Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.

Die Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Weiterentwicklung der aus der europäischen Patentschrift EP 0 932 905 B1 bekannten Messanord nung. Das heißt, der grundlegende Aufbau in Bezug auf eine Neutronenquelle und mindestens einen Neutronendetektor, die bevorzugt im Wesentlichen gegenüber liegend um ein Rohr befestigt werden, bleibt erhalten.

Das Messprinzip lässt sich wie folgt beschreiben: Durch das Rohr fließt ein Medi um, nämlich Wasser mit Borsäure, dessen Borgehalt (Isotop B-10) aufgrund der Absorption im Medium der von der Neutronenquelle ausgesendeten Neutronen mithilfe der Neutronendetektoren bestimmt werden kann.

Die Neutronenquelle, kurz Quelle, und die Neutronendetektoren, kurz Detektoren, sind eingebettet in einen Moderator. Gemäß dem Stand der Technik handelt es sich dabei um Polyethylen (PE). Der Moderator erfüllt zwei wesentliche Funktio nen:

• Moderation der von der Quelle ausgesendeten Neutronen, um damit eine stärkere Absorption im Medium und ein höheres Signal bei den Detektoren (sprich eine Verbesserung des Signal- zu Rausch-Verhältnisses bei der Bormessung) erreichen zu können.

• Der Moderator ist auch aus strahlenschutztechnischer Sicht bedeutend, da die moderierten Neutronen besser abgeschirmt werden können. Das bisherige Design ist allerdings nur für Mediumstemperaturen bis maximal 100 °C und Umgebungstemperaturen bis ca. 70 °C geeignet, da der eingesetzte Moderator PE eine Schmelztemperatur von ca. 130 °C hat und schon bei ca.

80 °C erweicht. Zudem kann man bei Kunstoffen wie PE störende Alterungseffekte nicht ausschließen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannte Messan ordnung derart weiter zu entwickeln, dass sie auch ohne aktive Kühlung bei hohen Mediumstemperaturen in der Rohrleitung von beispielsweise über 100 °C und/ oder bei hohen Umgebungstemperaturen langfristig zuverlässig funktioniert und eine möglichst präzise Bestimmung des Borgehalts ermöglicht. Des Weiteren soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.

In Bezug auf die Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das entspre chende Verfahren ist in Anspruch 14 definiert.

Die Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet einen tempera turbeständigen Moderator bzw. je nach Einsatzgebiet eine Kombination aus meh reren Moderatoren. Es ist auch der gänzliche Verzicht auf einen Moderator mög lich.

Als Moderator infrage kommen alle temperaturbeständigen Materialen, die gewis se Moderationseigenschaften für Neutronen aufweisen, sowie eine geringe Neut ronenabsorption, die mit zunehmender Temperatur nach Möglichkeit noch weiter abnimmt und damit andere temperaturabhängige Effekte ausgleicht.

Ein möglicher geeigneter Moderator ist Graphit. Eine graphit-moderierte Messan ordnung funktioniert auch bei deutlich höheren Mediumstemperaturen und /oder Umgebungstemperaturen. Da Graphit temperaturbeständig ist, ist ein Einsatz bis 300 °C (Mediumstemperatur und auch Umgebungstemperatur) und auch darüber hinaus generell möglich. Damit kann die Messanordnung in einem Kernkraftwerk direkt an die Leitungen aus dem Primärkreis angebracht werden und bleibt auch während und nach einem Störfall mit höherer Temperatur noch einsatzbereit.

Eine Kombination aus verschiedenen Moderatoren ist immer dann sinnvoll, wenn die Eigenschaften zweier verschiedener Moderatoren in vorteilhafter Weise kom biniert werden können. Beispielsweise kann man bei einem Einsatzort mit heißem Medium aber mäßiger Außentemperatur in einer inneren Schicht oder Schale ei nen temperaturbeständigen Moderator (z. B. Graphit) anbringen und in einer äu ßeren Schicht oder Schale einen weniger temperaturbeständigen Moderator (z. B. PE). Dies hat den Vorteil einer Gewichtsreduktion (weil die Dichte von Graphit et wa zweimal so groß ist wie die von PE) bei unveränderter Moderationswirkung und Abschirmung der Neutronen nach außen (strahlenschutztechnischer Aspekt).

Das äußere Material kann auch so gewählt werden, dass es neutronenreflektie rende Eigenschaften hat, um das Messsignal möglichst zu maximieren.

Man kann auch zum Beispiel die Halbschale, in der die Quelle sitzt mit einem an deren Moderator füllen, als die Halbschale, in der die Detektoren sitzen. Hier kann man den jeweilig besten Moderator auswählen, um das Signal- zu-Rausch- Verhältnis des Messsignals zu optimieren. Denn am Ort der Quelle geht es haupt sächlich darum, die von der Quelle emittierten schnellen Neutronen so abzubrem sen, dass sie möglichst effizient vom Bor im Medium absorbiert werden, während es am Ort des Detektors viel mehr darauf ankommt, die durch das Medium hin durchgelaufenen Neutronen vollständig zu detektieren und keine zu verlieren. Deswegen ist hier die Reflexion bzw. Rückstreuung der Neutronen zum Detektor hin entscheidender als die Moderation. Ausgehend von diesen Überlegungen kann man dann für die Seite der Neutronenquelle und die Seite der Detektoren unabhängig geeignete Moderatoren wählen.

Es sind auch weitere Kombinationen von Moderatoren möglich, wie etwa die Kombination von drei oder mehr Moderatoren (z. B. ein Neutronenreflektor als zu sätzliche äußere Schicht). Hierbei sind jeweils die spezifische Anwendung bzw. die gegebenen Einschränkungen (Gewicht, Strahlenschutz, Mediumstemperatur, Außentemperatur) zu berücksichtigen.

Ein gänzlicher Verzicht auf einen Moderator hat den Vorteil eines sehr robusten Aufbaus. Zudem hat man eine deutliche Kosten red uktion und Gewichtseinspa rung. Damit ist ein Design ohne Moderator überall dort einsetzbar, wo bestimmte Leitungen nur ein beschränktes Gewicht zusätzlich aushalten können, bzw. wo die seismischen Anforderungen besonders groß sind. Zusätzlich ist auch ein Einsatz unter höheren Temperaturen (Mediumstemperatur und Außentemperatur) mög lich.

Allerdings hat man am Einsatzort einer Messanordnung ohne Moderator eine hö here Strahlenbelastung, weil die abschirmende Wirkung des Moderators wegfällt. Zudem sollten die Anforderungen an die Genauigkeit und Responsezeit nicht zu hoch sein, da man aufgrund des geringeren absoluten Messsignals eine längere Messzeit (und/oder eine reduzierte Genauigkeit) in Kauf nehmen muss.

Eine Temperaturerhöhung im Medium führt zu einer Ausdehnung des Wassers im Medium, wodurch das Bor verdünnt wird. Für die Messanordnung heißt das eine Erhöhung der gemessenen Zählrate, weil weniger Neutronen durch die tempera turbedingte Verdünnung absorbiert werden. Diese temperaturabhängigen Auswir kungen auf die Zählrate werden erfindungsgemäß mit einer Temperaturkorrektur kompensiert.

Zudem gibt es thermische Effekte im Moderatormaterial und auch im Detektor, was gerade bei wechselnden Umgebungstemperaturen einen Einfluss auf die Messung hat. Auch diesbezüglich ist vorteilhafterweise eine Korrektur vorgesehen.

Ein besonders einfacher Algorithmus zur Temperaturkorrektur korrigiert thermi sche Effekte mit einem einzelnen Faktor. Dies setzt voraus, dass die Temperatur effekte unabhängig von der Borkonzentration sind. Dies ist nur näherungsweise der Fall. Deshalb ist eine solche Korrektur bei einem Einsatz über einen großen Temperaturbereich (z. B. 0 °C bis 300 °C) nicht mehr adäquat. Zudem muss man bei wechselnden Umgebungstemperaturen auch stärker thermische Effekte im Moderatormaterial berücksichtigen und korrigieren, um zu einem genauen Mess ergebnis zu kommen. Dies ist bei der genannten einfachen Temperaturkorrektur auch noch nicht berücksichtigt.

Neuere Informationen zeigen, dass gerade die Umgebungstemperatur bisher zu wenig berücksichtigt worden ist, was zu ungenauen Ergebnissen bei der Borbe stimmung führt.

Stattdessen wird erfindungsgemäß eine Temperaturkorrektur vorgeschlagen, die mehrere Einflussparameter auf die Zählrate N berücksichtigt, wie z. B. die jeweili ge Borkonzentration c, die Mediumstemperatur Ti und die Umgebungstempera tur T _A . Das Auswertungsverfahren arbeitet also bevorzugt mit einer Zählrate N(c, T i, T _A ), die funktionell von den genannten Einflussparametern abhängt.

Gegebenenfalls sollte auch ein Temperaturgradient innerhalb des Moderators kor rigiert werden. Dies kann man entweder über die Implementation einer geeigneten mehrdimensionalen Funktion in der Auswertungssoftware lösen, oder indem man die Kennlinie N(c) für verschiedene Temperaturen (Mediumstemperatur Ti und Außentemperaturen T _A ) misst und dazwischen interpoliert. Dazu werden bevor zugt die Messdaten von mindestens zwei Temperatursensoren, nämlich zum ei nen im Medium und zum anderen im bzw. außen am Moderator, verwendet.

Bei schnellen Temperaturänderungen reagieren die Temperatursensoren schnel ler, als sich die Moderatortemperatur einstellt, so dass hieraus schon die Korrektur abgeleitet werden kann, bevor sich ein entsprechender Gradient im Moderator einstellt. Mit einem solchen Verfahren kann man permanent und vorausschauend die benötigte Temperaturkorrektur bestimmen und den Messwert entsprechend korrigieren. Das heißt, die benötigte Temperaturkorrektur für die Temperatur am Ort des Detektors, die insbesondere für Messungen in einem großen Temperatur bereich merklich ins Gewicht fallen kann, wird ständig neu berechnet anhand der Eingangssignale der Temperatursensoren. Sie liefert Voraussagen für die nach einer gewissen Zeit (in der sich ein bestimmter Gradient im Moderator eingestellt hat) benötigte Korrektur. Diese Methode ist auch anwendbar bei der Verwendung von unterschiedlichen Moderatorschichten.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen und zum Teil stark vereinfachten Zeichnungen näher erläutert:

FIG. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Messanordnung aus dem Stand der Technik (SdT) zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.

FIG. 2 zeigt einen zu FIG. 1 gehörigen Querschnitt.

FIG. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Messanordnung gemäß einer Variante der Erfindung zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.

FIG. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Messanordnung gemäß einer weiteren Variante der Erfindung zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.

FIG. 5 zeigt einen zu FIG. 4 gehörigen Querschnitt.

FIG. 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Messanordnung gemäß einer weiteren Variante der Erfindung zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium.

FIG. 7 zeigt eine vereinfachte Ansicht einer Messanordnung gemäß einer der vor herigen Figuren, wobei zusätzliche Temperatursensoren schematisch angedeutet sind.

FIG. 8 zeigt für eine Messanordnung gemäß einer der vorherigen Figuren den Verlauf der Temperatur am Ort des Detektors als Funktion der Zeit, wenn sich der den Detektor umgebende Moderator aufheizt (d. h. die Temperatur im Medium steigt). FIG. 9 zeigt den Verlauf Temperatur am Ort des Detektors als Funktion der Zeit, wenn sich der Moderator abkühlt (d. h. die Temperatur im Medium sinkt auf die Außentemperatur).

FIG. 10 zeigt ein Beispiel einer Kennlinie für einen Detektor in einer der hier be schriebenen Messanordnungen. Die relativen Zählraten sind normiert auf die Zähl rate von deionisiertem Wasser (0 ppm Bor). Eine Änderung der Zählrate überträgt sich auf eine Änderung in der Borkonzentration. Die Konzentrationsangaben sind hier für natürliches Bor gegeben.

Gleiche oder gleichwirkende technische Elemente sind in allen Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen.

FIG. 1 und FIG. 2 sind aus der europäischen Patentschrift EP 0 932 905 B1 ent nommen und zeigen einen Längsschnitt und einen Querschnitt durch eine Mess anordnung gemäß dem Stand der Technik zur Bestimmung des Borgehalts in ei ner Flüssigkeit. Bezüglich der Einzelheiten wird auf die genannte Patentschrift verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hiermit zum Bestandteil der vorliegenden Beschreibung erklärt wird (Einbeziehung durch Verweis).

Zusammengefasst beschreibt die die Patentschrift EP 0 932 905 B1 eine Mess anordnung 2 zur Bestimmung des Borgehalts in einem Medium, hier einem Reak torkühlmittel, welches im Kühlkreislauf eines Kernreaktors in einem Kernkraftwerk zirkuliert. Der Kühlkreislauf umfasst einen Abschnitt, in dem das Reaktorkühlmittel während des Betriebs des Kernreaktors in flüssiger Form durch eine Rohrleitung 1 strömt. Die auch als Messleitung bezeichnete Rohrleitung 1 ist hier im Beispiel senkrecht ausgerichtet. Die Messanordnung 2 umfasst eine Neutronenquelle 16, die auf einer Seite der Rohrleitung 1 in einem gewissen Abstand zu ihr angeordnet ist, sowie einen Neutronendetektor 18 in Gestalt zumindest eines Zählrohrs, das im Wesentlichen der Neutronenquelle 16 gegenüberliegend auf der anderen Seite der Rohrleitung 1 in einem gewissen Abstand zur ihr auf ungefähr gleicher Höhe wie die Neutronenquelle 16 angeordnet ist. Die von der Neutronenquelle 1 6 emittierten Neutronen treten (jedenfalls zum gro ßen Teil) durch die Rohrleitung 1 und durch das darin strömende Reaktorkühlmit tel hindurch und werden, sofern sie auf ihrem Weg nicht absorbiert oder in nach außen gestreut werden, auf der gegenüberliegenden Seite durch den Neutronen detektor 18 erfasst. Die am Neutronendetektor 18 gemessene Zählrate korreliert mit dem Grad der Neutronenabsorption im Reaktorkühlmittel, welcher wiederrum vom Borgehalt bzw. Borsäuregehalt im Reaktorkühlmittel abhängig ist. Auf diese Weise kann in einer zugehörigen Auswertungseinheit bei bekannter Intensität der Neutronenquelle 1 6 aus der gemessenen Zählrate der Borgehalt bzw. die Borkon zentration im Reaktorkühlmittel bestimmt werden.

Die Neutronenquelle 1 6 ist von einer Halbschale 4 umschlossen, die aus einem Neutronenmoderator oder kurz Moderator besteht. Zur Aufnahme der Rohrleitung 1 im Zentrum und der Neutronenquelle 1 6 etwas weiter außen ist die Halbschale 4 mit einem entsprechenden Ausschnitt versehen. Der Neutronendetektor 18 ist in entsprechender Weise von einer Halbschale 6 umschlossen, die ebenfalls aus einem Neutronenmoderator oder kurz Moderator besteht. Beide Halbschalen 4, 6 zusammen bilden in der Einbaulage eine komplette Schale, hier im Beispiel mit einer im Querschnitt achteckigen Außenkontur, die im Allgemeinen natürlich auch anders geformt sein kann. Gemäß EP 0 932 905 B1 besteht der Neutronenmode rator beider Schalen aus Polyethylen (PE). Der Zweck des Neutronenmoderators liegt in erster Linie in der Thermalisierung der von der Neutronenquelle 1 6 emittier ten Neutronen zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses am Neutro nendetektor 18. Darüber hinaus bewirkt er eine strahlenschutztechnische Ab schirmung der Messanordnung 2 zur äußeren Umgebung. Zur Verbesserung der Abschirmung ist optional eine zusätzliche Umhüllung 12 der beiden Halbschalen 4, 6 aus neutronenabsorbierendem Material, hier Cadmium, vorhanden.

Weiterhin ist in einer bevorzugten Variante ein im Querschnitt ringförmiger, im Be trieb von einem Kühlmittel durchströmter Kühlkanal 20 zwischen der Rohrleitung 1 und den beiden Halbschalen 4, 6 vorhanden. Bevorzugt kommt als Kühlmittel Kühlluft zum Einsatz, die mit Hilfe eines Gebläses oder Ventilators 24 in den Kühl kanal 20 eingeblasen wird. Schließlich befindet sich vorteilhafterweise zwischen dem Kühlkanal 20 und den umliegenden Halbschalen 4, 6 eine im Querschnitt ringförmige thermische Isolationsschicht 28, vorzugsweise aus einem einge schlossenen statischen Luftpolster.

Das gemäß EP 0 932 905 B1 als Moderator verwendete Material Polyethylen ist nur für Umgebungstemperaturen bis ca. 70 °C geeignet, weil es bei ca. 80 °C schon erweicht. Die entspricht einer Mediumstemperatur in der Rohrleitung 1 von rund 100 °C. Durch die oben beschriebenen Maßnahmen zur Kühlung wird zwar die durch das Medium bewirkte Wärmelast auf die beiden Halbschalen 4, 6 ver mindert, ist aber bei höheren Mediumstemperaturen immer noch beträchtlich. Au ßerdem besteht die Gefahr, dass die aktive Kühlung mittels Gebläse ausfällt. Zu dem kann in einem Szenario mit hohen Umgebungstemperaturen (Außentempera turen) auch eine unzulässig hohe Aufheizung von außen erfolgen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden daher verschiedene Abwandlungen der bekannten Messanordnung 2 vorgeschlagen, die auch ohne aktive Kühlung bei Mediums temperaturen in der Rohrleitung 1 über 100 °C und/oder bei hohen Umgebungs temperaturen langfristig zuverlässig funktionieren.

In einer ersten Hauptvariante der erfindungsgemäßen Messvorrichtung bzw.

Messanordnung 2 wird gemäß FIG. 3 auf den Moderator komplett verzichtet. Das heißt, ähnlich wie im Stand der Technik ist auf der einen Seite der das zu untersu chende Medium führenden Rohrleitung 1 eine Neutronenquelle 1 6 und im Wesent lichen diametral gegenüberliegend auf der andere Seite ein Neutronendetektor 18, umfassend ein oder mehrere Zählrohre, angeordnet. Die aus FIG. 1 und 2 be kannten Halbschalen 4, 6 sind aber nicht vorhanden. Zwischen den genannten Komponenten befindet sich lediglich Luft. Dadurch erreicht man bei hoher Tempe raturbeständigkeit eine deutliche Kostenreduktion und Gewichtseinsparung, muss allerdings eine höhere Strahlenbelastung in der Umgebung hinnehmen, da die abschirmende Wirkung des Moderators wegfällt. Außerdem entfällt der positive Einfluss des Moderators auf das Signal-Rausch-Verhältnis am Neutronendetektor 18. In einer zweiten Hauptvariante gemäß FIG. 4 und 5 ist der grundsätzliche Aufbau der Messanordnung 2 ähnlich wie im Stand der Technik gemäß FIG. 1 und 2. Auf der einen Seite der das Medium führenden Rohrleitung 1 ist eine Neutronenquelle 16 angeordnet, und im Wesentlichen diametral gegenüberliegend auf der anderen Seite ist ein Neutronendetektor 18, umfassend ein oder mehrere Zählrohre, ange ordnet. Die Neutronenquelle 16 ist von einer Halbschale 4 umschlossen, die aus einem Neutronenmoderator oder kurz Moderator besteht. Zur Aufnahme der Rohr leitung 1 im Zentrum und der Neutronenquelle 16 etwas weiter außen ist die Halb schale 4 mit einem entsprechenden Ausschnitt versehen. Der Neutronendetektor 18 ist in entsprechender Weise von einer Halbschale 6 umschlossen, die ebenfalls aus einem Neutronenmoderator besteht. Beide Halbschalen 4, 6 zusammen bil den in der Einbaulage eine komplette Schale 30, hier im Beispiel mit einer im Querschnitt kreisförmigen Außenkontur, die im Allgemeinen natürlich auch anders geformt sein kann.

Im Unterschied zum Stand der Technik, bei dem für beide Halbschalen 4, 6 Po lyethylen (PE) als Moderator verwendet wird, wird hier zumindest für eine der bei den Halbschalen 4, 6, vorzugsweise für beide Halbschalen 4, 6 ein besonders temperaturbeständiger Moderator aus der Gruppe der Materialien umfassend Graphit und Polyetheretherketon (abgekürzt PEEK) und Polyimid (PI) verwendet. Es kann sich auch um eine Mischung aus diesen Materialien handeln. Diese Mate rialien sind für einen Einsatz bei Temperaturen bis 300 °C oder mehr geeignet. Auf eine aktive Kühlung mittels eingeblasener Kühlluft oder dergleichen kann in die sem Fall verzichtet werden. Der aus EP 0 932 905 B1 bekannte Kühlkanal 20 zwi schen der Rohrleitung 1 und den umliegenden Halbschalen 4, 6 kann daher entfal len. Es werden keine beweglichen Teile benötigt.

In einer möglichen Ausgestaltung wird für beide Halbschalen 4, 6 derselbe tempe raturbeständige Moderator, also beispielsweise entweder Graphit oder PEEK oder PI, verwendet. In einer alternativen Ausgestaltung können die beiden Halbschalen 4, 6 aus unterschiedlichen temperaturbeständigen Materialien bestehen, was eine zielgerichtete Anpassung an unterschiedliche physikalische Anforderungen auf der Seite der Neutronenquelle 1 6 einerseits und auf der Seite des Neutronendetektors 18 andererseits ermöglicht.

Die dritte Hauptvariante gemäß FIG. 6 baut auf der zweiten Hauptvariante gemäß FIG. 4 und 5 auf. Zusätzlich zu der aus den beiden Halbschalen 4, 6 gebildeten inneren Schale 30, für die die obige Beschreibung gilt, ist hier eine aus zwei Halb schalen 34, 36 gebildete äußere Schale 40 vorhanden, die vorzugsweise an der inneren Schale 30 anliegt und diese umschließt. Im Schnitt betrachtet bilden die innere Schale 30 und die äußere Schale 40 bevorzugt ein System aus zwei kon zentrischen Ringen. Sofern keine besonders hohen Außentemperaturen anliegen, kann die äußere Schale 40 aus einem weniger hitzebeständigen Moderator beste hen als die innere Schale 30. Falls die Außentemperaturen höher sind als die Me diumstemperaturen in der Rohrleitung 1 , kann es aber auch umgekehrt sein. Au ßerdem kann der Moderator der äußeren Schale 40 für eine Reflexion von Neut ronen optimiert sein, also als Neutronen-Reflektor wirksam sein. Denkbar ist auch hier wieder - wie bei der inneren Schale 30 - die Verwendung unterschiedlicher Materialien für die beiden äußeren Halbschalen 34, 36. In diesem Fall liegen die Stoßflächen 44 zwischen den beiden äußeren Halbschalen 34, 36 bevorzugt in einer Ebene mit den Stoßflächen 42 zwischen den inneren Halbschalen 4, 6.

Wenn die beiden äußeren Halbschalen 34, 36 allerdings aus dem gleichen Mate rial bestehen, die äußere Schale mithin vom Material her uniform ausgebildet ist, dann können die Stoßflächen 42, 44 im Prinzip beliebig zueinander liegen.

Beispielsweise kann die aus den beiden Halbschalen 4, 6 gebildete innere Schale 30 komplett aus Graphit oder PEEK oder PI bestehen. Wie bereits oben erwähnt, können alternativ die beiden inneren Halbschalen 4, 6 aus verschiedenen Materia lien bestehen, etwa die eine aus Graphit und die andere aus PEEK. Die aus den beiden Halbschalen 34, 36 gebildete äußere Schale 40 hingegen kann beispiels weise komplett aus PE bestehen, mit dem Vorteil einer Gewichtsreduktion der Ge samtanordnung.

Im Allgemeinen ist es zwar vorteilhaft, jedoch muss die Neutronenquelle 16 nicht unbedingt gegenüberliegend zum Neutronendetektor 18 angeordnet sein. Beide können auch mehr oder weniger nebeneinander, quasi auf einer Seite bezüglich der Rohrleitung 1 angeordnet sein. Das gilt für alle hier beschriebenen Varianten der Erfindung. Gegebenenfalls vorhandene Moderatoren bilden dann entspre chende Schalensegmente. Zur Vereinfachung der Beschreibung deckt der hier verwendete Begriff„Halbschale“ auch solche Konfigurationen ab.

Bei vergleichsweise hohen Mediumstemperaturen in der Rohrleitung 1 über 100 °C, aber auch bei hohen Umgebungstemperaturen, sind bei allen beschriebe nen Varianten die im Folgenden beschriebenen Temperaturkorrekturen aufgrund von thermischen Moderatoreffekten und Detektoreffekten und aufgrund von ther misch bedingten Dichteänderungen im Medium besonders vorteilhaft zur Erzielung verlässlicher Messwerte.

FIG. 7 illustriert die in diesem Zusammenhang zweckmäßigerweise verwendeten Eingangsgrößen, nämlich zum einen die (intrinsische) Temperatur Ti des im Be reich der Messanordnung 2 durch die Rohrleitung 1 strömenden Mediums, die im Falle eines gut wärmeleitenden Rohrwandmaterials ungefähr mit der Temperatur an der Außenseite der Rohrwand bzw. an der Innenseite der die Rohrleitung 1 umgebende Schale 30 gleichzusetzen ist. Der zur Messung der Temperatur Ti be nötigte Temperatursensor 50 kann abweichend von der Darstellung in FIG. 7 in einiger Entfernung von der Messanordnung 2 weiter stromabwärts oder stromauf wärts angeordnet sein, sofern sich die Temperatur T _| über die entsprechende Strecke hinweg nicht wesentlich ändert. Zum anderen wird die an der Außenseite der Schale 30 (oder der äußeren Schale 40 bei zweischaligem Aufbau) anliegende Umgebungs- oder Außentemperatur T _A durch einen weiteren Temperatursensor 60 gemessen, der abweichend von der Darstellung in FIG. 7 auch weiter entfernt von der Messanordnung 2 angeordnet sein, sofern sich die Temperatur T _A über die entsprechende Strecke hinweg nicht wesentlich ändert. Wie weiter unten be schrieben, kann daraus mit ein paar zweckmäßigen, vereinfachenden Annahmen die Temperatur T _D am Ort des Neutronendetektors 18 oder kurz Detektors inner halb der Schale 30 ermittelt werden, sowie an jedem anderen beliebigen Punkt innerhalb des Moderators. Man kann auch direkt die Temperatur T _D am Detektor messen. Ein außen am Mo derator angebrachter Detektor ist jedoch leichter zu montieren und auch nachzu rüsten. Zudem kommt es auf die Temperaturverteilung im gesamten Moderator an (auch in den äußeren Schichten), um thermische Effekte im Moderatormaterial entsprechend korrigieren zu können. Vorteilhafterweise werden daher mindestens zwei Temperatursensoren eingesetzt, einer davon möglichst innen und der andere möglichst weit außen.

Die nachfolgend beschriebenen Auswertungen erfolgen bevorzugt in einer elekt ronischen Auswertungseinheit 80, in der die Auswertungs- und Korrekturalgorith men hard- und/oder softwaremäßig implementiert sind. Insbesondere sind dort auch die für die Auswertung und Korrektur erforderlichen Kennlinien in digitaler Form hinterlegt, welche zuvor im Rahmen von Kalibrier- oder Normierungsmes sungen ermittelt wurden. Eingangsseitig werden der Auswertungseinheit 80 die erforderlichen Messwerte, insbesondere die gemessene Zählrate N und die Tem peraturen Ti und T _A zugeführt, und ausgegeben wird dann die aktuelle Borkon zentration c.

1. Temperaturkorrektur aufgrund von thermischen Moderator- und Detektoreffekten:

Die Temperatur T _D am Ort des Detektors hängt von den gemessenen Temperatu ren von mindestens zwei Temperatursensoren ab - hier zur Vereinfachung zum einen Ti: Temperatur im Medium durch intrinsischen Sensor gemessen, und zum anderen T _A : Außentemperatur an der äußeren Oberfläche des Moderators ge messen. Zusätzlich muss der zeitliche Verlauf berechnet werden, um Vorhersagen für eine Korrektur zu treffen:

T _D ( =/(?; - r _A ,i)

Falls sich das Medium im Rohr aufheizt, d. h. T _I {t) > T _I {t ₀ ) mit t > t ₀ ( t ₀ : Anfangs zeitpunkt, t : aktuelle Zeit, t _l : Zeitkonstante zur Normierung) und T _D (t ₀ ) =T _A ), gilt:

Hierbei bezeichnet a< l eine material- und geometriespezifische Konstante (bzgl. der Wärmeleitfähigkeit des Materials).

Der entsprechende Verlauf der Temperatur T _D am Ort des Detektors als Funktion der Zeit t bei einem Aufheizvorgang ist exemplarisch in FIG.8 dargestellt.

Falls sich das Medium im Rohr abkühlt, d. h. 7)(i)<7;(i ₀ ) mit t>t ₀ (t _0\ Anfangs zeitpunkt, r. aktuelle Zeit, t _x : Zeitkonstante zur Normierung) und mit T _D (t ₀ ) -T _A +a-(T _j - T _A ), gilt entsprechend:

T _D (t) = T _A +a-(T _j -r _A )-exp(-(i-i ₀ )/i _j )

Der entsprechende Verlauf der Temperatur T _D am Ort des Detektors als Funktion der Zeit t bei einem Abkühlvorgang ist exemplarisch in FIG.9 dargestellt.

Die Temperatur des Detektors T _D ist hier beispielshaft gewählt. Genauso könnte man die Temperatur an jedem Punkt innerhalb des Moderators als Funktion der Zeit bestimmen und Vorhersagen über die benötigte Korrektur treffen.

Statt durch eine Exponentialfunktion kann das Aufheizen bzw. Abkühlen auch durch ein Polynom beschrieben werden.

Die Zählrate wird dann entsprechend des Temperatureffekts (im Moderatormateri al selbst oder im Detektor) korrigiert:

N _korr (t)=f(T _A -T _D ) , wobei die Zeitabhängigkeit in der Temperatur am Ort des Detektors steckt:

T _D =T _D {t) Allgemein kann eine solche Korrektur als Polynom angesetzt werden: mit material- bzw. geometriespezifischen Konstanten ß _{ .

In erster Näherung kann die Korrektur linear angesetzt werden:

Wenn man die obige Formel für das Aufheizen einsetzt, erhält man:

N _korr ( t ) = N _mess - {l - ß - a - iT _{j -} T _A )- (l - exp (-(/ - /„)/ /, ))

Und für das Abkühlen:

Die Konstanten können zusammengefasst werden, und man hat dann eine Ab hängigkeit nur noch von N _korr (t) =N _mess f(T _{r -} T _A ,t) für die Temperaturkorrektur be züglich thermischer Moderatoreffekte und Detektoreffekte.

2. Temperaturkorrektur aufgrund thermisch bedingter Dichteänderungen im Medium:

Des Weiteren wird eine zusätzliche Temperaturkorrektur benötigt, die thermisch bedingte Dichteänderungen im Medium berücksichtigt. Dazu führt man zusätzlich eine Korrekturfunktion g(7),c) ein, die von der Innentemperatur (Mediumstempera- tur) t, und der Konzentration c abhängt. Das heißt, man erhält insgesamt folgen de Korrektur:

N _korr = N _mess f(T _j ^~ T _A , t) g(T _j , C)

Allgemein kann die Funktion g(T _r ,c) auch über ein Polynom dargestellt werden:

Die Faktoren a _t (c) werden konzentrationsabhängig angesetzt. In erster Näherung könnte man die Faktoren a _t {c) linear in der Konzentration ansetzen: ai (c) = a _i0 + a _a - c

Die zugehörigen Konstanten a _i0 und a _n müssten dann experimentell bestimmt werden.

Mithilfe der korrigierten Zählrate N _korr kann dann über die exemplarisch in FIG. 10 dargestellte Kennlinie die Borkonzentration bestimmt werden. Dank der oben be schriebenen Korrekturen funktioniert die Bestimmung der Borkonzentration auch hinreichend genau bei höheren Temperaturen (im Medium und im Moderator).

Die Borkonzentration bezieht sich hier im Beispiel immer auf die Massenkonzent ration (nicht die Volumenkonzentration). Bezugszeichenliste

1 Rohrleitung

2 Messanordnung

4 Halbschale

6 Halbschale

12 Umhüllung

16 Neutronenquelle

18 Neutronendetektor 20 Kühlkanal

24 Ventilator

28 Isolationsschicht

30 Schale

34 Halbschale

36 Halbschale

40 Schale

42 Stoßfläche

44 Stoßfläche

50 Temperatursensor 60 Temperatursensor 80 Auswertungsvorrichtung