DE2105117A1

DE2105117A1 - Burst fuel element detection - by fission product measurement

Info

Publication number: DE2105117A1
Application number: DE19712105117
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Phys. Dr. 7500 Karlsruhe Plesch
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1971-02-04
Filing date: 1971-02-04
Publication date: 1972-08-24

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Feststellung von Brennelement-Hüllenschäden bei Kernreaktoren Die Undichtigkeit einer BrennelementumhUllung kann am Eintritt von Spaltprodukten in das Kühlmittel erkannt werden. Die laufende Überwachung des Kühlmittels auf den Gehalt an Spaltprodukten liefert daher einen Hinweis auf Schäden in den Brennelementhüllen.
Es ist mit Schwierigkeiten verbunden, diese Überwachung auf direktem Wege, etwa mit Hilfe der Messung der Beta-und Gamma-Strahlung aus dem giihlmittel vorsunehmen, da im Kühlmittel auch Aktivitäten anderer Herkunft vorhanden sein können, die ebenfalls Beta- und Gammastrahlung abgeben. Aus diesem Grunde werden aufwendige Abscheidungs- und Anreicherungsmethoden eines oder mehrerer speifischer Spaltprodukte verwendet, wie s Ionenaustauscher für die Jod-Isotope oder Auswaschungsverfahren mit Edelgas und nachfolgender elektrostatischer Präzipitation.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine weitgehende selektive Messung der Aktivität des Kühlmittels unter U-gehung der oben angeführten aufwendigen Technik zu ermaglichen. Sie geht von der Erkenntnis aus, daß eine Reihe von Spaltprodukten eine Beta-Strahlung sehr hoher Energie emittiert, wie sie in der Untergrundaktivität des Kühlwassers nicht vorhanden ist.
In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten dieser Speltprodukte æusammengestellt: Speltprodukt ß -Energie E w SWZ .
NeV Kr 87 3,8 0,70 1,3 h 2,7 Br 87 8,0 9,3 1- m 2,7 Rb 88 5,3 0,78 18 m 3,6 3,6 0,13 r 92 3,6 ? 3,5 h 6,0 Y 94 5,4 1,0 16 m 6,4 J 136 7,0 ? 1,5 m 6,2 5,6 ? 4,2 ? Cs 138 3,4 ? 32 m 5,7 1a 142 4,0 -1,0 74 m 5,9 Pr 146 3,7 ? 24 iii 3,2 In der zweiten Spalte ist die maximale Energie E und in Spalte 3 die Zerfallswahrscheinlichkeit w, soweit bekannt, des energiereichen Beta-Spektrums angegeben. Dann folgt die Angabe der Halbwertszeit und der prozentuale Anteil A des Spaltproduktes, bezogen auf die unzahl gespaltener Kerne.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Feststellung von Brennelement-Hüllenschäden bei Kernreaktoren und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Beta-Aktivität im Reaktorkühlmittel Uber die von ihr in einem Material hoher Ordnungssahl -hervorgeruienen Bremsstrahlung gemessen wird und ein der Energie der Bremsstrahlung entsprechendes Signal nach einem über dem Untergrund liegenden Pegel diskriminiert wird.
Zur Messung wird also die von den energiereichen Beta-Spektren nach der Tabelle erseugte Bremsatrahlung verwendet. Dazu ist es zweckmäßig, das Kühlmittel in innigem Kontakt mit einer möglichst großen Oberfläche des Stoffes hoher Ordnungszahl Z zu bringen. Der ungefähre Anteil -der Elektronezenergie, die in Bremsstrahlung B umgewandelt wird, errechnet sich nach N = 3,5 . 10 4 Z' E.
Verwendet man z.B. Gold -als Elektronenabsorber (Z =79), so .werden bei E = 4 MeY etwa.10 s und bei E = 8 MeV etwa 20 ffi der Energie als Bremsstrahlung nach außen abgegeben. Der Schwerpunkt der Bremsstrahlung liegt bei etwa der halben maximalen Elektronenenergie.
Bei Verdoppelung von E verdoppelt sich die relative und vervierfacht sich die absolute Bremsstrahlenausbeute. Dadurch ist es mdglich, die Selektivität der Spaltproduktmessung zu erhöhen.
Wie aus der Tabelle ersichtlich, wird eine obere Energieschwelle für den Untergrund zweckmäßig so festgelegt, daß er einer Energie der Beta-Aktivität von 3 bis 3,5 MeV entspricht.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist ein Meßgefäß in einem Zweigstrom des Eühlmittels auf, in dem sich ein Material mit hoher Ordnungszahl und einer im Verhältnis zum Inhalt des Meßgefäßes großen Oberfläche befindet. Außerhalb des Meßgefäßes sind Strahlungsdetektoren zur Messung der in dem Material hoher Ordnungszahl von der Beta-Aktivität erzeugten Bremsstrahlung angeordnet. Die Ausgangssignale dieser Strahlungsdetektoren werden nach einer über einem eingestellten Untergrundpegel liegenden Quantenenergie diskriminiert.
Das Material hoher Ordnungszahl kann zur Vergrößerung seiner Oberfläche aus dünnen gitterförmig oder labyrinthartig angeordneten Platten oder Röhren bestehen. Es kann auch in der Form konzentrischer Zylinder oder konzentri~ scher Kugelschalen angeordnet sein und außerdem eine gewellte oder mäanderahnlich gestaltete Oberfläche aufweisen.
Zweckmäßig wird als Material Gold (Z = 79) verwendet.
Als Strahlungsdetektoren sind Szintillationszähler vorgesehen, Die Erfindung wird anhand dreier Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erlautert.
Figur 1 stellt die gesamte Meßanordnung als Blockschaltbild dar.
In Figur 2 ist 5chematisch ein Meßgefäß mit Strahlungsdetektoren dargestellt.
Figur 3 zeigt ebenfalls ein MeEgeiäß anderer Ausbildung im Querschnitt.
In Figur 1 ist ein Meßgefäß 1 über Anschlüsse 2 und 3 in einen Zweig des Kühlmittelstromes eingefügt. Ein Szintillationszähler 4, der in unmittelbarer Berührung mit der für Bremsstrahlung wenig absorbierenden Außenwand des Melxgefäßes steht, ist optisch mit einem Sekundärelektronenvervielfacher 5 verbunden. Das Ausgangssignal des Sekundärelektronenvervielfachers 5 wird über einen LinearverstErker 6 einem Diskriminator 7 zugeführt. Das Ausgangssignal des Diskriminators betätigt eine Anzeigeeinrichtung 8.
Im elektronischen Meßkreis der zusammengeschalteten Szintillationszähler befindet sich eine Energieschwelle, die so eingestellt werden kann, daß nur die energiereiche Bremsstrahlung gemessen wird. Es dürfte sich empfehlen, sie auf etwa 3 - 3,5 MeV einzustellen. Die Gamma-Strahlung der Untergrundaktivität liegt unter diesem Wert. Desgleichen sind die Beta-Energien des Untergrundes wesentlich niedriger, so daß die aus dem Untergrund stammende Bremsstrahlung ebenfalls nicht gemessen wird.
Die Messung ist daher spezifisch für Spaltprodukte und wird durch den Untergrund des Kühlmittels nicht mehr gestört.
Bei sehr starker Untergrundaktivität des Kühlmittels könnte ein Untergrundeinfluß durch Aufsetzinipulse der Gammastrahlung bzw. der Untergrund - Bremsstrahlung entstehen.
Damit dieser Effekt in nennenswertem Maße auftritt, sind hohe Aktivitäten erforderlich. Durch das Schwermetall erfolgt eine starke Absorption dieser Strahlungen, während die harte Bremsstrahlung der Spaltprodukte sehr viel weniger absorbiert wird.
In Figur 2 ist ein Meßgefäß 9 als Durchflußgefäß für das Kühlmittel des Reaktors ausgebildet. In ihm sind dunne Platten 10 eines hochatomigen Stoffes, z.B. Gold, Platin, Blei oder dergleichen, angeordnet. Beiderseits des Meßgefäßes ist je ein Szintillationskristall 11, 12 an einem nachfolgenden Sekundärelektronenvervielfacher 13, 14 zur Messung der aus dem Meßgefäß austretenden Bremsstrahlung angebracht. Wenn Gold als Material der Platten verwendet wird, ist es günstig, die Stärke der Platten mit 0,5 mm zu wählen. Bei Blei wären die Platten etwa 1 mm stark zu machen. Der Zwischenraum zwischen den Platten beträgt zweckmäßigerweise 5 mm. çer Szintillationskristall kann aus Natrium-Jodid NaJ bestehen und sollte dann etwa 75 bis 100 mm dick sein.
In Figur 3 ist eine-andere Form des Meßgefäßes im Querschnitt dargestellt, dabei ist das Meßgefäß 9 von Röhrchen 15 aus hochatomigem Material durchsetzt, die vom kühlmittel durchflossen werden und gleichzeitig von ihm umgeben sind. Bei der Verwendung von Gold als Röhrchenmaterial beträgt die Bandstärke der Röhrchen zweckmäßigerweise 0,5 mm. Die lichte Weite der Röhren ist 5 mm und ihr gegenseitiger Abstand 3 bis 5 mm. In der Querschnittszeichnung des Meßgefäßes 9 sind gestrichelt eingezeichnet eine Zulauföffnung 16 und eine Ablauföffnung 17 für den Kühlmittelstrom. Das Meßgefäß wird von zwei Szintillationskristallen 11, 12 symmetrisch umfaßt.
9 Patentansprüche 3 Biguren

Claims

Patentansprüche B Verfahren zur Feststellung von Brennelement-HUllenschäden bei Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Beta-Aktivität im Reaktorkühlmittel über die von ihr in einem Material hoher Ordnungszahl hervorgerufenen Bremstrahlung gemessen wird und ein der Energie der Bremsstrahlung entsprechendes Signal nach einem über dem Untergrund liegenden Pegel diskriminiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere Schwelle für den Untergrund festgelegt ist, die einer Energie der Beta-Aktivität von 3 bis 3,5 MeV entspricht.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßgefäß in einem Zweigstrom des Kühlmittels angeordnet ist, daß sich in dem Meßgefäß ein Material mit hoher Ordnungszahl und im Verhältnis zum Inhalt des Meßgefäßes großer Oberfläche befindet und daß außerhalb des Meßgefäßes Strahlungsdetektoren zur Messung der in dem Material hoher Ordnungszahl von der Beta-Aktivität erzeugten Bremsstrahlung angeordnet sind, deren Signale nach einer über einem Untergrßndpegel liegenden Quantenenergie diskriminiert sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Ordnungszahl aus dünnen Platten oder Röhren besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten gitterartig angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Ordnungszahl als konzentrische Zylinder oder konzentrische Kugelschalen ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Ordnungszahl eine gewellte oder mäanderähnliche Oberfläche aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Material hoher Ordnungszahl Gold verwendet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsdetektoren Szintillationszähler verwendet sind.