DE3147641A1 - Selbst strom liefernde strahlungsdetektoren - Google Patents

Description

dr. inc. Ernst Stratmann

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VNR: 109126

_{49 128} Düsseldorf, 26. Nov. 1981

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh ,Pennsylvania , V. St. A.

Selbst Strom liefernde Strahlungsdetektoren

Die Erfindung betrifft selbst Strom liefernde Strahlungsdetektoren, wie sie typischerweise innerhalb des Reaktorkerns von Nuklear-Reaktoren zur Strahlungsüberwachung verwendet werden.

Herkömmliche selbst Strom liefernde Strahlungsdetektoren verwenden einen zentralen Emitterdraht, um den Emitterdraht herum angeordnete Isoliereinrichtungen sowie einen koaxial um die Isoliereinrichtungen herum angeordneten Kollektormantel. Der Ausdruck "selbst Strom liefernd" bezieht sich auf die Tatsache, daß kein Betriebspotential über den Detektorelektroden angelegt wird, sondern daß statt dessen ein Signalstrom als eine Funktion der Strahlungsantwortchsrakteristik des Materials erzeugt wird, das für die Emitter- und Kollektorelektrode verwendet wird. Im allgemeinen wird die Kollektorelektrode aus einem Material mit niedrigem Neutronenquerschnitt hergestellt, das hohe Temperaturfestigkeit aufweist und nicht reaktiv ist (beispielsweise die Nickellegierung Inkonel, ein von

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der Firma International Nickel Co. unter dieser Warenbezeichnung betriebenes Material).

Das Emittermaterial wird im allgemeinen als das stärker mit der Strahlung in Wechselwirkung tretende Material ausgewählt und dieses Material kann als ein neutronenempfindliches oder auch gammastrahlungsempfindliches Material ausgewählt sein, je nach Anwendung und je nach Art des Kernreaktors.

Die Auswahl des Emittermaterials für derartige selbst Strom liefernde Strahlungsdetektoren, die im Kern eines Nuklear-Reaktors verwendet werden sollen, müssen sowohl hinsichtlich mechanischer Eigenschaften wie auch hinsichtlich der besonderen Eigenschaften eines Kernreaktors getroffen werden. Einige der Eigenschaften, die wünschenswert sind, umfassen gute Duktilität, hohe Schmelztemperatur, einen wünschenswerten Neutronenquerschnitt und/oder hohe Wahrscheinlichkeit einer Gammastrahlungswechse1-wirkung. Die Tatsache, daß sowohl mechanische Eigenschaften wie auch Kern-Eigenschaften befriedigt werden müssen, führt zu einer starken Einschränkung der Materialwahlmöglichkeiten, die für den Emitter in einem selbst Strom liefernden Detektor verwendbar sind. Einige der in größerem Umfang verwendeten Materialien sind Rhodium und Kobalt für neutronenempfindliche Detektoren und Platin für gammastrahlungsempfindliche Detektoren. Ein Metall das eine sehr wünschenswerte Strahlungsantwort aufweist, ist Blei, das eine nahezu reine Gammaempfindlichkeit besitzt, wegen des niedrigen Schmelzpunktes von Blei jedoch für Anwendungen innerhalb des Reaktorkerns sich nicht als geeignet erwiesen hat.

Bei einem Schwerwasser-Nuklearreaktor, wie beispielsweise bei dem kanadischen Reaktor vom Typ "Candu" ist der Neutronenfluß und das Verhältnis von Neutronen-zu Gammastrahlung um ein vielfaches höher als bei Leichtwasserreaktoren

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der Druckwasser-Kernreaktorbauart. Dieser hohe Neutronenfluß erzeugt ein übermäßiges Aufbrennen des neutronenempfindlichen Materials bei selbst Strom liefernden Detektoren. Der Ausdruck "Aufbrennen" bezieht sich auf die Atomumwandlung des Materials von einem mit Neutronen in Wechselwirkung tretenden Zustand zu einem verhältnismäßig wenig mit Neutronen in Wechselwirkung tretenden Zustand. Gegenwärtig benutzt ein in großem Umfang für derartige Schwerwasserreaktoren verwendeter selbst Strom liefernder Detektor einen Platinemitter, der sowohl gegenüber Neutronen als auch gegenüber Gammastrahlung empfindlich ist. Ein derartiger selbst Strom liefernder Detektor mit Platinemitter erzeugt eine gemischte Antwort, die die Summe sowohl der Neutronenwechselwirkung wie auch der Gammaantwort enthält. Wegen des hohen Neutronenflusses und der Verbrennens der mit den Neutronen in Wechselwirkung tretenden Komponente wird sich die Signalantwort mit der Zeit deutlich ändern.

Ein noch schwerwiegenderes eingegebenes Problem beruht auf der Schwierigkeit der Interpretation des erzeugten Signals aufgrund der Tatsache, daß es eine Summe einer Antwort von sowohl der Neutronenstrahlung als auch der Gammastrahlung darstellt.

Es ist daher ganz allgemein wünschenswert, einen selbst Strom liefernden Detektor zu schaffen, der eine reine Gammaantwort besitzt. Ein aus dem Stand der Technik hervorgehender Versuch ζμΓ Schaffung einer rein auf Gammastrahlen empfindlichen Einrichtung verwendete einen Nickellegierungsstahl, wie Inconel als Emitter mit einer Platinbeschichtung um den Inconelemitter herum. Diese Konfiguration senkte die Neutronenantwort des Platins ohne die Gammaantwort wesentlich zu beeinflussen. Diese Beschichtungskonstruktion erzeugt jedoch immer noch eine gemischte Antwort, obwohl die Antwort mehr zur Gammaempfindlichkeit

als zur Neutronenempfindlichkeit verschoben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen selbst Strom liefernden Strahlungsdetektor für einen Kernreaktor zu liefern, der eine noch reinere Gammaantwort liefert.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem Hauptanspruch durch einen selbst Strom liefernden Kernstrahlungsdetektor, der aus einem langgestreckten Zentraldrahtemitter besteht, um den Isoliereinrichtungen herum angeordnet sind, sowie aus einer koaxial um den Emitter und die Isoliereinrichtungen herum angeordnete Kollektorelektrode, wobei der Emitter aus einer Legierung besteht, dessen erster Hauptbestandteil ein Metall ist, das eine hohe Strahlungsantwort besitzt, und dessen zweiter, geringerer Bestandteil zumindest ein weiteres anderes Legierungsmetall umfaßt, das der Legierung die gewünschten thermischen oder mechanischen Eigenschaften gibt, ohne daß die gewünschte hohe Strahlungsempfindlichkeit des Hauptbestandteils wesentlich beeinträchtigt wird.

Insbesondere wird die verbesserte Reinheit hinsichtlich der Gammaantwort bei einem selbst Strom liefernden Strahlungsdetektor durch einen Emitter geliefert, der aus einer Legierung mit Blei als Hauptbestandteil gebildet ist, wobei ein ausreichender Atomprozentzusatz von zumindest einem Metall vorgesehen wird, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Aluminium, Kupfer und Nickel umfaßt, um auf diese Weise eine Legierung zu bilden, deren Schmelzpunkt höher ist als etwa 7oo° C, welche Legierung sowohl die verbesserte Gammaantwort beibehält, wie auch die hohe Dichte und Duktilität des Hauptbestandteils Blei.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist, wobei die einzige Zeichnung eine seitliche Schnittdar-

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stellung einen selbst Strom liefernden Detektor zeigt.

Der selbst Strom liefernde Detektor 1o, der aus der einzigen Figur hervorgeht, umfaßt einen zentral angeordneten Emitterdraht 12, um den Emitterdraht 12 herum angeordnete Isoliereinrichtungen 14 sowie eine leitende Kollektorelektrode oder Mantel 16, der koaxial um die Isoliereinrichtungen herum angeordnet ist. Ein gammaempfindllcher selbst Strom liefernder Detektor gemäß dem Stand der Technik zeigt die US-Patentschrift 4 o8o 53 3.

Bei der vorliegenden Erfindung besteht die Kollektorelektrode typischerweise aus einer Nickellegierung/ wie beispielsweise Inconel, und die isolierende Einrichtung ist typischerweise hochkompaktiertes Aluminiumoxyd. Der Emitterdraht 12 besteht vorzugsweise aus einer Bleilegierung, in der Blei den Hauptbestandteil darstellt und typischerweise zumindest 9o Atomprozent der Legierung oder mehr ausmacht. Die Legierung umfaßt ferner in einer ausreichenden Atomprozentmenge zumindest eines der folgenden drei Metalle: Aluminium, Kupfer, Nickel. Diese Minderheitsbestandteile der Legierung sind in einer Menge vorhanden, die ausreicht, um eine Legierung zu bilden, die einen Schmelzpunkt von höher als etwa 7oo C ergibt, wobei die Legierung die verbesserte Gammaantwort, die hohe Dichte und die hohe Duktilität sowie die niedrige Neutronenantwort des Hauptbestandteiles Blei behält.

Blei ist ein nahezu ideales Emittermaterial für gammaempf indliche selbst Strom liefernde Detektoren, da Blei eine hohe Atomzahl von 82 besitzt, außerdem eine hohe Dichte von 11,25 Gramm pro cm sowie einen niedrigen Neutronenquerschnitt von o,2 Barn (1 Barn = 1o-24 cm ). Der einzige Grund, aus dem Blei bisher bei selbst Strom liefernden Detektoren nicht verwendet wurde, ist in dem verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt von etwa 3oo° zu sehen, der die Verwendung von Bleiemittern bei selbst Strom liefernden Detektoren zur Verwendung innerhalb des Kernes eines Nuklear-Reaktors unzweckmäßig erscheinen ließ.

Die vorliegende Erfindung klärt nun, daß ein selbst Strom liefernder Detektor, der die hier beschriebenen Bleilegierungen benutzt, zu einem selbst Strom liefernden Detektor mit Bleilegierungsemitter führt, dessen Schmelzpunkt noch ausreichend hoch liegt, ohne daß die erwünschten Nuklear-Eigenschaften des Hauptbestandteils Blei der Legierung · wesentlich verändert werden. Die Funktionsaspekte, die für die gewünschte Emitterlegierung gesucht werden, sind hohe Gammaantwort, ein hoher Schmelzpunkt, der höher als etwa 7oo° C liegen soll, ein niedriger Neutronen-Querschnitt, eine hohe Dichte sowie gute Duktilität zur Erleichterung der Herstellung der Detektoreinrichtung. Die den Minoritätsbestandteil bildenden Legierungsbestandteile, Aluminium, Kupfer und/oder Nickel, besitzen verhältnismäßig niedrige Neutronenquerschnitte. Wenn diese Metalle mit Blei in kleinen Mengen legiert werden, heben diese den Minoritätsbestandteil bildenden Metalle den Schmelzpunkt der Legierung auf Werte von höher als etwa 7oo° C an, währ5nd gleichzeitig die gewünschte Gammaantwortseigenschaften des Bleis für die Einrichtung erhalten bleiben. Beispielsweise besitzt eine Blei-Aluminium-Legierung mit einem Gehalt von 98 Atomprozent Blei und 2 Atomprozent Aluminium einen Schmelzpunkt von ungefähr 7oo C, während eine Blei-Aluminium-Legierung von 97 Atomprozent Blei und ungefähr 3 Atomprozent Aluminium einen Schmelzpunkt von etwa 8oo° C aufweist. Für eine Blei-Kupfer-Emitter-Legierung kann der Schmelzpunkt von 7oo C mit etwa 95 Atomprozent Blei und etwa 5 Atomprozent Kupfer erreicht werden. Das Hinzufügen dieser verhältnismäßig kleinen Atomprozentmengen des Minoritätsbestandteils der Legierungsmetalle, wie Aluminium, Kupfer und Nickel vermindert die Dichte der Legierung nicht wesentlich. Für Bleilegierungen entweder der Art Blei-Aluminium, Blei-Kupfer oder Blei-Nickel bleibt die Dichte der Legierung oberhalb von etwa 11g pro cm , wenn die Bleibestandteile zumindest 9o Atomprozent der Legierung ausmachen.

Der Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Bleilegierungsemitter und einem Inconelmantel besitzt immer noch eine Neutronenantwort, und zwar wegen der Neutronenwechselwirkung mit dem Inconelmantel. Die Manteloder Kollektorelektrode ist nicht so wirkungsvoll hinsichtlich der Erzeugung des Signalstroms wie der gammaempfindliche Emitter, so daß der gesamte Effekt der Neutronenwechselwirkungen in dem Kollektor zu einer Einrichtung führt, bei der die Gammaantwort ungefähr 80 Prozent des Gesamtsignalstromes ausmacht, der von dem Detektor in einem Schwerwasserreaktor erzeugt wird. Jedoch ist die Abbrennrate des Detektors wesentlich verringert. Diese verringerte Abbrennrate bedeutet, daß die Einrichtung mit einer verhältnismäßig konstanten Antwortrate für eine längere Zeitperiode ohne Auswechseln betrieben werden kann.

Es ist außerdem wünschenswert, die Neutronenantwort für wesentlichen gammaempfindliche selbst Strom liefernde Detektoren gemäß der vorliegenden Erfindung zu reduzieren, und zu diesem Zweck kann der Inconelkollektormantel ersetzt werden durch ein Kollektormaterial, das einen sehr niedrigen Neutronenquerschnitt aufweist, wie beispielsweise Zirkon.

Zwar wurde die vorliegende Erfindung anhand eines Emitters aus einer Bleilegierung beschrieben, die gammaempfindlich ist, trotzdem aber einen hohen Schmelzpunkt besitzt, jedoch ist die Erfindung nicht darauf begrenzt. Es sind nämlich eine Reihe von Emittermetalllegierungen möglich, die so gebildet werden können, daß die gewünschte hohe Strahlungsantwort-Charakteristik eines ersten Hauptbestandteils erhalten wird, während die mechanischen oder thermischen Eigenschaften des ersten Hauptbestandteils mittels eines zweiten Minoritätsbestandteils verbessert werden. Während also der Hauptbestandteil schlechtere mechanische oder thermische Eigenschaften

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besitzt, wie beispielsweise einen niedrigen Schmelzpunkt, übermäßige Sprödheit oder zu große Weichheit, kann der zweite Minoritätsbestandteil die Legierung, die an sich für Reaktoranwendungen.nicht geeignet ist, durch Beseitigung oder Verkleinerung der negativen mechanischen oder thermischen Eigenschaften verwendtbar machen.

Der zweite Minoritätsbestandteil· wird so ausgewählt, daß die Legierung die gewünschte hohe Strahlungsantworteigenschaft des ersten Hauptbestandteils beibehält.

So ist das Metall Rhodium als ein Emitter verwendet worden, und zwar aufgrund einer hohen Neutronenantwort, jedoch ist Rhodium ziemlich spröde und schwierig bei selbst Strom liefernden Detektoren anzuwenden. Indem Rhodium mit bis zu etwa 5 Atomprozent Platin, Kupfer oder Silber legiert wird, ergibt sich eine Legierung, die stark verbesserte Duktilität zur Erleichterung der Herstellung liefert, während die gewünschte hohe Neutronenantwort von Rhodium erhalten bleibt.

Claims (6)

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   dr. ing. Ernst Stratmann

   PATENTANWALT D-4OOO DÜSSELDORF I · SCHADOWPl.ATX 9

   VNR: 109126

   ₁₂₈ Düsseldorf, 26. Nov. 1981

   Westinghouse Electric Corporation
   Pittsburgh ,Pennsylvania, ν. St. A.

   Patentansprüche :

   Selbst Strom liefernder Detektor für Kernstrahlung, bestehend aus einem langgestreckten Zentraldrahlemitter (12), um den Emitterdraht (12) herum angeordnete Isoliereinrichtungen (14) und einer um den Emitter (12) und die Isoliereinrichtungen (14) koaxial herum angeordnete Kollektorelektrode (16), dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (12) aus einer Legierung aus einem ersten, einen Hauptbestandteil darstellenden Metall besteht, der eine hohe Strahlungsantwort aufweist, sowie einem zweiten Minoritätsbestandteil aus zumindest einem anderen Legierungsmetall, das der Legierung eine erwünschte thermische oder mechanische Eigenschaft gibt, ohne daß die gewünschte hohe Strahlungsantwort des Hauptbestandteils wesentlich verändert wird.
2. 2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (12) eine Legierung aus Blei als Hauptbestandteil darstellt und daß ein Minoritätsbestandteil aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Platin und/oder

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   Zinn in einer ausreichenden Atomprozentzufügung besteht, um eine Legierung zu bilden, die einen Schmelzpunkt aufweist, der erheblich höher liegt als der von Blei, und welche Legierung die hohe Gamitiaantwort und die hohe Dichte von Blei beibehält.
3. 3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Minoritätsbestandteil· in einer Menge vorhanden ist, die ausreicht, um eine Legierung mit einem Schmelzpunkt von höher als 7oo° C zu bilden.
4. 4. Detektor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Minoritätsbestandteil einen niedrigen Neutronenquerschnitt besitzt.
5. 5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptbestandteil Blei 9o Atomprozent oder mehr der Legierung ausmacht.
6. 6. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus einer Blei-Aluminium-Legierung besteht, die zumindest etwa 98 Atomprozent Blei aufweist, während der Rest Aluminium ist.