DE69700747T2 - Uberwachungsvorrichtung zum messen des von einem gegenstand wie ein verbrauchtes kernbrennstabbundels ausgestrahlten gamma- und neutronenspektrums - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Monitor zur Messung sowohl des Gamma-Spektrums als auch der Neutronen, die von einem Gegenstand wie einem abgebrannten Kernbrennstab oder einem Brennelement oder von nuklearem Abfallmaterial emittiert werden.
• Insbesondere ist dieser Monitor für eine Vor-Ort- Messung von Neutronen und des Gammaspektrums von abgebrannten Kernbrennelementen bestimmt, um den Kernbrennstoff hinsichtlich Abbrand, Abklingzeit und Spaltmaterialinventur zu kennzeichnen.
• Er könnte auch beispielsweise zur Überprüfung von Zollbehältern verwendet werden, die spaltbares Material enthalten könnten, dessen Verkehr verboten ist.
• Solche Messungen wurden bisher in zwei getrennten Meßgeräten durchgeführt, von denen das eine einen Gamma- Detektor und das andere einen Neutronendetektor enthielt. Diese Geräte müssen mit einem Mechanismus zur Relativverschiebung zwischen dem Meßkopf und dem Brennstab oder Brennelement zusammenwirken, wobei letzteres 3 m lang oder länger sein kann.
• Abgesehen von den Kosten für zwei Meßgeräte, die nacheinander den Brennstoff abtasten müssen, oder von dem Problem eines Austausches des Meßkopfs in einem gemeinsamen Gerät in einem sehr gefährlichen Umfeld hängt die Meßgenauigkeit auch von der Genauigkeit der Korrelation zwischen den beiden Meßzyklen ab, um jeder abgetasteten Stelle des gemessenen Brennstabs oder Brennelements je einen Meßwert der Gammastrahlung und der Neutronenemission zuordnen zu können.
• Der Fachmann weiß, daß die Gamma-Spektroskopie mithilfe eines Gamma-Detektors erfolgt, der in oder hinter einer Strahlungsschutzwand z. B. aus Blei oder Beton liegt, in der sich ein schmaler Kollimationskanal befindet. Das offene Ende dieses Kollimators soll möglichst dem Brennstab oder Brennelement sehr nahe sein, während das andere Ende mit dem Gamma-Detektor gekoppelt ist, bei dem es sich um einen CdTe-Kristall handeln kann. Ein solcher Detektor mißt das Spektrum der Gammastrahlung, die in der Nähe des offenen Endes des Kollimators auftritt.
• Die meist verwendeten Neutronendetektoren sind zylindrische ²³&sup5;U-Spaltkammern einer Länge von etwa 70 mm und eines Durchmessers von etwa 10 mm. Sie sind für thermische Neutronen sehr empfindlich und ziemlich unempfindlich gegen die starke von abgebranntem Brennstoff ausgehende Gammastrahlung. Sie sollten mit ihrer Achse senkrecht zur Achse des Kollimators und möglichst nahe der Meßstelle angeordnet sein. Ein Moderatormaterial thermalisiert die ankommenden Neutronen.
• Wollte man einen kombinierten Kopf in Betracht ziehen, dann sollten beide Detektoren möglichst nahe bei der zu messenden Stelle des Brennstabs oder Brennelements liegen. Andrerseits sollte der Neutronendetektor dem Kollimator des Gamma-Detektors nicht zu nahe kommen, um nicht allzu stark den Abschirmeffekt des den Kollimatorkanal umgebenden Materials zu schwächen. Jeder Kompromiß würde zu einem Abstand zwischen den beiden Detektoren führen, der eine genaue gleichzeitige Messung beider Detektoren ausschließt. Die durch diesen Abstand bei gleichzeitiger Messung hervorgerufenen Fahler können nicht toleriert werden, wenn die zu messenden Werte entlang der Meßstrecke stark variieren. Dies ist aber besonders an den Enden der Brennstäbe der Fall.
• Die Erfindung schlägt einen Monitor vor, der zugleich Messungen des Gammaspektrums und der Neutronenemission erlaubt, die jeder beliebigen abgetasteten Stelle der Brennstäbe zugeordnet werden können.
• Erfindungsgemäß wird dieses Ziel erreicht durch einen Monitor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bezüglich bevorzugter Ausführungsformen dieses Monitors wird auf die Unter ansprüche verwiesen.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun genauer anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
• Fig. 1 zeigt schematisch und in Perspektive den erfindungsgemäßen Monitor.
• Fig. 2 zeigt im Schnitt den Monitor aus Fig. 1 und einen zu messenden Brennstab.
• Fig. 3 zeigt ein Detail einer Variante des Monitors.
• Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Monitor gemäß der Erfindung enthält einen Bleiblock 1, in dem sich ein Gamma- Detektor 2 für die Gamma-Spektroskopie sowie zwei Neutronendetektoren 3 befinden. Der Block besitzt eine Vorderseite 8, die die Meßseite des Monitors bildet und möglichst nahe entlang des zu messenden Brennstabs oder Brennelements verläuft. Ein Kollimator 4 erstreckt sich von der Vorderseite 8 durch den Block zum Gamma-Detektor 2 im hinteren Teil des Blocks. Die Bohrung des Kollimators hat einen Durchmesser von etwa 2 oder 3 mm, die Höhe des Blocks beträgt etwa 270 mm und die Vorderseite 8 hat beispielsweise Abmessungen von 200 mm · 200 mm.
• Wie beim Stand der Technik enthält der Gamma-Detektor 2 einen Kristall, der bei Raumtemperatur arbeitet, beispielsweise einen CdTe-Kristall oder einen CdZnTe-Kristall. Ein Vorverstärker ist in den Detektor integriert und nicht dargestellte Ausgangsleiter sind an Nuklearinstrumente angeschlossen, die die Meßergebnisse verarbeiten und analysieren. In einem solchen Detektor erreicht man eine Energieauflösung (FWHM) von 7,2 keV bei 662 keV, was eine Gamma- Spektroskopie von Spaltprodukten im abgebrannten Brennstoff erlaubt.
• Der Kollimator 4 kann ein herausnehmbares Rohr aus Wolfram oder ähnlichem Material besitzen, um die Abschirmung des Detektors zu verbessern. Dieses Rohr ist herausnehmbar, damit man den Bohrungsdurchmesser oder das Material dieses Rohrs an die gewünschte Kollimatorfunktion anpassen kann.
• Die beiden zylindrischen Neutronendetektoren 3 liegen senkrecht zur Abtastrichtung (in Fig. 2 ist dies die Richtung entlang der Brennstabachse) sowie parallel zueinander und zur Vorderseite 8 im Block in der Nähe dieser Vorderseite zu beiden Seiten des Kollimators. Der Abstand zwischen der Achse jedes Detektors 3 und der Achse des Kollimators 4 muß einander widersprechenden Bedingungen genügen: Einerseits soll dieser Abstand groß genug sein, damit die Abschirmwirkung des Bleiblocks rund um den Kollimator nicht durch die Neutronendetektoren und das Moderatormaterial geschwächt wird, und andrerseits sollte dieser Abstand möglichst gering sein, damit die Neutronen- und der Gammadetektor der zu untersuchenden Stelle möglichst nahe sind. Da die Neutronenemission von zwei Detektoren zu beiden Seiten der idealen Stelle gemessen wird, die vom Kollimator eingenommen wird, kann man die Meßergebnisse dieser beiden Neutronendetektoren kombinieren und einen Mittelwert daraus bilden, der mit hoher Genauigkeit der Neutronenemissionsaktivität entlang der Achse des Kollimators 4 entspricht.
• Die Neutronendetektoren können ²³&sup5;U-Spaltkammern sein, die auf thermische Neutronen ansprechen, aber kaum auf die starke Gamma-Strahlung, die vom abgebrannten Brennstoff ausgeht. Die ankommenden schnellen Neutronen werden von einem Moderatormaterial 5 thermalisiert, das die Detektoren umgibt. In der ersten Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 umgibt dieses Material völlig die Detektoren und hat die Form eines zylindrischen Rohrs. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 gezeigt ist, befindet sich Moderatormaterial 5' nur in einem Sektor von etwa 90º des gesamten Umfangs um die Detektorachse. Dieser Sektor beginnt in einer Ebene parallel zur Kollimatorachse und erstreckt sich in Richtung des Kollimators. Eine solche Konfiguration verstärkt den Beitrag der Neutronen, die aus einem reduzierten Längenbereich der Stäbe 7 auf beiden Seiten der Kollimatorachse kommen und verringert den Beitrag von Neutronen außerhalb dieses Bereichs. Dadurch verbessert sich die Genauigkeit der Messung.
• Gemäß einem weiteren Merkmal ist mindestens einer der Neutronendetektoren mit seinem Moderator mit mechanischen Mitteln 9 versehen, die das Einfügen und Entfernen einer Kadmiumfolie 6 um das Moderatormaterial herum ermöglichen. Der Detektor mit der eingefügten Kadmiumfolie spricht überwiegend auf schnelle Neutronen an, die durch die Folie im Detektor hindurchtreten, während thermische und energiearme Neutronen in der Folie absorbiert werden. Diese Maßnahme ergibt eine zusätzliche Information zur Kennzeichnung des Brennstoffs bei nasser Lagerung. Die Kadmiumfolie wird während eines zusätzlichen Abtastzyklus eingesetzt, nachdem in einem Hauptzyklus vorher beide Neutronendetektoren ohne die Abschirmung durch die Folie verwendet wurden.
• Der oben beschriebene Monitor kann sowohl für aktive wie für passive Messungen verwendet werden. In letzterem Fall muß man eine Neutronenquelle 10, beispielsweise eine Isotopen-Neutronenquelle oder einen Neutronengenerator, jenseits des Brennstabs oder Brennelements in Flucht zur Kollimatorachse anordnen. Ein nicht dargestellter Arm muß dann vorgesehen sein, der die Quelle 10 trägt und der starr mit dem Bleiblock 1 verbunden ist. Moderatormaterial kann dann zwischen der Quelle und dem Brennelement oder Brennstab für die Thermalisierung der ankommenden Neutronen angeordnet werden.
• Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Der Bleiblock kann einen rechteckigen oder einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Kollimator kann alleine von der Bohrung im Bleiblock gebildet werden oder man kann ein Rohr aus Wolfram oder einem anderen geeigneten Material für die Abschirmung der Gammastrahlung einsetzen. Die Neutronendetektoren können auch anderer Art sein, bei spielsweise vom Typ ³He, BF&sub3;.
• Der Monitor kann in einem trockenen Lager oder in einem Wasserbecken eingesetzt werden, wenn ein geeignetes wasserdichtes Behältnis verwendet wird.
• Schließlich kann der erfindungsgemäße Monitor nicht nur verwendet werden, um Brennstäbe parallel zu ihrer Achse abzutasten, sondern auch zur Erstellung eines Abbrandprofils eines Brennelements. In diesem letzteren Fall erfolgt eine Relativbewegung zur Abtastung, bei der der Bleiblock um das Brennelement herumgeführt wird.
• Der Monitor kann weitere Mittel zur Optimierung der Messungen enthalten, beispielsweise um reproduzierbare Zählpositionen zu erhalten und die jeweilige Meßposition zu definieren.

Claims (7)

1. Monitor zur Messung sowohl des Gamma-Spektrums als auch der Neutronen, die von einem Gegenstand wie einem abgebrannten Kernbrennstoffstab oder einem Brennelement oder von nuklearem Abfallmaterial emittiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Bleiblock (1) enthält, dessen Vorderseite (8) nahe an den Brennstoffstab oder das Brennelement (7) herangebracht werden soll und der enthält:

- einen Gamma-Detektor (2) in der Nähe der Rückseite des Blocks (1) für eine Gamma-Spektroskopie und einen Kollimator (4), der sich von der Vorderseite des Blocks bis zum Gammadetektor erstreckt,

- zwei Neutronendetektoren (3), die parallel zueinander und zur Vorderseite (8) des Blocks und symmetrisch auf beiden Seiten der Achse des Kollimators (4) in der Nähe der Vorderseite (8) des Blocks angeordnet sind.

2. Monitor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Zentrum jedes der Neutronendetektoren (3) und der Achse des Kollimators (4) zwischen 10 und 50 mal größer als die lichte Weite des Kollimatorkanals ist.

3. Monitor nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (4) von einem herausnehmbaren Rohr gebildet wird.

4. Monitor nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gamma-Detektor (2) einen bei Raumtemperatur arbeitenden Detektorkristall wie CdTe oder CdZnTe besitzt.

5. Monitor nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Neutronendetektoren (3) mechanische Mittel (9) aufweist, mit denen man eine Kadmiumfolie (6) um das Moderatormaterial herum einfügen und auch wieder entfernen kann.

6. Monitor nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Moderatormaterial (5'), das die ankommenden Neutronen thermalisiert, um jeden Neutronendetektor (3) herum nur in einem Sektor von etwa 90º, beginnend in einer Ebene parallel zur Kollimatorachse und sich zum Kollimator hin erstreckend, vorgesehen ist (Fig. 3).

7. Monitor nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arm am Bleiblock (1) befestigt ist, der eine Neutronenquelle (10) hinter einem strahlenden Gegenstand wie einem Brennstab oder Brennelement und in Flucht zur Kollimatorachse so halten soll, daß der Neutronenstrahl der Quelle den Gegenstand (7) trifft.