DE2105117A1 - Burst fuel element detection - by fission product measurement - Google Patents

Abstract

A detection system for burst fuel elements applicable to water cooled reactors, in which selective measurement of beta activity is used to identify fission product release. In a by-pass line of the primary coolant a vessel with a Au or Pt labyrinth takes a continuous sample flow of the main coolant. NaI scintillator crystals are mounted each side of the labyrinth with adjacent photo multipliers. Signals from the photomultipliers are amplified and discriminated and then passed to a display.

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.Method and device for the determination of fuel element cladding damage in nuclear reactors The leakage of a fuel element cladding can occur at the inlet can be detected by fission products in the coolant. The ongoing monitoring of the Coolant on the content of fission products therefore provides an indication of damage in the fuel element casings.

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.There is difficulty in directing this monitoring on Ways, for example, with the help of the measurement of beta and gamma radiation from the coolant take action, as activities from other sources may also be present in the coolant, which also emit beta and gamma radiation. For this reason, they are expensive Separation and enrichment methods for one or more specific fission products used as ion exchangers for the iodine isotopes or leaching processes with noble gas and subsequent electrostatic precipitation.

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.The invention was based on the object of a largely selective Measurement of the activity of the coolant by going under the above elaborate Technology to enable. It is based on the knowledge that a number of fission products emits beta radiation of very high energy, as found in underground activity of the cooling water is not available.

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten dieser Speltprodukte æusammengestellt: Speltprodukt ß -Energie E w SWZ .The following table shows the most important of these spinning products compiled: 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. 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 the second column is the maximum energy E and in column 3 the decay probability w, if known, of the high-energy beta spectrum given. Then the statement follows the half-life and the percentage A of the cleavage product, based on the innumerable split kernels.

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. The invention relates to a method for determining Fuel element cladding damage in nuclear reactors and is characterized in that the beta activity in the reactor coolant is higher than that of it in a material Ordnungssahl - bremsstrahlung is measured and one of the energy of the Brake radiation corresponding signal based on a level above the subsurface is discriminated against.

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. The measurement is based on the energy-rich beta spectra brake radiation is used in the table. For this purpose, it is advisable to use the coolant in intimate contact with the largest possible surface area of the substance higher Bring atomic number Z. The approximate proportion of the electrical energy contained in bremsstrahlung B is converted, is calculated according to 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.If, for example, gold is used as an electron absorber (Z = 79), then at E = 4 MeY about 10 s and at E = 8 MeV about 20 ffi of the energy as bremsstrahlung released to the outside world. The center of gravity of bremsstrahlung is around half maximum electron energy.

Bei Verdoppelung von E verdoppelt sich die relative und vervierfacht sich die absolute Bremsstrahlenausbeute. Dadurch ist es mdglich, die Selektivität der Spaltproduktmessung zu erhöhen.When E doubles, the relative doubles and quadruples the absolute brake ray yield. This makes it possible to increase the selectivity to increase the fission product measurement.

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.As can be seen from the table, an upper energy threshold for expediently set the subsoil in such a way that it has an energy of beta activity from 3 to 3.5 MeV.

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.A device for carrying out the method has a measuring vessel in a branch stream of the coolant, in which there is a material with a high atomic number and a large surface area in relation to the contents of the measuring vessel. Outside of of the measuring vessel are radiation detectors for measuring the high atomic number in the material bremsstrahlung generated by the beta activity. The output signals These radiation detectors are after a set background level lying quantum energy discriminated.

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.The high atomic number material can increase its surface area consist of thin plates or tubes arranged like a grid or a labyrinth. It can also be in the form of concentric cylinders or concentric spherical shells be arranged and also a corrugated or meander-like have designed surface.

Zweckmäßig wird als Material Gold (Z = 79) verwendet.It is advisable to use gold (Z = 79) as the material.

Als Strahlungsdetektoren sind Szintillationszähler vorgesehen, Die Erfindung wird anhand dreier Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erlautert.Scintillation counters are provided as radiation detectors The invention is explained in more detail on the basis of three figures which represent exemplary embodiments explained.

Figur 1 stellt die gesamte Meßanordnung als Blockschaltbild dar.Figure 1 shows the entire measuring arrangement as a block diagram.

In Figur 2 ist 5chematisch ein Meßgefäß mit Strahlungsdetektoren dargestellt.In FIG. 2, a measuring vessel with radiation detectors is shown schematically.

Figur 3 zeigt ebenfalls ein MeEgeiäß anderer Ausbildung im Querschnitt.Figure 3 also shows a MeEgeiäß different training in cross section.

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.In FIG. 1, a measuring vessel 1 is in a branch via connections 2 and 3 of the coolant flow inserted. A scintillation counter 4, which is in the immediate Contact with the outer wall of the Melx vessel, which is not very absorbent for bremsstrahlung is optically connected to a secondary electron multiplier 5. The output signal of the secondary electron multiplier 5 is a linear amplifier 6 a Discriminator 7 supplied. The output signal of the discriminator operates a display device 8th.

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.In the electronic measuring circuit of the interconnected scintillation counter there is an energy threshold that can be set so that only the high-energy bremsstrahlung is measured. It might be advisable to put them on about 3 - 3.5 MeV. The gamma radiation of the underground activity is below this value. Likewise, the beta energies of the subsurface are much lower, so that the bremsstrahlung originating from the ground is also not measured will.

Die Messung ist daher spezifisch für Spaltprodukte und wird durch den Untergrund des Kühlmittels nicht mehr gestört.The measurement is therefore specific for fission products and is carried out by the subsurface of the coolant is no longer disturbed.

Bei sehr starker Untergrundaktivität des Kühlmittels könnte ein Untergrundeinfluß durch Aufsetzinipulse der Gammastrahlung bzw. der Untergrund - Bremsstrahlung entstehen.In the case of very strong underground activity of the coolant, an underground influence could occur caused by initial pulses of the gamma radiation or the background bremsstrahlung.

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 order for this effect to occur to a significant extent, high activities are required necessary. The heavy metal strongly absorbs this radiation, while the hard bremsstrahlung of the fission products is much less absorbed will.

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 Figure 2 is a measuring vessel 9 as a flow vessel for the coolant of the reactor. In it are thin plates 10 of a highly atomic substance, e.g. gold, platinum, lead or the like. Both sides of the measuring vessel is a scintillation crystal 11, 12 on a subsequent secondary electron multiplier 13, 14 attached to measure the bremsstrahlung emerging from the measuring vessel. If gold is used as the material of the plates, it is beneficial to increase the strength of the Choose plates with 0.5 mm. In the case of lead, the plates would have to be made about 1 mm thick. The space between the plates is expediently 5 mm. çer scintillation crystal can consist of sodium iodide NaI and should then be around 75 to 100 mm thick.

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.In Figure 3 another shape of the measuring vessel is shown in cross section, the measuring vessel 9 is penetrated by tubes 15 made of highly atomic material, which are flowed through by the coolant and at the same time are surrounded by it. In the If gold is used as the tube material, the tape thickness of the tube is expediently the same 0.5 mm. The inside diameter of the tubes is 5 mm and you mutual Distance 3 to 5 mm. In the cross-sectional drawing of the measuring vessel 9 are dashed drawn in is an inlet opening 16 and an outlet opening 17 for the coolant flow. The measuring vessel is symmetrically surrounded by two scintillation crystals 11, 12.

9 Patentansprüche 3 Biguren9 claims 3 bigures

Claims (9)

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. Claims B Method for determining damage to the fuel element casing in nuclear reactors, characterized in that the beta activity in the reactor coolant via the bremsstrahlung it causes in a material with a high atomic number is measured and a signal corresponding to the energy of the bremsstrahlung a level above the subsurface is discriminated against. 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. 2. The method according to claim 1, characterized in that an upper Threshold for the subsurface is set, which is an energy of beta activity from 3 to 3.5 MeV. 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. 3. Apparatus for performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that a measuring vessel in a branch stream of the coolant is arranged that there is a material with a high atomic number and in the measuring vessel in relation to the contents of the measuring vessel is large surface and that outside of the measuring vessel radiation detectors for measuring the high atomic number in the material bremsstrahlung generated by the beta activity are arranged, their signals according to a quantum energy lying above a lower level are discriminated. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Ordnungszahl aus dünnen Platten oder Röhren besteht. 4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the material high atomic number consists of thin plates or tubes. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten gitterartig angeordnet sind. 5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the plates Are arranged like a grid. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Ordnungszahl als konzentrische Zylinder oder konzentrische Kugelschalen ausgebildet ist.6. Apparatus according to claim 3, characterized in that the material high atomic number designed as concentric cylinders or concentric spherical shells is. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Ordnungszahl eine gewellte oder mäanderähnliche Oberfläche aufweist.7. Apparatus according to claim 4 to 6, characterized in that the material with a high atomic number has a corrugated or meander-like surface. 8. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Material hoher Ordnungszahl Gold verwendet ist.8. Apparatus according to claim 3 or one of the following, characterized in that that gold is used as a material of high atomic number. 9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsdetektoren Szintillationszähler verwendet sind.9. Apparatus according to claim 3, characterized in that the radiation detectors Scintillation counters are used.