CH625637A5

CH625637A5 -

Info

Publication number: CH625637A5
Application number: CH159578A
Authority: CH
Inventors: William E Lawrie; Robert E Womack; Norvell W White
Original assignee: Babcock & Wilcox Co
Priority date: 1977-05-06
Filing date: 1978-02-14
Publication date: 1981-09-30
Also published as: ES466187A1; IT7847614A0; LU78893A1; JPS5823918B2; DE2817859A1; GB1569756A; ATA103778A; IL53599A; IT1101946B; FR2389972A1; SE7801692L; JPS53139085A; AT364038B; US4313791A; NL7713824A; CA1088223A; BE863065A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auffinden schadhafter Brennstäbe mittels Ultraschall.

Bei wassergekühlten, heterogenen Reaktoren sind eine Vielzahl von stabförmigen Brennelementen und Führungsröhren für die Regelstäbe mit geringen Abständen in einem sogenannten Bündelelement angeordnet. Der Reaktorkern besteht im allgemeinen aus einem Raster vertikal angeordneter Bündelelemente.

Jedes der länglichen Brennelemente, die abwechselnd als Brennstäbe, -röhren oder -stifte bezeichnet werden, enthält von einer dünnen Hülse umschlossenen nuklearen Brennstoff. Diese Hülse ist an ihren enden verschlossen, sodass eine ürosion des Brennstoffes und die Abgabe von Spaltprodukten an das Reaktorkühlmittel verhindert wird. Aluminium oder seine Legierungen, rostfreie Stähle und Zirkonium sind typische Hülsenmaterialien.

In den Brennelementen befinden sich Ausgleichskammern und Hohlräume zur Aufnahme des vom Brennstoff als Spaltprodukt abgegebenen Gases zum Ausgleich unterschiedlicher thermischer Ausdehnung der Hülse und des Brennstoffes und von Schwankungen der Brennstoffdichte während der Umsetzung des Brennstoffes. Die Ausgleichskammern befinden sich im allgmeinen an den Enden der Brennelemente und enthalten Ausgleichsfedern, die den nuklearen Brennstoff in einer bestimmten, gleichbleibenden Lage halten. In einigen Fällen werden die Brennelemente am Anfang mit einem unter Druck stehenden Gas, typischerweise Helium, gefüllt, um Hülsenverformungen auf ein Mindestmass zu reduzieren, die bei langer Betriebsdauer bei hohem Druck im Reaktorkühlsystem entstehen.

Die Hülse des Brennelementes ist so ausgelegt, dass sie den Einwirkungen der Betriebsbedingungen des Reaktors standhält, einschliesslich jener, die durch Druck und Strömung des Kühlmittels, Reaktortemperatur und -druck, Druck des Spaltgases, Brennstoffausdehnung und strahlungsbedingte Dimensionsänderungen entstehen. Dennoch können Fehlstellen in den Hülsen, die radioaktive Spaltprodukte in das Kühl- oder Moderatormedium entweichen lassen, im Laufe der Betriebsdauer des Reaktors auftreten. Obwohl die Reinigungssysteme so konstruiert sind, dass sie den erwarteten Höchstbetrag der durch Manteldefekte auftretenden Radioaktivität beseitigen können, kann es wünschenswert oder notwendig sein, schadhafte oder ausgefallene Brennelemente aufzufinden und zu ersetzen. Verlässliche Mittel zum Auffinden schadhafter Brennelemente sind daher wichtig.

Einerseits ist das Auffinden eines schadhaften Brennelementes innerhalb eines Bündelelementes äusserst schwierig, da eine solche Anordnung radioaktiv ist und Hunderte von Brennstäben und Führungsröhren enthalten kann, die mit geringem Abstand voneinander angeordnet sind. Anderseits sind Zerlegung und Zusammenbau von bestrahlten Bündelelementen zeitaufwendig und können selbst zu einer Beschädigung einzelner Brennstäbe führen.

Bei Reaktoren mit flüssigen Kühlmitteln wurden eine Anzahl von Vorrichtungen und Verfahren zur Auffindung von einzelnen fehlerhaften Elementen innerhalb des Bündelelementes vorgeschlagen, die auf der Feststellung und Auswertung von Vibration, Temperaturunterschieden oder Ultraschallerscheinungen beruhen.

Diese bekannten Vorrichtungen und Verfahren erfordern jedoch im allgemeinen zumindest ein teil weises Zerlegen des Bündelelementes. Derartige Vorrichtungen sind weiters weitgehend abhängig von der Dynamik von thermodynamischen Zustandsänderungen der Kühlflüssigkeit, die in das beschädigte Brennelement eingedrungen ist, im allgemeinen von deren Kochen oder Kondensieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennstoffanordnung der eingangs beschriebenen Art zur leichteren Auffindung defekter Brennelemente innerhalb des Bündelelementes ein verlässliches Verfahren zu schaffen, bei dem das Zerlegen des Bündelelementes nicht notwendig ist und das nicht vom Kochen oder Kondensieren der Flüssigkeit innerhalb des Brennelementes abhängig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine Ultraschallprüfsonde, welche ein Ultraschallwandlerele-ment aufweist, in den Zwischenraum zwischen den mit Abstand voneinander innerhalb eines unter Wasser befindlichen Bündelelementes vorhandenen Brennelementen eingebracht, das Wandlerelement mit dem zu untersuchenden Brennelement ausgerichtet, das Wandlerelement zwecks Aussendung eines Ultraschallimpulses in das zu prüfende Element erregt und das Ultraschallecho gemessen wird.

Eine Ultraschallprüfvorrichtung wird in den Abstand zwischen den Bestandteilen des Bündelelementes eingesetzt. Der kleinste Abstand zwischen den Bestandteilen des Bündelelementes, in den der Wandler eingeführt werden muss, beträgt meist etwa zwei Millimeter. Das Wandlerelement ist deshalb zweckmässig an einem Träger geführt, der noch in den beschränkten Raum zwischen den Elementen hineinpasst.

Es ist bekannt, dass sich Ultraschall in einem Frequenzbereich von 5 bis 15 MHz leicht in Wasser fortpflanzt. Im Gegensatz dazu ist bei Frequenzen in diesem MHz-Bereich die Ultraschalldämpfung in Luft oder anderen Gasen hoch. Ein Ultraschallimpuls mit einer Frequenz von z. B. einigen MHz kann in die Wand des Brennelementes zweckmässig etwa normal zu dieser abgegeben werden. Ist das Brennelement nicht defekt, so befindet sich in der unteren Ausgleichskammer nur Gas. Der hohe Reflexionskoeffizient an der unbeschädigten Metall-Gas-Berührungsfläche verhindert ein nennenswertes Fortpflanzen des Impulses über die Mantelinnenseite hinaus. Ist jedoch im Gegensatz dazu das Brennelement defekt, so dass die untere Ausgleichskammer Wasser enthält, liegt der Reflexionskoeffizient der Metall-Flüssigkeits-Berührungsfläche an der Mantelinnenseite unter jenem der Metall-Gas-Berührungsfläche.

Dabei pflanzen sich wesentliche Teile des Impulses durch das Wasser zur gegenüberliegenden Wand fort, werden reflektiert

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und kehren zum Wandler zurück. Das Auftreten einer Reflexion von der gegenüberliegenden Wand zeigt an, dass Wasser in das Brennelement eingesickert ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren der Zeichnung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläu- 5 tert.

Fig. 1 in Vorderansicht eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung,

Fig. 2 eine teilweise zerlegte Ansicht der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung von unten, io

Fig. 3 unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung eine schematische Darstellung des Echos eines radialen Ultraschallimpulses in einem gasgefüllten Brennelement,

Fig. 4 ein Oszillogramm eines Impulses und des Echos, das ein gasgefülltes Brennelement gemäss Fig. 3 kennzeichnet, 15

Fig. 5 unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung eine schematische Darstellung des Echos eines radialen Ultraschallimpulses in einem defekten wassergefüllten Brennelement,

Fig. 6 ein Oszillogramm eines Impulses und des Echos, das 20 ein wassergefülltes Brennelement gemäss Fig. 5 kennzeichnet, und

Fig. 7 ein Oszillogramm eines Impulses und des Echos, das ein wassergefülltes Brennelement mit einer unterern Ausgleichsfeder kennzeichnet. 25

Fig. 1 zeigt ein Ultraschallprüfvorrichtung 20. Die Prüfvorrichtung 20 umfasst ein Ultraschallwandlerelement 21 und einen streifenförmigen Träger 22, der, wie am deutlichsten in Fig. 2 gezeigt wird, gegenüberliegende Flächen 23 und 24 aufweist und eine Öffnung, in der das Wandlerelement 21 in geeig- 30 neter Weise angebracht ist.

Das Wandlerelement 21 ist ein polarisierter ferroelektri-scher Keramikteil mit auf zwei seiner Flächen aufgebrachten Elektroden und ist in der Öffnung so ausgerichtet, dass eine Fläche 25 mit der Fläche 23 des Trägers 22 fluchtet. Die gegen- 35 überliegende Fläche des Wandlerelementes liegt vertieft in der Öffnung und ist mit einem schalldämpfenden Material 26 abgedeckt. Zur Entkoppelung wird zwischen dem Öffnungsrand und den entsprechenden gegenüberliegenden Flächen des Wandlerelementes 21 Isoliermaterial 30 angebracht. Das Wandlerele- »o ment 21 wird in der Öffnung durch elektronisch nichtleitenden Kleber 31 festgehalten. Die Fläche 25 des Wandlerelementes 21, die mit der Fläche 23 des streifenförmigen Trägers fluchtet, ist am Träger geerdet. Die Erdung wird durch Punkt-schweissen von mehreren Leitern 32 der durch andere geeig- 45 nete Mittel erreicht.

Das Entkopplungsmaterial 30 befindet sich zwischen dem Wandlerelement und dem Träger, um die dort auftretenden Ultraschallkopplung auf ein Mindestmass zu reduzieren.

Ein koaxiales Kabel 33 mit einem inneren Leiter 34 und 50 einem äusseren Leiter 35 ist an einer Schmalseite 36 des Trägers 22 befestigt. Der innere Leiter 34 ist am Wandlerelement 21 befestigt. Der äussere Leiter 35 ist am Träger 22 befestigt.

Die Prüfvorrichtung 20 muss sich in den begrenzten Abständen zwischen den Brennelementen oder zwischen dem Brennelement und den Steuerelementführungen einer Brennstabanordnung frei bewegen können, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Elementen bloss zwei Millimeter zu betragen braucht. Es müssen daher die Prüfvorrichtung 20 und ihre einzelnen Bestandteile so gewählt werden, dass besondere -Anforderungen an die Dimensionen erfüllt werden, ohne die für die Technik zur Fehlerauffindung erforderlichen Ultraschalleigenschaften zu beeinträchtigen.

Ein typisches Beispiel einer Prüfvorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung enthält ein Wandlerelement flau s Blei-Zirkonat-Titanat. Diese Element ist 2,5 mm breit, 12,5 mm lang und 0,3 mm dick und in einem Aluminiumträger montiert. Das Wandlerelement wird vom Öffnungsrand durch eine

Korkschicht getrennt. Die Vorder- und Rückseite des Wandlerelementes sind mit Silberelektroden beschichtet und jene Fläche die mit einer Fläche des Trägers fluchtet, ist an mehreren Punkten am angrenzenden Aluminium mit Hilfe von kurzen Kupferdrähten geerdet, die sowohl mit dem Aluminium als auch mit der Silberelektrode verschweisst sind. Eine Schicht, bestehend aus leitendem Epoxyharz kann auf die Kupferdrähte und auf den Wandler auf der Trägerseite aufgetragen werden, so dass sich zum Einsetzen in die Stabanordnung eine glatte Oberfläche ergibt. Das Dämpfungsmaterial 26 besteht aus zwei verschiedenkörnigen Wolframpulvern, die mit Polysulfidpolymer mit niedrigem Molekulargewicht vermischt sind. Ein typisches Dämpfungsmaterial enthält eine Mischung aus Wolframpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgrösse von 4,5 Mikron, Wolframpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgrösse von 1,33 Mikron und ein Polysulfidpolymer mit niedrigerm Molekulargewicht mit der Bezeichnung Thiokol LP-3, hergestellt von Thiokol Chemical Corporation, Trenton, New Jersey. Ein nichtleitendes Epoxyharz wird verwendet, um das Wandlerelement in der Öffnung zu fixieren. Die vertiefte Keramikoberfläche ist mit dem inneren Leiter eines koaxialen Kabels verbunden, das entlang der Trägerschmalseite verläuft. Andere Anordnungen, Formen und Materialien können für das Wandlerelement verwendet werden, unter der Voraussetzung, dass die Prüfvorrichtung zwischen die Teile des Bündelelementes eingesetzt werden kann. In einer anderen Ausführungsform kann ein Träger in Form einer Röhre verwendet werden, in der das koaxiale Kabel verläuft.

Fig. 3, die einen Ausschnitt eines Bündelelementes darstellt, zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Prüfvorrichtung 20. die in bezug auf die untere Ausgleichskammer eines Brennelementes 40 quer ausgerichtet ist. Das Wandlerelement, das zur Übertagung von Ultraschallenergie mit dem Brennelement 40 verbunden ist, wird durch einen Impulsgeber (nicht abgebildet) erregt, um Impulse mit bestimmten Abstand und bestimmter Frequenz auszustrahlen. Ein Oszilloskop wird synchronisiert, um die abgegebenen und reflektierten Impulse abzubilden. Die reflektierten Wellen werden über den Wandler vom Oszilloskop empfangen. Wenn das Brennelement keinen Fehler aufweist, ist Gas das einzige Medium in der unteren Ausgleichskammer. Ein hoher Reflexionskoeffizient an der Metall-Gas-Berührungsfläche verhindert eine beträchtliche Fortpflanzung des Ultraschalls über die innere Hülsenfläche hinaus. Die Reaktionen eines gasgefüllten Brennelementes, die auf einem herkömmlichen Impuls-Echoinstrument aufgezeigt wird, ist als Oszillogramm in Fig. 4 abgebildet, wobei die Zeit (t) als Abszisse dargestellt wird. Das Oszillogramm der Fig. 4,6 und 7 ist typisch für Aufzeichnungsergebnisse bei einer Frequenz von etwa 7 MHz, wobei jede Unterteilung der Zeitskala etwa 3 Mikrosekunden beträgt und der Aussendurchmesser des Brennelementes etwa 1 cm beträgt.

In Fig. 4 ist das übertragene Signal im wesentlichen mit dem empfangenen Signal vermischt, das von der ersten oder vorderen Gas-Metall-Berührungsfläche durch den niedrigen Übertragungskoeffizienten des Gases reflektiert wird.

Wenn hingegen das Brennelement defekt ist, so dass die untere Ausgleichskammer Wasser enthält, so wird der Reflexionskoeffizient an der vorderen Berührungsfläche beträchtlich vermindert. Dadurch pflanzen sich, wie schematisch in Fig. 5 dargestellt, beträchtliche Teile des Ultraschallimpulses durch die Flüssigkeit fort und werden an der hinteren Flüssigkeit-Metall-Berührungsfläche im Brennelement reflektiert. Folglich wird ein relativ starkes reflektiertes Signal, das vom übertragenen Signal getrennt ist, auf der Zeitskala abgebildet. Die Reaktion eines defekten, wassergefüllten Brennelementes, die auf einem herkömmlichen Puls-Echoinstrument aufgezeigt wird, ist als Oszillogramm in Fig. 6 abgebildet. Eine beträchtliche Reaktion tritt bei etwa 15 Mikrosekunden auf der

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Abszisse auf - diese stellt das Echo dar, das von der rückwärtigen Wand her empfangen wird.

Die untere Ausgleichskammer eines Brennelementes enthält im allgemeinen eine Schraubenfeder, die den freien Durchgang des Ultraschalls begrenzen kann. Das stellt jedoch keine unüberwindbare Schwierigkeit dar. Wenn die in Richtung der Längsachse des Brennelementes gemessene Breite des piezoelektrischen Elementes grösser als die Ganghöhe der Schraubenfeder ist, so setzt sich der Schall bis an die gegenüberliegende Wand fort und wird dann zurückgeworfen. i o

Fig. 7 zeigt eine typische Reaktion eines wassergefüllten Brennelementes mit einer Feder.

Herkömmliche Ultraschallinstrumente enthalten Torschaltungen, die eine Ausfilterung von Signalen während einer bestimmten Zeit nach dem Anfangsimpuls ermöglichen. Wei- 15 ters können Schaltkreise vorgesehen werden, die ein Alarmsignal nur dann abgeben, wenn die Amplitude des Ultraschallsignals während der beobachteten Zeit einen bestimmten, vorgewählten Schwellenwert übersteigt. Wird der Schwellenwert so gewählt, dass Signale zwischen 12 und 15 Mikrosekunden 20 auf der Abszisse durchgelassen werden und wird die Amplitudenschwelle bei der Linie 1 auf der Ordinate gewählt, so kann das Vorhandensein von Wasser in einem Brennelement mit oder Federn festgestellt werden.

In der praktischen Anwendung wird die Prüfvorrichtung in die Abstände zwischen nebeneinanderliegenden Teilen des Bündelelementes eingeschoben. Bestrahlte Bündelelemente werden im allgemeinen zur Kühlung und Abschirmung während des Ausbaus aus dem Reaktor unter Wasser gehalten und am Anfang in einem Becken für ausgebrannte Brennstoffelemente aufbewahrt. Daraus folgt, dass auch die Überprüfung der Brennelemente unter Wasser vor sich geht. Das Wandlerelement fluchtet quer mit der Längsachse des zu prüfenden Brennelementes. Dann wird vom Wandler ein Impuls in das Brennelement ausgestrahlt.

Eine Stabanordnung kann durch Einführen der Prüfsonde in ein Bündel von Brennstäben überprüft werden, ohne dass die Baueinheit zerlegt wird. Daher muss für Prüfzwecke nur die gesamte Stabanordnung aus dem Reaktor entfernt werden.

Dieses Verfahren kann so ausgeweitet werden, dass Wandler in Multiplexschaltung zur Anwendung kommen, die automatisch und schnell alle Brennelemente einer Stabanordnung überprüfen.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zum Auffinden schadhafter Brennstäbe mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ultraschallprüfsonde, welche ein Ultraschallwandlerelement aufweist, in den Zwischenraum zwischen den mit Abstand voneinander innerhalb eines unter Wasser befindlichen Bündelelementes vorhandenen Brennelementen eingebracht, das Wandlerelement mit dem zu untersuchenden Brennelement ausgerichtet, das Wandlerelement zwecks Aussendung eines Ultraschallimpulses in das zu prüfende Element erregt und das Ultraschallecho gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschalecho innerhalb eines begrenzten Zeitintervalls nach Aussendung des Ultraschallimpulses gemessen wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des betrachteten Zeitintervalls das Ultraschallecho nur registriert wird, wenn es einen vorgewählten Schwellenwert übersteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von der vom Ultraschallwandler entfernten inneren Wandfläche des Brennelementes erzeugte Ultraschallecho gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil des reflektierten Ultraschalls, der einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, registriert wird.