WO2019115458A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des borgehalts in einem medium - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des borgehalts in einem medium Download PDF

Info

Publication number
WO2019115458A1
WO2019115458A1 PCT/EP2018/084186 EP2018084186W WO2019115458A1 WO 2019115458 A1 WO2019115458 A1 WO 2019115458A1 EP 2018084186 W EP2018084186 W EP 2018084186W WO 2019115458 A1 WO2019115458 A1 WO 2019115458A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
temperature
neutron
measuring arrangement
medium
detector
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/084186
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carina Raupach
Sebastian Kraus
Andreas Güttler
Jens Hasper
Roland Falk
Original Assignee
Framatome Gmbh
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 Framatome Gmbh filed Critical Framatome Gmbh
Publication of WO2019115458A1 publication Critical patent/WO2019115458A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C7/00—Control of nuclear reaction
    • G21C7/06—Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section
    • G21C7/22—Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section by displacement of a fluid or fluent neutron-absorbing material, e.g. by adding neutron-absorbing material to the coolant
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/06—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and measuring the absorption
    • G01N23/09—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and measuring the absorption the radiation being neutrons
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
    • G21C17/02—Devices or arrangements for monitoring coolant or moderator
    • G21C17/022—Devices or arrangements for monitoring coolant or moderator for monitoring liquid coolants or moderators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/60—Specific applications or type of materials
    • G01N2223/635—Specific applications or type of materials fluids, granulates
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for determining the boron content in a medium.
  • the measuring arrangement according to the present invention is a further development of the measuring arrangement known from European patent EP 0 932 905 B1. That is, the basic structure with respect to a neutron source and at least one neutron detector, which are preferably mounted substantially opposite a pipe, is maintained.
  • the measuring principle can be described as follows: Through the tube flows a medium, namely water with boric acid, whose boron content (isotope B-10) can be determined by the neutron detectors due to the absorption in the medium of the neutrons emitted by the neutron source.
  • a medium namely water with boric acid, whose boron content (isotope B-10) can be determined by the neutron detectors due to the absorption in the medium of the neutrons emitted by the neutron source.
  • the neutron source, short source, and the neutron detectors, short detectors, are embedded in a moderator. According to the prior art, these are polyethylene (PE).
  • PE polyethylene
  • the moderator fulfills two essential functions:
  • the moderator is also important from a radiation protection point of view, since the moderated neutrons can be better shielded.
  • the previous design is suitable only for medium temperatures up to 100 ° C and ambient temperatures up to about 70 ° C, since the moderator PE used has a melting temperature of about 130 ° C and already at approx.
  • the object of the invention is to develop the well-known from the prior art Messan order such that it works reliably without active cooling at high medium temperatures in the pipeline of, for example, above 100 ° C and / or at high ambient temperatures and possible precise determination of the boron content. Furthermore, a corresponding method should be specified.
  • the object is achieved according to the invention by a measuring arrangement with the features of claim 1.
  • the corre sponding method is defined in claim 14.
  • the measuring arrangement according to the present invention uses a tempera ture resistant moderator or depending on the application, a combination of meh eral moderators. It is also the total abandonment of a moderator possible, please include.
  • Suitable moderators are all temperature-resistant materials, which certainly have moderation properties for neutrons, and a low neutron absorption, which decreases even further with increasing temperature and thus compensates for other temperature-dependent effects.
  • graphite One possible suitable moderator is graphite.
  • a graphite-moderated Messan order also works at significantly higher medium temperatures and / or ambient temperatures. Since graphite is temperature resistant, it is generally possible to use it up to 300 ° C (medium temperature and also ambient temperature) and beyond. This allows the measuring arrangement in a nuclear power plant be attached directly to the lines from the primary circuit and remains even during and after a fault with higher temperature still ready for use.
  • a combination of different moderators is always useful if the properties of two different moderators can be com bined in an advantageous manner.
  • a temperature resistant moderator eg graphite
  • PE temperature resistant moderator
  • the outer material can also be chosen so that it has neutronenreflektie-generating properties in order to maximize the measurement signal as possible.
  • the half-shell in which the source sits with a fill at the moderator, as the half-shell in which the detectors sit.
  • the main purpose of the source is to reduce the fast neutrons emitted by the source so that they are absorbed by the boron in the medium as efficiently as possible, whereas at the location of the detector it is much more important that they pass through the medium Completely detect neutrons and lose none. Therefore, the reflection or backscattering of the neutrons towards the detector is more decisive than moderation. Based on these considerations, it is then possible to independently select suitable moderators for the side of the neutron source and the side of the detectors.
  • moderators such as the combination of three or more moderators (eg, a neutron reflector as an additional outer layer).
  • moderators e.g, a neutron reflector as an additional outer layer.
  • the specific application or the given restrictions weight, radiation protection, medium temperature, outside temperature have to be considered.
  • a complete renouncement of a moderator has the advantage of a very robust construction. In addition, you have a significant cost reduction and weight saving. Thus, a design without a moderator can be used anywhere where certain lines only a limited weight can withstand, or where the seismic requirements are particularly large. In addition, use under higher temperatures (medium temperature and outside temperature) is possible, please include.
  • a temperature correction is proposed according to the invention, which takes into account several influencing parameters on the count rate N, such.
  • B. the respec ge Borkonzentration c, the medium temperature Ti and the ambient temperature T A.
  • the evaluation method thus preferably operates with a count rate N (c, T i, T A ), which functionally depends on the mentioned influencing parameters.
  • a temperature gradient within the moderator should be corrected. This can be solved either by implementing a suitable multi-dimensional function in the evaluation software, or by measuring the characteristic curve N (c) for different temperatures (medium temperature Ti and outside temperatures T A ) and interpolating between them. For this purpose, the measured data of at least two temperature sensors, namely for egg nen in the medium and on the other in or outside of the moderator, before given to.
  • the temperature sensors react more quickly as the moderator temperature sets, so that the correction can already be deduced therefrom before a corresponding gradient occurs in the moderator.
  • the required temperature correction for the temperature at the location of the detector which can be appreciably significant in particular for measurements in a wide temperature range, is constantly recalculated on the basis of the input signals of the temperature sensors. It provides predictions for after a certain amount of time (in which a particular gradient is set in the moderator has needed correction. This method is also applicable when using different moderator layers.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a prior art measuring device (SdT) for determining the boron content in a medium.
  • SdT prior art measuring device
  • FIG. 2 shows a to FIG. 1 belonging cross-section.
  • FIG. 3 shows a cross section through a measuring arrangement according to a variant of the invention for determining the boron content in a medium.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a measuring arrangement according to a further variant of the invention for determining the boron content in a medium.
  • FIG. 5 shows a to FIG. 4 belonging cross section.
  • FIG. 6 shows a cross section through a measuring arrangement according to a further variant of the invention for determining the boron content in a medium.
  • FIG. 7 shows a simplified view of a measuring arrangement according to one of the previous figures, wherein additional temperature sensors are indicated schematically.
  • FIG. FIG. 8 shows, for a measuring arrangement according to one of the previous figures, the variation of the temperature at the location of the detector as a function of time when the moderator surrounding the detector heats up (ie the temperature in the medium rises).
  • FIG. Figure 9 shows the plot of temperature at the location of the detector as a function of time as the moderator cools (ie the temperature in the medium drops to the outside temperature).
  • FIG. 10 shows an example of a characteristic curve for a detector in one of the measuring arrangements described here.
  • the relative count rates are normalized to the rate of deionized water (0 ppm boron).
  • a change in count rate translates to a change in boron concentration.
  • the concentration data are given here for natural boron.
  • FIG. 1 and FIG. 2 are taken from the European patent EP 0 932 905 B1 ent and show a longitudinal section and a cross section through a measuring arrangement according to the prior art for determining the boron content in egg ner liquid.
  • EP 0 932 905 B1 European patent EP 0 932 905 B1 ent and show a longitudinal section and a cross section through a measuring arrangement according to the prior art for determining the boron content in egg ner liquid.
  • the patent EP 0 932 905 B1 describes a measuring arrangement 2 for determining the boron content in a medium, here a reactors torkühlstoff which circulates in the cooling circuit of a nuclear reactor in a nuclear power plant.
  • the refrigeration cycle includes a portion in which the reactor coolant flows through a pipeline 1 in liquid form during operation of the nuclear reactor.
  • the piping 1, also referred to as the measuring line, is here oriented vertically in the example.
  • the measuring arrangement 2 comprises a neutron source 16, which is arranged on a side of the pipeline 1 at a certain distance from it, and a neutron detector 18 in the form of at least one counter tube, which is substantially opposite the neutron source 16 on the other side of the pipeline 1 in a certain distance to it at approximately the same height as the neutron source 16 is arranged.
  • the neutrons emitted by the neutron source 1 6 pass (at least for the most part) through the pipeline 1 and through the reactor coolant flowing therethrough and, unless they are absorbed on their way or scattered outwards, pass through on the opposite side the neutron detector 18 detected.
  • the count rate measured at the neutron detector 18 correlates with the degree of neutron absorption in the reactor coolant, which in turn depends on the boron content or boric acid content in the reactor coolant. In this way, in an associated evaluation unit with a known intensity of the neutron source 1 6 from the measured count rate, the boron content or the Borkon concentration in the reactor coolant can be determined.
  • the neutron source 1 6 is surrounded by a half-shell 4, which consists of a neutron moderator or short moderator. To accommodate the pipe 1 in the center and the neutron source 1 6 slightly further out, the half-shell 4 is provided with a corresponding cutout.
  • the neutron detector 18 is enclosed in a corresponding manner by a half-shell 6, which likewise consists of a neutron moderator or short moderator.
  • Both half-shells 4, 6 together form a complete shell in the installation position, here in the example with an octagonal outer contour in cross-section, which in general can of course also be shaped differently.
  • the neutron mode of both shells consists of polyethylene (PE).
  • the purpose of the neutron moderator is primarily in the thermalization of neutrons emitted by the neutron source 1 6 ne to improve the signal-to-noise ratio at Neutro nendetektor 18. In addition, he causes a radiation protection from shielding the measuring device 2 to the external environment. To improve the shield, an additional covering 12 of the two half-shells 4, 6 of neutron-absorbing material, here cadmium, is optionally present.
  • a cross-sectionally annular, drive in loading of a coolant flowed through cooling channel 20 between the pipe 1 and the two half-shells 4, 6 are present.
  • a coolant cooling air used which is blown by means of a blower or fan 24 in the cooling channel 20.
  • a cross-sectionally annular thermal insulation layer 28 preferably from a closed static air cushion.
  • the polyethylene used according to EP 0 932 905 B1 as moderator is suitable only for ambient temperatures up to about 70 ° C, because it already softens at about 80 ° C. This corresponds to a medium temperature in the pipeline 1 of about 100 ° C.
  • 6 decreases ver, but at higher medium temperatures is still considerable.
  • high ambient temperatures outside tempera tures
  • various modifications of the known measuring arrangement 2 are proposed, the temperatures even without active cooling at medium temperatures in the pipeline 1 above 100 ° C and / or at high ambient temperatures reliably operate long term.
  • Measuring arrangement 2 is shown in FIG. 3 completely waived the moderator. That is, similar to the prior art, on the one hand, the pipeline 1 to be examined medium leading a neutron source 1 6 and in wesent union diametrically opposite on the other side of a neutron detector 18, comprising one or more counter tubes arranged.
  • the of FIG. 1 and 2 be known half shells 4, 6 are not available. There is only air between these components. As a result, high temperature stability results in a significant cost reduction and weight saving, but it has to withstand a higher radiation exposure in the environment, since the shielding effect of the moderator is eliminated. In addition, the moderator's positive influence on the signal-to-noise ratio at the neutron detector 18 is eliminated.
  • a neutron source 16 is arranged, and substantially diametrically opposite on the other side, a neutron detector 18, comprising one or more counter tubes, is arranged.
  • the neutron source 16 is enclosed by a half-shell 4, which consists of a neutron moderator or short moderator.
  • the half-shell 4 is provided with a corresponding cutout.
  • the neutron detector 18 is enclosed in a corresponding manner by a half-shell 6, which also consists of a neutron moderator.
  • Both half shells 4, 6 together bil in the installed position a complete shell 30, here in the example with a circular cross-sectional outer contour, which in general can of course also be shaped differently.
  • the same temperature-resistant moderator ie, for example, either graphite or PEEK or PI
  • the two half-shells 4, 6 consist of different temperature-resistant materials, resulting in a targeted adaptation to different physical requirements on the Side of the neutron source 1 6 on the one hand and on the side of the neutron detector 18 on the other hand allows.
  • the third main variant according to FIG. 6 builds on the second main variant according to FIG. 4 and 5 on.
  • an outer shell 40 formed from two half-shells 34, 36 is present, which preferably rests against and encloses the inner shell 30.
  • the inner shell 30 and the outer shell 40 preferably form a system of two con centric rings. If there are no particularly high outside temperatures, the outer shell 40 of a less heat-resistant moderator hen best than the inner shell 30. If the outside temperatures are higher than the Me diumstemperaturen in the pipeline 1, but it may be the other way round.
  • the outer shell 40 may be optimized for a reflection of neutrons, so be effective as a neutron reflector.
  • the use of different materials for the two outer half shells 34, 36 is conceivable.
  • the abutment surfaces 44 between the two outer half shells 34, 36 preferably lie in a plane with the abutment surfaces 42 the inner half shells 4, 6.
  • the outer shell is therefore formed uniformly from the material, then the abutment surfaces 42, 44 in principle are arbitrary to each other.
  • the inner shell 30 formed from the two half-shells 4, 6 may consist entirely of graphite or PEEK or PI.
  • the two inner half shells 4, 6 consist of different Materia lien, such as one of graphite and the other PEEK.
  • the outer shell 40 formed from the two half-shells 34, 36 may consist entirely of PE, with the advantage of a weight reduction of the Ge felan ever.
  • the neutron source 16 need not necessarily be located opposite the neutron detector 18. Both can also be arranged more or less next to each other, virtually on one side with respect to the pipeline 1. This applies to all variants of the invention described here.
  • existing moderators then form corre sponding shell segments.
  • half-shell as used herein also covers such configurations.
  • FIG. 7 illustrates the input variables that are expediently used in this context, namely, on the one hand, the (intrinsic) temperature Ti of the medium flowing through the pipeline 1 in the region of the measuring arrangement 2, which in the case of a good heat-conducting tube wall material is approximately equal to the temperature on the outside of the tube wall on the inside of the pipe 1 surrounding the shell 30 is equal.
  • the temperature sensor 50 required for measuring the temperature Ti may deviate from the illustration in FIG. 7 further away from the measuring arrangement 2 downstream or upstream, provided that the temperature T
  • the ambient or external temperature T A applied to the outside of the shell 30 is measured by a further temperature sensor 60, which differs from the illustration in FIG. 7 may also be arranged further away from the measuring arrangement 2, provided that the temperature T A does not change significantly over the corresponding distance.
  • a further temperature sensor 60 which differs from the illustration in FIG. 7 may also be arranged further away from the measuring arrangement 2, provided that the temperature T A does not change significantly over the corresponding distance.
  • a detector mounted on the outside of the Mo detector is easier to assemble and also to equip.
  • it depends on the temperature distribution throughout the moderator (also in the outer layers) in order to correct thermal effects in the moderator material accordingly.
  • at least two temperature sensors are used, one of them as possible inside and the other as far as possible outside.
  • the evaluations described below are preferably carried out in an electronic evaluation unit 80 in which the evaluation and correction algorithms are implemented in hardware and / or software.
  • the characteristics required for the evaluation and correction are also stored there in digital form, which were previously determined as part of calibration or standardization measurements.
  • the required measured values in particular the measured count rate N and the tem peratures Ti and T A are supplied, and then output the current Borkon centering c.
  • the temperature T D at the location of the detector depends on the measured temperatures of at least two temperature sensors - here for simplicity on the one hand Ti: temperature in the medium measured by intrinsic sensor, and on the other hand T A : ge outside temperature measured on the outer surface of the moderator , In addition, the time history must be calculated to make predictions for a correction:
  • a ⁇ l denotes a material- and geometry-specific constant (with respect to the thermal conductivity of the material).
  • T D (t) T A + a- (T j -r A ) -exp (- (ii 0 ) / i j )
  • the temperature of the detector T D is selected here by way of example. Similarly, one could determine the temperature at each point within the moderator as a function of time and make predictions about the correction needed.
  • the heating or cooling can also be described by a polynomial.
  • the count rate is then corrected according to the temperature effect (in the moderator material itself or in the detector):
  • N corr (t) f (T A -T D ) where the time dependence is in the temperature at the location of the detector:
  • T D T D ⁇ t
  • the correction can be applied linearly:
  • N corr (t) N mess - ⁇ l - ⁇ - a - iT j - T A ) - (l - exp (- (/ - / ") / /,))
  • N corr (t) N meas f (T r -T A , t) for the temperature correction with respect to thermal moderator effects and detector effects.
  • a correction function g (7), c) is additionally introduced which depends on the internal temperature (medium temperature). tur) t, and the concentration c depends. That is, one receives a total of following correction:
  • N corr N mess f (T j ⁇ T A , t) g (T j , C)
  • the function g (T r , c) can also be represented by a polynomial:
  • the characteristic Borkonzentration be determined. Thanks to the corrections described above, the determination of the boron concentration also works reasonably well at higher temperatures (in the medium and in the moderator).
  • the boron concentration in this example always refers to the mass concentration (not the volume concentration).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

Eine Messanordnung (2) zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium, welches durch eine Rohrleitung (1) strömt, soll auch ohne aktive Kühlung bei hohen Mediumstemperaturen in der Rohrleitung (1) und/oder bei hohen Umgebungstemperaturen langfristig zuverlässig funktionieren und eine möglichst präzise Bestimmung des Borgehalts ermöglichen. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Messanordnung (2) mit ▪ einer Neutronenquelle (16), die neben der Rohrleitung (1) angeordnet ist, ▪ einem Neutronendetektor (18), der neben der Rohrleitung (1) angeordnet ist, und ▪ einer Auswertungsvorrichtung (80), die anhand einer mit dem Neutronendetektor (18) gemessenen Zählrate (N) den Borgehalt im Medium bestimmt, wobei die Neutronenquelle (16) und/oder der Neutronendetektor (18) von einem Neutronenmoderator umgeben sind, der aus einem Material aus der Gruppe umfassend Graphit und Polyetheretherketon und Polyimid besteht.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.
Die Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Weiterentwicklung der aus der europäischen Patentschrift EP 0 932 905 B1 bekannten Messanord nung. Das heißt, der grundlegende Aufbau in Bezug auf eine Neutronenquelle und mindestens einen Neutronendetektor, die bevorzugt im Wesentlichen gegenüber liegend um ein Rohr befestigt werden, bleibt erhalten.
Das Messprinzip lässt sich wie folgt beschreiben: Durch das Rohr fließt ein Medi um, nämlich Wasser mit Borsäure, dessen Borgehalt (Isotop B-10) aufgrund der Absorption im Medium der von der Neutronenquelle ausgesendeten Neutronen mithilfe der Neutronendetektoren bestimmt werden kann.
Die Neutronenquelle, kurz Quelle, und die Neutronendetektoren, kurz Detektoren, sind eingebettet in einen Moderator. Gemäß dem Stand der Technik handelt es sich dabei um Polyethylen (PE). Der Moderator erfüllt zwei wesentliche Funktio nen:
• Moderation der von der Quelle ausgesendeten Neutronen, um damit eine stärkere Absorption im Medium und ein höheres Signal bei den Detektoren (sprich eine Verbesserung des Signal- zu Rausch-Verhältnisses bei der Bormessung) erreichen zu können.
• Der Moderator ist auch aus strahlenschutztechnischer Sicht bedeutend, da die moderierten Neutronen besser abgeschirmt werden können. Das bisherige Design ist allerdings nur für Mediumstemperaturen bis maximal 100 °C und Umgebungstemperaturen bis ca. 70 °C geeignet, da der eingesetzte Moderator PE eine Schmelztemperatur von ca. 130 °C hat und schon bei ca.
80 °C erweicht. Zudem kann man bei Kunstoffen wie PE störende Alterungseffekte nicht ausschließen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannte Messan ordnung derart weiter zu entwickeln, dass sie auch ohne aktive Kühlung bei hohen Mediumstemperaturen in der Rohrleitung von beispielsweise über 100 °C und/ oder bei hohen Umgebungstemperaturen langfristig zuverlässig funktioniert und eine möglichst präzise Bestimmung des Borgehalts ermöglicht. Des Weiteren soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
In Bezug auf die Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das entspre chende Verfahren ist in Anspruch 14 definiert.
Die Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet einen tempera turbeständigen Moderator bzw. je nach Einsatzgebiet eine Kombination aus meh reren Moderatoren. Es ist auch der gänzliche Verzicht auf einen Moderator mög lich.
Als Moderator infrage kommen alle temperaturbeständigen Materialen, die gewis se Moderationseigenschaften für Neutronen aufweisen, sowie eine geringe Neut ronenabsorption, die mit zunehmender Temperatur nach Möglichkeit noch weiter abnimmt und damit andere temperaturabhängige Effekte ausgleicht.
Ein möglicher geeigneter Moderator ist Graphit. Eine graphit-moderierte Messan ordnung funktioniert auch bei deutlich höheren Mediumstemperaturen und /oder Umgebungstemperaturen. Da Graphit temperaturbeständig ist, ist ein Einsatz bis 300 °C (Mediumstemperatur und auch Umgebungstemperatur) und auch darüber hinaus generell möglich. Damit kann die Messanordnung in einem Kernkraftwerk direkt an die Leitungen aus dem Primärkreis angebracht werden und bleibt auch während und nach einem Störfall mit höherer Temperatur noch einsatzbereit.
Eine Kombination aus verschiedenen Moderatoren ist immer dann sinnvoll, wenn die Eigenschaften zweier verschiedener Moderatoren in vorteilhafter Weise kom biniert werden können. Beispielsweise kann man bei einem Einsatzort mit heißem Medium aber mäßiger Außentemperatur in einer inneren Schicht oder Schale ei nen temperaturbeständigen Moderator (z. B. Graphit) anbringen und in einer äu ßeren Schicht oder Schale einen weniger temperaturbeständigen Moderator (z. B. PE). Dies hat den Vorteil einer Gewichtsreduktion (weil die Dichte von Graphit et wa zweimal so groß ist wie die von PE) bei unveränderter Moderationswirkung und Abschirmung der Neutronen nach außen (strahlenschutztechnischer Aspekt).
Das äußere Material kann auch so gewählt werden, dass es neutronenreflektie rende Eigenschaften hat, um das Messsignal möglichst zu maximieren.
Man kann auch zum Beispiel die Halbschale, in der die Quelle sitzt mit einem an deren Moderator füllen, als die Halbschale, in der die Detektoren sitzen. Hier kann man den jeweilig besten Moderator auswählen, um das Signal- zu-Rausch- Verhältnis des Messsignals zu optimieren. Denn am Ort der Quelle geht es haupt sächlich darum, die von der Quelle emittierten schnellen Neutronen so abzubrem sen, dass sie möglichst effizient vom Bor im Medium absorbiert werden, während es am Ort des Detektors viel mehr darauf ankommt, die durch das Medium hin durchgelaufenen Neutronen vollständig zu detektieren und keine zu verlieren. Deswegen ist hier die Reflexion bzw. Rückstreuung der Neutronen zum Detektor hin entscheidender als die Moderation. Ausgehend von diesen Überlegungen kann man dann für die Seite der Neutronenquelle und die Seite der Detektoren unabhängig geeignete Moderatoren wählen.
Es sind auch weitere Kombinationen von Moderatoren möglich, wie etwa die Kombination von drei oder mehr Moderatoren (z. B. ein Neutronenreflektor als zu sätzliche äußere Schicht). Hierbei sind jeweils die spezifische Anwendung bzw. die gegebenen Einschränkungen (Gewicht, Strahlenschutz, Mediumstemperatur, Außentemperatur) zu berücksichtigen.
Ein gänzlicher Verzicht auf einen Moderator hat den Vorteil eines sehr robusten Aufbaus. Zudem hat man eine deutliche Kosten red uktion und Gewichtseinspa rung. Damit ist ein Design ohne Moderator überall dort einsetzbar, wo bestimmte Leitungen nur ein beschränktes Gewicht zusätzlich aushalten können, bzw. wo die seismischen Anforderungen besonders groß sind. Zusätzlich ist auch ein Einsatz unter höheren Temperaturen (Mediumstemperatur und Außentemperatur) mög lich.
Allerdings hat man am Einsatzort einer Messanordnung ohne Moderator eine hö here Strahlenbelastung, weil die abschirmende Wirkung des Moderators wegfällt. Zudem sollten die Anforderungen an die Genauigkeit und Responsezeit nicht zu hoch sein, da man aufgrund des geringeren absoluten Messsignals eine längere Messzeit (und/oder eine reduzierte Genauigkeit) in Kauf nehmen muss.
Eine Temperaturerhöhung im Medium führt zu einer Ausdehnung des Wassers im Medium, wodurch das Bor verdünnt wird. Für die Messanordnung heißt das eine Erhöhung der gemessenen Zählrate, weil weniger Neutronen durch die tempera turbedingte Verdünnung absorbiert werden. Diese temperaturabhängigen Auswir kungen auf die Zählrate werden erfindungsgemäß mit einer Temperaturkorrektur kompensiert.
Zudem gibt es thermische Effekte im Moderatormaterial und auch im Detektor, was gerade bei wechselnden Umgebungstemperaturen einen Einfluss auf die Messung hat. Auch diesbezüglich ist vorteilhafterweise eine Korrektur vorgesehen.
Ein besonders einfacher Algorithmus zur Temperaturkorrektur korrigiert thermi sche Effekte mit einem einzelnen Faktor. Dies setzt voraus, dass die Temperatur effekte unabhängig von der Borkonzentration sind. Dies ist nur näherungsweise der Fall. Deshalb ist eine solche Korrektur bei einem Einsatz über einen großen Temperaturbereich (z. B. 0 °C bis 300 °C) nicht mehr adäquat. Zudem muss man bei wechselnden Umgebungstemperaturen auch stärker thermische Effekte im Moderatormaterial berücksichtigen und korrigieren, um zu einem genauen Mess ergebnis zu kommen. Dies ist bei der genannten einfachen Temperaturkorrektur auch noch nicht berücksichtigt.
Neuere Informationen zeigen, dass gerade die Umgebungstemperatur bisher zu wenig berücksichtigt worden ist, was zu ungenauen Ergebnissen bei der Borbe stimmung führt.
Stattdessen wird erfindungsgemäß eine Temperaturkorrektur vorgeschlagen, die mehrere Einflussparameter auf die Zählrate N berücksichtigt, wie z. B. die jeweili ge Borkonzentration c, die Mediumstemperatur Ti und die Umgebungstempera tur TA. Das Auswertungsverfahren arbeitet also bevorzugt mit einer Zählrate N(c, T i, TA), die funktionell von den genannten Einflussparametern abhängt.
Gegebenenfalls sollte auch ein Temperaturgradient innerhalb des Moderators kor rigiert werden. Dies kann man entweder über die Implementation einer geeigneten mehrdimensionalen Funktion in der Auswertungssoftware lösen, oder indem man die Kennlinie N(c) für verschiedene Temperaturen (Mediumstemperatur Ti und Außentemperaturen TA) misst und dazwischen interpoliert. Dazu werden bevor zugt die Messdaten von mindestens zwei Temperatursensoren, nämlich zum ei nen im Medium und zum anderen im bzw. außen am Moderator, verwendet.
Bei schnellen Temperaturänderungen reagieren die Temperatursensoren schnel ler, als sich die Moderatortemperatur einstellt, so dass hieraus schon die Korrektur abgeleitet werden kann, bevor sich ein entsprechender Gradient im Moderator einstellt. Mit einem solchen Verfahren kann man permanent und vorausschauend die benötigte Temperaturkorrektur bestimmen und den Messwert entsprechend korrigieren. Das heißt, die benötigte Temperaturkorrektur für die Temperatur am Ort des Detektors, die insbesondere für Messungen in einem großen Temperatur bereich merklich ins Gewicht fallen kann, wird ständig neu berechnet anhand der Eingangssignale der Temperatursensoren. Sie liefert Voraussagen für die nach einer gewissen Zeit (in der sich ein bestimmter Gradient im Moderator eingestellt hat) benötigte Korrektur. Diese Methode ist auch anwendbar bei der Verwendung von unterschiedlichen Moderatorschichten.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen und zum Teil stark vereinfachten Zeichnungen näher erläutert:
FIG. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Messanordnung aus dem Stand der Technik (SdT) zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.
FIG. 2 zeigt einen zu FIG. 1 gehörigen Querschnitt.
FIG. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Messanordnung gemäß einer Variante der Erfindung zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.
FIG. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Messanordnung gemäß einer weiteren Variante der Erfindung zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.
FIG. 5 zeigt einen zu FIG. 4 gehörigen Querschnitt.
FIG. 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Messanordnung gemäß einer weiteren Variante der Erfindung zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.
FIG. 7 zeigt eine vereinfachte Ansicht einer Messanordnung gemäß einer der vor herigen Figuren, wobei zusätzliche Temperatursensoren schematisch angedeutet sind.
FIG. 8 zeigt für eine Messanordnung gemäß einer der vorherigen Figuren den Verlauf der Temperatur am Ort des Detektors als Funktion der Zeit, wenn sich der den Detektor umgebende Moderator aufheizt (d. h. die Temperatur im Medium steigt). FIG. 9 zeigt den Verlauf Temperatur am Ort des Detektors als Funktion der Zeit, wenn sich der Moderator abkühlt (d. h. die Temperatur im Medium sinkt auf die Außentemperatur).
FIG. 10 zeigt ein Beispiel einer Kennlinie für einen Detektor in einer der hier be schriebenen Messanordnungen. Die relativen Zählraten sind normiert auf die Zähl rate von deionisiertem Wasser (0 ppm Bor). Eine Änderung der Zählrate überträgt sich auf eine Änderung in der Borkonzentration. Die Konzentrationsangaben sind hier für natürliches Bor gegeben.
Gleiche oder gleichwirkende technische Elemente sind in allen Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen.
FIG. 1 und FIG. 2 sind aus der europäischen Patentschrift EP 0 932 905 B1 ent nommen und zeigen einen Längsschnitt und einen Querschnitt durch eine Mess anordnung gemäß dem Stand der Technik zur Bestimmung des Borgehalts in ei ner Flüssigkeit. Bezüglich der Einzelheiten wird auf die genannte Patentschrift verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hiermit zum Bestandteil der vorliegenden Beschreibung erklärt wird (Einbeziehung durch Verweis).
Zusammengefasst beschreibt die die Patentschrift EP 0 932 905 B1 eine Mess anordnung 2 zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium, hier einem Reak torkühlmittel, welches im Kühlkreislauf eines Kernreaktors in einem Kernkraftwerk zirkuliert. Der Kühlkreislauf umfasst einen Abschnitt, in dem das Reaktorkühlmittel während des Betriebs des Kernreaktors in flüssiger Form durch eine Rohrleitung 1 strömt. Die auch als Messleitung bezeichnete Rohrleitung 1 ist hier im Beispiel senkrecht ausgerichtet. Die Messanordnung 2 umfasst eine Neutronenquelle 16, die auf einer Seite der Rohrleitung 1 in einem gewissen Abstand zu ihr angeordnet ist, sowie einen Neutronendetektor 18 in Gestalt zumindest eines Zählrohrs, das im Wesentlichen der Neutronenquelle 16 gegenüberliegend auf der anderen Seite der Rohrleitung 1 in einem gewissen Abstand zur ihr auf ungefähr gleicher Höhe wie die Neutronenquelle 16 angeordnet ist. Die von der Neutronenquelle 1 6 emittierten Neutronen treten (jedenfalls zum gro ßen Teil) durch die Rohrleitung 1 und durch das darin strömende Reaktorkühlmit tel hindurch und werden, sofern sie auf ihrem Weg nicht absorbiert oder in nach außen gestreut werden, auf der gegenüberliegenden Seite durch den Neutronen detektor 18 erfasst. Die am Neutronendetektor 18 gemessene Zählrate korreliert mit dem Grad der Neutronenabsorption im Reaktorkühlmittel, welcher wiederrum vom Borgehalt bzw. Borsäuregehalt im Reaktorkühlmittel abhängig ist. Auf diese Weise kann in einer zugehörigen Auswertungseinheit bei bekannter Intensität der Neutronenquelle 1 6 aus der gemessenen Zählrate der Borgehalt bzw. die Borkon zentration im Reaktorkühlmittel bestimmt werden.
Die Neutronenquelle 1 6 ist von einer Halbschale 4 umschlossen, die aus einem Neutronenmoderator oder kurz Moderator besteht. Zur Aufnahme der Rohrleitung 1 im Zentrum und der Neutronenquelle 1 6 etwas weiter außen ist die Halbschale 4 mit einem entsprechenden Ausschnitt versehen. Der Neutronendetektor 18 ist in entsprechender Weise von einer Halbschale 6 umschlossen, die ebenfalls aus einem Neutronenmoderator oder kurz Moderator besteht. Beide Halbschalen 4, 6 zusammen bilden in der Einbaulage eine komplette Schale, hier im Beispiel mit einer im Querschnitt achteckigen Außenkontur, die im Allgemeinen natürlich auch anders geformt sein kann. Gemäß EP 0 932 905 B1 besteht der Neutronenmode rator beider Schalen aus Polyethylen (PE). Der Zweck des Neutronenmoderators liegt in erster Linie in der Thermalisierung der von der Neutronenquelle 1 6 emittier ten Neutronen zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses am Neutro nendetektor 18. Darüber hinaus bewirkt er eine strahlenschutztechnische Ab schirmung der Messanordnung 2 zur äußeren Umgebung. Zur Verbesserung der Abschirmung ist optional eine zusätzliche Umhüllung 12 der beiden Halbschalen 4, 6 aus neutronenabsorbierendem Material, hier Cadmium, vorhanden.
Weiterhin ist in einer bevorzugten Variante ein im Querschnitt ringförmiger, im Be trieb von einem Kühlmittel durchströmter Kühlkanal 20 zwischen der Rohrleitung 1 und den beiden Halbschalen 4, 6 vorhanden. Bevorzugt kommt als Kühlmittel Kühlluft zum Einsatz, die mit Hilfe eines Gebläses oder Ventilators 24 in den Kühl kanal 20 eingeblasen wird. Schließlich befindet sich vorteilhafterweise zwischen dem Kühlkanal 20 und den umliegenden Halbschalen 4, 6 eine im Querschnitt ringförmige thermische Isolationsschicht 28, vorzugsweise aus einem einge schlossenen statischen Luftpolster.
Das gemäß EP 0 932 905 B1 als Moderator verwendete Material Polyethylen ist nur für Umgebungstemperaturen bis ca. 70 °C geeignet, weil es bei ca. 80 °C schon erweicht. Die entspricht einer Mediumstemperatur in der Rohrleitung 1 von rund 100 °C. Durch die oben beschriebenen Maßnahmen zur Kühlung wird zwar die durch das Medium bewirkte Wärmelast auf die beiden Halbschalen 4, 6 ver mindert, ist aber bei höheren Mediumstemperaturen immer noch beträchtlich. Au ßerdem besteht die Gefahr, dass die aktive Kühlung mittels Gebläse ausfällt. Zu dem kann in einem Szenario mit hohen Umgebungstemperaturen (Außentempera turen) auch eine unzulässig hohe Aufheizung von außen erfolgen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden daher verschiedene Abwandlungen der bekannten Messanordnung 2 vorgeschlagen, die auch ohne aktive Kühlung bei Mediums temperaturen in der Rohrleitung 1 über 100 °C und/oder bei hohen Umgebungs temperaturen langfristig zuverlässig funktionieren.
In einer ersten Hauptvariante der erfindungsgemäßen Messvorrichtung bzw.
Messanordnung 2 wird gemäß FIG. 3 auf den Moderator komplett verzichtet. Das heißt, ähnlich wie im Stand der Technik ist auf der einen Seite der das zu untersu chende Medium führenden Rohrleitung 1 eine Neutronenquelle 1 6 und im Wesent lichen diametral gegenüberliegend auf der andere Seite ein Neutronendetektor 18, umfassend ein oder mehrere Zählrohre, angeordnet. Die aus FIG. 1 und 2 be kannten Halbschalen 4, 6 sind aber nicht vorhanden. Zwischen den genannten Komponenten befindet sich lediglich Luft. Dadurch erreicht man bei hoher Tempe raturbeständigkeit eine deutliche Kostenreduktion und Gewichtseinsparung, muss allerdings eine höhere Strahlenbelastung in der Umgebung hinnehmen, da die abschirmende Wirkung des Moderators wegfällt. Außerdem entfällt der positive Einfluss des Moderators auf das Signal-Rausch-Verhältnis am Neutronendetektor 18. In einer zweiten Hauptvariante gemäß FIG. 4 und 5 ist der grundsätzliche Aufbau der Messanordnung 2 ähnlich wie im Stand der Technik gemäß FIG. 1 und 2. Auf der einen Seite der das Medium führenden Rohrleitung 1 ist eine Neutronenquelle 16 angeordnet, und im Wesentlichen diametral gegenüberliegend auf der anderen Seite ist ein Neutronendetektor 18, umfassend ein oder mehrere Zählrohre, ange ordnet. Die Neutronenquelle 16 ist von einer Halbschale 4 umschlossen, die aus einem Neutronenmoderator oder kurz Moderator besteht. Zur Aufnahme der Rohr leitung 1 im Zentrum und der Neutronenquelle 16 etwas weiter außen ist die Halb schale 4 mit einem entsprechenden Ausschnitt versehen. Der Neutronendetektor 18 ist in entsprechender Weise von einer Halbschale 6 umschlossen, die ebenfalls aus einem Neutronenmoderator besteht. Beide Halbschalen 4, 6 zusammen bil den in der Einbaulage eine komplette Schale 30, hier im Beispiel mit einer im Querschnitt kreisförmigen Außenkontur, die im Allgemeinen natürlich auch anders geformt sein kann.
Im Unterschied zum Stand der Technik, bei dem für beide Halbschalen 4, 6 Po lyethylen (PE) als Moderator verwendet wird, wird hier zumindest für eine der bei den Halbschalen 4, 6, vorzugsweise für beide Halbschalen 4, 6 ein besonders temperaturbeständiger Moderator aus der Gruppe der Materialien umfassend Graphit und Polyetheretherketon (abgekürzt PEEK) und Polyimid (PI) verwendet. Es kann sich auch um eine Mischung aus diesen Materialien handeln. Diese Mate rialien sind für einen Einsatz bei Temperaturen bis 300 °C oder mehr geeignet. Auf eine aktive Kühlung mittels eingeblasener Kühlluft oder dergleichen kann in die sem Fall verzichtet werden. Der aus EP 0 932 905 B1 bekannte Kühlkanal 20 zwi schen der Rohrleitung 1 und den umliegenden Halbschalen 4, 6 kann daher entfal len. Es werden keine beweglichen Teile benötigt.
In einer möglichen Ausgestaltung wird für beide Halbschalen 4, 6 derselbe tempe raturbeständige Moderator, also beispielsweise entweder Graphit oder PEEK oder PI, verwendet. In einer alternativen Ausgestaltung können die beiden Halbschalen 4, 6 aus unterschiedlichen temperaturbeständigen Materialien bestehen, was eine zielgerichtete Anpassung an unterschiedliche physikalische Anforderungen auf der Seite der Neutronenquelle 1 6 einerseits und auf der Seite des Neutronendetektors 18 andererseits ermöglicht.
Die dritte Hauptvariante gemäß FIG. 6 baut auf der zweiten Hauptvariante gemäß FIG. 4 und 5 auf. Zusätzlich zu der aus den beiden Halbschalen 4, 6 gebildeten inneren Schale 30, für die die obige Beschreibung gilt, ist hier eine aus zwei Halb schalen 34, 36 gebildete äußere Schale 40 vorhanden, die vorzugsweise an der inneren Schale 30 anliegt und diese umschließt. Im Schnitt betrachtet bilden die innere Schale 30 und die äußere Schale 40 bevorzugt ein System aus zwei kon zentrischen Ringen. Sofern keine besonders hohen Außentemperaturen anliegen, kann die äußere Schale 40 aus einem weniger hitzebeständigen Moderator beste hen als die innere Schale 30. Falls die Außentemperaturen höher sind als die Me diumstemperaturen in der Rohrleitung 1 , kann es aber auch umgekehrt sein. Au ßerdem kann der Moderator der äußeren Schale 40 für eine Reflexion von Neut ronen optimiert sein, also als Neutronen-Reflektor wirksam sein. Denkbar ist auch hier wieder - wie bei der inneren Schale 30 - die Verwendung unterschiedlicher Materialien für die beiden äußeren Halbschalen 34, 36. In diesem Fall liegen die Stoßflächen 44 zwischen den beiden äußeren Halbschalen 34, 36 bevorzugt in einer Ebene mit den Stoßflächen 42 zwischen den inneren Halbschalen 4, 6.
Wenn die beiden äußeren Halbschalen 34, 36 allerdings aus dem gleichen Mate rial bestehen, die äußere Schale mithin vom Material her uniform ausgebildet ist, dann können die Stoßflächen 42, 44 im Prinzip beliebig zueinander liegen.
Beispielsweise kann die aus den beiden Halbschalen 4, 6 gebildete innere Schale 30 komplett aus Graphit oder PEEK oder PI bestehen. Wie bereits oben erwähnt, können alternativ die beiden inneren Halbschalen 4, 6 aus verschiedenen Materia lien bestehen, etwa die eine aus Graphit und die andere aus PEEK. Die aus den beiden Halbschalen 34, 36 gebildete äußere Schale 40 hingegen kann beispiels weise komplett aus PE bestehen, mit dem Vorteil einer Gewichtsreduktion der Ge samtanordnung.
Im Allgemeinen ist es zwar vorteilhaft, jedoch muss die Neutronenquelle 16 nicht unbedingt gegenüberliegend zum Neutronendetektor 18 angeordnet sein. Beide können auch mehr oder weniger nebeneinander, quasi auf einer Seite bezüglich der Rohrleitung 1 angeordnet sein. Das gilt für alle hier beschriebenen Varianten der Erfindung. Gegebenenfalls vorhandene Moderatoren bilden dann entspre chende Schalensegmente. Zur Vereinfachung der Beschreibung deckt der hier verwendete Begriff„Halbschale“ auch solche Konfigurationen ab.
Bei vergleichsweise hohen Mediumstemperaturen in der Rohrleitung 1 über 100 °C, aber auch bei hohen Umgebungstemperaturen, sind bei allen beschriebe nen Varianten die im Folgenden beschriebenen Temperaturkorrekturen aufgrund von thermischen Moderatoreffekten und Detektoreffekten und aufgrund von ther misch bedingten Dichteänderungen im Medium besonders vorteilhaft zur Erzielung verlässlicher Messwerte.
FIG. 7 illustriert die in diesem Zusammenhang zweckmäßigerweise verwendeten Eingangsgrößen, nämlich zum einen die (intrinsische) Temperatur Ti des im Be reich der Messanordnung 2 durch die Rohrleitung 1 strömenden Mediums, die im Falle eines gut wärmeleitenden Rohrwandmaterials ungefähr mit der Temperatur an der Außenseite der Rohrwand bzw. an der Innenseite der die Rohrleitung 1 umgebende Schale 30 gleichzusetzen ist. Der zur Messung der Temperatur Ti be nötigte Temperatursensor 50 kann abweichend von der Darstellung in FIG. 7 in einiger Entfernung von der Messanordnung 2 weiter stromabwärts oder stromauf wärts angeordnet sein, sofern sich die Temperatur T| über die entsprechende Strecke hinweg nicht wesentlich ändert. Zum anderen wird die an der Außenseite der Schale 30 (oder der äußeren Schale 40 bei zweischaligem Aufbau) anliegende Umgebungs- oder Außentemperatur TA durch einen weiteren Temperatursensor 60 gemessen, der abweichend von der Darstellung in FIG. 7 auch weiter entfernt von der Messanordnung 2 angeordnet sein, sofern sich die Temperatur TA über die entsprechende Strecke hinweg nicht wesentlich ändert. Wie weiter unten be schrieben, kann daraus mit ein paar zweckmäßigen, vereinfachenden Annahmen die Temperatur TD am Ort des Neutronendetektors 18 oder kurz Detektors inner halb der Schale 30 ermittelt werden, sowie an jedem anderen beliebigen Punkt innerhalb des Moderators. Man kann auch direkt die Temperatur TD am Detektor messen. Ein außen am Mo derator angebrachter Detektor ist jedoch leichter zu montieren und auch nachzu rüsten. Zudem kommt es auf die Temperaturverteilung im gesamten Moderator an (auch in den äußeren Schichten), um thermische Effekte im Moderatormaterial entsprechend korrigieren zu können. Vorteilhafterweise werden daher mindestens zwei Temperatursensoren eingesetzt, einer davon möglichst innen und der andere möglichst weit außen.
Die nachfolgend beschriebenen Auswertungen erfolgen bevorzugt in einer elekt ronischen Auswertungseinheit 80, in der die Auswertungs- und Korrekturalgorith men hard- und/oder softwaremäßig implementiert sind. Insbesondere sind dort auch die für die Auswertung und Korrektur erforderlichen Kennlinien in digitaler Form hinterlegt, welche zuvor im Rahmen von Kalibrier- oder Normierungsmes sungen ermittelt wurden. Eingangsseitig werden der Auswertungseinheit 80 die erforderlichen Messwerte, insbesondere die gemessene Zählrate N und die Tem peraturen Ti und TA zugeführt, und ausgegeben wird dann die aktuelle Borkon zentration c.
1. Temperaturkorrektur aufgrund von thermischen Moderator- und Detektoreffekten:
Die Temperatur TD am Ort des Detektors hängt von den gemessenen Temperatu ren von mindestens zwei Temperatursensoren ab - hier zur Vereinfachung zum einen Ti: Temperatur im Medium durch intrinsischen Sensor gemessen, und zum anderen TA: Außentemperatur an der äußeren Oberfläche des Moderators ge messen. Zusätzlich muss der zeitliche Verlauf berechnet werden, um Vorhersagen für eine Korrektur zu treffen:
TD ( =/(?; - rA ,i)
Falls sich das Medium im Rohr aufheizt, d. h. TI {t) > TI {t0) mit t > t0 ( t0 : Anfangs zeitpunkt, t : aktuelle Zeit, tl : Zeitkonstante zur Normierung) und TD(t0) =TA ), gilt:
Figure imgf000016_0001
Hierbei bezeichnet a< l eine material- und geometriespezifische Konstante (bzgl. der Wärmeleitfähigkeit des Materials).
Der entsprechende Verlauf der Temperatur TD am Ort des Detektors als Funktion der Zeit t bei einem Aufheizvorgang ist exemplarisch in FIG.8 dargestellt.
Falls sich das Medium im Rohr abkühlt, d. h. 7)(i)<7;(i0) mit t>t0 (t0\ Anfangs zeitpunkt, r. aktuelle Zeit, tx : Zeitkonstante zur Normierung) und mit TD (t0 ) -TA +a-(Tj - TA), gilt entsprechend:
TD(t) = TA +a-(Tj -rA)-exp(-(i-i0)/ij)
Der entsprechende Verlauf der Temperatur TD am Ort des Detektors als Funktion der Zeit t bei einem Abkühlvorgang ist exemplarisch in FIG.9 dargestellt.
Die Temperatur des Detektors TD ist hier beispielshaft gewählt. Genauso könnte man die Temperatur an jedem Punkt innerhalb des Moderators als Funktion der Zeit bestimmen und Vorhersagen über die benötigte Korrektur treffen.
Statt durch eine Exponentialfunktion kann das Aufheizen bzw. Abkühlen auch durch ein Polynom beschrieben werden.
Die Zählrate wird dann entsprechend des Temperatureffekts (im Moderatormateri al selbst oder im Detektor) korrigiert:
Nkorr(t)=f(TA -TD) , wobei die Zeitabhängigkeit in der Temperatur am Ort des Detektors steckt:
TD =TD{t) Allgemein kann eine solche Korrektur als Polynom angesetzt werden:
Figure imgf000017_0001
mit material- bzw. geometriespezifischen Konstanten ß{ .
In erster Näherung kann die Korrektur linear angesetzt werden:
Figure imgf000017_0002
Wenn man die obige Formel für das Aufheizen einsetzt, erhält man:
Nkorr ( t ) = Nmess - {l - ß - a - iTj - TA )- (l - exp (-(/ - /„)/ /, ))
Und für das Abkühlen:
Figure imgf000017_0003
Die Konstanten können zusammengefasst werden, und man hat dann eine Ab hängigkeit nur noch von Nkorr(t) =Nmess f(Tr - TA,t) für die Temperaturkorrektur be züglich thermischer Moderatoreffekte und Detektoreffekte.
2. Temperaturkorrektur aufgrund thermisch bedingter Dichteänderungen im Medium:
Des Weiteren wird eine zusätzliche Temperaturkorrektur benötigt, die thermisch bedingte Dichteänderungen im Medium berücksichtigt. Dazu führt man zusätzlich eine Korrekturfunktion g(7),c) ein, die von der Innentemperatur (Mediumstempera- tur) t, und der Konzentration c abhängt. Das heißt, man erhält insgesamt folgen de Korrektur:
Nkorr = Nmess f(Tj ~ TA , t) g(Tj , C)
Allgemein kann die Funktion g(Tr ,c) auch über ein Polynom dargestellt werden:
Figure imgf000018_0001
Die Faktoren at (c) werden konzentrationsabhängig angesetzt. In erster Näherung könnte man die Faktoren at {c) linear in der Konzentration ansetzen: ai (c) = ai0 + aa - c
Die zugehörigen Konstanten ai0 und an müssten dann experimentell bestimmt werden.
Mithilfe der korrigierten Zählrate Nkorr kann dann über die exemplarisch in FIG. 10 dargestellte Kennlinie die Borkonzentration bestimmt werden. Dank der oben be schriebenen Korrekturen funktioniert die Bestimmung der Borkonzentration auch hinreichend genau bei höheren Temperaturen (im Medium und im Moderator).
Die Borkonzentration bezieht sich hier im Beispiel immer auf die Massenkonzent ration (nicht die Volumenkonzentration). Bezugszeichenliste
1 Rohrleitung
2 Messanordnung
4 Halbschale
6 Halbschale
12 Umhüllung
16 Neutronenquelle
18 Neutronendetektor 20 Kühlkanal
24 Ventilator
28 Isolationsschicht
30 Schale
34 Halbschale
36 Halbschale
40 Schale
42 Stoßfläche
44 Stoßfläche
50 Temperatursensor 60 Temperatursensor 80 Auswertungsvorrichtung

Claims

Ansprüche
1. Messanordnung (2) zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium, wel ches durch eine Rohrleitung (1 ) strömt, mit
• einer Neutronenquelle (16), die neben der Rohrleitung (1 ) angeordnet ist,
• einem Neutronendetektor (18), der neben der Rohrleitung (1 ) angeordnet ist, und
• einer Auswertungsvorrichtung (80), die anhand einer mit dem Neutronende tektor (18) gemessenen Zählrate (N) den Borgehalt im Medium bestimmt, wobei die Auswertungsvorrichtung (80) derart konfiguriert ist, dass sie anhand der Temperatur an einer ersten Temperaturmessstelle, insbesondere der am Neutro nendetektor (18) vorliegenden Temperatur (TD) oder der Umgebungstemperatur (TA), und anhand der Temperatur an einer zweiten Temperaturmessstelle, insbe sondere der Temperatur (Ti) des Mediums, eine temperaturabhängige Korrektur der gemessenen Zählrate (N) vornimmt.
2. Messanordnung (2) nach Anspruch 1 mit einem Temperatursensor (50), der die aktuelle Temperatur (Ti) des Mediums erfasst, und mit einen Temperatur sensor (60), der die aktuelle Umgebungstemperatur (TA) oder die Temperatur (TD) am Neutronendetektor (18) erfasst, wobei die Auswertungsvorrichtung (80) aus den zumindest zwei an verschiedenen Orten gemessenen Temperaturen zeitlich vorausschauend die Temperatur an einem Ort zwischen den Temperaturmessstel len, insbesondere die Temperatur (TD) am Neutronendetektor (18), ermittelt.
3. Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswertungsvorrich tung (80) die mit der Temperatur (Ti) des Mediums variierende Dichte des Medi ums bei der Bestimmung der Borkonzentration (c) berücksichtigt.
4. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis Anspruch 3, wobei die Auswertungsvorrichtung (80) mehrere gekoppelte Einflussfaktoren, insbesondere thermische Effekte und Borkonzentrationseffekte, durch eine mehrdimensionale, in Temperatur und Konzentration gemischte Funktion ( N(C-,T) fJc) · f2(T) ) berück sichtigt.
5. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Neutronen quelle (16) und/oder der Neutronendetektor (18) von einem Neutronenmoderator umgeben sind, der aus einem Material aus der Gruppe umfassend Graphit und Polyetheretherketon und Polyimid besteht.
6. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei weder die Neut ronenquelle (16) noch der Neutronendetektor (18) von einem Neutronenmoderator umgeben sind.
7. Messanordnung nach Anspruch 5, wobei die Neutronenquelle (16) und der Neutronendetektor (18) jeweils von einer Halbschale (4, 6) aus Graphit oder Po lyetheretherketon oder Polyimid umgeben sind.
8. Messanordnung nach Anspruch 7, wobei die beiden Halbschalen (4, 6) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
9. Messanordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die aus den beiden Halb schalen (4, 6) gebildete Schale (30) von einer äußeren Schale (40) umgeben ist, die aus einem Neutronenmoderator besteht.
10. Messanordnung nach Anspruch 9, wobei die äußere Schale (40) aus Po lyethylen besteht.
11. Messanordnung (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei als äußerste Schale ein Neutronenreflektor vorhanden ist.
12. Messanordnung (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei als äußerste Schale ein Neutronenabsorber vorhanden ist.
13. Messanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Neutro nenquelle (16) und der Neutronendetektor (18) in Bezug auf die Rohrleitung (1 ) im Wesentlichen diametral einander gegenüberliegend angeordnet sind.
14. Verfahren zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium, welches durch eine Rohrleitung (1 ) strömt, mittels einer Messanordnung (2) mit
• einer Neutronenquelle (16), die neben der Rohrleitung (1 ) angeordnet ist,
• einem Neutronendetektor (18), der neben der Rohrleitung (1 ) angeordnet ist, und
• einer Auswertungsvorrichtung (80), die anhand einer mit dem Neutronende tektor (18) gemessenen Zählrate (N) den Borgehalt im Medium bestimmt, wobei anhand der Temperatur an einer ersten Temperaturmessstelle, insbesonde re der am Neutronendetektor (18) vorliegenden Temperatur (TD) oder der Umge bungstemperatur (TA), und anhand der Temperatur an einer zweiten Temperatur messstelle, insbesondere der Temperatur (Ti) des Mediums, eine temperaturab hängige Korrektur der gemessenen Zählrate (N) vorgenommen wird.
PCT/EP2018/084186 2017-12-11 2018-12-10 Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des borgehalts in einem medium WO2019115458A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017222344.8A DE102017222344A1 (de) 2017-12-11 2017-12-11 Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium
DE102017222344.8 2017-12-11

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019115458A1 true WO2019115458A1 (de) 2019-06-20

Family

ID=64870419

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/084186 WO2019115458A1 (de) 2017-12-11 2018-12-10 Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des borgehalts in einem medium

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102017222344A1 (de)
WO (1) WO2019115458A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02242197A (ja) * 1989-03-15 1990-09-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ボロン濃度自動分析装置
DE19643375A1 (de) * 1996-10-21 1998-04-30 Siemens Ag Meßvorrichtung zur Ermittlung einer Borkonzentration
WO2014080238A2 (en) * 2012-11-23 2014-05-30 Péter Teleki Combined moderator/target for neutron activation process
US20150110235A1 (en) * 2013-10-21 2015-04-23 Westinghouse Electric Company Llc Method for monitoring boron dilution during a reactor outage

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2423992C3 (de) * 1974-05-21 1981-01-15 Budapesti Mueszaki Egyetem, Budapest Meßeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von im Wasser gelöstem Bor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02242197A (ja) * 1989-03-15 1990-09-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ボロン濃度自動分析装置
DE19643375A1 (de) * 1996-10-21 1998-04-30 Siemens Ag Meßvorrichtung zur Ermittlung einer Borkonzentration
EP0932905B1 (de) 1996-10-21 2000-04-05 Siemens Aktiengesellschaft Messvorrichtung zur ermittlung einer borkonzentration
WO2014080238A2 (en) * 2012-11-23 2014-05-30 Péter Teleki Combined moderator/target for neutron activation process
US20150110235A1 (en) * 2013-10-21 2015-04-23 Westinghouse Electric Company Llc Method for monitoring boron dilution during a reactor outage

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017222344A1 (de) 2019-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE7808631U1 (de) Vorrichtung zum messen der oertlichen leistung in einem kernreaktor-spaltmaterialaufbau
DE19942920A1 (de) Computertomographie-Abtastsystem
CN106376165B (zh) 一种用于现场校准的便携式x射线照射装置
EP3255461B1 (de) Diagnose von radiometrischen detektoren
DE3337768A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des wasserstoffgehaltes einer substanz
EP1738157B1 (de) Vorrichtung für die elementanalyse
DE102014119556A1 (de) Thermisches Durchflussmessgerät
EP0932905B1 (de) Messvorrichtung zur ermittlung einer borkonzentration
WO2019115458A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des borgehalts in einem medium
DE4128844A1 (de) Optischer temperatursensor
DE102014201741B4 (de) Verfahren zum Einstellen der Temperatur von Detektorelementen eines Röntgengeräts sowie Röntgengerät
DE102017208955A1 (de) Detektorvorrichtung aufweisend einen Kühlluftpfad zum Kühlen eines Röntgendetektors
WO2003052396A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur fehlerausblendung und -kompensation von durch gammagraphie hervorgerufenen störsignalen bei radiometrischen messsystemen
DE102016222298A1 (de) Radiometrische Füllstandmessung
AT513186A2 (de) Kalibrierelement und Verfahren zur Herstellung eines solchen Kalibrierelements
CN203606501U (zh) γ射线准直器及其探测系统
WO2002103307A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur diagnostik und überwachung eines unfokussierten laserstrahles von hochleistungs-laseranlagen
Johansson et al. Measurements of neutron spectra with a fast chopper
DE102010034204B4 (de) Verfahren zur thermischen Qualifizierung eines Receiverrohres von Solaranlagen
EP3850319B1 (de) Anordnung zum ermitteln der temperatur einer oberfläche
KR101445557B1 (ko) 노심감시 및 노심보호용 하이브리드 노내계측기 집합체
EP3850302B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum detektieren eines gegenstandes
WO2012146422A1 (de) Sensorvorrichtung zur erfassung eines parameters eines strömenden fluiden mediums
EP0243579B1 (de) Gammathermometer
DE102006026920B4 (de) Vorrichtung zur Unterdrückung von Messwert verfälschenden Strahlungsanteilen bei berührungslos arbeitenden IR-Messeinrichtungen in Hochtemperaturöfen

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18825907

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18825907

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1