CZ20021081A3 - Zařízení a způsob pro čiątění ozářeného systému na jaderné palivo - Google Patents

Description

Předkládaný vynález se obecně týká údržby jaderných 5 elektráren. Přesněji se předkládaný vynález týká techniky ultrazvukového čištění ozářených systému na jaderné palivo v jaderných elektrárnách.

Dosavadní stav techniky ¹⁰

Tato přihláška vynálezu odvozuje prioritní práva z prozatímní americké patentové přihlášky o názvu Apparatus and Method for Ultr.asonically Cleaning Irradiated Nuclear Fuel Assemblies, sériového čísla 60/128,391, podané 8.4.1999.

Během provozu reaktoru jaderné elektrárny se na systémech na jaderné palivo usazují nečistoty s produkty chladicího média reaktoru. Tyto usazeniny mohou mít vliv na provoz a údržbu jaderných elektráren v množství různých

2Q způsobů. Například: a) jejich neutronové vlastnosti mohou nepříznivě ovlivnit jaderný výkon reaktoru; b) jejich tepelný odpor může způsobovat zvýšenou povrchovou teplotu na palivových tyčích, což může vést na selhání materiálu v tyčích; c) jejich radioaktivní rozpad má za následek pracovní radiační ozáření, když jsou znovu distribuovány skrz chladící systém reaktoru, zejména během výkonových^přechodů; d) komplikují důkladnou kontrolu ozářených systémů na jaderné palivo jako vizuálními postupy tak i metodami s využitím vířivých proudů; e) usazeniny, uvolňované z palivových tyčí,

3q mají sklon omezovat viditelnost nádrži na spotřebované palivo, což podstatně zpožďuje jiné práce v palivové nádrži

• · · · • · • · · · • · 9 9 99 9 9

10:

během odstávek pro doplnění paliva; f) když jsou opětovně uloženy do reaktoru na sestavách, které budou ozářeny podruhé nebo potřetí, vytvářejí přírůstkový materiál, který může být škodlivě znovu distribuován na nové palivové systémy. V současnosti neexistují postupy pro účinné a cenově přijatelné odstraňování takovýchto usazenin z ozářených systémů na jaderné palivo, jiné než pomalé, manuální techniky.

Nedávno byla v tlakovodních reaktorech (PWR) popsána anomálie axiální odchylky (AOA). AOA je jev, při kterém se na opláštění palivových tyčí tvoří usazeniny v důsledku kombinacemístních teplotních a hydraulických podmínek a nečistot tekutiny v primárním okruhu, charakteristických pro reaktor a primární okruh. Tyto usazeniny působí jako brzda jaderné reakce a způsobují abnormální distribuci energie podél osy jádra, což snižuje dostupný rozsah za určitých pracovních podmínek. AOA donutila některé elektrárny omezit úroveň výkonu reaktoru v delších časových horizontech.

Problém s AOA činí naprosto nezbytným vyvinutí účinného a cenově přijatelného mechanismu pro odstraňování usazenin na palivových tyčích PWR. U takového mechanismu je rovněž žádoucí, aby celkový přírůstek usazenin pro snížení intenzity dávky personálu elektráren, pro zlepšení možnosti kontrolovat palivo, pro přípravu paliva na dlouhodobé suché uskladnění, a pro usnadnění sběru nečištěných vzorků pro analýzu.- - — ' - ...,,=.. .... ...

Pro odstranění usazenin na palivových tyčích PWR bylo navrženo několik přístupů. Jedním postupem je chemické čištění na místě v reaktoru nebo po jeho vyjmutí do samostatně čisticí kobky. U tohoto přístupu ale existuje několik problémů, které zahrnují velkou cenu, nebezpečí

O.-»;..

koroze způsobené čisticími chemickými prostředky a obtíže s likvidací výsledných vysoce kontaminovaných chemických prostředků. Možná největší nevýhodou tohoto chemického přístupu je to, že je časově velmi náročný, neboť vyžaduje několik hodin pro vyčištění jednoho sytému na jaderné palivo.

Jiným prosazovaným přístupem je cirkulace ledových štěpin v čisticí kobce, přičemž tok ledu přes palivové tyče by měl jemně odstraňovat usazeniny. U tohoto přístupu rovněž existují obtíže, které zahrnují účinnost čištění, obtíže s θ vedením ledových štěpin skrz určité struktury pro nesení paliva, potřebu vytvářet velké objemy ledových štěpin, účinek nízkých teplot na konstrukční celistvost palivových tyčí, a ředění koncentrace bóru v nádrži spotřebovaného paliva.

V minulosti byly během výrobního procesu jednotlivé palivové tyče a palivové kanály čištěny prostřednictvím běžného ultrazvuku. Běžný ultrazvuk by ale nebyl příliš účinný při čištění velkých .svazků palivových tyčí v ozářených systémech na jaderné palivo v důsledku nízké výkonové hustoty na jednotku objemu, která může být vytvořena. Navíc jsou běžné ultrazvukové čisticí měniče velké a tudíž obtížně realizovatelné v obvyklých nádržích na palivo.

Vzhledem k výše popsanému dosavadnímu stavu techniky by bylo vysoce žádoucí vytvořit časově úspornou, účinnou, cenově dostupnou techniku pro odstraňování usazenin z ozářených systémů na jaderné palivo.

Podstata, vynálezu

Podle předkládaného vynálezu je tedy vytvořeno q zařízení pro čištění ozářeného systému na jaderné palivo.

Toto zařízeni zahrnuje pouzdro pro připevnění sytému na

• · • · · · • · · · • · jaderné palivo. Na pouzdru je umístěna sada ultrazvukových měničů pro vydávání radiálně vystupující všesměrové ultrazvukové energie pro odstraňování usazenin ze systému na jaderné palivo.

Podle vynálezu je rovněž navržen způsob čištění ozářeného systému.na jaderné palivo. Tento způsob zahrnuje krok umístění systému na jaderné palivo do těsné blízkosti • pouzdra. Potom se vydává z měničů, umístěných na pouzdru, radiálně vystupující všesměrová ultrazvuková energie do

10— systému na jaderné palivo pro odstranění usazenin z tohoto systému ná' jaderné palivo.

Pro lepší pochopení vynálezu bude níže uveden podrobnější popis příkladných provedení ve spojení s odkazy na připojené výkresy.

Přehled obrázků na výkresech

Obr.l je čelní pohled na ultrazvukové čisticí.

zařízení, zkonstruované podle provedení předkládaného vynálezu;

Obr.2 ilustruje ultrazvukový měnič, použitý podle provedení vynálezu pro vytváření radiálně vystupující všesměrové energie;

Obr. 3 znázorňuje pohled v bokorysu na ultrazvukové 25 čisticí zařízení podle obr. 1;

Obr. 4 znázorňuje pohled v půdorysu ná ultrazvukové čisticí zařízení podle obr. 1 s uvnitř umístěným systémem na jaderné palivo;

Obr. 5 ilustruje ultrazvukové čisticí zařízení podle 30 obr. 1 a přidružené čerpací a filtrační

• · • · · ·

vybavení, použité v souladu s provedením vynálezu;

Obr.6(a) až obr. 6(c) ilustrují proces umístění systému na palivo dovnitř pouzdra podle vynálezu;

Obr. 7 ilustruje provedení podle vynálezu, které využívá diagonálně umístěné ultrazvukové měniče;

Obr.8(a) až,obr. 8(b) ilustrují mobilní ultrazvukové čisticí zařízení podle provedení předkládaného vynálezu;

Obr. 9 ilustruje ultrazvukové čisticí zařízení podle . vynálezu s integrálním čerpacím a filtračním systémem;

Obr.10 až obr. 12 ilustrují ultrazvukové čisticí zařízení pro použití ve spojení s varnými reaktory. '

Příklady provedení vynálezu

Na výkresech jsou průběžně značeny stejné části stejnými vztahovými značkami.

Obr. 1 je čelní pohled na ultrazvukové čisticí zařízení 20, zkonstruované podle provedení předkládaného vynálezu. Toto září zení* 20 zahrnuje 'ultrazvukové měniče 22. namontované na pouzdru 24 . Vodicí prostředek 28 je umístěn na vršku pouzdra 24 . Systém na jaderné palivo (není znázorněn na obr. 1) je veden přes vodicí prostředek 28 a do pouzdra 24.. Jakmile je tento systém na jaderné palivo umístěn uvnitř pouzdra 24, je čištěn prostřednictvím použití ultrazvukové

• 9 · · »ν·

energie z ultrazvukových měničů 22, jak je podrobněji diskutováno níže.

Pro montáž pouzdra 4. ke stěně čisticí nádrže (kobky) mohou být použity reaktorové držáky 26 systému. Alternativně může být pouzdro 24 neseno jeřábem nebo kladkostrojem. Obr. 1 rovněž ilustruje filtrační potrubí 32 a otvor 30 nouzového chlazení pro použití v případě, že selže filtrační systém. Otvor 30nouzového chlazení zajišťuje postačující úbytek tepla z palivového kanálu prostřednictvím přirozené konvekce v případě selhání zařízení (například v případě vypnutí čerpadel.'Filtrační potrubí 32 je použito pro odvádění vody, plné odstraněných usazenin, do filtrační jednotky, jak je diskutováno níže.

Měniče 22 mohou být namontovány na montážních deskách 34 pro měniče. Tyto montážní desky 34 pro měniče jsou použity pro upevnění měničů 22 k pouzdru 24 . Pro montáž měničů 22 na montážní desky 34 ve správné poloze jsou použity rozpěrné vložky 36 pro měniče.

2o Obr. 2 ilustruje měnič 22 použitý podle předkládaného vynálezu. Měnič 22 obsahuje první piezoelektrický měnič nebo sadu měničů 40 a druhý piezoelektrický měnič nebo sadu měničů 42, namontovanou na opačných koncích tyče 44.. Měniče 40 a 42 přijímají řídící signály přes vedení 4 6. Uspořádání měniče 22 vytváří, radiální tlakové vlny vystupující z tyče 44 ve všech směrech. Tyto radiálně vystupující tlakové vlny jsou tedy označovány za všesměrové.

Všesměrové, tlakové vlny, použité podle předkládaného vynálezu, jsou v protikladu k běžným ultrazvukovým měničům, které vytvářejí jednosměrné tlakové vlny v kapalině, ve které

o vibrují. Čela jednosměrných vln jsou v zásadě rovinné, neboť jsou vytvářeny povrchem rovinné struktury, jako je stěna nebo dno ultrazvukové lázně, ke které je měnič upevněn. Vysílaná energie se ztrácí (disipuje) při setkání s fyzickými objekty.

V případě palivových tyčí systému na jaderné palivo je tudíž obtížné použít běžný ultrazvuk, protože je obtížné vést ultrazvukovou energii celou cestu do středu systému na jaderné palivo. Požadovaná energie pro dosažení tohoto cíle je nadměrná.a mohla by případně způsobit poškození paliva.

θ - Měniče 22 podle předkládaného vynálezu vytvářejí všesměrové tlakové vlny. Čela vln jsou vytvářena fázově synchronizovaným pohybem dvou piezoelektrických měničů 40 a 42. Cylindricky vytvářené tlakové vlny oddálené tak, že jejich uzlová struktura podél osy tyče je přibližně stejná jako rozpětí palivové tyče nebo násobek rozpětí palivové tyče, mohou snáze pronikat řadami palivových tyčí. Čištění vnitřku tyčí uvnitř svazku palivových tyčí tudíž může být prováděno s mnohem nižší vstupní energií, než by bylo požadováno, pokud by takové čištění vnitřku mělo být dosaženo' θ s použitím běžného ultrazvuku. Jinými slovy měniče, posunuté umístění a jejich reflektory pracují pro vytvoření energetického pole vyplňujícího prostor, které má postačující energii ve vnitřku systému na jaderné palivo pro vyčištění usazenin z nejvíce znečištěné palivové tyče rychle, bez přenosu tak velké,energie na palivovou tyč, že by pohyb opláštění fyzicky poškozoval palivové kuličky.

Předkládaný vynález byl realizován s použitím PUSH-PULL měničů, prodávaných firmou Martin Walter Ultraschalltechnik, GMBH, Staubenhardt, Německo. Tyto snímače ⁰ jsou popsány v US patentu č. 5,200,666, který je začleněn do

tohoto popisu prostřednictvím odkazu. Ultrazvukové frekvence mezi 20 kHz a 30 kHz a výkon měničů mezi 1000 a 1500 W byly prověřeny jako úspěšné. To vytvořilo energetickou hustotu mezi 20 až 30 W/galon, což je obzvláště účinná energetická hustota pro odstraňování usazenin z ozářeného systému na jaderné palivo. Tato energetická hustota je pravděpodobně podstatně nižší, než energetická hustota realizovaná během použití běžných ultrazvukových měničů pro dosažení stejného výsledku.

Mohou být použity i jiné snímače pro vytvoření radiálně vystupující všesměrové energie podle předkládaného vynálezu, jako například telsonické vyzařovací (trubicové) měniče a sonotrodové měniče (s měničem na jednom konci tyče).

V jednom provedení je tělo 44 měniče vytvořeno z titanu a jsou použity záslepky z nerezové oceli. Plochá těsnění, kabeláž a konektory, sdružené se zařízením, by měly být uspořádány pro provoz uvnitř nádrže na spotřebované palivo a musí jinak splňovat všechny obvyklé požadavky na kompatibilitu a požadavky na bezpečnost (například vyloučení cizích materiálů či FME, požadavky na oblast pro manipulaci s palivem) běžné v jaderných elektrárnách.

Obr. 3 znázorňuje pohled v bokorysu na zařízení 20 podle obr. 1. Obr. 3 ilustruje palivový kanál nebo pouzdro 24, reaktorový držák 26 systému, vodící prostředek 28., filtrační potrubí 32., reflektory 50 a montážní nosník 52 systému. Reflektory 50 jsou použity pro zvýšení množství ultrazvukové energie, která je dodávána do systému na jaderné palivo. To znamená, že reflektory 50 fungují pro odrážení ultrazvukové energie do systému na jaderné palivo. Montážní nosníky 52 systému jsou použity pro spojení montážních desek » · ··«« měničů s reaktorovými držáky 26 systému. Reaktorové držáky 26 systému tlačí proti stěně 54 nádrže na palivo, když probíhá čištění, jak je diskutováno níže.

Pouzdro 24, montážní desky 34., rozpěrné vložky 36 a reflektory 50 mohou být vytvořeny z nerezové oceli. Mohou být použity i jiné materiály, pokud splňují obecné požadavky na bezpečnost a materiálovou kompatibilitu, jak je obvyklé pro provoz jaderných elektráren. Zejména by zvolený materiál měl být kompatibilní pro použití v zásobníku pro palivo a v manipulačních oblastech elektrárny, včetně nádrže na spotřebované palivo a šachty pro zavážení sudů.

Výhodně jsou vnitřní povrchy pouzdra 24 elektrolyticky leštěny pro omezení možnosti usazování radioaktivních částic na těchto površích nebo ukládání na důlcích nebo trhlinách v těchto površích. To umožňuje, aby pouzdro bylo demontováno a dopravováno bez radiačního ozáření personálu. Stojí rovněž za povšimnutí, že ultrazvukové měniče 22 mohou být použity pro čištění pouzdra 2 4 . 1° znamená, že snímače 22 jsou aktivovány, když pouzdro 24 je prázdné, aby vyčistily stěny pouzdra 24 od usazenin.

Obr. 4 znázorňuje pohled v půdorysu na ultrazvukové čisticí zařízení 20. Obr. 4 jasně ilustruje následující, již dříve popisované komponenty: měniče 22., pouzdro 24., montážní desky 34 pro měniče, rozpěrné vložky 36 pro měniče a reflektory 50. Tento obrázek rovněž ilustruje rozpěrné vložky 60 pro pouzdro, které fungují tak, aby umožňovaly ultrazvukové energii procházet do dvou stran zařízení, které nesměřují k polím měničů. Každý reflektor 50 zahrnuje vnitřní odrazový povrch 56 a vnější povrch 54., oddělené vzduchovou ·· ···· • · · · ► · · · I ·· ·· ·« mezerou 56. Toto uspořádání bylo ověřeno jako obzvláště účinné při odrážení ultrazvukové energie.

Obr. 4 rovněž ilustruje systém 70 na jaderné palivo, umístěný uvnitř pouzdra 24.. Tento systém 70 na jaderné palivo zahrnuje jednotlivé palivové tyče 72. Na palivových tyčích 72 jsou znázorněny přilnuté usazeniny 7 4 . Usazeniny 74 tohoto typu jsou odstraňovány podle předkládaného vynálezu.

Obr. 4 ilustruje systém 70 na jaderné palivo o velikosti 17x17 (17 řad na 17 sloupců palivových tyčí)

Pouzdro 24 může být uspořádáno pro přijetí všech konstrukcí paliva pro lehkovodní reaktory. Přirozeně platí, že pouzdro' může být rovněž realizováno pro alternativní palivové zdroje.

Zařízení podle obr. 1 až obr. 4 zajišťuje ultrazvuk s velkou hustotou energie pro odstraňování těsně přilnutých usazenin z ozářených systémů na jaderné palivo. Přesněji tedy měniče 22 vytvářejí výkonovou hustotu a zvukové pole pro pronikání do středu systému 70. či svazku palivových tyčí tak, aby bylo očištěno opláštění zde uložených palivových tyčí. Měniče 22 jsou instalovány ve vertikálních polích (osy jsou tedy orientovány horizontálně) podél dvou stran systému na jaderné palivo (například jak je znázorněno na obr. 1). Obr.

ilustruje měniče 22 na vršku pouzdra 24., protože to odpovídá umístění usazenin ve většině tlakovodních reaktorů. Přirozeně platí, že měniče 22 mohou být umístěny podél celé délky pouzdra 24 nebo v omezených strategických polohách.

Palivové tyče uvnitř systému 70 jsou obvykle v počtu přesahujícím 200 a jsou uspořádány v poli se'čtvercovou roztečí (například 17 x 17). Na systému určeném pro čištění je opláštění, ve kterém je uložen stoh palivových kuliček,

• ·· * ·· ·· * ·· · ·♦ ··»· pokryto usazeninami, které mají být odstraněny. Pro každé vertikální pole měničů, - jsou sousední měniče posunuty v příčném směru, takže uzly na jednom měniči (to jest body procházející nulovým posunutím pro tvar ve vybuzeném režimu) jsou vyrovnány s body maximálního posunutí na sousedních měničích nad a pod během činnosti systému. Navíc je každý měnič posunut axiálně tímto způsobem vzhledem _k~měniči umístěnému na opačné straně systému na jaderné palivo. Jinými slovy je žádoucí umístit měniče s posunutím o půlvlnu (nebo jeho násobky) podél osy protilehlých měničů. Toto uložení značně zlepšuje pronikání do svazku palivových tyčí.

Obr. 5 ilustruje zařízení 20 podle vynálezu, umístěné v nádrži 80 na palivo. Zařízení 20 je namontováno s využitím reaktorových držáků 26 systému. Pro nesení zařízení 20 může být rovněž použito lano 82 . Zařízení 20 má přidružený čerpací a filtrační systém 90. Systém 90 zahrnuje alespoň jedno čerpadlo 92 a sadu filtrů 94 . Výhodně je ve vstupním bodě do čerpadla umístěn snímač záření 96. Tento snímač záření 96 je použit pro zjištění, zda je systém na jaderné palivo čistý. Přesněji, když aktivita gama ve snímači 96 klesá na základní hodnotu, je zřejmé, že žádné další částice usazenin již nejsou odstraňovány a tudíž je čištění dokončeno.

Obr. 5 rovněž ilustruje doplňkové řídící vybavení 100, sdružené s provedeními podle předkládaného vynálezu.

Toto řídící vybavení 100 může zahrnovat, generátory 102 ’ ultrazvukové energie, řídící obvody 106 čerpání a filtrace a filtrační a čisticí systém 108.

Obr. 6 (a) a obr. 6(b) ilustruji umístění systému 70.

3Q na jaderné palivo do pouzdra 24, které je znázorněno zjednodušeně schematicky. Systém 70 na jaderné palivo je

*· ···· •v ··»· ·· * 9 9 I ···· ·

9999 ukládán prostřednictvím použití kladkostroje 110. Na obr.

(a) je systém 70 na jaderné palivo uvnitř pouzdra 24 . Na obr. 6(b) je systém 70 na jaderné palivo částečně vyjmut z pouzdra 24 . Na obr. 6(c) je systém 70 na jaderné palivo vyjmut z pouzdra 24 . Kladkostroj 110 podle obr. 6(b) může být použit v systému podle obr. 5 pro uložení a vyjmutí systému 70 na jaderné palivo z nádrže 80. Kladkostroj 110 může být rovněž použit pro přemístění systému 7 0 na jaderné palivo během ultrazvukového čištění tak, aby se čistily různé oblasti podél axiální délky systému 70 na jaderné palivo.

Jakmile je systém 70 na jaderné palivo umístěn uvnitř pouzdra 24, začíná ultrazvukové čištění. Úspěšné výsledky byly dosaženy s použitím všesměrových radiálních ultrazvukových vln pracujících na frekvenci mezi přibližně 20 a 30 kHz a s výkonem měničů mezi 1000 a 1500 W. Jak je zřejmé ve spojení s odkazem na obr. 5, čerpadlo 92 žene vodu skrz systém na jaderné palivo, čímž vyplavuje usazeniny, které jsou odstraňovány ultrazvukovou energií vytvářenou měniči 22. Zajištění sestupného proudění skrz pouzdro 24 eliminuje potřebu utěsnit vršek pouzdra 24.

Výhodně je systém 70 na jaderné palivo nesen neustále kladkostrojem 110, takže pouzdro 24 vlastně nikdy nenese hmotnost systému 70. na jaderné palivo během procesu čištění. Jak bylo popsáno v předcnázejícím popisu, jsou měniče 22 namontovány na vnějšku pouzdra 24., takže ultrazvuková energie prochází skrz stěny pouzdra. Testování demonstrovalo, že primárním účinkem působení stěn pouzdra je utlumení nízkofrekvenční části ultrazvukového signálu.

Vysokofrekvenční část ultrazvukového signálu (to jest frekvence větší než 10 kHz), která reprezentuje hlavní podíl

A- •0 «··· • · · ·· ·· • · 4 · • · · 4 4 4

4 4 4 4

44

4444 . 25 na účinnosti čištěni, prochází skrz správně zkonstruované pouzdro pouze s minimálním útlumem.

Typický čisticí proces v souladu s předkládaným vynálezem postupuje následovně. Kladkostroj 110 zdvihá systém 70 na jaderné palivo z rámu pro uložení paliva. Pohyblivé strojní zařízení, sdružené s kladkostrojem 110, přenáší systém 70 na jaderné palivo do nádrže 80 nebo do nějakého jiného stanoviště pro čištění. Výhodně je systém 70 na jaderné palivo filmován, když je zaváděn do pouzdra 24 . Tak například obr. 6(b) ilustruje kameru 120 umístěnou na vršku pouzdra 24 pro nahrávání systému 70 na jaderné palivo na video. Potom j-sou buzeny měniče 22. Výhodně je kladkostroj 110-použit pro pomalý posun systémem 70 nahoru a potom dolů, například ve dvouminutových intervalech (to jest nahoru po dobu dvě minuty, dolů po dobu dvě minuty...) . Každé pomalé posunutí má výhodně délku zhruba několika palců.

Aktivita gama záření je monitorována snímačem 96.

Voda s částicemi usazenin na radioaktivním palivu je čerpána čerpadlem 92 skrz filtry 94 a je potom vracena do nádrže 80. Výhodně je monitorována celková radioaktivita filtrů 94. Jakmile gama aktivita na snímači 96 klesne zpět na základní úroveň, je zřejmé, že již nejsou odstraňovány žádné částice usazenin na palivu a že je tudíž čištění dokončeno. Typický čisticí proces má délku mezi 7 až 10 minutami. Tento znak je v silném protikladu k chemickým přístupům podle dosavadního stavu techniky, které trvají hodiny. Trvání čisticího procesu podle předkládaného vynálezu může být zkráceno prostřednictvím zvýšení výkonu měničů. Existující záznamy o experimentech naznačují, že zvýšený výkon měničů nepoškodí palivové kuličky. ,

··

Po čištění je systém 70 na jaderné palivo vyjmut z pouzdra 24, zatímco je filmován na video. Video pásky před čištěním a po čištění mohou být studovány, aby se potvrdil úspěch celého procesu.

Kladkostroj 110 potom přesune systém 70 na jaderné palivo do rámu pro nesení paliva. Čistící systém je nyní připraven přijmout další systém 70 na jaderné palivo pro čištění. Je možné si všimnout, že v případě pevně neseného pouzdra 24., může být jeden kladkostroj 110 použit pro nakládání sady ultrazvukových čisticích zařízení 20. Takové uspořádání zvyšuje celkovou produktivitu procesu.

Technika podle předkládaného vynálezu byla úspěšně demonstrována na 16 jednou ozářených systémech na jaderné palivo, které byly zpracovány v souladu s předkládaným vynálezem během odstávky pro doplnění paliva. Čisté systémy potom byly opětovně uloženy pro následující záření v reaktoru. Systémy na jaderné palivo byly monitorovány pro zjištění známek degradace celistvosti kuliček a pro zjištění známek, že usazeniny na palivu, které způsobuje anomálii axiálního posunutí, by mohly být nedostatečně očištěny.

Nejvážnější pnutí působící na kuličky nastává během počátečního náběhu reaktoru. Nebyly zjištěny příznaky nepříznivého vlivu na kuličky během opětovného startu a následně nebyly vysledovány žádné nepříznivé účinky během nepřetržité činnosti reaktoru. Navíc mapy toku neutronů indikovaly, že usazeniny na palivu v nejkritičtějších oblastech pod mřížemi systému bylyúspešně odstraněny, takže systém pracuje jako nové palivo bez náznaku anomálních potlačení toku.

Kromě demonstrování účinnosti předkládaného vynálezu v praktickém provozu předkládaný vynález rovněž úspěšně odolal v množství laboratorních testů. Zejména byly provedeny série experimentů se vzorky paliva s opláštěním vzduchem oxidované slitiny zirkonia. Přesněji byl testován laboratorní model systému palivových tyčí o velikosti 17x17. Tyto testy neprokázaly žádné metalurgické poškození oxidovaného opláštění v důsledku prodlouženého vystavení ultrazvukovému čištění podle předkládaného vynálezu. Tyto testy indikují, že

..· 10 opláštění paliva (válcová kovová· stěna obsahující kuličky paliva, které dohromady tvoří palivovou tyč) nebude nepříznivě ovlivněno vystavením systémů na jaderné palivo ultrazvukovému čisticímu procesu.

Technika ultrazvukového čištění podle předkládaného 15 vynálezu může čistit bez působení potenciálně poškozující síly na palivové kuličky. Použité ultrazvukové vlny podle předkládaného vynálezu nepronikají plynovou mezeru, která se obvykle nachází mezi kuličkami a vnitřním povrchem opláštění, takže jediným prostředkem přenosu škodlivé vibrační energie

0 na kuličky je pohyb vnitrního povrchu opláštění proti kuličkám. Experimentální výsledky demonstrovaly, že vibrační spektrum opláštění je srovnatelné s vibračním spektrem, kterému je palivo vystaveno během provozu. To, že škodlivé vibrace jsou ohraničeny obvyklými pracovními podmínkami v 25 reaktoru, nemůže být očekáváno jako pravdivé i pro běžný ultrazvuk, protože lze očekávat, že mnohem vyšší energetický vstup, požadovaný pro vyčištění vnitřních palivových tyčí uvnitř svazku těchto tyčí, by pravděpodobně mohl být škodlivý pro kuličky paliva.

Osoby v oboru znalé snadno nahlédnou, že předkládaný vynález může být realizován v množství různých uspořádání. Jako příklady jsou různá doplňková provedení znázorněna na obr. 7 až obr. 10.

Obr. 7 ilustruje měnič 22 podle předkládaného vynálezu, orientovaný v úhlu 45° do vertikální roviny, než aby byl umístěn horizontálně jako v předcházejících provedeních. Měnič 22 může být umístěn uvnitř montážního bloku 120 montážní konzoly 122. Například může být toto zařízení podle obr. 7 namontováno na vršku pouzdra 24 podle obr. 6(a) 'až obr. 6(c). V tomto provedení systém 70 na jaderné palivo je zvedán a veden kolem měničů během čisticího procesu, jak je znázorněno na obr. 6(a) až obr. 6 (c).

Mělo by být zcela zřejmé, že předkládaný vynález může 15 být realizován s měniči na všech čtyřech stranách pouzdra 24. Taková provedení zahrnují reflektory pro každý měnič.

Obr. 8(a) ilustruje provedení předkládaného vynálezu, ve kterém jsou měniče 22 namontovány na pouzdru 130, které je zdviháno a vedeno dolů během procesu čištění, zatímco systém na jaderné palivo zůstává stacionární. Toto provedení předkládaného vynálezu demonstruje, že pouzdro 130 nemusí obklopovat systém na jaderné palivo. V provedení podle obr. 1 až obr. 5 pouzdro 24 funguje pro ochranu paliva, zlepšení filtrace a chlazení a pojmutí odstraněných usazenin. Pouzdro může rovněž fungovat pro jednoduché nesení ultrazvukových měničů, jak je znázorněno na obr. 8(a).

Pouzdro 130 podle obr. 8(a) je upevněno ke zdvihacímu lanu 132. Pro vyvažování hmotnosti pouzdra 130 je použito protizávaží 134. Protizávaží 134 je upevněno k vyrovnávacímu

lanu 133. Zdvihací lano 132 je poháněno navijáky 136, které jsou umístěny na nosném trámu 138. Pro ovládání posunutí pouzdra 130 může být použita brzda 140.

Obr. 8(b) je detailním znázorněním pouzdra 130. V tomto provedení jsou měniče 22 namontovány na pouzdru 130 ve vodícím prostředku 150, který má přidružený reflektor 152.

Obr. 9 ilustruje kanál 160 pro přijetí ultrazvukového čisticího zařízení podle předkládaného vynálezu a přidruženého systému na jaderné palivo. Kanál 160 obsahuje integrální -'čerpadlo 162 a integrální filtry 164 a 166. V tomto provedení tedy jeden integrovaný systém zajišťuje jak funkce čistění tak i funkce filtrace. Filtr 164 může být hrubším filtrem pro vnitřní oběh, zatímco filtr 166 .může být jemným filtrem pro vypouštění do nádrže na palivo během finálního čištění. Blok 168 ilustruje, že jemný filtr 166 může být realizován jako matice plisovaných filtrů (například devíti dvou-palcových plisovaných filtrů).

Obr. 10 až obr. 12_;ilustrují provedení předkládaného vynálezu pro použití s varnými reaktory. Přesněji obr. 10 ilustruje zařízení pro čištění do kanálků uspořádaného paliva, použité ve spojení s varnými reaktory bez zrušení ..kanálkového uspořádání systému na jaderné palivo. Obr. 10 ilustruje pouzdro 200, které nese sadu vertikálně namontovaných měničů 22. Ačkoliv to není znázorněno na obr. 10, měniče mohu být rozmístěny po celé axiální délce pouzdra 200.

Obr. 11 znázorňuje pohled shora na pouzdro 200 v řezu vedeném rovinou 11-11 na obr. 10. Obr. 11 ilustruje vertikálně namontované měniče 22 obklopující systém 202 na

jaderné palivo. Výhodně pouzdro 200 obsahuje reflektor 204. Obr. 12 ilustruje reflektor 204, který zahrnuje vnitřní odrazový povrch 206 a vnější povrch 208. Mezi vnitřním odrazovým povrchem 206 a vnějším povrchem 208 je umístěna vzduchová mezera 210.

Osoby v oboru znalé snadno nahlédnou, že předkládaný vynález navrhuje časově úspornou, .účinnou, .kompaktní, cenově přijatelnou techniku pro odstraňování usazenin ze systémů na jaderné palivo. Technika podle předkládaného vynálezu je extrémně rychlá v porovnání' s. chemickými přístupy podle dosavadního stavu techniky.

Předkládaný vynález rovněž umožňuje, aby systém na •jaderné palivo byl čištěn bez jeho demontáže. Technika podle tohoto vynálezu nevytváří škodlivé posouvání opláštění, které by jinak mohlo ohrožovat fyzickou integritu kuliček jaderného paliva. Jinými slovy předkládaný vynález může čistit vnitřní usazeniny v systému na jaderné palivo bez jakéhokoliv důsledku v průběhu následujícího opětovného spuštění reaktoru.

Další podstatná výhoda, spojená s předkládaným vynálezem, se týká zlepšené správy ozáření a sníženého ozáření personálu jaderné elektrárny. Částice usazenin na palivu, odstraňované čisticím procesem, jsou ve skutečnosti stejným radioaktivním materiálem, který, když je distribuován skrz chladicí smyčku v důsledku tepelných a hydraulických přechodů v jádru, způsobuje nejznatelnější ozáření personálu během odstávek. Tudíž, čištěním paliva a zadržením radioaktivního částicového materiálu na filtrech, které samy mohou být bezpečně uloženy v nádrži na palivo po dlouhé časové periody (zatímco klesá jejich aktivita), je možné ·· · · dosáhnout snížení intenzity dávky při· odstávkách a tím snížení dávkového ozáření personálu. Čištění paliva jako strategie pro řízení intenzity dávky a snížení intenzity dávky je tedy životaschopnou novou metodou pro snížení nákladů na správu ozáření.

Předcházející popis pro účely snazšího výkladu použil specifické názvosloví, aby tak bylo zajištěno úplné pochopení vynálezu. Osobám v oboru znalým ale bude zcela zřejmé, že specifické detaily nejsou vyžadovány, aby bylo možné uvést vynález do praxe. V'dalších'případech jsou obecně známé obvody a zařízení ilustrovány ve formě blokových schémat, aby se tak vyloučilo zbytečné odvádění pozornosti od podstaty vynálezu. Předcházející popis specifických provedení předkládaného vynálezu je tedy prezentován pouze pro účely, ilustrace a výkladu. Tento popis není určen pro výlučnou definici nebo omezení vynálezu pouze na popisovaná provedení. Je zcela zřejmé, že v rozsahu uvedeného výkladu je možné provést mnoho modifikací a změn. Jednotlivá provedení byla vybrána a popsána za účelem nej lepšího vysvětlení podstaty .vynálezu a jeho praktického využití, což umožňuje osobám v oboru znalým nejlépe využít vynález a navrhnout různá provedení s různými modifikacemi, která jsou vhodná pro použití v určité předpokládané aplikaci. Rozsah předkládaného vynálezu je definován obsahem následujících patentových nároků g jejich ekvivalenty.

Claims (20)

1. Zařízení pro čištění ozářeného systému na jaderné palivo, vyznačující se tím, že zahrnuje:

pouzdro; a množství ultrazvukových měničů umístěných na uvedeném pouzdru pro vydávání radiálně vystupující všesměrové ultrazvukové energie, která odstraňuje usazeniny z ozářeného systému na jaderné palivo, umístěného v těsné blízkosti uvedeného pouzdra.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že každý z množství ultrazvukových měničů zahrnuje tyč s prvním koncem a druhým koncem, přičemž na uvedeném prvním konci je umístěn první, piezoelektrický měnič a na uvedeném druhém konci je umístěn druhý piezoelektrický měnič.

3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedené ultrazvukové měniče mají přidružený reflektor zahrnující první odrazový povrch, vzduchovou mezeru a vnější povrch.

4. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedené množství ultrazvukových měničů zahrnuje první měnič, umístěný pro vytváření první sady vln radiálně vystupující všesměrové ultrazvukové energie s uzly minimálního posunutí ve zvolených polohách, a druhý měnič, umístěný pro vytváření druhé sady vln radiálně vystupující všesměrové ultrazvukové energie s uzly maximálního posunutí ve zvolených polohách.

5. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedené pouzdro zahrnuje první konec s vodícím prostředkem pro vedení uvedeného systému na jaderné palivo do uvedeného pouzdra.

·*,/' '-’ϊλ,,Λ

6. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedené pouzdro zahrnuje druhý konec s otvorem definujícím otvor nouzového chlazení.

7. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že uvedený 5 druhý konec je uspořádán pro přijetí filtračního,potrubí.

8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že dále zahrnuje čerpadlo spojené s uvedeným filtračním potrubím..

9. Zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že dále zahrnuje filtr spojěný s uvedeným čerpadlem.

10. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje kladkostroj pro přemísťování uvedeného ozářeného systému na jaderné palivo uvnitř uvedeného pouzdra.

15

11. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že uvedený kladkostroj přemísťuje, uvedený'systém na jaderné palivo v sekvenci poloh podél podélné osy uvedeného pouzdra, zatímco je aktivováno uvedené množství ultrazvukových měničů.

'

12. Způsob čištění ozářeného systému na jaderné palivo, vyznačující se tím, že zahrnuje kroky:

umístění systému na jaderné palivo do těsné blízkosti pouzdra; a vydávání radiálně vystupující všesměrové ultrazvukové energie z měničů, umístěných na uvedeném pouzdru, do uvedeného systému na jaderné palivo pro odstranění-usazenin -z tohoto systému na jaderné palivo.

13. Způsob podle nároku 12, vyznačující, se tím,, že uvedený krok vydávání zahrnuje krok selektivního odrážení uvedené

·· ··«♦ « · radiálně vystupující všesměrové ultrazvukové energie uvnitř pouzdra.

14. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok cirkulace kapaliny skrz uvedené pouzdro během uvedeného kroku vydávání.

15. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok filtrování uvedené kapaliny.

16. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok měření radioaktivity uvnitř uvedené kapaliny.

17. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok zastaveni uvedeného kroku vydávání, když uvedená radioaktivita klesne na předem stanovenou úroveň.

18. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok přemísťování uvedeného systému na jaderné palivo v sekvenci poloh podél podélné osy uvedeného pouzdra během uvedeného kroku vydávání.

19. Způsob podle nároku 13, vyznačující se tím, že uvedený krok vydávání zahrnuje kroky vydávání radiálně vystupující všesměrové ultrazvukové energie s frekvencí mezi přibližně 20 až 30 kHz při výkonu měničů mezi 1000 a 1500 W.

20. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že krok vydávání zahrnuje krok vydávání první sady vln radiálně vystupující všesměrové ultrazvukové energie s uzly minimálního posunutí ve zvolených polohách, a vydávání druhé sady vln radiálně vystupující všesměrové ultrazvukové energie s uzly maximálního posunutí ve zvolených polohách.