DE2213238A1

DE2213238A1 - Verfahren und vorrichtung zum unterscheiden und aussondern von brennelementen von kernreaktoren

Info

Publication number: DE2213238A1
Application number: DE2213238A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dipl Chem Dr Groos; Hans Dipl Ing Dr Ragoss
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1972-03-18
Filing date: 1972-03-18
Publication date: 1973-09-20
Also published as: JPS49108496A; US3855058A; DE2213238B2; NL7303530A; BE796915A; DE2213238C3; GB1375527A; JPS5834097U; IT1045333B; FR2176886B1; FR2176886A1

Description

Kernforschungsanlage Jülich Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Verfahren und Vorrichtung zum Unterscheiden und Aussondern τοη Brennelenenten von Kernreaktoren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Unterscheiden und Aussondern τοη Brennelementen von Kernreaktoren, in denen der Brennstoff in Gestalt beschichteter Brennstoffpartikel vorliegt, insbesondere von kugelförmigen Brennelementen, die durch den Kern eines Hochtemperaturreaktors geschleust werden, bei dem die Brennelemente mittels eines Ofens oder dergleichen auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt und nach Maßgabe der mittels eines Detektors bestimmten Aktivität dem Reaktorkern wieder zugeführt oder ausgeschieden werden«

Durch diese Maßnahmen sollen Brennelemente, die für ihre Wiederverwendung im Reaktor nicht mehr geeignet sind, weil die darin enthaltenen Brennstoff -partikel Beschädigungen aufweisen, τοη noch verwendungsfähigen Brennelementen abgesondert werden, denn die Beschädigung von Brennstoffpartikeln führt dazu, daß bei den in Reaktorkern herrschenden Temperaturen eine nicht in Kauf zu nehmende Menge an radioaktivem Gas freigesetzt wird. Zweck der Erfindung ist es, zu verhindern, daß aus Brennelementen austretende radioaktive Spaltgase in den Kühlgaskreislauf gelangen.

Es ist zwar bereits ein Verfahren zum Ermitteln und Ausscheiden von Brennstoffkugeln für Kugelhaufenkernreaktoren bekannt, bei dem die Brennstoffkugeln nach de» Verlassen des Entladerohres des Kernreaktors in einem Ofen

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auf Temperaturen dicht unterhalb der bei etwa 900° C liegenden Betriebstemperatur des Kernreaktors aufgeheizt werden.

Nach hinreichender Heizdauer, die erforderlich ist, um zu erreichen, daß die dem Gleichgewichtszustand entsprechende Freisetzung der Spaltgase einsetzt, wird nach diesem bekannten Verfahren die Freisetzungsrate der einzelnen Brennelemente bei der vorbezeichneten Temperatur in einer Meßkammer mittels eines Detektors gemessen. Hierzu wird die in der Meßkammer enthaltene Atmosphäre in ein Gerät zur Messung gasförmiger Spaltprodukte gepumpt. In Abhängigkeit von dem so ermittelten Aktivitatswert der entnommenen Atmosphäre werden die Brennelemente dem Reaktorkern wieder zugeführt oder aus dem Baschickungskreislauf ausgeschieden (zu vergleichen OS 1 76k 9210. Nachteilig i:it bei die?eE Verfahren, daß bei einem Durchsatz von etwa 8 Brennstoffkugeln je Minute Of^s und Meßkanmer wegen der starken radioaktiven Strahlung der Bi^%emie,\s -üents über einen Zeitraum von einigen Jahren automatisch ferngesteuert verder: riüsfra, Die Anlage selbst und ihre Bauelemente müssen gegeneinander g6/s:ü::ht abschließbar und gegenüber dem Außenraum gasdicht abgeschlossen sein, Dr-s erfordert bei den bei diesem Verfahren erforderlichen Arbeit3temp;rsty?en einen erheblichen technischen Aufwand. Nachteilig ist ferner., &tJ> es nicht möglich ist, in der geforderten Taktzeit von ca. 7*5 Sekunden, nuefe Brennelemente auszuscheiden, bei denen etwa 1 % der darin enthaltenen Brermstoffpartikel beschädigt sind, da bei der bei diesem teksauten Yerfataen erforderlichen Arbeitstemperatur von etwa 900° C die Freisetzung en Spaltgas erfahrungsgemäß etwa 109 Atome pro Sekunde beträgt. Die nach dem bekannten Verfahren notwendigen Maßnahmen lassen sich daher nicht ia.it einer der Durchlauf geschwindigkeit der Brennelemente durch den Reaktorkern entsprechenden Geschwindigkeit durchführen, falle die Messungen mit der für die Aussonderung notwendigen Genauigkeit vorgenommen werden sollen. Falls Unterscheidung und Aussonderung der Brennelemente im gleichen Rhythmus vorgenommen werden sollen, in dem die Brennelemente den Reaktorkern verlassen und ausgeschleust werden, müssen etwa 8 Kugeln je Minute bestimmt und ausgesondert werden.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Unterscheiden und Aussondern von Brennelementen, ia denen der Brennstoff in Gestalt beschichteter Brennstoffpartikel -vorliegt ·, zu schaff ea, das bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen durchführbar ist, des die Bestimmung nit der gewünschten Genauigkeit innerhalb des Zeitraumes» in dem die BBtnnelemente den Reaktorkern verlassen» mit Sicherheit erlaubt»gleichwohl aber durch Vereinfachung des erforderlichen technischen Aufwandes auf wirtschaftlichere Weise durchführbar ist, als bisher "bekannte Verfahren.

Der Lösung dieser Aufgabe liegt die Erkenntnis zu Grunde, daß die Spaltg^sfreisetsung im Gleichgewichtszustand bei weit unt@rhalb 900° C liegenden Temperaturen sich nicht erheblich von der Freisetzung an Spaltgasen im Gleichgewicht unterscheidet, das sich bei einer Temperatur von etwa $00° C einstellt.

Von dieser Erkenntnis ausgehend, wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß die Brennelemente während eiaer vorgegebenen Verweilzeit jeweils auf einer Temperatur voa eiaigea 100® € gehalten vsaS. von einer vorgegebenen Durchflufinenge eieeo iaertea Bases» wie Helium oder' dergleichen, umströmt werden, wobei während der Verweilzeit die Aktivität des Gases, an das wahrend des Umströmens jeweils von einem Brennelement die freigesetzten Spaltgasprodukte abgegeben werden, bestimmt»und der Aktivitätswert einem dem detektor naehgesehaltetem Prozessrechner zugeführt wird, durch den in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sehwellwert die Brennelemente mittels geeigneter Zuleitungen und einer Steuereinrichtung dem Kern des Reaktors zugeführt oder ausgeschieden werden. Dabei hat es sich als völlig ausreichend erwiesen, daß die Temperatur während der Verweilzeit 300° C betragt. Die Brennelemente gelangen somit nach dem Verlassen des Entladerohres des Kernreaktors und nach dem Durchlaufen der

üblichen Kontrollen in eine heizbare Kammer, wobei sie die Temperatur, die sie beim Verlassen des Entladerohres des Kernreaktors von etwa 300° C aufweisen, auch in dem heizbaren Ofen beibehalten. Die Temperatur wird

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somit in dem Ofen lediglich stabilisiert. Zweckmäßig ist es dabei, daß die Verweilzeit für jedes Brennelement jeweils 3 Minuten beträgt. Während dieser Verweilzeit wird das freigesetzte Spaltgas ständig durch den zur Bestimmung der Radioaktivität Torgesehenen Detektor gespült und die Radioaktivität gemessen.

Der große Vorzug des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß der erforderliche gasdichte Abschluß der für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung erforderlichen notwendigen Einrichtung sich ohne Schwierigkeit verwirklichen läßt. Das gilt in gleicher Weise für die notwendige automatische Fernbedienung. Hinzu kommt, daß die Lebensdauer der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung infolge der geringeren Beanspruchung erheblich hoher ist, als dies bei den bisher bekannten Verfahren der Fall war.

Der Durchführung einer bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung liegt eine weitere Erkenntnis zu Grunde. Sie besteht darin, daß die Spaltgasaktivität - die zur Unterscheidung von Brennelementen dienen soll - erhöht werden kann durch Ausnutzung des der Freisetzung von Spaltgasen im Gleichgewichtszustand bei einer bestimmten Temperatur beim Aufheitzen vorausgehenden« zeitlich begrenzten, starken Spaltgasausbruches aus dem Brennelement. Von dieser Erkenntnis ausgehend, beträgt die Temperatur während der Verweilzeit 600° C. Bei dieser Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist also die Arbeitstemperatur gegenüber der Temperatur von etwa 300° C, mit der die Brennelemente den Reaktorkern durch das Entladerohr verlassen, um etwa 300<> C erhöht. Das hat zur Folge, daß beim Eintritt eines Brennelements in den Ofen die stark erhöhte Menge des infolge der durch die Temperaturerhöhung verursachten Ausbruchs an radioaktiven Spaltgasen in den Detektor gespült wird. Dadurch wird die Meßzeit verkürzt und/oder die Meßgenauigkeit weiterhin erhöht.

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Eine Vorrichtung, die besonders geeignet ist zur Durchführung beider Varianten des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß ein auf oberhalb 600° C aufheizbarer Ofen über eine mittels eines Ventils absperrbare, thermisch isolierte Zuleitung mit dem Abzug für die Brennelemente des Reaktors verbunden ist, und daß der Ofen mit einer regelbaren Zuleitung und Ableitung für ein inertes Gas in Verbindung steht, wobei in der Ableitung für das Gas ein mit einer an sich bekannten, in dem Entladerohr für die Brennelemente von dem Ofen angeordneten Steuereinheit in Verbindung stehender Analysator oder dergleichen verbundener Detektor vorgesehen ist. Zweckmäßig ist es dabei, daß der Ofen aus mehreren jeweils mit einem Detektor in Verbindung stehenden Kammern besteht. Durch entsprechende Anpassung der Zahl der Kammern an die erforderliche Meßzeit, wird erreicht, daß die erforderliche Unterscheidung und Aussonderung von Brennelementen in der gleichen Zeit durchführbar sind, in der die Brennelemente den Reaktorkern verlassen, ohne daß eine Zwischenspeicherung notwendig ist. Um den Verbrauch an inertem Gas auf ein Mindestmaß zurückzuführen, wird dabei das Gas in den Ofen oder in die Heizkammern im geschlossenen Kreislauf eingeleitet und von diesen abgezogen. In dem Kreislauf ist zweckmäßig eine Gasreinigungsanlage vorgesehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, gelangen die Brennelemente entsprechend der in der Zeichnung wiedergegebenen Pfeilrichtung über den thermisch isolierten Kanal 1 und die darin angeordnete Schleuse 2 in den Ofen 3, der, wie in der Zeichnung nicht dargestellt ist, zweckmäßig aus mehreren Kammern besteht und bis oberhalb 600° C aufheizbar ist. In diesem Ofen werden die mit einer Temperatur von etwa 3000 c eintretenden Brennelemente während

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einer vorgegebenen Verweilzeit, die zweckmäßig etwa 3 Minuten beträgt, jeweils gesondert auf dieser Temperatur gehalten oder auf eine Temperatur von etwa 600o C aufgeheizt. Der Ofen 3 ist mit einem Kreislauf U für ein inertes Gas, zum Beispiel Helium, so verbunden, daß das Gas unter der Wirkung eines Kompressors 5 den Ofen 3 durchströmt. In dem Kreislauf k ist für das inerte Gas ein Detektor 6 so angeordnet, daß er von dem Gas durchströmt wird. Während der Verweilzeit werden an das stromende Gas von den im Of;n befindlichen Brennelementen freigesetzte Spaltgase abgegeben und die Radioaktivität der Spaltgase in dem Detektor 6 gemessen. Als Detektor wird dabei beispielsweise ein Druchflußproportionalzähler, eine Ionisationskammer oder ein Szintillationszähler verwendet. In dem Gaskreislauf h ist ferner eine an sich bekannte Gasreinigung 7 vorgesehen. Das aufgrund der gemessenen Radioaktivität der Spaltgase vom Detektor 6 an einen ihm nachgeschalteten Analysator 8 oder dergleichen abgegebene Signal wird in an sich bekannter Weise auf eine Steuereinheit 9 gegeben. In Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schwellwert wird sodann das mittels der dem Ofen nachgeschalteten Schleuse 10 und einer Weiche 11 ausgeschleuste Brennelement entweder dem Reaktorcore 12 zugeführt oder als Aussch-uß 13 ausgesondert.

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Hinsichtlich des Verfahrens werden folgende Ausführungsbeispiele angeführt:

Ausführungsbeispiel 1

Bestrahlte Brennelemente wurden jeweils.einzeln dem Verfahren gemSS der Erfindung unterworfen: Ein Brennelement wurde in einem mit gereinigtem Helium durchspülten Ofen zunächst mehrere Stunden auf einer Temperatur von etwa 3oo° C gehalten, um es den gleichen Bedingungen, wie sie zu Beginn einer Uhterscheidungsmessung im Reaktorbetrieb vorliegen, zu unterwerfen. Danach wurde das den Ofen mit einem Durchsatz von ko l/Min durchströmende Helium 3 Minuten über bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs gehaltener Aktivkohle geleitet, wobei die vom Brennelement freigesetzten und vom Helium mitgeführten gasförmigen Spaltprodukte an der Aktivkohle adsorbiert wurden. Die Menge des an der Aktivkohle adsorbierten Spaltgases Xe 133 wurde danach gammaspektrometrisch mit einem NaJ-Detektor und nachgeschaltetem Einkanal-Analysator bestimmt.

Wie sich zeigte, betrug der Meßwert bei nicht schadhaften Brennele-

men ten etwa 9 x Io Atome Xe 133« während der Meßwert bei einem Brennelement mit 1 % beschädigten Brennstoffpartikeln etwa 9xlo ° Atome Xs 133 betrug. Die Erkennung und Aussonderung defekter Brennelemente war somit leicht möglich.

Ausführungsbeispiel·'" 2

Bestrahlte Brennelemente wurden jeweils einzeln der folgenden Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung unterworfen: Ein Brennelement wurde in einem mit gereinigtem Helium durchspülten Ofen zunächst mehrere Stunden auf einer .Temperatur von etwa 3oo° C gehalten, um es den gleichen

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Bedingungen, wie sie zu Beginn einer Unterscheidungsmessung im Reaktorbetrieb vorliegen zu unterwerfen. Danach wurde die Temperatur des Brennelements im Ofen auf 6oo° C erhöht und zugleich das durch den Ofen mit einem Durchsatz von 4o l/Min durchströmende Helium so lange über bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs gehaltene Aktivkohle geleitet bis das Brennelement sich 3 Minuten auf der Temperatur von 6oo C befunden hatte. Die an der Aktivkohle adsorbierte Menge an Spalt-Xe 133 wurde im Anschluß daran - wie im Ausführungsbeispiel 1 angegeben - gemessen.

Wie sich zeigte, betrüg der Meßwert bei nicht schadhaften Brennelementen etwa 1 χ Io Atome Xe 133 und bei Brennelementen mit 1 % be-

12 schädigten Brennstoffpartikeln etwa 1 χ Io Atome Xe 133·

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Claims

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Patentansprüche

/1 j Verfahren zum Unterscheiden und Aussondern von Brennelementen von Kernreaktoren, in denen der Brennstoff in Gestalt beschichteter Brennstoffpartikel vorliegt, insbesondere von kugelförmigen Brennelementen, die durch den Kern eines Hochtemperaturreaktors geschleust werden, bei dem die Brennelemente mittels eines Ofens oder dergleichen auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt und nach Maßgabe der mittels eines Detektors bestimmten Aktivität dem Reaktorkern wieder zugeführt oder ausgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente während einer vorgegebenen Verweilzeit jeweils auf einer Temperatur von einigen 100° C gehalten und von einer vorgegebenen Durchflußmenge eines inerten Gases, wie Helium oder dergleichen, umströmt werden, wobei während der Verweilzeit die Aktivität des Gases, an das während des Umströmens jeweils von einem Brennelement die freigesetzten Spaltgasprodukte abgegeben werden, bestimmt, und der Aktivitätswert einem dem Detektor nachgeschaltetem Prozessrechner zugeführt wird, durch den in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schwellwert die Brennelemente mittels geeigneter Zuleitungen und einer Steuereinrichtung dem Kern des Reaktors zugeführt oder ausgeschieden werden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur während der Verweilzeit 300° C beträgt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit für jedes Brennelement jeweils 3 Minuten beträgt.
k. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur während der Verweilzeit 600° C beträgt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf oberhalb 600° C aufheizbarer Ofen (3) über eine mittels eines Ventils absperrbare, thermisch isolierte Zuleitung mit dem Abzug für die Brennelemente des Reaktors verbunden ist und daß der Ofen (3) mit einer regelbaren Zuleitung und Ableitung für ein inertes Gas in Verbindung steht, wobei in der Ableitung für das Gas ein mit einer an sich bekannten, in dem Entladerohr für die Brennelemente von dem Ofen (3) angeordneten Steuereinheit (9) in Verbindung stehender Analysator (8) oder dergleichen verbundener Detektor (6) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen aus mehreren jeweils mit einem Detektor in Verbindung stehenden Kammern besteht.

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