DE1112314B - Vorrichtung zur Messung des Gehaltes an Spaltprodukten kurzer Lebensdauer in Gasstroemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Gehaltes an gasförmigen Spaltprodukten kurzer Lebensdauer in Gasströmen, insbesondere in dem Kühlgas eines durch ein solches Gas, wie Luft, Kohlensäure oder Helium, gekühlten Kernreaktors und in den Teilchenbeschleunigern.

Bekanntlich ist die Erfassung oder Messung von Spaltprodukten und insbesondere der Spaltprodukte, die gerade in das Kühlgas eines Kernreaktors gelangen, von sehr großer Wichtigkeit für die Kontrolle seiner richtigen Arbeitsweise. Man kann so schnell ein anomales Arbeiten des Reaktors und insbesondere ein Aufbrechen der Hülsen, die die Elemente spaltbaren Materials umgeben, feststellen, was zur Folge hat, daß radioaktive Produkte in das diese Hülsen umspülende Kühlgas geschleudert werden. Wenn eine solche Erfassung schnell vor sich geht, kann man unverzüglich Maßnahmen zur Beendigung des fehlerhaften Arbeitens ergreifen, indem beispielsweise die Elemente mit den aufgespaltenen Hülsen entfernt oder, falls erforderlich, der Reaktor vollkommen stillgesetzt wird.

Es sind mehrere Arten von Vorrichtungen zur Erfassung von Spaltprodukten in Gasen bekannt, die beispielsweise Geiger-Müller-Zählrohre, Szintillationszähler oder Ionisationskammern umfassen. Diese bekannten Vorrichtungen weisen im allgemeinen gewisse Mängel auf, die eine schnelle und selektive Erfassung der in einem gasförmigen Produkt vorhandenen Spaltprodukte dadurch verhindern, daß ihre Empfindlichkeit nicht ausreicht, daß sie sperrig und ihre Unterhaltung schwierig ist, daß die Anzeige in den Fällen wächst, in denen das Kühlgas des Reaktors im Kreislauf zurückgeführt wird, und daß schließlich vor allem parasitäre Signale nicht erfaßt werden können.

In einem gegebenen Zeitpunkt ist die Radioaktivität eines beispielsweise einen Kernreaktor verlassenden Gases in der Hauptsache bestimmt durch die Summe der Radioaktivität der radioaktiven Isotope, die in dem Gas aus seinen nicht radioaktiven Bestandteilen unter dem Einfluß des Neutronenbeschusses des Kernreaktors gebildet werden, und der Spaltprodukte, die in das Kühlgas übergegangen sind. Diese Spaltprodukte umfassen:

a) Spaltprodukte mit langer Lebensdauer, die, wenn das Gas im Kreislauf durch den Reaktor zurückgeführt wird, eine Radioaktivität aufweisen, die noch lange, nachdem sie in das Kühlgas gelangt sind, in diesem feststellbar ist,

b) Spaltprodukte mit kurzer Lebensdauer, deren Radioaktivität nur unmittelbar, nachdem sie in Vorrichtung zur Messung

des Gehaltes an Spaltprodukten

kurzer Lebensdauer in Gasströmen

Anmelder:
Commissariat a l'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dr. phil. W. P. Radt, Patentanwalt,
Bochum, Heinrich-König-Str. 12

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 4. Dezember 1957

Jean Goupil, Fontenay Aux Roses, Seine,

und Andre Roguin, Antony, Seine (Frankreich),

sind als Erfinder genannt worden

das Kühlgas gelangt sind, feststellbar ist, selbst wenn dieses gerade wegen der kurzen Lebensdauer im Kreislauf zurückgeführt wird.
Es ist leicht einzusehen, daß die Spaltprodukte mit langer Lebensdauer das Meßergebnis verfälschen, denn die Radioaktivität von Spaltprodukten, die bereits lange Zeit vorher in das Kühlgas gelangt sind, addiert sich zu der Radioaktivität der Spaltprodukte, die neu in das Kühlgas gelangen.

Für das schnelle Feststellen von Spaltprodukten und/oder der Veränderung ihrer Menge in einem Gasstrom ist demnach lediglich die Radioaktivität der kurzlebigen Spaltprodukte geeignet.

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die es gestattet, den Gehalt an gasförmigen Spaltprodukten mit kurzer Lebensdauer in einem Gasstrom zu messen.

Die Erfindung kann insbesondere zur Erfassung der Spaltprodukte in Kernreaktoren, die beispielsweise infolge Hülsenbrüchen auftreten, sowie in Teilchenbeschleunigern dienen, um etwa die Bildung eines Spaltproduktes als Folge einer Kettenreaktion, z. B. die Bildung von Radon, zu bestimmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung baut auf der Tatsache auf, daß die Spaltprodukte mit kurzer Lebensdauer — die durch eine Kettenreaktion entstehen, die durch Beschüß spaltbarer und/oder »brütbarer« Stoffe, wie Uran und/oder Plutonium, mit Neutronen und insbesondere thermischen Neutronen

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ausgelöst wird — sich in einigen Sekunden in radioaktive Ionen umwandeln (beispielsweise wandeln sich Krypton und Xenon als radioaktive, aus einem Spaltvorgang resultierende Gase in etwa 1 bis 2 Sekunden in Rubidium- und Zäsiumionen um).

Eine Vorrichtung zur Messung des Gehaltes an gasförmigen Spaltprodukten von kurzer Lebensdauer in einem Gasstrom besteht erfindungsgemäß aus zwei Kammern, durch die nacheinander zumindest ein Teil des Gasstromes mit einer Geschwindigkeit fließt, bei der sich die gasförmigen Spaltprodukte in der ersten Kammer in radioaktive Ionen umformen, einem Strahlungsdetektor zur Bestimmung der Radioaktivität in der zweiten Kammer und Sammeleinrichtungen für die Ionen in dieser Kammer, Speichereinrichtungen zur Speicherung des von dem Strahlungsdetektor ermittelten Radioaktivitätswertes, Steuerorganen zur Absperrung des Gasstromes durch die Kammern und gleichzeitigen Einschaltung der Ionensammeleinrichtungen und Vergleichseinrichtungen zur Bildung eines Vergleichs zwischen der vor der Einschaltung der Steuerorgane ermittelten, in den Speichereinrichtungen gespeicherten Radioaktivität und der Radioaktivität nach der Einschaltung der Steuerorgane.

An Hand der Zeichnung wird im einzelnen ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben, die insbesondere zur Feststellung von Hülsenbrüchen in einem Reaktor mit in einem Graphitblock angeordneten Uranstäben geeignet ist, der durch Kohlensäuregas in einem geschlossenen Kreislauf gekühlt wird.

An eine erste Kammer 1 schließt sich eine zweite Kammer 2 an. Vor der Kammer 1 liegt das Ventil 3, hinter der Kammer 2 das Ventil 4. Mit den beiden Ventilen wird der Durchfluß des Gases, in dem das Vorhandensein von Spaltprodukten festgestellt werden soll, durch die Kammern 1 und 2 geregelt.

Die Vorkammer 1 und die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes durch diese Vorkammer sind so bemessen, daß die gasförmigen Spaltprodukte mit kurzer Lebensdauer, wie Krypton und Xenon, in hohem Maße in radioaktive Ionen, wie Rubidium- und Zäsiumionen, umgewandelt werden, d. h. daß der Gasstrom zumindest 1 bis 2 Sekunden in dieser Vorkammer verweilt. Vorzugsweise ist die Kammer 1 dabei so bemessen, daß der Quotient aus ihrer Länge (in Metern) und der Strömungsgeschwindigkeit (in Metern pro Sekunde) des Gasstromes in der Kammer 1 größer oder gleich Eins ist.

Die zweite Kammer 2 enthält eine feste Elektrode 5 als Sammeleinrichtung sowie ein für Betastrahlen durchlässiges »Fenster« 6, das gegenüber der Elektrode 5 angeordnet ist. Außerhalb der Kammer befindet sich dem Fenster 6 gegenüber eine Szintillationsplatte 7, die insbesondere für Betastrahlen empfindlich ist, beispielsweise ein Szintillator aus einer Lösung von Tetraphenyl-Butadien in Polystrol. Mit der Szintillationsplatte 7 arbeitet in bekannter Weise ein Photomultiplier 8 üblicher Bauart zusammen, mit einer Photokathode, welche die in der Szintillationsplatte in der Hauptsache durch die die Kammer 2 durch das Fenster 6 verlassenden Betastrahlen erzeugten Lichtimpulse in Elektronen umformt, und einer Reihe von Vervielfacherelektroden, die die Anzahl der Elektronen beträchtlich (im allgemeinen um einen Faktor von mehr als 10⁶) vergrößern.

Der Photomultiplier 8 speist eine Folge elektronischer Geräte mit einem Vorverstärker 9, einem Verstärker 10 und einem Integrationsgerät 11 (bekannter und bei der Erfassung von Kernstrahlungen üblicher Bauart), das ein Signal liefert, welches der Menge der pro Zeiteinheit (Sekunde oder Minute) gezählten Betastrahlen entspricht, die von dem Kammerinneren her das Fenster 6 durchdringen.

Die Vergleichseinrichtung besteht im wesentlichen aus zwei Trioden 13, 16, deren Kathoden einerseits jeweils über einen eigenen Kathodenwiderstand 19,

ίο 20 geerdet, andererseits an einen Spannungsmesser 21 angeschlossen sind, der die Potentialdifferenz zwischen den Kathoden 17 und 18 anzeigt; die Gitter 12, 15 sind jeweils an einen Pol eines zweipoligen Schalters 14 geführt, außerdem liegt das Gitter 15 der Triode 16 an einem Pol eines als Speicherorgan dienenden Kondensators 22, dessen zweiter Pol mit Erde verbunden ist, während auf das Gitter 12 der Triode 13 die Ausgangssignale des Integrators 11 gegeben werden. Zusätzlich kann ein Registriergerät 37

ao vorgesehen sein, das die Veränderungen der Potentialdifferenz in Abhängigkeit von der Zeit aufzeichnet. Die Trioden 13 und 16 bilden somit zusammen mit den damit verbundenen Teilen eine Brückenschaltung, die es gestattet, allein die Radioaktivität der Spaltprodukte mit kurzer Lebensdauer zu bestimmen.

Zur Speisung der als Sammeleinrichtung dienenden Elektrode 5 ist eine Hochspannungsquelle 25 von etwa 1000 bis 2000 Volt vorgesehen, die mit ihrem positiven Pol 26 geerdet und mit ihrem negativen Pol 24 an einen Umschalter 23 angeschlossen ist, der die Elektrode 5 entweder mit der Spannungsquelle 25 oder aber unmittelbar mit Erde verbinden kann.

Weiter ist als Steuerorgan für die Absperrung des Gasstromes durch die Kammern 1, 2 und für die gleichzeitige Einschaltung der Ionensammeleinrichtung 5, 23, 24 sowie der Vergleichseinrichtung 13,16, 21 ein von einer Synchronisationseinheit 38 gesteuerter Generator 27 vorgesehen, der einerseits an die Magnetspulen 28, 29 für die Schließung der Ventile 3, 4, andererseits an die Magnetspule 30 für die Öffnung des Schalters 14 bzw. die Magnetspule 31 für

die Umlegung des Umschalters 23 von Erde auf den negativen Pol 24 angeschlossen ist.

Die soeben beschriebene Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Das Gas, in dem das Auftreten oder die Vermehrung von Spaltprodukten festgestellt werden soll, tritt durch das Elektroventil 3 ein (wobei es beispielsweise diesem durch eine Leitung 32 von einer Hauptleitung 33 aus zugeführt wird, in der das gesamte Gas fließt) und durchquert nacheinander den Durchgangsraum 1 oder die Vorkammer, in der sich die gasförmigen Spaltprodukte in radioaktive Ionen umwandeln, und die Detektorkammer 2, bevor es die Einheit 1-2 durch das Elektroventil 4 verläßt (um beispielsweise durch eine Leitung 34 mittels einer Pumpe oder eines Ventilators 35 in die Hauptleitung 33 zurückgeführt zu werden), wobei die beiden Ventile 3 und 4 geöffnet sind. Während dieser ersten Periode fließt das Gas, wie durch den ausgezogenen Pfeil F angedeutet ist, durch die Kammer 2, wobei der Umschalter 23 sich in der ausgezogen dargestellten Stellung befindet, in der die Elektrode 5 unaktiv bleibt. Szintillator 7 und Photomultiplier 8 erfassen die Aktivität des gesamten in der Kammer 2 in Richtung des Pfeiles F fließenden Gases.

Diese erste Meßperiode, die durch die Synchronisationseinheit 38 gesteuert wird, die zu dieser Zeit den

Generator 27 an einer Leistungsabgabe hindert, kann beispielsweise etwa 30 Sekunden dauern, um homogene Verhältnisse in der Kammer 2 (und gleichzeitig ein richtiges Arbeiten des Integrators 11) zu erzielen; dieser Integrator 11 liefert während dieser ersten Periode an die Gitter 12 und 15 (der Schalter 14 ist geschlossen) ein Signal, das eine Funktion der mittleren Aktivität des Gases ist, wobei sich der Kondensator 22 bis auf einen von dieser Aktivität abhängigen Wert auflädt. Das Instrument 21 bleibt in der Nullstellung (sein Zeiger 36 nimmt die ausgezogen dargestellte Stellung ein), da der Schalter 14 sich in der ausgezogen dargestellten Stellung befindet und folglich das Potential der Gitter 12 und 15 identisch ist.

Nach dieser ersten Periode von etwa 30 Sekunden, während der der Kondensator 22 Zeit gehabt hat, sich bis auf einen der mittleren Aktivität des Gasdurchflusses entsprechenden Wert aufzuladen, wird (gesteuert durch die Synchronisationseinheit 38) durch den Generator 27 ein Strom in die Wicklungen 28,29, ao 30 und 31 geschickt, der die Ventile 3 und 4 schließt, den Schalter 14, der in die gestrichelt dargestellte Stellung wandert, öffnet und die Elektrode 5 an eine negative Spannung (von etwa 1000 bis 2000VoIt) legt, indem der Umschalter 23 in die gestrichelt dargestellte Stellung umgelegt wird.

Die Rubidium- und Zäsiumionen der Kammer 2 (die aus der Umwandlung in der Vorkammer 1) resultieren) werden, wie durch den Pfeil/ dargestellt ist, angezogen, und der Szintillationsplatte 7 erfaßt zusammen mit dem Photomultiplier 8 die Gesamtaktivität des Gases, vermehrt um die Aktivität der auf der Elektrode S gesammelten Ionen. Der Ausgangswert des Integrators 11 ist folglich jetzt um eine Größe angewachsen, die die Radioaktivität der auf der Elektrode 5 gesammelten Ionen repräsentiert. Wenn also der Schalter 14 geöffnet ist, wird die Differenz zwischen dem Potential des Gitters 12 (das die Aktivität während der zweiten Periode darstellt) und dem Potential des Gitters 15 (dem Potential also, das im Kondensator 22 gespeichert wurde, d. h. das Potential während der ersten Periode darstellt) durch das Meßgerät 21 erfaßt, dessen Zeiger 36 (der jetzt die gestrichelt dargestellte Stellung einnimmt) die zusätzliche Aktivität auf Grund der angesammelten Ionen anzeigt. Wenn also das Gerät 21 entsprechend geeicht wird, vermag es unmittelbar den Gehalt an Spaltprodukten kurzer Lebensdauer in einem Gasstrom anzuzeigen. Diese Größe kann gleichfalls durch ein Registriergerät 37 bekannter Bauart aufgezeichnet werden. Das Gerät 21 zeigt somit einen Wert an (der durch das Registriergerät 37 aufgezeichnet wird), der allein von dem jeweiligen Gehalt an Spaltprodukten abhängig ist.

Die zweite Periode, also die, während der der Generator 27 die Spulen 28, 29, 30 und 31 erregt, kann wesentlich kürzer als die erste Periode sein, denn es genügen im allgemeinen etwa 8 bis 10 Sekunden, um eine ausreichend genaue Messung des Anteils nach dem Anlegen der Spannung an die Elektrode 5 zu erzielen.

Die Synchronisationseinheit 38 kann aus einer Uhr bestehen, die den Generator 27 abwechselnd während der Perioden von beispielsweise 30 Sekunden abschaltet und für Perioden von beispielsweise 10 Sekunden und somit in regelmäßiger Folge einschaltet.

Für den Fall, daß sich bestimmte Elemente mit langer Lebensdauer auf der Elektrode ansammeln sollten, kann die Elektrode, da sie mittels eines Isolierringes 40 in einen Deckel 39 eingesetzt ist, der mit der Wandung der Kammer leicht lösbar verbunden ist, bei Entfernung des Stopfens 41 bequem abgeschraubt und gegen eine neue ausgewechselt werden. Die Erfahrung hat gezeigt, daß es bei der dargestellten Vorrichtung zur Feststellung von Hülsenbrüchen in einem durch Kohlensäuregas im geschlossenen Kreislauf gekühlten Kernreaktor ausreicht, die Elektrode 5 etwa alle 1000 Stunden zu ersetzen, um die volle Selektivität der Vorrichtung zu erhalten.

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung erfaßt somit schnell und sicher die Änderungen der Aktivität in einem Gasstrom auf Grund von Spaltprodukten, ohne bewegliche Teile in Gang zu setzen, während die früheren Überwachungssysteme für den Gasstrom, beispielsweise die Vorrichtung bei der britischen Kernzentrale von Calder Hall (beschrieben im November-Heft 1956 der Zeitschrift »Nuclear Power«, S. 287 bis 289), einen motorisch angetriebenen Niederschlagfaden oder -streifen umfaßt, wobei bei der Arbeit dieser beweglichen Einrichtung Störungen eintreten können, und die Vorrichtung von Calder Hall darüber hinaus keine Ausgleichseinrichtungen zur Beseitigung parasitärer Signale umfaßt, wie es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Fall ist, die eine Brückenschaltung umfaßt, die unter anderem die Trioden 13 und 16 einschließt.

Selbstverständlich kann man bei der beschriebenen und dargestellten Ausführungsform innerhalb der Grenzen fachmännischen Könnens Änderungen vornehmen, indem insbesondere der Detektor, die Folge elektronischer Geräte und/oder die Vergleichseinrichtung durch entsprechende, dem Fachmann bekannte Teile ersetzt werden, ohne daß man sich von dem Wesen der Erfindung entfernt. Desgleichen könnten die Steuereinrichtungen das Öffnen der Ventile 3 und 4, die normalerweise geschlossen wären, bewirken und in entsprechender Weise auf den Schalter 14 und den Umschalter während der ersten Arbeitsperiode einwirken, an Stelle das Schüeßen der Ventile 3 und 4 zu bewirken und die beschriebenen Arbeitsvorgänge auf den Schalter 14 und den Umschalter 23 während der zweiten Arbeitsperiode auszuüben.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur Messung des Gehalts an gasförmigen Spaltprodukten kurzer Lebensdauer in einem Gasstrom, gekennzeichnet durch zwei Kammern (1, 2), durch die nacheinander zumindest ein Teil des Gasstromes mit einer Geschwindigkeit fließt, bei der sich die gasförmigen Spaltprodukte in der ersten Kammer (1) in radioaktive Ionen umformen, einen Strahlungsdetektor (7, 8) zur Bestimmung der Radioaktivität in der zweiten Kammer (2) und Sammeleinrichtungen für die Ionen in dieser Kammer, Speichereinrichtungen (22) zur Speicherung des von dem Strahlungsdetektor (7, 8) ermittelten Radioaktivitätswertes, Steuerorgane zur Absperrung des Gasstromes durch die Kammern und gleichzeitigen Einschaltung der Ionensammeleinrichtungen und Vergleichseinrichtungen (13,16,21) zur Bildung eines Vergleichs zwischen der vor der Einschaltung der Steuerorgane ermittelten, in den Speichereinrich-

tungen (22) gespeicherten Radioaktivität und der Radioaktivität nach der Einschaltung der Steuerorgane.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Kammer (2) ein für Betastrahlen durchlässiges Fenster (6) aufweist, vor dem eine als Strahlungsdetektor dienende Szintillationsplatte (7) angeordnet ist, die mit einem Photomultiplier (8) verbunden ist, dessen Ausgangsimpulse nach geeigneter Verstärkung (9, 10) einen Integrator (11) speisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (13, 16, 21) aus zwei Trioden (13, 16) besteht, deren Kathoden (17, 18) einerseits jeweils über einen eigenen Kathodenwiderstand (19, 20) an Erde liegen, andererseits an ein Anzeigegerät (21) zur Erfassung ihrer Potentialdifferenz angeschlossen sind und deren Gitter (12, 15) einerseits je an einen Pol eines zweipoligen Schalters (14) geführt sind, während andererseits das Gitter (12) der Triode (13) am Ausgang des Integrationsgerätes (11), das Gitter (15) der Triode (16) an einem Pol eines als Speicherorgan dienenden Kondensators (22) liegt, dessen zweiter Pol mit Erde verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammeleinrichtung für die Ionen aus einer in der Kammer (2) angeordneten Elektrode (5), einer Spannungsquelle (25) hoher Gleichspannung und einem Umschalter (23) besteht, durch den die Anode entweder mit dem negativen Pol (24) der Spannungsquelle (25) oder mit Erde verbunden wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerorgan für die Absperrung des Gasstromes durch die Kammern (1, 2) und für die gleichzeitige Einschaltung der Ionensammeleinrichtung (5, 23, 24) und der Vergleichseinrichtung (13, 16, 21) ein von einer Synchronisationseinheit (38) gesteuerter Generator (27) vorgesehen ist, der einerseits an die Magnetspulen (28, 29) für die Schließung der Ventile (3, 4), andererseits an die Magnetspule (30) für die Öffnung des Schalters (14) bzw. die Magnetspule (31) für die Umlegung des Umschalters (23) von Erde auf den negativen Pol (24) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (5) mittels eines Isolierringes (40) in einen Deckel (39) eingesetzt ist, der mit der Wandung der Kammer (2) leicht lösbar verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus Länge (in Metern) der Kammer (1) und Strömungsgeschwindigkeit (in Metern pro Sekunde) des Gasstromes in der Kammer (1) zumindest gleich Eins ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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