DE2315847B2 - Test- oder messkugel fuer kernreaktoren mit kugelfoermigen betriebselementen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine für den elcktro magnetischen Nachweis geeignele Test- oder Meßkugel für einen aus einer Schüttung kugelförmiger Bc-Iriebselemente bestehenden Kernreaktor (vgl. die DT-PS 21 02 727).

Bei Kugelschüttungen der eingangs genannten Art, tlie während des Betriebs umgewälzt werden, ist es im Interesse eines optimalen Betriebs erforderlich, das Fließverhalten der Schüttung genauestens zu kennen, um den Rücklauf sowie gegebenenfalls die Zugabe frischer Betriebselemente ohne Beeinträchtigung des Betriebs steuern zu können.

Bei gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktoren besteht der Kern aus einer Schütiung kugelförmiger Brennelemente, deren Außenmantel aus Graphit gefertigt ist. Bei derartigen Reaktoren ermöglicht es die Kugelform der Brennelemente, den Kern in einfacher Weise während des Betriebs mit neuen Brennelementen zu beschicken und verbrauchte Brennelemente /u entnehmen. Hierzu dient eine Brennstoff-Besehikkungsanlage, die im wesentlichen aus einem Rohrsystem besteht, in dem die Brennelemente entweder durch Schwerkraft oder pneumatisch mit dem Kühlgas gefördert werden können. Das Rohrsystem ist so ausgebildet, daß Beschickung. Entnahme und Umsetzung der Brennelemente räumlich und zeitlich gezielt vorgenommen werden können, so daß sich die Möglichkeit bietet, bei gleicher Anreicherung des Brennstoffes in den frischen Brennelementen die radiale Leismngsverteilung im Kern während des Betriebs vorteilhaft zu beeinflussen, indem frische und weniger stark abgebrannte Brennelemente auf die radiale Außen/.one des Kerns und Brennelemente mit größeren Uranabbränden auf die Mitte der Kernoberfläche gefördert werden.

Um nun diese Möglichkeit der sogenannten Leistungsabflachung optimal ausschöpfen /u können, ist es notwendig, die Fließgeschwindigkcii der Brennelemente in der Außenzone des Kerns relativ /ur Fließgeschwindigkeit im Bereich der Vertikalachse des Kerns genau zu kennen. Fließlinien und Fließgeschwindigkeiten lassen sich /-war in kleineren Modellen messen und dann auf die tatsächlichen Verhältnisse umrechnen, jedoch sind derartige Methoden mit nicht unerheblichen Fehlern behaftet.

Selbst bei Versuchen an Modellen im Maßstab 1 : I treffen die Ergebnisse die tatsächlichen Betriebsbedingungen nicht exakt, da dabei zusätzliche, betriebsbedingte Einflußgrößen nicht erfaßt werden können. In dem hier näher erläuterten Beispiel des Betriebes eines Leistungsrcaktors ist beispielsweise der Reibungskoeffizient der Brennelemente in trockener Heliumatmosphäre temperaturabhängig, so daß er sich während eines Durchlaufs der Brennelemente durch den Kern in Abhängigkeit von der Temperatur am jeweiligen Ort ändert. Bei einer Brennelementoberflächcntemperatur von 1000' C beträgt der Reibungskoeffizient etwa 0.3, während er sich bei einer Oberflächentcmperatur von 300"C auf etwa 0.8 erhöht.

Es ist daher zweckmäßig, die im Modell gemessenen Fließgeschwindigkeiten mit den tatsächlich im Betrieb auftretenden Geschwindigkeiten zu vergleichen und den theoretisch bestimmten Beschickungsablauf zu korrigieren.

Für die Messung der tatsächlichen Fließgeschwindigkeiten ist es notwendig, eine gegenüber der Gesamtzahl der in der Schüttung vorliegenden kugelförmigen Beiriebselemente relativ geringe Zahl von Kugeln als Test- oder Meßkugeln so zu markieren, daß sie einerseits getrennt von den nicht markierten Kugeln beim Verlassen des Reaktionsgefäßes selektiv delektiert werden können, andererseits aber keinen Unterschied im Reibungsverhalten zeigen und keinen nennenswert unterschiedlichen Finfluß auf den Reaklionsablauf, beispielsweise den Neutronenfluß haben.

Im Zusammenhang mit der Temperaturmessung im Kern eines Kugelhaufen-Reaktors ist bereits vorgeschlagen worden, die Meßkugeln mit einer einseitigen, abgerundeten Abplattung zu versehen, so daß sie von dem bei derartigen Anlagen vorgesehenen Bruchabscheider, der die Brennelemente auf ihre geometrische Form prüft und bei beschädigter Kugelform in eine Bruchkanne aussortiert, nach dem Durchlauf durch den Kern erfaßt werden können.

Abgesehen davon, d?ß die gegenüber den übrigen

Brennelementen geänderte geometrische Form der Meßkugeln unter Umständen zu einem nicht repräsentativen Fließverhalten innerhalb des Kerns führen kann, besitzt diese Methode den erheblichen Nachteil, daß einerseits die Mcßkugeln zusammen mit anderen irgendwie beschädigten Elementen abgeschieden und aus der Bruchkanne aussortiert werden müssen und andererseits mit jeder Ermittlung einer Meßkugel ein aufwendiges Demontieren der Bruchkanne verbunden ist. das den Reaktionsablauf zudem unter Umständen erheblich stören kann.

Aus »Nuclear Engineering and Design«, 7 (1968), S. 355, ist im Zusammenhang mit der Schrottabscheidung vorgeschlagen worden, zur Detektierung defekter Kugeln deren gegenüber unbeschädigten Kugeln in linem Schwingkreis hervorgerufenen unterschiedlichen Verstimmungen auszunutzen. Dabei steuern die über verschiedene Verstärkerstufen erhaltenen Meßsignale eine hinter der Meßspule angeordnete Weiche, die defekte Kugeln und Bruchstücke in einen Sammelbehälter aussondert.

Diese bekannte Vorrichtung weist damit ebenfalls die mit dem zuvor diskutierten Vorschlag verbundenen Nachteile auf.

Schließlich ist aus der DT-PS 21 02 727 eine Zählspu-Ie bekannt, die insbesondere bei gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktoren mit kugelförmigen Brennelementen das Zählen allerdings sämtlicher Brennelemente während der Beschickungsphase ermöglicht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Kugelhaufen-Reaktor kugelförmige Test- oder Meßelemente von den übrigen Kugelelementen mit Hilfe einer elektromagnetischen Meßeinrichtung, beispielsweise der zuvor erwähnten Art, zu unterscheiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Test- oder Meßkugel Ein- oder Auflagen eines leitfähigen Materials enthält, die ihre elektrische Leitfähigkeit gegenüber den kugelförmigen Betriebselementen erhöhen.

Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist der erhebliche Vorteil verbunden, daß die Test- oder Meßkugcln ohne Veränderung ihrer geometrischen Form markiert sind, so daß einerseits der Durchlauf durch den Reaktorkern nicht durch geometrisch unterschiedlieh geformte Kugeln gestört werden kann und andererseits ein an der Meß- oder Zählstelle aufgenommener Meßimpuls, der im Fall der Zählung sämtlicher Kugeln eindeutig höher als der Normalimpuls liegt, eine eindeutige und gewünschtenfalls ohne Schwierigkeiten weiter zu bearbeitende Aussage darstellt.

Um zu einer eindeutigen Aussage beispielsweise über die Fließeigenschaften kugelförmiger Schüttungen zu kommen, werden zweckmäßig jeweils mehrere erfindungsgemäß markierte Kugeln gleichzeitig und in wiederholender Folge an bestimmten, ausgewählten Stellen der Schüttungsoberfläche aufgegeben und der Zeitpunkt ihres Durchlaufens der Meßstelle festgehalten, so daß daraus auf den Weg geschlossen werden iann, den sie bei ihrem Durchlauf durch den Reaktorkern genommen haben. Um eindeutige Rückschlüsse tuzulassen, kann im sogenannten Zwcizonen-Verfahfen gearbeitet werden, bei dem die Aufgabe der Tcst-•der Meßkugeln zunächst zentral und nach vollständi-{em Durchlauf an der Peripherie der Schüttung erfolgt. ►ie Test- oder Meßkugeln werden nach dem Passieren #er Meßstelle dem Kreislauf entnommen und für weitete Untersuchungen bereitgehalten, um Meßergebnisse nicht zu verfälschen.

Die Ein- oder Auflagen, für die als Materialien bevorzugt Silizium, Wolfram, Tantal, Zirkonium, Titan, deren Karbide, sowie Iridium, Osmium und/oder Rhenium in Frage kommen, können verschiedenartig ausgebildet sein, wobei sich für ihre Herstellung chemisches Abscheiden aus der Dampfphase, chemisches stromloses Abscheiden sowie elektrolytisches Abscheiden als besonders vorteilhaft erwiesen haben.

Wie bereits erwähnt, besitzen die Brennelemente von Kugelhaufen-Reaktoren auf Grund ihrer Zusammensetzung, insbesondere des für derartige Brennelemente besonders geeigneten Graphits, eine gewisse elektrische Leitfähigkeit. Durch im Reaktor aufgenommene Neutronendosis kann der spezifische Widerstand des Graphits um den Faktor 7 steigen. Im Rahmen der Erfindung ist es daher erforderlich, die Test- oder Meßkugeln derart zu markieren, daß ihre Leitfähigkeit nennenswert über der bei frischen Brennelementen maximal vorkommenden, vorzugsweise mindestens doppelt so hoch liegt. Bei nichtleitenden Betriebselementen bedeutet daher jede Markierung, die den Test- oder Meßkugeln zu einer gewissen Leitfähigkeit überhaupt verhilft, eine Erhöhung gegenüber den übrigen Kugeln im Sinne der Erfindung.

Wie bereits erwähnt, können die Ein- oder Auflagen verschiedenartig ausgebildet sein. Dabei werden Einlagen insbesondere dann vorgesehen, wenn die Oberflächeneigenschaften der Test- oder Meßkugeln gegenüber denen der übrigen Kugeln unbedingt unverändert sein müssen; die Einlagen, die ebenso wie die Auflagen aus gut leitfähigem Material bestehen, befinden sich möglichst nahe der Oberfläche. Sowohl die Auf- als auch die Einlagen können entweder als durchgehende oder als unterbrochene Schicht vorgesehen werden. Im Fall der Verwendung einer unterbrochenen Einlage empfiehlt es sich, zunächst eine Innenkugel herzustellen und auf deren Oberfläche Vertiefungen einzupressen oder einzuschleifen, die netzartig verlaufen. Nachdem dieses Netz mit gut leitfähigem Material gefüllt ist, wird die Innenkugel mit einer Außenschicht versehen, beispielsweise umpreßt.

Eine besonders rationelle Ein- bzw. Auflage wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch mindestens drei in senkrecht zueinander stehenden Ebenen angeordnete Metallschleifen geschaffen, die an ihren Kreuzungspunkten leitend miteinander verbunden sind.

Die für die Meß- oder Zählstelle geeignete Betriebsfrequenz kann in Abhängigkeit vom jeweiligen Flächenwiderstand gewählt werden. Bei Kugeln von etwa 60 mm Durchmesser und einem Flächenwiderstand von l,5mOhm haben Messungen mit Frequenzen zwischen 3 und 1OkHz beste Ergebnisse geliefert. Bei zu hohen Frequenzen kann die Leitfähigkeit frischer Brennelemente störend wirken, während zu niedrige Frequenzen den Effekt insgesamt zu stark abschwächen. Für in Kugelhaufen-Reaktoren zu verwendende Test- oder Meßkugeln wird die Optimierung der Frequenz so vorgenommen, daß die elektrische Leitfähigkeit der markierten und als Folge hoher Neulronendosis schlecht leitenden Brennelemente zu einem höheren Meßeffekt führt als frische, unmarkierte Brennelemente, die noch keinem Neutronenfluß ausgesetzt waren.

Die Erfindung ist auch dann besonders vorteilhaft einzusetzen, wenn kombinierte Messungen durchzuführen sind, d. h., wenn sowohl die normalen Kugeln gezählt als auch die markierten selektriv detektiert wer-

den sollen. Dabei wird mit zwei Frequenzen gearbeitet, «m die Detektion der markierten Kugeln zu garantieren, da für das Messen unmarkierter Kugeln geeignete Meßanordnungen die durch die unterschiedliche Verweilzeit im Reaktor bedingten unterschiedlichen Eigen- s schäften dieser Kugeln etwas nivellieren. In diesem FaI! wird die für die markierten Kugeln vorgesehene Messung vorzugsweise mit der niedrigeren Frequenz durchgeführt. Es läßt sich jedoch auch in ein und derselben Anordnung in einer von den Kugeln axial durchlaufenen Zylinderspule durch Messungen mit zwei verschiedenen Fcqucnzcn aus dor Differenz bzw. dem Verhältnis beider Messungen bei Durchlauf einer markierten Kugel ein eindeutiges Signal ableiten.

Die erfindungsgemäße Ausbildung von Test- oder Meßkugeln eröffnet somit eine rationelle und leicht zu handhabende Möglichkeit, das Fließverhaltcn betriebsmäßig einer Umwälzung unterliegender Schüttungen kugelförmiger Betriebselemente eindeutig zu ermitteln und den Betriebsablauf auf Grund der Meßcrgcbnissc in gewünschter Weise zu steuern.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Für den elektromagnetischen Nachweis geeignete Test- oder Meßkugel für einen aus einer Schultung kugelförmiger Betriebselemente bestehenden Kernreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß die Test- oder Meßkugel Ein- oder Auflagen eines leitfähigen Materials enthält, die ihre elektrische Leitfähigkeit gegenüber den kugelförmigen Betriebselementen erhöhen.

2. Test- oder Meßkugel nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage aus einer durchgehenden Schicht besteht.

3. Test- oder Meßkugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage aus einer unterbrochenen Schicht besteht.

4. Tesi- oder Meßkugel nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage aus einer nahe der Kugeloberfläche angeordneten, durchgehenden Schicht besteht.

5. Test- oder Meßkugel nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage aus einer nahe der Kugeloberfläche angeordneten, unterbrochenen Schicht besteht.

6. Test- oder Meßkugel nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage aus einer net/artigen Schicht besteht.

7. Test- oder Meßkugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- oder Auflage aus in drei senkrecht zueinander stehenden Ebenen angeordneten Metallschleifen besteht, die an ihren Kreuzungspunkten leitend miteinander verbunden sind.

8. Verfahren zum Herstellen einer Test- oder Meßkugel gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Oberfläche einer innenkugel netzartig angeordnete Vertiefungen eingepreßt oder eingeschliffen werden, die mit dem Material der Einlage ausgefüllt und sodann von einer durchgehenden, aufgepreßten Außenschicht umgeben werden.

9. Verfahren zum Herstellen einer Test- oder Meßkugei nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- oder Auflagen chemisch aus der Dampfphase oder chemisch stromlos oder elektrolytisch abgeschieden werden.