Was ist Nuclear Instrumentation – Definition

In Kernreaktoren ist die durch Kernspaltungen erzeugte Wärmeleistung proportional zum Neutronenflussniveau. Aus Gründen der Reaktorsicherheit ist es daher von größter Bedeutung, den Neutronenfluss und die räumliche Verteilung des Neutronenflusses im Reaktor korrekt und mit geeigneten Instrumenten zu messen und zu steuern . Zu diesem Zweck werden verschiedene Nuklearinstrumente installiert. Diese Messungen werden normalerweise außerhalb des Reaktorkerns durchgeführt, es werden jedoch auch Messungen innerhalb des Reaktorkerns durchgeführt. Daher werden nukleare Instrumente normalerweise in folgende Kategorien eingeteilt:

• • Excore Nuclear Instrumentation . Der Neutronenfluss wird normalerweise mit Excore-Neutronendetektoren gemessen , die außerhalb des Kerns installiert sind. Diese Detektoren gehören zum sogenannten Excore Nuclear Instrumentation System (NIS) . Da der Neutronenfluss einen weiten Bereich abdeckt (ungefähr 12 Jahrzehnte), werden drei Instrumentierungsbereiche verwendet, um genaue Flusspegelmessungen zu erhalten:
    • Quellbereichsdetektoren
    • Intermediate Range Detectors
    • Leistungsbereichsdetektoren
  • Incore Nuclear Instrumentation . 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 umfasst:
    • Incore Neutronenfluss-Überwachungssystem
    • Incore Temperaturüberwachungssystem

Beide Systeme basieren auf dem Nachweis von Neutronen. Der Neutronenfluss wird normalerweise mit Excore-Neutronendetektoren gemessen , die außerhalb des Kerns installiert sind. Diese Detektoren gehören zum sogenannten Excore Nuclear Instrumentation System (NIS) . Der Neutronenfluss und seine Verteilung innerhalb des Kerns wird üblicherweise durch ein Incore-System gemessen , das innerhalb des Reaktors installiert ist. Obwohl das nukleare Instrumentensystem eine schnelle Reaktion auf Änderungen des Neutronenflusses bietet und ein unersetzbares System ist, muss es kalibriert werden . Die genaue Wärmeleistung des Reaktors kann nur mit Methoden gemessen werden, die auf der Energiebilanz beruhendes Primärkreises oder Energiebilanz des Sekundärkreises. Diese Methoden liefern eine genaue Reaktorleistung, sind jedoch für Sicherheitssysteme unzureichend. Signaleingaben für diese Berechnungen sind beispielsweise die Temperatur des heißen Beins oder die Durchflussrate durch das Speisewassersystem, und diese Signale ändern sich sehr langsam mit Änderungen der Neutronenleistung. Mit anderen Worten, die durch kalorimetrische Methoden gemessene Wärmeleistung ist genau, während die durch Excore-Neutronendetektoren gemessene Kernleistung das einzige System ist, das eine schnelle Erkennung von Reaktivitätsausschlägen ermöglicht.

Reaktionsgeschwindigkeit – Proportionalität zwischen Neutronenfluss und Wärmeleistung

Siehe auch: Reaktionsgeschwindigkeit

Die Kenntnis des  Neutronenflusses (der  Gesamtweglänge  aller Neutronen in einem Kubikzentimeter pro Sekunde) und der  makroskopischen Querschnitte  (der Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung  pro Zentimeter Weglänge ) ermöglicht die Berechnung der Wechselwirkungsrate (z. B. Rate) von Spaltreaktionen). Diese Reaktionsrate  (die Anzahl der Wechselwirkungen, die in diesem Kubikzentimeter in einer Sekunde stattfinden) wird dann durch Multiplikation dieser beiden Werte angegeben:

wo:

Ф –  Neutronenfluss  (Neutronen.cm ^-2 .s ^-1 )

σ –  mikroskopischer Querschnitt  (cm ² )

N –  Atomzahldichte  (Atome.cm ^-3 )

Die Reaktionsgeschwindigkeit für verschiedene Arten von Wechselwirkungen ergibt sich aus dem geeigneten Querschnittstyp:

• • • Σ _t  . Ф – Gesamtreaktionsrate
    • Σ _a  . Ф –   Absorptionsreaktionsgeschwindigkeit
    • Σ _c . Ф –  Strahlungseinfang  Reaktionsgeschwindigkeit
    • Σ _f . Ф –  Spaltungsreaktion  Rate

Um die  Wärmeleistung zu bestimmen , müssen wir uns auf die  Spaltungsreaktionsrate konzentrieren . Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass das  spaltbare Material  gleichmäßig im Reaktor verteilt ist. In diesem Fall sind die  makroskopischen Querschnitte  positionsunabhängig. Multipliziert man die  Spaltreaktionsrate  pro Volumeneinheit ( RR = Ф. Σ ) mit dem  Gesamtvolumen  des Kerns (V), so ergibt sich die  Gesamtzahl der  im Reaktorkern  pro Zeiteinheit ablaufenden  Reaktionen . Wir wissen aber auch, dass die  pro einer Spaltungsreaktion freigesetzte Energiemenge  etwa  200 MeV / Spaltung beträgt. Nun ist es möglich, die Geschwindigkeit der Energiefreisetzung  (Leistung) aufgrund der Spaltreaktion zu bestimmen  . Es ist gegeben durch folgende Gleichung:

P = RR. E _r  . V = Ф. Σ _f  . E _r  . V = Ф. N _U235  . σ _f ²³⁵  . E _r  . V.

wo:

P – Reaktorleistung (MeV.s ^-1 )

Ф – Neutronenfluss (Neutronen.cm ^-2 .s ^-1 )

σ – mikroskopischer Querschnitt (cm ² )

N – Atomzahldichte (Atome.cm ^-3 )

Er – die durchschnittliche rückgewinnbare Energie pro Spaltung (MeV / Spaltung)

V – Gesamtvolumen des Kerns (m ³ )