DE1162008B - Verfahren zur Bestimmung der Neutronenflussverteilung im Kern eines Kernreaktors - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21g-21/31

U 7222 VIII c/21g
11. Juni 1960
30. Januar 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Neutronenflußverteilung im Kern eines Kernreaktors, bei dem durch Neutronen aktivierbares Material in den Kern eingeführt wird und nach einer vorgegebenen Verweilzeit wieder aus dem Kern herausgenommen und seine Radioaktivität gemessen wird und bei dem die räumliche Lage der aktivierbaren Teilchen relativ zueinander vom Zeitpunkt des Einführens bis zur Aktivitätsmessung nicht wesentlich verändert wird.

Um ein vollständiges Bild von der Flußverteilung im Kern eines Kernreaktors zu erhalten, muß man sowohl die Längs- als auch die seitliche Verteilung bestimmen. Die seitliche Verteilung kann leicht dadurch gemessen werden, daß unterschiedliche Stellen quer zum Kern als Meßpunkte gewählt werden. Die Längsverteilung kann ebenso gemessen werden, indem der Fluß an verschiedenen Stellen längs des Kernes bestimmt wird.

Bekannte Verfahren der Flußbestimmung, die sich für Reaktoren geringer Leistung und für Forschungsreaktoren eignen, haben sich nicht völlig bei Reaktoren hoher Leistung bewährt, bei denen der Kern eine hohe Temperatur hat. Es sind Verfahren bekannt, bei denen die Bestimmung mit Hilfe einer Spaltungskammer erfolgt, die durch eine Röhre in den Kern hinabgelassen wird. Andere bekannte Verfahren bedienen sich der Methode des Neutronennachweises mit radioaktiven Indikatoren. Dabei wird ein Draht aus aktivierbarem Material in eine Öffnung des Kernes hinabgelassen, in der er der Strahlung ausgesetzt ist, und dann zur Messung herausgenommen. Zur Messung der Drahtelektrizität dienen Geiger-Müller-Zählrohre oder Ionisationskammern. Schwierige praktische Probleme entstehen bei der Anwendung dieser Verfahren dort, wo die Bestimmung der Verteilung des Flusses in einer Richtung beim Kern die Verwendung von Zugangsöffnungen bzw. Kanälen erforderlich macht, die nicht senkrecht verlaufen, insbesondere bei einem waagerechten Überwachungskanal, wo die Brennstoffkanäle und die Öffnungen für die Steuerstäbe im Kern senkrecht verlaufen, da im Falle einer Ionisationskammer die Öffnungen einen beträchtlichen Durchmesser haben müssen und es Schwierigkeiten macht, diese im Kern vorzusehen. Im Falle einer Bestimmung mit HiKe eines Drahtes macht es Schwierigkeiten, den Draht an Ort und Stelle zu bringen, da er nicht durch Schwerkraft dorthin gelangen kann. Außerdem machen Reibung und Verseuchung des Drahtes die Ablesungen unzuverlässig. Schließlich dauert die Zeit, bis eine Information erhalten wird, sehr lange.

Verfahren zur Bestimmung der Neutronenflußverteilung im Kern eines Kernreaktors

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,
London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
ίο Siegen, Eisernerstr. 227

Als Erfinder benannt:

Ronald Hugh Gampbell, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 12. Juni 1959
und 31. Mai 1960 (Nr. 20181)

Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Bestimmung des Neutronenflusses, die einfach und zuverlässig sind und eine Ablesung sowohl der Längs- als auch der seitlichen Verteilung ergeben, und zwar in sehr kurzer Zeit.

Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das aktivierbare Material gasförmig ist und in gesonderten Rohren mit einer sich während des Verfahrenszeitraums ändernden Geschwindigkeit durch den Kern bewegt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Gas in den Kern mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit hineinbewegt, dann innerhalb des Kerns einen vorgegebenen Zeitraum zum Zwecke der Aktivierung ruhen gelassen und schließlich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit an dem Aktivitätsmeßgerät vorbeibewegt.
Eine andere Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, daß das Gas durch die den Reaktorkern durchsetzenden Rohre während des Verfahrenszeitraumes mit zwei verschiedenen Geschwindigkeiten gefördert und die bei Übergang von der einen Strömungsgeschwindigkeit auf die andere auftretende zeitliche Änderung der Aktivität zur Ermittlung der Neutronenflußverteilung herangezogen wird.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Teil des Reaktorkerns im Schnitt,

Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht einer Vorrichtung zum Bewegen des Gases,

309 807/321

Fig. 3 die Meß- und Registriereinrichtung im Schema und

Fig. 4 ein Schema für die Gasströmung in einer abgeänderten Ausführungsform.

Wie aus den Zeichnungen, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, hervorgeht, ist bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Konstruktion eines Beispieles für einen gasgekühlten, graphitmoderierten Kernreaktor mit einem Kern, der von senkrechten Brennstoffkanälen sowie von senkrechten Kanälen für Steuerstäbe durchsetzt ist, eine Reihe koaxialer Rohreinheiten aus rostfreiem Stahl von geringem Durchmesser durchsetzt ist, von denen eine in F i g. 1 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Sie sind in verschiedenen radialen Stellungen angeordnet und durchdringen den zylindrischen Kern 2 des Kernreaktors in axialer Richtung (d. h. in Längsrichtung). Das innere Rohr 3 einer jeden Rohreinheit 1 steht mit dem Außenrohr 4 in Verbindung, dessen unteres Ende 5 geschlossen ist und an dem geschlossenen Ende eine Rückströmung für das Gas bewirkt. Das Gas strömt durch den Ringraum 6 zwischen den beiden Rohren 3 und 4 ein und durch das innere Rohr 3 aus. Unter »Rohren von geringem Durchmesser« sind solche Rohre zu verstehen, die einen Gasfaden erzeugen, in dem keine wesentliche Änderung der räumlichen Lage der Gasteilchen relativ zueinander stattfindet, wenn das Gas entlang dem inneren Rohr und dem Ringraum zwischen den koaxialen Rohren strömt. Ein typisches Beispiel ist eine Bohrung von 3 mm für das innere Rohr und ein Ringraum von 3 mm Radialabmessung. Jede Rohreinheit 1 durchdringt die Wandung des Druckbehälters (von dem ein Teil in F i g. 1 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 7 versehen ist), in welchem sich der Kern 2 befindet. Die Ausflußrohre (das innere Rohr 3 der Rohreinheit 1) sind mit einer Meßeinrichtung 8 versehen, die schematisch in F i g. 3 dargestellt ist und einen Zähler 13, einen Verstärker 14 und ein schreibendes oder aufzeichnendes Registriergerät 15 aufweist, das durch einen Motor 16 angetrieben wird. Das zur Verwendung kommende Gas ist Argon, das zur Neutronenflußbestimmung geeignet ist, weil es inert ist, weil es zu 99,6% aus dem Isotop 40 besteht, einen Neutroneneinfangquerschnitt hat, der zur Bestimmung ausreicht, aber nicht zu groß ist, um den Neutronenfluß merklich zu verfälschen, keine sehr großen Wirkungsquerschnittsresonanzen aufweist, weil das Isotop A 41, das durch die Neutronenstrahlung entsteht, eine Halbwertzeit von 1,8 Stunden hat, was einen günstigen Kompromiß zwischen einer eine hohe Zählrate ergebenden kurzen Halbwertzeit und einer langen Halbwertzeit, die die Wirkung der Übergangszeit zwischen Aktivierung und Bestimmung unbeachtlich macht, ergibt, so daß sie vernachlässigt werden kann, und weil die Energie der Betateilchen, die beim Zerfall von A 41 in das Spaltprodukt K 41 (welches stabil ist) emittiert werden, groß ist.

Das Gas wird einer Einlaßöffnung 9 durch Verwendung einer Einrichtung 10 zugeführt, die in F i g. 2 näher dargestellt ist und einen Kolben 11 aufweist, der sich in einem Zylinder 12 mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, wodurch das Gas konstant strömt und die Rohre 3 und die Ringräume 6 der Rohreinheiten 1 füllt. Die Strömung wird zum Stillstand gebracht, indem der Kolben 11 stillgesetzt wird, so daß das Gas in der Rohreinheit 1 eine bestimmte Zeit lang in Ruhe bleibt, damit es durch die Strahlung so weit radioaktiv wird, daß es ein verwertbares Signal am Registriergerät 15 der Meßeinrichtung 8, ergibt. Das Gas wird nun aus dem Kern durch Verwendung des Kolbens 11 herausgebracht, der sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie zuvor bewegt, so daß in umgekehrter Richtung die gleiche Strömung wie zuvor entsteht. Wenn das Gas aus der Ausströmöffnung der Rohreinheit 1 austritt, wird es kontinuierlich auf Strahlung hin überwacht, und die Registriergeräte 15 der Meßeinrichtung 8 ergeben eine Aufzeichnung der axialen (Längs-) Verteilung des Neutronenflusses. Ein Vergleich der Ablesungen der einzelnen Registriergeräte 15, die mit den radial angeordneten Einheiten 1 verbunden sind, ergibt die radiale Verteilung des Neutronenflusses. Nach dem Messen kann das Gas in die Atmosphäre abgelassen werden, da die verwendeten Mengen klein sind. An Stelle des Kolbens und des Zylinders kann ein Gasvorratszylinder 24, ein Reduzierventil und eine Druckein-Stelleinheit 25 (F i g. 1) und ein Abschaltventil (zum Beendigen und Ingangsetzen der Gasströmung) verwendet werden.

Bei einem abgeänderten Verfahren, bei dem die schematisch in F i g. 3 dargestellte Apparatur verwen-

det wird, wird der Motor 16, der zum Bewegen des Stiftes des Registriergerätes 15 einer jeden Meßeinrichtung 8 auch zum Antrieb eines Tachogenerators 17 verwendet, der ausgangsseitig mit einem weiteren Registriergerät 18 verbunden ist. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der entsprechenden Einheit 1 geändert wird, übermittelt der Verstärker 14 dem Motor 16 Signale über die entsprechende Änderung der registrierten Aktivität. Dies ruft eine Änderung im Ausgang des Tachogenerators 17 zum Registriergerät 18 hervor, welches die vorübergehenden Aktivitätsänderungen (in bezug auf die Länge des Gasfadens) zur Bildung einer axialen (Längs-) Verteilung des die Einheit 1 umgebenden Flusses differenziert. Eine Änderung der Strömung kann durch Verwendung der Vorrichtung 10 erfolgen, die in F i g. 2 dargestellt ist und einen Verbundkolben aufweist, bei welchem ein kleiner Kolben 19, der in einem größeren, 11, arbeitet, zunächst durch die Kolbenstange 30 mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, bis sein Ende 20 an das Ende 21 des größeren Kolbens 11 anschlägt, worauf ohne Pause die beiden Kolben 19 und 11 zusammen durch die Kolbenstange 30 immer noch mit konstanter Geschwindigkeit bewegt werden. Da keine Einwirkzeit durch diese abgeänderte Ausführungsform vorgesehen wird, wird angenommen, daß der Neutronenfluß so groß ist, daß sich ein brauchbares Signal an dem Registriergerät 18 ergibt, und/oder daß die Strömungsgeschwindigkeit gering ist. Eine Einlaßöffnung 22 am Zylinder 12 und am Zylinder 23 für den Kolben 19 wird mit Argon von einem Druckzylinder 24 über ein Reduzierventil und eine Druckeinstelleinheit25 (s. Fig. 1) beliefert.

Die Verwendung von Koaxialrohren dient dazu,

die Wirkung des Temperaturanstieges des Gases zu

vermindern, welches durch den Kern strömt, wobei das erwärmte ausströmende Gas zur Vorwärmung des einströmenden Gases dient und bei diesem Vorgang selbst gekühlt wird. Falls die Wirkung des Temperaturanstieges in jedem gegebenen Fall zu vernachlässigen ist, kann die Leitung für das Gas in jeder Rohreinheit von einem einzigen Rohr mit kleiner Bohrung gebildet werden, das den Kern durchsetzt und zur Bestimmung außerhalb des Bereiches hohen

Neutronenflusses entweder außerhalb des Kernes oder durch den Kern hindurch zurückgeführt wird. Unter einem Rohr mit kleiner Bohrung soll wiederum ein solches verstanden werden, das einen Gasfaden erzeugtj in dem keine wesentliche Änderung der räumlichen Lage der Gasteilchen relativ zueinander stattfindet. Auch hier ist eine typische Bohrung 3 mm. Bei einer Alternativ- oder abgeänderten Einrichtung zur Änderung der Strömung wird der Reaktorkern 2, wie es in F i g. 4 dargestellt ist, durch mehrere, beispielsweise einundzwanzig Rohreinheiten 1 oder aber durch ein einziges Rohr 31, wie es dargestellt ist, durchsetzt. Ein Wählventil 32 am Ausströmungsende der Rohre 31 wird gleichzeitig durch Verbindung mit einem Wählventil 33 an dem Einströmungsende der Rohre 31 betätigt. Das Ventil 32 führt zu der Meßeinrichtung 8, und das Ventil 33 wird gespeist von zwei Gasversorgungssystemen, die miteinander in Verbindung stehen, und die durch Zweiwegeventile 34 und 35 gesteuert werden. Die beiden Systeme 40 und 41 gleichen einander und weisen ein Druckminderventil 36 und ein veränderliches Drosselventil 37, das normalerweise auf eine bestimmte Drosselstellung eingestellt ist, auf, wobei das Drosselventil 37 des einen Systems für rasche Strömung und das des anderen für langsamere Strömung eingestellt ist. Außerdem weisen sie einen Strömungsanzeiger 38 auf. Die Ventile 34 und 35 haben je eine Ablaßleitung, die mit einer veränderlichen Drosseleinrichtung 39 versehen ist, die fein eingestellt werden kann und dazu dient, die Rohre 31 in bezug auf die darin herrschende Gasströmung nachzubilden. Einmal ist das Ventil 34 mit dem Wählventil 33 und das Ventil 35 mit der einen Ablaßeinrichtung 39 strömungsmäßig verbunden, während in der anderen Stellung das Wählventil 33 mit dem Ventil 35 und das Ventil 34 mit der anderen Ablaßeinrichtung 39 verbunden ist. Die Systeme 40 und 41 werden von einem gemeinsamen Vorratszylinder über ein Druckminderventil und eine Druckeinstelleinheit 25 mit Argon gespeist.

Die Rohre 31 sind bezüglich der Strömung geeicht, und die Einstellung des entsprechenden Drosselventils 37 wird für jedes Rohr 31 für eine bei 38 angezeigte Strömung aufgezeichnet. Durch Betätigung der Ventile 34 und 35 wird das Rohr 31 abwechselnd mit einem langsamen und einem schnellen Argonstrom gespeist, und die Voreinstellung des Drosselventils 37 unter Verwendung der entsprechenden Ablaßeinrichtung erfolgt für das nächste Rohr 31, das verwendet werden soll, während das in Gebrauch befindliche von Argon durchströmt wird.

Wenn die Gasgeschwindigkeit durch den Reaktorkern plötzlich geändert wird, wird ein neuer stetiger Wert des Züstandes für den integrierten Fluß erhalten. Der Übergang zwischen dem ursprünglichen Aktivitätsniveau (wie an einem Registriergerät angezeigt, das durch den Aktivitätsdetektor beliefert wird) und dem neuen Niveau ergibt die Form des Integrals der axialen Flußverteilung, so daß durch Differenzieren der Übergangskurve an der Aufzeichnung eine axiale Verteilung erhalten wird. Daß die Form des Integrals der axialen Verteilung durch die Übergangskurve gegeben ist, kann wie folgt aufgezeigt werden:

Man betrachte einen Kern von der Höhe/z mit einem Rohr, das vertikal durch ihn hindurchführt. Der Fluß an einem Punkt der Höhe χ über dem Boden des Kerns sei F(x). Wenn das Rohr ein Gas enthält, wie beispielsweise Argon, das nach oben bei einer Geschwindigkeit von V strömt, dann ist die Zählrate an einem Detektor, der beim Ausgang des Gases angeordnet ist,

Λ F{x)ax

^KJ ν'

Wenn nun die Geschwindigkeit augenblicklich auf nV erhöht wird, wird der stetige Wert der Zählrate

F (χ) dx nV

Es sei nun die Gasprobe bei einer Höhe von χ betrachtet, wenn die Geschwindigkeitsänderung stattfindet. Die Zählrate, die von dieser Probe hergeleitet wird, wird aus zwei Teilen gebildet, nämlich einem Abstand χ bei der langsamen Bewegungsgeschwindigkeit und einem Abstand Qi-x) bei der hohen Bewegungsgeschwindigkeit.

Sie beträgt

_Kj

F{x) dx nV

Dies kann als

Ix
yr JF(X)

λ J F(x) dx-^ ο

d_X

geschrieben werden.

Der zweite Summand des Klammerausdrucks entspricht dem sich einstellenden Zustandswert im Gleichgewicht bei der zweiten Geschwindigkeit, so daß dann, wenn dieser Wert von der Übergangskurve subtrahiert wird, das Integral der Axialverteilung übrigbleibt.

Der Tachogenerator, welcher die Änderung der Aktivität mit der Zeit aufzeichnet, führt somit die Differenzierung der Übergangskurve mechanisch aus, wo sie sonst graphisch durch die klassischen Methoden ausgeführt werden müßte.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Neutronenflußverteilung im Kern eines Kernreaktors, bei dem ein durch Neutronen aktivierbares Material in den Kern eingeführt wird und nach einer vorgegebenen Verweilzeit wieder aus dem Kern herausgenommen und seine Radioaktivität gemessen wird und bei dem die räumliche Lage der aktivierbaren Teilchen relativ zueinander vom Zeitpunkt des Einfuhrens bis zur Aktivitätsmessung nicht wesentlich verändert wird, dadurch g e kennzeichnet, daß das aktivierbare Material gasförmig ist und in gesonderten Rohren mit einer

sich während des Verfahrenszeitraumes ändernden Geschwindigkeit durch den Kern bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in den Kern mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit hineinbewegt wird, daß es dann innerhalb des Kernes einen vorgegebenen Zeitraum zum Zwecke der Aktivierung ruhen gelassen wird, und daß schließlich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit an dem Aktivitätsmeßgerät vorbeibewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch die den Reaktorkern durchsetzenden Rohre während des Verfahrenszeitraumes mit zwei verschiedenen Ge-

schwindigkeiten geleitet wird und die bei Übergang von der einen Strömungsgeschwindigkeit auf die andere auftretende zeitliche Änderung der Aktivität zur Ermittlung der Neutronenflußverteilung herangezogen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

»Proceedings of the Second United Nations Internationel Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 11, 1958, S. 498 bis 508 und 512 bis 518;

»Physical Review«, Vol. 87, 1952, Nr. 1, S. 184;

»Nucleonics«, Vol. 12, 1954, Nr. 2, S. 9.

»Le Journal de Physique et le Radium«, Bd. 14, 1953, S. 463.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 807/321 1.64 @ Bundesdruckerei Berlin