DE2315847C3 - Test- oder Meßkugel für Kernreaktoren mit kugelförmigen Betriebselementen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine für den elektromagnetischen Nachweis geeignete Test- oder Meßkugel für einen aus einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente bestehenden Kernreaktor (vgl. die DT-PS 21 02 727).

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

Bei gasgekühltcn Hochtemperatur-Reaktoren besteht der Kern aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente, deren Außcnmanlcl aus Graphit gefertigt ist. Bei derartigen Reaktoren ermöglicht es die Kugelform der Brennelemente, den Kern in einfacher Weise während des Betriebs mit neuen Breiinolomcn leu /u beschicken und verbrauchte Ijrt'iineluinenie zu einnehmen. Hierzu dient eine Brennstoff-Besdnk kungsnnlagc, die im wcserillichen aus einem liohrss- sicm besteht, in dem die Brennelement!.· entweder durch .Schworkrall oder pneumatisch mil dem Kühlgas geforcier', werden können. Das Rohrsystem ist so ausgebildet, daß Beschickung, Entnahme und Umsetzung der 'irennclemenle räumlich und /eillich gezielt vorgenommcn werden können, so daß sich die Möglichkeit bietet, bei gleicher Anreicherung des Brennstoffes in den frischen Brennelementen die radiale Leistungsvcrteilung im Kern während des Betriebs vorteilhaft zu beeinflussen, indem frische und weniger stark abgcbrannte Brennelemente auf die radiale Außenzone des Kerns und Brennelemente mit größeren Uranabbränden auf die Mitte der Kernoberfläche gefördert werden.

Um nun diese Möglichkeit der sogenannten Leistungsabflachung optimal ausschöpfen zu können, ist es notwendig, die Fließgeschwindigkeil der Brennelemente in der Außenzone des Kerns relativ zur Fließgeschwindigkeil im Bereich der Verlikalachsc des Kerns genau zu kennen. Fließlinien und Fließgcschwindigkeiten lassen sich zwar 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 I : 1 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 ^Leistungsreaklors ist beispielsweise der Rcibungskoef- ;fizient der Brennelemente in trockener Heliumatmol'sphäre temperaturabhängig, so daß er sich während eines Durchlaufs der Brennelemente durch den Kern in Abhängigkeit von der Temperatur am jeweiligen Ort ändert. Bei einer Brennelementoberflächenfemperatur von 1000°C beträgt der Reibungskoeffizient etwa 0,3, während er sich bei einer Oberflächenlemperatur 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 Schültung vorliegenden kugelförmigen Betriebselemente 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 detektiert werden können, andererseits aber keinen Unterschied im Reibungsverhalten zeigen und keinen nennenswert unterschiedlichen Einfluß auf den Reaktionsablauf, 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, daß die gegenüber den übrigen

Brennelementen gelinderte geometrische F^;tirm der Meßkugeln unter Umstünden zu einem nicht reprilsentaiiven Hicßvcrhalten innerhalb des Kerns führen kiinn, besitzt diese Methode den erheblichen Nachteil, daß einerseits die Meßkugeln /.usamnien 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, da* 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 Detcklierung defekter Kugeln deren gegenüber unbeschädigten Kugeln in einem 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 aus- _ sondert.

~-*_r 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 Zählspule bekannt, die insbesondere bei gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktoren mit kugelförmigen Brennelementen das Zählen allerdings sämtlicher Brennelemen- _s te während der Beschickungsphase ermöglicht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Kugelhau-

\ fen-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 Testoder Meßkugel Ein- oder Auflagen eines leitfähigen

-„ Materials enthält, die ihre elektrische Leitfähigkeit gegenüber den kugelförmigen Betriebselernenten erhöhen.

Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist der erhebliche Vorteil verbunden, daß die Test- oder Meßkugeln ohne Veränderung ihrer geometrischen Form

' markiert sind, so daß einerseits der Durchlauf durch

,ι den Reaktorkern nicht durch geometrisch unterschiedlich geformte Kugeln gestört werden kann und andererseits ein an der Meß- oder Zählstelle aufgenom-. mener Meßimpuls, der im Fall der Zählung sämtlicher Kugeln eindeutig höher als der Normalimpuls liegt, eine eindeutige und gewünschtenfalls ohne Schwierig-

'· keiten weiter zu bearbeitende Aussage darstellt.

Um zu einer eindeutigen Aussage beispielsweise

γ über die Fiießeigenschaften 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 kann, den sie bei ihrem Durchlauf durch den Reaktorkern genommen haben. Um eindeutige Rückschlüsse zuzulassen, kann im sogenannten Zweizonen-Verfahren gearbeitet werden, bei dem die Aufgabe der Testoder Meßkugeln zunächst zentral und nach vollständigem Durchlauf an der Peripherie der Schüttung erfolgt. Die Test oder Meßkugeln werden nach dem Passieren der Meßsteüe dem Kreislauf entnommen und für weitere Untersuchungen bereitgehalten, um Meßergebnisse nicht /u verfälschen.

Die Ein· oder Auflagen, fl'ir die als Materialien bevorzugt Silizium, Wolfram, Tantal, Zirkonium, Titan, deren Karbide, sowie Iridium, Osmium und/oder Rheni-

η um 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 1,5 mOhm 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 Neutronendosis 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 seiektriv detektiert wer-

den sollen. Dabei wird mil zwei I requun/en gcarbcilei um clic Dcioklioii der markierten Kugeln /ii giinmiiercn. du für eins Messen unmarkicrter Kugeln geeignete Meßanordnungen die durch die unterschiedliche Verweilzcil im Reaktor bedingten unterschiedlichen Ligen- s schürten dieser Kugeln etwas nivellieren. In diesem liill wird die für die markierten Kugeln vorgesehene Mes sung vorzugsweise mit der niedrigeren l-requcn/ durchgeführt. Ks läßt sich jedoch mich in "in und clerscl bcn Anordnung in einer von den Kugeln nxinl durchlaufcncn Zylinderspulc durch Messungen mit zwei ver- «,chiediM.cn l-eiiuen/en aus iar D.Heren/ b/w dem Vcrhalinis beider Messungen bei Diirthliiul cinei nmr kierien Kugel ein i-Mideutifes Signa! abk-iicn

Die erfindungsgemiilk· Ausbildung von lest «aiii Meiikugeln eröffnet somit eine rationelle und ieicni /u liandhiibende Möglichkeit, das ΙΊ/jlivei halten Deinem· miiüig einer Umwijl/un»; iinierlicgender Schul Hingen kugelförmiger Ketricbsclcmenic eindeutig /u ermillcin und den Beiriobsnblauf aiif Grund der Meliergebnisse in gewünschter Weise /u steuern.

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Claims (9)

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1. Für den elektromagnetischen Nachweis geeignete Test- oder Meßkugel l'iir einen aus einer Schiit· s lung kugelförmiger Betriebselemenie bestehenden Kernreaktor, d a d u r c h g e k e n n / e i c Ii nut, daß die Test- oder Meßkugcl Ein· oder Auflagen eines leitfähigeii Materials enthält, die ihre elektrische Leitfähigkeil gegenüber den kugelförmigen iu Betriebselementcn erhöhen,

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

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

4, Test- 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 1, 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 netzartigen Schicht besteht.

7.Test- oder Meßkugel nach Anspruch !,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 Meßkugel 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.