DE1297772B

DE1297772B - Vorrichtung zum Bestrahlen von Proben in einem Kernreaktor

Info

Publication number: DE1297772B
Application number: DEC36083A
Authority: DE
Inventors: Gentil Jean Antoine; Grenoble Isere; Seguin Maurice; Arragon Philippe Andre Pierre
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1964-06-10
Filing date: 1965-06-09
Publication date: 1969-06-19
Also published as: IL23649A; FR1407115A; GB1046685A; US3412250A; BE664708A; CH438511A; ES314055A1; SE309815B; NL6507439A; LU48730A1

Description

diese Weise wird es möglich, alle Brutstoffteile mehr 15 schiedenen Dosen bestrahlt werden, bevor sie in der

oder weniger lange dem von dem Reaktorkern ausgehenden Fluß unmittelbar auszusetzen, wobei allerdings in keiner Weise dafür gesorgt ist, daß die Bestrahlung der einzelnen Brutstoffkörper in untereinander gleicher Weise erfolgt.

Insofern kann die aus der deutschen Auslegeschrift 1039146 bekannte Konstruktion auch nicht ohne weiteres für Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art zum Vorbild genommen werden, da es bei diesen

heißen Zelle ausgewechselt werden. Es ist auf diese Weise möglich, die Wirkung verschiedener Parameter zu bestimmen, die die jeweils untersuchte Erscheinung, wie beispielsweise Bestrahlungswirkungen auf Materialien und die Kinetik von Ausheilprozessen, beeinflussen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Halterungen längs der drehbaren Welle fluchtend angeordnet, von denen jede

Bestrahlungsvorrichtungen sehr darauf ankommt, daß 25 mit einer Probenkapsel versehen ist. Dabei ist es jede der miteinander zu vergleichenden Bestrahlungs- weiter möglich, eine der Probenkapseln durch eine proben genau die gleiche Strahlungsdosis zugeführt Kapsel mit einem Thermoelement zur Messung der erhält. Eine derartige Gleichheit der den einzelnen Temperatur zu ersetzen, wenn die Kenntnis dieses Bestrahlungsproben zugeführten Energiemengen ist Parameters erforderlich ist. Als solche Temperaturnämlich unabdingbare Voraussetzung für einen Ver- 3° meßkapsel kann man eine den übrigen Probenkapseln gleich der in den verschiedenen Proben durch den gleiche Kapsel verwenden, die lediglich zusätzlich ein von dem Reaktorkern ausgehenden Fluß hervor- durch ihre Wand hindurchgeführtes und in die Probe gerufenen Veränderungen. hineinragendes Thermoelement enthält.

Leider wird nun die Erzielung einer solchen Gleich- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung soll nun-

heit der den einzelnen Bestrahlungsproben zugeführ- 35 mehr ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung ten Strahlungsdosis durch die sowohl zeitliche als gemäß der Erfindung beschrieben werden, das in der auch räumliche Heterogenität der von dem Reaktorkern ausgehenden Strahlung sehr erschwert. Zwar
läßt sich der störende Einfluß der räumlichen Heterogenität dieser Strahlung dadurch ausschalten, daß 40
man die einzelnen Bestrahlungsproben nacheinander
an die gleiche Stelle in bezug auf den Reaktorkern
bringt, indem man sie etwa nach dem Vorbild der
belgischen Patentschrift 627174 der Reihe nach um

eine feststehende Achse in den Strahlungsbereich ein- 45 Kern eines Schwimmbecken-Reaktors. Die Vorrichschwenkt, jedoch stellt dann immer noch die zeitliche tang besitzt einen unteren Teil A, der in den Reaktor-Heterogenität der Kernstrahlung die Gleichheit der
den einzelnen Bestrahlungsproben zugeführten Dosis
in Frage. Diese zeitliche Heterogenität bzw. ihr störender Einfluß läßt sich allein dadurch beseitigen, 50
daß man alle miteinander zu vergleichenden Bestrahlungsproben gleichzeitig dem von dem Reaktorkern ausgehenden Fluß aussetzt. Dies bedeutet aber
naturgemäß, daß man die Bestrahlung der einzelnen

Proben an verschiedenen Stellen gegenüber dem Re- 55 Tragrostes für den Kern des Reaktors eingesetzt ist. aktorkern durchführen muß, wodurch sich wieder Der untere Teilet der eigentlichen Vorrichtung

ein störender Einfluß der räumlichen Heterogenität umfaßt eine Welle 8, die drehbar in einem Umhülder Kernstrahlung ergeben kann. lungsrohr 10 angeordnet ist. Das Umhüllungsrohr 10

Im Ergebnis ist also festzustellen, daß mit den bis- greift, wenn es eingesetzt ist, von seinem oberen Ende herigen Bestrahlungsvorrichtungen immer nur ent- 60 her in den Wasserkasten 4 ein, der die Zentrierung weder die räumliche oder die zeitliche Heterogenität des Rohres 10 sicherstellt. Das Rohr 10 ist mit einer der Kernstrahlung für die Messung unwirksam ge- Reihe von Öffnungen 12 für den Durchtritt von Kühlmacht werden kann, niemals aber beide störenden wasser aus dem Schwimmbecken versehen, das längs Einflüsse gleichzeitig zu unterdrücken sind. Dement- des Wasserkastens 4 und durch dessen Fuß 6 in den sprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, 65 Kühlkreislauf des Reaktors eingesaugt wird, eine Vorrichtung anzugeben, die eine genaue Fest- Die Welle 8 trägt bei dem gezeigten Ausführungs-

legung der den einzelnen miteinander zu vergleichen- beispiel fünf übereinander angeordnete Halterungen den Bestrahlungsproben zugeführten Dosisleistung 14, von denen eine in F i g. 2 vergrößert dargestellt

Zeichnung veranschaulicht ist. Es zeigt

Fig. 1 die wesentlichen Teile der Vorrichtung (teilweise im Schnitt) und

Fig. 2 einen mit II bezeichneten Teil der Vorrichtung nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.

Die dargestellte Vorrichtung dient zur Bestrahlung von Graphitproben innerhalb von dichten Kapseln aus nichtrostendem Stahl in Heliumatmosphäre im

kern eingebracht wird, und einen oberen Teil B, der dann in das Wasser des Schwimmbeckens außerhalb der Zone hohen Flusses eintaucht.

Bestrahlungsort und -raumbedarf werden durch einen Wasserkasten 4 festgelegt, dessen äußere Form gleich derjenigen eines Brennstoffelements des Reaktors ist. Der Wasserkasten 4 endet in einem rohrförmigen Fuß 6, der in das Gitter des (nicht gezeigten)

ist. Die Halterungen 14 bestehen beispielsweise aus Aluminium und haben im wesentlichen die Form eines Gestells mit einer Muffe 15, einer mit der Welle 8 fest verbundenen Grundplatte 16 und einer Deckplatte 20. Die Grundplatte 16 ist mit einer Reihe von Ausnehmungen 18 versehen, die gleichmäßig über einen auf die Welle 8 zentrierten Kreis verteilt sind. Die Deckplatte 20 ist auf der Muffe 15 verschiebbar angebracht und wird gegen die Grundplatte 16 durch eine Reihe von vorzugsweise aus Nickellegierung bestehenden Federn 22, gedrückt, die zwischen der Deckplatte 20 einer Halterung 14 und der Grundplatte 16 der unmittelbar darüber angeordneten Halterung zusammengedrückt werden. Lediglich die Federn 22 der in F i g. 1 sichtbaren obersten Halterung 14 stützen sich direkt gegen einen an der Welle 8 fixierten Ring 24 ab. In den Ausnehmungen 18 sind Bestrahlungskapseln 26 angeordnet und werden darin durch die aufgedrückte Deckplatte 20 gehalten. Zur Steigerung der Sicherheit wird im allgemeinen ein Aluminiumdraht vorgesehen, der die Fixierung der Kapseln 26 vervollständigt, die durch Abstandshalter 28 an ihrem Platz gehalten werden.

Von den sieben in jeder Halterung sitzenden Kapseln 26 sind fünf als Bestrahlungskapseln ausgebildet, die Bestrahlungsproben enthalten, eine weitere (nicht gezeigte) enthält ein Dosimeter zur Messung der aufgenommenen Strahlung. Die siebente dient als Kapsel zur Messung der Temperatur und enthält eine Vergleichsprobe 30, in der ein Thermoelement 32 angeordnet ist. Die Durchführung der Thermoelementdrähte durch den Verschluß der entsprechenden Kapsel in dichter Weise wird beispielsweise durch Bogenschweißen in Argonatmosphäre erreicht. Die insgesamt fünf Vergleichsproben sowie die insgesamt fünf Dosimeter sind vorzugsweise jeweils längs der gleichen Erzeugenden ausgerichtet. Herausgeführte Leitungen 34 gehen durch die Wand der rohrförmigen Welle 8 und erreichen den außerhalb des hohen Flusses gelegenen Teil B durch das Innere der Welle 8.

Es sind verschiedene Ausführungsarten möglich, insbesondere ist es möglich, ein und dieselbe Kapsel für die Messung von Temperatur und Strahlungsdosis zu verwenden. Die Kapsel enthält dann die mit einem Thermoelement versehene Probe und ein integrierendes Dosimeter, beispielsweise in Form einer Scheibe von 3 mm Durchmesser und 0,1 mm Dicke.

Die Kapseln 26 werden durch die Zirkulation von durch den Wasserkasten 4 nach unten strömendem Wasser gekühlt. Die Temperatur der Proben und der Vergleichsprobe wird also einerseits durch die mit der Strahlungsabsorption verbundene Aufheizung und andererseits durch die Kühlung auf Grund des Wärmeaustausches zwischen Wasser und Kapseln bestimmt.

Die Temperatur der Proben stellt sich im allgemeinen zwischen 30 und 40° C längs der Achse bei einem sehr engen Spiel bzw. Spalt zwischen Proben und Kapseln und einer nuklearen Aufheizung von etwa 4 W/g im Graphit ein: Damit diese Temperatur für alle Proben gleich und vor allem gleich derjenigen in der Vergleichsprobe wird, muß der Wärmewiderstand zwischen Graphit und Kapsel bei allen Kapseln möglichst gleich sein; dieser Widerstand hängt wesentlich von der Einpassung der Probe in die Kapsel ab, und es ist notwendig, daß diese sorgfältig vorgenommen wird: Beispielsweise brachte eine Bearbeitungsungenauigkeit von ^± 0,02 mm der Bohrung der Kapsel oder des Durchmessers der Probe bei einem tatsächlich durchgeführten Einbau eine Schwankung von etwa ^± 1,2° C der Graphittemperatur.

Der obere Teil Z? der Vorrichtung umfaßt einen Abschnitte' der drehbaren Welle8, der koaxial zu einem Abschnitt 10' des Umhüllungsrohres 10 angeordnet ist: Die Wellenabschnitte sind durch einen nicht gezeigten Mitnahmestift miteinander verbunden. Die Abschnitte des Umhüllungsrohres sind durch eine

ίο auseinandernehmbare dichte Flanschverbindung 35 zusammengefügt.

Der obere Abschnitt ist nach einem Gehäuse 36 hin offen, das der Aufnahme verschiedener mechanischer Vorrichtungen oder Anordnungen dient, die weiter unten beschrieben werden, sowie zur Sicherstellung einer dem biologischen Schutz dienenden Versetzung zwischen dem Umhüllungsrohr 10 und einem zweiten vertikalen Rohr 38, das teilweise aus der Wassermasse des Reaktors herausragt.

ao Die beiden Abschnitte der Welle 8 sind in dem Gehäuse 36 mittels eines Lagers 40 eingehängt und am Ausgang des Gehäuses 36 durch ein Lager 42 sowie im Wasserkasten4 durch in Fig. 1 nicht gezeigte Zentrierkörper geführt. Die Lager sind für Trockenbetrieb eingerichtet; die Zentrierkörper können durch drei in 120°-Teilung angeordnete Saphire gebildet werden, die im Innern eines Ringes aus nichtrostendem Stahl rotieren.
Zum Antrieb der Rotation der Welle 8 ist ein Getriebemotor 44 im Gehäuse 36 angeordnet. Die Rotationsgeschwindigkeit soll im allgemeinen einige Umdrehungen pro Minute betragen, und sie lag beispielsweise bei einer bereits erprobten Ausführungsart der Vorrichtung gemäß der Erfindung bei 14 Um- drehungen pro Minute.

Die mit den Thermoelementen 32 gemessenen Temperaturen werden auf außerhalb des Reaktorbeckens angeordnete Meßgeräte durch die Leitungen 34 übertragen, die wie die Welle 8 und das Umhül·- lungsrohr 10 in zwei Abschnitte unterteilt sind. Diese beiden Abschnitte sind durch Mikro-Steckverbindungen 46 verbunden, die bei zusammengebauter Vorrichtung in einem Niveau oberhalb der dichten Verbindung 35 liegen, wodurch die Demontage erleichtert wird, wie weiter unten gezeigt wird. Ebenfalls zur Erleichterung des Zuganges zu diesen Mikro-Steckverbindungen 46 während der Demontage besitzt der Teil 48 der Leitungen 34 oberhalb der Mikro-Steckverbindungen 46 durch spiralförmige Aufwicklung eine gewisse Elastizität.

Die Leitungen 34 enden in elektrisch leitenden Kreisringen 50, die gegeneinander und gegen das Gehäuse 36 isoliert sind. Auf jedem der Ringe 50 schleift eine festgelegte Kollektorbürste 52, die mit einem Leiter 54 verbunden ist, der durch das vertikale Rohr 38 hindurchgeführt und dieses durch eine dichte, oberhalb des Wasserspiegels des Reaktorbeckens angeordnete Dichtung 56 verläßt; zusätzliche (nicht gezeigte) Abstreiforgane können zur Beseitigung von Abrieb bzw. Staub vorgesehen sein, der durch Ausrichtungsfehler im Temperaturmeßsystem erzeugt wird.

Die in dem Gehäuse 36 und wenigstens die in dem Abschnitt 10' des Umhüllungsrohres 10 angeordneten mechanischen Vorrichtungen sollen trocken funktionieren, und der obere Teil B der Vorrichtung bildet eine dichte Umhüllung. Durch einen seitlichen Rohransatz 58 kann ein neutrales Gas, beispielsweise He-

Hum, unter Druck in diese Umhüllung eingeleitet werden, wodurch das Wasser bis zum Niveau einer in dem Umhüllungsrohr 10 angebrachten Kontrollöffnung 60 zurückgedrängt werden kann.

Weiter ist eine in Fig. 1 nicht gezeigte Bedienungstafel vorgesehen. Sie enthält eine Regelvorrich- r tung für den Heliumdruck, die dazu dient, den Wasserspiegel im Umhüllungsrohr 10 auf einer im wesentlichen konstanten Höhe zu halten, einen Druckanzeiger, der mit einem Alarm-Kontaktgeber versehen ist, einen Niederspannungs-Versorgungskreis für den Getriebemotor 44 und ein Temperatur-Registriergerät. Ein Maximalwert-Kontaktgeber bzw. eine (automatische) Sicherung ist vorzugsweise zur Unterbrechung der Versorgung des Getriebemotors 44 für den Fall einer Überlastung infolge beispielsweise einer zufällig auftretenden Blockierung der drehbaren Welle 8 vorgesehen.

Die Betriebsweise ist bereits nach der vorstehenden ausführlichen Beschreibung der Vorrichtung verstandlieh und soll daher nur in knapper Form zur Erläuterung der Vorzüge der Erfindung beschrieben werden. Zum Einsetzen wird die Vorrichtung einfach herabgelassen, so daß sie mit dem unteren Ende des UrnhüUungsrohres 10 in den Wasserkasten 4 eingreift. Die Abmessungen der Vorrichtung sind derart, daß bei eingefahrener Vorrichtung eine Wasserschicht von etwa wenigstens 4 m oberhalb des Gehäuses 36 zur Sicherstellung eines ausreichenden biologischen Schutzes für das Bedienungspersonal oberhalb des Wasserspiegeis besteht. Nach Einsetzen der Vorrichtung wird Helium durch den seitlichen Rohransatz 58 bis zum Auftreten von Blasen, die aus der Kontrollöffnung 60 entweichen, zugeführt: Der Druck wird dann leicht vermindert, wodurch der Wasserspiegel im Umhüllungsrohr 10 wieder bis über die Öffnung 60 ansteigt. Die Vorrichtung ist nun betriebsfertig. Selbstverständlich sind andere Lösungen zur Festlegung des Helium(druck)niveaus ohne Gasverlust anwendbar.

Das Herausnehmen umfaßt bis zum Auftauchen der Verbindung 35 eine Reihe von inversen Operationen. Der untere Teilvi der Vorrichtung wird festgelegt, dann wird die Flanschverbindung 35 gelöst und der obere Teil B um 10 cm angehoben. Die beiden Abschnitte der Welle 8 können nun durch Ausrücken des Mitnahmestiftes voneinander getrennt werden. Der untere Abschnitt des Umhüllungsrohres 10 hängt natürlich am unteren Flansch der Verbindung 35 und wird so in seiner Stellung gehalten.

Das Gehäuse 36 wird erneut etwa 30 cm angehoben, um den Zugang zu den Mikro-Steckverbindungen 46 und ihre Entkopplung zu ermöglichen. Die Teile A und B sind nun vollständig voneinander getrennt und der allein(radio)aktive Teil A wird in eine heiße Zelle überführt.

In dieser Zelle kann man das Auswechseln einer oder mehrerer Gruppen von Proben oder auch der Gesamtheit der Proben vor der Rückführung der Vorrichtung in Bestrahlungsposition vornehmen.

Das Auswechseln der Kapseln 26 findet nacheinander für jede Gruppe statt: Der zur Absicherung dienende Aluminiumdraht wird durchschnitten, die Deckplatte 20 durch Zusammenpressen der Federn angehoben, und die einzelnen Kapseln 26 werden herausgezogen. Die Vergleichsprobe 30 kann eingesetzt bleiben oder nach Abschneiden und Herausziehen der Leitungen 34 ihres Thermoelements 32 ausgewechselt werden; im letzteren Fall wird sie durch eine neue Kapsel ersetzt, die mit einer neuen Vergleichsprobe 30 und einem neuen Thermoelement versehen ist.

Zur Freigabe des Zugangs zu den bestrahlten Proben müssen die Kapseln 26 geöffnet werden. Dann werden sie in der Nähe einer im oberen Teil eingravierten Markierung mittels irgendeines herkömmlichen Schneidwerkzeuges aufgeschnitten. Dabei ist als Spielraum für das Werkzeug ein Zwischenraum von einigen Millimetern zwischen der Probe und dem Verschluß der Kapsel vorgesehen. Dieser Zwischenraum ist vorteilhaft mit Aluminiumwolle zum Ableiten der im oberen Teil der Probe freigesetzten Wärme ausgefüllt.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum gleichzeitigen Bestrahlen mehrerer kontinuierlich um eine feste Achse drehbar angeordneter Kapseln zur Aufnahme von Bestrahlungsproben mit dem im aktiven Teil eines Kernreaktors herrschenden Fluß, dadurchgekennzeichnet, daß jeweils mehrere Kapseln (26) in einer gemeinsamen Halterung (14) mit gleichem gegenseitigem Winkelabstand rund um eine während der Bestrahlungszeit sich gleichmäßig drehende und die Halterung dabei mitnehmende Welle (8) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (14) außer einer an der Welle (8) befestigten Grundplatte (16) eine Deckplatte (20) und elastische Mittel (22) aufweist, die die Deckplatte (20) so auf die oberen Enden der Kapseln (26) drücken, daß diese mit ihren unteren Enden in in der Grundplatte (16) vorgesehene Ausnehmungen (18) greifen und mit ihrer Unterseite am Boden der Ausnehmungen (18) anliegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Halterungen (14) umfaßt, die längs der Welle (8) angeordnet sind und daß die elastischen Mittel durch Federn (22) gebildet sind, die jeweils zwischen der Deckplatte (20) einer Halterung (14) und der Grundplatte (16) der folgenden Halterung (14) eingespannt sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (8) und die Halterungen (14) in einem Umhüllungsrohr (10,10') eingeschlossen sind und daß das Umhüllungsrohr (10,10') und die WeUe (8) beide in zwei Abschnitte unterteilt sind, die durch auseinandernehmbare Verbindungen aneinandergefügt sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1,2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halterung (14) einen Platz zur Aufnahme einer Kapsel aufweist, die ein Thermoelement (32) enthält, das durch eine durch das Innere der Welle (8) gehende Leitung (34) mit einem Ring (50) verbunden ist, der an einem oberen Abschnitt der Welle (8) angebracht ist und an einer feststehenden Kollektorbürste (52) schleift.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Leitung (34) größer ist als diejenige der Welle (8) und daß die Leitung (34) durch eine trennbare Mikro-Steckverbindung (46), die etwa in Höhe der ausein-

andernehmbaren Verbindungen angeordnet ist, in zwei Abschnitte geteilt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Bestrahlung von Proben in einem Reaktor vom Schwimmbeckentyp, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen unteren vertikalen, in das Schwimmbecken eintauchenden und die drehbare Welle (8) enthaltenden Teil und einen oberen über das Niveau des Schwimmbeckens herausragenden Teil, der gegenüber dem unteren

Teil horizontaler Richtung versetzt ist, sowie ein Gehäuse (36) zur Verbindung dieser beiden Teile aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als oberer Teil ein vertikales Rohr (38) vorgesehen ist, das mit dem Gehäuse (36) und dem oberen Teil des Umhüllungsrohres (10,10') zu einem wasserdichten Gebilde zusammengefügt ist, das mit Mitteln (58) für die Zuführung von Gas unter Druck versehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909525/135