DD234961A1

DD234961A1 - Verfahren zur dichtheitspruefung von hermetischen sicherheitseinschluessen

Info

Publication number: DD234961A1
Application number: DD85273630A
Authority: DD
Inventors: Juergen Kuehne; Steffen Oehmigen; Winfried Krause
Original assignee: Energiewerke Nord Gmbh
Priority date: 1985-02-28
Filing date: 1985-02-28
Publication date: 1986-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dichtheitspruefung von hermetischen Sicherheitseinschluessen, das auf dem Prinzip der Tracermethode beruht. Das Verfahren dient insbesondere zur Kontrolle der Dichtheit von Druckraumsystemen in Kernkraftwerken. Ziel und Aufgabe bestehen darin, ein Verfahren zur Kontrolle der Dichtheit von hermetischen Sicherheitseinschluessen, insbesondere von Druckraumsystemen in Kernkraftwerken zu schaffen, mit dem eine moeglichst schnelle und den Genauigkeitsanforderungen entsprechende Ermittlung der zulaessigen Leckraten gewaehrleistet wird, wobei der technisch-technologische Aufwand bei den notwendigen Pruefungen zu minimieren ist. Dies wird dadurch erreicht, indem je nach Volumen des Sicherheitseinschlusses 108 Bq...51011 Bq eines radioaktiven Edelgases in das ueberpruefende System injiziert und homogen verteilt werden. Danach wird unter Beibehaltung der homogenen Aktivitaetsverteilung das System auf den Pruefdruck aufgelastet und anschliessend erfolgt die Messung der zeitlichen Aenderung der Aktivitaetskonzentration, aus der dann die Leckrate berechnet wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung von hermetischen Sicherheitseinschlüssen, das auf dem Prinzip der Tracermethode beruht. Das Verfahren dient insbesondere zur Kontrolle der Dichtheit von Druckraumsystemen in Kernkraftwerken.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Industrie gibt es Behälter bzw. Räume, an die besondere Anforderungen in bezug auf die Gasdichtheit bei Überdruck bzw.

Unterdruck gestellt werden. Ein Kriterium für die Dichtheit eines Behälters stellt die sogenannte Leckrate dar. Um die jeweils geforderte Dichtheit zu gewährleisten, werden in regelmäßigen Abständen Dichtheitsprüfungen durchgeführt.

Aus dem Stand der Technik sind nachfolgend aufgeführte Prüfmethoden bekannt:

Bei der ersten Methode, der Druckabfallmethode, wird der Raum bzw. Behälter auf einen bestimmten Überdruck (z. B.

Auslegungsdruck) mit Hilfe von Preßluft aufgelastet. »

Anschließend werden in definierten Zeitabständen der Druckabfall, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit gemessen. Mit Hilfe dieser Werte wird dann die Leckrate bestimmt (KTA-Regel 3405 Integrale Leckratenprüfungen des Sicherheitsbehälters; ANSI N 45.4

— 1972, „American National Standard Leakage - Rate Testing of Containment Structures of Nuclear Reaktor"). Schwankungen der Temperatur oder der Luftfeuchtigkeit haben unmittelbaren Einfluß auf den Druck und somit auf das Ergebnis der Prüfung. Es ist daher notwendig, daß auch lokale Änderungen dieser Größen in der Berechnung berücksichtigt werden. Vor allem bei sehr kleinen nachzuweisenden Leckraten muß dieser Nachteil durch zusätzliche Temperatur- und Feuchtigkeitsmessungen kompensiert werden, was insbesondere bei großen Räumen sehr aufwendig ist. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß es sehr zeitaufwendig ist.

Bei der zweiten Methode wird in dem zu prüfenden Raum bzw. Behälter ein definierter Unterdruck erzeugt, indem das dort befindliche Gas abgesaugt wird. Danach kann dann entweder durch Messung des abgesaugten Volumenstromes V die den Prüfbedingungen (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) zugeordnete Leckrate direkt bestimmt werden oder es wird in diesem System in definierten Zeitabständen der Druckanstieg gemessen und unter Berücksichtigung der Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen die entsprechende Leckrate berechnet

Beide Verfahren der zweiten Methode haben den Nachteil, daß sie nur dort anwendbar sind, wo:

— keine hohe Druckfestigkeit (max. 0,1 MPa Druckdifferenz) an das System,

— keine großen Genauigkeiten zur Ermittlung der zulässigen Leckraten gefordert sind oder

— ausschließlich eine lokale Ortung der Leckagen durchgeführt werden soll. Somit ergeben sich für diese Methode begrenzte Anwendungsmöglichkeiten.

Eine dritte Methode ist in der DD-PS 55 894 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird der zu prüfende Hohlkörper (insbesondere Uhren) dem entweder von außen oder von innen her wirkenden Überdruckeines inerten Prüfgases ausgesetzt und dann werden durch undichte Stellen im Prüfkörper eingedrungene bzw. aus dem Hohlkörper ausgetretene Teile des Prüfgases auf röntgenspektroskopischem Wege festgestellt

Dieses Verfahren schließt drei Durchführungsarten ein:

a) Der Prüfkörper wird in eine Meßkammer eingeführt und das durch Undichtigkeiten in das Körperinnere eingedrungene Gas wird dann mit Hilfe einer Röntgenröhre angeregt und die dadurch erzeugte Fluoreszenzstrahlung des Gases mit einem Zählrohr gemessen. Daraus läßt sich die eingedrungene Gasmenge bestimmen.

b) Der Prüfkörper wird in eine geschlossene Kammer gebracht, welche mit einem quasi-momentanen Überdruck eines inerten Gases beaufschlagt wird. Dann mißt man die Intensität der die Kammer durchsetzenden Röntgenstrahlung und deren eventuelle Änderung als Folge einer Verringerung der Anfangsgasmenge in der Kammer. Eine Verringerung der in der Kammer befindlichen Gasmenge findet dann statt, wenn Gas in das Innere des Hohlkörpers eindringt, so daß auf diese Weise genau diese in den Körper gelangte Gasmenge feststellbar ist.

c) Ein beliebiger Prüfkörper wird eine bestimmte Zeitlang in einer unter Überdruck befindlichen Gasatmosphäre angeordnet, man überführt ihn anschließend in eine dichte Kammer, die evakuiert wird, und mißt dann die Intensität der diese Kammer durchsetzenden Röntgenstrahlen, wobei die Menge des in der Kammer festgestellten Gases, das aus dem Inneren aes Hohlkörpers stammt, ein Maß für dessen Dichtheit ist.

Diese Methode besitzt den großen Nachteil, daß es nur für kleine Prüfkörper geeignet ist, da der ökonomische Aufwand für den Bau einer Prüfkammer, insbesondere bei der Prüfung von hermetischen Sicherheitseinschlüssen in Kernkraftwerken, in keinem Verhältnis zum Ergebnis stehen würde.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung von hermetischen Sicherheitseinschlüssen, insbesondere von Druckraumsystemen in Kernkraftwerken zu schaffen, mit dem eine möglichst schnelle und den Genauigkeitsanforderungen entsprechende Ermittlung der zulässigen Leckraten gewährleistet wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der. Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kontrolle der Dichtheit von hermetischen Sicherheitseinschlüssen, insbesondere von Druckraumsystemen in Kernkraftwerken zu schaffen, welches so beschaffen ist, daß Schwankungen der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und damit des Druckes einen möglichst geringen Einfluß auf das Ergebnis der Prüfungen haben, wobei insbesondere der technisch-technologische Aufwand bei den notwendigen Prüfungen zu minimieren ist. Erfindungsgemäß

wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Kontrolle der Gasdichtheit von hermetischen Sicherheitseinschlüssen, insbesondere von Druckraumsystemen in Kernkraftwerken je nach Volumen des Sicherheitseinschlusses 10⁸ Bq...5 · 10" Bq eines radioaktiven Edelgases, z. B. Kr 85 oder Xe 133, in das zu überprüfende System injiziert und homogen im System verteilt werden, so daß eine Anfangsvolumenkonzentration von 10 Bq/l...1O⁴ Bq/I erreicht wird. Danach wird das System unter Beibehaltung der Homogenisierung auf den Prüfdruck aufgelastet. Aus der sich anschließenden Messung der zeitlichen Änderung der Aktivitätskonzentration innerhalb einiger Minuten bis zu 10 Stunden läßt sich die Leckrate ermitteln. Es ist jedoch auch möglich, daß das zu prüfende System zuerst auf den Prüfdruck aufgelastet wird und danach die Injizierung des Edelgases sowie dessen Homogenisierung erfolgt. Die Homogenisierung kann durch bereits vorhandene Umluftanlagen oder spezielle Lüfter durchgeführt werden, wobei die dabei erreichte Luftwechselzahl > 10 h~¹ sein sollte. Da Schwankungen der Temperatur um einige K und der relativen Luftfeuchtigkeit um einige Prozent keinen meßbaren Einfluß auf das Gesamtvolumen des Systems haben, ändert sich dadurch auch nicht die Volumenkonzentration der radioaktiven Gase, und demzufolge liegt mit der Volumenkonzentration eine von den genannten Einflüssen unabhängige Größe vor.

Für die Aktivitätsmessung und damit die Ermittlung der Leckrate kommen zwei Durchführungsarten zur Anwendung. Nach der ersten Durchführungsart wird im Bypaß ein Teilstrom aus dem zu prüfenden System entnommen und über eine spezielle Gasmeßkammer, die mit Strahlungsdetektoren ausgerüstet ist, geführt, in der die zeitliche Veränderung der Konzentration der injizierten Radionuklide gemessen wird. Nach der zweiten Durchführungsart werden ein oder mehrere Strahlungsdetektoren entweder direkt im Sicherheitseinschluß installiert oder, wenn die Abschirmwirkung noch Meßeffekte zuläßt, an der Außenwand desselben angebracht und die von den Strahlungsträgern ausgehende Strahlung zu verschiedenen Zeiten direkt gemessen. Dabei ist diese Ausführungsart nur dort angebracht, wo die neben den injizierten Radionukliden möglicherweise vorhandenen weiteren Strahlungsquellen vernachlässigt werden können.

Die Größe der zu verwendenen Aktivität, die Meßzeit und die Prüfzeit werden vor allem von der zu erreichenden unteren Nachweisgrenze des Verfahrens bestimmt. Zusätzlich gibt es aus Strahlenschutzgründen eine obere Begrenzung für das zum Einsatz kommende Aktivitätsniveau. Das beschriebene Verfahren eignet sich zur integralen Dichtheitsprüfung bzw. Leckratenermittlung hermetischer Sicherheitseinschlüsse, insbesondere von Druckraumsystemen in Kernkraftwerken, ist aber darüber hinaus auch zur Dichtheitsprüfung von einzelnen Räumen oder Behältern geeignet. Als Prüfmedien finden sowohl Gase als auch Flüssigkeiten Verwendung, wobei Gase vor allem bei größeren Sicherheitseinschlüssen wegen der einfacheren Handhabbarkeit vorzuziehen ist

Die Leckratenbestimmung wird nach der folgenden Beziehung durchgeführt:

„-_Α-λ (D

Dabei bedeuten:

L. : Der durch Leckagen aus dem System entweichende Anteil je Zeiteinheit. \_o: Die Aktivitätskonzentration bzw. Intensität der Strahlung zum Zeitpunkt t = O V Die Aktivitätskonzentration bzw. die Intensität der Strahlung nach der Zeit t :: Die Prüfzeit

v. Die Zerfallskonstante des verwendeten Isotops \us Gleichung (1) läßt sich die Leckrate V nach der Beziehung

V = \ V (2)

jerechnen, wobei V das freie Volumen des Sicherheitseinschlusses ist.

Durch das Prüfverfahren ist es möglich, Einflüsse von Temperatur-, relativer Luftfeuchte- und damit Druckschwankungen auf das 'rüfergebnis auszuschließen. Die bisher notwendigen materiellen Aufwendungen, die durch eine große Anzahl von Meßstellen und lotwendiger Auswertetechnik bedingt sind, können durch Anwendung der Tracermethode minimiert werden. Durch Wahl von Vleßzeiten zur Bestimmung der Aktivitätskonzentration bzw. der Strahlungsintensität von etwa 1 h wird es möglich, den Fehler bei jer Ermittlung der Leckraten sehr gering zu halten, so daß damit auch sehr niedrige Leckraten in der Größenordnung 0,5% je Tag nit ausreichender statistischer Sicherheit nachweisbar sind. Daraus wiederum können die notwendigen Prüfzeiten für die Dichtheitskontrolle minimiert und damit die Verfügbarkeit der Anlage erhöht werden.

^usführungsbeispiel

lie Erfindung wird nachstehend am Beispiel einr Dichtheitskprüfung des Druckraumsystems in einem Kernkraftwerk näher Häuten.

/lit Hilfe eines Autoklaven werden 3,7 · 10" Bq (10 Ci) Kr 85 in den Saugkanal einer Umluftanlage injiziert. Über den Druckkanal der Imluftanlage wird das radioaktive Kr-85 in den hermetischen Sicherheitseinschluß (Druckraumsystem) des Kernkraftwerkes ingebracht und durch einstündiges Umwälzen homogen in der Raumluft des gesamten Druckraumsystems, das ein Volumen ' = 5 · 10⁴m³ hat, vertei't. Danach wird das Druckraumsystem mittels Druckluft auf einen Prüfdruck von 0,245 MPa aufgelastet, wobei ie Umluftanlage weiter betrieben wird. Nach Erreichen des Prüfdruckes und einer sich anschließenden Beruhigungsphase von 1 itunde wird über ein Probeentnahmesystem, das die gleichzeitige Probeentnahme an mehreren Stellen des Druckraumsystems estattet, mit Hilfe eines Gebläses Luft mit einem Volumenstrom von 1 m³/h entnommen und über eine Gasmeßkammer geführt. >iese Gasmeßkammer besteht aus einem Druckbehälter mit einem Volumen von 10 I, in dem ein Detektor zur Aktivitätsmessung lstalliert ist. Als Detektor wird ein Stilben-ß-Szintillator mit nachgeschalteten Sekundärelektronenvervielfacher verwendet, der /iederum mit einem handelsüblichen Strahlungsmeßgerät, z. B. vom Typ 20046, gekoppelt ist. Ein Strömungswächter dient zur !ontrolle des Durchsatzes durch die' Gasmeßkammer. Hat sich in der Gasmeßkammer die Gleichgewichtsaktivität eingestellt, wird lit einer Meßzeit von 1 Stunde die Anfangskonzentration A₀ gemessen. Während der Messung bleibt die Gasmeßkammer mit dem iystem verbunden. Die Messung der Aktivität A wird 10 Stunden nach Beginn der ersten Messung durchgeführt, ntsprechend Gleichung (1) wird nun die Leckrate berechnet

In ^Ao

Die Berechnung der Leckrate wird nachfolgend anhand eines numerischen Beispiels dargelegt:

Die Konzentration des Kr-85 im Sicherheitseinschluß beträgt 7,4 10³ Bq/I. Daraus ergibt sich mit der Empfindlichkeit des Detektors von 2,16% die Zählrate ZO = 1,6 · 10³s"¹. Mit der Meßzeit von 1 h folgt Z₀ = 5,76 · 10⁶~ A₀. Nach 10 h wird die Zweitmessung durchgeführt.

Es ergibt sich z. B. Z = 5,75 10⁶ ~ A.

In Gleichung (1) kann nun für A = Z und A₀ = Z₀ gesetzt werden, wenn man eine konstante Empfindlichkeit der Meßkammer voraussetzt.

Unter Verwendung von

-λ

mit Z₀ = 5,76· 10«, Ζ = 5,75·10⁶, λ = 7,404 -lO-'h"¹,

ergibt sich "¹V= 1,6627 10-⁴Ii-¹.

Das entspricht einem Gaswechsel von 1,6 · 10~² % je Stunde gleich 0,38% je Tag.

Mit Gleichung (2) V =*\- V ergibt sich = 8,3 m³/n als integraler Leckvolumenstrom in bezug auf den Auslegungsdruck. Wie eine etwas ausführliche Fehlerrechnung anhand des Gaußschen Fehlerfortpflanzungsgesetzes, die hier nicht näher erläutert werden soll, zeigt, wird die Standardabweichung τ für den integralen Leckvolumenstrom praktisch nur durch die statistischen Schwankungen bei der Aktivitätsmessung bestimmt. Bei unserem Beispiel ergibt sich dann "t ±t_u = (1,6627+ 0,59) ^;10-⁴h"'

als Anteil der durch Undichtheiten je Zeiteinheit aus dem System entweicht bzw. V ± σν= (8,3 ± 2,95) m³/h als integrale Leckrate c Sicherheitseinschlusses.

Claims

Erfindungsanspruch:

Verfahren zur Dichtheitsprüfung von hermetischen Sicherheitseinschlüssen, insbesondere von Druckraumsystemen in Kernkraftwerken, durch Anwendung der Tracermethode, gekennzeichnet dadurch, daß je nach Volumen des Sicherheitseinschlusses 10⁸ Bq...5 · 10¹¹ Bq eines radioaktiven Edelgases, gegegenenfalls Kr-85 oderXe-133, in das zu überprüfende System injiziert und homogen im System verteilt werden, so daß eine Anfangsvolumenkonzentration von 10 Bq/l...1O⁴ Bq/I erreicht wird, daß danach bei Beibehaltung der homogenen Aktivitätsverteilung die Druckauflastung des Systems auf Prüfdruck erfolgt und daß anschließend durch mindestens zweimalige zeitlich aufeinanderfolgende Messungen der Aktivitätskonzentrationen im Sicherheitseinschluß die zeitliche Änderung der Aktivitätskonzentration innerhalb einiger Minuten bis zu 10 Stunden ermittelt und daraus die Leckrate berechnet wird.