DE2316072A1

DE2316072A1 - Fuel element calorimeter - for determining plutonium content heat output

Info

Publication number: DE2316072A1
Application number: DE2316072A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl Phys Beisswenger
Original assignee: Alkem GmbH
Current assignee: Alkem GmbH
Priority date: 1973-03-30
Filing date: 1973-03-30
Publication date: 1974-10-17

Abstract

alpha-decay heat output and spontaneous neutron activity from fuel elements with a plutonium content is obtd. by measuring the temp. gradient across an insulated layer interposed between the fuel element containment and surrounding water filled chambers. The multiple assembly of rectangular fuel element containment tubes is horizontally mounted and equipped with a tilting mechanism effecting a +10 degrees oscillatory motion to promote temp. equalisation throughout the thermocoupled insulated layer during pre-heat of the alcohol filled containment. Ion chambers are provided in the water filled chambers to detect gamma and neutron activity which is registered on externally mounted instruments together with the insulated layer temp. measurements.

Description

Brennelementkalorimeter Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kalorimeter zur Messung der Wärmeabgabe plutoniumhaltiger Kernreaktorbrennelemente mit Hilfe des über Thermoelemente zu messenden Temperaturgradienten zwischen einem das Brennelement enthaltenden Aufnahmegefäß und einem z.3. wassergefüllten Thermostaten, die innerhalb wärmeisolierender Schichten angeordnet sind. Solche Messungen sind notwendig zur verbesserten Kontrolle des Spaltstoffflusses in Kernbrennstoffe verarbeitenden Betrieben sowie auch Kernkraftwerksanlagen. Diese Kontrolle ist vor allem wegen des Plutoniums wünschenswert, das wegen seiner Eignung zur Atomwaffenherstellung und seiner hohen Radiotoxizität leicht mißbräuchlich verwendet werden kann.Fuel element calorimeters The present invention relates to a calorimeter for measuring the heat output of plutonium-containing nuclear reactor fuel elements with the help of the temperature gradient to be measured via thermocouples between a the receptacle containing the fuel assembly and a z.3. water-filled thermostats, which are arranged within heat-insulating layers. Such measurements are necessary to improve the control of the flow of fissile material in the nuclear fuel processing industry Operated as well as nuclear power plants. This control is mainly because of of plutonium is desirable because of its suitability for the manufacture of nuclear weapons and its high level of radiotoxicity can be easily misused.

Das Plutonium selbst setzt sich aus verschiedenen Isotopen wie Plutonium 238, Plutonium 239, Plutonium 240, Plutonium 241 und Plutonium 242 zusammen. Alle diese Isotope sind Alpha-Strahler, mit Ausnahme des P -Strahlers Plutonium 241. Die vom Plutonium üblicher Zusammensetzung erzeugte Wärme wird praktisch ausschließlich von der Alpha-Zerfallswärme geliefert; Anteile derl,5-, g -und Neutronenstrahlung sind vernachlässigbar. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß durch Lagerung aus dem Plutoniumisotop 241 infolge Beta-Zerfall Americium 241 entsteht, das ebenfalls einen Beitrag zur Zerfallswärme liefert, der mit zunehmendem Alter des Plutcniums an Bedeutung zunimmt.The plutonium itself is made up of different isotopes like plutonium 238, plutonium 239, plutonium 240, plutonium 241 and plutonium 242 together. All these isotopes are alpha emitters, with the exception of the P emitter plutonium 241. The heat generated by the plutonium of usual composition becomes practically exclusive supplied by the heat of alpha decay; Proportions of l, 5, g and neutron radiation are negligible. In this context it should be mentioned that through storage the plutonium isotope 241 arises as a result of beta decay americium 241, which also makes a contribution to the heat of decay that increases with the age of the plutcnium increasing in importance.

Die kalorimetrische Messung ist für das Objekt zerstörungsfrei.The calorimetric measurement is non-destructive for the object.

Es können sowohl Brennstäbe als auch ganze Brennelemente, die aus einer Vielzahl von einzelnen Kernbrennstäben bestehen, zur Ermittlung der Alpha-Zerfallswärme herangezogen werden.Both fuel rods and whole fuel assemblies can be used consist of a large number of individual nuclear fuel rods to determine the alpha decay heat can be used.

Zur Spaltstoffflußkontrolle wird von einer bekannten Isotopenzusammensetzung des Spaltstoffes ausgegangen, die bereits vor dem Einbau des Spaltstoffes in die Brennstäbe bzw. die Brennelemente mit Hilfe bekannter massenspektrometrischer Untersuchungen festgestellt wird. Aufgrund der bekannten Isotopenzusammensetzung wird die\ -Zerfallswärme je Gewichtseinheit errechnet. Ebenfalls wird die Menge des Spaltstoffes bzw.A known isotopic composition is used to control the flow of fissile material of the fissile material assumed that already before the installation of the fissile material in the Fuel rods or fuel assemblies with the help of known mass spectrometric examinations is detected. Due to the known isotopic composition, the heat of decay is calculated per weight unit. The amount of fissile material or

Plutoniums als bekannt angenommen. Die zu meesende,r( -Zerfallswärme stellt das Produkt aus Pu-Menge und der cm -Zerfallswärme pro Mengeneinheit dar. Stimmt die errechnete mit dem gemessenen Wert der Wärmeabgabe überein, so ist mit großer Sicherheit nachgewiesen, daß bei dem betreffenden Brennelement Plutoniumgehalt und Isotopenzusammensetzung mit dem vorgegebenen Wert gleich sind.Plutonium is believed to be known. The r (decay heat to be measured represents the product of the amount of Pu and the heat of decay in cm per unit of measure. If the calculated and measured value of the heat dissipation agrees, then with with great certainty that the fuel element in question contains plutonium and isotopic composition are equal to the predetermined value.

Die Sicherheit wird erhöht, wenn noch eine weitere Größe z.B.The security is increased if a further size, e.g.

die Spontanspalt-Neutronen- oder die 8 -Strahlung gemessen wird. Es ist immerhin möglich, daß durch Zufall oder gezielt die Isotopenzusammensetzung durch Zumischung eines anderen Plutoniums verändert wird und durch entsprechende Veränderung der Pu-Menge der Wärmewert trotzdem erreicht wird. Aus diesem Grund wird die kalorimetrische Messung häufig mit einer Messung der Spontanspaltneutronen kombiniert. Die Messung der Spontanspaltneutronen mit Hilfe der Koinzidenzmethode kann als Stand der Technik angesehen werden.the spontaneous gap neutron or 8 radiation is measured. It it is at least possible that by chance or deliberately the isotopic composition is changed by adding another plutonium and by corresponding Change in the amount of Pu the calorific value is achieved anyway. For this reason the calorimetric measurement is often based on a measurement of the spontaneous fission neutrons combined. The measurement of the spontaneous fission neutrons with the help of the coincidence method can be regarded as state of the art.

Die bisher zur Bestimmung der Wärmeabgabe von Brennelementen verwandten Kalorimeter bestanden aus einem für die Aufnahme des Brennelementes bestimmten meistens senkrecht angeordnete zylindrischen Einsatz sowie einem um diesen konzentrisch herum angeordneten vorzugsweise mit Wasser gefüllten Thermostaten.The previously used to determine the heat output of fuel assemblies Calorimeters mostly consisted of a fuel element intended to hold the fuel element vertically arranged cylindrical insert as well as one concentrically around it arranged preferably thermostats filled with water.

Der in einer Zwischenschicht sich ergebende Temperaturgradient wurde thermoelektrisch erfaßt und bildete nach entsprecnender Eichung ein direktes Maß für die Alpha-Zerfallswärme des eingesetzten Brennelementes.The temperature gradient resulting in an intermediate layer was thermoelectrically recorded and formed a direct measure after appropriate calibration for the alpha decay heat of the fuel element used.

Mit derartigen Einrichtungen dauert es verhältnismäßig lange (bis zu mehreren Tagen) bis sich im Kalorimeterraum ein stationäres Temperaturfeld eingestellt hat. Dies ist für ein rationelles Arbeiten natürlich sehr hinderlich. Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Kalorimeterkonstruktion zu finden, mit der es möglich ist, die Meßzeit wesentlich zu verringern, bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen Meßgenauigkeit.With such facilities it takes a relatively long time (up to for several days) until a stationary temperature field is established in the calorimeter room Has. This is of course very difficult for efficient work. It puts therefore the task of finding a calorimeter construction with which it is possible is to reduce the measurement time significantly, while at the same time ensuring a high measuring accuracy.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Aufnahmegefäß horizontal gelagert, der Größe der auszumessenden Brennelemente angepaßt, mit einem dichtschließenden stirnseitigen Deckel versehen und die Wand desselben mit Wärmeröhren, die untereinander verbunden sein können, versehen sind.This aim is achieved according to the invention in that the receiving vessel stored horizontally, adapted to the size of the fuel elements to be measured, with a provide a tightly closing end cover and the wall of the same with heat pipes, which can be connected to one another are provided.

Zur Einführung des Brennelementes muß dieses Gefäß aufgerichtet werden. Es ist jedoch auch möglich, dieses Aufnahmegefäß ortsfest zu lagern und das Brennelement zunächst in einen Zwischenbehälter einzuführen und diesen dann in das mit einem horizontalen Deckel versehene Aufnahme gefäß einzusetzen. Weiterhin kann dieses Kalorimeter so ausgebildet werden, daß das Aufnahmegefäß mit dem eingesotzten Brennelement mit einer leicht verdampfbaren Flüssigkeit bis zur Höhe der obersten Brenns abröhre desselben gefüllt ist und die Luft oberhalb des Brennelementes evakuiert und durch den Dampf der wlüssigient ersetzt ist. Die die Thermoelemente enthaltende '#ämmeisclationsschlcht kann in allen Fällen fest mit dem Aufnahmegefäß, vorzugsweise wenigstens mit seiner Unterseite verbunden sein. Zur Der ringerung der Einstellung des Wärme gleichgewIchtes ist der 30den des Aufnahme gefäßes bzw. eine mit diesem in wär:neleitender Verbindung stehende Deckplatte der Thermoelemente enthaltenden Xårme i301at ions3chicht mít regelbaren elektrischen Heizelementen versehen. Damit ist eine Voreinstellung des vermuteten Temperaturgradienten möglich, so daß bis zur Einstellung eines Temperaturgleichgewichtes nur wenig Zeit benötigt wird. Vorteilhaft wirkt sich in diesem Zusammenhang auch die verhältnismäßig geringe Wärmekapazität des Aufnahmegefäßes aus, da dieses der Form des einzusetzenden Brennelementes angepaßt ist und somit nur eine verhältnismäßig geringe Flüssigkeitsmenge im Vergleich zu den aus dem Stande der Technik bekannten Anlagen besitzt.This vessel must be erected in order to introduce the fuel assembly. However, it is also possible to store this receiving vessel and the fuel assembly in a stationary manner first to be introduced into an intermediate container and then into the one with a Insert the receptacle provided with a horizontal lid. Furthermore, this Calorimeters are designed so that the receptacle with the brazed fuel element with an easily evaporable liquid up to the level of the uppermost focal point the same is filled and the air above the fuel assembly is evacuated and through the steam of the liquid is replaced. The insulation layer containing the thermocouples can in all cases firmly with the receptacle, preferably at least with his Be connected to the bottom. To reduce the setting of the heat equilibrium is the 30den of the receiving vessel or a heat-conducting connection with it upright cover plate of the thermocouple containing Xarm i301at ions3chicht mit adjustable electrical Provided heating elements. So that's a Presetting of the presumed temperature gradient possible, so that until the setting A temperature equilibrium only takes a little time. Has beneficial effects In this context, the relatively low heat capacity of the Receiving vessel from, since this is adapted to the shape of the fuel assembly to be used is and therefore only a relatively small amount of liquid compared to has the systems known from the prior art.

Brennelemente stellen verhältnismäßig große Objekte dar, ihre Länge beträgt beispielsweise ca. 4 m. Es würde daher im Aufnahmegefäß verhältnismäßig viel Zeit vergehen, bis sich über die gesamte Länge ein ausreichender Temperaturausgleich eingestellt hat.Fuel assemblies represent relatively large objects, their length is, for example, about 4 m. It would therefore be proportionate in the receiving vessel It takes a long time for the temperature to equilibrate sufficiently over the entire length has set.

Zur Verhinderung dieser Erscheinung ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung - wie bereits erwähnt - der Aufnahmebehälter vakuumdicht verschließbar und beispielsweise nur bis etwa zur oberen Brennstabreihe mit einer leicht verdampfbaren Flüssigkeit gefüllt. Die Luft wird evakuiert, so daß sich der Raum oberhalb der Flüssigkeit mit dem Dampf derselben füllt. Der Temperaturausgleich über die Länge des Brennelementes findet dann über die Gasphase der Flüssigkeit statt, da sich durch Verdampfen an jeder wärmere Stelle und Kondensieren an jeder kälteren Stelle sehr schnell ein völliger Temperaturausgleich im benetzten Gasraum einstellt. Dies ist ein Effekt, wie er auch bei den sogenannten Wärmeröhren (heat pipe) ausgenützt wird. Eine weitere Beschleunigung dieses Temperaturausgleiches ist dadurch möglich, daß der gesaite Kalorimeteraufbau einschließlich der umgebenden Thermostaten um eine Querachse etwa in einem Winkel von + 100 hin- und hergekippt wird.To prevent this phenomenon, in one embodiment of the Invention - as already mentioned - the receiving container can be closed in a vacuum-tight manner and, for example, only up to approximately the upper row of fuel rods with an easily evaporable Liquid filled. The air is evacuated so that the space is above the Fills liquid with the vapor of the same. The temperature compensation over the length of the fuel element then takes place via the gas phase of the liquid, since by evaporation in every warmer place and condensation in every colder place the temperature in the wetted gas space is completely equalized very quickly. this is an effect that is also used in so-called heat pipes will. This temperature equalization can be accelerated further by that the stringed calorimeter construction including the surrounding thermostats around a transverse axis is tilted back and forth approximately at an angle of + 100.

Besonders vorteilhaft ist es auch, die Innen- oder Außenwandungen des Aufnahmebehälters parallel und senkrecht zur axialen Richtung des einzusetzenden Brennelementes mit Wärmeröhren zu versehen.It is also particularly advantageous to have the inner or outer walls of the receptacle parallel and perpendicular to the axial direction of the to be used To provide fuel assembly with heat pipes.

Zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung sei auf die Fig. 1 bis 8 verwiesen, in denen mögliche Ausführungsformen näher beschrieben sind. Die Fig. 1 zeigt eine Draufsicht und die Fig. 2 eine Stirnansicht einer dreifachen Kalorimeteranlage. Diese ist aus den Einzelkalorimetern 1a, ib und 1c zusammengesetzt und über die Kippeinrichtung 2 mit dem Antrieb 21 zu bewegen. Die im Inneren befindlichen Brennelemente 3 sind nur gestrichelt angedeutet. Die Kippeinrichtung 2 ist dabei so gestaltet, daß jeweils nur jenes Kalorimeter bewegt wird, das sich im Meßbetrieb befindet.To further explain the present invention, reference is made to FIGS. 1 to 8, in which possible embodiments are described in more detail. the 1 shows a plan view and FIG. 2 shows an end view of a triple calorimeter system. This is composed of the individual calorimeters 1a, ib and 1c and via the To move the tilting device 2 with the drive 21. The fuel elements located inside 3 are only indicated by dashed lines. The tilting device 2 is designed so that only that calorimeter is moved that is in the measuring mode.

Über der Anlage ist ein Kran verfahrbar, mit dessen Hilfe das Öffnen der Kalorimeter sowie das Einsetzen der Aufnahmegefäße bzw. der Zwischenbehälter mit den Brennelementen bewirkt wird. Diese Einrichtung ist jedoch aus Ubersichtlichkeitsgründen nicht näher dargestellt.A crane can be moved above the system, with the help of which it can be opened the calorimeter and the insertion of the receptacles or intermediate containers is effected with the fuel elements. However, this facility is for reasons of clarity not shown in detail.

Die Fig. 3 und 4 stellen eine Kalorimeteranordnung im Längs-und im Querschnitt dar. Das Brennelement 3 befindet sich in einem Aufnahmebehälter 5, der bis zur oberen Brennstabreihe des Brennelementes mit einer Flüssigkeitsfüllung 51 versehen ist. Der Kalorimeterbehälter 5 ist, wie insbesondere in Fig.3 and 4 show a calorimeter arrangement in the longitudinal and in the Cross section. The fuel assembly 3 is located in a receptacle 5, the up to the upper row of fuel rods of the fuel assembly with a liquid filling 51 is provided. The calorimeter container 5 is, as shown in particular in Fig.

3 dargestellt, mit einem vakuumdichtschließenden stirnseitigen Deckel versehen. Ober- und unterhalb des Aufnahmebehälters 5 befindet sich eine Temperaturmeßschicht 6. Diese besteht aus einer Wärmeisolation, die mit eier Vielzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen bestückt ist, 90 daß damit auf elektrischem Wege der Temperaturgradient vom Aufnahme behälter 5 zu den wassergefüllten Thermostatbehältern 41 und 42 gemessen werden kann. Im Zustand des Gleichgewichtes ist dar über die Thermoelementsäulen gemessene Wert ein Maß für die Wärmeabgabe des im Aufnahmebehälter 5 befindlichen Brennelementes 6. Selbstverständlich können anstelle von Thermosäulen auch äquivalente Temperaturfühler wie z.B. Widerstands-oder Halbleiterthermoelemente Verwendung finden. Die Thermostatbehälter 42 und 41 sind von einer Wärmeisolationaschicht 11 und 12 umgeben. Zur Aufnahme der Belastungskräfte dienen die gut wärmeleitenden stabilen metallischen Böden 91 und 92, die in entsprechender Weise mit dem äußeren Metallmantel der gesamten Einrichtung verbunden sind, Wie in Fig. 4 dargestellt, können auch seitlich des Aufnahmebehälters 5 Wärmeisolationen 14 und Thermostatbehälter 43 angeordnet sein.3 shown, with a vacuum-tight closing front cover Mistake. A temperature measuring layer is located above and below the receptacle 5 6. This consists of a thermal insulation, which is connected in series with a large number of Thermocouples is equipped, 90 so that the temperature gradient is electrically controlled from the receiving container 5 to the water-filled thermostat containers 41 and 42 measured can be. In the state of equilibrium is dar via the thermocouple columns measured value is a measure of the heat dissipation of that located in the receptacle 5 Fuel element 6. Of course, instead of thermopiles, equivalent Temperature sensors such as resistance or semiconductor thermocouples are used. The thermostat tanks 42 and 41 are made of a heat insulation layer 11 and 12 surround. The stable ones, which conduct heat well, serve to absorb the load forces metallic floors 91 and 92, which are in a corresponding manner with the outer metal jacket of the entire facility are connected, as shown in Fig. 4, can also to the side of the receptacle 5, heat insulation 14 and thermostat container 43 are arranged be.

Der Aufnahmebehälter 5 ist selbstverständlich in nicht dargestellter Weise noch mit Einrichtungen zum Entleeren der Flüssigkeitsfüllung 51 bzw. zum Einbringen derselben und zum Evakuieren versehen. Außerdem ist es zweckmäßig, an diesem Temperaturfühler anzubringen, die eine Steuerung der Aufheizung der Flüssigkeitsfüllung 51 zur weiteren Verringerung der Einstellzeit ermöglichen.The receptacle 5 is of course not shown Way still with devices for emptying the liquid filling 51 or for introducing it the same and provided for evacuation. It is also useful to use this temperature sensor to attach, which controls the heating of the liquid filling 51 for further Enable a reduction in the response time.

Die Fig. 5 stellt einen ähnlichen Querschnitt wie Fig. 4 dar, aus der etwas mehr Einzelheiten im Hinblick auf den Aufnahmebehälter 5 zu entnehmen sind. Die Innenwandung des Behälters 5 ist mit Wärmerohren 52 bestickt, die für einen beschleunigten Temperaturausgleich in Längsrichtung aber auch in Vertikalrichtung dienen. Die in vertikaler Richtung angeordneten Wärmerohre sind der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt. Der Aufnahmebehälter 5 ruht auf der Temperaturmeßschicht 6, die nach oben mit einer Metallplatte 62 abgeschlossen ist. In ihrem Inneren befinden sich in Reihenschaltung eine Vielzahl von Thermoelementen 63, die über die Leitungen 64 aus dem Kalorimeterbereich herausgeführt sind.FIG. 5 shows a similar cross section to FIG. 4 the somewhat more details with regard to the receptacle 5 can be found are. The inner wall of the container 5 is embroidered with heat pipes 52, which for an accelerated temperature equalization in the longitudinal direction but also in the vertical direction to serve. The heat pipes arranged in the vertical direction are for the sake of clarity not shown for the sake of detail. The receptacle 5 rests on the temperature measuring layer 6, which is closed at the top with a metal plate 62. Inside are located In series connection a plurality of thermocouples 63, which over the lines 64 are led out of the calorimeter area.

Die Platte 51 ist mit einer elektrischen Heizung 62 versehen, die, wie bereits erwähnt, eine Vorheizung der Pliissigkeitsfüllung 51 besorgt. Zur Erzielung eines gut wärmeleitenden Kontaktes zwischen dem Aufnahmebehälter 5 und der Meßschicht 6 ist deren Deckplatte 62 mit einem nach oben stehenden Bund 65 versehen. Der dadurch gebildete ringwannen ähnliche Raum ist zur Verbesserung der Wärmeableitung zwischen dem Aufnahmebehälter 5 und der Temperaturmeßschicht 6 mit einem temperaturleitenden Medium, wie z.B. Fett, gefüllt. Wie bereits eingangs erwähnt, können in den umgebenden Thermostaten, das sind mit Wasser gefüllte Behälter, deren Temperatur genau konstant gehalten wird, Meßsonden 8 zur Ermittlung einer evtl.The plate 51 is provided with an electrical heater 62 which, as already mentioned, preheating of the fluid filling 51 is provided. To achieve one that conducts heat well Contact between the receptacle 5 and the measuring layer 6 is their cover plate 62 with an upwardly extending collar 65 provided. The space which is similar to that of the ring troughs formed thereby is for improvement the heat dissipation between the receptacle 5 and the temperature measuring layer 6 filled with a temperature-conducting medium such as grease. As already at the beginning mentioned, in the surrounding thermostats, which are containers filled with water, whose temperature is kept exactly constant, measuring probes 8 to determine a Possibly.

Gamma- oder Neutronenstrahlung eingebaut werden. Die von diesen Meßsonden ermittelten Werte werden ebenfalls wie die Temperaturmeßwerte einem Registrier- und Auswertegerät zugeleitet, das hier nicht näher dargestellt ist.Gamma or neutron radiation can be incorporated. The ones from these probes Determined values are also like the temperature measured values in a registration and supplied to the evaluation device, which is not shown in detail here.

Zur Beschickung des Kalorimeters wird der obere Thermostat 41 mit der Wärmeisolation 11 abgenommen und der Aufnahmebehälter 5 nach oben gekippt. Nach dem Einsetzen des auszumessenden Brennelementes 3 wird der Deckel - siehe Fig. 3 - aufgebracht und die leicht verdampfende Flüssigkeit, beispielsweise Alkohol aus einer einheitlichen chemischen Verbindung großer Reinheit eingefüllt. Anschließend wird die Luft aus dem Raum zwischen der Oberkante des Brennelementes und dem Deckel abgepumpt, so daß nur noch die Dämpfe der Flüssigkeit 51 diesen Raum ausfüllen. Anschließend wird der so vorbereitete Aufnahmebehälter wieder in die horizontale Lage zurückgelegt und das Kalorimeter wieder mit dem oberen Thermostat 41 verschlossen.The upper thermostat 41 is used to load the calorimeter the thermal insulation 11 removed and the receptacle 5 tilted upwards. To When the fuel assembly 3 to be measured is inserted, the cover - see FIG. 3 - Applied and the easily evaporating liquid, for example alcohol filled with a uniform chemical compound of great purity. Afterward is the air from the space between the upper edge of the fuel assembly and the lid pumped out so that only the vapors of the liquid 51 fill this space. Then the prepared receptacle is returned to the horizontal Position covered and the calorimeter closed again with the upper thermostat 41.

Nach kurzer Vorheizung mit Hilfe der Heizelemente 62, die über im Aufnahme behälter 5 eingebaute Thermoelemente überwacht und gesteuert wird, ist die Anlage zur Messung bereit. In Anbetracht der Vorheizung wird sich der Temperaturgradient über der Temperaturmeßschicht 6 rasch stabilisieren und somit in kurzer Zeit das Ergebnis liefern. Es sei hier darauf hingewiesen, daß unter Umständen das endgültige Temperaturgleichgewicht nicht abgewartet zu werden braucht. Vielmehr genügt oftmals eine relative Aussage über die Ermittlung der Thermoelementmeßwerte aus der Meßschicht 6 nach einer voreingestellten, für alle Messungen gleichen Meßzeit bei stets gleich großen Brennelementen und stets genau gleicher Vorwärmung.After a short preheating with the help of the heating elements 62, which are about in Receiving container 5 built-in thermocouples is monitored and controlled is the system is ready for measurement. In view of the preheating, the temperature gradient will be Stabilize quickly over the temperature measuring layer 6 and thus in a short time Deliver result. It should be noted here that the final There is no need to wait for temperature equilibrium. Rather, it is sufficient often a relative statement about the determination of the thermocouple measured values from the measuring layer 6 after a preset measuring time that is the same for all measurements and always the same large fuel elements and always exactly the same preheating.

Sollte bei der Vorheizung der Flüssigkeitsfüllung 51 die vorgesehene Temperatur versehentlich überschritten worden sein, so genügt es, nur etwas Dampf der eingebrachten Flüssigkeit abzupumpen und damit die Temperatur rasch auf den normalen Wert abzusenken.When the liquid filling 51 is preheated, the intended If the temperature has accidentally been exceeded, all that is needed is a little steam to pump out the introduced liquid and thus the temperature quickly to the lower normal value.

Bei dem bisher genannten Beispiel ist der Aufnahmebehälter mit einer Flüssigkeitsfüllung zur Übertragung der Wärme aus den Brennstäben an die Behälterwand versehen. Es kann jedoch in manschen Fällen geraten sein, eine Benetzung der Brennstäbe zu vermeiden. Zur Wärmeübertragung an die Behälterwand steht dann nur die Strahlung und eine Luft bzw. Gasfüllung als wärmeübertragendes Medium zur Verfügung. In solchen Fällen vereinfacht sich selbstverständlich der apparative Aufwand, so entfallen die Kippeinrichtungen sowie die Füll- und Entleerungseinrichtungen samt der Pumpe für die Evakuierung des Restraumes im Aufnahmebehälter. Dieser hat dann einen Querschnitt entsprechend Fig. 6. Der Aufnahmebehälter 53 umschließt eng das Brennelement 3, das im aufgerichteten Zustand dieses Behälters mit Hilfe eines Krans eingeführt wird. Der stirnseitige Verschluß erfolgt wie in den vorhergehenden Beispielen, jedoch entfällt die Anforderung auf Vakuumdichtheit. Die Behälterwandungen sind wieder mit Wärmeröhren 52 versehen, die für einen exakten und raschen Temperaturausgleich sorgen. Jede Wärmeröhre kann dabei ein in sich geschlossenes System darstellen und ist mit dem Behälter 53 in gut wärmeleitender Weise verbunden. Letzterer kann beispielsweise doppelwandig ausgeführt sein, wobei zwischen den beiden Wandungen die Wärmeröhren angebracht sind und durch eine gut wärmeleitende Füllung, z.B. Öl oder eine Metallpulverschüttung umschlossen sind. Auf der Boden- und/oder Stirnseite des Aufnahmebehälters 53 kann die Temperaturmeßschicht 6, wie in den vorhergehenden Beispielen, angeordnet sein.In the example mentioned so far, the receptacle is with a Liquid filling for transferring the heat from the fuel rods to the container wall Mistake. In some cases, however, it may be advisable to wet the fuel rods to avoid. Only radiation is then available for heat transfer to the container wall and an air or gas filling is available as a heat-transferring medium. In such In cases, of course, the outlay on equipment is simplified, so there is no need the tilting devices as well as the filling and emptying devices including the pump for evacuating the remaining space in the receiving container. This then has a cross-section corresponding to FIG. 6. The receptacle 53 tightly encloses the fuel assembly 3, introduced in the erected state of this container with the help of a crane will. The front closure takes place as in the previous examples, however there is no requirement for vacuum tightness. The container walls are back provided with heat pipes 52, which for an exact and rapid temperature equalization care for. Each heat pipe can represent a self-contained system and is connected to the container 53 in a manner that conducts heat well. The latter can for example be double-walled, with the heat pipes between the two walls are attached and by a well thermally conductive filling, e.g. Oil or a metal powder spill are enclosed. On the bottom and / or front of the receptacle 53 may have the temperature measuring layer 6 as in the foregoing Examples.

Eine andere Möglichkeit für die Anbringung der Wärme röhren am Aufnahmebehälter zeigt Fig. 7. Hier ist schematisch die Seitenansicht dieses Behälters 53 dargestellt. Auf diesem ist ein Röhrensystem 58 angeordnet, das beidseitig miteinander in Verbindung steht. Dieses enthält jeweils einen Flüssigkeitsvorrat 59, dessen Dampf den bereits vorher beschriebenen Temperaturausgleich in Längsrichtung bewirkt.Another way of attaching the heat is to tubes on the receptacle shows Fig. 7. Here the side view of this container 53 is shown schematically. A tube system 58 is arranged on this, which is connected to one another on both sides stands. This each contains a liquid supply 59, the vapor of which is already causes previously described temperature equalization in the longitudinal direction.

Die stirnseitigen Verbindungen dieser Rohre 58 sorgen dafür, daß sich über die gesamte Fläche gesehen, ein Temperaturgleichgewicht einstellt. Bei dieser Konstruktion muß allerdings dafür Sorge getragen werden, daß der Flüssigkeitsinhalt jeder einzelnen Röhre beim Aufkippen des Aufnahmebehälters nicht ausläuft. Zu diesem Zweck sind die selbsttätigen Kugelventile 57 vorgesehen, die z.B. aus einer gummiummantelten Metallkugel und einem entsprechenden Sitz im Rohr bestehen können. Die Materialwahl ist hier ziemlich beliebig, da die Temperaturen praktisch nie über 40 bis 50 0C ansteigen dürften.The end connections of these tubes 58 ensure that Viewed over the entire surface, a temperature equilibrium is established. At this Construction must, however, ensure that the liquid content of each individual tube does not leak when the receptacle is tipped up. To this The purpose is to use the automatic ball valves 57, which, for example, consist of a rubber-sheathed Metal ball and a corresponding seat in the tube can exist. The choice of material is quite arbitrary here, as the temperatures practically never exceed 40 to 50 0C are likely to increase.

Anstelle dieser Kugelventile können vorteilhafterweise auch Magnetventile Verwendung finden, die automatisch sofort schließenSwenn der Behälter 53 nur geringfügig aus der horizontalen Lage angehoben wird.Instead of these ball valves, solenoid valves can also advantageously be used Find use that automatically close automatically when the container 53 is only slightly is lifted from the horizontal position.

Im Hinblick auf die insbesondere in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform des Aufnahmebehälters 53 sei darauf hingewiesen, daß es bei Brennelementen mit an Brennstabpositionen befindlichen Steuerstabführungsrohren möglich wäre, in diese lange dünne Wärmeröhren entsprechender Dimensionierung einzufügen bzw. diese als starre Stifte mit der anderen stirnseitigen Wandung des Behälters zu verbinden und damit eine zusätzliche Beschleunigung des Temperaturausgleichvorganges zu bewirken.With regard to the embodiment shown in particular in FIG of the receptacle 53 should be noted that it is with fuel assemblies with Fuel rod positions located control rod guide tubes would be possible in this insert long thin heat pipes of appropriate dimensions or use them as to connect rigid pins with the other end wall of the container and thus causing an additional acceleration of the temperature equalization process.

Da das Aufnahmegefäß 53 mit der Wärmeröhrenausrüstung ein unter Umständen sehr hohes Gewicht besitzt, dessen Handhabung bei der möglichen großen Länge der Brennelemente nicht ganz einfach sein dürfte, ist es zweckmäßig gemäß dem Vorschlag der Fig. 8, dieses Gefäß ortsfest mit der gesamten Kalorimeteranordnung zu verbinden und das Brennelement 3 in einem besonderen Zwischen-Behälter 56 einzusetzen, der dann in gefülltem Zustand von oben in den Aufnahmebehälter eingesetzt wird. Das Aufnahmegefäß hat hier keinen stirnseitigen Verschluß und besteht aus einem Trog 54 sowie einem horizontalen Deckel 55, wobei es nicht unbedingt nötig ist, letzteren ebenfalls mit Wärmeröhren zu bestücken. Dies könnte jedoch durchaus vorgesehen sein, insbesondere dann, wenn auch stirnseitig eine Meßschicht 6 vorgesehen werden müßte. Auch in diesem Beispiel ist im Inneren des Behälters 56 keine Flüssigkeitsfüllung vorgesehen. Es wäre jedoch durchaus möglich, zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen diesem Behälter und dem Unterteil des Aufnahmegefäßes 54 eine zusätzliche Wasserfüllung vorzusehen.Since the receptacle 53 with the heat pipe equipment a may has a very high weight, its handling with the possible great length of the Fuel assemblies should not be very simple, it is expedient according to the proposal 8, to connect this vessel in a stationary manner to the entire calorimeter arrangement and to insert the fuel assembly 3 in a special intermediate container 56, the is then inserted in the filled state from above into the receptacle. That The receiving vessel has no frontal closure and consists of a trough 54 and a horizontal cover 55, although it is not absolutely necessary, the latter also to be equipped with heat pipes. However, this could well be provided in particular if a measuring layer 6 would also have to be provided on the end face. In this example, too, there is no liquid filling inside the container 56 intended. However, it would be entirely possible to improve the heat transfer between this container and the lower part of the receptacle 54 an additional Provide water filling.

Eine Anpassung an verschieden große Brennelemente ist dadw ch leicht möglich, daß für jede Type ein besonderes Aufnahmegefäß 5, das den jeweiligen Dimensionen angepaßt ist, verwendet wird. Auf diese Weise wird dann auch die Wärmekapazität im Vergleich zu bekannten Kalorimeteranordnungen so klein wie möglich gehalten.Adaptation to fuel assemblies of different sizes is therefore easy possible that for each type a special receptacle 5, which the respective dimensions is adapted, is used. In this way then also the heat capacity kept as small as possible compared to known calorimeter arrangements.

Die Einrichtungen zur Temperaturkonstanthaltung der Thermostatbehält er gehören zum Stand der Technik und wurden daher nicht näher erwähnt oder beschrieben. Es genügt jedenfalls eine einige solche Einrichtung zur Versorgung eines Mehrfachkalorimeters vorzusehen, wie es in den Fig. 1 und 2 schematiscn angedeutet ist. Auch die Registrier- und Steuergeräte brauchen nur einfach vorhanden zu sein, da die Umschaltung der elektrischen Meßwerte je nach dem im Einsatz befindlichen Kalorimeter la, ib oder ic ohne Schwierigkeiten möglich ist.The facilities for keeping the temperature of the thermostat containers constant they belong to the state of the art and have therefore not been mentioned or described in detail. In any case, a few such devices are sufficient to supply a multiple calorimeter to be provided, as indicated schematically in FIGS. 1 and 2. The registration and control devices simply need to be present, since the switching of the electrical Measured values depending on the calorimeter in use la, ib or ic is possible without difficulty.

Bei einer Kalorimeterkonstruktion entsprechend Fig. 5 mit Wärme röhren 52 ist ein derartig schneller Temperaturausgleich in horizontaler und vertikaler Richtung innerhalb der Flüssigkeitsfüllung zu erwarten, das auf einer mechanischen Kippbewegung der gesamten Anlage bzw. des Einzelkalorimeters zur Erzeugung eines rascheren Temperaturausgleiches verzichtet werden kann, was mit einer bedeutenden Vereinfachung der ganzen Apparatur verbunden ist. Dies gilt natürlich ebenfalls für die in den Fig. 6 bis 8 dargestellten Varianten.In the case of a calorimeter construction according to FIG. 5, tube with heat 52 is such a rapid temperature equalization in the horizontal and vertical Direction within the liquid filling is to be expected based on a mechanical Tilting movement of the entire system or the individual calorimeter to generate a faster temperature equalization can be dispensed with, what with a significant Simplification of the whole apparatus is connected. This of course also applies for the variants shown in FIGS.

8 Patentansprüche 8 Figuren8 claims 8 figures

Claims

Claims calorimeter for measuring the heat output of plutonium-containing Nuclear reactor fuel elements with the help of the temperature gradient to be measured via thermocouples within a thermal insulation layer between one containing the fuel assembly Receiving vessel and a water-filled thermally insulated thermostat, for example characterized in that the receptacle is stored horizontally, the size of the measured Adapted fuel elements, with a tightly closing end cover and the The walls of the vessel are provided with heat pipes.

2. Calorimeter for measuring the heat output of plutonium-containing nuclear reactor fuel elements with the help of the temperature gradient to be measured via thermocouples within a Thermal insulation layer between a receptacle containing the fuel assembly and a water-filled thermally insulated thermostat, for example, characterized in that that the receptacle is stored horizontally, the size of one, the fuel assembly to be measured containing intermediate container adapted, with a horizontal Dichtachliessenden Cover and tubes on the walls with heat and the space between both containers is filled with a heat-transferring medium.

3. Calorimeter for measuring the heat output of plutonium-containing nuclear reactor fuel elements with the help of thermocouples to measure temperature gradients within a Thermal insulation layer between a receptacle containing the fuel assembly and a heat-insulated thermostat filled with water, for example, characterized in that that the recording device? stored horizontally, the size of the 3remlclemente to be measured adapted, with a vacuum-tight closing front cover provided and with a slightly evaporating liquid up to the level of the top one Fuel rod row of the fuel assembly is filled and that the air above the fuel assembly evacuated and replaced by the vapor of the liquid and that at least one Side of the receptacle with a thermal insulation layer provided with thermocouples and this in turn is in a thermally conductive connection with the thermostat.

4. Calorimeter according to claim 1, characterized in that the bottom of the receptacle or a cover plate which is in heat-conducting connection with it the thermocouple containing thermal insulation layer with adjustable electrical Heating elements is provided for setting an initial temperature gradient.

5. Calorimeter according to claim 3 or 4, characterized in that the whole calorimeter device for faster temperature equalization within the liquid filling of the receptacle can be tilted by about 100 during the measuring time is set up.

6. Calorimeter according to claims 3 or 4, characterized in that that the inner walls of the receptacle are parallel and perpendicular to the axial Direction of the fuel assembly to be used are provided with heat pipes.

7. Calorimeter according to claims 3 to 6, characterized in that that several calorimeter arrangements are arranged side by side and alternately exist in measuring operation, sc that only one recording, Temperature monitoring, filling and evacuation equipment as well as a hoist for Loading and unloading of the individual calorimeters are required and provided.

8. Calorimeter according to claims 1 to 7, characterized in that that for the simultaneous detection of the gamma-ray emanating from the inserted fuel element or neutron radiation corresponding detectors known per se within the Liquid filling of the thermostat is arranged and connected to a recording apparatus are connected.