专利名称:用于测量球床高温反应堆(htr)燃烧元件烧损相对值的方法及适用于该方法的设备的制作方法
本发明涉及燃烧元件的测量方法，特别是可用于确定球床高温反应堆(HTR)燃烧元件烧损的测量方法。
在运行具有多个出口(Mehrfachdurchlauf)的装入的球床HTR(如AVR或THTR)时由回路中必须去除循环燃烧元件(BE)的一定的份额，以为加入新的燃烧元件提供空间。在此鉴于良好的核燃料经济性当然应当尽可能考虑去除烧损最大的燃烧元件。为此对每个单个循环燃烧元件进行检测。在此测量的是代表烧损程度的物理量值。在此为了测量精确性该烧损值的均匀性并非必须的，而大的测量效果和测量值的良好的可重复性是重要的。借助该值确定燃烧元件是否输送回反应堆芯，必要时确定输送回哪个芯区，或是否将其取出。
在反应堆芯内部进行裂变过程，其中在燃烧元件中由核燃料产生裂变产物。如果循环的单个燃烧元件由反应堆芯进入球形引出管(Kugelabzugrohr)，那么接着停止裂变过程。燃烧元件中的裂变产物具有放射性并发射γ射线。对于不同的燃烧元件，由该燃烧元件辐射的及所测量的总的γ射线在其他相同条件下，例如在相同时间后由反应堆芯中退出燃烧元件后与其烧损相关。
迄今为止，使用了用于确定球状燃烧元件的烧损程度的不同测量方法。
对于AVR(专业工作组试验反应堆)基于相对较小的燃烧元件的约500每天的循环速度，燃烧元件中的Cs137的γ光谱测量可用由液态氮冷却的半导体探测器进行。该测量花费较少，在可接受的20至40秒的测量时间内在高烧损BE(燃烧元件)时提供±2％范围中的测量精度。
对于现代模块化的球床核动力反应堆-如西门子的HTR模块或南非的PBMR-相对于AVR循环速度高很多(约4000燃烧元件每天)而燃烧元件在球形引出管中的衰变时间相对较短(约两天)，使AVR测量方法直接的传递仅基于可供使用的较小测量时间不能转用到这种反应堆中。更短的测量时间一定导致更大的测量误差。当然对环境更有意义的是，由于燃烧元件仅有较小的衰变时间，分析Cs137线显然不精确。短暂存在的裂变产物的高放射性对Cs137的γ测量产生很强的影响，因为分析典型的Cs137的662keV线明显地受相邻线(Nachbarlinien)影响。在此，一方面涉及Nb97的强烈的658keV线(有效半衰期16.8小时)，Ba140的弱的661keV线(半衰期12.8天)和I132的强烈的668keV线(有效半衰期76.3小时)。因此，测量的Cs137的信号相应的校正通常需要很费事的测量技术。快速的循环结合一个短球形引出管及在该球形引出管中的短停留时间因此导致对Cs测量的可重复性有强烈地不利影响。为此，还没有真正的反应堆的具体经验。本领域技术人员对可达到的准确性的评估非常相同。按照通常的见解设想，对于高烧损的燃烧元件平均误差不低于±10％。
因此，有相应的专家组有选择地对于现代的模块化的球床核动力反应堆建议简单地测量燃烧元件的总的γ放射性。
有放射性的燃烧元件的γ放射性主要在反应堆芯中，但在衰变时间不太长时短时存在的裂变产物在燃烧元件由芯中退出后占主导地位。长时间存在的裂变产物对辐射强度的贡献实际上可忽略。较低程度烧损的燃烧元件在反应堆芯中并且因此也在其由芯中退出前产生的功率比高度烧损的燃烧元件高，由此具有更高的(短时存在的)γ放射性。测量效果，即低烧损燃烧元件和高烧损燃烧元件的γ辐射的区别很大。(对于AVR以其燃烧元件的较长的平均为一个月的衰变时间示出的低烧损燃烧元件的γ放射性总是比高烧损燃烧元件高3至4倍)。该方法虽然不很精确，但很简单并很快(测量时间约一秒)。
总的γ放射性和Cs137的辐射测量的结合被认为是现有技术。在此对所有的燃烧元件进行简单的γ测量(例如1秒)。只有当识别为高烧损的燃烧元件时，燃烧元件具有在先前定义的界限值以下的γ放射值，延迟例如平行延伸的Cs137的测量(约10秒)。只有分析Cs137的测量时才确定燃烧元件的目标一重新送回或去除。
在该对于Cs测量有规则地允许更长的测量时间的结合方法中，对于高烧损燃烧元件，要考虑更大的平均误差。本领域技术人员认为±4％至±20％的精度足够了。
本发明的任务是提出一种球状燃烧元件的测量方法，通过该方法对于燃烧元件的短暂的衰变时间和在短的测量时间中在球床反应堆循环运行时可确定燃烧元件烧损的程度。
此外，本发明的任务还在于提供实施上述测量方法的相应装置。
本发明的任务通过用于确定按照独立权利要求
的球状燃烧元件烧损的方法及按照并列独立权利要求
的实施该方法的装置来解决。所述方法和装置的有利实施方式在各从属权利要求
中。
本发明不是描述用于确定球状燃烧元件的烧损绝对值(例如以％FIMA＝初始金属原子的裂变率)的方法。本发明也不是测定低烧损燃烧元件的烧损。该燃烧元件由于其明显较高γ放射性通过简单的γ测量识别。
新的、本发明的方法特别规定，对于通过简单γ测量分类为较高烧损的燃烧元件进一步详细说明烧损的程度，特别是考虑到去除的可能性。
本发明的主题是用于测量球状燃烧元件烧损程度的方法，该方法类似于先前所述的作为结合方法的方法。由反应堆芯卸下的燃烧元件进行短暂的、简单的γ测量。通过一个事先确定的γ放射性的第一界限值，由此所测量的燃烧元件分成低烧损燃烧元件或高烧损燃烧元件。识别为较高烧损的燃烧元件进行另一种测量。该第二测量基于以下设想，即在燃烧元件中当用热中子激发时燃烧元件发生越多裂变，烧损就越小。在裂变过程中自发射出强烈的γ射线。强烈的γ射线的强度，特别是在2MeV以上的能量区域内，可以因此同样视为燃烧元件烧损的尺度。
用于测量的方法如下进行。燃烧元件球例如在循环范围内由反应堆芯取出并传递到测量点。在那里燃烧元件球受到热中子流的作用，该中子流导致燃烧元件中的核裂变。除了已存在的裂变产物的γ放射性外在核裂变过程中还导致辐射所谓的自发射线并且以强烈的γ射线的形式辐射。该强烈的γ射线平均比裂变产物的γ射线含有的能量更多。
在一个第一测量步骤中用一个第一探测器测量燃烧元件的总γ放射性。该测量通常很快(约1秒)，但不很精确。该测量仅用对所检验的燃烧元件的烧损作出第一评估。对于给定反应堆，具有确定的总的γ放射性的燃烧元件的频率按照统计频率分布发生。其中，这还依赖于在从反应堆芯中取出后在哪一时刻测量该燃烧元件。高度烧损的燃烧元件还仅具有很少的裂变产物，使得该产物辐射的γ射线的放射性很小。如果规定γ射线的上限，在该上限以上测量的燃烧元件总是送回反应堆芯，那么可进行燃烧元件的预选，其中还等待另一测量。该界限值可相应地确定频率分布。例如如下确定界限值，最多20％的所有所测量燃烧元件其测量的放射性低于界限值。只有在该20％时等待有利地并行进行的第二测量。
根据本发明的方法的第二测量步骤在于，用相应的第二探测器仅测定燃烧元件的强烈的γ射线。根据本发明的方法在此有利地将现有的反应堆用作中子源，以在燃烧元件中产生核裂变。适于此的探测器必须特别地可测定能量很多的射线，优选在2Meγ以上。对于该能量选择的测量例如NaI闪烁计数器是足够的。第二探测器也应当至少可处理至少多于107/s、特别是多于108/s的γ总脉冲率。
由于在燃烧元件内裂变产物的短的衰变时间，裂变产物的γ放射性通常明显大于裂变的γ放射性。为了强烈的γ射线的有效信号不被能量不多的燃烧元件的裂变产物的γ放射性过多地叠加，可单独地或组合地实施多个解决方案。
1有利的是，为第二测量步骤使用一个探测器，该探测器可处理很高的脉冲率，即具有很好的时间分辨率，并因此在很短的测量时间内仅有很小的误差。
2此外，通过在探测器与燃烧元件之间设置屏蔽，该屏蔽特别用于能量的高通过滤器并导致减弱射到第二探测器上的低能量γ射线，从而改善能量多的(强烈的)与能量不多的γ射线的比例并对强烈的射线有好处。这种屏蔽可例如通过铅过滤器产生。
3为特别精确地进行第二测量，第二探测器应当有利地设置，使其最佳工作范围位于正好受关注的(较高烧损的)燃烧元件所发射的辐射值上。这也有缺点，即低烧损燃烧元件的辐射值明显高于第二探测器的最佳工作区域。为避免可能的第二探测器的损害，可采取多种措施。特别是另一种合适的屏蔽可用于使得在测量低烧损燃烧元件时第二探测器不过载。或在测量低烧损燃烧元件时关闭第二探测器，这对于依次进行的测量1和2特别简单的实现。
4燃烧元件中的感应核裂变的数量随着中子流(测量流)的增加而增加。为实现在燃烧元件的测量位置上尽可能高的热中子流，因此特别是真正的反应堆适于作中子源。原则上其他中子源也是合适的。
5测量位置有利地被水包围。由此提高亚临界的测量装置的反应性，将在裂变中释放的中子尽可能多地用于继续裂变。待测量的燃烧元件本身用它们的裂变物质影响装置的反应性。从而导致测量效果的加强。
6为提高第二测量的准确性，有选择地可设有多个第二探测器，其并行添加所测定的计数结果。
7此外规定，在多个测量位置上同时并行测量多个燃烧元件。无需改变循环节拍数，每个测量可供多个测量时间使用，这有规律地积极地影响测量精确性。
8原则上也有利地可延长由反应堆芯取出燃烧元件与其测量之间的时间(中间时间)，因为裂变产物的γ射线按照其蜕变随时间减少，但感应裂变的γ射线不受影响。其缺点是引起昂贵的结构改变或不利的反应堆操作。
根据本发明的方法可简单地通过燃烧元件的烧损程度得到精确的表示(误差仅约1-2％)。因此该方法特别适于实施高温反应堆(HTR)中循环的燃烧元件是应当由反应堆循环中取出还是再送回到反应堆芯中的决定。该方法在此有利地如下支持该决定a)燃烧元件由反应堆取出并输送到测量位置上，b)燃烧元件受到热中子流的作用，c)第一探测器测定由燃烧元件发射的γ射线，d)当超过预先确定的第一界限值时燃烧元件直接再次输送到反应堆，当低于该界限值时接着实施燃烧元件步骤e至f，e)第二探测器测定燃烧元件射出的1MeV以上的高能γ射线，f)当超过预先确定的第二界限值时燃烧元件输送回反应堆，当低于该界限值时燃烧元件由燃烧元件循环中取出。
以下结合实施例和
附图来详细描述本发明的主题，而并不由此限制本发明的主题。
附图示出用于实施按照本发明的方法的装置的实施例的水平剖面图。其中，1 反应堆，生物外壳的外侧2 具有热中子流的热柱(石墨)3 球导管
4 水箱5 生物屏蔽6 测量位置上的燃烧元件7 更换探测器用的塞子8 有高时间分辨率的选择能量的第二γ探测器9 用于脉冲处理的连接电缆10 探测器屏蔽和能量过滤器，例如由铅制成11 第一γ探测器12 具有测量点上的燃烧元件的固定装置的循环设备的构件(示意示出)根据本发明的方法在此在一个装置中如下进行由反应堆芯取出的待测量的燃烧元件6放到一个限定的测量位置12，在该测量位置中其受到热中子流2的作用。与烧损或在燃烧元件6中还含有的裂变物质相关在燃烧元件中发生核裂变，通过测试技术得到其强度。测量值在此为强烈的高能γ射线，其紧接着裂变过程由在测量时产生的裂变产物射出(自发辐射)。在此利用，该强烈的γ射线的能量平均比燃烧元件中的裂变产物所射出的γ射线更高。由此选择能量的γ测量仪器测得强烈的能量较多的γ射线。一个合适的探测系统例如为具有高时间分辨率的高分辨率的闪烁计数器8，为此其能量分辨力是足够的。
燃烧元件中裂变产物的γ射线的小的较高能量份额(该份额落入待测量的强烈的γ射线的范围中)可对测量精度无大的影响地一同测量，因为待测燃烧元件的总的γ射线同样与烧损有关，也就是说以相同方式。烧损越高裂变物质含量就越小，测量时裂变活动就越小，强烈的γ射线就越小，总的燃烧元件放射性也就越小。(对于作为测量方法的简单测量燃烧元件的总的γ射线的方案在上文中已经述及。)两个至今已经实施的特征描述了新方法的原理的特征。该方法主要的困难是，由于BE短的衰变时间(通常2天)其γ放射性很高(干扰信号)，与其相比作为有效信号的强烈的γ射线完全处于背景中。为达到上述希望的精度，即在短的测量时间内积累对数量统计来说足够大的有效信号的数量，本方法的下面的其他特征同样很重要。
可使用处理很高脉冲率的γ测量仪器8(第二探测器)，因此获得很高的时间分辨率。设计测量仪器8与待测燃烧元件6之间的屏蔽10，使测量仪器对于较高烧损的燃烧元件，即发射较弱射线的燃烧元件已经在其最大数量可能性范围内工作。发射更强烈的射线的、尚未充分烧损的燃烧元件可不再用该第二探测器8探测。这对于借助利用第一探测器11的简单γ测量所述的组合方法有意义。
燃烧元件6与测量仪器8(第二探测器)之间必需的屏蔽10以铅的形式实施，以实现尽可能大的能量过滤器的作用(优选透过强烈的γ射线)。
由于短暂的测量时间即使在很高的中子流(测量流)时也可完全忽略用于测量的裂变物质的消耗。因此，为实现本方法的良好精度可用尽可能高的测量流工作。所以不使用外部中子源，而有利地反应堆芯本身用作中子供应者。为此所述反应堆类似于研究反应堆，例如Jülich有限公司研究中心的Dido，将“热柱”2，即侧反应堆和生物罩外侧之间的尽可能只与反应堆容器断开的、径向延伸的、连续的石墨连接尽可能保持在反应堆芯中间的高度上。在紧邻石墨外端面的前面有测量位置12。此外该测量位置12还有利地被水4包围。由此提高亚临界测量装置的反应性，并将在裂变中释放的中子尽可能用于继续的裂变。待测量的燃烧元件本身以其裂变物质含量影响所述装置的反应性。这导致测量效果的加强。
关于实际的实施，测量点12以有利的方式设置在球形装料装置3的构件中，在该构件中总是存有球。为此特别提供球状输送预选器，通过该球状输送预选器控制测量球的希望目标(在球床上或将球取出)。在反应器芯中间高度上布置输送预选器(在“热柱”前)还有以下优点，由球的抽取管下端区域至导引到球床上的输送管的上换向点的长的高输送路径分为两个部分区段，于是单个气动的球输送过程使用少量输送压力和输送量足够。
包围测量装置的生物屏蔽5和另一γ探测器11属于整个测量装置。设置该探测器，使对于低烧损的燃烧元件(例如在核流动(Coredurchlauf)之后)在测量位置12上在高计数速率下工作。通过该探测器11就上文提到的组合方法而言对所有由测量位置取出的燃烧元件(和其他球)的γ放射性进行测量。如果探测器11的测量结果大于确定的界限值，所测的燃烧元件尚未充分烧损，不必等待第二测量就送回反应堆芯中。当低于该界限值时，燃烧元件的测量也等待探测器8，之后首先确定球目标(取出或送回)。该再次通过将测量结果与另一界限值比较而进行。当低于界限值时取出燃烧元件。
这两个界限值可由先前测量的燃烧元件的大量(例如300)的测量结果的频率分布得到。该数量等于分布曲线下的面积。为测定界限值在测量值刻度上寻找一个这样的值，该值以预先确定的数值关系分割分布面积。如果例如规定，所有测量的燃烧元件的20％也应当用第二探测元件8测量，那么第一探测器11的测量结果的分布面积以比例2∶8划分。所有测量结果的20％在第一界限值以下。此外如果假定，反应堆以1∶10的运行方式运行，即循环每个添加的新鲜燃烧元件并且因此-总是长期平均值-必须由10个循环的燃烧元件中取出1个燃烧元件，取出的份额为10％，在第二探测器8的测量结果的频率分布中寻找一个值，该值将分布面积分成两个大小相等的半部分。将测量结果落在该第二界限值以下的燃烧元件取出。取出的份额为10％，从而需要1∶10的运行方式。频率分布和由此界限值计算可在每次燃烧元件测量后累加。当反应堆功率改变时测量结果在其处理前与由新的相对先前的功率的比例相乘。
如果第二探测器10在打开状态下由γ射线的过饱和而受损伤，那么有利地两个测量不并行启动，而是首先仅用第一探测器11测量γ射线。只有当测量结果低于第一界限值时才例如接通第二探测器8的工作电压。
可以看出，测量装置不总是如图所示的那样必须设在生物罩1前，其也可设在生物罩的凹槽中。由此缩短了“热柱”，而测量流2更大了。甚至可以直接在反应堆压力容器的外侧上进行测量。第二探测器8当然强烈地受到反应堆芯的γ射线的作用。高的测量流2对该方法的精度很有意义，在该情况下可以容忍测量恒定的γ背景，只要其不是主要的。
权利要求
1.一种用于测量一个燃烧元件的烧损的一个相对值的方法，其具有以下步骤a)一个燃烧元件6由反应堆取出并输送到一个测量位置12上，b)燃烧元件6受到中子流2的作用，c)一个探测器8测定由燃烧元件射出的1MeV以上的高能γ射线的一个相对值。
2.根据权利要求
1所述的方法，其中在步骤c)前一个第一探测器11测定由燃烧元件射出的γ射线的一个相对值。
3.根据权利要求
2所述的方法，其中如果第一探测器11测定的γ射线的测量值低于一个预定的第一界限值，首先进行步骤c)。
4.根据权利要求
1至3中任一项所述的方法，其中第二探测器8测定由燃烧元件射出的2MeV以上的高能γ射线的一个相对值。
5.根据权利要求
1至4中任一项所述的方法，其中使用具有一个至少107/秒的计数速率、特别是至少108/秒的计数速率的第二探测器8。
6.根据权利要求
1至5中任一项所述的方法，其中一个闪烁计数器用作第二探测器8。
7.根据权利要求
1至6中任一项所述的方法，其中在测量位置12与探测器8之间设有一个屏蔽。
8.根据权利要求
7所述的方法，其中在测量位置12与探测器8之间设有一个铅过滤器作为屏蔽。
9.根据权利要求
1至8中任一项所述的方法，其中第一探测器11在少于2秒的时间里测定燃烧元件6的γ射线。
10.根据权利要求
1至9中任一项所述的方法，其中第二探测器8在小于30秒、特别是小于10秒的时间里测定燃烧元件6的高能γ射线。
11.根据权利要求
1至6中任一项所述的方法，其中燃烧元件6在测量位置被水包围。
12.根据权利要求
3至11中任一项所述的方法，其中确定第一γ测量的第一界限值，使燃烧元件的一个与反应堆运行方式相适应的份额低于该界限值。
13.根据权利要求
3至12中任一项所述的方法，其中确定第一γ测量的第一界限值，使对于一种1∶10的反应堆的运行方式最多20％、特别是最多15％的燃烧元件低于该界限值。
14.根据权利要求
1至13中任一项所述的方法，其中如果探测器8测定的高能γ射线的测量值低于一个预定的第二界限值，燃烧元件6从一个反应堆循环中取出。
15.根据权利要求
14所述的方法，其中确定第二测量的第二界限值，使所有测量的燃烧元件的一个与反应堆运行方式相适应的份额低于该界限值。
16.根据权利要求
13至14所述的方法，其中确定第二测量的第二界限值，使对于一种1∶10的反应堆的运行方式最多15％、特别是最多10％的所有测量燃烧元件低于该界限值。
17.用于实施根据权利要求
1至16中任一项所述的方法的装置，其具有a)一个中子源，其产生一个热中子流2，b)用于固定一个待测量燃烧元件的测量位置12，使燃烧元件受到热中子流的作用中，c)一个探测器8，其能测量由设置在测量位置上的燃烧元件6中射出的高能γ射线6。
18.根据权利要求
17所述的装置，其具有一个附加的第一探测器11，该探测器能测量由设置在测量位置上的燃烧元件6射出的γ射线6。
19.根据权利要求
17至18所述的装置，其在测量位置12与第二探测器8之间具有一个屏蔽10。
20.根据权利要求
19所述的装置，其具有作为屏蔽10的一个铅过滤器。
21.根据权利要求
17至20中任一项所述的装置，其具有作为第二探测器8的一个闪烁计数器。
22.根据权利要求
17至20中任一项所述的装置，其具有一个第二探测器8，该探测器具有一个至少107/秒、特别是至少108/秒的计数速率。
23.根据权利要求
17至20中任一项所述的装置，其中测量位置12至少部分地被水包围。
专利摘要
至今用于测量球床高温反应堆的燃烧元件烧损的方法，特别是在高循环率情况下通常有10％的误差。本发明的用于测量烧损的方法一方面非常快捷，另一方面很准确，误差为1－2％。该方法有利地包含以下步骤a)燃烧元件由反应堆取出并输送到测量位置上；b)燃烧元件受到热中子流的作用；c)一个第一探测器测定由燃烧元件发射的γ射线；d)当超过预先确定的第一界限值时燃烧元件直接输送到反应堆，当低于该界限值时燃烧元件继续进行步骤e至f；e)一个第二探测器测定燃烧元件射出的1MeV以上的高能γ射线；f)当超过预先确定的第二界限值时燃烧元件输送回反应堆，当低于该界限值时燃烧元件由元件循环中取出。
文档编号G21C1/07GKCN1751362SQ200480004547
公开日2006年3月22日 申请日期2004年1月15日
发明者P·波尔 申请人:于利奇研究中心有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan