Was ist Incore Nuclear Instrumentation – Definition

Das Incore-Kerninstrumentierungssystem misst die Verteilung des Neutronenflusses und die Temperaturen im Reaktorkern. Der Zweck des Incore-Instrumentierungssystems besteht darin, detaillierte Informationen über die Verteilung des Neutronenflusses und die Auslasstemperaturen der Brennelemente an ausgewählten Kernstandorten bereitzustellen . Das Incore-Instrumentierungssystem bietet Datenerfassung und führt normalerweise keine Schutz- oder Anlagenbetriebssteuerungsfunktionen aus.

Das Incore-Instrumentierungssystem umfasst:

• Incore Neutronenfluss-Überwachungssystem
• Incore Temperaturüberwachungssystem

Westinghouse Technology Systems Manual, Abschnitt 9.2. Incore Instrumentation System. <verfügbar unter: https://www.nrc.gov/docs/ML1122/ML11223A264.pdf>.

Incore Neutronenfluss-Überwachungssystem

Das Incore-Neutronen-Überwachungssystem besteht aus Incore-Detektoren mit einer ausreichenden Empfindlichkeit, um die Messung lokalisierter Schwankungen der Neutronenflussverteilung innerhalb des Reaktorkerns zu ermöglichen . Es ist zu beachten, dass in Leistungsreaktorkernen die Flussverteilung und auch die Leistungsverteilung maßgeblich von vielen Faktoren beeinflusst wird. Daher variiert die Temperatur in einem Betriebsreaktor von Punkt zu Punkt innerhalb des Systems. Infolgedessen gibt es immer einen Brennstab und ein lokales Volumen , die heißer sind als alle anderen. Um diese heißen Stellen zu begrenzen, müssen die Spitzenleistungsgrenzen eingeführt werden. Die Spitzenleistungsgrenzen sind mit a verknüpftkochende Krise und mit den Bedingungen, die Brennstoffpelletschmelze verursachen könnten. Das Incore-Neutronenfluss-Überwachungssystem liefert detaillierte Informationen zur Verteilung des Neutronenflusses und damit zu den Grenzen dieser Spitzenleistungsgrenzen .

Das Incore-Neutronenfluss-Überwachungssystem verwendet normalerweise:

• Miniaturspaltungskammern
• Neutronendetektoren mit eigener Stromversorgung

Diese beweglichen Flussdetektoren, die normalerweise im Instrumentenrohr einer Brennelementanordnung angeordnet sind , können die gesamte Länge ausgewählter Brennelementanordnungen überwachen, um eine äußerst genaue dreidimensionale Karte der Neutronenflussverteilung bereitzustellen . Mit diesen Daten kann die Neutronenflussrekonstruktion auch im Rest des Reaktorkerns durchgeführt werden. Die vom Incore-Neutronenfluss-Überwachungssystem erhaltenen Daten werden normalerweise (abhängig von einem bestimmten Reaktordesign) verwendet, um:

1. Diese Daten können verwendet werden, um die Leistungsverteilung im Kern jederzeit während des Kraftstoffkreislaufs zu bestimmen. Die überwachte Stromverteilung wird verwendet, um zu überprüfen, ob die folgenden Stromverteilungs-Hot-Channel-Faktoren den technischen Spezifikationsgrenzen entsprechen:
   1. Der Wärmestrom-Heißkanalfaktor – F _Q (z) , definiert als: Das Verhältnis der maximalen lokalen linearen Leistungsdichte, bei der ein minimaler Spielraum zur Begrenzung der Kraftstofftemperatur (während AOOs) besteht, zur durchschnittlichen lokalen linearen Leistungsdichte im Kern.
   2. Der Heißkanalfaktor für den Anstieg der _{Kernenthalpie} – F _NΔH , definiert als: Das Verhältnis des Integrals der linearen Leistung entlang des Brennstabs, bei dem eine minimale Abweichung vom Siedepunkt der Keime auftritt (während AOOs), zur durchschnittlichen Brennstableistung in der Ader.
2. Diese Daten können verwendet werden, um den Kraftstoffverbrauch und die Isotopenkraftstoffbestände im Kern jederzeit während des Kraftstoffkreislaufs zu bestimmen .
3. Diese Daten können verwendet werden, um die Kerninstrumente des Excore-Leistungsbereichs für die axiale Flussdifferenz (AFD) zu kalibrieren.
4. Diese Daten können verwendet werden, um zu überprüfen, ob das Quadrant Power Tilt Ratio (QPTR) die technische Spezifikationsgrenze erfüllt.
5. Die Daten liefern auch Trends der Kernbedingungen, sodass Korrekturmaßnahmen ergriffen werden können, bevor eine Bedingung übermäßig wird.

Siehe auch: Energieverteilung in PWR

Siehe auch: Knotenmethode bei der Neutronendiffusion

Incore Temperaturüberwachungssystem

Das incore Neutronentemperaturüberwachungssystem Brennelemente Kühlmittelaustrittstemperatur zur Verwendung zur Messung des bei der Überwachung der Kern radial Leistungsteilung und Kühlmittel besteht aus incore Thermoelementen, die an vorbestimmten Stellen positioniert sind Enthalpie Verteilung. Es ist zu beachten, dass die Kühlmittelaustrittstemperaturen mehr oder weniger durch das Mischen der seitlichen Strömung beeinflusst werden. Bei einigen Reaktorkonstruktionen hat dieses System einen anderen Zweck, beispielsweise die Überwachung der Sicherheitsfunktionen. Diese Daten (Kühlmittelaustrittstemperaturen) können (abhängig von bestimmten Reaktordesigns) verwendet werden, um:

1. Stellen Sie den Bedienern Hinweise auf unzureichende Kernkühlbedingungen in Notsituationen (z. B. Kernübertemperatur ) zur Verfügung.
2. Geben Sie Informationen zum Temperaturanstieg in der Kraftstoffbaugruppe an. Dies kann auf einen schwerwiegenden Kernzustand (z. B. Kanalblockade ) hinweisen und sollte untersucht werden.
3. Stellen Sie Eingaben für die Unterkühlungsrandmonitore bereit
4. Bereitstellung von Eingaben für Computeranwendungen von Anlagencomputern, bei denen die Kernaustrittstemperaturen verwendet werden, um den Anstieg der Enthalpie der Brennelemente und begrenzte Informationen zur Stromverteilung zu bestimmen.

Westinghouse Technology Systems Manual, Abschnitt 9.2. Incore Instrumentation System. <verfügbar unter: https://www.nrc.gov/docs/ML1122/ML11223A264.pdf>.

Neutronendetektor mit eigener Stromversorgung

Selbstversorgende Neutronendetektoren ( SPND ) sind Neutronendetektoren, die aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit an schwere Umgebungen im Kern häufig in Reaktoren zur Überwachung des Neutronenflusses eingesetzt werden . SPNDs können Teil des Incore-Neutronenfluss-Überwachungssystems sein, das detaillierte Informationen zur Neutronenflussverteilung und damit zu den Grenzen dieser Spitzenleistungsgrenzen liefert. Diese Detektoren verwenden den grundlegenden radioaktiven Zerfallsprozess ihres Neutronenaktivierungsmaterials, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Wie der Name schon sagt,   benötigen SPNDs keine externe Spannungsquelle , um ein Spannungspotential im Detektor zu erzeugen. Stattdessen wird im Detektor als Ergebnis der Neutronenaktivierung ein Strom erzeugtund anschließender Beta-Zerfall des Detektors selbst. Durch die Emission dieser Beta-Teilchen (Elektronen) wird der Draht immer positiver geladen. Das positive Potential des Drahtes bewirkt, dass im Widerstand R ein Strom fließt. Der Elektronenstrom aus dem Beta-Zerfall kann direkt mit einem Amperemeter gemessen werden.

Der autarke Neutronendetektor bietet zwei Hauptvorteile:

• Es ist nur sehr wenig Instrumentierung erforderlich, normalerweise nur ein Millivoltmeter oder ein Amperemeter
• Das Emittermaterial hat eine viel längere Lebensdauer als die in Spaltkammern verwendete Bor- oder Uran-235-Auskleidung.

Andererseits gibt es auch Nachteile, die mit der Tatsache verbunden sind, dass die Ströme selbst bei Betrieb mit voller Leistung sehr gering sind. Daher können SPNDs keine Informationen über die Flussverteilung bei Betrieb mit geringer Leistung (10% und weniger) liefern. Der Hauptnachteil des autarken Neutronendetektors besteht darin, dass das Emittermaterial mit einer charakteristischen Halbwertszeit zerfällt, die die Reaktionszeit des Detektors bestimmt. Abhängig von der Reaktionszeit werden diese Detektoren grob klassifiziert als:

• Sofortige Antwortdetektoren . Die Sofortreaktionsdetektoren wie Cobalt und Inconel werden in Reaktorschutz- und Regelungsanwendungen eingesetzt.
• Detektoren für verzögerte Reaktionen . Die Detektoren mit verzögerter Reaktion wie Vanadium und Rhodium werden häufig für das Flux Mapping System (FMS) verwendet.

Das typische SPND ist ein Koaxialkabel, bestehend aus:

• Emitter . Eine innere Elektrode, die aus einem Material besteht, das ein Neutron absorbiert und durch Emission eines Elektrons radioaktiv zerfällt (Beta-Zerfall). Der Emitter besteht normalerweise aus Rhodium und wird zur Erzeugung von Elektronen verwendet.
• Isolierung. Der Emitter ist von einer Isolierung umgeben, die üblicherweise aus Aluminiumoxid besteht.
• Sammler . Die Metallwände des Detektors umhüllen diese Teile und dienen als Sammler für die. Elektronen, die erzeugt werden. – Der Kollektor ist an das Erdpotential angeschlossen.

Selbstversorgende Neutronendetektoren werden normalerweise in das Instrumentenrohr einer Brennelementanordnung eingesetzt. Sie können die gesamte Länge ausgewählter Brennelementanordnungen überwachen, um eine äußerst genaue dreidimensionale Karte der Neutronenflussverteilung zu erhalten . Mit diesen Daten kann die Neutronenflussrekonstruktion auch im Rest des Reaktorkerns durchgeführt werden.

Typische Materialien, die für den Emitter verwendet werden, sind Kobalt, Cadmium, Rhodium und Vanadium. Diese Materialien sollten verwendet werden, da sie relativ hohe Schmelztemperaturen, relativ hohe Querschnitte zu thermischen Neutronen besitzen und mit dem SPND-Herstellungsverfahren kompatibel sind.

Besondere Referenz: William H. Todt, Sr. EIGENSCHAFTEN VON NEUTRON-DETEKTOREN MIT SELBSTBETRIEB, DIE IN STROMREAKTOREN VERWENDET WERDEN. Imaging and Sensing Technology Corporation. New York.

Rhodium Emitter – SPND auf Rhodiumbasis

Eines der möglichen Materialien ist Rhodium als Emitter. Ein SPND mit einem Rhodiumemitter hat eine relativ hohe Empfindlichkeit , eine hohe Abbrandrate, stört die lokale Leistungsdichte und hat ein ( zweifach ) verzögertes Signal . Ein Detektor auf Rhodiumbasis ist ein Beta-Strom-Detektor mit eigener Stromversorgung, der die folgende Aktivierungsreaktion verwendet, um einen messbaren Strom zu erzeugen.

¹ n + ¹⁰³ Rh → ¹⁰⁴ Rh → ¹⁰⁴ Pd + β

Wie zu sehen ist, bewirkt ein von Rhodium-103 eingefangenes Neutron, dass ein Rhodium-103-Atom zu einem radioaktiven Rhodium-104- Atom wird. Das Rhodium-104 zerfällt dann in Palladium-104 plus ein Beta-Teilchen ( Elektron ). Das Beta-Teilchen hat genug Energie, um durch den Isolator zu gelangen und den Kollektor zu erreichen. Die Halbwertszeit von aktiviertem Rhodium-104 beträgt 42,3 Sekunden, was die Emission des geladenen Teilchens verzögert. Ein Detektor auf Rhodiumbasis verwendet diese Produktion von Beta-Partikeln (Elektronen), um einen Strom zu erzeugen, der proportional zur Anzahl der vom Emitter eingefangenen Neutronen ist, der auch proportional zur lokalen Reaktorleistungsdichte ist. Ein Teil des Stromflusses des Detektors ist auf Gammastrahlen zurückzuführen. Um dieses fehlerhafte Signal zu kompensieren, wird eine Hintergrundkorrektur über einen Hintergrunddetektor durchgeführt, der aus den gleichen Komponenten wie der Detektor besteht, außer dass das Rhodium entfernt wird.

Rhodium-103 hat einen Einfangquerschnitt von 133 Scheunen für thermische Neutronen und eine Resonanz bei 1,25 eV. Diese Reaktion führt zur Produktion von ¹⁰⁴ Rh mit T _1/2 = 42 s, was beta-radioaktiv ist. Es ist zu beachten, dass etwa 11 Ställe zur Reaktion gehören, in der ein Isomer von ^{104 m} Rh erzeugt wird (mit T _1/2 = 4,4 min).

Die folgenden Eigenschaften sind typisch für die Verwendung in einem thermischen Leistungsreaktor (z. B. PWR).

• Die Rhodium-Abbrandrate beträgt 0,39% pro Monat bei einem thermischen Neutronenfluss von 10 ¹³ n / cm ² / s.
• 92% des Signals haben eine Halbwertszeit von 42 Sekunden.
• 8% des Signals haben eine Halbwertszeit von 4,4 Minuten.
• Die Beta-Emission hat eine Energie von 2,44 MeV.

Vanadiumemitter – SPND auf Vanadiumbasis

Ein SPND mit einem Vanadiumemitter hat eine relativ geringe Empfindlichkeit, eine geringe Abbrandrate bei minimaler Störung der lokalen Leistungsdichte und ein sehr lang verzögertes Signal. Ein Detektor auf Vanadiumbasis ist ein Beta-Strom-Detektor mit eigener Stromversorgung, der die folgende Aktivierungsreaktion verwendet, um einen messbaren Strom zu erzeugen.

¹ n + ⁵¹ V → ⁵² V → ⁵² Cr + β

Vanadium-51 hat einen Einfangquerschnitt von 4,9 Scheunen für thermische Neutronen ohne Resonanzen. Diese Reaktion führt zur Erzeugung von ⁵² V mit T _1/2 = 3,74 min, was beta-radioaktiv ist .

Die folgenden Eigenschaften sind typisch für die Verwendung in einem thermischen Leistungsreaktor (z. B. PWR).

• Die Vanadium-Abbrandrate beträgt 0,012% pro Monat bei einem thermischen Neutronenfluss von 10 ¹³ n / cm ² / s.
• 99% des Signals haben eine Halbwertszeit von 3,8 Minuten.
• 1% des Signals ist prompt.
• Die nachfolgende Beta-Emission hat eine Energie von 2,6 MeV.