DE1922592A1

DE1922592A1 - Verfahren zum Nachweis von Lecks in den Huelsen der Brennstoffelemente von Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1922592A1
Application number: DE19691922592
Authority: DE
Inventors: Rubin Bernard Friedman; Larson Charles Louis; Grossman Leonard Nathan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-05-15
Filing date: 1969-05-02
Publication date: 1970-01-02
Also published as: GB1248489A; DE1922592C3; DE1922592B2; US3632470A; JPS5011556B1; FR2008572A1

Description

PATENTANWALT

(S fr a :!'.;? a ϊ*τ 'TIROLER SiRASSE 61-6 • POSTFACH 700961 TELEFON 0611/6165

Ssneral Elect^i© Company_s 1 Rivex³ RoSd₈ ,Y._a USA

4^3 CI^ ϊ-ίΐ C^ C^l ί_3 CtI V^J C?' '**^* W Cfr CV ^^1 QC^ {_—^ j. ^ ^*—y ^^^ ^^ g —ι ~ζ~^ ί *^ j—ί f^M CM βιΑ CMB .J^ πτΐ

alsiaeinte von

isssssrasss

Die MatuF ¥©n Ke^nspaltungs^aalrtioiasa ®®ui© di@ Kernspaltung ^i? Eaergi©g©uisaiJEig allg©m©iB belcanafeo Sia '

n£_s äej? ans

sieh" d@r Ss^afeperasstoff b©fiiad©t_e" D@i? in ©in©p !i ₁, sinö ueisfe oiness

in de·=· toff ist s Hills©

liiilsen mit K

ΙροΏΏ. -la

s öos? aus οίηοί? Änsaal sol
QH&gebaiat; iofc_a ist in oIhgel ΒθΜΪΙ-οθ?

u£,ei

CiO«

UCr a^;.:i?W'--4SiU^-Z=Or₁

H Ö © Pi Q

'■"3,

Es sind sefiQBi ein© große Ans aiii x,>
enis??i@k©lf; ΐ?ορα©η_ο ¥iel© οΙθθοι? Bauarten ssind in leas* Powei³ Plants"⁸ im ®inE®lasa begetoiebee,, das iron ness verfaßt mhö vom TeI¹ISg D₀ Yan Moits=anä Company

Bei
Realst©2»feepia

U Lo Loft=

stimgsreaktorsn ist

aufgebaat _B iron

Ibsfcasiä

Jsdo 3i?©r4äi3-i5©ffbil3© ©atlicilfe G-issraal

Material wi@ ϋ·=235_;

39 a w^ä s^Fi£s CMdSS⁵SIa ®2B n®Mt3?al@s Material imd/od©s ial wio Sn=SSS ·3ά©Γ ü=238„ BssetiieBt man öl© brüt=

233 Wi& Ρϊΐ^β239 ο Di® £)©ο@Ώ©ο©ϋΐ@Γ ©in©s= Bx°©b_ei⁼ €:3:-·ί33ϊό£33ιοη spaliba^oia Isotop© isna ©©1b©]? an d®n

als

f ißfe ζ,η siae?

aas 13©tall oin

3 r3few'iä3ii!ilsoii sö@Siesi äirekfe EU,t

3;! 3-"?Eu^-, aas OMQh gleiefeseifeig als XS

BAD ORIGINAL

anderen sollen sie dafür sorgen_a daß kein© der hochachtiven Spaltungsprodukte in das Kühlmittel und/oder in den Moderator gelangen können.

Durch Fehler in den Brennstoffhülsen, die beispielsweise durch lokalisiertes Schmelzen oder durch Sprünge hervorgerufen werden können, können in das Kühlwasser oder in den Moderator sowie in das ganze Kühlsystem langlebige Spaltprodukte gelangen, so daß das Kühlmittel und der Kühlkreislauf erheblich kontaminiert werden können. Beeinträchtigungen des Reaktorbetriebs und der Wartung können die Folge sein. Es können beispielsweise außerhalb des Reaktors angeordnete Bestandteile der ganzen Anlage, durch die das Kühlmittel hindurchströmt kontaminiert werden, also beispielsweise Wärmeaustauscher und Turbinen.

In einem Reaktor mit einem flüssigen Kühlsystem müssen Abgase, die im Reaktor entstehen., gesammelt und abgeführt werden. Bei wasser- oder dampfgekühlten Systeme bestehen diese Abgase hauptsächlich aus Wasserstoff und Sauerstoff, die bei der radiolytischeo Zersetzung des Wassers entstehen, Wenn diese Abgase durch gasförmige radioaktive Spaltprodukte aus den Brennstoffhülsen vergiftet werden, ist es schwierig, die Abgase mit der notwendigen Sicherheit abzuführen.

Während des ReaktorbetrieBs wird gewöhnlich die integrale Radioaktivität des Reaktorkühlmittels und/oder der Abgase überwacht. Ein steiler Anstieg der Radioaktivität aeigt darai an_s daß irgend wo im Reaktor in einer Brennstoffhülse ein Leck aufgetreten ist. Der Reaktor wird dann normalerweise abgeschaltet ₃ bevor das Kühlmittel zu stark kontaminiert worden ist»

Es sind auch schon Versuche mternommen worden, am ausgangsseitigen Ende aller Brennstoffbündel laufend oder intermittierend Kühlmittelproben abzunehmen und dann die Radioaktivität der einzelnen Kühlmittelproben in einem Meßraum zu überwachen, der abseits vom Reaktor liegt. Hierzu ist es aber notwendig, daß eine

^r~' 90 9881/0922 ~

große Anzahl von Probenleitungen durch,den Reaktordruckkessel hindurchgeführt wird, oder man muß Verteiler mit vielen Ventilen verwenden oder mechanisch sehr komplizierte, ferneteuerbare Mehrwegventile, die innerhalb des Druckgefäßes angeordnet sind, um nacheinander an dem ausgangsseitigen Ende eines jeden Brennstoffbündels Proben abnehmen zu können. Wenn die Probenentnahme zeitlich nacheinander erfolgt, können in einem bestimmten Brennstoffbündel in der Zeit zwischen einer Probenentnahme und der nächsten bereits schwerwiegende Lecks aufgetreten sein, durch die das Kühlmittel bereits stark kontaminiert werden kann. Wenn man andererseits von den mehreren hundert Brennstoffbündeln die Kühlmittelproben gleichzeitig abnehmen will, ist der apparative Aufwand außerordentlich hoch und die Probenleitungen werden sehr kompliziert, was auch für die Geräte für die Untersuchung der Proben gilt.

Es ist von großer Bedeutung, daß ein Leck oder eine Undichtigkeit einer Brennstoffhülse so früh wie möglich entdeckt wird, bevor ein massiver Bruch in der Hülse aufgetreten ist, durch den dann das Kühlmittel sehr stark kontaminiert wird. Eine frühzeitige Erkennung von Lecks in Brennstoffhülsen ist besonders in natriumgekühlten Kernreaktoren von Bedeutung. Das flüssige Metall ist sehr teuer und schwierig zu handhaben, da es durch Heizen laufend geschmolzen gehalten werden muß, und da es weder mit Wasser noch mit Luft in Berührung kommen darf. Die Dekontaminierung von stark verseuchtem flüssigem Natrium ist daher außerordentlich schwierig. Viele der bisherigen Anordnungen zum Nachweis solcher Lecks sprechen auf die zuerst auftretenden, kleinen Sprünge in den Hülsen nicht an, und außerdem kann die Zeitspanne zwischen zwei Probenentnahmen ungünstig lang sein, wenn die Probenentnahme intermittierend erfolgt.

Ee besteht also ein Bedarf, besser Verfahren zum Nachweis von Lecks in den Hülsen von Brennelementen in Kernreaktoren anzugeben und auch das Brennstoffbündel zu identifizieren, in dem die undichte Brennst off hülse enthaltet! ist.
I

" 909881/0921

είη solches besseres Verfahren anzugeben ist nun Aufgabe der Erfindung. Sie wird erfindungsgemäße dadurch gelöst, daß in den einzelnen Brennetoffhülsen oder auch in den Hülsen der einzelnen Brennstoffbündel eine andere, eindeutig identifizierbare Mischung bestimmter Gase eingefüllt wird. Gase, die in das Kühlmittel des Reaktors gelangen, können dann gesammelt und auf ihre Zusammensetzung hin untersucht werden, so daß man die undichte Hülse beziehungsweise das Brennstoffbündel mit. der undichten Hülse identifizieren kann.

Es ist günstig, wenn man Mischungen eines inerten Füllgases und eines Indikatorgases in die Brennstoffhülsen einfüllt, das ein anderes Gas ale das Füllgas ist und aus zwei stabilen Gasisotopen besteht, die in unterschiedlichen Verhältnissen miteinender gemischt sind. Typische Brennelemente weisen eine beidseitig geschlossene Röhre auf, die mit Kernbrennstoff in Pillenform oder als Granulat gefüllt sind. An einem Ende der Röhre ist ein freier Raum belassen worden, in dem sich die gasförmigen Speltproöukte sammeln können, die während des Reaktorbetriebs freigesetzt werden. In diesen freien Raum wird erfindungsgemäß die Mischung aus dem Füllgas und dem Indikatorgas eingefüllt. Allgemein können alle Brennstoffhülsen, die zu einem Brennstofbündel gehören, mit der gleichen Saßaisohusig gefüllt sein, da es normalerweise ausreicht ₉ das Brennstoffbündel zu identifizieren, in dem eine Brennstoff hülse undicht geworden ist, so SaE isan dam dieses Brennstoff bündel aus ä@m Kewn herausnehmen kann. Die Sasmischung muß aus Elementen und/oder Isotopen bestehen, dis wüi»mel der Lebensdauer des Brennstoffes im Reaktor durch die R®akt©2?strahlung nicht einträchtigt werdssi. Bis Gase sollten einen nieär-lgen Neutronenabsorptionsquersetmitt aufw®is®i&₈ und ihre Wärmeleitfähigkeit sollte a©fer gut sein.

Füllgas kam jtd©& |»&3©s&«Ie ia«i⁴t® öas ¥@^w@siSe% werden. Hier ',ahiJs'eri Helium* NeoB* S^pt@E, Argon sowi© MlselMugesi dieser ^l. Di® ¥effwea<äaag f©s Msliaa ersetteint Ij®s©sei^se^?i günstig, dia es. !©ielsfe o^&Ütlleli ist w&ü um ssiia® Wäx>iael@itfäIä*igiEeit* sehr gut

ist. Der Wärmeübergang vom Brennstoff auf die Hülse wird dadurch erleichtert.

Das Füllgas kann einmal den freigelassenen Raum in der Brennstoffhülse und die Zwischenräume zwischen dem Brennstoff und der Hülse ausfüllen, oder aber wie in natriumgebundenen Brennstoffelementen nur den freigelassenen Raum oberhalb der Kernbrennstoffes, weil in solchen natriumgebundenen Brennstoffelementen die Zwisehenräune zwischen dem Kernbrennstoff und der Hülse mit Natrium gefüllt sind. Das bindende Metall kann jede passende Zusammensetzung aufweisen. Natrium oder Kalium oder Natrium-Kalium-Legierungen werden für diesen Zweck jedoch bevorzugt, da sie ausgezeichnete Wärneübergangseigenschaften haben.

Das Indikatorgas, das dem Füllgas beigegeben wird_a sollte inert sein und weder mit dem Kernbrennstoff noch mit der Brennstoffhülse oder mit dem Kühlmittel reagieren. Außerdem muß man es vom Kühlittel sowie von irgendwelchen Deckgasen abtrennen können, Sie im Reaktor über dem Kühlmittel verwendet werden.Außerdem sollte seine Wärmeleitfähigkeit hinreichend hoch sein, um das thermische Verhalten der Brennstoff stäbe nicht zu beeinträchtige??. Main hat gefunden, daß die Forderungen von Neon sehr gut erfüllt iterate. Es kommen drei natürliche Neonisotope vor₉ nämlich Neon-20, Necn-21 und Neon-22. Diese Isotope sind stabil, und im natürlichen

sotopengemiseh ist Neon-20 zu etwa 91% und Neon-22 zu etwa S$! enthalten. Die Trennung dieser Isotops ist verhältnismäßig einfach, und sowohl Ne-20 auch als Ne-22 sind koiBsies'ziel zu vernünftigen Preisen erhältlich. Mit einem Maseenepek&rcmetei» kann man

Isotopenverhältnia von Neon leicht auf etwa 0_S5$ genau feestimen. Man kann also leicht Ne~2O/Ne~22 - Verhältnisse unterscheiden die um IJi verschieden sind. Man kann datier 101 verschiedene Michungen aus Neonisotopen herat*llen_s angefangen mit IQOJf £J©-20 und OJf Ne-22 über 50$ Ne-20 und 5Of Ns-22 feig;- zu 036 H©-2Q ώβο 100$ Ne-22. Das Gas, da» in die Brennstcffslscsais- eingefüllt wird. kann 90$ Helium und 10$ der Neonisouopenmisshimg enthalten· Man kann aber auch 15$ oder-20$ der Neonisotopenmisclmng susaÄSB. mit

908881/0922

BAD ORIGINAL

85% beziehungsweise 80% Helium verwenden, da während des Reaktorbetriebe nur sehr wenig Helium im Kernbrennstoff entsteht und von ihm abgegeben wird, das die Heliummenge um nicht mehr als um 1% bis 2% verändert.

Die Verwendung einer Mischung aus Helium und den beiden Neonisotopen scheint besondere günstig zu sein, da die Neonisotope leicht su vernünftigen Preisen erhältlich sind, und da die relativen Konzentrationen durch gasförmige Spaltprodukte aus dem Kernbrennstoff nicht merklich beeinträchtigt werden.

Bei Bedarf kann man auch Mischungen anderer inerter Gase und anderer Isotope verwenden. Von Helium treten beispielsweise zwei stabil· Isotope auf, nämlich He-3 und He-4, wenn auch das He-3 im natürlichen Isotopengemisch kaum vertreten ist. Auch von Argon gibt es drei stabile Isotope, nämlich Ar-36, Ar-38 und Ar-¹IO.

Die Abgase aus dem Reaktorkern werden am besten laufend mit einem kontinuierlich arbeitenden Massenspektrometer überwacht. Venn daher eine Undichtigkeit nachgewiesen wird und wenn dann an- * schließend eine weitere Undichtigkeit auftritt, kann dieses durch eine Veränderung des Isotopenverhältnisses nachgewiesen werden. Da zwischen dem Auftreten von Undichtigkeiten im allgemeinen Monate vergehen, ist die Wahrscheinlichkeit yernachlässigbar gering, daß zwei verschiedene Brennstoffstäbe gleichzeitig undicht werden.

Man kann aber auch das Deckgas des Reaktors laufend überwachen, um einen Konzentrationsanstieg von gasförmigen Spaltprodukten wie beispielsweise von Xe-133 nachzuweisen, die aus einem undichten Brennstoffstab entweichen. Hierzu kann man einen Szintillationszähler und einen Vielkanalanalysator verwenden. Man kann dann periodisch Proben des Deokgases vor und nach der Fehleranzeige mit dem Massenspektrometer untersuchen und das Isotopenver-· hältnis von Neon oder einem anderen als Indikator verwendeten Sas bestimmen und auf diese Weise die Undichtigkeit lokalisieren.

909081/0822

Qas erfindungsgemä&e Verfahren sun Nachweis von Leeks in den Brennelementen von Kernreaktoren kann bei Reaktoren der verschiedensten Bauarten angewendet werden. Bei einem Siedewasserreaktor kann man beispielsweise Abgasproben im Hauptkondensor abnehmen, die in der Hauptsache aus radiolytiaeh gebildetem Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, und die Abgasproben massenspektrometrisch untersuchen, um das Füllgas und die Indikatorgase nachzuweisen, die aus einem Brennstoffelement entwichen sind. In einem mit flüssigen Metall gekühlten schnellen Brüter ruht der Reaktorkern normalerweise unter einer Schutsschicht aus einem inerten Gas wie beispielsweise Argon. Dann kann man dieses Schutsgas auf die Anwesenheit der Qasmischung aus einem Brennstoffelement hin untersuchen. Bei gasgekühlten Reaktoren wie bei dampf- oder COg-gekühlten Reaktoren kann man das gasförmige Kühlmittel selbst untersuchen.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

Figur 1 zeigt schematisch eine Kernkraftanlage mit einem Kernreaktor, der durch flüssiges Metall gekühlt ist, und bei dem das erfindungsgemlfie Verfahren zum Nachweis von Lecks in Brennstoffelementen angewendet wird.

Figur 2 sseigt schematisch einen typischen Reaktorkern. Insbesondere ist die Verteilung der Indikatorgasmischungen dargestellt.

In der Figur 1 'ist ein Behälter 10 dargestellt, in dem ein Kernreaktor il und ein Wärmeaustauscher 12 untergebracht sind. Mit einer Pumpe 13 wird flüssiges Natrium in den Reaktor 11 hineingepumpt, das in dem Ringraum zwischen dem Mantel IH und der Innenwand des Reaktors Il hinunter flieftt. Das Natrium strömt dann durch den Reaktorkern 15 hindurch naeh oben, der aus einer Anzahl ▼on Brennstoff elementen aufgebaut ist, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind. In den Zwischenräumen «wischen den Brennstoffelementen wird das Natrium durch die Wärme auf ge-

909881/0923 . ^ _0BiamAL

heizt, die bei der Kernspaltung im Kernbrennstoff frei wird.' Die Reaktivität des Kernes 15 wird mit einer Anzahl von Steuerstäben geregelt, von denen einer bei "16" schematisch dargestellt ist. Der Füllstand des Natriums innerhalb des Reaktors 11 ist durch die gestrichelte Linie 17 angedeutet worden. Oberhalb des flüssigen Natriums befindet sich ein Schutzgasraum 18₉ der üblicherweise mit Argon gefüllt ist.

Das aufgeheizte Natrium gelangt durch eine Leitung 19 hindurch zum Wärmeaustauscher 12. Das Natrium aus dem Reaktor 11 gibt seine Wärme an einen zweiten Natriumkreislauf ab, der von einer Pumpe 21 in der Wärmeaustauschschlange 20 des Wärmeaustauschers 12 aufrecht erhalten wird. Das abgekühlte Natrium aus dem Reaktor wird mittel der Pumpe 13 wieder dem Reaktor 11 zugeführt, wie es bereits beschrieben wurde.

Das inzwischen aufgezeizte Natrium des zweiten Kreislaufes strömt durch einen Dampferzeuger 22 hindurch» in dem eine Wärmeaustauschschlange 23 vorgesehen ist, die in direktem Wärmeaustausch mit Wasser steht, in dem dadurch Dampf erzeugt wird. Das abgekühlte Natrium wird dann mittels der Pumpe 21 wieder dem Wärmeaustauscher 12 zugeführt, wie es bereits beschrieben wurde.

Der Dampf, der sich in dem Dampferzeuger 22 gebildet hat, steigt in den Dampfr&tua 24 oberhalb des Wasserspiegels 25 hinein und gelangt durch eine Leitung 26 zu einer Turbine 27$ die einen Generator 28 antreibt. Dar Abdampf aus der Turbine 27 wird in einem Hauptkondensor 29 kondensiert und mittels einer Pumpe 30 durch eine Leitung 31 hindurch zu» Dampferzeuger zurück gepumpt.

Radioaktive Stoffe» die aus den Brennstoffelementen entwichen sind, können nun das als Kühlmittel verwendete Natrium, Reaktorauarüstunge?! sowie den Wärmeaustauscher 12 nebst zugeordneten Pampen und Leitungen verseuchen. Der Reaktor und der Wärmeaustauscher sind der Ubsraiohtlichkeit wegen in der Figur 1 stark vereinfacht äarge»c#llt« Xn der Fraries sind sie jedoch

sehr kompliziert aufgebaut. Von Zeit zu Zeit ist es notwendig, den Reaktor zu öffnen, um Brennstoff auszutauschen und/oder um Wartungsarbeiten vorzunehmen. Bei einer intensiven radioaktiven Verseuchung ist dieses jedoch sehr schwierig. Bei Reaktoren, die ait flüssigem Metall gekühlt sind, ist die Entnahme von Kühlmit-. telproben direkt am ausgangsseitigen Ende der einzelnen Brennstoff bündel besonders schwierig, da das Natrium oberhalb seiner Schmelztemperatur gehalten werden muß, und da der Umgang mit Natrium gefährlich ist.

Erfindungsgemäß wird nun aus dem .Qasraum 18 Schutzgas abgenommen und mittels einer Pumpe 36 durch eine Leitung 35 hindurch einem Detektor 37 zugeführt. Ein Teil dieses Schutzgases wird nun mittels eines Massenspektrometer kontinuierlich oder intermittierend auf die Anwesenheit von Füll- oder Indikatorgas aus den Brennstoffstäben des Reaktorkernes 15 hin untersucht. Man kann das Massenspektrometer so auslegen, daß kontinuierlich eine Gasanalyse graphisch ausgedruckt wird. Auf Wunsch kann man auch ein tfarnsysten anschließen» das ausgelöst wird, wenn im Schutzgas Füll- oder Indikatorgase auftreten. Da bei der Analyse des Schutzgases im Detektor 3? nur ein geringer Teil des angelieferten Schutzgases verbraucht wird, wird das restlich® Schutzgas durch die Leitung 38 dem Sehutzgasraum 18 wieder zugeführt. ._:.

Das erfindungsgemäße Verfahren εum Nachweis von Undichtigkeiten von Brennstoffelementen in Kernreaktoren ist außerordentlich empfindlich, einfach und genau. Für die Probenentnahme werden keine zusätzlichen Ausrüstungen benötigt, die man in dem sowieso BQhQn Überfüllten Reaktorkessel unterbringen müßte. Die Detektorausrüatungen sind fast vollständig außerhalb das Reaktorbehälters ang®° ordnet, so daß sie, falls notwendig, ohne Absehalten des Reaktor© gewartet oder modifiziert werden können. Sieht man zwei Detektor-Stationen 37 vor, so kann man nit der eines Station die überwachung fortsetzen, während die ander® Station außer Betrieb ist»

909381/0922

BAD

)ie Figur 2 zeigt nun schematisch einen Querschnitt durch einen Reaktorkern, wie er in einer Kernkraftanlage nach Figur i verwendet werden kann. Im besonderen ist dargestellt, wie die Brennstoffbündel in dem Reaktorkern angeordnet sind. Wie man sieht, ist ler Querschnitt der einzelnen Brennstoffbündel als regelmäßiges Sechseck ausgeführt. Man kann aber auch Bündel mit anderen Querschnitten verwenden, also beispielsweise «it quadratischen oder rechteckigen Querschnitten. Alle Brennstoffbündel sind so angeordnet, daß sie an ihre Nachbarbündel anstoßen. Dadurch entsteht ein etwa zylindrischer Reaktorkern 150. <

)er Reaktorkern 150 ist in sechs Segmente A bis F unterteilt worden, die der Übersichtlichkeit wegen durch fett ausgesogene Linien voneinander getrennt sind. Die Segmente weisen Rotationssymmetrie auf, das heißt, daß jedes Segment in das Segment A übergeht, wenn nan es um die Mitte des Reaktorkerns so weit herumdreht, daß es sich mit dem Segment A deckt. Die Brennstoffbündel innerhalb des Segmentes A sind von 101 bis 138 durchnummeriert. Die Brennstoffbündel in den Segmenten B bis F sind auf die gleiche Weise numeriert, nur ist die Nummerierung der Übersichtlichkeit wegen in·. Figur 2 weggelassen worden. An verschiedenen Stellen innerhalb des Kerns 150 sind Steuer- oder Regelstäbe 100 vorgesehen. Dieses sind übliche, auf und ab bewegbare Stäbe mit einem hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt .

Da im Segment A 38 Brennstoffbündel vorgesehen sind, gibt es in dem ganzen Reaktorkern 228 Brennstoffbündel. Qm nun durch eine Analyse der Reaktorabgas« das Brennstoffbündel mit dem undichten Brennstoffelement positiv identifizieren zu können, benötigt man daher 228 verschiedene Kombinationen aus Xsotopenverhältnissen für das Indikatorgas und/oder dem Verhältnis von Füllgas zu Schutzgas. Man kann Reaktorkern· aber auch mit einer größeren oder einer kleineren Anzahl von Brennstoffbündeln aufbauen. Man kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit hunderten von ein- · deutig indentifizierbaren aatmifeohungen arbeiten, so daß man das

909881/0922

erfindungsgemäße Verfahren bei Reaktorkernen praktisch j*der beliebigen, sinnvollen Bauart anwenden kann. '

In den Brennstoffbündeln können viele verschiedene aas- und Isotopenkombinationen verwendet werden. Die nachstehenden Tabellen I und II geben nur zwei solcher Möglichkeiten wieder.

In der nachstehenden Tabelle I besteht die Qasmischung aus Helium als Füllgas und einer Mischung aus Ne-20 und Ne-22 als Indikatorgas. In der ersten Spalte der Tabelle I sind die Brennstoffbündel innerhalb eines jeden Segmentes A bis F von 101 bis 138 durchnummeriert. In den weiteren, zu den Segmenten A bis F gehörenden Spalten ist zuerst der prozentuale Gewichteanteil des Heliums in der Qasmischung angegeben, -(der Rest ist die Neonisotopenmi-Bchung), - und dann folgt die Zusammensetzung der Isotopenmischung, wozu es genügt, den prozentualen Anteil nur eines Isotops anzugeben, also den Anteil des Ne-20 (oder Ne-22), da das andere Isotop den Rest der Isotopenmisohung bildet. Betrachtet man also das Brennstoffbündel 112 im Segment C, so geht aus Tabelle I hervor, daß die Qasmischung in den Brennstoffelementen dieses Brennstoff bündeis aus 90ί Helium und 1OJ Neon besteht, und da£ sich das Neon aus 872 Ne-20 und 132 Ne-22 zusammensetzt.

Tabelle I

Segment	A	%	%	B	%	%	%	C	%
Bündel-	Helium	Ne-20	Helium	Ne-20	Helium	Ne-20
nummer	90	0	90	38	90	76
101	90	1	90	39	90	77
102	90	2	90	40	90	78
103	90	3	90	41	/ 90	79
104	90	4	90	42	90	80
105	90	5	90	43	90	81
106	90	6	90	44	90	82'
107	90	7	90	45	90	83
108.	90	8	90	46	90	84 .
109

909881/0922

Tabelle I (Fortsetzung)

Segment Bündelnumrner

115 116 117 118 119 120 121 122

125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138

Helium 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90

Ne-20	Helium	Ne-20	Helium	Ne-20
9	90	47	90	85
10	90	48	90	86
11	90	49	90	87
12	90	50	90	88
13	90	51	90	89
14	90	52	90	90
15	90	53	90	91
16	90	54	90	92
17	90	55	90	93
18	90	56	90	94
19	90	57	90	95
20	90	58	90	96
21	90	59	90	97
22	90	60	90	98
23	90	61	90	99
24	90	62	90	100
25	90	63	85	1
26	90	64	85	2
27	90	65	85	3
28	90	66	85	4
29	90	67	85	5
30	90	6&	85	6
31	90	69	85	7
32	90	70	85	8
33	90	71	85	9
34	90	72	85	10
35	90	73	85	11
36	90	74	85	12
37	90	75	85	13

909881/0922

Tabelle I (Fortsetzung)

Segment Bündelnummer

125 126 127 128 129 130

Helium 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85 85

Ne-20	Helium	Ne-20	Helium	Ne-20
14	85	52	85	90
15	85	53	85	91
16	85	54	85	92
17	85	55	85	93
18	85	56	85	94
19	85	57	85	95
20	85	58	85	96
21	85	59	85	97
22	85	60	85	98
23	85	61	85	99
24	85	62	85	100
25	85	63	80	1
26	85	64	80	2
27	85	65	80	3
28	85	66	80	4
29	85	67	80	5
30	85	68	80	6
31	85	69	80	7
32	85	70	80	8
33	85	71	80	9
34	85	72	80	10
35	85	73	80	11
36	85	74	80	12
37	85	75	80	13
38	85	76	80	14
39	85	77	80	15
40	85	78	80	16
41	85	79	80	17
42	85	8O	80	18
43	85	81	80	19
44 ·	85	82	80	20

909881/0923

Tabelle I (Fortsetzung)

Segment Bündelnummer

Helium 85 -85

85

Ne-20	Helium	Ne-20	Helium	Ne-20
45	85	83	80	21
46	85	84	80	22
47	85	85	80	23
48	85	86	80	2*
49	• 85	¹ 87	80	25
50	85	88	80	26
51	85	89	80	27

Wenn man also, wie man dieser Tabelle entnehmen kann, die gesamten 101 möglichen Kombinationen von Ne-20 und Ne-22 verwendet, die sich in ihrem Isotopenverhältnis jeweils um 1% unterscheiden, braucht man nur drei verschiedene Helium/Neon-Verhältnisse, die dann jeweils um 5% auseinander liegen können. Dieses ist vorteilhaft, da Herlium die Wärme besser leitet als Neon, und daher wird diese Möglichkeit der Wärmeübertragungseigenschaften wegen bevorzugt .

Eine andere Möglichkeit ist in der nachstehenden Tabelle II angegeben. Hier weisen die einzelnen Brennstoffbündel, die in den verschiedenen Segmenten gleich nummeriert sind, das gleiche Neonisotopenverhältnis auf. Innerhalb eines Segmentes stimmen die Brennstoffbündel dagegen in ihrem Helium/Neon-Verhältnis überein. Dieses Helium/Neon-Verhältnis ist jedoch bei Bündeln aus verschiedenen Segmenten unterschiedlich.

909881/0922

Tabelle	II	_%	I	Ne-20	Bündel	_%	V	_%
Bündel-	Ne-22		100	nummer	Ne-22	Ne-20
nummer	0		99	120	19	81
101	1		98	121	20	80
102	2		97	122	21	79
103	3		96	123	22 .	78
104	4		95	124	23	77
105	5	94	125	24	76
106	6	93	126	25	75
107	7	92	127	26	74
108	8	91	128	27	73
109	9	90	129	28	72
110	10	89	130	29	71
111	11	88	131	30	70
112	12	87	132	31	69
113	13	86	133	32	68
114	14	85	134	33	67
115	15	84.	135	34	66,
116	16	83	136	35	65
117	. 17	82	137	36	64
118	18	% Neonmischung	138	37	63
119		5		% Helium
Segment		10		95
A	15		90
B	20 .		85
C	25		80
D	30		75
£			70
P

90 9 881/0922

Wie man aus der Tabelle II entnehmen kann, führt die dort aufgeführte Möglichkeit auf einfachere und besser deutbare Verhältnisse. Alle Brennstoffbündel, die zu dem selben Segment gehören, weisen das gleiche Helium/Neon-Verhältnis auf, während die einzelnen Segmente in dem Sinne rotationssymmetrisch sind, als alle Brennstoffbündel, die an sich entsprechenden Stellen in den Segmenten angeordnet sind, das gleiche Ne-20/Ne-22-Verhältnis aufweisen.. Die Gefahr ist daher geringer, daß der Reaktorkern falsch zusammengesetzt wird, und die Analyse mit dem Massenspektrometer läßt sich leichter deuten, da jedes Segment durch ein ganz bestimmtes Neon/Helium-Verhältnis gekennzeichnet ist, während das Ne-20/Ne-22-Verhältnis das jeweilige Brennstoffbündel mit dem undicht gewordenen Brennstoffelement identifiziert.

Die hier angegebenen Oasmischungen können noch weiter variiert werden. Wenn die Anzahl der Brennstoffbündel sehr groß wird, kann man der Gasnischung noch ein drittes inertes Gas in unterschiedlichen Prozentsätzen beifügen. Es ist zwar nur die Verwendung von ganz bestimmten inerten Gasen in ganz bestimmten Verhältnissen zueinander beschrieben worden. Man kann aber auch andere passende Gase mit ähnlieh gutem Erfolg verwenden, wie es bereite erwähnt wurde. Die Mischung aus Füll- und Indikatorgas oder auch der Kernbrennstoff können andere Stoffe enthalten, die die Eigenschaften der Gasmischung betonen oder anderweitig modifizieren.

909881/0922

Claims

Patentansprüche

SSISSltSSSISSSSIIIIISSISCSXSa

1.) Verfahren zum Nachweis von Lecke in den Hülsen von Brennstoffelementen eines Kernreaktors, in dem mehrere mit Hülsen versehene Brennstoffelemente verwendet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in die Hülse eines jeden Brennstoffelementes eine Gasmischung aus.einem Füllgas und aus einem mindestens zwei stabile Isotope enthaltenden Indikatorgas eingefüllt wird, die so zusammengesetzt ist, daß sich in ihr das Massenverhältnis von Füllgas zu Indikatorgas und/oder das Isotopenverhältnis des Indikatorgases von den entsprechenden Größen in den Gasmischungen einiger anderer Brennstoffelemente unterscheiden, und daß eine undicht gewordene Brennstoffhülse durch laufende überwachung und Untersuchung der Reaktorabgase durch eine massenspektrometrische Analyse der Gaszusammensetzung und der Isotopenverhältnisse im Abgas nachgewiesen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens zwei Brennstoffhülsen GasHisohungen mit einem unterschiedlichen Massenverhältnis von Füllgas zu Indikatorgas verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet', daß in mindestens zwei Brennst off hülsen Gasmischungen mit einem unterschiedlichen Isotopenverhältnis des Indikatorgases verwendet werden.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anordnung der Brennstoffelemente in Brennstoffbündeln oder Gruppen in den zum gleichen Bündel gehörenden Brennstoffelementen die gleiche Gasmischung aus Füllgas und Indikatorgas verwendet wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllgas Helium und als Indikatorgas eine Mischung aus Neon-20 und Neon-22 verwendet wird.

909881/0922

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen dem Brennstoff und der Hülse mit Natrium und/oder Kalium gefüllt wird, und daß die Gasmischung in einen freien Raum an einem Ende der Hülse eingefüllt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 zur Anwendung auf einen Kernreaktor, in dessen Kern die mit Hülsen versehenen Brennstoffelemente bündel- oder gruppenweise zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den zu einem Bündel gehörenden Brennstoffelementen die gleiche Gasmischung verwendet wird, und daß in den zu den anderen Bündeln gehörenden Brennstoffelementen andere Gasmischungen verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Brennstoffelementen zumindest zweier Bündel Gasmischungen mit einem anderen Isotopenverhältnis des Indikatorgases verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Brennstoffelementen zumindest zweier Bündel Gasmischungen mit einem anderen Massenverhältnis von Füllgas zu Indikatorgas verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllgas Helium und als Indikatorgas eine Mischung aus Neon-20 und Neon-22 verwendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen dem Kernbrennstoff und der Hülse des Brennstoffelementes mit Natrium und/oder Kalium gefüllt werden, und daß die Gasmischung in einen freien Raum an einem Ende der Hülse eingefüllt wird.

909881/0922

12. Brennstoffelement mit einer Hülse, die buk großen Teil mit Kernbrennstoff gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die restliche Hülse mit einer Mischung aus einem inerten, elementaren Füllgas und einem inerten, elementaren Indikatorgas gefüllt ist, das aus mindestens zwei stabilen Gasisotopen besteht.

13. Brennstoffelement nach Anspruch 12, dadurch g β -k ennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen dem Kernbrennstoff und der Hülse mit Natrium und/oder Kalium gefüllt sind, und daß die Gasmischung in einen freien Raum an einem Ende der Hülse eingefüllt ist.

14. Brennstoffelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllgas Helium und als Indikatorgas eine Mischung aus Neon-20 und Neon-22 verwendet ist.

909881/0 922

Le e rs ei\e