DE2016206C3 - Einrichtung zur zerstörungsfreien Abbrandbestimmung von Kernreaktorbrennelementen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Abbrandbestimmung von aus einer Vielzahl von Brennstäben bestehenden Kernreaktorbrennelementen, vorzugsweise rechteckigen Quer-Schnitts, mit Hilfe eines die Strahlung von Teilen des Brennelementes erfassenden hochauflösenden Gammaspektrometers, bei der das zu untersuchende Brennelement im Inneren eines Brennelementabklingbeckens angeordnet ist und die Meßeinrichtung aus einem <*· Kollimator innerhalb und einem Spektrometer außerhalb der Beckenwandung besteht.

Die Feststellung des Abbrandes, der in den Brennelementen von Kernreaktoren befindlichen Kernbrennsloffe ist für den wirtschaftlichen Betrieb von Kern- &5 kraftwerken von wesentlicher Bedeutung. Da in jedem Reaktorsystem die Leistungsverteilung im Reaktorkern aus neutronenphysikalischen Gründen weder in horizontaler, noch in vertikaler Richtung homogen ist, sondern beträchtliche Gradienten aufweisen kann, wird das spaltbare Material innerhalb tier Brennelemente ungleichmäßig ausgenützt, der Abbrand desselben also unterschiedlich sein. Zur Verringerung dieser Nachteile — d. h. zu einer besseren Ausnutzung des Brennstoffe! und damit Vergleichmäßigung des Abbrandes — ist es bekannt, einen Teil der weniger belasteten Brennelemente aus den äußeren Zonen des Reaktorkernes gegen hochbelastete Brennelemente aus der Zentralzone des Reaktorkernes auszutauschen. Dieser Austauschvorgang läßt sich jedoch nur dann mit optimaler Wirkung durchführen, wenn es möglich ist, die Abbrandverhältnisse in den gegeneinander auszutauschenden Brennelementen rasch und störungsfrei festzustellen. Die zerstörungsfreie Abbrandbestimmung ist selbstverständlich auch für jene Brennelemente, die ganz aus dem Reaktorkern entfernt werden, von großem Interesse.

Für die zerstörungsfreie Abbrandbestimmung sind schon verschiedene Möglichkeiten bekannt geworden. So ist es grundsätzlich möglich, die während des Reaktorbetriebes vom Kühlmittel aus einem difinierten Teil des Reaktorkernes transportierte Wärmemenge kalorimetrisch zu messen. Diese Messung ist jedoch ungenau und ergibt nur Mittelwerte. Über den örtlichen Verlauf des Abbrandes entlang der Brennelemente ergibt sie keinen Aufschluß.

In Laboruntersuchungen zur zerstörungsfreien Abbrandbestimmung von Brennstoffproben bzw. einzelnen Brennelementen (siehe Nuclear Materials Management, S. 829 bis 849, Wien 1966 und Atomkernenergie 14 bis 63, S. 333 bis 341 1969) hat sich die Messung der y-Aktivität von geeignet ausgewählten Spaltprodukten mit einer hochauflösenden lithiumgedrifteten Germanium-Halbleiterdiode, die heute in der y-Spektroskopie vielfach Verwendung findet, gut bewährt. Es ist sehr schwierig, diese Methode auf eine ausgedehnte Anordnung, wie sie ein Brennelement darstellt, das u. U. aus mehreren hundert Einzelstäben besteht, auszudehnen. Die inhomogene Abbrandverteilung innerhalb eines Brennelementes, verbunden mit der unübersichtlichen Absorption der y-Slrahlung im Stabbündel und den verwickelten Geometrieverhältnissen, lassen kaum eine Korrelation zwischen der nach außen tretenden y-Strahlung und dem mittleren Abbrand des Brennelementes zu. Zur Ermittlung der Abbrandverteilung wurden die Brennelemente in axialer Richtung und quer dazu abgetastet. Wie in F i g. 11 der erstgenannten Literaturstelle dargestellt, wurden große Aktivitätsänderungen wegen der unterschiedlich erfaßten Strahlung von Teilen des Brennelementes festgestellt, so daß kein eindeutiger Rückschluß auf die tatsächlichen Abbrandverhältnisse möglich ist.

Auf der Basis dieser bekannten Meßmethode mit einer hochauflösenden Ge(Li)-Halbleiterdiode wurde von Büker (s. Nukleonik 9 346 bis 351, 1967) eine automatisch arbeitende Anordnung zur Abbrandbestimmung von Brennstoffkugeln eines Kugelhaufenreaktors entwickelt, die über einer bestimmten Abbrandgrenze liegende Kugeln aus dem Brennstoffkreislauf aussondert. Es liegt in der Problemstellung begründet, daß dabei nur Aussagen über den mittleren Abbrand der gemessenen Kugel von Interesse sind.

In Anbetracht dieses Standes der Technik stellt sich das Bedrüfnis nach einer Einrichtung für eine rasche und zerstörungsfreie Abb^randbcstimmung von einzelnen aus Brennstäben bestehenden Brennelementen, insbesondere hinsichtlich der Abbrandverteilung in Längs-

richtung derselben. Mit einer solchen Einrichtung sollten Meßergebnisse erzielbar sein, die direkt und eindeutig dem jeweiligen Meßort zuzuordnen sind und nicht durch Strahlungen aus benachbarten Bereichen des Brennelementes verfälscht sind >md damit mißdeulet werden könnten. Die gewonnenen Daten wurden dann eine direkte und optimale Beeinflussung des Brennclementumsatzplanes ermöglichen und sonit die Wirtschaftlichkeit eines Kernkraftwerkbetriebes günstig beeinflussen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das über seine gesamte Länge zu untersuchende Brennelement in seiner Längsrichtung vertikal innerhalb einer Führungskonstruktion an der Meßeinrichtung vorbei bewegbar ist und daß der Kollimator der Meßeinrichtung so eingestellt und ausgerichtet ist, daß er nur die Strahlung jeweils eines Eckbrennstabes, aufnimmt. Es ist dabei zweckmäßig, die Führungskonstruktion in einer Ecke des Brennelementabklingbekkens so anzubringen, daß die Seitenflächen eines eingesetzten rechtwinkeligen Brennelementes in einen Winke! von 45^J zu den Beckenwänden stehen und zur gleichzeitigen Ausmessung der vier Eckbrennstäbe dieses Brennelementes an jeder der dort aneinander grenzenden Beckenwände zwei parallel zueinander angeordnete Meßeinrichtungen vorzusehen. Zur weiteren meßtechnischen Verbesserung dieser einfachen bzw. vierfachen Anordnung der Meßeinrichtung ist es zweckmäßig, zwischen der inneren Beckenauskleidung, die die vordere öffnung des Kollimators verdeckt, und der Führungskonstruktion in an sich bekannter Weise je ein zu einem Kollimator koaxiales, wasserfreies Rohr vorzusehen. Damit wird, wie bekannt, eine zusätzliche Strahlungsabsorption im Beckenwasscr zwischen der Strahlungsquelle, also dem zu untersuchenden Brennelenient, bzw. einem Einzelbrennstab desselben und dem jeweiligen Kollimator vermieden.

Mit dieser Einrichtung ist es möglich, die Strahlung einzelner Brennstäbe abzutasten. Dies gilt insbesondere für Brennelemente mit rechteckigem Querschnitt, wie sie für wassergekühlte Kernreaktoren üblich sind. Bei diesen ist es besonders einfach, die Eckbrennsläbe der Brennelemente abzutasten bzw. die Strahlung benachbarter Brennstäbe auszuschalten. Für die Untersuchung derartiger Brennelemente ist es zweckmäßig, daß die Seitenflächen derselben in einem Winkel von 45° zur Kollimatorachse verlaufen und die Kollimatorachse auf einen Eckbrennstab des Brennelementes gerichtet ist. In solchen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, zwei Meßeinrichtungen, bestehend aus Strahlungskollimator und Strahlungsspektrometer einzusetzen und damit gleichzeitig zwei diagonal gegenüberliegende Eckbrennstäbe abzutasten. Aus der so gewonnenen Kenntnis der Abbrandverteilung in einzelnen Brennstäben kann zuverlässig auf die entsprechenden Verhältnis- 5:5 se im ganzen Brennelement geschlossen werden.

Zur näheren Erläuterung dieser Einrichtung zur Abbrandbestimmung von Kernreaktorbrennelementen wird auf ein in den Fig. 1 bis 3 dargestelltes Ausführungsbeispiel verwiesen.

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Abklingbckken einer Kernreaktoranlage mit der darin eingebauten erfindungsgemäücn Einrichtung. Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die eigentliche Meßeinrichtung, bestehend aus Gammastrahlungsspcktrometer ^fi5 und Kollimator und Fig. J zeigt einen Querschnitt durch diese Anordnung in Höhe des Kollimators, enisnrcchend der Linie Will in Fig. I, wobei die gleichzeitige Abtastung von vier diagonal gegenüberliegenden Eckbrennstäben eines quadratischen Brennelementes 3, dessen Brennstäbe mit 30 bezeichnet sind, dargestellt ist.

Das in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Brennelementabklingbeckcn 1 ist mit Wasser gefüllt und befindet sich in nächster Nähe des eigentlichen Kernreaktors. Die aus dem Kernreaktor entnommenen Brennelemente können mit der Lademaschine über dieses Becken gefahren und in einem Brennelementgestell am Grund desselben abgesetzt werden. Erst nach dem Abklingen der kurzlebigen Nuklide werden die verbrauchten Brennelemente aus diesem Gestell entnommen und können weiter transportiert werden. Jene Brennelemente jedoch, die für den weiteren Einsatz im Reaktorkern vorgesehen sind, werden zunächst in der erfindungsgemäßen Einrichtung auf ihren Abbrandzustand untersucht und dementsprechend wieder in andere Brennclementpositionen im Reaktorkern eingesetzt.

Diese Einrichtung besteht zunächst aus einer Führungskonstruktion 31 am Grunde des Abklingbekkens 1 von praktisch gleicher Höhe wie das Brennelementgestell, das aus Übersichtlichkeitsgründen hier nicht dargestellt ist. Die Lademaschine oder ein anderes für die Vorbeibewegung der zu untersuchenden Brennelemente an der eigentlichen Meßeinrichtung geeignetes Gerät ist mit 7 bezeichnet. In der Höhe des oberen Endes der Führungskonsiruktion 31 ist die benachbarte Beckenwand 11 durchbohrt und an dieser Stelle mit einem Kollimator 2 versehen. Die Achse dieses Kollimators ist genau auf das in der Führungskonstruktion 31 befindliche Brennelement und zwar auf einen aus diesem ausgewählten Eckbrennstab gerichtet. Zur Einstellung der Sollage des auszumessenden Brennstabes kann die Führungskonstruktion in den dazu notwendigen Grenzen justiert werden. Damit die im Gammaspektrometer auszumessende Strahlung nicht durch die Wasserschicht im Abklingbecken infolge Absorption geschwächt wird, wird die Strahlung innerhalb des Beckenraumes in einem geschlossenen wasserfreien Rohr 21 geführt. Dieses ist zweckmäßigerweise mit der Führungskonstruktion 31 starr verbunden. Damit erübrigt sich eine Verbindung mit der Auskleidung 12 des Abklingbeckens 1, die an dieser Stelle auch den Strahlenkanal des Kollimators 2 überdeckt. Wie in Fig. 2 näher dargestellt ist, ist der Strahlenkanal in seinem Querschnitt durch Blenden 22, 23, 24 und 25 aus Blei nach Breite und Höhe einstellbar. Der Einstellmechanismus 27 und 28 ist durch die rückwärtige Anschirmung 5 nach außen geführt. In dem liier dargestellten Beispiel sind die Blenden 22 und 25 fest eingestellt und haben beispielsweise eine Kanalöffnung von 25 χ 45 mm Die dazwischenliegenden Blenden 23 und 24 sind dagegen durch die genannten Einrichtungen verstellbar, z. B. zwischen 0 und 40 bzw. 0 und 20 mm. Zwischen den Blenden 23 und 24 ist eine starre Blende 26 aus Plexiglas für die Abschirmung einer eventuell vorhandenen ^-Strahlung vorgesehen. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist dieser rohrförmige Kollimator starr in der Bohrung der Beckenwandung 11 befestigt, in dieser z. B. einbetoniert. Auf der dem Beckenraum abgewandten Seite befindet sich im Raum 6 die Ge(Li)-Diode 4 mit ihren Versorgungseinrichtungen, wie z. B. dem Vorratsbehälter für flüssigen Stickstoff 41, sowie die nicht dargestellten lonengetterpumpen mit Spannungsversorgung, der ladungscinpfindliche Vorverstärker und die anderen elektrischen Einrichtungen, die in ihrer Gesamtheit erst die eigentliche Spektro-

mcteranordnung bilden. Der Aufbau einer solchen ist jedoch Stand der Technik und wird daher hier nicht näher beschrieben. Durch die hier dargestellte und gewählte Einstellmöglichkeit des Kollimators 2 kann ein stets reproduzierbares Volumen aus dem auszumessenden Eckbrennstab strahlungsmäßig erfaßt werden, außerdem wird durch die Abschirmungen dafür gesorgt, daß auf der Bedienungsseite des Kollimators keine unzulässig hohen Slrahlungsbelastungen auftreten können. Wie bereits erwähnt, ist es möglich, bei Brennelementen mit rechteckigem Querschnitt gleichzeitig zwei Eckbrennstäbe bzw. bei Anordnung der Führungskonstruktion 31 in einer Ecke des Brennclcmcntabklingbeckcns sogar gleichzeitig alle vier Eckbrennstäbe auszumessen, siehe Fig. 3. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kollimatoren 2 nicht parallel zueinander, wie in F i g. 3 dargestellt, sondern auch schräg auf die anzumessenden Eckbrennstäbc zu richten, wenn dies aus räumlichen Gründen notwendig sein sollte. In dieser Figur ist außerdem deutlich der Querschnitt der Führungskonstruklion 31 zu sehen, an die die vier Rohre 21 angeschweißt sind. Die innere Auskleidung des Abklingbeckens ist mit 12 bezeichnet und wird von diesen Rohren 21 nicht berührt.

Zur nähereren Veranschaulichung der Größenabmessungen der hier beschriebenen Anlagen sei erwähnt, duU das Abklingbecken beispielsweise eine Tiefe von 11 m besitzt, bei einer Dicke der Außenwände 11 von 1,8 ni Der Kollimator 2. dessen Durchmesser in dei Größenordnung von etwa 20cm liegt, hat dann eint entsprechende Länge von 1,8 m.

Abschließend sei erwähnt, daß bei gleichzeitigen Einsatz zweier oder mehrerer Spcktronieteranordnun gen, die nicht auf die Verwendung von Ge(Li)-Diodci beschränkt sein müssen, nicht nur eine gleichzeitig! Ausmessung verschieden im Brennelement angeordne tcr Eckbrennstäbc möglich ist. vielmehr ist auch durcl Gcgeneinanderschaltung der Ausgänge dieser Speklro meter eine Differenzmessung möglich, um sofort ein Aussage über Abbranduntersehicdc senkrecht zu Längsachse des Brennelementes zu erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur zerstörungsfreien Abbrandbestimmung von aus einer Vielzahl von Brennstäben bestehenden Kernreaktorbrennelementen, vorzugsweise rechteckigen Querschnitts, mit Hilfe eines die Strahlung von Teilen des Brennelementes erfassenden hochauflösenden Gammaspektrometers. bei der das zu untersuchende Brennelement im Inneren eines Brennelementabklingbeckens angeordnet ist und die Meßeinrichtung aus einem Kollimator innerhalb und einem Spektrometer außerhalb der Beckenwandung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das über seine gesamte Länge zu untersuchende Brennelement (3) in seiner Längsrichtung vertikal innerhalb einer Führungskonstruktion (31) an der Meßeinrichtung vorbei bewegbar ist und daß der Kollimator (2) der Meßeinrichtung so eingestellt und ausgerichtet ist, daß er nur die Strahlung jeweils eines Eckbrennstabes aufnimmt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle rechteckiger Brennelemente (3) die Führungskonstruktion (31) so angeordnet ist, daß die Seitenflächen der Brennelemente in einem Winkel von 45° zur Kollimatorachse stehen.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßeinrichtungen, bestehend jeweils aus Kollimator und Spektrometer, zur gleichzeitigen Abbrandbestimmung an mehreren Eckbrennstäben eines Brennelementes vorgesehen sind.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskonstruktion (31) in einer Ecke des Brennelementabklingbekkens (1) so angebracht ist, daß die Seitenflächen eines eingesetzten rechtwinkeligen Brennelementes (3) in einem Winkel von 45° zu den Beckenwänden (11) stehen und daß zur gleichzeitigen Abmessung der vier Eckbrennstäbe des Brennelementes an jeder der dort aneinandergrenzenden Beckenwände zwei parallel zueinander angeordnete Meßeinrichtungen vorgesehen sind (F i g. 3).

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der inneren Beckenauskleidung (12) und der Führungskonstruktion (31) je ein zu einem Kollimator (2) koaxiales wasserfreies Rohr (21) vorgesehen ist.