Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Teilchendetektoren (Neutronen und
Gammateilchen), insbesondere bei Leistungsreaktoren, um die Nuklear-Milieus auf
zerstörungsfreie Weise zu charakterisieren.
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Das Online-Messen der Leistung eines Reaktors kann mit Hilfe mehrerer Sensoren
erfolgen. Insbesondere kennt man:
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- die Gammathermometer,
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- die langsamen und/oder schnellen Kollektrone,
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- die Spaltkammern.
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Die im Kern eines Reaktors abgebene Leistung ist schematisch die Summe aus
"Momentan"-Leistung und "Rest"-Leistung.
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Die Momentanleistung entspricht dem Spaltprozess und ist mit der kinetischen
Energie der Spaltprodukte verbunden, der Spaltenergie der momentanen Gammateilchen und
Neutronen. Sie ist direkt korreliert mit dem Niveau des Neutronenflusses.
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Die Restleistung entspricht der durch die radioaktive Umwandlung (hauptsächlich β
und y) abgegebenen Energie der durch Fission oder Einfang gebildeten Kerne, mit den
diversen damit verbundenen Umwandlungsperioden. Sie ist mit der Gammaemission
korreliert.
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Eine Online-Messung der Leistung des Reaktors erfordert also eine Online-Detektion
des Neutronenflusses, d. h. die Verwendung von mehrheitlich bzw. hauptsächlich
neutronensensiblen Sensoren. Dies trifft auf die y-Thermometer und die schnellen Kollektrone zu. Die
langsamen Kollektrone sind gut an das Neutronenzählen angepasst, haben aber eine
Reaktionszeit, die inkompatibel ist mit einer für den Reaktorschutz auswertbaren Messung.
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Die Spaltkammern haben zahlreiche Vorteile. Ihre Effizienz ist hoch, sie werden durch
die Gammastrahlung sehr wenig gestört (schon aufgrund der Art des Detektors) und ihre
Reaktionszeit ist ganz kurz und nur bedingt durch die Verarbeitungselektronik.
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Die vorliegende Erfindung betrifft genau die Spaltkammern.
Stand der Technik
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Eine Spaltkammer arbeitet nach dem in dem Patent FR-A-1 593 960 beschriebenen
Prinzip.
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Die Fig. 1 stellt schematisch im Axialschnitt eine in diesem Dokument beschriebene
Kammer dar. Diese umfasst im Wesentlichen eine doppelte Metallhülse 1 aus einem nur
schwach neutronenabsorbierenden Material, gebildet durch zwei dünne koaxiale Wände 2 und
3, die an ihren Enden durch kreisförmige Metallkrägen 4 und 5 verbunden sind, mit denen
diese Wände vorzugsweise verschweißt sind. Zwischen diesen Wänden und in dem dichten
ringförmigen Raum, den sie folglich abgrenzen, befindet sich ein Koaxialkabel 6, ebenfalls
metallisch, fixiert durch Endringe 7 und 8 aus einem geeigneten elektrischen
Isolationsmaterial. Auf einer seiner Flächen umfasst das Rohr 6 eine dünne Beschichtung 9 aus einem
spaltbaren Material, z. B. aus Uran 235. An einem seiner Enden ist das Rohr 6 mittels
Schweißung mit dem Kern 10 eines Koaxialkabels 11 verbunden, dessen Abschirmung 12,
von dem Kern isoliert durch eine entsprechende Dicke aus einem Isoliermaterial 13, ihrerseits
mit dem Kragen 5 verbunden ist, der die Wände 2 und 3 verbindet. An seinem anderen Ende
ist das Kabel 11 mit einem Verbinder 14 für den elektrischen Anschluss der Kammer
verbunden, dessen Ausführung die Fig. 2 im Detail zeigt. Dieser Verbinder umfasst zwei
ineinandersteckende Teile 15 und 16, die ein dichtes Verbindungsteil 17 einschließen,
zwischen dem Ende des leitfähigen Kerns 10 des Kabels und einem Ausgangsstecker 18. Die
Abschirmung 12 ist verbunden mit den Wänden 2 und 3 des Gehäuses des Verbinders 14.
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Das Innenrohr 6 bildet die Anode oder Kollektorelektrode der Spaltkammer, wobei die
Katode oder Hochspannungselektrode durch die Wände 2 und 3 der Hülse 1 gebildet wird,
verbunden durch die Endkrägen 4 und 5. Der zwischen diesen Wänden und dem Rohr 6
abgegrenzte Raum wird im Laufe des Zusammenbaus der Kammer mit einem neutralen Gas,
vorzugsweise Argon, mit einem bestimmten Druck gefüllt.
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Die Spaltbruchstücke in Form ionisierender Partikel, erzeugt durch den Aufprall des
Neutronenflusses auf dem spaltbaren Material der Anode führt in dem Füllgas zur Bildung von
Ionen, wobei diese Ionen durch die Elektroden gesammelt werden und diesen
Spannungsimpulse liefern, deren Messung oder Zählung ein Bild des eintreffenden Ionenflusses liefert.
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Ein bei dieser Art von Spaltkammer schon bekanntes Problem ist das der
Gasdichtheit, insbesondere an der Verbindungsstelle zwischen dem Kammergehäuse (wo
sich die die Detektion der Neutronen gewährleistende Anoden-Katoden-Einheit befindet) und
dem Verbindungskabel (das die Weiterleitung des Signals bis zur der Verarbeitungselektronik
sicherstellt). Die Bildung von Ionen in der Kammer unter dem Aufprall der Neutronen hängt
nämlich von der in dieser Kammer vorhandenen Gasmenge ab und infolgedessen hat jedes
Gasleck eine Abweichung der Reaktion der Kammer von einem bestimmten bzw. gegebenen
Signal zur Folge.
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Eine Lösung, darin bestehend, das durch die Kammer und das Verbindungskabel
gebildete Ganze unter Druck zusammenzubauen, ist nicht zufriedenstellend, da sie zu einer
Verlangsamung des industriellen Fabrikationsverfahrens führt (man muss einen
Druckausgleich zwischen der Kammer und dem Kabel abwarten), und
Gasmigrationsphänomene zwischen dem Kammergehäuse und dem Verbindungskabel nicht ermöglichen,
eine konstante Effizienz des Detektors über eine lange Bestrahlungsdauer zu garantieren
(man stellt oft eine Abweichung des Signals fest). Außerdem wurden bei dieser Lösung
Langstrecken-Mikrophoniephänomene festgestellt.
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Ein weiteres zu lösendes Problem besteht darin, eine Spaltkammer mit guter
mechanischer Festigkeit zu erhalten, da sie Vibrationen ausgesetzt sein kann.
Darstellung der Erfindung
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Es muss also das Problem der totalen Isolation zwischen dem Kammergehäuse und
dem Kabel gelöst werden, so dass nur das Kammergehäuse unter Druck steht, und außerdem
das Problem der Gasmigration zwischen dem Kammergehäuse und dem Kabel, um die
Effizienz der Detektion über eine lange Messperiode zu garantieren. Bei jeder Lösung dieses
Problems müssen Elemente eingesetzt werden, die sich unter der Einwirkung der Neutronen-
und Gammastrahlung und der Temperatur nicht oder nur sehr wenig verschlechtern. Aus
Gründen der Integration der Kammer in die Führungsrohre der Brennstoffkassetten muss die
Lösung mit Kammern kompatibel sein, deren Durchmesser maximal 1,5 mm beträgt.
Außerdem muss die Kammer eine gute mechanische Festigkeit haben.
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Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem sie eine Subminiatur-
Spaltkammer mit einem Rohr vorschlägt, von dem wenigstens ein Teil die Kathode bildet und
eine Anode sich in dem Rohr befindet und mit leitfähigen Elementen verbunden ist, um ein
elektrisches Signal zur Außenseite der Kammer zu übertragen, wobei das Rohr an einem
ersten Ende geschlossen sein kann und diese Kammer dabei dadurch gekennzeichnet ist,
dass das zweite Ende durch einen Stopfen aus einem Material verschlossen ist, das sich unter
der Einwirkung der Neutronenbestrahlung oder Gammastrahlung sowie unter der Wirkung der
Temperatur nicht oder nur sehr wenig verschlechtert, wobei dieser Stopfen die dichte
Durchführung der leitfähigen Elemente zur Außenseite des Rohrs ermöglicht und wenigstens
teilweise von einer Hülse umgeben ist und diese Hülse mit dem Stopfen ins Innere des Rohrs
eindringt und dabei das zweite Ende des Rohrs auf einem Außenteil der Hülse festgeschweißt
ist.
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Mit diesem Verschlusssystem ist es möglich, nur das Kammergehäuse mit einem
neutralen Gas unter Druck zu setzen.
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Die Tatsache, das Ende des Rohrs an einem Außenteil der Hülse festzuschweißen
ermöglicht, jedes Gasmigrationsphänomen zwischen dem Kammergehäuse und dem
Verbindungskabel zu vermeiden, was hilft, die Detektionseffizienz sicherzustellen.
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Dieser Verschluss ist völlig kompatibel mit einer fortgeschrittenen Miniaturisierung, die
ein Kammergehäuse ermöglicht, das eine Gesamtlänge von 25 mm und einen Durchmesser in
der Größenordnung von 1,5 mm ermöglicht.
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Die totale Isolation zwischen dem Kammergehäuse und dem Verbindungskabel
ermöglicht außerdem lange Strecken zwischen den Detektoren und der
Verarbeitungselektronik (in der Größenordnung von 30 m) ohne Mikrophonie, was vollständig kompatibel mit
einer festen Instrumentierung im Reaktor ist.
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Die Struktur der erfindungsgemäßen Spaltkammer hat eine bessere mechanische
Festigkeit als die bekannten Kammern nach dem Stand der Technik. Insbesondere ist eine
bessere Vibrationsfestigkeit gewährleistet, was im Falle eines Einsatzes in einer
Nuklearanlagenumgebung wichtig ist.
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Schließlich ermöglicht die Struktur der Kammer und die Wahl eines sich unter der
Einwirkung der Neutronen oder der Gammastrahlung nicht verschlechternden Materials für
den Stopfen eine unter hohen Neutronen- oder Gammastrahlenflüssen stabile und dichte
Vorrichtung herzustellen.
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Vorteilhafterweise dringen der Stopfen und die Hülse über wenigstens 2 mm in das
Rohr ein: dies ermöglicht, eine sehr gute Dichtheit und eine sehr gute mechanische Festigkeit
sicherzustellen.
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Ein im Rahmen der Erfindung gelöstes Teilproblem ist das der Auswahl der das Rohr
und die Hülse bildenden Materialien.
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Vorteilhafterweise ist das Rohr aus einer neutronendurchlässigen Legierung, z. B.
Inconel oder Inox, und hat eine gute Strahlungs- und Temperaturbeständigkeit.
Ebenso kann die Hülse aus einer neutronendurchlässigen Legierung wie z. B. Inconel
oder Inox sein und eine gute Strahlungs- und Temperaturfestigkeit haben.
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Außerdem ist die Wahl von Aluminiumoxid als Material für den Stopfen sehr vorteilhaft,
da es sich unter der Einwirkung von Neutronen- und Gammastrahlung und der Temperatur
nicht oder nur sehr wenig verschlechtern kann. Vorzugsweise hat das Aluminiumoxid eine
Reinheit von wenigstens gleich 98%.
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Man kann Aluminiumoxid mit einer Reinheit über oder gleich 99,5% wählen.
Kurzbeschreibung der Figuren
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Die Charakteristika und Vorteile der Erfindung gehen noch besser aus der
nachfolgenden Beschreibung hervor. Diese Beschreibung betrifft erläuternde und nicht
einschränkende Ausführungsbeispiele, bezogen auf die beigefügten Figuren:
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- die Fig. 1, schon beschrieben, ist eine schematische Ansicht einer Spaltkammer
nach dem Stand der Technik,
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- die Fig. 2, schon beschrieben, ist eine Verbindungsvorrichtung am Ende eines
koaxialen Verbindungskabels,
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- die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsart einer Spaltkammer nach der vorliegenden
Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsarten
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Die Erfindung wird nun in Verbindung mit der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsart
beschrieben. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 20 ein Rohr mit einem
Außendurchmesser von ungefähr 1,5 mm, das zugleich als Umhüllung der Spaltkammer und -
mit wenigstens einem mit dem Bezugszeichen 21 bezeichneten Teil - als Katode dient. Im
Innern der Kammer tragen zwei Isolatoren 22,24, z. B. aus Rubin bzw. Stein, eine zentrale
Anode 26, überzogen mit einer spaltbaren Beschichtung (z. B. 200 um Uran 235). Das Rohr 20
ist an einem seiner Enden 23 mit einem Stopfen 28, z. B. aus Inox, verschlossen. Bei ihrer
Verwendung ist die Kammer mit einem neutralen Gas gefüllt, z. B. mit Argon unter einem
Druck von einigen Bar (z. B. 4 Bar), und der Stopfen 28 dient zugleich zum Füllen und zum
Abdichten der Kammer. Die Anode 26 ist mit leitenden Elementen 32, 36 verbunden, um ein
elektrisches Signal zur Außenseite der Kammer zu übertragen. Diese leitenden Elemente 32,
36 sind ihrerseits mit dem leitenden Element 44 des Verbindungskabels verbunden, z. B. des
in der Fig. 2 dargestellten Kabels 11, welche das Ganze mit einer Verbindungsvorrichtung
verbindet, wie sie z. B. schon oben in Verbindung mit dieser selben Fig. 2 beschrieben wurde.
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Der Leiter 32 ist im Innern des Rohrs 20, das die Spaltkammer abgrenzt, mit dem Ende
35 des Leiters 36 verbunden, während das andere Ende 37 des Leiters 36, der den Stopfen
34 durchquert, mit dem Leiter 44 im Innern der Verlängerung der metallischen Außenhülse 30
des Kabels 11 verbunden ist. Der Stopfen 34 sitzt wenigstens teilweise in einem Metallmantel
38, der mit dem Ende 40 des Rohrs 20 verschweißt sein kann. Vorzugsweise dringen der
Mantel und der Stopfen über eine Distanz d von ungefähr 2 mm oder mehr in das Rohr 20 ein.
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Der Metallmantel kann sich über den gesamten Stopfen 34 erstrecken und in diesem
Fall kann auch das Ende 42 der Hülse 30 mit diesem Mantel verschweißt sein. Das
Festschweißen des Endes 42 der Hülse 30 ermöglicht, die Verbindung zwischen dem Stopfen
und dem Koaxialkabel gegen Feuchtigkeit abzudichten. Da nämlich der Aluminiumoxidstopfen
sehr hygroskopisch ist, verschlechtert das eventuelle Vorhandensein von Feuchtigkeit die
elektrische Isolierung des Leiters, was zu einer Verschlechterung des Signals führt.
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Das diesen Stopfen bildende Material ist ein Material, das sich unter der Einwirkung
von Neutronen- oder Gammastrahlung oder der Temperatur nicht oder nur wenig
verschlechtert. Insbesondere ist es wünschenswert, das es weder unter der Einwirkung eines
Flusses der Größenordnung von 10²¹-10²² Neutronen/cm² noch durch Temperaturen T≤350ºC
zu einer Verschlechterung kommt. Dies trifft z. B. auf Aluminiumoxid zu, das in Bezug auf den
thermischen Neutronenfluss einen kleinen Wirkungsquerschnitt hat. Zudem isoliert dieses
Material und ermöglicht eine direkte Durchführung der leitenden Elemente 32, 36. Da mit
zunehmender Reinheit des Aluminiumoxids der Neutroneneinfang-Wirkungsquerschnitt immer
kleiner wird, hat folglich das Aluminiumoxid eine Reinheit von wenigstens 98%, z. B. über oder
gleich 99,5%. Vorteilhafterweise erfolgt die Schweißung durch Laser.
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Das Rohr 20 und die Mantel 38 werden vorzugsweise durch eine
neutronendurchlässige Legierung mit einer guten Strahlungs- und Temperaturfestigkeit
gebildet. Sie können z. B. aus Inconel oder Inox sein und sind vorzugsweise beide aus
demselben Material.
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Mit diesem Stopfen und seinem Verschluss durch Verschweißung erzielt man eine
totale Isolierung zwischen dem Kammergehäuse und dem Verbindungskabel, was ermöglicht,
nur das Kammergehäuse unter Druck zu setzen und folglich die Spaltkammer industriell
herzustellen.
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Das Ganze funktioniert genauso wie der Sensor der vorhergehenden Technik: das in
der Kammer enthaltene Gas wird ionisiert und die entsprechenden Impulse werden gezählt.
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Mit der erfindungsgemäßen Struktur kann man eine gute Strahlungsfestigkeit für
Neutronenflüsse von wenigstens 5 · 10²&sup0; Neutronen/cm² und bis zu 10²¹-10²² Neutronen/cm²
erzielen.