DE1279233B - Vorrichtung zur Bestimmung der Abkuehldauer von Kernbrennstoffen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES VWTW^ PATENTAMT Int. Ci.:

G21d

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21g-21/31

Nummer: 1279 233

Aktenzeichen: P 12 79 233.5-33 (U 13355)

Anmeldetag: 14. Dezember 1966

Auslegetag: 3. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der seit Beendigung der Bestrahlung von Brennstoffen in Kernreaktoren, insbesondere seit ihrer Entnahme aus dem Reaktor, verstrichenen Zeitspanne, die auch als »Abkühldauer« bezeichnet wird.

Brennstoff für Kernreaktoren muß bekanntlich wiederholt aufgearbeitet werden, um Isotope und andere für den Reaktorbetrieb schädliche, zum Teil aber industriell verwertbare Spaltprodukte von dem eigentlichen Spaltstoff abzutrennen. Dies erfordert eine vorgängige Lagerung zum Zwecke des Abklingens oder »Abkühlens« der Strahlung, um unerwünschte Isotope auszuschalten und die Aufarbeitung nach Erreichen der zulässigen Aktivitätsgrenze des bestrahlten Brennstoffs durchführen zu können.

Das bisher angewendete Verfahren zur Vermeidung der Verarbeitung ungenügend gelagerten Brennstoffs oder der Vermengung solchen Brenn- ao Stoffs mit hinreichend abgekühlten Spaltstoffen besteht darin, das Entnahmedatum aus dem Reaktor sowie die Lagerzeiten schriftlich zu fixieren und entsprechende Kontrollen vorzunehmen. Auf menschlichem Versagen beruhende Irrtümer sind dabei unvermeidlich. Besondere Schwierigkeiten bereitet auch die Überwachung im Rahmen der internationalen Kontrolle. Die Inspektion läßt sich praktisch nur zur Zeit der Entnahme des Brennstoffs aus dem Reaktor durchführen. Dagegen ist eine laufende Überwachung der Lagerung wegen der Länge der Abklingzeit praktisch unmöglich. Die Kontrolle würde aber wesentlich erleichtert, wenn eine Vorrichtung zur Verfügung stünde, mit der einwandfrei nachweisbar ist, ob die gelagerten bestrahlten Brennstoffelemente mit den eine gegebene Zeit zuvor aus dem Reaktor entnommenen identisch sind.

Chemische Verfahren zur Bestimmung der Abkühldauer sind zeitraubend und kostspielig und daher praktisch ungeeignet. Idealerweise sollte die Bestimmung zerstörungsfrei, automatisch und fernsteuerbar erfolgen, um eine Gefährdung durch heißes, noch nicht genügend gelagertes Material zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Abkühldauer bzw. Lagerungszeit von aus dem Reaktor entnommenen bestrahlten Brennstoffen zu schaffen, die zerstörungsfrei, automatisch und fernsteuerbar arbeitet und gegebenenfalls mit einer Alarmanlage gekoppelt werden kann.

Vorrichtung zur Bestimmung der Abkühldauer
von Kernbrennstoffen

Anmelder:

The United States Atomic Energy Commission, Germantown, Md. (V. St A.)

Vertreter:

A. R. Herzfeld, Rechtsanwalt,

6000 Frankfurt W13, Sophienstr. 52

Als Erfinder benannt:

Homer Allen Moulthrop, Richland, Wash.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 14. Dezember 1965
(513 861)

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel zum Nachweis der durch den bestrahlten Brennstoff ausgesendeten Gamma-Strahlung und zur Erzeugung von Impulsen, deren Amplitude der Gamma-Strahlungsenergie entspricht, mit zwei Einkanaldiskriminatoren verbunden sind, die so eingestellt sind, daß der eine nur auf Impulse der Gamma-Energie eines Isotops mit vergleichsweise kleiner Halbwertszeit entsprechenden Amplitude und der andere nur auf Impulse mit einer der Gamma-Energie eines Isotops mit vergleichsweise großer Halbwertszeit entsprechenden Amplitude anspricht, und die ihrerseits mit Mitteln verbunden sind, die der Häufigkeit der Ausgangsimpulse der Diskriminatoren entsprechende Signale erzeugen, die ihrerseits einer Vorrichtung zugeführt werden, welche einen dem Verhältnis der Häufigkeit der Ausgangsimpulse der beiden Diskriminatoren zueinander entsprechenden Meßwert liefert.

Die Lösung geht von folgenden Überlegungen aus. Bekanntlich erzeugt die Neutronenbestrahlung von Spaltstoffen im Reaktor zahlreiche Isotope und andere Spaltprodukte, die bei ihrem Zerfall verschiedene Energieformen ausstrahlen. Dieser Zerfall erfolgt in mehreren Zerfallsstufen entsprechend der Zerfallsreihe. So zerfällt z. B. Lanthan 140 mit einer Halbwertszeit von 40,2 Stunden zu Cer 140 unter

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Aussendung eines Beta-Teilchens und sodann einer wird und damit ungenügend gelagerten Brennstoff

Gamma-Strahlung mit einer Energie von 1,6 MeV. anzeigt.

Die Zerfallskurve von Lanthan 140 folgt jedoch der Zur weiteren Erläuterung der Wirkungsweise diene

12,8-Tage-Zerfallskurve von Barium 140, da das die F i g. 2, wobei die dargestellten Isotope lediglich

Lanthan nicht schneller zerfallen kann, als seine je- 5 Beispiele sind. Die gestrichelte Linie 41 stellt das

weilige Bildung aus dem Zerfall des Barium 140 es Verhältnis von Zählwert der Gamma-Strahlung und

erlaubt. Es hat sich nun aber herausgestellt, daß der der Abkühldauer beim Zerfall von Zirkon-Niob 95

Wert der Gamma-Photonenemission aus dem Beta- mit einer Energie von 0,72 bis 0,75 MeV dar. Der

Zerfall eines Spaltprodukts mit vergleichsweise großer flache Verlauf der Kennlinie 41 zeigt, daß Zirkon 95

Halbwertszeit, wie z. "B. Cer 144 oder' Zirkon 95, in io ein Isotop mit einer verhältnismäßig großen Halb-

Beziehung gesetzt werden kann dem Wert der wertszeit ist, im Gegensatz zu dem steilen Verlauf

Gamma-Photonenemission aus demBeta-Zerfall eines der entsprechenden Kennlinie 43 des Isotops Lan-

Spaltprodukts mit vergleichsweise kleiner Halbwerts- than 140 mit einer Gamma-Strahlungsenergie von

zeit, wie z.B. Lanthan 140, und daß sich-aus dem 1,60 MeV und kleiner Halbwertszeit. Werden nun die

Vergleich beider Werte eine äußerst zuverlässige An- 15 Diskriminatoren 23 und 21 so eingestellt, daß sie nur

gäbe der Abkühldauer bzw. Lagerungszeit ergibt. Die die 1,6-MeV-Energie des Lanthan-140-Zerfalls bzw.

vorliegende Vorrichtung setzt somit die Differenz der nur die 0,72-MeV-Energie des Zirkon-Niob-95-Zer-

Zählwerte der Gamma-Strahlung der beiden Ver- falls empfangen, so entsteht eine mit zunehmender

gleichsspaltprodukte in Beziehung zu der seit Ende Abkühldauer konstant zunehmende Differenz zwi-

der Bestrahlung verstrichenen Gesamtzeit. - 20 sehen den Zählwerten der beiden Isotope, die der

An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung näher ·. Abkühldauer also linear proportional ist. Beträgt die

erläutert. Es zeigt erforderliche Abklingzeit beispielsweise 120 Tage, so

Fig. 1 ein Blockschema eines Ausführungsbei- wird die Alarmanlage ausgelöst, wenn die dem Wert

spiels der Vorrichtung, für 120 Tage entsprechende Differenz diesen nicht

Fig. 2 ein Schaubild, das die Abnahme der 35 zumindest erreicht, also kleiner ist.

Gamma-Strahlung verschiedener Isotope als Funk- „ Die gepunktete Linie 45 stellt eine Umformung der

tion der Zeit darstellt, Kennlinie 41 dar, bei der der erste Stufenzähler nur

Fig. 3 ein. Blockschema eines weiteren Ausfüh- jeweils eine Zähleinheit einer bestimmten Anzahl von

rungsbeispiels der Vorrichtung. . Einheiten zählt, wobei die Zählstufen so ausgewählt

Gemäß dem Schema der Fig. 1 erzeugen die von 30 werden, daß die der erforderlichen Abklingzeit einer Probe des Brennstoffs 11 ausgehenden Gamma- ,..· — z.B. 120 Tage — entsprechende Differenz Null Strahlen eine Szintillation des Kristalls 13, z. B. eines ergibt. Die Alarmanlage wird also durch jeden Diffe-Nal(n)-Kristalls, deren Intensität der Energie der renzwert ausgelöst, der negativ ist.
Gamma-Strählung entspricht. Durch einen Detektor Gegebenenfalls kann unter Fortfall der Subtrak-15 erfolgt die Umwandlung der Lichtenergie in ent- 35 tionsvorrichtung 29 die Abkühldauer graphisch ersprechende elektrische Impulse, die über einen Vor- rechnet werden. Der Zählwert des Stufenzählers 25 verstärker 17 einem linearen Impulsverstärker 19 zu- wird in diesem Fall zweckmäßigerweise als Zehnergeführt werden, dessen Ausgangssignal auf die Ein- potenz ausgedrückt. Der Zählwert des Zählers 27 kanaldiskriminatoren 21 und 23 gegeben wird. gibt das Verhältnis der Zählwerte der Gamma-Strah-

Der Analysator 21 ist so eingestellt, daß er auf die 40 lung des kurzlebigen und des langlebigen Istotops Signalspitzen anspricht, welche durch die Gamma- direkt an und ist der Abkühldauer umgekehrt proStrahlung eines· Isotops mit verhältnismäßig großer portional. Die Abkühldauer kann dann aus einer Halbwertszeit erzeugt werden, z. B. Zirkon-Niob 95 Tabelle abgelesen werden.

mit. einer Gamma-Strahlungsenergie von 0,72 bis Nach dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 werden 0,75 MeV und einer Halbwertszeit von 65 Tagen und 45 die Stufenzähler 25 und 27 durch die mit einer Divi-Cer-Prasseodym 144 mit einer Gamma-Strahlungs- sionsschaltung zusammenarbeitenden Zählerschalenergie von 2,2 MeV und-"einer Halbwertszeit von tungen 33 und 35 mit kontinuierlichen Ausgangs-285 Tagen. Die Impulse werden sodann durch-einen Signalen ersetzt. Das dem Verhältnis der Zählwerte Stufenzähler 25 gezählt . - ■ entsprechende und der Abkühldauer proportionale

Der zweite Diskriminator 23 ist demgegenüber so 50 Ausgangssignal 38 der Divisionsschaltung 37 wird der

eingestellt, daß er auf die Signalspitzen anspricht, entsprechend geeichten Meßvorrichtung 39 zuge-

welche durch die Gamma-Strahlung eines Isotops mit führt, von der die Abkühldauer unmittelbar abge-

verhältnismäßig kleiner Halbwertszeit erzeugt wer- lesen werden kann.

den, z. B. Lanthan 140. Diese Impulse werden durch Durch wiederholte Messung der Gamma-Strählung

den Stufenzähler 27 gezählt. Bei Erreichen vorge- 55 einer im mittleren Bereich des Reaktors bestrahlten

wählten Zählwertes-wird der Zählvorgang beider Brennstoffprobe wurde eine Genäuigkeitsprüfung der

Zähler durch den-ersten Zähler 25 unterbrochen. erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgenommen. Der

Die Zählwerte beider Zähler werden in Form ent- mit einer 4-Minuten-Zählung der Gamma-Strahlung

sprechender elektrischer oder mechanischer Signale von Zirkon-Niob 95 mit einer Energie von 0,76 MeV

einem elektrischen oder mechanischen Subtraktions- 60 erzielte Wert wurde durch den ebenso ermittelten

gerät 29 zugeführt, das den-Ausgangswert des zwei- Wert der Gamma-Strahlung von Lanthan 140 mit

ten Zählers 27 von dem des "ersten Zählers 25 ab- 1,6MeV geteilt. Das Ergebnis ergab ein Verhältnis

zieht. Der resultierende Differenzwert ist der Abkühl- von 0,56 bei 33 Tagen Abkühlung, 2,8 bei 70 Tagen,

dauer des Brennstoffs direkt proportional. Das Aus- 7,0 bei 93 Tagen und 20,15 bei 124Tageni also ein

gangssignal 30 des Subtraktionsgeräts 29 wird gege- 65 lineares Verhältnis.

benenfalls zur Betätigung der Alarmvorrichtung 31 Zahlreiche weitere Versuche haben nur eine seht

verwandt, die so ausgelegt ist, daß sie durch ein den geringfügige Abweichung auf Grund von der Intensi-

Sollwert unterschreitendes - Ausgangssignal ausgelöst tat der Bestrahlung und der Bestrahlungszeit ergeben.

So gibt die Vorrichtung beispielsweise die Abkühldauer von 120 Tagen mit einer Genauigkeit von 95% bei Maximalabweichungen von ± 6 Tagen an.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Abkühldauer von in Kernreaktoren bestrahltem Kernbrennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Nachweis der durch den bestrahlten Brennstoff ausgesendeten Gamma-Strahlung und zur Erzeugung von Impulsen mit einer der Gamma-Strahlungsenergie entsprechenden Amplitude (13,15) mit zwei Einkanaldiskriminatoren (21, 23) verbunden sind, die so eingestellt sind, daß der eine nur auf Impulse mit einer der Gamma-Energie eines Isotops mit vergleichsweise großer Halbwertszeit entsprechenden Amplitude anspricht und der andere nur auf Impulse mit einer der Gamma-Energie eines Isotops mit vergleichsweise kleiner Halbwertszeit entsprechenden Amplitude anspricht, und die ihrerseits mit Mitteln verbunden sind, die der Häufigkeit der Ausgangsimpulse der Diskrimininatoren entsprechende Signale erzeugen (25, 27; 33, 35), die einer Vorrichtung zugeführt werden, welche einen dem Verhältnis der Häufigkeit der Ausgangsimpulse der beiden Diskriminatoren zueinander entsprechenden Meßwert liefert (29; 39).

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Diskriminatoren ein Stufenzähler (25, 27) nachgeschaltet ist wobei der eine derselben bei Erreichen eines bestimmten Zählwertes den Zählvorgang beider Zähler abschaltet, so daß der andere Zähler ein der Abkühldauer des bestrahlten Brennstoffs linear proportionales Signal liefert.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Diskriminatoren eine Zählschaltung (33, 35) nachgeschaltet ist, an die eine Divisionsschaltung angeschlossen ist (37), die einen der Abkühldauer des bestrahlten Brennstoffs direkt proportionalen Meßwert liefert.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das der Abkühldauer proportionale Signal einer Alarmvorrichtung (31) zugeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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