识别破损的反应堆元件的固体同位素标记的制作方法

专利名称:识别破损的反应堆元件的固体同位素标记的制作方法
本发明涉及在核反应堆元件中加入“标记”材料的方法，以便在某些元件破损时能够容易识别它们。本发明特别涉及使用固体材料的方法，该材料在受到照射时能产生稳定的标记气体。
核反应堆元件，特别是核燃料元件，时常采用把气体同位素密封在元件装配体内的结构，一旦元件发生破损，这些气体就释放出来，选定的气体同位素应是容易探测和识别的，从而发出破损信号，并且能具体地识别发生破损的元件。
核反应堆的燃料元件，如燃料芯棒和燃料细棒，以燃料组件或集束的形式，成组地放入核反应堆中，每一个燃料组件含有100到400个燃料元件，具体数目取决于反应堆的大小。一个燃料组件可以用一种特定的同位素或已知比例的同位素混合物来标记。探测到一种同位素或一种特定的同位素混合物，就表明一个或几个燃料元件发生了破损，并且能具体识别发生破损的组件。
燃料元件可以有两种结构形式。一种是透气式的，元件中的气体裂变产物进入反应堆的液体冷却剂里，聚集在反应堆复盖气体中，另一种是封闭式的，元件中的气体裂变产物聚集在密封的燃料元件所备有的气室中。标记物仅能适用于封闭式元件。
在Crouthamel等刊物上发表的美国书(№3，663363)中，披露了质量数小于131的各种Xe同位素混合而成的气体标记物。把装在小钢瓶中的标记物与燃料芯块一起放进封闭式的燃料元件中，再加入He作为热交换介质，然后将燃料元件密封。由每个小钢瓶都具备有的装置将小钢瓶刺破，就把标记气体释放到密封的元件中。当一个元件发生破损时，就可以在反应堆复盖气体中探测到xe的气体同位素混合物，由同位素的特定比例，可以确定破损的位置。选择质量数为124到130的xe同位素作为标记物，是因为它们具有更好的标记特性这种气体在裂变中的产额不会达到有影响的程度;对中子通量没有不利的影响，不受辐射的影响;能与裂变时产生的气体一起进入复盖气体中，并且容易用质谱仪识别。制备同位素气体小钢瓶的工艺是精密而且昂贵的，其中包括要按予定的比例混合气体，把小钢瓶放在封闭的容器内，将容器抽空，使标记气体混合物充入抽空的容器内，同时，它也就充入小钢瓶内，然后用激光把小钢瓶焊接密封。
除了124Xe到180Xe同位素，实际上也用Kr同位素作标记气体。但是，利用气体同位素作标记物是昂贵的，由于必须使用的独特比例越来越多，从而引起同位素富集的问题。在把同位素混合气体充入燃料元件和反应堆其它元件时，还有一个维持标记气体纯度的问题。
本发明的目的就是提供一种标记燃料元件和反应堆其它元件的标记方法和标记材料，它可以避免在使用装配装置时遇到的机械困难和高费用，因为这种装有气体同位素的装置同时也要维持标记气体的纯度。
本发明的另外的目的是提供某些标记材料，它们容易处理，能够单独地或与气体标记物结合起来使用，它们不产生裂变产物，能得到比例与自然界中的相对丰度不同的稳定最终产物。
因此，本发明的目的是使用一种同体标记材料，把它放在核反应堆元件中就可以识别该元件，其特点在于，该材料受到核反应堆的辐射时，至少产生一种可探测，可识别和可测量的标记气体，这种气体是稳定的，它不是裂变的产物，并且其比例是予先确定的，与自然界中存在的丰度不同，凭此，该元件一旦发生破损，就可以在反应堆复盖气体中探测到标记气体，并且根据标记气体的成份，就可以识别发生破损的元件。
本发明也包括标记核反应堆元件的方法，其特点在于把上面一段中述及的固体材料封装到这些元件中。
所以，该发明涉及到在反应堆元件中使用固体标记材料，该材料一旦受到反应堆的中子流照射，就产生可探测的气体。根据探测和测量到的气体的成份和比例，单一成份的标记材料和混合标记材料都能用来具体地识别发生破损的元件。
在反应堆元件封装之前，可以把固体标记材料放进这些元件中，当某个特定元件出现泄漏或破损时，就可以发出信号。通过使用不同的固体标记材料和不同材料的混合物，特殊的反应堆元件，例如特定的管组件，都可以因为它成为泄漏和破损的源而加以识别。
某些元素，例如周期表中第七主族的卤素元素，当它们受到中子流照射时，都可以产生放射性同位素，这些同位素经过β衰变后变成惰性气体。
利用卤素固体标记材料的优先实施例是A79Br(n，g)80Brβ→80KrB81Br(n，g)82Brβ→82KrC127I(n，g)128Iβ→128XeD37CI(n，g)38Clβ→38ArE19F(n，g)20Fβ→20Ne虽然任何可以产生可探测气体的固体材料都可以被使用，但本发明的最佳实施例仅限于选用反应堆运行期间不会达到有影响程度的产额的那些气体。否则，在燃料元件破裂以后，能产生裂变产物的材料不易与复盖气体中的本底材料相区别。例如，在Na冷却反应堆中，使用F也许是没有用处的，因为Na也能被转变为Ne。类似地，也不能在它们也是反应堆裂变产物的场合下使用127I和81Br。
本发明的另一个实施例是，只要对复盖气体中裂变产物的本底水平进行连续地或周期性地监视记录，标记物就可以用于类似于自然界中存在本底成份的情形。在这个实施例中，明显偏离最近的测量或予期的本底水平，都表明某一个元件发生了破损和泄漏，根据对已知本底水平的偏离来指出问题的方法，对于下面的情况是特别有用的。这时，从标记反应堆元件较早出现的破损或其它要考虑的来源，气体同位素已经有了一些积累。
气体标记物按如下方程从固体材料中产生。
标记气体的原子数＝φσ·N其中，φ＝中子通量(中子数/cm2Sec)σ＝中子截面(cm2/原子)N＝靶材料的原子数例如，在Br变为Kr的反应中，忽略Br的消耗，在典型的液态金属快增殖反应堆的环境下，十天中，1克Br将产生略多于1/3CC的Kr标记气体。(标准状态下-STP)N＝0.008×1024Br原子/克φ＝1015中子/cm2·Sec(典型的快中子反应堆)σ＝10-24cm2/原子(典型的快中子反应堆)每天大约产生1018个标记气体原子，在标准状态下，ICCKr有2.67×1019个原子。因此，在比例中，十天内从1克Br可以产生约0.37CC的Kr(STP)。
虽然上面的例子是根据快中子堆的特点得出的，但在典型的热中子堆中，同位素标记气体的产率应该在同样的数量级上，热堆中的中子通量虽然可能小10到50倍，它的反应截面却大到同样的倍数，因此，现发明也可以很好地用于热中子反应堆。
从上面的方程显然可以看出，可探测气体同位素的产生与时间成线性关系。例如，开始时的1克Br，在第一天以及此后每天都将产生约0.037CC的Br标记气体(STP)使用1克标记材料，在不到一天时间就将能探测出反应堆元件的泄漏。当然，使用略多一些的标记材料就能保证实现早期探测。
检测复盖气体来发现标记气体的优先选择的方法是使用质谱仪。按常规，可以采用使样品连续地通过一个探测裂变产物(即放射性)的装置来监视复盖气体。当探测到裂变产物时，就用质谱仪分析样品，以便识别同位素和确定同位素的比例。质谱仪通过测量在电场和磁场中粒子偏转的差别来识别质量不同而电荷数相同的离子。1克固体标记物在10天内产生的那样数量的气体是很容易探测到的。
利用低温技术和在活性炭过滤器中富集标记气体的方法，可以增强对较低浓度气体的探测，将质谱仪与这些方法一起使用，甚至能探测、识别以及精确地测量低至10-11量级的很少量的标记气体;这样，就能早期探测出泄漏或元件破损，并且识别问题的来源。在典型的反应堆中，1克固体标记材料，几小时内就可以在复盖气体中产生足够的能被探测到的同位素标记气体。
除了在本底下的可探测性和可测量性外，还要求标记材料具有以下的一些特点对中子通量没有不利的影响;继续受照射时不会由可识别的产物进一步变化;并且不会明显地溶解于反应堆的冷却剂中。
如果需要的话，本发明的固体标记材料可以与在先前的技术中使用的气体标记物结合起来使用，以便得到极多的各种的同位素比例，而且，在把燃料组件或标记过的反应堆其它元件放进反应堆里时如果出现了破损，应能通过即时地探测到标记气体而发出信号。使用单一的固体标记材料，则需要一段有限的时间才能产生能被探测到的足够数量的气体同位素。
固体标记材料可以采用所需的盐类。例如卤素的Na盐、K盐、Ca盐、Fe盐或Ni盐等都可以作为便宜的，容易处理的固体同位素标记物使用。盐能以小球、粉末或颗粒形式放入在燃料棒的环境中极不活泼的容器中。
选定的盐类标记物必须由予定比例的特定同位素组成。例如，由已知比例的79Br-和81Br-组成的盐，可以用来产生由已知比例的80Kr和82Kr组成的标记气体。即使元素在盐中是以离子出现的，在电子流中，它也将蜕变为惰性气体。
类似地由特定比例的35Cl和37Cl组成的盐，将以唯一的比例产生36Ar和38Ar，这个比例与在天然Ar中发现的这些同位素的比例完全不同。不同元素的混合物也可以用来制作独特的标记物。同位素比例相同的氯化物，可以利用加或不加碘盐的方法，使所用的不同标记物的种类增加一倍。
任何阳离子都可以用于作标记使用的固体盐中，因为产生同位素气体与它无关。通常可以采用Na盐、K盐或Ca盐。在某些应用中也可以优先选择某些金属的离子盐或类似的盐类，这些金属在以元素形式出现时是极不活泼的。
本发明提供了一种用使用便宜和处理容易的固体盐类来标记反应堆元件的方法。可以相信，使用这些盐类，标记反应堆元件的费用将减少100倍，而且由于同位素的盐是稳定的，因此能够大规模地生产固体标记物，并将它存贮在一个中心装置中，当需要时再运送到反应堆现场。另外，因为少量的固体盐能够迅速产生数量上满足测量需要的同位素气体，当要求得到多种不同的气体同位素比例时，在反应堆现场就能把不同的盐进行混合。
权利要求
1.一种放在反应堆元件内部，用以识别该元件的固体标记材料，其特点在于，在该反应堆的辐射之下，该材料至少产生一种可探测，可识别和可测量的标记气体，这种气体是稳定的，不是裂变的产物，并且以和自然丰度不同的预定的比例出现，凭比，该元件一旦发生破损，就能从反应堆复盖气体中探测到标记气体，并且可以按照标记气体的成份识别发生破损的元件。
2.按照权利要求
1，所述的一种固体标记材料，其特点在于该材料至少由一种含有Br、I、Cl、F或其盐类的固体物质组成。
3.按照权利要求
2所述的一种固体标记材料，其特点在于含有Br、I、Cl或F是指127I、81Br、79Br、37Cl或19F。
4.按照权利要求
1、2或3所述的一种固体标记材料，其特点在于标记气体是由一种或几种惰性气体组成。
5.按照权利要求
4所述的一种固体标记材料，其特点在于标记气体由128Xe、82Kr、38Ar、36Ar和20Ne中的一种或几种组成。
6.一种标记该反应堆元件的方法，其特点在于将权利要求
1到5项中所述的任意一种固体标记材料封装到该元件内部。
7.按照权利要求
6所述的方法，其特点在于把不同固体物质形式的固体标记材料封入，在辐照之下，不同的反应堆元件产生不同的同位素气体，根据探测到的特定的气体同位素或气体同位素比例，可以识别出发生破损的反应堆元件。
8.按照权利要求
6或7所述的方法，其特点在于还可以把气体标记材料封装在反应堆元件里面。
专利摘要
为了识别发生破损的核反应堆元件，可以把固体标记材料放到反应堆元件内部，特别是燃料元件内部，在中子流的照射下，标记材料能产生稳定的、可探测、可识别和可测量的同位素气体。几种由盐类组成的标记材料能按预定比例产生许多种气体同位素，因而可以用来识别不同的反应堆元件。
文档编号G21C17/00GK85105572SQ85105572
公开日1987年1月21日 申请日期1985年7月20日
发明者威尔伯·莱尔·本奇, 罗伯特·厄尔·申特 申请人:西屋电气公司