exempelvis tre räkne- organ 11, 12 och 13, en för varje detektor 8, 9 och 7. Räk- neorganen 11 - 13 är anordnade att räkna fotonerna som de- tekteras med respektive detektor 8, 9 och 7. Räkneorganen 11 - 13 är anslutna till en analysenhet 14 hos bearbetnings- organet 10 för analys av resultaten från räkneorganen 11 - 13 och detektorerna 8, 9 och 7.

Den första detektordelen 8 kan innefatta en av en HPGe-de- tektor, en BGO-detektor och en NaI(Tl)-detektor. dära detektorn 7 kan innefatta en av en BGO-detektor och en Den sekun- NaI(Tl)-detektor. Den andra detektordelen 9 innefattar före- trädesvis en HPGe-detektor. Såsom framgår av Fig 6 är den andra detektordelen 9 väsentligt tunnare än den första de- tektordelen 8 sett längs centrumaxeln. x. Vidare kan den andra detektordelen 9 ha en mindre radiell utsträckning med avseende på centrumaxeln x än den första detektordelen 8.

Den andra detektordelen 9 har följaktligen en plattliknande, plan form.

Enligt en utföringsform av uppfinningen kan den första de- tektordelen 8 och den andra detektordelen 9 vara bildade av en gemensam kristall, som är nwnolitiskt segmenterad till lO 15 20 25 30 35 a o n | n n o n o. 519 F» 55 - ' nämnda två detektordelar 8, 9. Ett sådant arrangemang kan erhållas med känd teknik, elektriska varvid de externa och interna erhålls Enligt en annan utföringsform bildas den första kontakterna vanligtvis genom litium- diffusion. detektordelen 8 och den andra detektordelen 9 av två sepa- rata kristaller. De två separata kristallerna är anordnade intill varandra. En liten spalt kan vara anordnad mellan de två separata kristallerna.

Den första detektordelen 8 är anordnad att detektera endast fotoner med en relativt hög energi medan den andra detek- tordelen 9 är inrättad att detektera gammastrålning med alla energier, men med en signifikant högre effektivitet för lägre energier (omkring 50 - 500 keV). Den sekundära detek- torn. 7 är inrättad att detektera endast fotoner med hög energi och annihileringsstrålning. Den sekundära detektorn 7 och den första detektordelen 8 kommer således att fungera som skyddsdetektorer. Analysenheten 14 hos bearbetnings- organet 10 är inrättad att bestämma kvantiteten av nämnda fotoner med relativt låg energi, exempelvis från Xe-133 och Np-239, från detektorerna 7, med hjälp av antikoincidensspärrning av signalerna 8 och 9. resultatet på antikoincidensspärrning av detektorsignalerna Med andra ord baseras mät- från den andra planardetektordelen 9 med signalerna från den första detektordelen 8 i framåtriktningen och den sekundära detektorn 7 i bakåtriktningen. Fotoner som mäts i detektorn 9 i koincidens med 8 och/eller 7 kommer inte att registreras av anordningen. Signalerna från den andra planardetektor- delen 9 kommer endast att registreras när de inte samman- faller med signalerna från skyddsdetektorerna 8 och 7.

Arrangemanget enligt uppfinningen medger undertryckande av Compton-kontinuet med låg energi utan förluster av korrekta signaler. Detta uppnås effektivt eftersom fotonerna, som kommer att vara Compton-spridda med små vinklar i den andra planardetektordelen 9, också kommer att passera genom den lO 519 355 10 tjockare första detektordelen 8 i framätriktningen och den sekundära detektorn 9 i bakåtriktningen.

Det skall noteras att den sekundära detektorn 7 inte är nöd- vändig enligt uppfinningens kärna. Anordnandet av den se- kundära detektorn 7 kan emellertid. ytterligare förbättra mätresultaten.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till de visade utföringsformerna utan kan varieras och modifieras inom ra- men för de följande patentkraven.

Claims (21)

10 15 20 25 30 35 n n - | nu 519 355 o n - . o o n | au .-. -. ..- --.-.. -. v avv- 0 lll I lo I I' [ ., . .nu ll Eatentkray

1. Anordning för bestämning av nuklidinnehàllet hos en radioaktiv fluid, innefattande ett utrymme (2) för mot- tagande av fluiden, en primär detektor för detektering av gammastrålningen som avges från fluiden i utrymmet (2) och ett bearbetningsorgan för bestämning av nuklidinnehållet hos fluiden baserat pà den detekterade gammastrálningen, känna; LfiQknad__ay att den. primära detektorn (6) innefattar en första detektordel (8) som har en främre ände riktad mot utrymmet (2) och en andra detektordel (9) som är anordnad intill nämnda främre ände mellan den första detektordelen (8) och utrymmet (2).

2. Anordning enligt krav 1, känneLfiQknad_ay att den andra detektordelen (9) har en plattliknande form.

3. Anordning enligt något av kraven 1 och 2, kànnetecknad av att den andra detektordelen (9) innefattar en HPGe-detek- tor.

4. Anordning enligt kraven 2 och 3, känneLfiQknad_ay att den andra detektordelen (9) är en HPGe-planardetektor.

5. Anordning enligt något av de föregående kraven, känna; tfiQknad_ây att den första detektordelen (8) detektordelen (9) monolitiskt segmenterad i nämnda två delar. och den andra är bildade av en gemensam kristall, som är

6. Anordning enligt något av kraven 1 till 4, kännetegknad ay att den första detektordelen (8) och den andra detektor- delen (9) ordnade intill varandra. är bildade av respektive kristaller, vilka är an-

7. Anordning enligt något av de föregående kraven, känna; tfiQknad__ay att anordningen har en centrumaxel (X) som 10 15 20 25 30 35 519 355 12 sträcker sig genom den första detektordelen (8), den andra detektordelen (9) och utrymmet (2).

8. Anordning enligt krav 7, kännfiLaQknad_ay att den andra detektordelens (9) radiella utsträckning med avseende på centrumaxeln (x) är mindre än den första detektordelens (8) radiella utsträckning.

9. Anordning enligt något av de föregående kraven, känna; taaknad_ay att den första detektordelen (8) och den andra detektordelen (9) är anslutna till bearbetningsorganet (10).

10. Anordning enligt något av de föregående kraven, känna; taQknad_ay att anordningen innefattar en sekundär detektor (7) som har en främre ände riktad mot utrymmet och den pri- mära detektorn (6). att sträcker sig genom den sekundära detektorn

11. Anordning enligt kraven '7 och 9, centrumaxeln (X) (7).

12. l2. Anordning enligt något av kraven 10 och 11, kännataak; nad_ay att den sekundära detektorn (7) innefattar åtminstone en av en BGO-detektor och en NaI(Tl)-detektor.

13. Anordning enligt något av kraven 10 till 12, kännatank; nad_ay att den sekundära detektorn (9) är ansluten till be- arbetningsorganet (10).

14. Anordning enligt något av de föregående kraven, känna; ta§knad_ay att den första detektordelen (8) minstone en av en HPGe-detektor och en NaI(Tl)-detektor. innefattar åt-

15. Anordning enligt något av de föregående kraven, känna; LfiQknâd_aI att utrymmet (2) (3). definieras av en inneslutning 10 15 20 25 30 ø - - - nu 519 5 55 ' 13 kännetaflmmxiiay att anord- för en. väsentligen

16. Anordning enligt krav 15, ningen innefattar en inloppskanal (4) kontinuerlig tillförsel av fluiden till utrymmet (2) och en utloppskanal (5) för en väsentligen kontinuerlig utmatning av fluiden från utrymmet (2).

17. Anordning enligt något av de föregående kraven, känna; tecknad_ay att fluiden är en gas och/eller en vätska.

18. Anordning enligt något av de föregående kraven, känna; tecknad_ay att den första detektordelen (8) är inrättad att detektera endast gammastrålning med en relativt hög energi, och att den andra detektordelen (9) tera gammastrålning med alla energier, med en signifikant är inrättad att detek- högre effektivitet för låga energier.

19. Anordning enligt kraven 9 och 18, känneLecknad_ay att bearbetningsorganet (10) är inrättat att bestämma kvantite- ten av nämnda gammastrålnimg med relativt låg energi med hjälp av anti-koincidensspärrning av signaler från den för- sta detektordelen (8) och den andra detektordelen (9).

20. Anordning enligt kraven 10 och 18, känneLecknad_ay att den sekundära detektorn (7) är inrättad att detektera endast gammastrålning :ned en relativt hög energi och från. anni- hileringsstrålning.

21. Anordning enligt kraven 19 och 20, kännfiLeQknâd_ay att bearbetningsorganet (10) är inrättat att bestämma kvantite- ten av nämnda gammastrålning med relativt låg energi med hjälp av anti-koincidensspärrning av signaler från den för- (8), sekundära detektorn (7). sta detektordelen den andra detektordelen (9) och den