DE1179312B - Einrichtung zum Ermitteln von Leckstellen in der Huelle von Kernreaktor-Brennelementen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21g-21/31

U 7646 VIII c/21g
14. Dezember 1960
8. Oktober 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ermitteln von Leckstellen in der Hülle von Brennelementen, bei der innerhalb der Brennelementhülle ein Körper angeordnet ist, der im Falle des Einbringens von Kühlmittel eine Deformation der Brennelementhülle an einer dafür bestimmten Stelle verursacht.

Zweck der einen Kernbrennstoff körper einschließenden Schutzhülle ist es, Spaltprodukte in dem Brennstoffelement zurückzuhalten und eine Reaktion zwisehen dem Brennstoffkörper und dem Kühlmittel zu verhindern. Es ist daher wünschenswert, die Unversehrtheit der Hülle möglichst aufrechtzuerhalten und Leckstellen, die etwa in der Hülle entstehen, ermitteln zu können. Zu diesem Zweck ist eine Vorrichtung entwickelt worden, durch welche kurzlebige Spaltprodukte, die durch Leckstellen in der Hülle entwichen sind, im Kühlmittel nachzuweisen sind. Jedoch kann die Eigentümlichkeit irgendeiner Leckstelle so sein, daß ein Eindringen des Kühlmittels das Entweichen von Spaltprodukten, die ein erkennbares Signal an der Anzeigevorrichtung auslösen würden, überwiegt. Durch das Eindringen des Kühlmittels kann dann ein Medium geschaffen werden, in dem unter den beim Normalbetrieb des Reaktors herrschenden Bedingungen eine Oxydation des Brennstoffkörpers stattfindet, die unerwünscht ist, und eine solche Oxydation des Brennstoffkörpers kann ohne jegliche Warnung des Betriebspersonals vor sich gehen und einen ernsten Gefahrzustand hervorrufen.

Für das Messen der Brennelementtemperaturen ist die Verwendung von Thermoelementen bekannt. In einem kommerziellen Kernreaktor jedes Brennelement mit einem Thermoelement auszurüsten wäre aber nicht ausführbar. Durch die Erfindung soll jedoch die Möglichkeit geschaffen werden, eine Leckstelle in jedem Brennelement in einem Kernreaktor auf Grund der im Falle einer Rißbildung eintretenden Temperaturerhöhung ausfindig zu machen. Die vorliegende Einrichtung bedeutet daher einen Vorteil gegenüber Thermoelementen, da sie an jedem Brennelement in einem Reaktor angebracht werden kann und keine Gefahr besteht, daß die Einrichtung sich von einem Brennelement lösen könnte, was bei einem Thermoelement jedoch der Fall sein kann.

Es sind auch noch andere Einrichtungen bekannt, bei denen Leckstellen ermittelt werden, jedoch nicht durch Temperaturmessung. Beispielsweise ist eine Einrichtung zum Anzeigen des Anschwellens eines Brenstoffelementes bekanntgeworden. Das Anschwellen tritt als Ergebnis davon auf, daß Kühl-Einrichtung zum Ermitteln von Leckstellen in der Hülle von Kernreaktor-Brennelementen

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:
David William Williams,
John George Edwards,
Arthur William Shilling, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 29. Dezember 1959 (44 162)

mittel in ein Brennelement hineinleckt und mit dem Brennstoff reagiert, wodurch sich Produkte mit größerem Volumen bilden. Anstatt sich auf die Produkte einer Reaktion zwischen Brennstoff und Kühlmittel zu verlassen, welche die Brennelementhülle verformen, soll vorhegend eine feste Substanz absichtlich in die Brennelementhülle eingeführt werden, um die Hülle zu verformen, wenn eine bestimmte Temperatur in der Substanz überschritten ist. Auf diese Weise kann eine frühere Warnung einer Leckstelle erhalten werden, und es können Brüche und Risse in der Seitenwand eines Brennelementes vermieden werden. Es kann nämlich eine beträchtlichere Reaktion zwischen Brennstoff und Kühlmittel stattfinden, ehe der Schwelleffekt der Reaktionsprodukte ermittelt wird. Außerdem kann ein Brechen, das die Folge einer Anschwellung ist, einen Reaktor ernstlich verseuchen.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung ist ein isolierter Leiter vorgesehen, der in ein Brennelement eingebaut ist und dessen Widerstand gemessen wird. Um jedoch die nötigen Messungen vornehmen zu können, sind zwischen dem Brennelement in einem Reaktor und der Bedienungsperson außerhalb des Reaktors elektrische Verbindungen erforderlich.

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Diese elektrischen Verbindungen erschweren das Be- und Entladen des Reaktors mit Brennelementen erheblich, wenn sie es nicht ganz unmöglich machen. Wenn aber die elektrischen Verbindungen unterbrochen werden, geht jede Möglichkeit, eine Fehlerstelle im Brennelement zu ermitteln, verloren.

Ein anderes bekanntes Verfahren hatte zum Ziel, Leckstellen in Brennelementhüllen durch Messen der Torsionsbeanspruchung zu ermitteln. Hierbei ist irgendeine Einrichtung an der Außenseite des Brennelementes zum Vornehmen der Messungen vorgesehen. Dies wäre jedoch kostspielig, und außerdem würde die Möglichkeit bestehen, daß die Einrichtung versagt. Dazu kommt, daß sie den Kühlmittelstrom über das Brennelement behindert und das Ein- und Ausladen der Brennelemente erschweren würde.

Der Umstand, daß bei vorliegender Einrichtung ein Brechen oder Verformen der Hülle bewirkt würde, ganz gleich, was der Grund für eine übermäßig hohe Temperatur ist, wird durch die erzielten Vorteile mehr als aufgewogen, da übermäßig hohe Temperaturen, die zur Beschädigung der Hülle ausreichten, äußerst unwahrscheinlich sind, wenn der zum Einführen ausgewählte Stoff sorgfältig gewählt ist. So ist die vorliegende Einrichtung verhältnismäßig billig, einfach zusammen mit jeder beliebigen Brennelementart zu verwenden und schließlich unabhängig von Verbindungsleitungen, welche versagen könnten. Außerdem kann das gleiche Ermittlungsgerät verwendet werden wie bei den bewährten herkömmlichen Verfahren zur Ermittlung von Spaltprodukten im Reaktorkühlmittel, und die vorliegende Einrichtung kann somit diese herkömmlichen Verfahren ohne Schwierigkeiten ergänzen.

Die vorstehend genannten Vorteile werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der die Deformation der Hülle bewirkende Körper innerhalb des Kernbrennstoffkörpers angeordnet ist und aus einer Substanz besteht, deren Volumenzunahme bei Temperaturerhöhung größer ist als die des Brennstoffkörpers, und daß der infolge der Volumenzunahme des Körpers auf die Hülle ausgeübte Druck die Deformation bewirkt.

Sollte nun eine Oxydation eines Brennstoffkörpers in seiner Hülle eintreten, so verhindern die Oxydationsprodukte eine Wärmeübertragung in diesen Teil des Brennstoffkörpers, so daß seine Temperatur steigt. Die eingeschlossene Substanz dehnt sich dann aus, und es folgt eine Deformierung der Hülle. Die Deformierung der Hülle kann mit Hilfe eines Spannungs- oder Formänderungsanzeigers entdeckt werden oder dadurch, daß die Hülle bricht, wodurch Spaltprodukte frei werden, die durch das herkömmliche Überwachen des Kühlmittels entdeckt werden können.

Die vorliegende Einrichtung ist außerordentlich empfindlich, und sie kann Leckstellen in äußerst frühem Stadium ermitteln, da die Volumenänderung des Körpers viel größer als die Volumenänderung infolge der Oxydationsprodukte allein sein kann. Außerdem kann die Volumenänderung örtlich festgelegt werden, und die Möglichkeit eines Zubruchgehens der Seitenwände eines Brennstoffelementes wird sehr stark herabgesetzt.

Die Ausdehnung der Substanz kann beispielsweise durch Schmelzen, Sublimation oder eine chemische Umwandlung erreicht werden. Bei einem Beispiel, bei dem der Brennstoff aus Uran und die Hülle aus einer Magnesiumlegierung besteht, kann die Substanz Aluminium sein, das in ein kleines, in den Uran-Brennstoffkörper gebohrtes Loch eingeführt wird. Besteht die Hülle aus Beryllium oder rostfreiem Stahl, so kann die Substanz Magnesium statt Aluminium sein. Das Aluminium oder Magnesium kann streifenförmig ausgebildet und mit einer Niobhülle umgeben sein, die mit einer scharfen Spitze an einem Ende versehen ist, die die Hülle aufbricht,

ίο wenn das Aluminium oder Magnesium schmilzt und sich ausdehnt. Bei einem anderen Beispiel besteht die Substanz aus Uranjodid, das durch Sublimation verdampft werden und so die Hülle durch seinen Dampfdruck deformieren kann, wobei eine solche Deformierung mit Hilfe eines Spannungs- oder Formänderungsmessers, wie oben genannt, entdeckt werden kann. Uranjodid kann auch in Verbindung mit dem mit Niob umhüllten Aluminium- oder Magnesiumstreifen verwendet werden oder mit irgendeiner anderen Vorrichtung, die ein Aufbrechen der Hülle bei einer über der normalen Betriebstemperatur des Brennstoffelementes liegenden Temperatur verursacht. Der Druck von Uranjodiddampf, der sich bei der Sublimation gebildet hat, treibt dann Spaltprodukte durch eine Bruchstelle in der Hülle und erleichtert die Leckermittlung. Auf diese Weise können auch zufällige Aufbrüche (d. h. Aufbrüche, die durch das Versagen des Hüllenmaterials, durch defekte Endkappen, Schweißstellen, durch Beschädigung usw. entstanden sind) in einer Hülle für Brennstoffelemente entdeckt werden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Substanz Uran sein, das so behandelt wird, daß es sich anisotrop ausdehnt, wobei das Uran so angeordnet ist, daß es durch Ausdehnung die Hülle in der gewünschten Richtung deformiert. Diese letztere Substanz kann insofern Vorteile aufweisen, als die Volumenänderung nicht plötzlich stattfindet und daher die Ermittlung in einem ganzen Temperaturbereich möglich sein kann.

Ein Beispiel einer Ausführungsform der Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung, die ein Schnittbild darstellt, erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt einen Uran-Brennstoffkörper 1 in einer Schutzhülle 2, die durch an die Hülle 2 angeschweißte Endkappen 3 verschlossen ist. Eine der Endkappen 3 weist eine dünnere Zone 4 auf. Unterhalb der dünneren Zone 4 ist der Uran-Brennstoffkörper 1 ausgebohrt, um ein Loch 5 zu bilden, das einen Aluminiumstreifen 6 enthält, der in eine Niobhülle 7 gehüllt ist, die eine Spitze 8 unmittelbar unter der Zone 4 aufweist. Sollte die Schweißung zwischen der Hülle 2 und der Kappe 3 defekt sein und es dem aus Kohlendioxyd bestehenden Kühlmittel ermöglichen, in das Brennstoffelement einzusickern, während es in einem Kernreaktor unter Belastung steht, so fände eine Oxydation des Brennstoff körpers 1 statt, so daß sich auf dem Brennstoffkörper zwischen dem Körper und der Hülle Oxyde anlagern und als Isolierschicht wirken würden. Die Urantemperatur steigt dann an, der Aluminiumstreifen 6 schmilzt, und durch die Ausdehnung des Aluminiums wird die Spitze 8 durch die dünnere Zone 4 gestoßen. So können Spaltprodukte aus dem defekten Brennelement entweichen, ohne daß man sich auf ein Entweichen durch die defekte Schweißung verlassen muß, und daher können sie leichter mit den herkömmlichen Einrichtungen zum Ermii-

teln von Spaltprodukten im Reaktorkühlmittel entdeckt werden.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Ermitteln von Leckstellen in der Hülle von Brennelementen, bei der innerhalb der Brennelementhülle ein Körper angeordnet ist, der im Falle des Eindringens von Kühlmittel eine Deformation der Brennelementhülle an einer dafür bestimmten Stelle verursacht, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (6, 8) innerhalb des Kernbrennstoffkörpers angeordnet ist und aus einer Substanz besteht, deren Volumenzunahme bei Temperaturerhöhung größer ist als die des Brennstoff körpers, und daß der infolge der Volumenzunahme des Körpers auf die Hülse ausgeübte Druck die Deformation bewirkt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement mit einem Spannungs- oder Formänderungsanzeiger zum Nachweis der Deformation versehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz mit einem Körper in Verbindung steht, der die Hülle bei ihrer Ausdehnung durchbricht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper, der die Hülle durchbricht, unterhalb einer gegenüber der normalen Hüllendicke dünneren Zone der Hülle angeordnet ist.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Substanz schmilzt.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz Uran enthält, das so behandelt worden ist, daß es sich anisotrop ausdehnt.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz Uranjodid enthält.

8. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz in eine weitere Hülle eingeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 051 426,

392, 1059 583;

deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 756 799;
USA.-Patentschriften Nr. 2 856 341, 2 716 229,

2 855 355.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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