LU87966A1 - Anordnung zur Messung des Plutoniumgehalts von Abfallfaessern - Google Patents

Description

Anordnung zur Messung des Plutoniumgehalts von Abfallfässern

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung des Plutoniumgehalts von Abfallfässern, gemäß der Meßmethode der Bestimmung der spontanen Neutronenemissionsrate von Plutonium-isotopen mit geradzahliger Massenzahl, - mit einem rohrförmigen Detektormodul, in den das zu messende Faß hineingesteckt wird und der zahlreiche Zähler für thermische Neutronen in einer Moderatormasse eingebettet aufweist, - mit einem Mischer, der die Zählimpulse der einzelnen Zähler zu einem gemeinsamen Signalzug zusammenführt, - und mit einem Frequenzanalysator, der den gemeinsamen Signalzug analysiert.

Plutoniumabfalle liegen oft fein verteilt zwischen anderen Abfällen und dicht gepackt in Fässern vor und lassen sich daher nur schlecht durch ihre Gammastrahlung nachweisen, denn diese wird durch die übrigen Abfälle stark geschwächt. Nur eine Erfassung von passiven Neutronen führt zu ausreichend genauen Resultaten, sofern die Plutoniummengen nicht zu gering sind. Wenn dagegen beispielsweise in einem 220 1 Faß Plutoniummengen in Milligrammbereich nachgewiesen werden sollen, dann ergibt sich damit eine sehr lange Meßdauer, die zudem von kosmischer Strahlung beeinflußt wird. Diese Strahlung führt zu Zerfallsvorgängen, die in den Detektoren genauso erfaßt werden wie die passive Neutronenstrahlung des nachzuweisenden Plutoniums.

Es ist bekannt, die Messung des Plutoniumgehalts in einem Faß mit strahlenden Abfallen durch Bestimmung der spontanen Spal-tneutronen-Emissionsrate von Plutoniumisotopen mit gerader Massennummer, nämlich Pu238, Pu240, Pu242, zu ermitteln. Die starke Alphaaktivität der meisten Plutoniumisotope und ihrer Zerfallsprodukte erzeugt über (α,η) Reaktionen zufallsverteil-te einzelne Neutronenemissionen. Eine Isolierung der durch spontane Spaltung erzeugten Meßsignale gegenüber Meßsignalen, die von dieser (α,η) Reaktion stammen, ist über eine zeitkor-relierte Analyse dieser Signale möglich. Hierbei werden die von einem zu messenden Abfallfaß ausgehenden Neutronen in einem Moderator abgebremst und teilweise von Neutronendetek-toren absorbiert, die in der Moderatorstruktur verteilt sind. Die in den Detektoren absorbierten Neutronen werden in Echt-zeit in elektrische Signale umgesetzt, verstärkt und in einen Impulssignalzug umgewandelt. Dieser Impulssignalzug wird aus-gewertet, und zwar in Fenstern, die entweder von jedem Impuls des Signalzugs oder zufällig oder periodisch getriggert werden. Die Auswertung erfolgt in einem Analysator, der entweder die Frequenzverteilung des Signals im Beobachtungsfenster oder unmittelbar die Momente oder faktoriellen Momente dieser Ver-teilung registriert.

Es ist üblich, von der Frequenzverteilung oder den Momenten, die in dem Abfallfaß gemessen werden, den Hintergrund abzuzie-hen, der in einer separaten Messung ohne Faß ermittelt wird. Diese Berücksichtigung des Hintergrunds wird besonders wichtig für geringe Plutoniummengen.

Der Hintergrund ist jedoch zeitlich nicht stationär, sondern besteht vielmehr aus zahlreichen sogenannten Bursts mit sehr unterschiedlichen Wiederholungen mit einer recht hohen Zahl von in einem Beobachtungsfenster auftretenden Signalen. Viele dieser Hintergrundsignale besitzen die gleiche exponentielle

Zeitfunktion wie die Spaltneutronen. Einige Signale besitzen j edoch eine kürzere Antwortfunktion und beruhen auf Kollisio- 3 nen von kosmischen Strahlungspartikeln mit dem Gas, z.B. He oder BFg, mit dem die Neutronendetektoren gefüllt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur Messung des Plutoniumgehalts von Abfallfässern anzugeben, die inbeson-ders für die Erfassung geringer Plutonivimmengen geeignet ist und den auf der kosmischen Strahlung beruhenden Meßfehler verringert.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Anordnung gelost. Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher erläu-tert.

Figur 1 zeigt Zeitdiagramme, die sich beim Betrieb einer er-findungsgemäßen Anordnung ergeben.

Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung im Blockschalt-bild.

Figur 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfin-dungswesentlichen Bauteils der Anordnung von Figur 2.

In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Anordnung schematisch dargestellt. Sie besteht aus einem rohrförmigen Detektormodul 1, in dessen Innerem entlang der Rohrachse 2 ein Abfallfaß 3 angeordnet werden kann, dessen Plutoniumgehalt gemessen werden soil. In der Rohrwandung des Detektormoduls befinden sich zahlreiche Zähler 4 und 5 für thermische Neutronen, die in eine Moderatormasse 6 eingebettet sind. Die elektrischen Aus-gangssignale der einzelnen Zähler werden in je einem Verstär-ker, z.B. 7, verstärkt und in je einem Diskriminator, z.B. 8, in kurze Einheitsimpulse umgewandelt, die dann in einer ge-meinsamen Mischstufe 9 zu einem gemeinsamen Signalzug zusam-mengeführt werden. Dieser Signalzug ist in Figur 1 in Zeile A anhand eines Beispiels dargestellt.

Auf die Mischstufe 9 folgt ein Totzeitkreis 10, der in Figur 3 im einzelnen dargestellt ist und Ausgangssignale liefert, wie sie in der Zeile D in Figur 1 in Antwort auf die in Zeile A vorliegenden Ausgangsimpulse des Mischers dargestellt sind.

Der Ausgang des Totzeitkreises 10 führt zum Eingang eines Fre-quenzanalysators 11 bekannter Bauart, der das Ergebnis seiner Analyse an einen Rechner oder einen digitalen Speicher zur Umrechnung der Meßergebnisse in die gesuchten Prozentangaben an spaltbarem Material im Faß 3 liefert. Die Messung kann sich über Stunden erstrecken, falls besonders präzise Angaben ge-fordert werden.

Allgemein sind zwei Typen von Analysatoren bekannt. Im ersten Typ triggert jeder ankommende Impuls nach einer einstellbaren Verzögerung T ein Beobachtungs fens ter fes ter Dauer τ, in dem die Anzahl der Impulse gezählt und registriert wird. In der zweiten Art von Analysatoren werden die Beobachtungsfenster entweder zufällig oder periodisch geöffnet und die Analysatoren ermitteln Frequenzen oder Momente des Auftretens bestimm-ter Impulsvielfache, die umgerechnet werden können in die spontane Spaltungsrate, die (α,η) Reaktionsrate, die Neutro-nendetektionswahrscheinlichkeit und die Neutronenmultiplika-tionsrate. Für die Messung eines nur geringen Plutoniumanteils, in der Größenordnung von einigen Gramm pro 220 Liter-Faß, müssen zwei Messungen durchgeführt werden, nämlich eine erste ohne und eine zweite mit Abfallfaß, um den Signaluntergrund berücksich-tigen zu können.

Messungen der Frequenzverteilungen der kosmischen Strahlung und anderer Hintergrundstrahlung haben gezeigt, daß stets Frequenzen mit verhältnismäßig vielen Impulsen im Beobach-tungsfenster stets zu beobachten waren. Spontane Spaltneutro-nen aufgrund des Plutoniumanteils ergeben dagegen nur wenig Anteile für das Auftreten von mehr als sechs Impulsen pro Fenster. Solche Ereignisse können nicht durch Neutronen er-zeugt worden sein, die abgebremst wurden und vom Detektor als thermische Neutronen nach einer thermischen Diffusionszeit in der Größenordnung der Dauer des Beobachtungsfensters erfaßt werden. Um diese hintergrundspezifischen Erscheinungen auszu-schalten, wurde erfindungsgemäß der Totzeitkreis 10 vor dem Analysator 11 eingefügt. Dieser Kreis ist in Figur 3 detail-liert ausgeführt. Er besteht im wesentlichen aus einem Taktge-ber 13, einem Zähler 14 und einem UND-Tor 15. Der Zähler 14 ist ein nicht-zyklischer Zähler der Kapazität k, d.h. daß er bei Erreichen seines Zählzustands k weitere vom Taktgeber 13 kommende Zählimpulse nicht mehr berücksichtigt und in diesem Zählzustand stehenbleibt, bis er über einen Nullsetzungsein-gang RZ wieder auf den Zählanfangszustand gebracht wird. Der Nullsetzeingang des Zählers 14 ist mit einem Eingang 16 des

Totzeitkreises verbunden und empfängt von dort den gemeinsamen Impulszug der Mischstufe 9, wie er in Zeile A in Figur 1 dar-gestellt ist. Dieser Impulszug enthält eine Vielzahl von mehr oder minder dicht gepackten Impulsen. Jeder dieser Impulse setzt also den Zähler 14 auf Null, unabhängig von dessen au-genblicklichem Zählzustand. Liegen diese Impulse nahe genug beieinander, dann erreicht der Zähler 14 nie seinen Zählendzu-stand k.

In Zeile B der Figur 1 ist der Zählzustand dieses Zählers symbolisch dargestellt, wobei der höchste Pegel der Linie B dem Zählzustand k und der niedrigste dem Zählzustand 0 zuge-ordnet ist. Man erkennt, daß jeder Impuls des gemeinsamen Signalzugs gemäß Zeile A den Zähler auf Null setzt und daß der Zählzustand k nur erreicht wird, wenn längere Zeit kein Null-setzungsimpuls aufgetreten ist. Der Zähler 14 besitzt einen Ausgang, der nur aktiviert ist, wenn der Zählzustand k erreicht ist. Das Signal, das an diesem Ausgang verfügbar ist, ist für die beispielhafte Impulsfolge gemäß Zeile A in Figur 1 in Zeile C wiedergegeben. Dieses Signal steuert das UND-Tor 15, welches andererseits eingangsseitig mit dem Eingang 16 des Totkreises und ausgangsseitig mit einem Ausgang 17 des Tot-kreises verbunden ist, der zum Analysator führt.

Aufgrund der dargestellten Schaltelemente des Totkreises gemäß Figur 3 ergibt sich am Ausgang 17 eine Folge von Impulsen, wie sie in Zeile D wiedergegeben ist. Hier sind also diese Viel-fachereignisse aufgrund der kosmischen Strahlung unterdrückt, und nur die verbleibenden Impulse werden in bekannter Weise im Frequenzanalysator 11 analysiert. Man kann also von einem Totzeitkreis mit variabler Totzeit sprechen.

Die Zeilen E bis H deuten die an sich bekannte Auswertung dieses verbleibenden Signalzugs im Analysator an. In Zeile E beispielsweise wird die Auswertung des Beobachtungsfensters der Länge τ gezeigt, das vom ersten gezeigten Impuls in Zeile D ausgeht und nach einer Verzögerung T fest vorgegebener Dauer beginnt. Man erkennt, daß zwei weitere Impulse in diesem Fen-ster auftreten. Mit dem zwei ten Impuls aus Zeile D wird ein Auswertevorgang angestoßen, der in Zeile F dargestellt ist. In dieses Beobachtungsfenster fällt nur ein einziger Impuls. Der dritte Impuls in der Zeile D fiihrt zur Erfassung von zwei Impulsen (Zeile G) und der vierte Impuls zur Erfassung von drei Impulsen (Zeile H), usw. So wird fortlaufend die Anzahl der in den verschiedenen Beobachtungsfenstern auftretenden Impulse erfaßt und statistisch ausgewertet. Daraus lassen sich dann die Anteile spaltbaren Materials errechnen. Die Unsicher-heit iiber die vorliegende Hintergrundstrahlung wird so deut-lich verringert, so daß die Empfindlichkeit der Anordnung bei niedrigem Gehalt an spaltbarem Material Oder besonders gut abgeschirmtem spaltbarem Material erhöht wird.

Die Erfindung ist nicht im einzelnen auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, insbesondere was die Ausfiih-rungsform des Totzeitkreises gemäß Figur 3 angeht.

Claims (2)

1. Anordnung zur Messung des Plutoniumgehalts von Abfallfassem (3) gemäß der Meßmethode der Bestimmung der spontanen Neutronenemissionsrate von Plutoniumisotopen mit geradzahliger Massenzahl (Pu238, Pu240, Pu242), - mit einem rohrförmigen Detektormodul ( 1 ), in den das zu messende Faß hineingesteckt wird und der zahlreiche Zähler (4, 5) für thermische Neutronen in eine Moderatormasse (6) einge-bettet aufweist, - mit einer Mischstufe (9), die die Zählimpulse der einzelnen Zähler zu einem gemeinsamen Signalzug zusammenführt, - und mit einem-Frequenzanalysator (11), der den gemeinsamen Signalzug analysiert, dadurch gekennzeichnet, daß dem Frequenzanalysator ein Totzeitkreis (10) vorgeordnet ist, der den Signalzug empfängt und nur die Signale des Signalszugs an den Frequenzanalysator weitergibt, die außerhalb seiner Totzeitin-tervalle auftreten, wobei ein Totzeitintervall fester Dauer vom jedem Zählersignal nach dessen Auftreten initiiert wird und jedes in einem Totzeitintervall auftretende weitere Zäh-lersignal ein eigenes Totzeitintervall erzeugt, das sich dem vorherigen überlagert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Totzeitkreis (10) einen von einem Taktgeber (13) fortgeschal-teten azyklischen Zähler (14) einer der Totzeit fester Dauer entsprechenden Gesamtkapazität aufweist, daß der Signalzug (A) an den Nullsetzungseingang (RZ) dieses Zählwerts (14) angelegt wird, und daß dieser Zähler (14) die Weitergabe der Signale des Signalzugs an die Signalverarbeitungsmittel nur zuläßt, wenn er seinen letzten Zählzustand (k) erreicht hat.