DE1481753A1 - Tastvorrichtung zur Kontrolle der Handhabung von Kernbrennstoff - Google Patents

Tastvorrichtung zur Kontrolle der Handhabung von Kernbrennstoff

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DE1481753A1 DE19671481753 DE1481753A DE1481753A1 DE 1481753 A1 DE1481753 A1 DE 1481753A1 DE 19671481753 DE19671481753 DE 19671481753 DE 1481753 A DE1481753 A DE 1481753A DE 1481753 A1 DE1481753 A1 DE 1481753A1
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Description

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES . KÖLN 1, DEICHMANNHAUS
I.2.I967 B/Se
GROUPEMENT ATOMIQUE ALSACIENNE ATLANTIQUE, LE PLESSIS-ROBINSON (Hauts-de-Seine), Frankreich.
Tastvorrichtung zur Kontrolle der Handhabung von Kernbrennstoff.
Die Erfindung betrifft eine Tastvorrichtung zur Kontrolle der Handhabung von Kernbrennstoff.
Die Handhabung von Brennstoffelementen in einem Kernreaktor, von denen jedes aus einem Graphitmantel und einem Brennstoff stab besteht, erfolgt gewöhnlich mit Hilfe von Greifern, die pneumatisch, hydraulisch, elektrisch oder mechanisch gesteuert werden können. Sehr häufig werden zur Betätigung des gleichen Greifers mehrere dieser Steuereinrichtungen verwendet.
Die französische Patentschrift 1 55o 846 vom 20. Dezember 1962 beschreibt einen elektrischen Greifer mit elektromagnetisch gesteuerten Kartuschen, der als bewegliche Organe nur drei Teile aufweist, nämlich zwei Greifzangen und ein Verschlußplättchen.
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Die französische Patentschrift 1 452 JkG beschreibt eine Vorrichtung zur Fernsteuerung der Wirkungsweise eines Elektromagneten, welche im wesentlichen umfaßt: Einen Wechselstromkreis, welchei dem Gleichstromspeisestromkreis des Elektromagneten überlagert ist, eine Meßbrücke, welche durch den Viechseistrom gespeist wird und in deren einen Schenkel die Wicklung des Elektromagneten eingeschaltet ist, und schließlich einen Verstärker, der im mittleren oder diagonalen Schenkel dieser Brücke angeordnet ist und der die veränderliche Spannung aufnimmt, die durch die Veränderung der Stellung des Ankers des Elektromagneten erzeugt wird, wobei diese verstärkte Spannung durch irgendwelche bekannte Einrichtungen in Form von Lichtsignalen o.dgl. aufgezeichnet wird.
Diese Patentschrift ergänzt die vorhergehende Patentschrift, weil die den Gegenstand derselben bildende und vorstehend kurz beschriebene Vorrichtung ermöglicht, aus der Entfernung die mechanischen Zustände der beweglichen Organe des Greifers zu kennen und sich auf diese Weise von der guten Wirkungskreise desselben zu überzeugen.
Trotz der Sicherheit der Wirkungsweise der in diesen Patentschriften beschriebenen Vorrichtungen bleibt jedoch die Möglichkeit bestehen, daß sich der Greifer von einem Brennstoffelement loshakt, obwohl dieselbe äußerst gering ist. Außerdem kann es vorkommen, daß der Brennstoffstab aus dem Mantel austritt, entweder durch Bruch der denselben stutzenden Einrichtung oder durch Bruch 'des Bodens des Mantels. Es ist daher von Wichtigkeit, ständig das Vorhandensein des Brennstoffstabes im Inneren des Graphitmantels zu kontrollieren, wenn die Einheit gehandhabt wird.
Diese Vorrichtung zur Kontrolle des Vorhandenseins des Stabes muß wirksam sein können ohne Rücksicht auf die thermischen Ausdehnungen, die Stärke der Strahlungen im
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Reaktor und die von mechanischen Stoßen herrührenden Beschleunigungen und Verzögerungen.
Obwohl die Vorrichtung eine Anzeige "alles oder nichts" liefert, muß sie ermöglichen, das Vorhandensein eines sich in seinem Mantel verschiebenden Stabes bis zu einem Abstand anzuzeigen, über welchen hinaus vernünftigerweise angenommen werden kann, daß der Mantel leer ist.
Zu den Einrichtungen, die man erkennen- kann, um diese Kontrolle des Vorhandenseins eines Stabes in seinem Mantel zu bewirken, gehören die elektrischen Unterbrecher mit mechanischer Steuerung oder die pneumatischen Taster mit Messung des Drucks oder der Ausströmungsmenge.
Bei Kontrollen, die auf der Verwendung dieser Einrichtungen beruhen, besteht die Gefahr, daß sie zu ernstlichen Schwierigkeiten führen.
Die Verwendung elektrischer Unterbrecher mit mechanischer Steuerung muß schließlich ausgeschlossen werden wegen der Möglichkeit der Ionisation des Beruhrungszwischenraumes unter der Wirkung von Strahlungen und der Unsicherheit der Wirkungsweise einer Genauigkeitseinrichtung in einer Umgebung, die auf 400°C erhitzt und gegebenenfalls mit feinen leitenden Stäubchen beladen ist.
Die pneumatischen Taster sind ebenfalls sehr schwierig zu handhaben, weil außer der Schwierigkeit, ein biegsames Gaszuleitungsrohr im Kabel des Greifers anzuordnen, die Gefahr des Verschlüsse« der Meßöffnung sehr groß ist.
Die Fragwürdigkeit der Wirkungsweise und die wahrscheinliche Lebensdauer solcher Systeme steht Jedoch in keinem Verhältnis zu jenen, die zur Ausrüstung einer Vorrichtung zum Handhaben von Kernbrennstoffen erforderlich Bind.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, welche ermöglicht, die vorstehend angegebenen Probleme unter den besten Bedingungen zu lösen, und welche im Vergleich zu den ebenfalls oben angegebenen Lösungen den Vorteil bietet, daß sie keine Abänderungen der Struktur oder der Ausbildung des Speisekabels und der Aufhängung des Greifers erforderlich macht, falls dieser elektrisch gesteuert wird, obwohl für die beschriebene Vorrichtung auch jede andere Art eines Greifers verwendbar ist.
Die den Gegenstand der Erfindung bildende Tastvorrichtung umfaßt eine mechanische Einheit, die am Ende eines Greifers zum Handhaben des BrennstoffStabes anzuordnen ist, und eine elektronische Einheit.
Die mechanische Einheit besteht aus zwei Druckfedern, die hintereinander angeordnet sind und verschiedene Stärke aufweisen, wobei das untere Ende der stärkeren Feder eine Tastschale aufnimmt, die mit dem kontrollierten Brennstoffstab in Berührung kommen soll, während das obere Ende der Feder eine Verbindungsschale trägt, auf deren Boden sich die weniger starke Feder abstützt, deren anderes Ende gegen den Kopf einer Muffe aus isolierendem und nicht magnetischen Material anliegt, in deren Innerem sich ein Magnetkern verschieben kann, welcher von der Verbindungsschale getragen wird und welcher die Induktanz einer örtlich rund um die Muffe gewickelten Spule verändern kann, wenn der Kern durch die mit dem zu kontrollierenden Stab in Berührung gebrachte Tastschale nach oben gestoßen wird, wobei die Veränderungen der Induktanz durch die elektronische Einheit verstärkt und angezeigt werden.
Die derart ausgebildete elektronische Einheit ist hinsichtlich der Wirkungsweise neben der Vorrichtung von der in der französischen Patentschrift 1 452 γ4β beschriebenen Art
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angeordnet, welche die Kontrolle der mechanischen Wirkungsweise der Elektromagnete für die Klemmung und Verrieglung der Zangen des Greifers derart gewährleistet, daß die durch den beweglichen Magnetkern modifizierte Induktanz des Tasters zu jener des Verriegelungselektromagneten mit Hilfe eines Kondensators parallel geschaltet wird, mit welchem dieselbe eine Sperre für den Durchgang nach oben bildet, welche die Gleichstromerregerspannung des Elektromagneten und die Wechselstromspannung von 50 Hz blockiert, welche die Kontrolle des Elektromagneten ermöglicht. In das elektrische Tragkabel des Greifers wird ein Hochfrequenzsignal von beispielsweise 300 kHz eingeführt, um die Kontrolle des Vorhandenseins des Stabes in seinem Mantel mit Hilfe der Induktanz des Tasters zu bewirken.
Die den Gegenstand der Erfindung bildende Tastvorrichtung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben, in welchen zeigt:
Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt der Tastvorrichtung, Fig. 2 ein Diagramm, welches die Wirkung der Feder°der Tastvorrichtung veranschaulicht,
Fig. 5 das Schema der Stromkreise zur Kontrolle der mechanischen Wirkungsweise der Zangen und der Verriegelung eines Greifers, welcher den Gegenstand der oben erwähnten französischen Patentschrift vom JO. Juli 1965 bildet, Fig. 4 das vorhergehende Schema, welches durch die Einrichtung zur Kontrolle des Vorhandenseins des Brennstoffstabes in seinem Mantel ergänzt wurde, Fig. 5 die allgemeine Ausbildung der Tastvorrichtung, Fig. 6 ein Diagramm der Wirkungsweise der Vorrichtung bei der Temperatur von 400°C.
Die Vorrichtung besteht einerseits aus einem mechanischmagnetischen Mawfcel, dessen Aufgabe darinbesteht, mechanisch
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das Vorhandensein des Brennstoffstabes irn gehandhabten Mantel zu kontrollieren und ein elektrisches Signal zu liefern, welches durch zwei vollständig verschiedene Niveaus gekennzeichnet ist., je nachdem, ob der Stab im Inneren des Mantels vorhanden ist oder nicht, sowie andererseits aus einer elektronischen Einheit, die außerhalb des Reaktorgehäuses angeordnet ist und deren Aufgabe darin besteht, ein Signal zur Erregung des Tasters und zur Messung der Intensitätsveränderungen zu liefern, die zwei verschiedene Nikeaus aufweisen können und die unmittelbare Anzeige des Vorhandenseins oder der Abwesenheit des Stabes ermöglichen.
Der Taster ist auf folgende Weise ausgebildet:
Derselbe besteht aus einem zylindrischen Körper 1, welcher derart ausgebildet ist, daß er dem Greifer angepaßt werden und die verschiedenen Bestandteile des eigentlichen Tasters tragen kann.
Im zylindrischen Körper 1 ist längs der Achse desselben eine Muffe 2 aus isolierendem und nicht magnetischen Material angeordnet, deren Bohrung j5 mit einem Anschlag 4 versehen ist, welcher den Hub eines Magnetkerns 5 nach unten begrenzen soll, der in der Bohrung frei verschiebbar ist.
Der Kern 5 wird von einer Stange 6 getragen, die auf dem Boden einer Schale 7 befestigt ist, auf dem sich auch das untere Ende einer Feder δ abstützt, deren oberes Ende gegen den Kopf der Muffe 2 anliegt. D'e Feder 8 ist teilweise in der Schale 7 angeordnet, auf welche sie eine permanente Kraft ausübt, die nach unten gerichtet ist infolge einer geringen Vorspannung, welche der Feder 8 durch eine zweite Feder 9 erteilt wird. Das obere Ende der Feder 9 greift in eine am Rand der Schale 7 ausgebildete Ringnut 7a ein, während das untere Ende der Feder 9 sich auf einer Schale abstützt, welche die Tastschale bildet.
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Die Muffe 2 ist mit einer äußeren Nut 10a versehen, in welcher eine Induktanz 11 von geringer Stärke gewickelt ist.
Die mechanische Wirkungsweise des derart ausgebildeten Tasters ist folgende:
Die beiden Federn δ und 9, deren Stärken verschieden sind, sind hintereinander angeordnet. Da die Stärke der Feder δ geringer ist als jene der Feder 9, sind zwei Fälle in Betracht zu ziehen:
1. Der Stab, dessen Vorhandensein kontrolliert werden soll, ist nicht vorhanden oder relativ zum Mantel und zum Greifer genügend tief, so daß die Feder G die ihr erteilte Vorspannung bewahrt.
In diesem Fall wird keine zusätzliche Kraft der Vorspannung hinzugefügt, welche auch der Feder Q beim Zusammensetzen der Einheit erteilt wurde. Die Feder 9 verändert daher nicht ihre Wirkung auf die Schale 7 und infolgedessen wird der Magnetkern 5 außerhalb der Wicklung 11 gehalten.
2. Der Stab befindet sich in einer solchen Zone, daß die Feder 9 teilweise oder vollständig zusammengedrückt wird. In diesem Fall wird die Feder δ ebenfalls zusammengedrückt, da ihre Stärke viel geringer ist als Jene der Feder 9» wie das Diagramm der Fig. 2 zeigt. Die Schale 7 liegt daher gegen die Muffe 2 an und der Magnetkern 5 ist in der Wicklung 11 zentriert und verstärkt deren Induktanz.
Es ist zu bemerken, daß die Wirkungsweise "alles oder nichts" der Vorrichtung mechanisch erzielt wird, was die Schwierigkäeiten der Verwendung von elektrischen Signalen begrenzt, die unter Verringerung der Größe der infolge der
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Umgebung unvermeidlichen Abweichungen geliefert v/erden. Die elektrische Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende:
Aus offensichtlichen technologischen, wirtschaftlichen und Sicherheitsgründen der Wirkungsweise muß das elektrische Tragkafael des Greifers das gleiche bleiben, ob der Greifer
Taster
mit einem Malatel versehen ist oder nicht, und zwar in dem Fall, daß ein elektrischer öreifer verwendet wird, obwohl bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung auch jeder nicht elektrische Greifer Verwendung finden kann.
Aus der obengenannten französischen Patentschrift 1 350 ?Ä6 ist bekannt, daß das elektrische Tragkabel nur drei Leiter aufweist, die zur Erregung der beiden Elektromagneten durch Gleichstrom verwendet werden, nämlich des Elektromagneten EP der Zange und des Elektromagneten EV der Verriegelung (Fig. 3).
Ferner ist aus der ebenfalls obengenannten französischen Patentschrift 1 4-52 7^6 bekannt, daß die gleichen Leiter verwendet werden, um den Gleichstrom durch Wechselstromspannungen von 50 Hz zu überlagern, und zwar zur Kontrolle der mechanischen Wirkungsweise der Elektromagnete EP und EV, wie in Fig. 3 dargestellt ist.
Um die Kontrolle des Vorhandenseins des Stabes mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Tasters zu bewirken, wird die Induktanz 11 des Tasters parallel zum Elektromagneten EV geschaltet und in das Kabel ein Hochfrequenzsignal von beispielsweise oOO kHz eingeführt.
Fig. 4 zeigt das auf diese Weise erhaltene Schema:
Die Induktanz 11 des Tasters ist zu jener des Elektromagneten EV der Vertiegelung parallel angeordnet mit Hilfe
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eines Kondensators C-, van geringer Stärke, mit welchem derselbe eine Sperre für den Durchgang nach oben bildet, welche die Gleichstromerregerspannung und die Wechselstromspannung von 50 Hz blockiert, welche die Kontrolle des Elektromagneten EV ermöglicht.
Die allgemeine Ausbildung des elektrischen Stromkreises des Tasters ist in Fig. 5 dargestellt.
Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß die Gleichstromspeisequelle 12, die Isolierungsinduktanz S-, und die Ouelle G-, des Wechselstromes von 50 Hz von dem Tasterstromkreis durch die Induktanz S-, getrennt sind, welche die durch die Ouelle Gp zugeführte Spannung von 300 kHz blockiert. Diese Ouelle speist den Taster in Reihe mit einem Widerstand R. Diese beiden Elemente bilden infolgedessen einen Spannungsteiler,
TR + XT
an dessen Verbindungspunkt eine zum Verhältnis ■■ — proportionale Spannung abgenommen und durch einen abgestimmten Verstärker A-, verstärkt wird (wobei XL den Wert der Induktanz der Wicklung 11 des Tasters darstellt). Die ver-. stärkte Spannung wird durch eine bekannte Einrichtung IJ angezeigt und dann neuerlich durch einen Gleichstromverstärker Ap verstärkt, welcher ermöglicht, daß an seinem Ausgang eine ausreichende Intensität zur Betätigung eines Aufzeichnungsgalvanometers 14 verfügbar ist.
Der Kondensator C,, der zur Induktanz 11 des Tasters in Reihe angeordnet ist, hat eine solche Stärke, daß seine Kapazitanz wenigstens 200 mal kleiner ist als die Impedanz der Induktanz 11.
Der Kondensator C-, bildet daher mit der Induktanz 11 keinen abgestimmten Reihenstromkreis, der bei erhöhter Temperatur unmöglich zu stabilisieren wäre, sondern eine Sperre für den Durchgang nach oben, welche den Gleichstrom und den Wechselstrom von 50 Hz unterbricht.
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Bei einer Versuchsanordnung des vorstehend beschriebenen Verfahrens sind die typischen V/'erte für die Bestandteile folgende: R = 1000 Ohm, CU = 0,02 ^F und XL = 4000 Ohm oder ungefähr 0,75 mHz.
Die Einheit, welche aus der mit der Induktanz in Reihe geschalteten Kapazität besteht, wird zum Verriegelungselektromagneten des elektrischen Greifers parallel geschaltet, obwohl sie auch getrennt verwendet werden könnte«' önter V/egfall der Kapazität im Falle der Verwendung des Tasters auf eine» nicht elektrischen Greifer oder im Falle der Speisung des Tasters durch einen getrennten Leiter.
Die Anpassung der elektrischen Meßeinheit ist derart, daß die Induktanz der Wicklung 11 des Tasters zu einem ortsfesten Widerstand R in Reihe geschaltet wird u^nd mit dem letzteren einen Spannungsteiler bildet, der nit Hochfreouenz gespeist wird und bei welchem ständig durch irgendeine entsprechende Einrichtung das Verhältnis gemessen wird.
Daraus ergibt sich, daß di-; beschriebene Vorrichtung eine Wirkungsweise "alles oder nichts" aufweist, aber selbstverständlich umfaßt die Erfindung auch jede Vorrichtung, die ein zur Stellung des Elements proportionales Signal liefert.
Zu normalen Zeiten, d.h. wenn das Vorhandensein eines Stabes angezeigt wird, werden die beiden Federn zusammengedrückt und der Kern wird in der Induktanz zentriert, v/eiche dann ihren höchsten Wert erreicht.
Wenn sich der Stab im Mantel um eine Strecke verschoben hat, welche der maximalen Dehnung der beiden Federn entspricht, tritt der Kern vollständig aus der Induktanz heraus und derselbe erreicht ihren niedrigsten V/ert.
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Das Diagramm der, Pig. 6 wurde unter den nachstehend angegebenen Funktions- und Umgebungsbedingungen mit Hilfe eines Versuchsmodells der Vorrichtung gemäß der Erfindung erhalten:
Temperatur des Kabels und des Tasters: 400°C Dauer der Aufrechterhaltung der Temperatur: 6 Stunden Empfindlichkeit des Aufzeichnungsgalvanometers: 0,15 mA/mm Geschwindigkeit des Vorbeigangs: 1 mm/s
Durch VJahl der mechanischen Steuervorrichtung des Tasters kann die Einheit der Vorrichtung zu den Verschiebungen proportionale Signale liefern, obwohl bei dem gewählten Ausführungsbeispiel die gelieferten Signale von der Art "alles oder nichts" sind.
Selbstverständlich sind die Anwendungen der Vorrichtung gemäß der Erfin lung nicht auf die Verwendung in einem Greifer mit elektrischer Steuerung beschränkt, sondern die Vorrichtung ist auf alle Arten von Greifern anwendbar.
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Claims (3)

H81753 Ansprüche
1. Tastvorrichtung zur Kontrolle der Handhabung von Kernbrennstoff, bestehend einerseits aas einer mechanischen Einheit, welche am Ende eines Greifers zur Handhabung von Brennstoffstäben angeordnet ist, der Quereangen aufweist, die durch Elektromagnete für die Klemmung und Verriege· lung betätigt werden, und andererseits aus einer elektronischen Einheit für die Fernsteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Einheit aus zwei Druckfedern (8,9) besteht, die hintereinander angeordnet sind und verschiedene Stärke aufweisen, wobei das untere Ende der Stärkeren Feder (Q) eine Tastschale (1O) aufnimmt, die mit dem kontrollierten Brennstoffstab in Berührung kommen soll, während das obere Ende der Feder (9) eine Verbindungsschale (7) trägt, auf deren Boden sich die weniger starke Feder (8) abstützt, deren anderes Ende gegen den Kopf einer Muffe (2) aus isoliertem und nicht magnetischen Material anliegt, in deren Innerem sich ein Magnetkern (5) verschieben kann, welcher von der Verbindungsschale (7) getragen wird und welcher die Induktanz einer örtlich rund um die Muffe gewickelten Spule (ll) verändern kann, wenn der Kern durch die mit dem zu kontrollierenden Stab in Berührung gebrachte Tastschale (10) nach oben gestoßen wird, wobei die Veränderungen der Induktanz durch die elektronische Einheit verstärkt und angezeigt werden, welche aus einer Vorrichtung von der in der französischen Patentschrift 1 452 746 beschriebenen Art besteht.
2. Tastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einheit, welche die Kontrolle der mechanischen Wirkungsweise der Elektromagnete (EP und EV) für die Klemmung und Verriegelung der Zangen des Greifers gewährleistet, aus einem Hochfrequenzgenerator (Gp), einem abgestimmten Verstärker (A^), einem Demodulator (IJ) und einem Gleichstromverstärker (A2) besteht,
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daß die durch den beweglichen Magnetkern (5) modifizierte Induktanz des Tasters zu jener des Verriegelungselektromagneten (EV) mit Hilfe eines Kondensators (C,) parallel geschaltet wird, mit welchem dieselbe eine Sperre für den Durchgang nach oben bildet, welche die Gleichstromerregerspannung des Elektromagneten (EV) und die Wechselstromspannung von 50 Hz blockiert, welche die Kontrolle des Elektromagneten ermöglicht, und daß ein Hochfreauenzsignal von beispielsweise 800 kHz in das elektrische Tragkabel des Greifers eingeführt wird, um die Kontrolle des Vorhandenseins des Stabes in seinem Mantel zu bewirken.
3. Tastvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung der elektrischen Meßeinheit derart ist, daß die Induktanz der Spule (ll) des Tasters zu einem ortsfesten Widerstand (R) in Reihe geschaltet wird und mit dem letzteren einen Spannungsteiler bildet, der mit Hochfreauenz gespeist wird und bei welchem ständig durch irgendeine entsprechende Einrichtung das Verhältnis gemessen wird.
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