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Verfahren zum Unterscheien zwischen Hüllenschäden im BrennstoEfbereich
cnu IIülleischäden im Bereich des Plenums an einem Kernreaktor-Brennelement Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterscheiden zwischen Hüllenschäden im Brennstoffbereich
und tiüllenschäden im Bereich des Plenums an einen k'eLnreaktor-Brennclement, dessen
Hülle den Kernbrennstoff und mindestens einen Sammelraum (Plenum) zum Speichern
von Spaltgasen umschließt.
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Das Brennelement und seine Betriebszuverlässigkeit ist insbesondere
bei er Entwicklung neuer Reaktorkonzepte ein zentrales Problem in Bezug auf Konstruktion
-und Betrieb von Kernreaktoren.
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Zumindest solange nicht ausreichende Betriebserfahrungen vorliegen,
ist eine nach Möglichkeit kontinuierliche Überwachung der Brennelemente während
des Betriebes erforderlich. Da Schadensablauf und -folgen in etwa vorhersehbar sein
sollen, müssen auftretende Hüllenschäden möglichst frühzeitig erkannt werden und
hinsichtlich der Schadensart beurteilt werden können. Dabei können Art und Umfang
des Schadens für den weiteren Betrieb des Reaktors entscheidend sein.
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Handelt es sich z.B. um Brennelemente mit pulverförmigem Brennstoff,
dann gewinnt die Schadensart ausschlaggebende Bedeutung, da die Spaltproduktfreisetzung
gegenüber Brennstäben mit pellettiertem Brennstoff tim eine halbe bis eine Größenordnung
intensiver ist. Während ein Hüllenschaden in Höhe des Spaltgasplenums eine vorbestimmte
Zeit toleriert werden kann, sollte bei einem Hüllenschaden im Brennstoffhereich
der Reaktor sofort abgeschaltet und das defekte Brennelement ausgetauscht werden.
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Anderenfalls wurde eine erhebliche Kontamination des Primärkreislaufes
und Folgeschäden an benachbarten Brennelementen eintreten.
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Die Indikation von Hüllenschäden ist möglich durch kontinuierliche
Überwachung der Spaltprodukt-IXontamination des Kühlmediums der Brennelemente. Es
sind Einrichtungen bekannt, mit denen das Ansteigen der Spaltprodukt-Kontamination
des Kühlmittels bei einem Hüllenschaden gemessen werden kann. Bei Wasserkühlung
und in einer modifizierten Form auch bei Gas- oder Dampfkühlung werden gasfrmige
Spaltprodukte aus dem Kühlmittel extrahiert und deren feste Folgeprodukte in einem
Präzipitator elektrostatisch auf eine Elektrode niedergeschlagen und die Radioaktivität
der Folgeprodukte gemessen.
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Bei Flüssigmetallkühlung ist jedoch die Kühlmittelaktivität im Betrieb
so hocll, daß durch Hüllrohrschäden verursachte Aktivitätserhöhungen nur mit Hilfe
verzögert emittierter Neutronen einiger Spaltprodukte detektiert werden können,
wie zB. Er. 87 und J 137.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dessen
Hilfe während des ReaktorhetrierDes die Lage eines Lecks im Hüllrohr eines Brennelementes
in einem der zwei möglichen Bereiche, dem Brennstoffbereich bzw. dem Plenumbereich
ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das bei einem
Hüllenschaden sich einstellende stationäre Druckgefälle zwischen dem Plenum als
Ort höheren Druckes und dem Kh1Bitte-l mindestens kurzzeitig erhöht und dadurch
Sie Smiesion von Spaltprodukten durch das Leck des Hüllrche@ in das k@@lmittel vergrößert
wird,
so daß am zeitlichen Verlauf der mit an sich bekannten Mitteln gemessenen Spaltprodukt-Kontamination
des Kühlmittels von der Lage des Lecks abhängige Änderungen erzwungen werden, deren
charakteristischer Verlauf im wesentlichen unabhängig von R(aktorparametern ist.
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Die vorgeschlagene Erhöhung des Druckgefälles ermöglicht sowohl bei
Dampf- bzw. Gaskühlung als auch bei Flüssigkeitskühlung eine eindeutige Aussage
über die Lage des Lecks. Dabei ist in den Begriff FlussigkeitsJuhlung auch-eine
Kiihlung mit Flüssigmetall eingeschlossen, wobei die Detektion über die verzögert
emittierten Neutronen erfolgt.
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Die Einstellung des Druckgefälles wird zweckmäßirweise abhängig von
dem verwendeten Ssühlr!littel auf zwei verschiedenen Wegen entweder dadurch erreicht,
daß insbesondere bei Kernreaktoren mit DampE-oder Gaskühlung zum Erhöhen des Druckgefälles
zwischen Plenum und Kühlmittel der ICühlmitteldruck mindestens kurzzeitig herabgesetzt
wird, oder daß inskesondere bei Kernreaktoren mit Flüssigkeitskühlung zum Erhöhen
des Druckgefälles zwischen Plenum und Kühlmittel die Reaktor leistung mindestens
kurzzeitig erhöht wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch dadurch gelöst
werden, daß die Temperatur des Brennstoffes in der Weise verändert wird, daß die
dabei im Brennstoff auftretenden Wärmespannungen durch die Bildung von flaarrissen
ausgeglichen werden und dabei die Emission von Spalt stoffen durch das Leck des
Hüllrohres in das Kühlmittel kurzzeitig erhöht wird, so daß am zeitlichen Verlauf
der mit an sich bekannten Mitteln gemessenen Spaltprodukt-Kontamination des Kühlmittels
von der Lage des Lecks abhängige Änderungen erzwungen werden, deren charakteristischer
Verlauf im wesentlichen unabhängig von Reaktorparametern ist. Dabei hat es sich
insbesondere als vorteilhaft erwiesen, zum Auslösen von Temperaturänderungen die
Reaktorleistung mindestens kurzzeitig zu erhöhen. Diese Maßnahme bringt unabhängig
von dem verwendeten Kühlmittel einen erhöhten Aktivitätsausstoß durch das Leck in
das Kühlmedium.
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Die Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung liegen insbesondere
darin, daß nicht nur das Auftreten eines Hüllen schadens festgestellt werden kann,
sondern auch eine eindeutige Aussage darüber möglich ist, ob das Leck im Bereich
des Brennstoffes oder im Bereich des Plenums liegt. Dieses Meßergebnis ermöglicht
eine Entscheidung, ob das defekte Brennelement sofort, bei der nächsten geplanten
Abschaltun-3 oder gar nicht entfernt werden muß. Es werden somit unerwünschte Folgeschäden
und Umweltbelastungen vermieden und die Betriebssicherheit ebenso wie die Verftigbarkeit
des Reaktors und damit dessen Wirtschaftlichkeit erhöht.
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Das Verfahren wird anhand der Zeichnung näher erläutert: Es zeigen
Figur 1 Zeitlicher Verlauf der Spaltprodukt-Aktivität bei Druckreduzierung Figur
2 Zeitlicher Verlauf der Spaltprodukt-Aktivität bei Leisungserhöhung Durch Herabsetzen
des Kühlmitteldruckes wird ein Ausgleichsvorgang erzwungen, der kurzzeitig eine
quantitative Erhöhung der aus dem Leck des Hüllrohres in das Kühlmittel austretenden
Spaltstoffe bewirkt. Dabei steigt die Zahlrate A an und fällt nach beendetem Druckausgleich
wieder auf den Wert des vorangegangenen stationären Betriebes ab (Fig. 1). Tritt
dabei das Leck im Bereich des Plenums auf (Kurve P), und wird als Kühlmittel z.B.
Dampf verwendet, so ist das Plenum mit einem Gemisch aus Dampf und aus dem Kernbrennstoff
austretenden Spaltprodukten gefüllt. Das Spaltgasplenum wirkt dabei als Druckspeicher,
der sich über das Leck im Hüllrohr auf das mit reduziertem Druck gefahrene Kühlmittelsystem
entlädt. Die während des Ausgleichsvorganges hestehende Druckdifferenz beschleunigt
das Austreten von Spaltgasen, so daß deren Verweilzeit im Plenum verkürzt wird und
am Präzipitator höhere Zählraten gemessen werden.
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Tritt das Hüllrohrleck im Bereich des Brennstoffes auf (Kurve B),
so kann sich der Druck im Spaltgasplenum nur mittelbar durch den Brennstoff in das
Kühlsystem ausgleichen. Dadurch werden
Spaltprodukte aus Brennstoffbereichen
mitgeführt, die in stationärem Betrieb keinen Beitrag zu der am Präzipitator gemessenen
Zählrate liefern, so daß die Zählt zunächst steil ansteigt und dann wieder abfällt.
Die Anstiegsgeschwindigkeit der Zähirate ist bei einem Hüllenschaden im Brennstoffbereich
(Brennstoffschaden) etwa zehnmal so groß wie bei einem Hüllenschaden im Bereich
des Plenums (Plenumschaden), so daß aus dem Kurvenverlauf mit großer Sicherheit
die Art des Schadens entnommen werden kann. Der Unterschied zwischen Brennstoff-
und Plenumschaden kann noch dadurch verdeutlicht werden, daß die Druckreduzierung
ungleichförmig oder in Stufen erfolgt, weil beim Brennstoffschaden jeder Druckreduzierschritt
ein deutliches Maximum in der Zahlrate zur Folge hat.
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Wird dagegen die Reaktorleistung erhöht (Fig. 2), so tritt eine Erhöhung
der Brennelementtemperatur ein. Die Leistungserhöhung ist die Ursache einer gesteigerten
Spaltprodukt-Produktion im Kernbrennstoff. In der Umgebung des Lecks findet ein
der erhöhten Spaltprodukt-Produktion proportionaler Austritt von Spaltprodukten
in das Kühlmittel statt. Gleichzeitig werden durch den Temperaturanstieg im Brennstoff
Spaltprodukte aus dem Brennstoffinneren über sich bildende Haarrisse ausgetrieben.
Daraus resultiert der mit jeder Leistungserhöhung verbundene Anstieg der Zählrate,
die sich einem der Leistung entsprechende Wert annähert. Bei einem Brennelementschaden
(Kurve B) führt jede der in Fig. 2 dargestellten drei Leistungserhöhungen zu einem
Maximum der Zählrate, weil jeweils eine Spaltproduktwolke unmittelbar in das Kühlmittei
austreten kann und sich anschließend ein neuer Gleichgewichtszustand auf höherem
Temperaturniveau einstellt. Beim Plenumschaden (Kurve P) wirkt dagegen das Plenum
als Puffervolumen, weil Spaltprodukte nur durch das Plenum in das Kühlmittel gelangen
können und durch Verdünnungs- und Laufzeiteffekte das Auftreten von Maxima verhindert
wird.