DE2237907A1 - Vorrichtung und verfahren zur reaktivitaetsueberwachung - Google Patents

Description

Anmelderin: United States Atomic Energy Commission Washington D. C, USA

Vorrichtung und Verfahren zur Reaktivitätsüberwachung

Die Erfindung "betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung der Reaktivität von Ansammlungen spaltbaren Materials.

In Ansammlungen spaltbaren Materials enthaltenden Systemen, von weit unterkritischen Abfalltanks, Lagerbehältern usw. bis zu dicht unter der kritischen Grenze befindlichen Kernreaktoren kann die Kritikalität durch Messen der Reaktivität bestimmt werden. Die Reaktivität kann definiert werden als der Überschuss des effektiven Multiplikationsfaktors k f^-1 zum Multiplikationsfaktor, s, Glasstone, "Principles of Nuclear Reactor Engineering", §4.17, 1955.

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In unterkritischen Systemen wird zur Überwachung der Reaktivität das System mit einer äusseren Neutronenquelle verglichen; die hierbei vorgenommene Strahlungsmessung ergibt eine Schätzung des Gesamtzählwerts aller prompten Neutronen, d. h. eine Summierung aller Generationen prompter Neutronen abzüglich der Verluste. Sofort nach Löschen oder Entfernen der äusseren Neutronenquelle vorgenommene Strahlungsmessungen kennzeichnen den Gesamtzählwert der verzögerten Neutronen, d. h. die Summierung aller Generationen verzögerter Neutronen abzüglich der Verluste.

Bekannte Vorrichtungen verwenden mit Deuterium-Tritium T(D,n) He Reaktionen arbeitende pulsierte Neutronenquellen, ζ. B. kleine Beschleuniger mit periodischen Impulsen kurzer Dauer von Mikrosekunden bis zu Millisekunden. Jeder Impuls zerfällt in den Spaltstoffen nach einer komplexen Exponentialkurve, deren Analyse sehr komplizierte und aufwendige Instrumente erfordert. Auch die Lebensdauer z. B. von Tritium ist kurz, und muss nach 20 - 50 Std. ersetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist eine weniger aufwendige Vorrichtung und ein Verfahren zur Reaktivitätsüberwachung.

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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass durch periodische Bewegung einer Neutronenquelle zwischen einer einen Neutronendetektor nahe gelegenen und einer von diesem entfernt gelegenen Stelle ein periodischer Neutronenfluss erzeugt und vom Neutronendetektor empfangen wird.

Die weitere Erläuterung erfolgt anhand der Zeichnungen. Es

zeigen: ' ■

die Figur 1 sdi ematisch eine in Verbindung mit Kernbrennstoff arbeitende Ausbildung der Erfindung;

die Figur 2 graphisch die Neutronenwerte des Systems der Figur 1; ■

die Figur 3 schematisch eine Ausgestaltung zur Überwachung von spaltbarem Material in Abfalllagerbehältern;

die Figur 4 schematisch eine Ausgestaltung zur Überwachung von Systemen dicht an der kritischen Grenze bei starker Hintergrundsneutronenstrahlung;

die Figur 5 graphisch die Oszillationsfrequenz und Neutronenwerte des Systems der Figur H-. '

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In der Figur 1 ist das Brennelement 11 aus spaltbarem Material eines von vielen in einem Brennstofflagerbehälter oder dergleichen. Ein Motor 10 für den Oszillationsantrieb einer Neutronenquelle liegt mit dem einen Ende 19 nahe an dem Brennelement 11 und mit dem anderen Ende 21 weiter weg von diesem. Ein Neutronendetektor 15, z. B. ein mit BF* Gas gefüllter Proportionalzähler liegt am oder dicht am Brennelement 11 oder einem benachbarten Brennelement. Der Detektor 15 und Motor 10 können auf dem gleichen Brennelement angebracht sein, jedoch werden bei komplexeren Anordnungen genauere Messergebnisse erzielt, wenn der Motor 10 auf einem Brennelement an der Peripherie und Detektor 15 auf einem Brennelement in der Mitte oder am entgegengesetzten Ende angebracht wird. Meistens wird der Detektor 15 zweckmässig an einer dem Motor 10 gegenüberliegenden Brennelementfläche angebracht, um den Empfang von Neutronen vor Wechselwirkung mit dem Spaltstoff möglichst gering zu halten.

Der Zylinder 17 des Motors 10 enthält in einer Achsialbohrung 29 einen beweglichen Kolben27» in dessen Auesenschicht 33 aus Kunststoff, z. B. Teflon (Polytetrafluoräthylen) eine verkapselte Neutronenquelle 31 eingeschlossen ist. Die Neutronenquelle kann einen Anteil aus Californium-252 oder ein anderes, Neutronen durch spontane Spaltung emittierendeβ Isotop enthalten, wie Plutonium-Beryl oder Antimon-Beryl.

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Durch. Öffnungen 23 und 25 im Zylinder 1? fliesst ein den KoI-.ben 27 zwischen einer dem Neutronendetektor 15 nahe gelegenen und einer von ihm entfernten Stelle hin und her bewegendes hydraulisches Arbeitsmittel in die Bohrung 29» Das Arbeitsmittel besteht aus einer in der entfernten Stellung (am Ende 21) die Neutronenquelle Jl gegen das Brennelement 11 und den Detektor 15 abschirmenden, wasserstoffhaltigen flüssigkeit, ζ. B. Wasser.,Der Zylinder 17 soll die für ein Neutronenzählwertverhältnis der nahen und entfernten Stellung von 160sl ausreichende Länge haben. In einem mit Wasser gefüllten System beträgt der Neutronenweg zwischen diesen Stellungen meistens 30 cm oder mehr.

Plastik- oder Gummikissen 35 absorbieren die Kolbenstösse und halten ihn vorzugsweise durch unelastische Kollision an, um einen Eückstoss oder ein Plattern der Neutronenquelle in den Endstellungen zu vermeiden.

Ein Regelventil 37» ζ. B. ein elektrisches 4-Wege-Solenoidventil mit zwei Stellungen und vier Öffnungen, steuert die Arbeitsmittelzufuhr. Die öffnungen 39 und 41 sind mit den Öffnungen 23 bzw. 25 des hydraulischen Zylinders 17 verbunden, während die Öffnungen 43 und 45 mit einem Ablass und einer Druckmittel quelle verbunden .sind«, In der ersten T@ntj.lsi; ellung

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stehen die öffnungen 39 und 43 bzw. 41 und 45 miteinander in Verbindung, so dass das nahe Zylinderende druckentlastet, das ferne Ende dagegen druckbeaufschlagt und der Kolben 27 in die nahe Stellung am Ends 19 gedruckt wird. Durch Umschalten des Ventils in die zweite Stellung werden die Anschlüsse umgekehrt und der Kolben wird in die entfernte Stellung am Ende 21 gedrückt. Das gleiche Ergebnis lässt sich auch mit anderen, bekannten Ventil- oder Steuermitteln erreichen.

In der an die öffnung 45 des Ventils 37 angeschlossenen Wasserversorgung liegt ein pneumatischer Stossdämpfer oder Puffertank 47, der unter Druck teils mit dem Druckmittel 49 gefüllt ist, wobei ein Luftraum 51 verbleibt, der die hydraulischen Stösse oder Schwingungen beim Umschalten des Ventils absorbiert.

Das Regelventil 37 wird durch einen periodischen Zeitgeber elektrisch gesteuert, das in einem ersten Zeitintervall ein "EIN" Signal und in einem zweiten Zeitintervall ein "AUS" Signal in beliebiger, bekannter elektrischer Signalform, erzeugt.

Der Zeitgeber 53 steuert auch zwei für Strahlungsdetektoren häufig verwandte, Hochfrequenz-Impulszähler 55 und 57·> die durch je einen, mit dem Zeitgeber 53 elektrisch gekoppelten

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s aer Ϋβτη~

Innenschalter in der Weise aktiviert werden, dass stellungszähler 55 nur in der entfernten Kolbenstellung, der Nahstellungszähler 57 nur in der nahen Stellung arbeitet. Das Zeitgebersignal zum Zähler kann gegebenenfalls etwas verzögert werden, damit der Kolben seine betreffende Endstellung erreicht» bevor der entsprechende Zähler aktiviert wird·

Das Neutronenzählsignal vom Detektor 15 wird is einen Yerstärker-Diskriminator 59 verstärkt und vorgespannt und nach Übertragung auf die beiden Zähler 55 und- 57 von diesen getrennt registriert. Der Zählerausgang wird in einen Datenverarbeiter 61, Rechner oder dergleichen gegeben oder abgelesen und durch einfache Rechnungen verarbeitet. Als Ergebnis erhält man die Reaktivität des Brennstoffs.

In der Ausbildung der Figur 1 wird vom Meutrosendetektor ein den Neutronenzählwert darstellendes Signal abwechselnd auf den Zähler 55 und 57 übertragen. In der Figur 2 ist t-^ die Ankunftszeit des Kolbens 27 in der Hahstellimg und t« die Ankunftszeit in der Fernstellung, unter jeweiliger Aktivierung des Eera- bzw. Nahzählers. Bei t^ kehrt 4as Bystes-in-dea-Sustesd ti zurück, usf. Die unter der Wellenform der ITigua? 2 mit U bezeichneten Flächen entsprechen dem Gesaffitzählwertaateil der Ausgabe des Neutronendetektors 15« Die senkrechten. Seiten der Flächen N sind wegen der begrenzten Hubdauer des Kolbens im Zylinder etwas nach

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innen geneigt. Es ist günstig, die Hubdauer und die Neigung möglichst gering zu halten, so dass die Flächen wie Rechtecke behandelt werden können, wie die Gleichungen (2) und (3) weiter unten erläutern. Die Fläche N, entspricht der Gesamtzählung verzögerter Neutronen, einschliesslich der durch Spaltungsvorgänge auf Grund verzögerter Neutronen einer vorhergehenden Generation erzeugten prompten Neutronen. Der Zählwert verzögerter Neutronen wird also durch das Spaltmaterial in der Brennelementanordnung vervielfacht. Infolge des Zerfalls des Zählwerts der verzögerten Neutronen in der Fernstellung der Neutronenquelle 31 ist die Wellenform zwischen to "und tj, leicht nach unten geneigt. Da die Flächen N^ wie auch N in den Gleichungen (2) und (3) wie Rechtecke behandelt werden, soll zur Verringerung dieses Zerfalls t,-to im Verhältnis zu tp-t-, nicht gross sein. Der Hintergrundszählwert BG muss ebenfalls gemessen und von beiden Zählerausgabewerten abgezogen werden.

Für die Berechnung der Reaktivität in unterkritischen Systemen gilt nach Sjöstrand, "Measurements on a Sub-critical Reactor Using a Pulsed Neutron Source", Ark. Fys. 11, 234, 1956, die Gleichung:

= " P-eff N

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wobei p = Reaktivität des Systems,

Q, = der effektive Anteil der verzögerten Neutronen der durchschnittlichen gesamten Neutronenemission für jeden Spaltvorgang. Der tatsächliche Anteil der verzögerten Neutronen, β, ist für jede Spaltstoffart konstant, jedoch gehen wegen ihrer viel grösseren Durchschnittsenergie mehr prompte Neutronen verloren. Gegebenenfalls kann durch diffusionstheoretische Berechnungen für die jeweilige Brennstoffanordnung eine· leichte Korrektur vorgenommen werden, vgl. Keepin, "Physics of Nuclear Kinetics", 172-185, 1965.
N = Gesamtzählwert prompter Neutronen. N, = Gesamtzählwert verzögerter Neutronen.

Wie die Figur 2 zeigt, können die Werte N und N, nach den Gleichungen geschätzt werden:

¹V=

worin:

η = Fernzählerwert nach Hintergrundskorrektur, η = Nahzählerwert nach Hintergrundskorrektur, tg-tn = Zeitintervall für Neutronenquelle in Nahstellung, t^-tp = Zeitintervall für Neutronenquelle in Fernstellung

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Es wurde gefunden, dass für ein U-235 enthaltendes System tp-t, und t^-tp am besten auf 1 Sekunde eingestellt werden, weil dieser Wert zwischen der maximalen durchschnittlichen Zerfallszeit prompter Neutronen von etwa 0,1 Sek. und der durchschnittlichen Lebensdauer verzögerter Neutronen von etwa IO Sek. in einem unterkritischen U-235 System liegt. Die grösste Empfindlichkeit wird erzielt, wenn beide Zeitintervalle etwa gleich sind.

Die Figur 3 zeigt als weitere Anwendungsmöglichkeit und Ausgestaltung einen unterirdischen Kernbrennstoffbehälter 65 mit einem Luftraum 67, einer überstehenden Flüssigkeitsschichb und einer feste und flüssige Stoffe enthaltenden Schicht aus radioaktivem Schlamm 71. Eine Leitung oder ein Standrohr 73 reicht von einer zugänglichen Aussenstelle in den Tankboden und ist gegenüber dem radioaktiven Material und der Flüssigkeit abgedichtet. Ein fester Zylinder oder eine Scheibe 75 aus Gammastrahlen abschirmendem Material, z. B. Blei, ist über dem Tankboden in der Innenbohrung 77 der Leitung 73 beweglich und enthält einen diametral ausgerichteten Neutronendetektor 79, z. B. eine U-235 Spaltkammer. Die Scheibe schirmt den Detektor 79 gegen Gammastrahlen ab, aber lässt die meiste Neutronenstrahlung durch. Der Ausgang des Detektors 79 wird auf Instrumente an der Oberfläche durch ein gegebenenfalls durch eine schützende Leitung geführtes Kabel 87 übertragen, mit

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der die Scheite 75 in der Bohrung 77 gleichzeitig abgestützt, gehoben oder gesenkt werden kann. ·

Ein hydraulischer Zylinder 81 ist mit seinem unteren Ende aussen an der Scheibe 75 parallel zur Bohrung 73 befestigt. Der Zylinder 81 enthält den Kolben 83 mit einer Neutronenquelle und wird durch das wasserstoffhaltige Druckmittel zwischen dem dem Detektor 79 nahen und fernen Ende des Zylinders 81 hin und her bewegt*

Der Zylinder ist so lang, dass am Detektor 79 bei Bewegung des Kolbens vom nahen zum fernen Ende ein üieutronenflussverhältnis von 10 zu 1 entsteht. So ist beispielsweise ein 1 m langer' Zylinder für ein wassergefülltes System mit einer Cf-252 Neutronenquelle ausreichend. Die Steuerung der periodischen Bewegung der Neutronenquelle und die Übertragung der Ausgabe des Neutronendetektors kann wie in der Ausbildung der Figur 1 erfolgen«

Lagerbehälter für radioaktives Material enthalten meist nur stark unterkritische Spaltstoffmengen. Die beschriebenen Reaktivitätsmessungen überschätzen daher den Wert N in der Gleichung erheblich. Dennoch können durch Vergleich des Gesamtzählwerts verzögerter Neutronen N^ in der obigen Gleichung

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(2) in. verschiedienen Bereichen oder Höhen, besonders in der Schlammschicht 71» brauchbare Ergebnisse erhalten werden. Es besteht also die Möglichkeit, eine Ansammlung von Spaltstoffen in beliebigem Tankbereich festzustellen und Abhilfe zu schaffen, lange bevor Gefahr droht.

Die Erfindung ist auch anwendbar bei horizontaler anstatt vertikaler oder bei sonstiger Bewegung von Neutronenquelle und Detektor durch spaltbares Material oder stärkere Konzentrationen desselben enthaltende Bereiche.

Die weitere Ausgestaltung der Figuren 4 und 5 eignet sich zur Verwendung in Systemen dicht an der kritischen Grenze, z. B. bis dicht an die kritische Grenze gefahrenen Kernreaktoren. Der Motor 91 treibt eine Welle 93» die gegenüber dem Ausgleichsgewicht 97 die verkapselte Neutronenquelle 95 tragt. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit des Motors oder des Antriebs variabel, damit die OszillätiönsfreqAieiiz der Quelle 95 eingestellt werden kann. Nicht hur die Masse SöhderÜ aiich die Neutronenabsorption des Gewichts 97 ist der der Quelle 95 etwa gleich, so dass in beider Hinsicht ein Ausgleich geschaffen ist.

Gegenüber von der Welle 93 und der Neutronenquelle 95 ist an oder nahe dem Brennelement 103 ein Detektor 101 für den Neu-

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tronenzählwert angebracht. Bei Drehung der Veil© 93 nahe dem Brennelement entsteht durch Wechselwirkung der rotierenden Neutronenquelle 95 und des Spaltstoffs im Brennelement ein sinusförmiger Neutronenfluss. Der Detektor 101 empfängt diesen und sendet ein durch die gestrichelte.Kurve der Figur 5 angedeutetes Signal zum Wellenformkomparator 105. Der Detektor ist z. B. eine mit Bor ausgekleidete, stromförmig arbeitende Ionisierungskammer oder eine impulsförmig arbeitende, mit der Zählschaltung verbundene Spaltkammer.

Ein mechanisch angeschlossener Wellenformübertrager 99 erzeugt bei Drehung der Welle 93 eine durch die durchgehende Linie der Figur 5 dargestellte Wellenform. Bei Verwendung eines Elektro-« motors ohne mechanischen, variablen Antrieb zwischen Motor und Welle kann ein diese Wellenform darstellendes elektrisches Signal an der Motorwindung abgegriffen werden oder der Übertrager besteht aus einem an einen geeigneten elektrischen Generator angeschlossenen Tachometer. Der Übertragerausgang ist so phasenorientiert, dass ein Maximum entsteht, wenn sich die Neutronenquelle 95 in der dem Detektor 101 und Brenne !fiaent 103 nahen Stellung befindet, ein Minimum dagegen in der entfernten Stellung. Infolgedessen erzeugt der Übertrager 99 ein dem Neutronenzählwert beim Fehlen des Kernbrennstoffs entsprechendes ι Bezugssignal, das zusammen mit der Ausgabe des Detektors 101 auf den Wellenformkomparator 105 übertragen wird. Der Komparator

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ist ζ. B. ein den Zeitunterschied der Nullübergänge der Bezugs- und Detektorsignale (Endpunkte des Winkels 0 der Fig. 5) messendes Gerät.

Die Phasenverschiebung des Neutronensignals zum Bezugssignal beruht auf der Verzögerung von der Neutronenemission der Neutronenquelle 95 und zur prompten Neutronenemission bei Spaltung des Kernbrennstoffs. Ein dem Phasenverschiebungswinkel O entsprechendes Signal wird vom Komparator auf das Datenverarbeitungssystem 107 gegeben oder abgelesen und durch einfache Rechnungen verarbeitet.

Die Abschaltgrenze des Reaktors 1 - k „^ für unterkritische Systeme ergibt sich genau aus der Gleichung

(4) 1 - k_eff = 2iTfi_p cot (Θ) - μ

worin:

k χ.« = effektiver Multiplikationsfaktor, f - Oszillationsfrequenz der Neutronenquelle, Q = Phasenverschiebungswinkel zwischen Neutronensignalen des Systems und der Oszillation der Neutronenquelle, 0 = Lebensdauer der prompten Neutronen, β = Anteil der verzögerten Neutronen.

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Die Grossen £■ und (I sind Eigenschaften des multiplizierenden Systems und können meist mit ausreichender Genauigkeit geschätzt werden. Die Öszillationsfrequenz der Neutronenquelle ist VOn den Kennwerten des Motors 91 "bekannt öder kann mit einem Tachometer gemessen werden. Günstig ist eine Einstellung der Frequenz auf Q = 45°, da dies die Unterscheidung der Wellenformen der Figur 5 erleichtert.

Anstatt zu rotieren kann die Neutronenquelle auch wie in den Ausbildungen geiaäss Fig. 1 und 2 hin- und herbewegt werden. Anstatt die Neutronenquelle in der nahen und entfernten Stellung zu verzögern, kann ein sinusartiger Effekt annäherungsweise auch dadurch erreicht werden, dass die Neutronenquelle kontinuierlich durch ein wasserstdffhaltiges Mittel hin und her bewegt wird. Bei Verwendung einer Neutronenquelle mit Kernreaktion verschiedener Elemente, z. B. Antimon und Beryl, kann ein Antimonkolben kontinuierlich in eine Bery!manschette und aus dieser heraus bewegt werden.

Die Erfindung ermöglicht eine g'enaüe Eeaktivitätsüb'erwachung bei einfachster Wartung, z. B. in stark unterkritischen Abfallbehältern, in Lägertanks, oder in bereits dicht an der kritischen Grenze befindlichen Kernreaktoren. Nicht mehr erforderlich sind komplexe Mehrkanalanalysatoren. Die Verarbeitung der anfallenden Daten nach Ablesung oder durch einfache Rechner ist unkompliziert.

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Claims (12)

1. Pat ent an sprüciie

   1J Verfahren zum Überwachen von spaltbarem Material, dadurch gekennzeichnet, dass durch periodische Bewegung einer Neutronenquelle zwischen einer einem Neutronendetektor nahe gelegenen und einer von diesem entfernt gelegenen Stelle ein periodischer Neutronenfluss erzeugt und vom Neutronendetektor empfangen wird.
2. 2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutronenquelle an der nahen Stelle während eines ersten Zeitintervalls und an der entfernten Stelle während eines zweiten Zeitintervalls verzögert, der Ausgang des Neutronendetektors während beider Zeitintervalle getrennt registriert und , hier-nach das Verhältnis aller prompten Neutronen zu allen Verzögerten Neutronen und die Reaktivität des spaltbaren Materials bestimmt wird·
3. 3. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenformphase des durch Oszillation der Neutronenquelle erzeugten sinusförmigen Neutronenflusses mit der Wellenformphase eines durch Überwachen der Oszillation erzeugten Bezugssignals verglichen und hiernach die Phasenwinkelverschiebung und die Reaktivität bestimmt wird.

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4. 4-, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss irgend einem der Ansprüche 1 - 3> dadurch gekennzeichnet, dass Os-"zillatormittel die neutronenquelle zwischen einer dem Neutronendetektor nahegelegenen und einer von diesem entfernt gelegenen Stelle hin und her "bewegen»
5. 5. Vorrichtung gemäss Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, dass

   rf*

   Zählmittel den Ausgang des Neutronendetektors getrennt in der dem Detektor nahen und der diesem fern gelegenen Stellung der Neutronenquelle registrieren.
6. 6. Vorrichtung gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillatormittel einen die Neutronenquelle so. hin und her' "bewegenden Motor enthalten, dass am Detektor eine Weutronenflussänderung mit annähernder Keehteckwellenform entsteht«
7. 7. Vorrichtung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet _? dass der Motor aus einem an einem Ende nahe dem ieutronendetektor · "befestigten Zylinder und einem in dieses laufenden, hydraulisch betätigten und die Neutronenquelle tragenden Kolben "besteht«.
8. 8. Vorrichtung gemäss Anspruch. 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Verschiebung des Zylinders und des Neutronendetektors relativ zum spaltbaren Material vorgesehen sind.
9. 9. Vorrichtung gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heutronendetektor und die Oszillatormittel an entgegengesetzten Stellen des spaltbaren Materials an dessen Oberfläche angeordnet sind.
10. 10. Vorrichtung gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutronenquelle auf einem rotierenden Glied, einer Welle oder dergleichen befestigt ist.
11. 11. Vorrichtung gemäss Ansprüchen 4-10, dadurch gekennzeichnet, dass ein wasserstofflialtiges Material zwischen der nahen und der entfernten Stelle liegt.
12. 12. Vorrichtung gemäss Ansprüchen 4-10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der nahen und der entfernten Stelle 30 - 100 cm beträgt.

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