SE425823B - Neutrondetektor for anvendning i en reaktorherd - Google Patents

Description

7800214-4 behandlar signalerna från de fast belägna detektorerna i kärnan.

Neutroner som bromsats till termisk energi har den största förmågan att åstadkomma klyvningsreaktioner, då desamma absorberas av en atom av ett klyvbart bränsle. De snabba neutronen vilka i en vattenmodererad reaktor utgör klyvningsprodukter, bromsas i första hand genom kollisioner med väteatomerna i det vatten som omger reaktorhärden. Proportionen av termiska neutroner i för- hållande till snabba neutroner blir därför störst i mitten av de vattenfyllda spalter vilka befinner sig mellan enskilda bränsle- stavar eller bränsleelement.

Eftersom de vattenfyllda spalterna har sin största bredd mellan bränsleelementen, kommer den kurva som uttrycker nyssnämnda förhållandetal att få en mest uttalad topp på dessa ställen. Emeller- tid förhåller det sig så, att neutrondetektorerna befinner sig på dessa ställen. Kombinationen av dessa båda förhållanden ger upphov till ett flertal problem.

För det första kommer neutronkurvans markerade topp att innebära att en förflyttning i sidled av detektorn får stor in- verkan på den utgående mätsignalen. Hos detektorer av de typer som finns beskrivna i de ovannämnda amerikanska patenten 3 043 954 och _3 565 760 accentueras detta problem av det faktum, att vare sig de fast belägna detektorerna eller röret med den höj- och sänkbara detektorsonden kan förutsättas befinna sig på kurvans topp eller ens ha ett väldefinierat läge i förhållande till denna. Det för- hâllandet, att detektorerna befinner sig på ställen där flödes- kurvan har en mycket brant gradient, innebär att mätresultatet blir i hög grad otillförlitligt.

För det andra kommer detektorernas belägenhet i vattenspal- terna mellan bränsleelementen att utsätta dem för ett starkare flöde termiska neutroner än det som förekommer i bränslestavarna.

Detta medför osäkerhet beträffande effekttätheten i stavarna. I de fall då detektorerna är fissionskammare (enligt ovannämnda amerikanska patent 3 043 954), kommer dessutom det klyvbara materia- let i detektorkammaren att utarmas mycket snabbare än vad som vore önskvärt med härav betingat tvång att ofta byta ut detektorn. Ändamålet med uppfinningen är att mildra inverkan av dessa ofördelaktiga förhållanden genom att åstadkomma en detektor, som dels låter sig inplaceras med större exakthet i härden och dels är så beskaffad, att neutronflödeskurvan i detektorns närhet får en flackare profil. Det för uppfinningen kännetecknande framgår av patentkraven och några utföringsformer av densamma beskrivs nedan med hänvisning till ritningen. 7800214-4 Fig. l illustrerar schematiskt en vattenkyld och vatten- modererad reaktor med tillhörande ångkrets.

Fig. 2 visar i planvy en fjärdedel av reaktorhärden.

Fig. 3A och 3B visar en planvy resp. en vertikalsektion av en detektoranordning enligt uppfinningen.

Fig. 4 illustrerar hur en anordning enligt fig. 3 kan pla- ceras mellan fyra varandra närbelägna bränsleelement.

Kurvorna i fig. 5 visar det relativa neutronflödet längs linjen 5-5 i fig. 4 för dels en känd detektor, dels en anordning enligt uppfinningen.

Fig. 6 visar data för några material, lämpliga att användas vid tillverkning av en detektoranordning enligt uppfinningen.

Fig. 7 illustrerar en utföringsform av uppfinningen där detektorkroppen har kvadratisk profil.

Fig. 8 motsvarar fig. 7 men visar en detektorkropp med cirkulär profil.

Fig. 9A och 9B visar i planvy resp. i. vertikalvy, delvis i sektion, en utföringsform av uppfinningen där detektorkroppen är uppdelad i ett flertal, axiellt ovanför varandra belägna delar.

Med betonande av att uppfinningen även kan tillämpas även på andra reaktortyper kommer densamma här att beskrivas i anslut- ning till en reaktor med vatten såsom kylmedel och moderator. En dylik reaktoranläggning, som schematiskt âtergetts i fig. l, har ett tryckkärl 10, vilket omsluter en reaktorhärd ll, nedsänkt i lätt vatten. Härden ll, vilken är omgiven av en mantel 12, innehåller ett flertal utbytbara bränsleelement 13, som sträcker sig vertikalt mellan övre och undre stödplattor 14 resp. l6.

Med 17 har betecknats rör, vilka innehåller drivmekanismer för reglerstavar 18, som kan skjutas in mer eller mindre i härden för reglering av reaktoreffekten. Varje rör 17 har upptill en stöd- skål 19, i vilken vilar de undre ändarna 21 hos fyra varandra när- belägna bränsleelement. Detaljerna 19 och 21 har öppningar för kyl- medlet, som befinner sig i en kylmedeltank 22. En cirkulationspump 23 pumpar kylmedlet från tanken 22 in genom nyssnämnda öppningar och vidare mellan bränsleelementen. En del av kylmedel kommer härvid att övergå i ångform och ångan passerar via en ângseparator 24 till en turbin 26. Det i en kondensor 27 bildade kondensatet befordras av en pump 28 tillbaka till reaktorkärlet.

Mellan bränsleelementen befinner sig ett antal vertikalt orienterade rör 29, som innehåller fast belägna neutrondetektorer för övervakning av neutronflödet och därmed av härdens effektnivâ 7800214-4 inom det aktuella effektområdet. Föreliggande uppfinning befattar sig uteslutande med den del av detektorkapslarna 29, som befinner sig inom härden ll. De delar av dessa rörformade kapslar vilka be- finner sig under härden och fortsätter ut genom tryckkärlets 10 vägg kan vara utförda på vilket som helst lämpligt sätt.

Varje bränsleelement 13 är sammansatt av ett antal bränsle- stavar och omgiven av en mantel 31 (fig. 4), som styr kylmedlets strömning uppåt utmed bränslestavarna. Av fig. 2, som alltså visar en planvy av en kvadrant av reaktorhärden, framgår den inbördes be- lägenheten och de inbördes avstånden mellan bränsleelementen 13, styrstavarna l8, som befinner sig i vattenspalter 32, och instrument- kapslarna 29, vilka befinner sig i vattenfyllda spalter 33.

Det närmare utförandet hos en detektorenhet 29 framgår av fig. 3A och 3B. Denna anordning består av en långsträckt kapsel 36, som är utförd i ett metalliskt material, exempelvis zirkon.

Enligt den här illustrerade utföringsformen har kapseln korsformad tvärsektion, varvid korsets ben övergår i varandra via konkava partier 37, anpassade till den konvexa formen hos bränsleelementens 3l hörn. På detta sätt kommer kapselns 36 väggar att med minimalt spel kunna inpassas mellan bränsleelementen såsom framgår av fig. 4.

Kapseln 36 består av en homogen metallkropp, som är till- räckligt styv för att kunna vara fäst vid endast exempelvis härdens botten. Den sträcker sig uppåt mellan bränsleelementen utmed åt- minstone hela höjden hos härdens aktiva del, dvs. den del av härden som innehåller klyvbart bränsle.

Såsom framgår av fig. 4, är kapselns 36 minsta tvärmått lika med det diagonala avståndet mellan bränsleelementen 13. Denna likhet skall naturligtvis inbegripa de toleranser som erfordras för att bränsleelementen skall kunna införas och uttagas samt under- gå termisk expansion. Med ett funktionellt betraktelsesätt kan man dock konstatera, att kapseln 36 undantränger väsentligen all mo- deratorvätska i utrymmet mellan de fyra bränsleelementens varandra närbelägna hörn. l I kapseln 36 finns fem längsgående passager eller hål för mottagande av själva neutrondetektorerna, nämligen en central passage 38 och fyra omgivande passager 39 (l) - 39 (4). Den centrala passagen 38 innehåller en neutrondetektor 41, fäst vid en böjlig kabel 42, som dels innehåller erforderliga elektriska anslutnings- ledningar, dels kan användas för att (med hjälp av icke visade drivorgan) förflytta detektorn 41 inuti passagen. Denna detektor kan alltså tjänstgöra såsom en rörlig sond, med vars hjälp neutron- flödets axialprofil kan bestämmas. 7800214-4 De fyra passagerna 39 innehåller vardera en fast belägen detektor 43 (l) - 43 (4), vilka befinner sig på inbördes olika nivåer. Via ledningar 40 står dessa detektorer i förbindelse med apparater för utvärdering av signalerna. Passagerna kan upptill vara tillslutna medelst pluggar 44 och ledningarna 40 kan intill härdens botten passera genom tätande genomföringar 45, som hindrar kylmedlet från att tränga in i passagerna.

Fig. 4 och 5 illustrerar hur man enligt uppfinningen kan ned- bringa både neutronflödets absoluta storlek i vattenspalten 33 och tillhörande gradient. Såsom tidigare nämnts, visar fig. 4 i planvy en detektorkapsel 29 inpassad mellan de varandra närbelägna hörnen hos fyra bränsleelement 31. Linjerna 50 i fig. 5 passerar genom två varandra motbelägna hörn för bränsleelementenheten i fig. 4.

Linjerna 46 passerar mitt genom två varandra motbelägna bränsle- element. Avståndet mellan linjerna 47 markerar diagonalmåttet hos vattenspalten mellan dessa elements hörn och linjen 48 passerar genom denna spalts 33 centrum.

Det förutsätts, att styrstavarna är helt utdragna. De båda kurvorna 49 och 41 i fig. 5 illustrerar den profil längs linjen 5-5 i fig. 4 som neutronflödet får under denna förutsättning. Den streckade kurvan 49 gäller i frånvaro av detektorkapseln 29, som tränger undan kylmedlet, medan kurvan 51 hänför sig till förhållandena enligt uppfinningen, dvs. med en sådan detektorkapsel på plats.

Neutronflödets storlek har angetts i en relativ skala, där värdet l betecknar flödet genom bränsleelementens mitt, dvs. utmed linjerna 46. Av diagrammet framgår, att kurvans 49 topp ligger på ett värde, som är drygt tre gånger högre än värdet i bränslelementens mitt.

Diagrammet ger även vid handen, att kurvan 49 har en mycket stor gradient, vilket såsom ovan nämnts innebär att detektorernas pla- cering i sidled blir kritisk för mätresultatets noggrannhet.

Kurva 51 utvisar att neutronflödets toppvärde vid tillämp- ning av uppfinningen reduceras till ungefär hälften, dvs. kurvan får ett flackare förlopp. Detta har två fördelar. Den ena är att genom den minskade gradienten detektorns placering i sidled blir mindre kritisk. Den andra är att genom den minskade avvikelsen mellan kurvans toppvärde och dess värden i bränsleelementens mitt det av detektorn avkända värdet kommer att ligga mycket nära flödets medelvärde inom elementen.

Z Den korsformade profil hos detektorkroppen som illustrerats i fig. 3 och 4 är visserligen fördelaktig för anpassning till bränsle- elementens hörn, men andra tvärsektionsformer kan också användas. I 7800214-4 fig. 7 visas en kapsel 36' med kvadratisk profil och i fig. 8 en kapsel 36" med cirkulär tvärsektion.

Valet av material i kapseln 36 är av stor betydelse. Efter- som kapselns uppgift är att tränga undan moderatorn i syfte att minska dennas inverkan på neutronerna i detektorernas närhet, skall detektorkapseln bestå av ett material med liten neutronmodererande verkan eller, uttryckt med andra ord, kapseln skall väsentligen inte alls moderera snabba neutroner. Absorptionstvärsnittet för termiska neutroner skall också vara litet. Dessutom måste materialet lämpa sig för användning i vatten av hög temperatur och kunna tåla den neutron- och gammastrålning som förekommer i reaktorhärden.

Materialets neutronmodererande förmåga, vilken kan betecknas êzš, skall vara liten. E betecknar här medelvärdet i en logaritmisk skala av energireduktionen per neutronkollision makroskopiska spridningstvärsnitt för snabba neutroner. Det makroskopiska absorptionstvärsnittet för termiska neutroner Ea skall också vara litet.

Tabellen nedan återger nâgra lämpliga material jämte till- hörande värden på šzs och ga. Förteckningen är emellertid endast exemplifierande och framför allt kan man använda blandningar, le- geringar och föreningar av dessa grundämnen. Några av dem, särskilt zink, är i allmänhet endast lämpliga i legerad form. Ibland är det lämpligt att förse kroppen 36 med en beklädnad av ett annat material.

Som exempel kan nämnas, att en kropp av koppar kan förkromas och att en kropp av magnesium kan'förses med en mantel av rostfritt stål.

Största lämpliga tvärmått Grundämne EES (cm_l) Sa (cm_l) Dimension (cm) Niobium 0,00594 0,06ll 8,2 Aluminium I 0,00608 0,0l39 36,0 Zink 0,007l8 0,0696 7,2 Zirkon 0,00747 0,00772 33,0 Molybden 0,00927 0,l60 3,1 Titan 0,00939 0,320 1,6 Krom 0,00949 0,241 2,1 Magnesium 0,0l24 0,0027l 20,0 Vanadin 0,0l38 0,362 1,4 Koppar o,o19o 0,313 1,6 Järn 0,0330 0,215 2,3 Nickel 0,0538 0,420 l,l 7800214-4 Kroppens 36 dimensioner i tvärriktningen skall vara avse- värt mindre än det inverterade värdet av dess bromssträcka för snabba neutroner och väsentligt mindre än medelvärdet av de ter- miska neutronernas fria vandringssträcka, så att flödet i närheten av detektorerna blir i hög grad utjämnat.

En viss metalls lämplighet för det angivna ändamålet beror också på det tillgängliga utrymmet mellan bränsleelementen. För att flödeskurvan enligt ovan skall få ett så flackt förlopp som möjligt, fordras att detektorkroppen undantränger största möjliga moderator- mängd i utrymmet mellan bränsleelementen och i neutrondetektorernas närhet. Å andra sidan förhåller det sig så, att om kroppens tvär- dimensioner är av samma storleksordning som inverterade värdet av det aktuella materialets bromssträcka för neutronerna, får flödeskurvorna oönskade toppar. För att flödeskurvan skall bli så utjämnad som möjligt, har det enligt uppfinningen visat sig att detektorkroppens tvärmått skall uppgå till endast en bråkdel av inverterade värdet av den aktuella bromssträckan.

Såsom ovan nämnts, bör detektorkroppens tvärdimension vara lika med avståndet mellan bränsleelementen med hänsyn tagen till erforderliga toleranser. Eftersom i ett praktiskt fall detta tvär- mått är givet, sker valet av metall för detektorkroppen på basis av följande kriterier, vilka har visat sig ge goda resultat. Detektor- kroppens största tvärmått skall vara mindre än en fjärdedel av inverterade värdet av metallens bromssträcka för snabba neutroner.

För det andra skall detta mått vara mindre än hälften av inverterade värdet av metallens makroskopiska absorptionstvärsnitt för termiska neutroner.

I den fjärde kolumnen i tabellen ovan återfinns det högsta lämpliga värdet på ifrågavarande metallers tvärmått. Dessa värden har framräknats såsom en fjärdedel av det inverterade värdet av bromssträckan för snabba neutroner eller som hälften av inverterade värdet av det makroskopiska absorptionstvärsnittet för långsamma neutroner, varvid det lägsta av dessa båda värden har valts såsom begränsande. Om detektorkroppens tvärdimension är exempelvis 25,4 mm, framgår det av tabellen, att de metaller som kan komma i fråga är niobium, aluminium, zink, zirkon, molybden och magnesium.

Hos en känd reaktor hade vattenspalten 33 en bredd av 13,3 mm, medan diagonalavståndet D (fig. 8) mellan bränsleelementen var 28,9 mm, dvs. ca. 3,25 gånger inverterade värdet av Vattens bromsförmåga vid 290°C. I en sådan reaktor kan enligt fig. 8 detektorkroppen 36" ha en diameter av ca. 25 mm, vilket utgör 71800214-4 ungefär 0,019 gånger det inverterade värdet av nedbromsningseffekten i zirkon. Vid detta diametervärde får man en tolerans på ca. 1,7 mm mellan detektorkroppen och bränsleelementen, vilket är nödvändigt för att de senare skall kunna införas, uttagas och undergå värme- utvidgning. Passagerna 38 och 39 har en diameter av ca. 6,3 mm och deras centrumavstånd är ungefär 11,2 mm.

Vid användande av en i tvärsektion korsformad detektorkropp enligt fig. 3A kan korsets armar ges sådan längd, att de skjuter utanför passagernas 39 mittaxel en sträcka, som uppgår till mellan hälften och hela armens tjocklek. Det har visat sig att om armarna görs längre, så får detta mycket liten inverkan på flödeskurvans utjämning.

Om detektoranordningen ej har någon rörlig detektorsond, är det enligt uppfinningstanken inte nödvändigt att detektorkroppen sträcker sig genom hela reaktorhärdens höjd. Det är fullt till- räckligt att varje detektorenhet är omgiven av material, som undan- tränger moderatorn. En sådan utföringsform av uppfinningen har illustrerats i fig. 9. Här är varje detektor 93 (l) - 93 (4) upp- buren och omgiven av en kropp 96 (l) - 96 (4). Dessa kroppar kan, ehuru detta ej är nödvändigt, vara försedda med passager 99 (l) - 99 (4) för mottagande av de egentliga detektorerna. De tre överblivna hålen i varje sådan kropp kan då utnyttjas för lednings- dragning från detektorerna. Med 95 har betecknats en sådan lednings- tråd, som passerar genom hålen 99 (4) i kropparna 96 (2) och 96 (3).

Kropparna 96 kan vara fästa vid och uppbäras av tunnväggiga stödorgan 97 med hål 98, som medger moderatorn/kylmedlet att cirku- lera. Dessa stödorgan 97 har i fig. 9 förutsatts vara av cirkulär tvärsektion, men de kan ha vilken som helst lämplig profil, exempelvis vara korsformade eller kvadratiska.

Claims (10)

7800214-4 Patentkrav.

1. l. Neutrondetektor för användning i en reaktorhärd, vars bränsleelement mellan sig avgränsar spalter för reaktorns moderator, k ä n n e t e c k n a d av att densamma inne- fattar en detektorkropp (36), som är anordnad att monteras i härden mellan varandra närbelägna bränsleelement (13) och att härvid utfylla utrymmet mellan elementen, så att modera- torn undanträngs från detta utrymme, varigenom neutronflödet därstädes reduceras och utjämnas, varvid nämnda kropp, som har åtminstone en längsgående passage (38, 39) för mottagan- de av en neutrondetektor, består av en metall, vilken är så vald, att kroppens tvärdimensioner är mindre än en fjär- dedel av det inverterade värdet av metallens nedbromsnings- förmåga för snabba neutroner och mindre än hälften av inver- terade värdet av metallens makroskopiska absorptionstvär- snitt för termiska neutroner.

2. - Detektor enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att kroppen (36) har korsformad tvärsektion.

3. Detektor enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att korsets armar övergår i varandra via krökta ytor.

4. Detektor enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att kroppen (36') har väsentligen kvadratisk tvärsek- tion.

5. Detektor enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att kroppen (36") har väsentligen cirkulär tvärsektion.

6. Detektor enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a d av att kroppen har ett flertal längsgå- ende passager (39) för mottagande av detektorenheter (43) på förutbestämda nivåer i passagerna.

7. Detektor enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att kroppen (36) även har en centralt belägen passage (38) för mottagande av en inuti densamma förskjutbar detek- torenhet (41).

8. Detektor enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a d av att kroppen (36) består av zirkon V eller av en zirkonlegering.

9. Detektor enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a d av att kroppen (36) består av material 7soo214f4 ~ I ur gruppen niobium, aluminium, zink, zirkon, molybden, magnesium samt legeringar av dessa.

10. Detektor enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a d av organ (44, 45), anordnade att hindra moderatorn från att tränga in i kroppens paseager. ANFURDA PUBLIKATIONER: SE patentansökan 7608765-9 (G21C 17/10)