DE1922592C3 - Verfahren zum Lokalisieren von undichten Umhüllungen von Brennstoffelementen eines Kernreaktors - Google Patents
Verfahren zum Lokalisieren von undichten Umhüllungen von Brennstoffelementen eines KernreaktorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein 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.
Ein Verfahren der vorgenannten Art ist in »Atomkernenergie«, 11 (1966), 357-366 beschrieben. Die dort
besonders behandelte Methode ist 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 können. Bei dieser aktivierenden n, y-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 erfindungsgemäß 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 Brennstoffelement gefüllt wird, soll inert sein, d. h. 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
JS beispielsweise Abgasproben im Hauptkondensator
abnehmen, die in der Hauptsache aus radiolytisch gebildetem Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, und
die Abgasproben massenspektrometrisch 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
untersuchen. Bei gasgekühlten Reaktoren wie bei
gasförmige Kühlmittel selbst untersuchen.
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 Lokali
sieren von undichten Umhüllungen von Brennstoffele
menten angewendet wird und
F i g. 2 schematisch die Verteilung der Indikatorgasmischungen zu einem typischen Reaktorkern.
In der F i g. 1 ist ein Behälter 10 dargestellt, in dem ein
to 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 di;r Innenwand des
Reaktors 11 hinunter fließt. Das Natrium strömt dann
b5 durch den Reaktorkern 15 hindurch nach oben, der aus
einer Anzahl von Brennstoffelementen aufgebaut ist, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordhet
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 ein 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 11 gibt seine Wärme an einen zweiten
Natriumkreislauf ab, der von einer Pumpe 21 in der Wärmeaustauscherschlange 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 dem eine Wärmeaustauscl.erschlange 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 Metall gekühlt sind, ist die Entnahme .von Kühlmittelproben 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 des 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
Wunsch kann man auch ein 'Varnsystem 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 außerhalb 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 Brennstoffbündel sind
so angeordnet, daß sie an ihre Nachbarbündel anstoßen. Dadurch entsteht ein etwa zylindrischer 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 Obergeht, 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 Neutronenabsorptionsquerschnitt
Da im Segment A 38 Brennstoffbündel vorgesehen sind, gibt es in dem ganzen Reaktorkern 228
Brennstoffbündel. 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 sind 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 — der Rest ist die Neonisotopenmischung — und dann folgt die Zusammensetzung der Isotopenmischung
von Neon, wozu es genügt, den prozentualen Anteil nur eines Isotops anzugeben, in Tabelle I den
Anteil des Ne-20, da das andere Isotop den Rest der Isotopenmischung bildet. Betrachtet man also das
ßrennstoffbündel 112 im Segment C, 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.
Bündel- Segment
nummer A
101 | 90 | 0 | 90 | 38 | 90 | 76 | 85 | 14 | 85 | 52 | 85 | 90 |
102 | 90 | 1 | 90 | 39 | 90 | 77 | 85 | 15 | 85 | 53 | 85 | 91 |
103 | 90 | 2 | 90 | 40 | 90 | 78 | 85 | 16 | 85 | 54 | 85 | 92 |
104 | 90 | 3 | 90 | 41 | 90 | 79 | 85 | 17 | 85 | 55 | 85 | 93 |
105 | 90 | 4 | 90 | 42 | 90 | 80 | 85 | 18 | 85 | 56 | 85 | 94 |
106 | 90 | 5 | 90 | 43 | 90 | 81 | 85 | 19 | 85 | 57 | 85 | 95 |
107 | 90 | 6 | 90 | 44 | 90 | 82 | 85 | 20 | 85 | 58 | 85 | 96 |
108 | 90 | 7 | 90 | 45 | 90 | 83 | 85 | 21 | 85 | 59 | 85 | 97 |
109 | 90 | 8 | 90 | 46 | 90 | 84 | 85 | 22 | 85 | 60 | 85 | 98 |
110 | 90 | 9 | 90 | 47 | 90 | 85 | 85 | 23 | 85 | 61 | 85 | 99 |
111 | 90 | 10 | 90 | 48 | 90 | 86 | 85 | 24 | 85 | 62 | 85 | 100 |
112 | 90 | 11 | 90 | 49 | 90 | 87 | 85 | 25 | 85 | 63 | 80 | 1 |
113 | 90 | 12 | 90 | 50 | 90 | 88 | 85 | 26 | 85 | 64 | 80 | 2 |
114 | 90 | 13 | 90 | 51 | 90 | 89 | 85 | 27 | 85 | 65 | 80 | 3 |
115 | 90 | 14 | 90 | 52 | 90 | 90 | 85 | 28 | 85 | 66 | 80 | 4 |
116 | 90 | 15 | 90 | 53 | 90 | 91 | 85 | 29 | 85 | 67 | 80 | 5 |
117 | 90 | 16 | 90 | 54 | 90 | 92 | 85 | 30 | 85 | 68 | 80 | 6 |
118 | 90 | 17 | 90 | 55 | 90 | 93 | 85 | 31 | 85 | 69 | 80 | 7 |
119 | 90 | 18 | 90 | 56 | 90 | 94 | 85 | 32 | 85 | 70 | 80 | 8 |
120 | 90 | 19 | 90 | 57 | 90 | 95 | 85 | 33 | 85 | 71 | 80 | 9 |
121 | 90 | 20 | 90 | 58 | 90 | 96 | 85 | 34 | 85 | 72 | 80 | 10 |
122 | 90 | 21 | 90 | 59 | 90 | 97 | 85 | 35 | 85 | 73 | 80 | 11 |
123 | 90 | 22 | 90 | 60 | 90 | 98 | 85 | 36 | 85 | 74 | 80 | 12 |
124 | 90 | 23 | 90 | 61 | 90 | 99 | 85 | 37 | 85 | 75 | 80 | 13 |
125 | 90 | 24 | 90 | 62 | 90 | 100 | 85 | 38 | 85 | 76 | 80 | 14 |
126 | 90 | 25 | 90 | 63 | 85 | 1 | 85 | 39 | 85 | 77 | 80 | 15 |
127 | 90 | 26 | 90 | 64 | 85 | 2 | 85 | 40 | 85 | 78 | 80 | 16 |
128 | 90 | 27 | 90 | 65 | 85 | 3 | 85 | 41 | 85 | 79 | 80 | 17 |
129 | 90 | 28 | 90 | 66 | 85 | 4 | 85 | 42 | 85 | 80 | 80 | 18 |
130 | 90 | 29 | 90 | 67 | 85 | 5 | 85 | 43 | 85 | 81 | 80 | 19 |
131 | 90 | 30 | 90 | 68 | 85 | 6 | 85 | 44 | 85 | 82 | 80 | 20 |
132 | 90 | 31 | 90 | 69 | 85 | 7 | 85 | 45 | 85 | 83 | 80 | 21 |
133 | 90 | 32 | 90 | 70 | 85 | 8 | 85 | 46 | 85 | 84 | 80 | 22 |
134 | 90 | 33 | 90 | 71 | 85 | 9 | 85 | 47 | 85 | 85 | 80 | 23 |
135 | 90 | 34 | 90 | 72 | 85 | 10 | 85 | 48 | 85 | 86 | 80 | 24 |
136 | 90 | 35 | 90 | 73 | 85 | 11 | 85 | 49 | 85 | 87 | 80 | 25 |
137 | 90 | 36 | 90 | 74 | 85 | 12 | 85 | 50 | 85 | 86 | 80 | 26 |
138 | 90 | 37 | 90 | 75 | 85 | 13 | 85 | 51 | 85 | 89 | 80 | 27 |
Wenn | man al: | so. wie man dieser Tabelle | entnehmen so | Tabelle II |
kann, die gesamten 101 möglichen Kombinationen von
Νε-20 und Ne-22 verwendet, die sich ergeben, wenn sich
die Isotopenverhältnisse jeweils um 1% unterschieden; zusätzlich braucht man nur drei verschiedene Helium/
Neon-Verhältnisse, die dann jeweils um 5% auseinander 55
liegen können. Dieses ist vorteilhaft, da Helium die
Wärme besser leitet als Neon, und daher wird diese Möglichkeit der Wärmeübertragungseigenschaften wegen bevorzugt
Eine andere Möglichkeit ist in der nachstehenden 60 Tabelle II angegeben. Hier weisen die einzelnen
Brennstoffbündel, die in den verschiedenen Segmenten gleich numeriert sind, das gleiche Neonisotopenverhältnis auf. Innerhalb eines Segmentes stimmen die
Brennstoffbündel dagegen in ihrem Helhim/Neon-Ver- 65
hältnis fiberein. Dieses Helhim/Neon-Verhiltnis ist
jedoch bei Bundein aus verschiedenen Segmenten -unterschiedlich.
Ne-22
101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114
Ne-20
100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
125
127
128
129
130
131
132
% Ne-22
14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Ne-20
86 85 84 83 82 81 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69
10
20
BQndelnummer
Ne-22
133
134
135
136
137
138
32 33 34 35 36 37
IS Segment
% Neonmischung
A
B C D
B C D
5 10 15 20 25 30
Ne-20
Helium
95 90 85 80 75 70
Claims (2)
1. Verfahren zum Lokalisieren von undichten Umhüllungen von Brennstoffelementen eines Kernreaktors, dessen Reaktorkern aus einer Anzahl
umhQllter 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 Beirieb des Reaktors aus
einer Undichtigkeit entweichende Gas hinsichtlich
seiner Isotopenzusammeasetzurig 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 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Gasmischung Helium mit Neon-20
und Neon-22 verwendet wird
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---|---|---|---|
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DE1922592B2 DE1922592B2 (de) | 1980-01-10 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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