DE102010038413B3

DE102010038413B3 - Flowing medium speed measuring device for use in measuring arrangement for measuring flow speed of coolant in fuel element of nuclear reactor, has piston supported by pressure difference only in active direction of dynamic pressure

Info

Publication number: DE102010038413B3
Application number: DE201010038413
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hummel
Original assignee: Areva NP GmbH
Current assignee: Framatome GmbH
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-07-27

Abstract

The device (1) has a partial chamber (10) pressurized with dynamic pressure (ps) of a flowing medium (K) through a channel (37). Static pressure (p0) is obtained in another partial chamber (12) through another channel (52). A piston (6) is axially displaced in a direction of force, which is exerted from the flowing medium, against an effect of a spring (24). A position of the piston is a measure for pressure difference obtained between the two partial chambers. The piston is displaceably supported by the pressure difference only in an active direction of the dynamic pressure.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums und insbesondere auf eine Messanordnung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit des in einem Brennelement eines Kernreaktors einströmenden Kühlmittels.The invention relates to a device for measuring the velocity of a flowing medium and more particularly to a measuring arrangement for measuring the flow velocity of the coolant flowing in a fuel assembly of a nuclear reactor.

Aus zahlreichen Inspektionsresultaten bei der Vermessung von Brennelementen eines Druckwasserreaktors ist es bekannt, dass sich diese im Laufe ihrer Einsatzdauer in Abhängigkeit von ihrer Position im Kern verbiegen. Diese Verbiegungen konnen einerseits durch eine nicht homogene Neutronflussverteilung über das Brennelement und damit unterschiedliches strahleninduziertes Wachstum des Brennelementskelettes oder andererseits durch Einleitung von Schubkraften in die Abstandhalter durch das unterschiedliche strahleninduzierte Wachstum der Brennstäbe hervorgerufen werden. Als wesentliche Grunde für die Verbiegung werden jedoch vor allen Dingen eine Wechselwirkung zwischen dem strömenden Kuhlwasser und dem Brennelement sowie Inhomogenitaten beim Ein- und Ausströmen des Kuhlwassers in bzw. aus dem Kern vermutet. So können durch unterschiedliche Kuhlmitteldurchsatze in den einzelnen Brennelementen Querströmungen zwischen den Brennelementen auftreten, die diese Verbiegungen hervorrufen. Langjahrige Auswertungen der Ergebnisse von Messkampagnen bei der Vermessung von Brennelementen zeigen, dass ein für jeden Kern typisches Muster von Verbiegungsrichtungen vorliegt, wie dies beispielsweise auch in der WO 2005/059924 A2 näher veranschaulicht ist. Damit liegt der Schluss nahe, dass differenziell unterschiedliche Kühlmitteldurchsätze, d. h. eine systematische Abhängigkeit des Volumen- oder Massenstroms durch ein Brennelement von der Position, in der sich dieses Brennelement im Kern befindet, sich auf jedes Brennelement bei jedem Betriebszyklus in gleicher Weise auswirken. Dementsprechend könnten derartige systematische Durchbiegungen des Kerns verhindert werden, wenn es gelänge, die Strömungsverteilung im Kern durch gezielt Drosselung an bestimmten Kernpositionen zu homogenisieren. Um dies zu ermöglichen, müsste jedoch die Verteilung des Kühlmitteldurchsatzes über den Kern bekannt sein.From numerous inspection results in the measurement of fuel assemblies of a pressurized water reactor, it is known that these bend in the course of their service life depending on their position in the core. These deflections can be caused on the one hand by a non-homogeneous neutron flux distribution over the fuel assembly and thus different radiation-induced growth of the fuel element skeleton or on the other hand by introducing shear forces in the spacers by the different radiation-induced growth of the fuel rods. However, as an essential reason for the bending, an interaction between the flowing cooling water and the fuel element as well as inhomogeneities in the inflow and outflow of cooling water into or out of the core are suspected. Thus, through different Kuhlmitteldurchsatze in the individual fuel elements transverse flows between the fuel elements occur that cause these deflections. Long-term evaluations of the results of measuring campaigns during the measurement of fuel elements show that a typical pattern of bending directions is present for each core, as is also the case in the WO 2005/059924 A2 is illustrated in more detail. Thus, it can be concluded that differentially different coolant flow rates, ie a systematic dependence of the volume or mass flow through a fuel assembly from the position in which this fuel assembly is located in the core, have the same effect on each fuel assembly at each operating cycle. Accordingly, such systematic deflections of the core could be prevented if it were possible to homogenize the flow distribution in the core by targeted throttling at certain core positions. However, to facilitate this, the distribution of coolant flow rate through the core would need to be known.

Vorrichtungen zum Messen der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums durch Ausnutzen der auf einen Kolben auf Grund der Differenz zwischen einem vom strömenden Medium ausgeübten Staudruck und einem im Medium herrschenden statischen Druck sind beispielsweise aus der DE 36 096 C oder der US 2 538 003 A bekannt.Devices for measuring the velocity of a flowing medium by exploiting the on a piston due to the difference between a dynamic pressure exerted by the flowing medium and a static pressure prevailing in the medium, for example, from DE 36 096 C or the US Pat. No. 2,538,003 A known.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums anzugeben, die insbesondere im Kern eines Kernreaktors zur lokalen Messung des Kühlmitteldurchsatzes geeignet ist.The invention is based on the object to provide a device for measuring the velocity of a flowing medium, which is particularly suitable in the core of a nuclear reactor for the local measurement of the coolant flow rate.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen umfasst die Vorrichtung einen in einer Kammer axial verschiebbar und mit einer Feder axial federnd gelagerten Kolben, der die Kammer in eine erste und zweite Teilkammer aufteilt, wobei die erste Teilkammer über einen ersten Kanal mit dem Staudruck des strömenden Mediums beaufschlagt ist, und in der zweiten Teilkammer über zumindest einen zweiten Kanal der im strömenden Medium herrschende statischen Druck herrscht, so dass der Kolben in Richtung der vom strömenden Fluid ausgeübten Kraft gegen die Wirkung der Feder axial verschoben wird, und die Lage des Kolbens ein Mal für die zwischen der ersten und der zweiten Teilkammer herrschende Druckdifferenz ist, wobei der Kolben durch einen zwischen der ersten und zweiten Teilkammer herrschenden Differenzdruck nur in Wirkrichtung des Staudrucks verschiebbar gelagert ist.The object is achieved according to the invention with a device having the features of claim 1. According to these features, the device comprises a chamber axially displaceable and axially spring-mounted with a spring piston which divides the chamber into a first and second sub-chamber, wherein the first sub-chamber is acted upon by a first channel with the dynamic pressure of the flowing medium, and prevails in the second sub-chamber via at least one second channel of the prevailing in the flowing medium static pressure, so that the piston in the direction of the force exerted by the flowing fluid against the Effect of the spring is axially displaced, and the position of the piston is once for the prevailing between the first and the second sub-chamber pressure difference, wherein the piston is slidably supported by a prevailing between the first and second sub-chamber differential pressure only in the effective direction of the back pressure.

Die Lage des Kolbens kann dabei grundsätzlich über in der Vorrichtung angebrachte Sensoren, beispielsweise Wegaufnehmer erfasst werden. Mit einer solchen, an mehreren Positionen im Kern angeordneten Vorrichtung ist es möglich, die Strömungsverteilung im Kern eines Kernkraftwerkes, insbesondere eines Druckwasserreaktors quantitativ zu erfassen.The position of the piston can in principle be detected by sensors mounted in the device, for example displacement transducers. With such a device arranged at several positions in the core, it is possible to quantitatively detect the flow distribution in the core of a nuclear power plant, in particular a pressurized water reactor.

Da der Kolben nur in Wirkrichtung des Staudrucks verschiebbar ist und somit in einer Position fixiert bleibt, die einer während der Messung auftretenden maximalen Druckdifferenz entspricht, ist der maximale Differenzdruck auf diese Weise im Kolben gespeichert, so dass eine elektrische Signalerfassung nicht erforderlich ist, da die Messung der Verschiebung des Kolbens auch nach Ausbau der Vorrichtung in einer separaten Messstation möglich ist. Eine derart gestaltete Vorrichtung lässt sich problemlos nachträglich in einen Kern eines Kernreaktors, beispielsweise am Einlass eines Brennelementes einbauen.Since the piston is displaceable only in the effective direction of the back pressure and thus remains fixed in a position corresponding to a maximum pressure difference occurring during the measurement, the maximum differential pressure is stored in the piston in this manner, so that an electrical signal detection is not required because the Measurement of the displacement of the piston is possible even after removal of the device in a separate measuring station. Such a device can be easily retrofitted in a core of a nuclear reactor, for example, at the inlet of a fuel assembly.

Wenn außerdem die Kolbenstange des Kolbens mit einem Klemmrichtgesperre, d. h. einem nichtrastenden Gesperre in Eingriff steht, ist es möglich, den maximalen Differenzdruck kontinuierlich zu erfassen, da die Verschiebung des Kolbens ebenfalls kontinuierlich, d. h. nicht stufenweise erfolgt.In addition, if the piston rod of the piston with a Klemmrichtgesperre, d. H. a non-latching ratchet engaged, it is possible to continuously detect the maximum differential pressure, since the displacement of the piston is also continuously, d. H. not done step by step.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are specified in the further subclaims.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausfuhrungsbeispiele verwiesen. Es zeigen: For further explanation of the invention reference is made to the exemplary embodiments illustrated in the figures. Show it:

1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem Langsschnitt, 1 a device according to the invention in a longitudinal section,

2 in einem Prinzipbild eine zum Einbau in einen Kern vorgesehenes und mit einer erfindungsgemaßen Vorrichtung versehenes Brennelement in einer schematischen Prinzipdarstellung. 2 in a schematic diagram of a planned for installation in a core and provided with an inventive device fuel assembly in a schematic schematic representation.

Gemäß 1 umfasst die Vorrichtung 1 ein annähernd zylindrisches Gehäuse 2, in dem sich eine zylindrische Kammer 4 befindet, in der ein Kolben 6 axial, d. h. in Richtung einer Längsachse 8 der Kammer 4 verschiebbar gelagert ist. Der Kolben 6 unterteilt die Kammer 4 in eine erste Teilkammer 10 und eine zweite Teilkammer 12. Eine Kolbenstange 14 des Kolbens 6 ist mit ihrem vom Kolben 6 abgewandten Ende in einer zylindrischen Ausnehmung 16 einer Führungsbuchse 18 gefuhrt ist. Die Führungsbuchse 18 ist in das Gehause 2 eingeschraubt und umfasst an ihrer der Kammer 4 zuwandten Stirnflache einen Abschlussring 20, der beim Einschrauben der Fuhrungsbuchse 18 gegen eine in der Wand des Gehauses 2 gebildete Schulter 22 gedrückt wird. Zwischen dem Abschlussring 20 und dem Kolben 6 ist eine Feder, im Beispiel eine Rohrfeder 24 angeordnet, die bei einer Bewegung des Kolbens 6 in Richtung des Pfeils 26 auf Zug beansprucht wird. Die Kolbenstange 14 weist im Bereich der ersten Teilkammer 10 eine umlaufende Schulter 28 und damit in einem vom Kolben 6 abgewandten Endstück 30 einen großeren Durchmesser auf als in dem innerhalb der ersten Teilkammer 10 angeordneten, dem Kolben 6 zugewandten Abschnitt 32. Das Endstück 30 ist mit einer zentralen Langsbohrung 34 versehen, die an den Schultern 28 fluidisch mit der ersten Teilkammer 10 verbunden ist. Die Längsbohrung 34 fluchtet mit einer zentralen Öffnung 36 der Fuhrungsbuchse 18. Langsbohrung 34 und zentrale Öffnung 36 bilden somit einen ersten Kanal 37, der die erste Teilkammer 10 mit der Umgebung der Vorrichtung 1 fluidisch verbindet.According to 1 includes the device 1 an approximately cylindrical housing 2 in which there is a cylindrical chamber 4 is located in the one piston 6 axially, ie in the direction of a longitudinal axis 8th the chamber 4 is slidably mounted. The piston 6 divided the chamber 4 in a first compartment 10 and a second sub-chamber 12 , A piston rod 14 of the piston 6 is with her from the piston 6 opposite end in a cylindrical recess 16 a guide bush 18 is guided. The guide bush 18 is in the housing 2 screwed in and includes at her the chamber 4 turned face end a closing ring 20 when screwing in the guide bushing 18 against one in the wall of the housing 2 educated shoulder 22 is pressed. Between the end ring 20 and the piston 6 is a spring, in the example a Bourdon tube 24 arranged, during a movement of the piston 6 in the direction of the arrow 26 is claimed on train. The piston rod 14 points in the area of the first sub-chamber 10 a circumferential shoulder 28 and in one of the pistons 6 facing away tail 30 a larger diameter than in the inside of the first sub-chamber 10 arranged, the piston 6 facing section 32 , The tail 30 is with a central long hole 34 provided on the shoulders 28 fluidic with the first compartment 10 connected is. The longitudinal bore 34 is aligned with a central opening 36 the guide bush 18 , long hole 34 and central opening 36 thus form a first channel 37 who is the first part chamber 10 with the environment of the device 1 fluidly connects.

Auf einer innenliegenden ringformig umlaufenden Schulter 38 der Führungsbuchse 18 ist ein Keilring 40 aufgesetzt, der das Endstück 30 umgibt und zum Kolben 6 hin geöffnet ist. Die Fuhrungsbuchse 18 ist an ihrem dem Kolben 6 zugewandten Ende mit einem Innengewinde 42 versehen, in das eine mit einer zentralen Durchgangsöffnung versehene Innenhulse 44 eingeschraubt ist, die den Keilring 40 gegen ein axiales Verschieben sichert. Auf das Endstück 30 ist ein Klemmring 46 geschoben, der über einen Zwischenring 48 von einer sich an der Innenhülse 44 abstutzenden Ringfeder 50 gegen die kegelformige Keilfläche des Keilrings 40 gedrückt und auf diese Weise eine Bewegung des Kolbens 6 in eine der Richtung des Pfeils 26 entgegensetzte Richtung verhindert. Mit anderen Worten: Keilring 40 und federbelasteter Zwischenring 48 dienen als Klemmrichtgesperre, das eine Bewegung des Kolbens 6 nur in Richtungen des Pfeils 26 zulasst und den Kolben 6 in jeder axialen Stellung gegen eine Zurückbewegung sichert.On an inner annular shoulder 38 the guide bush 18 is a wedge ring 40 put on the tail 30 surrounds and to the piston 6 is open. The guide bush 18 is at her the piston 6 facing end with an internal thread 42 provided, in which a provided with a central passage opening Innenhulse 44 screwed in, which is the wedge ring 40 secures against axial displacement. On the tail 30 is a clamping ring 46 pushed over an intermediate ring 48 from one to the inner sleeve 44 supporting ring spring 50 against the conical wedge surface of the wedge ring 40 pressed and in this way a movement of the piston 6 in one of the direction of the arrow 26 opposite direction prevented. In other words: wedge ring 40 and spring-loaded intermediate ring 48 Serve as Klemmrichtgesperre, which is a movement of the piston 6 only in directions of the arrow 26 allows and the piston 6 in each axial position against a back movement secures.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung entspricht der eines Prandtl'schen Staurohrs. Ein parallel zur Langsachse 8 anstromendes Medium K erzeugt uber den mit der ersten Teilkammer 10 kommunizierenden aus Längsbohrung 34 und Öffnung 36 gebildeten ersten Kanal 37 innerhalb der ersten Teilkammer 10 einen dem Staudruck entsprechenden dynamischen Druck p_s. Die zweite Teilkammer 12 kommuniziert über zweite Kanäle 52, die durch radiale, d. h. senkrecht zur Stromungsrichtung verlaufende Bohrungen gebildet sind, mit dem seitlich am Gehause 2 vorbeistromenden fluiden Medium K, so dass in der zweiten Teilkammer 12 der in diesem Medium K herrschende statische Druck p₀ vorliegt. Die Differenz zwischen dem Staudruck p_s und dem statischen Druck p₀ ist Fluide proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit des Fluids und somit bei dessen bekannter Dichte und bekanntem Querschnitt eines vom Fluid durchstromenden Hohlkörpers ein Maß für den Volumen- bzw. Massendurchsatz. Aufgrund der zwischen ersten und zweiten Teilvolumen 10 bzw. 12 herrschenden Druckdifferenz p_s – p₀ wirkt auf den Kolben 6 eine dieser Druckdifferenz proportionale Kraft, die gegen die Wirkung der Rohrfeder 24 ein Verschieben des Kolbens 6 bewirkt, bis die von der Rohrfeder 24 ausgeubte Zugkraft die auf den Kolben 6 in Folge der Druckdifferenz ausgeubte Kraft kompensiert. Die Verschiebung des Kolbens 6 kann nunmehr unmittelbar durch Messung des Abstandes a zwischen der dem Kolben 6 abgewandten Stirnfläche des Endstückes 30 und einer an der Hulse 18 befindlichen Referenzfläche 54 gemessen werden. Der Kolben 6 ist dabei in einer Position fixiert, die der während der Messung maximal auftretenden Geschwindigkeit entspricht. Die Messung des Abstandes a kann deshalb nach Entnehmen der Vorrichtung problemlos außerhalb des Mediums K vorgenommen werden.The mode of action of the device corresponds to that of a Prandtl's pitot tube. One parallel to the long axis 8th Anstromendes medium K generated via the with the first sub-chamber 10 communicating from longitudinal drilling 34 and opening 36 formed first channel 37 within the first compartment 10 a dynamic pressure p _s corresponding to the back pressure. The second compartment 12 communicates via second channels 52 , which are formed by radial, ie perpendicular to the direction of flow holes, with the side of the housing 2 passing fluid medium K, so that in the second compartment 12 the prevailing in this medium K static pressure p ₀ is present. The difference between the back pressure p _s and the static pressure p ₀ is fluid proportional to the square of the velocity of the fluid and thus at its known density and known cross-section of a hollow body flowing through the fluid a measure of the volume or mass flow rate. Due to the between first and second partial volume 10 respectively. 12 prevailing pressure difference p _s - p ₀ acts on the piston 6 one of these pressure difference proportional force, which is against the action of the Bourdon tube 24 a displacement of the piston 6 causes, until the of the Bourdon tube 24 applied traction on the piston 6 compensated force applied as a result of the pressure difference. The displacement of the piston 6 can now directly by measuring the distance a between the piston 6 facing away from the end face of the tail 30 and one at the Hulse 18 located reference surface 54 be measured. The piston 6 is fixed in a position that corresponds to the maximum occurring during the measurement speed. The measurement of the distance a can therefore be made easily after removal of the device outside of the medium K.

Die Fuhrungsbuchse 18 und der Klemmring 46 sind außerdem mit einer Mehrzahl von miteinander fluchtenden axialen Bohrungen 58 bzw. 60 versehen, in die Entriegelungsstifte eingeführt werden können, um nach erfolgter Messung des Abstandes a ein Ruckfuhren des Kolbens 6 in eine drucklose Ausgangsposition zu ermoglichen.The guide bush 18 and the clamping ring 46 are also with a plurality of aligned axial bores 58 respectively. 60 provided in the unlocking pins can be introduced to after the measurement of the distance a, a return of the piston 6 to allow in a non-pressurized starting position.

In 2 ist eine Messanordnung dargestellt, in der die Vorrichtung 1 gemaß der Erfindung zur Messung der Verteilung des Kuhlmitteldurchsatzes in einem Reaktordruckbehälter eines Kernkraftwerkes eingesetzt ist. Hierzu sind an mehreren Brennelementen 100 im Bereich des Brennelementfußes 102 jeweils eine Vorrichtung 1 angeordnet. Beim Brennelementwechsel kann dann die Vorrichtung 1 vom Brennelement 100 entfernt und der an der Position dieses Brennelements 100 im Kern maximal herrschende Volumendurchsatz quantitativ erfasst werden, so dass entsprechend der Anzahl der mit einer Vorrichtung 1 bestückten Brennelemente 100 die Verteilung des Kühlmitteldurchsatzes im Kern eines Kernreaktors gemessen werden kann.In 2 a measuring arrangement is shown, in which the device 1 is used according to the invention for measuring the distribution of Kuhlmitteldurchsatzes in a reactor pressure vessel of a nuclear power plant. These are on several fuel elements 100 in the area of the fuel element foot 102 one device each 1 arranged. When fuel assembly can then the device 1 from the fuel element 100 removed and at the position of this fuel assembly 100 In the core maximum prevailing volume flow rate can be quantitatively recorded, so that according to the number of with a device 1 equipped fuel elements 100 the distribution of the coolant flow rate in the core of a nuclear reactor can be measured.

Claims

Contraption ( 1 ) for measuring the velocity of a flowing medium (K) with one in a chamber ( 4 ) axially displaceable and with a spring ( 24 ) axially spring-mounted piston ( 6 ), the chamber ( 4 ) into a first and a second sub-chamber ( 10 respectively. 12 ), the first sub-chamber ( 10 ) via a first channel ( 37 ) is loaded with the dynamic pressure (p _s ) of the flowing medium and in the second partial chamber ( 12 ) via at least one second channel ( 52 ) prevails in the flowing medium (K) static pressure (p ₀ ), so that the piston ( 6 ) in the direction of the force exerted by the flowing medium (K) against the action of the spring ( 24 ) is moved axially, and the position of the piston ( 6 ) a measure of the between the first and the second sub-chamber ( 10 respectively. 12 ) is the prevailing pressure difference, the piston ( 6 ) by the between the first and second partial chamber ( 10 respectively. 12 ) prevailing differential pressure is slidably mounted only in the effective direction of the back pressure (p _s ).

Device according to Claim 1, in which a piston rod ( 14 ) of the piston ( 6 ) is engaged with a Klemmrichtgesperre.

Device according to Claim 1, in which the clamping-direction locking device engages a piston rod ( 14 ) surrounding wedge ring ( 40 ) and one on the piston rod ( 14 ) axially displaceably mounted clamping ring ( 46 ), which resiliently against the piston rod ( 14 ) facing conical inner surface of the wedge ring ( 40 ) is pressed.

Device according to one of the preceding claims, in which the piston rod ( 14 ) of the piston ( 6 ) serving as a pitot tube central bore ( 58 respectively. 60 ) which is fluidically connected to the first sub-chamber ( 10 ) connected is.

Measuring arrangement for measuring the flow velocity of a fuel element ( 100 ) of a nuclear reactor inflowing coolant, with one at the coolant inlet of the fuel assembly ( 100 ) arranged device according to one of the preceding claims.