DE2213238B2

DE2213238B2 - Verfahren zum Unterscheiden und Aussondern von kugelförmigen Brennelementen von Hochtemperatur-Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2213238B2
Application number: DE2213238A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dipl.-Chem. Dr. 5170 Juelich Groos; Hans Dipl.-Ing. Dr. 5171 Stetternich Ragoss
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1972-03-18
Filing date: 1972-03-18
Publication date: 1978-12-21
Also published as: US3855058A; DE2213238A1; GB1375527A; FR2176886B1; DE2213238C3; JPS49108496A; NL7303530A; IT1045333B; JPS5834097U; BE796915A; FR2176886A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Unterscheiden und Aussondern von kugelförmigen, den Brennstoff in Gestalt beschichteter Brennstoffpartikel enthaltenden Brennelementen, die durch den Kern eines Hochtemperatur-Kernreaktors geschleust werden und dann nach ihrem Austritt aus dem Reaktor in einem Ofen auf eine vorgegebene Temperatur gebracht werden und nach Maßgabe der mittels eines Detektors bestimmten Radioaktivität des das aufgeheizte Brennelement umgebenden Gases, an das die von diesem wi Brennelement freigesetzten Spaltprodukte abgegeben werden, entweder dem Reaktorkern wieder zugeführt oder ausgeschieden werden.

Durch Verfahren dieser Art sollen Brennelemente, die für ihre Wiederverwendung im Reaktor nicht mehr <■ ■ geeignet sind, weil die darin enthaltenen Brennstoffpartikel Beschädigungen aufweisen, von noch verwendungsfähigen Brennelementen abgesondert werden, denn die Beschädigung von Brennstoffpartikeln führt dazu, daß bei den im Reaktorkern herrschenden Temperaturen eine nicht in Kauf zu nehmende Menge an radioaktivem Gas freigesetzt wird. Zweck dieses Verfahrens ist es daher zu verhindern, daß aus Brennelementen austretende radioaktive Spaltgase in den Kühlgaskreislauf gelangen.

Es ist i;war bereits ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Ermitteln und Ausscheiden von Brennstoffkugeln für Kugelhaufen-Kernrekatoren bekannt, bei dem die Brennstoffkugeln nach dem Verlassen des Entladerohres des Kernreaktors in einem Ofen auf Temperaturen dicht unterhalb der bei etwa 900⁰C liegenden Betriebstemperatur des Kernreaktors aufgeheizt werden. Nach einer Heizdauer, die dort so gewählt ist, um sicherzustellen, daß die dem Gleichgewichtszustand entsprechenden Freisetzung der Spaltgase einsetzt, wird nach diesem bekannten Verfahren die Freisetzungsrate der einzelner Brennelemente bei dieser Temperatur in einer Meßkammer mittels eines Detektors "emessen. Hierzu wird die in der Meßksmmer enthaltene Atmosphäre in ein Gerät zur Messung gasförmiger Spaltprodukte gepumpt. In Abhängigkeit von dem so ermittelten Wert der Radioaktivität der entnommenen Atmosphäre werden die Brennelemente entweder dem Reaktorkern wieder zugeführt oder aus dem Beschickungsk'-eislauf ausgeschieden (DE-OS 17 64 924).

Dieses Verfahren erfordert jedoch zu seiner Durchführung, daß die dazu vorgesehene Anlage und ihre Bauelemente gegeneinander gasdicht abschließbar und gegenüber dem Außenraum gasdicht abgeschlossen sein müssen. Das führt bei den zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschriebenen Arbeitstemperaturen zu einem erheblichen technischen Aufwand. Ein für einen ungestörten Reaktorbetrieb zu fordernder Durchsatz von etwa 8 Brennstoffkugeln je Minute durch den Ofen, der wegen der starken radioaktiven Strahlung der Brennelemente über einen Zeitraum von einigen Jahren automatisch ferngesteuert werden muß, ist daher mittels der derzeit verfügbaren Apparaturen praktisch nicht möglich. Hinzu kommt, daß bei der sich aus dem zu fordernden Durchsatz von etwa 8 Brennstoffkugeln je Minute ergebenden Taktzeit von etwa 7,5 Sekunden das bekannte Verfahren es nicht ermöglicht, Brennelemente auszuscheiden, bei denen nur etwa 1% der darin enthaltenden Brennstoffpartikeln beschädigt sind, weil bei einer Arbeitstemperatur von 900⁰C die Freisetzung an Spaltgas erfahrungsgemäß nur etwa 10⁹ Atome je Sekunde beträgt. Daher gestattet das bekannte Verfahren keine Messung mit einer der Durchlaufgeschwindigkeit der kugelförmigen Brennelemente durch den Reaktorkern entsprechenden Geschwindigkeit, wenn dabei — wie dies notwendig ist — die Aussonderung der Brennelemente mit der notwendigen Genauigkeit vorgenommen werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Unterscheiden und Aussondern von kugelförmigen, den Brennstoff in Gestalt beschichteter Brennstoffpartikel enthaltenden Brennelementen von Hochtempcratur-Kernreaktoren zu schaffen, das bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen durchführbar ist und das die Bestimmung mit der gewünschten Genauigkeit innerhalb desjenigen Zeitraums, in dem die Brennelemente nacheinander den Reaktorkern verlassen, mit Sicherheil erlaubt, gleichwohl aber infolge der Vereinfachung des erforderlichen technischen Aufwandes auf wirtschaftlichere Weise durchführbar ist als das bisher bekannte

Verfahren.

Nach der Erfindung wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Brennelemente je in einer Ofenkammer während einer vorgegebenen Verweilzeit entweder auf der Austrittstemperatur aus dem Hochtemperatur-Kernreaktor gehalten oder auf eine bis zu etwa 300⁰C dagegen erhöhte, weit unterhalb der Betriebstemperatur des Hochtemperatur- Kernreaktors liegende Temperatur aufgeheizt werden und daß während dieser Verweilzeit jedes Brennelement von einer vorgegebenen Durchflußmenge eines in einem geschlossenen Kreislauf geführten inerten Gases, wie Helium, umströmt wird und die Messung der Radioaktivität des Gases durchgeführt wird, worauf der mittels des der Ofenkammer zugeordneten Detektors bestimmte Wert der Radioaktivität einem dem Detektor nachgeschalteten Prozeßrechner zugeführt wird, durch den in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schwellenwert der Radioaktivität das Brennelement mittels Zuleitungen und einer Steuereinrichtung entweder dem Kern des Reaktors wieder zugeführt oder a-'sgeschieden wird. Dieser Lösung der gestellten Aufgabe liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Spaltgasfreisetzung im Gleichgewichtszustand bei weit unterhalb 900'C liegenden Temperaturen sich nicht erheblich von der Freisetzung an Spaltgasen im Gleichgewicht unterscheidet, das sich bei einer Temperatur von etwa 900°C einstellt.

Dabei hat es sich als völlig ausreichend erwiesen, daß die Temperatur der Brennelemente während ihrer Verweilzeit im Ofen auf 300°C gehalten wird.

Bei dieser Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens gelangen die Brennelemente somit nach dem Verlassen des Entladerohres des Kernreaktors je in eine Kammer des Ofens, wobei sie auf der Temperatur von etwa 300⁰C, die sie beim Verlassen des Entladerohres des Kernreaktors aufweisen, gehalten werden. Diese Temperatur wird somit im Ofen lediglich aufrechterhalten. Zweckrr ißig ist es dabei, daß die Verweilzeit für jedes Brennelement in der Ofenkammer drei Minuten beträgt. Während dieser Verweüzeit wird das freigesetzte Spaltgas ständig durch den zur Bestimmung der Radioaktivität vorgesehenen Detektor gespült und die Radioaktivität gemessen.

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

Der Durchführung der zweiten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung liegt eine weitere Erkenntnis zugrunde. Sie besteht darin, daß der beim Aufheizen vor dem Erreichen des Gleichgewichtszustandes auftretende, zeitlich begrenzte starke Spaltgausausbruch aus dem Brennelement zur Messung benutzbar ist. Von dieser Erkenntnis ausgehend beträgt die Temperatur der Brennelemente während ihrer Verweüzeit im Ofen 600"C. Bei dieser Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist also d^;e Arbeitstemperatur gegenüber der Temperatur von etwa 300" C, mit der die Brennelemente den Reaktor durch das E tladerohr verlassen, um etwa 300⁰C erhöht. Das hat zur Folge, daß beim Eintritt eines Brennelements in die Ofenkammer die stark erhöhte Menge an radioaktiven Spaltgasen infolge des durch die Temperaturerhöhung verursachten Ausbruchs in den Detektor gespült wird. Dadurch wird die Meßzeil verkürzt und/oder die Meßgenauigkeit weiterhin erhöht.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist, abgesehen von dem nicht dargestellten Prozeßrechner, in der Zeichnung scheinatisch wiedergegegeben und wird im folgenden näher erläutert.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, gelangen die durch den Kern des Hochtemperatur-Kernreaktors geschleusten 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 e'er Zeichnung nicht dargestellt ist, aus mehreren Kammern besteht und bis oberhalb 600⁰C aufheizbar ist. In diesem Ofen werden die mit einer Temperatur von etwa '''.'.O'C eintretenden Brennelemente ^W3"^r?nrl einer νηη'ρ.- r-henr-r·. V.t-jl·."!!

zeit, die zweckmäßigerweise etwa 3 Minuten beträgt, jeweils gesondert auf dieser Temperatur gehalten oder auf eine Temperatur von etwa 600" C aufgeheizi. Der Ofen 3 ist mit einem Kreislauf 4 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 4 ist für das inerte Gas ein Detektor 6 so angeordnet, daß er von dem Gas durchströmt wird.

Während der Verweüzeit werden an das strömende Gas von den im Ofen 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 4 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 abgegebene Signal wird über den Pro eßrechner auf eine Steuereinheit 9 gegeben. In Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schwellenwert wird sodann das mittels der dem Ofen nachgeschalteten Schleuse 10 und einer Weiche 11 ausgeschleuste

J-> Brennelement entweder bei 12 dem Reaktorkern wieder zugeführt oder bei 13 als Ausschuß ausgesondert.

Zur weiteren Erläuterung werden nachfolgende Beispiele angeführt.

Beispiel 1

Jedes bestrahlte Brennelement wurde in einem mit gereinigtem Helium durchspülten Ofen zunächst mehrere Stunden auf einer Temperatur von etwa 300'C gehalten, um es den gleichen Bedingunger, wie sie /u Beginn einer Unterscheidungsmessung :m Reaktorbetrieb vorliegen, zu unterwerfen. Danach wurde das den Ofen mit einem Durchsat? von 40 I min durchströmende Helium während Γ Minuten über bei der Temperatur

>·■■ des flüssigen Stickstoffs gehaltene Aktivkohle geleitet, wobei die vom Brennelement freigesetzten und vom Helium mitgeführten gasförmigen Spaltpr,>dukte an der Aktivkohle adsorbiert wurden. Die Menge des an der Aktivkohle adsorbierten Spaltgases Xe 133 wurde danach gammaspektrDmetrlsch mit einem Na|-Detektor und nachgeschaltetem Einkanal-Analysator bestimmt.

Wie sich zeigte, betrug der Meßwert bei nicht

schadhaften Brennelementen etwa 9 χ 10" Atome Xc 1JJ, wahrend der Meßwert bei einem Brennelement mit 1% beschädigten lirennstoffpartikeln etwa 9 χ 10'" Atome XelJ3 betrug. Die anschließend mittels ties Prozeßrechners vorgenommene Erkennung und Aussonderung defekter Brennelemente war somit leicht möglich.

15 e ι s ρ i ι; I 2

Jedes bestrahlte Brennelement wurde in einem mit gereinigtem Helium durchspülten Ofen /iiniichst mehre re Stunden auf einer Temperatur von etwa 300 ( gehalten, um es den gleichen Bedingungen, wie sie /u Beginn einer Unterscheidungsmessuiig im Kcaktorbe trieb vorliegen, /ti unterwerfen. Danach wurde die Temperatur des Brennelements im Ofen auf 600' C erhöht und so lange gehalten, wobei zugleich das den Ofen mit einem Durchsatz von 40 l/Min durchströmen-

', de Helium über bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs gehaltene Aktivkohle geleitet wurde, bis das Brennelement sich J Minuten auf der Temperatur von 600'C befunden hatte. Die an der Aktivkohle adsorbierte Menge an Spalt-Xe 1 3J wurde im Anschluß daran —

κι wie im Beispiel 1 angegeben — gemessen.

Wie sich zeigte, betrug eier Meßwert ei nicht schadhaften Brennelementen etwa I χ 10' Atome Xe 13 3 und bei Brennelemeriten mit I"/" beschädigten Brennstoffpartikelnetwal χ If)¹-' Atome Xe 1 33.

llicr/ii I Watt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Unterscheiden und Aussondern von kugelförmigen, den Brennstoff in Gestalt beschichteter Brennstoffpartikel enthaltenden Brennelementen, die durch den Kern eines Hochtemperatur-Kernreaktors geschleust werden und dann nach ihrem Austritt aus dem Reaktor in einem Ofen auf eine vorgegebene Temperatur gebracht werden und nach Maßgabe der mittels eines Detektors bestimmten Radioaktivität des das aufgeheizte Brennelement umgebenden Gases, an das die von diesem Brennelement freigesetzten Spaltprodukte abgegeben werden, entweder dem Reaktorkern wieder zugeführt oder ausgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente je in einer Ofenkammer während einer vorgegebenen Verweilzeit entweder auf der Austrittstemperatur aus dem Hochtemperatur-Kernreaktor gehalten oder auf eine bis zu etwa 300⁰C dagegen erhöhte, weit unterhalb der Betriebstemperatur des Hochtemperatur-Kernreaktors liegende Temperatur aufgeheizt werden und daß während dieser Verweilzeit jedes Brennelement von einer vorgegebenen DurchP.ußmenge eines in einem geschlossenen Kreislauf geführten inerten Gases, wie Helium, umströmt wird und die Messung der Radioaktivität des Gases durchgeführt wird, worauf der mittels des der Ofenk&mmer zugeordneten Detektors bestimmte Wert der Radioaktivität einem dem Detektor nachgeschalteten Prozeßrechner zugeführt wird, durch den in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schwellenwert der Radioaktivität das Brennelement mittels Zuleitungen und einer Steuereinrichtung entweu.r dem Kern des Reaktors wieder zugeführt oder ausgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Brennelemente während ihrer Verweilzeit im Ofen auf 300⁰C gehalten wird. «

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit für jedes Brennelement in der Ofenkammer drei Minuten beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Brennelemente während ihrer Verweilzeit im Ofen 600⁰C beträgt.