DE1589002A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Brennstoffelementhuellenfehlern in Kernreaktoren - Google Patents

Description

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66 115 Pl/Schm

10. Nov. 1966

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charled II Street, London, SW1, England

Tür diese Anmeldung wird die Priorität aus den britischen Patentanmeldungen Kr. 48 260/63 vom 12. Nov. 1965, Hr. 18 534/66 vom27. April 1966 und British Complete Specification vom 3. Nov. 1966 in'Anspruch genommen.

Verfahren und Vorrichtung «zur' Ermittlung von Breruistofielementhiilienfehlern in Kernreaktoren.

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren sowie auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ernittlun^ des Auftretens von Brennstoffhüllenfehlern. - ·

Die Steuerung eines Kernreaktors beruht auf der Erzeugung von verzögerten Neutronen. Es handelt sich nierbei um den kleinen BruchteJLl der im Kernspaltungsreaktor erzeugten Gesamtneutronen,

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welche eine beträchtliche Zeitspanne nach der Spaltung erscheinen, indem sie bei den Zerfallsvorgängen einiger Spalt-. produkte emittiert werden, weiche.aus der ursprünglichen Spaltung stammen. Es gibt verschiedene Gruppen dieser verzögerten Neutronen, und weil jede Gruppe zu einem besonderen Spaltungszerfallsvorgang gehört, haben die verschiedenen Gruppen unterschiedliche Halbwertzeiten. Darüber hinaus enthält jede Gruppe verzögerte Neutronen von sich ändernden Energieanteilen.

Unter typischen Spaltprodukten zerfallen das Jodisotop

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J . und das Bronisotop B bei der Emission eines Neutrons. Jedoch haben diese Isotope Halbwertzeiten, die kurz sind, d.h. 24 bzw. 54»5 Sekunden, und je früher daher eine Probe, welche sie enthält, einrti Neutronen-Detektor präsentiert bzw. dar&etoten werden kann, umso besser wird ihr Vorhandensein an^ezei^t.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Testen bzw. Ermitteln da's Vorhandenseins von Brennstoffelenenthüllenfenlerri in einem Ktrnreaktor-Kern dadurch gekennzeichnet, daii von außerhalb eines Behälters, der dexi Kern enthält, die Emission von Neutronen aus einer Strömung des Kernkühlmittels, welches im Sehälter nahe der Innenwandfläcne desselben gefünrt wird, ermittelt wird.

Gemäß einem weiteren Mericmal der Erfindung weist eine Vorrichtung zum Ermitteln des Vorhandenseins bzw. Auftretens von Brennstoffhüllenfehlern in einem Kernreaktor-Kern, der sich in

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einem Behälter befindet, einen Neutronen-De.tektor auf, der aufierhalb des Behälters angeordnet und für·daa Ermitteln von Heutronen bestimmt ist, welche aus einer Strömung des KernKühlmittels an einer Stellt im Behälter und in der 'Nähe des außerhalb befindlichen Detektors emittiert werden.

·. .
Se ist offensichtlich, dtß die Kernkühlmittelströmung,

in der die Emission von Neutronen ermittelt werden kann, entweder die Masse der Kühlmittelströmung sein kann, wobei der Strömungsweg der Hasse des Kühlmittels so ausgebildet ist, daß er in einem gewissen Stadium dicht an die Behälterinnenwandung gelangt, oder aber eine Probe aua einer Künlmittelstromung sein kann, die von der Hauptmasse getrennt ist und aiittels' entsprechender Wegbestimmungs- bzw·, leitvorriohtungen an eine Stelle nahe der Behälterinnenwandung gelenkt wird. Ein Beispiel für beide Ausführungsformen wird nunmehr annand der Zeicnnung beschrieben, von der beide Figuren geschnittene Seitenansichten wiedergeben«

Jig, 1 seigt einen Kernreaktor 11, der-einen Kern 12 mit darin befindlichen Brennstoff-Bauteilgruppen 13 aufweist. Die Bauteilgruppen 13 bilden Kühlmittelkanäle H, durch welche flüssiges Hatrium-Kühlmittel 15 hindurchgeleitet werden kann, um von Brennstoffelementen (nicht dargestellt) in den Kanälen erzeugte Wärme abzuleiten. Der Kern YtL ist in einem Behälter 1ό

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untergebracht, welcher von einer Betonabschirmung 17 umgeben ist, in der sich Zugangskanäle, typischerweise Kanal 18, nach 4er Außenseite der Wandung des Behälters 16 hin befinden. Ein Wärmeaustauscher 19a befindet sich im Behälter 16 und leitet Wärme aus flüssigem Natrium ab, welches um die l.^reutronenab-

herum .
schirmungen 19b/in der durch Pfeile 20 angedeuteten Richtung strömt· Die Pumpen für das Aufrechterhalten dieser Strömung sind nicht dargestellt, sind jedooh in Impeller- bzw. Flügelrad-Bauart vorgesehen. Der Wärmeaustauscher 19a dient dazu, den zu einem Ring aus Neutronen-Monitoren 22, welche in einen Graphit-Block 23 eingebettet sind, nächstliegenden Teil eines Volumens zu bilden. Die seitlichen Begrenzungen 21a des Volumens 21 werden durch den Kollimations- bzw; Rahmeneffekt /collimating effect/ eines Filters 24 gebildet, welches eine Anzanl Fluüeisenplatten und eine Graphit/Cadmium-Abschirmung 25 aufweist.

Auf ihrem Weg vom Auslaß des Kerns 12 nach dem Volumen 21 (in Richtung des Pfeile 20) haben die "verzögerten" Neutronen, welche aua dem Zerfall von Spaltprodukten (im wesentlicnen radioaktives Brom und Jod) entstehen, die jünger sind, viel weniger Streuung als die vom Kern stammenden Neutronen erfahren. Somit ist beim Volumen 21 das Spektrum uer Energien der verzögerten .jeutroneii viel närter bzw. etäricer bzw. durcnaringender /harder/ als das der voui Kern stammenden ijeutronen. Da diese verzögerten Neutronen hauptsäcnlich ini i'all einec .Brennstoff hüllenfehler s auftreten, zeigt das Vorhandensein des härteren

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Spektrums, wie es durch die Monitoren 22 ermittelt wird, einen Hüllenfehler in jenen Kanälen an, aus welchen das vom Monitor abgetastete Kühlmittel konmt. Der Wärmeaustauscner 19a sowie die Neutronenabechiromng 19b dienen dazu, die Monitoren 22 gegen die direkte Linie von aus dem Kern stammenden Neutronen abzu-■ohirmen. Das filter 24 absorbiert vorzugsweise Kern-Ueutronen «ja Strömungeweg 20 entlang, und die Abschirmung 25 absorbiert neutronen, welche durch die Wechselwirkung zwischen vom Kern stammender GamaaitreJilung und dem Beton der Abschirmung 17 entstanden sind. Sie ^esaatwirkung des Filters 24 und der Abschirmung 25 wird hierin als "ralmenbildend" /"collimating"/ bezeichnet, da sie dazu dienen, die seitlichen Begrenzungen 2.1a des Volumens zu bilden, das-von den Monitoren 22 abgetastet wird. Des hinzufügen oder Wegnehmen von Platten am Filter 24 und das Verstellen bzw. Neuordnen der Durchläufe 22 der Monitoren in der Abscnirmung ermöglicht eine Änderung des Volumens 21 im Behälter 1o, onne daß es erforderlich ist, Komponenten bzw. .bestandteile im Behälter zu verstellen bzw. umzustellen oder neu zu ordnen.

In Fig. 2 ist das untere TeilstucK; einea nängend angeordneten Behältern oder Tanks in Doppelwandkonatnuction veranscnaulicht, wobei die. beiden Wände mit 11 bzw. '12 bezeicnnet sind. Dies ist der Tank eines natriumgekünlten schnellen rteaktors, bei welchem der Kern und der Primäricühliaittelkreislauf in einen Künliuittelepeicher bzw. -vorratsbehälter eingetaucht sind. Die Tragkonstruktion, von welcher ein Kernhalteaufbau getragen wird, erscheint

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im Umriß bei 13» Kühlmittelzuführroiire, durcn welche vom Speicher abgezogenes Kühlmittel nach einem Sinlaßsammelraum im Halteaufbau gepumpt wird, sind bei Η und 15 angedeutet. Brennstoff-Bauteilgruppen, aus welchen sich der Kern zusammensetzt, sind in üe Bündeln angeordnet, wobei jedes Bündel einen Bauteil, bei weise ein Regelelement-Fünrungsroar, umgibt. Die Probeentnanme-Rohrleitungen werden zweokmäßig von diesen Bauteilen genalten, wob·! dl· Anordnung solcherart ist, daß jede Probeentnahme-Bohrleitung eine Proben-Strömung aus dem oberen Auslaßende einer zuge ordneten Bauteilgruppe oder Gruppe von Bauteilgruppen abzieht.

Die Probeentnahme-Rohrleitungen, von welchen eine bei 16 angedeutet ist, verlaufen durch einen Neutronenabschirmatopfen 17 aus Graphit und Stahl nach entsprechenden Proben-Kammern 18, welche in einem Ring nahe dem untersten Ende oder Boden des Tanks angeordnet sind, wobei diese Kammern gegen Strahlungen vom Reaktorkern her nicht nur mittel· des Stopfens1 sondern aueh mittel· einer dtahlabsohirnung 19 in Torrn einer Sockelplatte abgeschirmt werden, in weloher der Stopfen sitzt. Radiale Rohrleitungen, beispielsweise 20, verbinden die Proben-Kammern gemeinsam mit einem kugeligen Sammelbehälter 21, weloher eich in der Hitte des Ringes der Kammern befindet und einen Ablaßdurchgang 22 aufweist. Eine Proben-Strömung fließt durch jede der Probeentnahme-Rohr leitungen und von dort durch die Proben-Kammern und den Sammelbe hälter; um eine solche Strömung vorwärtszutreiben, ist eine Art

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Pumpwirkung vorgesehen, beispielweise mittels tineβ Injektors; der mit dem Ablaßdurchgang 22 verbunden ist und mit einer Neben-» Strömung des gepumpten Einlaßkühlmittels beliefert wird, oder vermittels einer elektromagnetischen Pumpt, wobei es'mit der letzteren möglich ist, eine elektromagnetische Pumpwirkung auf jede einzelne Probeentnahme-Rohrleitung auszuüben.

Außerhalb und in der Nähe des Tankbodens befindet eich ein Instrumentenblock, allgemein mit 23 angedeutet, und die Betonwandung 24» welche den Tank umgibt, ist mit Kammern und einem Zugangstunnel versehen, um die Wartung der Instrumente in diesem Block zu ermöglichen. Der Hauptkörper des Blockes besteht aus Beton, und in einem zentralen Hohlraum dieses Körpers befindet sich eine BauteijLgruppe aus Neutronen-Detektoren in einer Hüllt 25 aus Blei. Die Detektor-Bauteilgruppe setzt sich zusammen aus eintm Hing aus Bortrifluorid(BF,)-iieutronenzähltrn 26, wobei jeder in einem Block aus einem 3tarren wasserstoff halt igen Moderator 27, beispielsweise Polyäthylen, eingebettet ist, sowie aus einer zentralen Einheit mit einer Vielzahl von ähnlichen Zählgeräten 28, welche in einem zylindrischen Block 29 eingebettet tind, wobei dieser Block ebenfalls aus einem starren Moderator besteht, welcher bei diesem Auaführungsbeispiel Graphit ist und gegen den Ring der Zählgeräte mittels eines Zwischenringes aus Gußeisen 30 abgeschirmt wird.

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Ί3ί9 Stahl- und Graphitabschirmung, welche in Verbindung mit einer Wärmeiiolierung 31a zwischen den Wänden 11 und 12 des Tank·, welche allgemein mit'31b bezeichnet sind, eingesetzt ist, ist so auegebildet, daß Öffnungen vorgesehen sind, beispielsweise 32, welche mitronendurehläseige Wege bzw« Bahnen bilden, über dii verzögerte Neutronen, welche von den Proben-Kanunern und dea Sammelbehälter emittiert werden, sozusagen in der Art Ton "einferahnten" teiw· kollimierten Strahlenbündeln nach dem entsprechenden Zthlgeräi geleitet werden, d.h. nach dem zugeord neten Zählgerät 26 im Pail jeder Proben-Kammer und nach den Zählgeräten 28 im Fall des Sammelbehälters. Mit den Abschirm öffnungen 32 für die Proben-Kammern fluchten "Fenster" 33 aus Graphit in der Bleihülle 25 dee Instrumentenblockes 23f auf dem Wege nach dtn Zählgeräten 28 ist die Bleihülle dünner, und zwar infolge der Konkavität, mit der ihre obere Fläche versehen ist, damit sie eioh der Bodenform des Tanks anpaßt, und sie ist so genügend dünn, daß den Neutronen kein übermäßiger Widerstand entgegengesetzt wird.

Die Proben-Kammern 18 arbeiten zusagen Jiit ihren ent sprechenden Zählgeräten 26 als eine Erucn-Loicalisierungseinrichtung /burst location facility/ und zwar dadurch, daü ein An wachsen der Zänlrate an einen* Deliebigen Zählgerät 26 als eine Anzeige dafür gewertet werden kann, dau SpaltprodUKte, die für

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das Anwachsen verantwortlich sind, in demjenigen Teil des Kerns freigeworden sind, nach welchem die Probeentnahme-Rohrleitung der zugehörigen Proben-Kammer fuhrt.

Der Sammelbehälter 21 dient zusa.;mien ait seinen Zählgeräten 28 als eine sogenannte Auslöseeinrichtung /trip facility/, und zwar dadurch, daß die Zählgeräte, von denen jedes eine Gtsamtzählung vornimmt, im Unterschied zur lokalen verzögerten lUutronenaktivit&t, elektrisch mit der Auslöse schaltung des Reaktore to verbunden sind, daß ein Abschalten des Reaktors automatisch in dem Pail hervorgerufen wird, daß das Ergebnis der Zählgeräte 28 eine vorbestimmte Höhe überschreitet.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 ümrissenen Ausführun&sform und bezieht eich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die
im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. PATENTANWALT .»'589002

   DIPL-ING. ERICH SCHUBERT ...««.,«»/υη«»

   [Q Telegramm-Adr.: Patjchub, Siegen

   Postscheckkonten:

   1 589002 ^{KÖln 106931}' ^{Essen 203S2}

   Bankkonten ι Deutsche Bank AG.,

   Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegen υ. Oberhausen (RhId.)

   Postfach 325

   66 115 F1/F.3 10. November 1Q66

   Patentanspr υ ehe

   ΓίΛ Verfahren aur Ermittlung des Auftretens von Brennstoffelementhüllenfehlern in einem Kernreaktor-K:rn, dadurch -ekennzeichnet, dsß von außerhalb eines den Kern enthaltenden Behälters die Emission von Neutronen aus einer nahe der Behälterinnenvvandflache desselben geführten Kernkühlmittelströmung emit te It .vird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung, aus der die Emission von Neutronen ermittele wird, von der Hauptleitung durch eine Probeentnahmeieitung hindurch abgezogen wird.

   3. Vorrichtung zur Ermittlung des Auftretens von Brennstoffelementhüllenfehlern in einem in einem Behälter befindlichen Kernreaktor-Kern, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen außerhalb des Behälters angeordneten Neutronen-Detektor auf v/eist, und daß dieser zum An:;:eiq;en bzw. Ermitteln von ar.s einer Fernkühlmittelströmung an einer Stelle im Behälter und nphe des außerhalb befindlichen Detektors emittierten Neutronen dient.

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   4, Tor ich burτ ns on Ans ruch .';, dadurch gekennzeichnet, daß He -/Strömung, p.vv welcher die ii.-isnion von Neutronen ermittelt wird, diejenige i~;u, welche einen den ?..ern 3.lnschliei3enden ^TJau-tkreislauf einbezieht, wobei dieser Kreislauf ein 'eilstnck im Ti eh alt; er und nahe am au-en befindlichen Detektor enthalt.

   ';. Vor ri cn tun«: nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkreislauf Wärmeaustauscher, die sich ebenfalls im Beh .lter "befinden, cufweist, und dai; das Kreislauf-Teilstück, an welchem die Kmi^sion von Neutronen ermittelt -.vird, ein Mäv'iea ιstauscher-Auslai; ist.

   6. Vorrichtung zur Krrit';lunr; des Auftretens von Brennstoffel& menthüllenfeblern in einem Kernreaktor-Kern mit Brennstoffele- !••enten in rjUilmittel-Kan-len, dadurch ,°:ekenniieichnet, daß sie eine ".^i;robc-n-Faⁿmie■:■, die sich an der Innenwendflüche eines den Kern enthaltenden -eh^lters befindet, eine irobeentnahme-Rohrieitun^·, '■/e.-.che rac" der Kammer von einem Karalauslai? her für aas I-Iinleiten einer K'Uilmit';el-probe nach der Ka-iwier einführt, sowie einen Neutronen-D·^vektor aufweist, welcher -'u.'ernalc des Behälters no.he der Faminsr-'i.elle für das lir.nitteln der von einer ^:roboin der -"aimer emi':vierten Neutronen angeordnet ist.

   7. Vorrichten- n.?ch Ars^ruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine EiIfsvorriohturjp; vor-esehen i;;t, welche eine Proben-Strömung durch das Probeentnähme-Hohr hindurch befördert.

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   8. Vor-iohtun~ nach Anöioruch 7, dadurch gekennzeichnet, dal3 die flilfsvorrichtunf, einen Injektor aufweist, der mittels des Ausstoßes einer das Kernkühlmittel in Umlauf bringenden Pumpe uetätigbar ist.

   9. Vorrichtung nach Anbruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Detektor gehörende Abschirmung seitliche Begrenzungen für die Stelle Dildet, an welcher die Emission von Neutronen ermittelt wird.

   10. Vorrichtung nach Anst>ruch 9, dadurch gekennzeichnet, daB eine Dämpfungs- bzw. Drosselun;sschranke zwischen dem Detektor und der Stelle im Behälter angebracht ist, welche den Durchgang der Emissionen, von Neutronen, die nicht aus dem Kühlmittel stammen, nach dem Detektor hin versperrt.

   11. Kernreaktor mit einem ^T"ern, welcher mit flüssigem Metall gekühlt wird, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 10.

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