DE102008016310A1

DE102008016310A1 - Messanordnung zur Bestimmung der Konzentration von in Flüssigkeit gelösten, Neutronen absorbierenden Stoffen

Info

Publication number: DE102008016310A1
Application number: DE102008016310A
Authority: DE
Inventors: Armin Fuckerer; Rainer Bezold; Frank Dr. Ing. Schindhelm; Klaus Dr. rer. nat. Nopitsch
Original assignee: Areva NP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung (10) zur Bestimmung der Konzentration von in Flüssigkeit (12) gelösten, Neutronen absorbierenden Stoffen, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration von in Wasser oder Flüssigkeit (12) gelöstem Bor, umfassend ein von der Flüssigkeit (12) bzw. von dem Wasser durchströmtes Messgefäß (14), eine radioaktive Neutronenquelle (16) sowie wenigstens einen thermische Neutronen erfassenden Strahlungsfühler oder Neutronendetektor (18).
Die radioaktive Neutronenquelle (16) ist innerhalb des Messgefäßes (14) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Bestimmung der Konzentration von in Flüssigkeit gelösten, Neutronen absorbierenden Stoffen. Sie betrifft insbesondere eine Messanordnung zur Bestimmung der Konzentration von in Wasser gelöstem Bor.
Das Element Bor ist ein wichtiger reaktorphysikalischer und technischer Stoff, der in Form von Borkarbid oftmals als Material für Regelstäbe in Kernreaktoren Verwendung findet. Das im Bor enthaltene ¹⁰B-Isotop weist eine ausgeprägte Absorptionsfähigkeit für Neutronen auf. Mit der zunehmenden Verbreitung der sog. chemischen Regelung in Druckwasserreaktoren hat die Bedeutung von Bor weiterhin zugenommen. Bei dieser Regelungsart wird das Bor in natürlichem oder in mit ¹⁰B angereichertem Zustand in Form von Borsäure im Reaktorkühlwasser gelöst, wobei das gewünschte Reaktivitäts-Bindungsvermögen durch eine Variation der Konzentration eingestellt werden kann. Die Regelung mit Borsäure erfordert allerdings die permanente Überwachung der Borkonzentration im Primärkreis des Kernkraftwerks.
Die Konzentration von Bor-10 in einer Flüssigkeit kann mit Hilfe des Effektes der Neutronenabsorption gemessen werden. Zu diesem Zweck wurden bisher Durchstrahlungsmethoden verwendet, bei denen die von einer Strahlungsquelle emittierten Neutronen die zu messende Flüssigkeit durchqueren und dabei sowohl moderiert als auch teilweise absorbiert werden. Die verbleibenden moderierten Neutronen werden mit Hilfe von Detektoren erfasst. In Abhängigkeit von der Borkonzentration in der Flüssigkeit führenden Leitung wird eine Zählrate gemessen, die mit Hilfe eines Kalibrierfaktors in die entsprechende Borkonzentration umgerechnet werden kann.
Eine gattungsgemäße Messeinrichtung für die Bestimmung der Konzentration von in Wasser gelöstem Bor ist aus DE 24 23 992 A1 bekannt. Diese Messeinrichtung umfasst ein Messgefäß, das durch zwei parallele Seitenflächen begrenzt ist, eine radioaktive Neutronenquelle, einen Neutronenmoderator, einen Neutronenreflektor sowie einen thermische Neutronen erfassenden Strahlungsfühler oder Neutronendetektor. Die geometrische Anordnung der Einzelbauteile ist dabei so gewählt, dass zwischen der für das Erreichen der durch den Neutronendetektor gelieferten Impulszahl nötigen Zeit und der Konzentration des in der Flüssigkeit gelösten Neutronen absorbierenden Stoffes ein linearer Zusammenhang besteht.
Bei den bisher bekannten Messsystemen, zu denen beispielweise auch das in der EP 0 932 905 B1 beschriebene zählt, sind die Neutronenquelle und das Zählrohr bzw. die Zählrohre auf gegenüberliegenden Seiten eines Flüssigkeit führenden Kanals oder einer Rohrleitung positioniert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Messanordnung zur Bestimmung der Konzentration von in Flüssigkeit gelösten, Neutronen absorbierenden Stoffen, insbesondere von Bor, zur Verfügung zu stellen, die gegenüber den bisher bekannten Anordnungen eine präzisere Erfassung der Konzentration des Stoffs bzw. von Bor ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Messanordnung zur Bestimmung der Konzentration von in Flüssigkeit gelösten, Neutronen absorbierenden Stoffen, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration von in Wasser oder Flüssigkeit gelöstem Bor, die ein von der Flüssigkeit bzw. von dem Wasser durchströmtes Messgefäß, eine radioaktive Neutronenquelle sowie wenigstens einen thermische Neutronen erfassenden Strahlungsfühler oder Neutronendetektor aufweist. Die Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik dadurch, dass die radioaktive Neutronenquelle innerhalb des Messgefäßes angeordnet ist. Die Neutronenquelle ist somit von allen Seiten von der zu untersuchenden Flüssigkeit umgeben. Eine solche Anordnung führt zu einer verbesserten Messgeometrie und zur Möglichkeit, mehr als zwei gleichartige Zählrohre oder Detektoren einzusetzen. Die Zählratenstatistik kann dadurch verbessert werden; zudem ist eine genauere Messwerterfassung gewährleistet.
Die radioaktive Neutronenquelle kann insbesondere innerhalb eines zylindrischen Messgefäßes angeordnet sein. Dabei kann die radioaktive Neutronenquelle wahlweise ungefähr mittig im Messgefäß angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, die radioaktive Neutronenquelle beweglich innerhalb des Messgefäßes anzuordnen. Durch eine ungefähr mittige Anordnung kann eine exakte räumliche Verteilung der Borkonzentration erfasst werden. Durch eine verstellbare Neutronenquelle ist es jedoch auch möglich, je nach Bedarf unterschiedliche Messungen durchzuführen, für die ggf. eine außermittige Anordnung sinnvoll ist.
Bei der vorliegenden Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass der wenigstens eine Strahlungsfühler bzw. Neutronendetektor außerhalb des von Flüssigkeit bzw. Wasser durchströmten Messgefäßes angeordnet ist. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass mehrere Strahlungsfühler bzw. Neutronendetektoren außerhalb des Messgefäßes angeordnet sind. Die Strahlungsfühler bzw. Neutronendetektoren können insbesondere in einem abschirmenden Mantel eingebettet sein. Die Strahlungsfühler bzw. Neutronendetektoren können wahlweise regelmäßig im abschirmenden Mantel verteilt sein, so dass sich eine symmetrische Verteilung, insbesondere in Bezug auf die Längsachse des strömungsführenden Messgefäßes oder Rohres, ergibt. Je nach Bedarf können jedoch auch unregelmäßige Anordnungen im abschirmenden Mantel sinnvoll sein.
Innerhalb des Messgefäßes kann weiterhin ein Durchflussverteiler angeordnet sein, der für eine gleichmäßige Strömung innerhalb des Messgefäßes sorgt. Der Durchflussverteiler kann insbesondere in Zulaufnähe angeordnet sein, so dass er wirkungsvoll für eine weitgehend homogene Durchströmung des Messgefäßes sorgen kann, wobei insbesondere eine Strähnenbildung bei geringem Durchsatz verhindert wird. Wahlweise kann der Zu- und Ablauf vertikal, horizontal oder diagonal erfolgen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine schematische Draufsicht einer Messanordnung gemäß bekanntem Stand der Technik,
2 einen schematischen Längsschnitt der aus dem Stand der Technik bekannten Messanordnung gemäß 1,
3 eine schematische Draufsicht von oben auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung,
4 eine schematische Draufsicht der Messanordnung gemäß 3 von unten,
5 einen schematischen Längsschnitt der Messanordnung gemäß 3, und
6 einen vergrößerten Ausschnitt aus 5 mit einer detaillierteren Darstellung eines im Zuströmungbereich der Messanordnung angeordneten Durchflussverteilers.
Die schematischen Darstellungen der 1 und 2 verdeutlichen die Funktionsweise einer aus dem Stand der Technik bekannten Messanordnung 10 zur Bestimmung der Konzentration von in Wasser oder Flüssigkeit 12 gelöstem Bor, umfassend ein von der Flüssigkeit 12 bzw. von dem Wasser durchströmtes Messgefäß 14, eine radioaktive Neutronenquelle 16 sowie wenigstens einen thermische Neutronen erfassenden Strahlungsfühler oder Neutronendetektor 18 in Gestalt eines sog. Zählrohrs 20 bzw. mehrerer Zählrohre 20. Bei der gezeigten Variante der Messanordnung 10 durchströmt die Flüssigkeit 12, die insbesondere Wasser sein kann, das zylindrische Messgefäß 14 bzw. Messrohr von unten nach oben, was durch die Pfeile der 2 angedeutet ist. Der Einsatz mit der Neutronenquelle 16 kann wahlweise beweglich angeordnet sein. Die Neutronenquelle 16 sowie das Zählrohr 20 bzw. die Mehrzahl von Zählrohren 20 sind jeweils in einer hohlzylindrischen Abschirmung 22 angeordnet, die über eine definierte Länge (vgl. 2) um das Messgefäß 14 herum angeordnet ist. Charakteristisches Merkmal der aus dem Stand der Technik bekannten Messanordnungen 10 gemäß 1 und 2 ist, dass die Neutronenquelle 16 und die Zählrohre 20 auf gegenüber liegenden Seiten des als Rohrleitung ausgebildeten Messgefäßes 14 positioniert sind. Zwischen Neutronenquelle 16 und Detektor 18 bzw. Zählrohr 20 befindet sich eine Abschirmung 22 bestimmter Dicke.
Die 3 bis 5 illustrieren eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung 10, die der bekannten Anordnung gemäß 1 und 2 ähnelt, bei der jedoch die Neutronenquelle 16 innerhalb des Messgefäßes 14 angeordnet ist. Die Neutronenquelle 16 kann wahlweise mittig oder außermittig im hohlzylindrischen Messgefäß 14 angeordnet sein. Wahlweise kann die Neutronenquelle 16 auch beweglich angeordnet sein, um bestimmte Messparameter variieren zu können. Der wesentliche Unterschied dieser Ausführungsvariante gegenüber der zuvor gezeigten Ausführung besteht darin, dass die Neutronenquelle 16 von allen Seiten von der zu untersuchenden Flüssigkeit 12 umgeben, insbesondere umspült ist. Es ist dabei auch erkennbar, dass sich zwischen Neutronenquelle 16 und den Zählrohren 20 eine insgesamt dünnere Abschirmung 22 befindet als bei der bekannten Variante.
Innerhalb der das Messgefäß 14 umhüllenden Abschirmung 22 sind mehrere Neutronendetektoren 18 bzw. Zählrohre 20 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind vier Zählrohre 20 in regelmäßiger und symmetrischer Verteilung in der Abschirmung 22 angeordnet. Wahlweise können auch andere Anordnungen sinnvoll sein, bspw. mit mehr als vier Zählrohren 20 oder auch mit nur zwei Zählrohren 20, vorteilhafterweise ebenfalls mit radialsymmetrischer Anordnung in Bezug auf die Mittelachse des röhrenförmigen Messgefäßes 14.
Wie insbesondere anhand der 5 verdeutlicht ist, kann innerhalb des Messgefäßes 14, in Nähe eines Zulaufs 24, ein Durchflussverteiler 26 angeordnet sein, der eine Wirbelbildung und eine Strähnenbildung der Strömung vermeidet und somit zur Verbesserung der homogenen Verteilung des zu erfassenden ¹⁰Bor beiträgt. Der Zulauf 24 ist mittig am Boden des Messgefäßes 14 angeordnet, während der Ablauf 28 außermittig am Deckel angeordnet ist. Die Neutronenquelle ist 16 mittig am Deckel platziert.
6 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Durchflussverteilers 26. Der Durchflussverteiler besteht aus einem System von mehreren zentrisch im Messgefäß angeordneten, in alternierender Reihenfolge in Strömungsrichtung der Flüssigkeit 12 aufeinander folgenden und jeweils quer zur Strömungsrichtung orientierten Prallplatten 30 und Lochplatten 32, hier jeweils drei Stück. Die durch den Zulauf 24 einströmende Flüssigkeit 24 trifft zunächst auf die in 6 unterste Prallplatte 30, deren seitliche Ausdehnung geringer bemessen ist als der freie Querschnitt des Messgefäßes 14, wird durch den verbleibenden Freiraum um die Prallplatte 30 herum geleitet und durchströmt anschließend die zentrisch angeordnete Öffnung der nachfolgenden Lochplatte 32. Der Vorgang wiederholt sich an den beiden weiter stromab liegenden Paaren von Prallplatte 30 und Lochplatte 32 des „dreistufigen" Durchflussverteilers, wobei allerdings die in 6 ganz oben liegende Lochplatte 32 der dritten Stufe im Gegensatz zu den Lochplatten 32 der ersten beiden Stufen nicht eine einzige zentrische Öffnung, sondern eine Vielzahl von vergleichsweise kleineren und in der Art einer Perforation über den gesamten Störungsquerschnitt des Messgefäßes 14 verteilten Durchtrittsöffnungen umfasst. Die Lochplatten 32 sind jeweils am äußeren Rand mit der Wand des Messgefäßes 14 verbunden. Die Prallplatten 30 sind mit Hilfe von Befestigungsstäben 34 in die Anordnung „eingehängt".
Durch diese Anordnung wird, vor allem bei geringen Durchflussraten, eine Strähnenbildung vermieden und eine möglichst homogene Durchmischung über den Querschnitt erreicht. Der Abstand und die Anzahl der Platten sind dem jeweiligen Durchsatz des Messmediums und dem Querschnitt der Rohrleitung anzupassen. Die hier gezeigte Anordnung ist für einen Durchsatz von 150 l/h und eine Nennweite des Messgefäßes von 100 mm optimiert.

10: Messanordnung
12: Flüssigkeit
14: Messgefäß
16: Neutronenquelle
18: Neutronendetektor
20: Zählrohr
22: Abschirmung
24: Zulauf
26: Durchflussverteiler
28: Ablauf
30: Prallplatte
32: Lochplatte
34: Befestigungsstab

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2423992 A1 [0004]
- EP 0932905 B1 [0005]

Claims

Messanordnung (10) zur Bestimmung der Konzentration von in Flüssigkeit (12) gelösten, Neutronen absorbierenden Stoffen, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration von in Wasser oder Flüssigkeit (12) gelöstem Bor, umfassend ein von der Flüssigkeit (12) bzw. von dem Wasser durchströmtes Messgefäß (14), eine radioaktive Neutronenquelle (16) sowie wenigstens einen thermische Neutronen erfassenden Strahlungsfühler oder Neutronendetektor (18), dadurch gekennzeichnet, dass die radioaktive Neutronenquelle (16) innerhalb des Messgefäßes (14) angeordnet ist.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radioaktive Neutronenquelle (16) innerhalb eines zylindrischen Messgefäßes (14) angeordnet ist.
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radioaktive Neutronenquelle (16) ungefähr mittig im Messgefäß (14) angeordnet ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radioaktive Neutronenquelle (16) beweglich innerhalb des Messgefäßes (14) angeordnet ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Strahlungsfühler bzw. Neutronendetektor (18) außerhalb des von Flüssigkeit (12) bzw. Wasser durchströmten Messgefäßes (14) angeordnet ist.
Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strahlungsfühler bzw. Neutronendetektoren (18) außerhalb des Messgefäßes (14) angeordnet sind.
Messanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsfühler bzw. Neutronendetektoren (18) in einem abschirmenden Mantel (22) eingebettet sind.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsfühler bzw. Neutronendetektoren (18) regelmäßig im abschirmenden Mantel (22) verteilt sind.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Meßgefäßes (14) ein Durchflussverteiler (26) angeordnet ist.
Messanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussverteiler (26) in Zulaufnähe angeordnet ist.