CH619556A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsucheinheit nach dem'Oberbegriff des Anspruchs 1. In wassergekühlten heterogenen Reaktoren sind eine Vielzahl langgestreckter Brennelemente und Steuerungselemente - Führungsröhren als dichtstehende Reihen in einem einheitlichen Aufbau, der sogenannten Brenneranordnung, zusammengesetzt.

Jedes der langgestreckten Brennelemente, die jeweils als Brennstab, Röhren oder Stifte bezeichnet werden, enthält nuklearen Brennstoff, der von einem dünnen metallischen Überzug umgeben und an den Enden verschlossen ist, um einer Erosion des Brennstoffes und einem Übergang von Spaltprodukten in das Reaktorkühlmittel vorzubeugen. Aluminium und seine Legierungen, rostfreier Stahl und Zirkonium sind typische Hüllenmaterialien.

In den Brennelementen sind volle Kammern und Aussparungen vorgesehen, die die vom Brennstoff freigegebenen gasförmigen Spaltprodukte, unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen Umhüllung und Brennstoff und Wechsel in der Dichte des Brennstoffes während des Abbrennens aufnehmen. Die Füllräume sind allgemein an den Enden der Brennelemente angeordnet und enthalten Federn, die den nuklearen Brennstoff in einer bestimmten Lage festhalten. In manchen Fällen werden die Brennelemente zunächst mittels eines Gases vorzugsweise Helium, unter Druck gesetzt, um während längerer Arbeitsperioden mit hohen Drücken im Reaktor-Kühlsystem ein Abwandern der Hülle zu verringern.

Die metallische Umhüllung der Brennelemente ist so ausgebildet, dass sie den Einflüssen in der Arbeitsumgebung des Reaktors einschliesslich jenen des hydraulischen Kühlmittels, der Temperatur und des Druckes im Reaktor, dem Druck des Spaltungsgases, der Ausdehnung des Brennstoffes und dem Strahlungszuwachs, widersteht. Es ist jedoch zu erwarten, dass während der Lebensdauer des Reaktors einige Fehlerstellen in der metallischen Umhüllung auftreten, die das Austreten radioaktiver Spaltprodukte in die Kühlflüssigkeit oder in den Moderator ermöglichen. Obwohl Reinigungssysteme entwickelt wurden, die den zu erwartenden Höchstbetrag an Radioaktivität infolge eines Hüllendefekts beseitigen, ist es wünschenswert oder notwendig, fehlerhafte oder «ausgefallene» Brennelemente festzustellen und zu ersetzen. Infolgedessen ist es wichtig, verlässliche Mittel zur Ortung fehlerhafter Brennelemente zu besitzen.

Auf der einen Seite ist die Ortung fehlerhafter Brennelemente in einer Brenneranordnung ausserordentlich schwierig, weil eine solche Anordnung radioaktiv ist und hunderte dichtstehender Brennelemente und Führungsröhren enthalten kann. Auf der anderen Seite ist das Zerlegen und Wiederzusammensetzen bestrahlter Brennstoffanordnungen zeitraubend und kann seinerseits einen Brennelementschaden herbeiführen.

Für Reaktoren, die flüssige Kühlmittel verwenden, wurde eine Anzahl von Geräten und Methoden zur Ortung einzelner, fehlerhafter Elemente in der Brenneranordnung vorgeschlagen, die auf der Feststellung und Analyse von Schwingungen, Temperaturänderungen oder Ultraschallerscheinungen beruhen.

Die bisherigen Suchgeräte und Techniken erfordern im allgemeinen eine wenigstens teilweise Zerlegung einer Brenneranordnung. Darüber hinaus existiert bei den bekannten Geräten eine grosse Abhängigkeit von der Dynamik der thermody-namischen Änderungen des Zustandes der in das fehlerhafte Brennelement eingesickerten Flüssigkeit. Bei diesen Anwendungen kann es sich beispielsweise um ein Sieden oder eine Kondensation oder um beides handeln.

Um die Ortung ausgefallener Brennelemente in einer Brenneranordnung zu erleichtern, ist es wünschenswert, eine verlässliche Methode und Apparate zu entwickeln, die weder ein Zerlegen der Brenneranordnung erfordern, noch vom Sieden oder von der Kondensation der Flüssigkeit in den Brennelementen abhängig sind.

Eine Ultraschall-Sucheinheit gemäss der .Erfindung wird in den Raum zwischen die Elemente einer Brenneranordnung eingeführt. Der kleinste Zwischenraum zwischen den Elementen einer Brenneranordnung, in welchen die Wandleranordnung eingeführt werden soll, beträgt grössenordnungsmässig zwei Millimeter. Im Hinblick darauf ist die Sucheinheit mit einem Wandlerelement versehen, das von einem Träger getragen wird, der imstande ist, durch den eingeschränkten Zwischenraum durchzutreten. Der Wandler ist nach der unteren Füllung des zu prüfenden Brennelementes ausgerichtet.

Es ist bekannt, dass Ultraschall im Megahertzbereich von z. B. 5 bis 15 Megahertz sich in Wasser leicht ausbreitet. Im Gegensatz hiezu ist bei diesen Frequenzen die Dämpfung in Luft und anderen Gasen hoch. Ein Ultraschallimpuls einer Frequenz von wenigen Megahertz wird quer in die Wandung des Brennelementes gesendet. Wenn das Brennelement nicht fehlerhaft ist, befindet sich Gas in der unteren Füllung. Der hohe Reflexionskoeffizient an der Grenzfläche Metall-Gas wird eine wesentliche Ausbreitung des Impulses nach dem Inneren der Umhüllung verhindern. Wenn hingegen das Brennelement fehlerhaft ist, so dass die untere Füllung Wasser enthält, wird der Reflexionskoeffizient an der Grenzfläche Metall-Flüssigkeit an der inneren Oberfläche der Umhüllung unter jenen herabgesetzt, der bei einer Metall-Gas-Grenzfläche auftritt. Infolgedessen werden sich wesentliche Anteile des Impulses durch das Wasser zur gegenüberliegenden Wand ausbreiten, dort reflektiert und zum Wandler zurückkehren. Die Feststellung der Reflexion von der gegenüberliegenden Wand bedeutet, dass Wasser in das Brennelement eingesickert ist.

Zum besseren Verständnis der Erfindung, ihrer Vorteile im Betrieb wird auf die Zeichnung und die Beschreibung verwiesen, worin ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und beschrieben ist.

In Fig. 1 ist eine Vorderansicht einer Suchsonde gemäss der Erfindung dargestellt, Fig. 2 zeigt ein Grundriss der Suchsonde nach Fig. 1, teilweise weggebrochen, Fig. 3 zeigt in einer sche2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

619556

matischen Darstellung die Verwendung der Suchsonde gemäss Fig. 1, wobei das Echo eines radialen Ultraschallimpulses bei einem gasgefüllten Brennelement eingezeichnet ist, Fig. 4 ist das Oszillogramm des Impulses und des Echos, entsprechend einem gasgefüllten Brennelement, Fig. 5 zeigt in einer schematischen Darstellung die Verwendung des Gerätes gemäss Fig. 1, wobei das Echo eines radialen Ultraschallimpulses bei einem fehlerhaften, mit Wasser gefüllten Brennelement eingezeichnet istyFig. 6 ist das Oszillogramm des Impulses und des Echos entsprechend dem wassergefüllten Brennelement der Fig. 5, und Fig. 7 ist ein Oszillogramm des Impulses und des Echos entsprechend einem wassergefüllten Brennelement mit einer unteren Füllungsfeder.

Fig. 1 zeigt eine Ultraschall-Sucheinheit 20. Die Sucheinheit

20 enthält ein Ultraschall-Wandlerelement 21 und einen streifenförmigen Träger 22, der, wie es in Fig. 2 zu erkennen ist, einander gegenüberliegende Stirnseiten 23,24 und eine Ausnehmung aufweist, in der das Wandlerelement 21 in geeigneter Weise montiert ist.

Das Wandlerelement 21 ist eine polarisierte ferroelektrische Keramik mit beiderseits aufgedampften oder eingebrannten Elektroden. Es ist so in der Ausnehmung ausgerichtet, dass eine Oberfläche 25 mit der Stirnseite 23 des streifenförmigen Trägers 22 fluchtet. Die gegenüberliegende Oberfläche des Wandlerelements ist in der Ausnehmung versenkt und mit schalldämpfendem Material 26 abgedeckt. Entkoppelndes Isoliermaterial 30 ist zwischen dem Umfang der Ausnehmung und den entsprechenden gegenüberliegenden Flächen des Elementes 21 angeordnet. Das Element 21 wird mittels eines elektrisch nicht leitenden Klebstoffes 31 in der Ausnehmung festgehalten. Die Oberfläche 25 des Wandlerelementes 21, das mit der Fläche 23 des streifenförmigen Trägers fluchtet, ist über den Träger geerdet. Die Erdung wird durch Punktschweissung einiger Leiter 32 oder durch andere geeignete Mittel durchgeführt.

Das Entkopplungsmaterial 30 wird zwischen Wandlerelement und Träger angeordnet, um eine Ultraschallkopplung zwischen beiden zu vermeiden.

Ein Koaxialkabel 33 mit einem Innenleiter 34 und einem Aussenleiter 35 ist an einer Kante 36 des streifenförmigen Trägers befestigt. Der Innenleiter 34 ist mit dem Wandlerelement

21 verbunden, der Aussenleiter 35 hingegen mit dem streifenförmigen Träger 22. Die Sucheinheit 20 muss im Stande sein, die engen Zwischenräume zwischen den Brennelementen oder zwischen einem Brennelement und einem Steuerelement-Führungsrohr einer Brenneranordnung, deren gegenseitige Abstände zwei Millimeter betragen, berührungsfrei zu durchdringen. Infolgedessen müssen die Sucheinheit und auch die ihr eigenen Bestandteile so ausgewählt werden, dass sie den besonderen räumlichen Anforderungen entsprechen, ohne dass die Ultraschalleigenschaften, die für die Anwendung der Methoden der technischen Ortung notwendig sind, beeinträchtigt werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Sucheinheit, enthält ein Wandlerelement aus Bleizirkonattitanat, angenähert 2,5 mm breit, 12,5 mm lang und 0,3 mm dick, montiert in einem Aluminiumträger. Das Wandlerelement ist vom Umfang der Ausnehmung durch eine Korklage isoliert. Die Vorder- und Rückseite des Wandlerelementes sind mit eingebrannten Silberelektroden bedeckt, und die Oberfläche, die mit einer Stirnfläche des Trägers fluchtet, ist über das benachbarte Aluminium an einigen Punkten mittels dünner Kupferdrähte, die jeweils mit dem Aluminium und der Silberelektrode durch Heftschweissung verbunden sind, geerdet. Eine Lage leitendes Epoxydharz kann über die Kupferdrähte und die Vorderseite des Wandlerelementes und auf der Vorderseite des Trägers aufgesprüht werden, um für das Einführen in die Brenneranordnung eine glatte Oberfläche zu erhalten.

Das Dämpfungsmaterial 26 ist aus zwei Sorten Wolframpulver zusammengesetzt, die mit einem Polysulfidpolymer mit geringem Molekulargewicht vermischt sind. Ein bevorzugtes Dämpfungsmaterial enthält eine Mischung aus Wolframpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgrösse von 4,5 Mikron und Wolframpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgrösse von 1,33 Mikron, die beide mit einem Polysulfidpolymer mit niederem Molekulargewicht, beispielsweise Thiokol LP-3, hergestellt von der Thiokol Chemical Corporation, Trenton, New Jersey, vermischt sind. Ein nicht leitendes Epoxydharz dient zur Befestigung des Wandlerelements in der Ausnehmung. Die versenkte Oberfläche der Keramik ist mit dem Innenleiter eines Koaxialkabels verbunden, das längs einer Trägerkante angeordnet ist. Andere Anordnungen, Formen und Materialen können, solange die Sucheinheit zwischen die Bauteile der Brennereinheit eingeführt werden kann, Verwendung finden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein hohler, röhrenförmiger Träger verwendet, der das Koaxialkabel aufnimmt.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Brenneranordnung in einer schematischen, ebenen Darstellung, mit einer Suchsonde 20, senkrecht stehend zu der unteren Füllung eines Brennelementes 40. Das Wandlerelement, das mit dem Brennelement 40 zwecks Aussendung von Ultraschallwellen in das Brennelement gekoppelt ist, wird aus einem (nicht dargestellten) Impulsgenerator gespeist, um Impulse in einem vorbestimmten Tastverhältnis und vorbestimmter Frequenz auszusenden. Die Kippfrequenz eines Oszilloskopes wird synchronisiert, um die gesendeten und die reflektierten Impulse darzustellen. Die reflektierten Wellen werden durch das Oszilloskop über den Wandler aufgenommen. Wenn das Brennelement fehlerfrei ist, wird nur Gas in der unteren Füllung vorhanden sein. Ein hoher Reflexionskoeffizient an der Metall-Gas-Zwischenschicht wird eine wesentliche Ausbreitung von Ultraschall nach der inneren Oberfläche der Umhüllung verhindern. Der Verlauf für ein gasgefülltes Element, sichtbar gemacht auf einem üblichen Impuls-Echoinstrument, ist in dem Oszillogramm in Fig. 4 gezeigt, wobei die Zeit T auf der Abszisse aufgetragen ist. Das Oszillogramm der Fig. 4 und ebenso das der Fig. 6 und 7, ist typisch für das resultierende Echobild, das bei einer Ultraschall-Frequenz von angenähert 7 MHz erzeugt wird, wobei jede Unterteilung auf der Zeitskala angenähert drei MikroSekunden entspricht und das Brennelement einen Aussendurchmesser von knapp unter 12,5 mm aufweist. In Fig. 4 ist das gesendete Signal im wesentlichen mit dem reflektierenden Signal überlagert, das von der ersten oder vorderen Gas-Metall-Grenzfläche infolge des grossen Reflexionskoeffizienten erzielt wird.

Wenn, im Gegensatz hiezu, das Brennelement fehlerhaft ist, so dass die untere Füllung Wasser enthält, dann wird der Reflexionskoeffizient an der vorderen Grenzschicht bedeutend verringert. Es werden sich daher, wie schematisch in Fig. 5 gezeigt, wesentliche Anteile des Ultraschallimpulses durch die Flüssigkeit ausbreiten und an der hinteren Flüssigkeit-Metall-Grenz-schicht im Brennelement 40 reflektiert werden. Infolgedessen wird ein reflektiertes Signal in einer verhältnismässig deutlichen Grösse, getrennt vom gesendeten Signal, über der Zeitskala sichtbar werden. Der auf einem üblichen Echo-Impulsin-strument sichtbar gemachte Verlauf für ein fehlerhaftes, wassergefülltes Brennelement ist aus dem in Fig. 6 dargestellten Oszillogramm entnehmbar. Eine deutliche Anzeige ergibt sich über der Abszisse im Bereich von fünfzehn Mikrosekunden,

dies stellt das Empfangssignal, d. h. an der hinteren Wand reflektierte Echo dar.

Die untere Füllung eines Brennelements enthält im allgemeinen eine Schraubenfeder, die den freien Durchtritt von Ultraschall behindert. Dies bereitet jedoch keineswegs ein unüberwindbares Hindernis. Wenn die Breite des piezoelektrischen Elementes, gemessen in der Längsachse des Brennelements, grösser ist als die Steigung der Schraubenfeder, dann

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

wird sich der Schall zur entfernten Wand und zurück ausbreiten. Fig. 7 zeigt den typischen Verlauf bei einem wassergefüllten Element, das eine Feder enthält.

Übliche Ultraschallinstrumente enthalten Torschaltungen, die das Austasten von Signalen während einer bestimmten Zeitdauer in Bezug auf den gesendeten Impuls erlauben. Zusätzlich können Schaltungen vorgesehen werden, die nur dann ein Alarmsignal abgeben, wenn die Amplitude des Ultraschallsignals in der gesperrten Periode einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Wenn man das Tor so setzt, dass Signale auf der Abszisse zwischen zwölf und fünfzehn Mikrose-kunden durchgelassen werden, und wenn man die Amplitudenschwelle bei der Linie 1 der Ordinate festlegt, dann kann das Vorhandensein von Wasser in einem Brennelement mit oder ohne Feder erfasst werden.

Im Betrieb wird die Sucheinheit in die Zwischenräume zwischen benachbarte Komponenten der Brenneranordnung eingeführt. Bestrahlte Brenneranordnungen werden zwecks Kühlung und Abschirmung unter Wasser gehalten, während des Ausfahrens aus dem Reaktor und anschliessend werden sie in einer erschöpften Brennkammer gelagert. Infolgedessen ist es 5 verständlich, dass die Inspektion der Brennelemente unter Wasser ausgeführt wird. Das Wandlerelement wird senkrecht zur Längsachse des zu überprüfenden Brennelementes ausgerichtet. Hierauf wird ein Impuls vom Wandler in das Brennelement gesendet.

i o Eine Brenneranordnung kann durch Einführung der

Sucheinheit in das Bündel der Brennelemente getestet werden, ohne dass irgendeine Komponente ausgebaut wird. Infolgedessen ist es für Inspektionszwecke nur notwendig, die Anordnung aus dem Reaktor herauszunehmen.

i5 Die Technik kann durch Verwendung von Vielfachwandlern erweitert werden, um alle Brennelemente einer Brenneranordnung automatisch und rasch zu prüfen.

G

1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

619556 PATENTANSPRÜCHE

1. Ultraschallsucheinheit zur Ortung fehlerhafter Brennelemente einer Anordnung von der Art, die in wassergekühlten Kernreaktoren verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem streifenförmigen Träger mit einander gegenüberliegenden Stirnseiten besteht, der berührungsfrei zwischen die Brennelemente einzubringen bestimmt ist, ein Ultraschall-Wandler element und an wenigstens zwei Seiten des Wandlerelements aufgebrachte Elektroden aufweist, das Ultraschall-Wandlerelement in einer Ausnehmung des Trägers angebracht ist, wobei eine der Elektroden mit einer der Stirnseiten des streifenförmigen Trägers fluchtet, und Mittel zur einseitigen Erdung des Ultraschallwandlerelements, Mittel zur Entkopplung des genannten Ultraschallwandlerelements vom streifenförmigen Träger, und Mittel zur Speisung des Ultrâ^fhall-Wandlerelements vorgesehen sind.

2. Ultraschallsucheinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Ultraschall-Wandlerelementes ferroelektrische Keramik ist.

3. Ultraschallsucheinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ferroelektrische Material Bleititanatzirkonat ist.

4. Ultraschallsucheinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein hohles Rohr ist und die Mittel zur Speisung des Ultraschall-Wandlerelements in dem hohlen Rohr angeordnet sind.