DE2729210A1

DE2729210A1 - Neutronennachweissystem

Info

Publication number: DE2729210A1
Application number: DE19772729210
Authority: DE
Inventors: Sen William Harold Todt
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-07-07
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1978-01-19
Also published as: DE2729210C2; GB1589434A; US4086490A; JPS536796A; FR2357915B1; FR2357915A1

Description

FQIWWMIwVh

4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

-3-

püsseldorf, 28. Juni 1977 44,106
7747

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St, A.

Neutronennachv/eissystem

Die Erfindung betrifft Neutronennachweissysteme, die zum Nachweis von thermischen Neutronenflüssen über einen weiten Bereich von Flußpegeln betrieben werden können. In der Vergangenheit hat es sich als erforderlich erwiesen, eine Vielzahl von verschiedenen Neutronendetektoren zu verwenden, um den gesamten Bereich von Neutronenflußpegeln für einen typischen Leichtwasserreaktor abzudecken» Pur hohe Neutronenflußpegel sind Detektoren mit Ionisierungskammeroder GIeich-Btrombetriebsart verwendet worden, während man für kleine Neutronenflußpegel einen Proportionalzähldetektor der Impulsbetriebsart verwendet hat. Die Ionisierungskammer kann gammakompensiert sein, um die Genauigkeit des Signalpegels zu verbessern C

Die Spaltungskammer ist ein Neutronendetektor mit Ionisierungskammer, die gasgefüllt ist und verwendet*wird, um einen Neutronenfluß durch die Reaktion von durchdringenden thermischen Neutronen mit einer Menge von spaltbarem Material, das in der Vorrichtung angeordnet ist, nachzuweisen. Das spaltbare Material kann z.B. Uran 235 sein. Die durch die Reaktion

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mit den thermischen Neutronen freigesetzten Spaltprodukte ionisieren das Füllgas, woraus sich der Nachweis eines Iinpulssignals bei kleinen Flußpegeln ergibt, während ein durchschnittliches Gleichstromsignal bei hohen Flußpegeln gemessen wird. Die Gleichstrombetriebsart solcher Spaltungskammervorrichtungen ist auf einen maximalen Flußpegel,typischerweise ungefähr 10 N/cra /see durch die Sättigungseigenschaften des Detektors begrenzt. Der minimale nachweisbare Neutronenflußpegel in der Gleichstrombetriebsart beträgt ungefähr 10 N/cm /see und wird durch den Gleichstrom-Alphasignalhintergrundstrom in der Kammer bestimmt. Die Impulszählbetriebsart ist auf einen oberen Pegel von ungefähr 10 Zählvorgängen pro Sekunde durch das Auflösungsvermögen einzelner Impulse in der Kammer und auf einen unteren Pegel von einem Zählvorgang pro Sekunde durch Hintergrundstrahlung und/oder Zählstatistik begrenzt. Diese beiden Betriebsarten überlappen sich nicht und es sind zwei gesonderte Detektorkammern erforderlich, um ein System zu bilden, um den gesamten Neutronenflußbereich für ein typisches Reaktorkontrollsystem abzudecken.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, ein Neutronennachweissystem mit einem einzigen Detektor zu schaffen, der wirksam den gesamten Bereich des Neutronenflusses in einem Betriebsreaktor abdecken kann, um die Anzahl der Bauteile und die Raumerfordernisse möglichst klein zu halten.

Eine Vielzahl von gammakompensierten Ionisationskammern sind im Stande der Technik bekannt, z.B. US-PS 2 852 694. Außerdem sind eine Vielzahl von Alphateilchen-Kompensationseinrichtungen für Neutronendetektoren bekannt.

Die obige Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Neutronennachweissystem mit großem Bereich, das über einen Neutronenflußbereich von 1 bis 10 N/cm /see betriebsbereit ist, dadurch gelöst, daß ein Neutronendetektor der Spaltungsart mit Ionisierungskammer gammakompensiert ist, eine Einrichtung zum

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Minimieren der Effekte von im Detektor erzeugten Alphasignalen aufweist und eine Einrichtung enthält, um den Neutronendetektor für niedrige Neutronenflußpegel in der Impulszählbetriebsart und für hohe Neutronenflußpegel in der Gleichstrombetriebsart zu betreiben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Neutronendetektor der Spaltungsart mit Ionisierungskammer mit einer integralen Gramma- und Alphakompensationseinrichtung versehen.

V/eitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

Pig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer gammakompensierten Spaltungskammer, die in dem System der vorliegenden Erfindung verwendbar ist,

Pig. 2 eine schematische Darstellung des Neutronennachweissystems der vorliegenden Erfindung, und

Pig. 3 eine graphische Darstellung des in einem Kernreaktor vorhandenen Bereichs von Neutronenflußpegeln und der Ausdehnung, bis zu welcher der Betriebsbereich des Spaltungskammerdetektors ausgedehnt werden kann, um den gesamten Bereich abzudecken.

Aus Pig. 2 geht deutlich ein Neutronennaciiweissystem 10 hervor und in Pig. 1 ist in größeren Einzelheiten ein Neutronendetektor 12 der Spaltungsart dargestellt. Der Neutrcnendetektor 12 der Spaltungsart mit Ionisierungskammer weist ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse 14 auf, das eine isolierte Grundplatte 16 und ein dünnes leitfähiges im allgemeinen rohrförmiges Gehäuse Mi enthält. Innerhalb des Gehäuses 18 ist koaxial eine erste Hochspannungselektrode 20 angeordnet, inner-

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halb welcher ebenfalls koaxial eine zweite Elektrode 22 angeordnet ist, wobei das zwischen diesen Elektroden vorgesehene Volumen eine Neutronennachweiskammer 24 bildet. Auf der inneren Oberfläche der ersten Elektrode 20 ist eine kleine Menge von spaltbarem Uranoxid 26 vorgesehen. Eine zentral angeordnete Elektrode 28 ist innerhalb einer Gammakompensationskammer 30 vorgesehen, welche durch die zweite Elektrode 22 bestimmt wird. Bei einer Ausfiüirungsform ist innerhalb der Gammakompensationskammer 30 eine kleine Menge eines Alphateilchen emittierenden Isotops wie z.B. Radium angeordnet, um eine Alphakompensationseinrichtung einstückig mit der Gammakompensationskammer zu schaffen. Das Heutronennachweissystem 10 weist eine positive Spannungsquelle 32 auf, die mit der ersten Hochspannungselektrode 20 verbunden ist. Eine negative Hochspannungsquelle 34 ist mit der zentralen Elektrode 2ü verbunden. Das Betriebssignal wird von der zweiten Elektrode 22 abgeleitet, die mit einem Signalvorverstärker 36 verbunden ist. Wenn der Detektor im Bereich eines hohen Neutronenflußpegels betrieben wird, wird eine Gleichstrombetriebsart verwendet und der Signalausgang des Vorverstärkers 36 wird auf ein Gleichstromelektrometer 3ö gegeben. Von einem solchen Elektrometer 38 wird ein Stromsignalpegel abgeleitet, der einen Flußpegel thermischer Neutronen anzeigt. Solche Signalpegel sind in Fig. 3 dargestellt. Wenn das Neutronennachweissystem für niedrige Neutrcnenflußpegelmessungen verwendet wird, wird das System in einer Impulszählbetriebsart betrieben und das Ausgangssignal des Vorverstärkers 36 wird einem linearen Verstärker 40 zugeführt, wobei das verstärkte Signal auf einen Einkanalanalysator 42 und eine Zähler-Zeitgeber-Einrichtung 44 gegeben wird.

Bei dem vorliegenden System wird ein einziger Neutronendetektor der Spaltungsbauart verwendet, der gammakompensiert sein kann und dessen Alphasignaleffekt möglichst klein gehalten wird, um einen Betrieb des Detektors über den gesamten Bereich von Neutronenflußpegeln zu ermöglichen ., die in arbeitenden

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Reaktoren vorhanden sind. Die Gammakompensation wird von einer in dem Detektor vorhandenen Gammakompensationskammer bewirkt; es ist jedoch auch möglich, ein Gammakompensationssignal in einer äußeren Schaltung zu erzeugen. Im vorliegenden System kann eine Vielzahl von Alphasignal-Kompensationseinrichtungen oder Alphasignal-Minimierungseinrichttmgen verwendet werden.

Man hat erkannt, daß man eine Ausdehnung des unteren Bereichs des Gleichstrombetriebspegels für einen Detektor der Spaltungskammerbauart durch Reduzierung des in dem Detektor vorhandenen Gleichstrom-Alphahintergrund-Strompegels erzielen kann. Der Urangehalt der Spaltungskammer besteht normalerweise aus vier natürlich radioaktiven Isotopen des Urans. Der größte Anteil des Urans liegt als Uran 235 vor mit einem mäßigen Gehalt an Uran 238 und sehr kleinen Mengen an Uran 234 und Uran 236. Es ist festgestellt worden, daß Uran 234 hauptsächlich zu den Alphahintergrundstrompegeln beiträgt aufgrund seiner relativ kurzen Halbwertzeit (2,47 x 10 Jahre) verglichen mit den anderen vorhandenen Uranisotopen. Das Uran 234-Material hat einen Spaltungsschwellwert von ungefähr 0,1 MEV und ist daher nicht sehr zweckmäßig zum Nachweis von thermischen Neutronen. Es hat sich daher als sehr wünschenswert herausgestellt, den Gehalt an Uran 234 in der Spaltungskammer möglichst klein zu halten oder zu eliminieren. Bei Verwendung von Uran, das weniger als 100 ppm Uran 234 enthält, wird der Alphastromanteil des Uran 234 reduziert, wodurch sich eine Reduzierung des gesamten vorhandenen Alphahintergrundes um einen Paktor von ungefähr 20 ergibt. Eine solche an Uran 234 verarmte Spaltungskammer wird einen ausgedehnten nutzbaren Bereich von ungefähr 5 χ 10 N/cm /see aufweisen. Ein solch ausgedehnter Betriebsbereich ist in Fig. 3 dargestellt. Für eine solche Vorrichtung, die arm an Uran 234 ist, ergibt sich eine Überlappung der Gleichstrombetriebsart mit der Impulszählbetriebsart, um vollständig den 10 Dekadenbereich der thermischen Neutronenflußpegel in Kernreaktoren abzudecken.

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Eine alternative Methode zur Ausdehnung des Gleichstrombereichs eines kommerziellen Neutronendetektors der Spaltungskamme rbauart besteht in der Verwendung eines Kompensationssignalstromes in der äußeren Gleichstromschaltung, um die Wirkungen des Alphahintergrundpegels auszulöschen. Ein im Handel erhältliches Gleichstrom-Picoamperemeter, wie z.B. Keithley Model 417, enthält eine besondere Schaltung zum Unterdrücken von Hintergrundstrom. Durch Unterdrückung des Alphahintergrundstroms von 2 χ 10 Ampere können Neutronensignalstrompegel im 1O~ Ampere-Bereich gemessen werden.

Bei typischen Leichtwasserkernreaktoren fällt eine gemischte Strahlung im Neutronen- und Gammabereich auf die Detektoren der Strahlung aus dem Kern. In der GleichBtrorabetriebsart arbeitet ein Neutronendetektor mit Spaltungskammer bis herunter zu einem Flußbereich von ungefähr 10 NV aufgrund des Gammahintergrundsignals, das in der Kammer durch den hohen Gammafluß erzeugt wird, der von der Restaktivierung des Kernmaterials einfällt. Die Verwendung einer gammakompensierten Kammer kann den nützlichen Betriebsbereich bis herunter auf 10 NV ausdehnen und somit für eine Überlappung mit der Impulszählbetriebsart sorgen.

Bei der Aueführungsform der Fig. 1 erstrecken sich konventionelle ringförmige Schutzringelektroden 46 und 48 durch die Grundplatte 16 ein kleines Stück in die jeweiligen Kammern 30 und 24. Die Sohutzringelektrode 46 erstreckt sich zwischen der zentral angeordneten Elektrode 28 und der zweiten Elektrode 22, während sich die Sohutzringelektrode 48 zwischen der zweiten Elektrode 22 und der ersten Elektrode 20 befindet. Solche Sohutzringelektroden Bind im Standder Technik bekannt und geerdet, um für eine größere Signalempfindliohkeit zu sorgen.

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Leerseite

Claims

Dr.-ing. Ernst Strohnann 2 7 2 9 2 1 Q

PttftMWOH

4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

.Düsseldorf, 28. Juni 1977

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh. Pa.. V. St. A.

Patentansprüche :

.iNeutronennachweissystem mit großem Bereich, das über einen Neutronenflußbereich von 1 bis 10 N/cm /see betriebsbereit ist, dadurch gekennzeichnet, daß das System einen Neutronendetektor der Spaltungsart mit Ionisierungskammer aufweist, der gammakompensiert ist, eine Komponente zum Minimieren der Effekte von im Detektor erzeugten Alphasignalen aufweist und eine Anordnung enthält, um den Neutronendetektor für niedrige Neutronenflußpegel in der ImpulsZählbetriebsart und für hohe Neutronenflußpegel in der Gleichstrombetriebsart zu betreiben.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammakompensation dadurch erzielt wird, daß eine Gammakompensationskammer als Teil des Neutronendetektors der Spaltungsart mit Ionisierungskammer vorgesehen ist·
3. System naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente zum Minimieren der Alphasignaleffekte eine auegewählte Menge eines Alphateilchen emittierenden Isotops mit kleinem Neutronenquerschnitt aufweist, die innerhalb der Gammakompensationskammer angeordnet ist, um eine Alphasignalkoapensation zu bewirken.

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Tetefon (Oaii) 32O8 58 Teteoramme Cuctope*

ORIGINAL INSPECTED
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Alphasignal, das durch die Ionisationskammer der Spaltungsart erzeugt wird, durch Verwendung von Uranoxidspaltmaterial, das an Uran 234-Crehalt verarmt ist, minimiert wird.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Uran234 geringer als 100 ppm ist.
6. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente die Form einer äußeren Vorspannungsschaltung aufweist, die geeignet ist, den Alphasignaleffekt durch Anlegen eines Kompensationssignalstroms zu minimieren.

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