DE1922592B2

DE1922592B2 - Verfahren zum Lokalisieren von undichten Umhüllungen von Brennstoffelementen eines Kernreaktors

Info

Publication number: DE1922592B2
Application number: DE1922592A
Authority: DE
Inventors: Leonard Nathan Livermore Grossman; Charles Louis Sunnyvale Larson; Bernard Friedman Palo Alto Rubin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-05-15
Filing date: 1969-05-02
Publication date: 1980-01-10
Also published as: FR2008572A1; US3632470A; DE1922592A1; GB1248489A; JPS5011556B1; DE1922592C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren 2c von undichten Umhüllungen von Brennstoffelementen eines Kernreaktors, dessen Reaktorkern aus einer Anzahl umhüllter Brennstoffelemente zusammengesetzt ist, bei welchem in die Umhüllungen vor Inbetriebnahme des Reaktors unterschiedliche Mischungen aus zwei inerten elementaren Indikatorgasen, von denen das eine mindestens ein und das andere mindestens zwei stabile Isotope aufweist, eingebracht werden und bei welchem das bei Betrieb des Reaktors aus einer Undichtigkeit entweichende Gas hinsichtlich seiner !sotopenzusammensetzung analysiert wird.

Ein Verfahren der vorgenannten Art ist in »Atomkernenergie«, 11 (1966), 3b7 -366 beschrieben. Die dort besonders behandelte Methode &·, die Radiotracermethode. Die Radiotracermethode besteht darin, daß die Brennstoffelemente eines Reaktors individuell mit geeigneten Substanzen (Tracern) markiert sind, die durch n, y-Reaktion im Reaktorkern aktiviert werden und die bei einem Hüllenschaden durch Kernstrahlungsdetektoren im Kühlmittel nachgewiesen werden kön- nen. Bei dieser aktivierenden n, /-Reaktion verändert sich die Masse der eingesetzten Tracer.

In der GB-PS 8 91179 ist ein Verfahren zum Feststellen des Auftretens von undichten Umhüllungen beschrieben, bei dem Helium in einer bestimmten Menge in der Brennstoffelementumhüllung vorhanden ist Bei Auftreten eines Lecks wird das entweichende Helium massenspektroskopisch nachgewiesen. Eine Identifizierung des beschädigten Elementes ist jedoch nicht möglich.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß auch bei einer großen Anzahl zu überwachender Brennstoffelemente eine Lokalisierung defekter Umhüllungen möglich ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemilß dadurch gelöst, daß die Indikatorgase einen so geringen Neutronenabsorptionsquerschnitt aufweisen, daß die Mischung durch den Reaktorbetrieb praktisch nicht verändert wird, und daß die Analyse der Isotopenzusammensetzung des entweichenden Gases massenspektroskopisch erfolgt Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird als Gasmischung Helium mit Neon-20 und Neon-22 verwendet.

Die Indikatorgasmischung, die in das Brennstoffelc- es ment gefüllt wird, soll inert sein, d. ti. weder mit dem Kernbrennstoff noch mit der Umhüllung oder mit dem Kühlmittel reagieren.

Die aus dem Reaktorkern entweichenden Gase werden am besten laufend mit einem kontinuierlich arbeitenden Massenspektrometer überwacht Wenn daher eine Undichtigkeit nachgewiesen wird und wenn dann anschließend eine weitere Undichtigkeit auftritt, kann diese durch eine Veränderung des Isotopenverhältnisses lokalisiert werden. Da zwischen dem Auftreten von Undichtigkeiten im allgemeinen Monate vergehen, ist die Wahrscheinlichkeit vernachlässigbar gering, daß zwei verschiedene Brennstoffelemente gleichzeitig undicht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweis von undichten Umhüllungen von Brennstoffelementen kann bei Reaktoren der verschiedensten Bauarten angewendet werden. Bei einem Siedewasserreaktor kann man beispielsweise Abgasproben im Hauptkondensator abnehmen, die in der Hauptsache aus radiclytisch gebildetem Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, und die Abgasproben massenspektra*'<etrisch untersuchen, um die Indikatorgase nachzuweisen, die aus einem Brennstoffelement entwichen sind. In einem mit flüssigem Metall gekühlten schnellen Brüter ruht der Reaktorkern normalerweise unter einer Schutzschicht aus einem inerten Gas, wie beispielsweise Argon. Dann kann man dieses Schutzgas auf die Anwesenheit der Indikatorgasmischung aus einem Brennstoffelement hin untersuchen. Bei gasgekühlten Reaktoren wie bei Dampf- oder CCh-gekühlten Reaktoren kann man das gasförmige Kühlmittel selbst untersuchen.

Im folgenden soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben werden. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 schematisch eine Kernkraftanlage mit einem Kernreaktor, der durch flüssiges Metall gekühlt ist, und bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Lokalisieren von undichten Umhüllungen von Brennstoffelementen angewendet wird und

F i g. 2 schematisch die Verteilung der Indikatorgajmischungen zu einem typischen Reaktorkern.

In der F i g. 1 ist ein Behälter 10 dargestellt in dem ein Kernreaktor 11 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 14 und der Innenwand des Reaktors 11 hinunter fließt Das Natrium strömt dann durch den Reaktorkern 15 hindurch nach oben, der aus einer Anzahl von Brennstoffelementen aufgebaut ist, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind. In den Zwischenräumen zwischen den Brennstoff-

elementen wird das Natrium durch die Wärme aufgeheizt, die bei der Kernspaltung im Kernbrennstoff frei wird Die Reaktivität des Kernes 15 wird mit einer Anzahl von Steuerstäben 16 geregelt, von denen einer schematisch dargestellt ist Der Füllstand des Natriums innerhalb des Reaktors 11 ist durch die gestrichelte Linie 17 angedeutet Oberhalb des flüssigen Natriums befindet sich sin Schutzgasraum 18, der üblicherweise mit Argon gefüllt ist

Das aufgeheizte Natrium gelangt durch eine Leitung 19 hindurch zum Wärmeaustauscher 12 Das Natrium aus dem Reaktor U gibt seine Wärme an einen zweiten Natriumkreislauf ab, der von einer Pumpe 21 in der WärmeausUuscherschlange 20 des Wärmeaustauschers 12 aufrechterhalten wird. Das abgekühlte Natrium aus dem Reaktor wird mittels der Pumpe 13 wieder dem Reaktor 11 zugeführt

Das inzwischen aufgeheizte Natrium des zweiten Kreislaufes strömt durch einen Dampferzeuger 22 hindurch, in dein eine Wärmeaustauscherschlange 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.

Der Dampf, der sich in dem Dampferzeuger 22 gebildet hat, steigt in den Dampfraum 24 oberhalb des Wasserspiegels 25 und gelangt durch eine Leitung 26 zu einer Turbine 27, die einen Generator 28 antreibt Der Abdampf aus der Turbine 27 wird in einem Hauptkondensor 29 kondensiert und mittels einer Pumpe 30 durch eine Leitung 31 hindurch zum Dampferzeuger zurückgepumpt

Radioaktive Stoffe, die aus den Brennstoffelementen entwichen sind, können nun das als Kühlmittel verwendete Natrium, Reaktorausrüstungen sowie den Wärmeaustauscher 12 nebst: zugeordneten Pumpen und Leitungen verseuchen. Der Reaktor und der Wärmeaustauscher sind der Übersichtlichkeit wegen in der F i g. 1 stark vereinfacht dargestellt In der Praxis sind sie jedoch mechanisch 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 mit flüssigem Meta.l gekühlt sind, ist die Entnahme von Kuhlmittelproben direkt am ausgangsseitigen Ende der einzelnen Brennstoffbündel besonders schwierig, da das Natrium oberhalb seiner Schmelztemperatur gehalten werden muß, und da der Umgang mit Natrium gefährlich ist

Zur Durchführung de:, erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem Gasraum 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 Massenspektrometers kontinuierlich oder intermittierend auf die Anwesenheit von Indikatorgasen aus den Brennstoffstäben des Reaktorkernes 15 hin untersucht Man kann das Massenspektrometer so auslegen, daß kontinuierlich eine Gasanalyse graphisch ausgegeben wird. Auf _Μ Wunsch kann man auch ein Warnsystem anschließen, das ausgelöst wird, wenn im Schutzgas Indikatorgase auftreten. Da bei der Analyse des Schutzgases im Detektor 37 nur ein geringer Teil des angelieferten Schutzgases verbraucht wird, wird das restliche Schutzgas durch die Leitung 38 dem Schutzgasraum 18 wieder zugeführt

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Lokalisieren

von undichten Umhüllungen von Brennstoffelementen eines Kernreaktors ist außerordentlich empfindlich, einfach und genau. Die Detektorausrüstungen sind fast vollständig auBerhalb des Behälters 10 angeordnet, so daß sie, falls notwendig, ohne Abschalten des Reaktors gewartet oder modifiziert werden können. Sieht man zwei Detektorstationen 37 vor, so kann man mit der einen Station die Überwachung fortsetzen, während die andere Station außer Betrieb ist

Die F i g. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Reaktorkern, wie er in einer Kernkraftanlage nach F i g. 1 verwendet werden kann. Im besonderen ist dargestellt wie die die Brennstoffelemente enthaltenden Brennstoffbündel in dem Reaktorkern angeordnet sind. Wie man sieht ist der Querschnitt der einzelnen Brennstoffbündel als regelmäßiges Sechseck ausgeführt Man kann aber auch Bündel mit anderen Querschnitten verwenden, also beispielsweise mit quadratischen oder rechteckigen Querschnitten. Alle J?~2nnstoffbündel sind so angeordnet, daß sie an ihre Nacübarbündel anstoßen. Dadurch entsteht ein etwa zylindriscner Reaktorkern 150.

Der Reaktorkern 150 ist in sechs Segmente A bis F unterteilt worden, die der Übersichtlichkeit wegen durch fett ausgezogene Linien voneinander getrennt sind. Die Segmente weisen Axialsymmetrie auf, d. h. daß jedes Segment in das Segment A übergeht wenn man es um die Mitte des Reaktorkerns so weit dreht daß es sich mit dem Segment A deckt Die Brennstoffbündel innerhalb des Segmentes A sind von 101 bis 138 durchnumeriert Die Brennstoffbündel in den Segmenten B bis F sind auf die gleiche Weise numeriert nur ist die Numerierung der Übersichtlichkeit wegen in F i g. 2 weggelassen worden. An verschiedenen Stellen innerhalb des Kerns 150 sind Steuerstäbe 100 vorgesehen. Dieses sind übliche, auf und ab bewegbare Stäbe mit einem hohen Neutronenabsorptionsquersrhnitt

Da im Segment A 38 Brennstoffbündel vorgesehen sind, gibt es in dem ganzen Reaktorkern 228 Br°nnstoffbündel. Um nun durch eine Analyse der Reaktorabgase das Brennstoffbündel mit dem undichten Brennstoffelement positiv identifizieren zu können, benötigt man daher 228 verschiedene Kombinationen aus Isotopenverhältnissen für das eine Indikatorgas und/oder dem Verhältnis der beiden Indikatorgase.

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

In der nachstehenden Tabelle I besteht die Gasmischung aus Helium als dem einen und einer Mischung aus Ne-20 und Ne-22 als dem anderen Indikatorgas. In der ersten Spalte der Tabelle I -And die Brennstoffbündel innerhalb eines jeden Segmentes A bis Fvon 101 bis 138 durchnumeriert In den weiteren, zu den Segmenten A bis F gehörenden Spalten ist zuerst der prozentuale Gewichtsanteil des Heliums in der Gasmischung angegeben — de:· Rest ist die Neonisotopenmischung — und dann folgt die Zusammensetzung der Isotopenmischung von Neon, wozu es genügt, den prozentualen Anteil nur eines Isotops anzugeben, \u Tabelle I den Anteil des Ne-20, da das andere Isotop den Rest der Isotopenmischung bildet Betrachtet man also das Brennstoffbündel 1J 2 im Segment Q so geht aus Tabelle I hervor, daß die Gasmischung in den Brennstoffelementen dieses Brennstoffbündels aus 90% Helium und 10% Neon besteht und daß sich das Neon aus 87% Ne-20 und 13% Ne-22 zusammensetzt

	I	Segment	rtZ-	0	5	Ne-20	19 22	C	besser	ändere	Dieses ist	vorteilhaft, da	Helium die	der nachstehenden	einzelnen	Innerhalb eines	überein. Dieses	Segmentes stimmen die	Helhim/Neon-Ver-	Segmenten	JL	592	85	Ne-20	6	E	%	Ne-20	F	90	%
		A	Helium Ne-20	1		38		Helium 1	Möglichkeit der	leitet als Neon, und daher	wird diese	II angegeben. Hier weisen die	Segmenten	Brennstoffbündel dagegen	bei Bündeln aus	in ihrem	Helium/Neon-Verhältnis ist			85	14		Helium	Ne-22	52		91	Ne-20
		90	2		39		90	gen bevorzugt	Wärmeübertragungseigenschaften we-	Brennstoffbündel, die in den verschiedenen	gleich numeriert sind, das gleiche Neonisotopenverhält-	hältnis	unterschiedlich.	verschiedenen			85	15		85		53		92
		90	3	B	40		90	Eine		nis auf.	jedoch					85	16	85	0	54		93	100
	90	4	Helium	41	90	Tabelle				D *f\L·*	85	17	85	1	55		94	99
	90	5	90	42	90	Möglichkeit ist in	HO "7U >Je-20 Helium	85	18	85	2	56		95	98
	90	6	90	43	90		76	85	19	85	3	57	Helium Ne-20	96	97
	90	7	90	44	90		77	85	20	85	4	58	85	97	96
	90	8	90	45	90	78	85	21	85	5	59	85	98	95
	90	9	90	46	90	79	85	22	85	6	60	85	99	94
	90	10	90	47	90	80	85	23	85	7	61	85	100	93
	90	11	90	48	90	81	85	24	85	8	62	85	1	92
	90	12	90	49	90	82	85	25	85	9	63	85	2	91
	90	13	90	50	90	83	85	26	85	10	64	85	3	90
	90	14	90	51	90	84	85	27	85	11	65	85	4	89
	90	15	90	52	90	85	85	28	85	12	66	85	5	88
	90	16	90	53	90	86	85	29	85	13	67	85	6	87
	90	17	90	54	90	87	85	30	85		68	85	7
	90	18	90	55	90	88	80	31	85		69	80	8
	90	19	90	56	90	89	85	32	85		70	80	9
	90	20	90	57	90	90	85	33	85		71	80	10
	90	21	90	58	90	91	85	34	85		72	80	11
	90	22	90	59	90	92	85	35	85	73	80	12
	90	23	90	60	90	93	85	36	85	74	80	13
	90	24	90	61	90	94	85	37	85	75	80	14
	90	25	90	62	90	95	85	38	85	76	80	15
	90	26	90	63	90	96	85	39	85	77	80	16
	90	27	90	64	85	97	85	40	85	78	80	17
	90	28	90	65	85	98	85	41	85	79	80	18
	90	29	90	66	85	99	85	42	85	80	80	19
	90	30	90	6/	85	00	85	43	85	81	80	20
	90	31	90	68	85	1	85	44	85	82	80	21
	90	32	90	69	85	2	85	45	85	83	80	22
	90	33	90	70	85	3	85	46	85	84	80	23
	90	34	90	71	85	4	85	47	85	85	80	24
	90	35	90	72	85	5	85	48	85	86	80	25
	90	36	90	73	85	6	85	49	85	87	80	26
	90	37	90	74	85	7	85	50	65	86	80	27
	90		90	75	85	8	Tabelle II	51	85	89	80
	90	90	Tabelle	85	9			85		80
	90	entnehmen	10					80
	90	Kombinationen von	ii		Bündelnummer			80
	90	Ne-20 und Ne-22 verwendet, die sich ergeben, wenn sich	12				80
	man &iso, wie man dieser	die Isotopenverhältnisse jeweils urr	13				80
	kann, die gesamten 101 möglichen	11% unterschieden;	50		101		80
		zusätzlich braucht man nur drei verschiedene Helium/		102
		Neon-Verhältnisse, die dann jeweils um 5% auseinander		103
		liegen können.		104
		Wärme		105
		55	106
		107
		108
		109
		110
	60	111
		112
		113
		114

	65





Tabelle
Bündel
nummer

101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
Wenn

	7	19	22	592	8	Vo	Vo Neonmischung	%
					Ne-22	5	Ne-20
Fortsetzung				Bandelnummer		10
						i5
RflnHplniimmpr	Ne-22				32	20	68
DUMUdllUlllllld		Ne-20			33	25	67
	14			133	34	30	66
115	15	86	5	134	35		65
116	16	85		135	36		64
V'	17	84		136	37		63
118	18	83		137
119	19	82	IO	138
120	20	81			Tabelle Il (Fortsetzung)
121	21	80
122	22	79			Segment	Vo Helium
123	23 24	78		A	95
124	25	77 76	Γ)	B	90
126	26	75		C	83
127	27	74		D	80
12g	28	73		E	75
129	29	72	20	F	70
130	30	71
131	31	70		Zeichnungen
132		69
	Hierzu 2	BIaII

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Lokalisieren von undichten Umhüllungen von Brennstoffelementen eines Kernreaktors, dessen Reaktorkern aus einer Anzahl umhüllter Brennstoffelemente zusammengesetzt ist, bei welchem in die Umhüllungen vor Inbetriebnahme des Reaktors unterschiedliche Mischungen aus zwei inerten elementaren Indikatorgasen, von denen das eine mindestens ein und das andere mindestens zwei stabile Isotope aufweist, eingebracht werden und bei welchem das bei Betrieb des Reaktors aus einer Undichtigkeit entweichende Gas hinsichtlich seiner Isotopenzusammensetzung analysiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorgase einen so geringen Neutronenabsorptionsquerschnitt aufweisen, daß die Mischung durch den Reaktorbetrieb praktisch nicht verändert wird, und daß die Analyse der Isotopenzusammensetzung des entweichenden Gases massenspektroskopisch erfolgt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gasmischung Helium mit Neon-20 und Neon-22 verwendet wird.