DE2321774A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von undichtigkeiten von kernreaktor-brennelementen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von undichtigkeiten von kernreaktor-brennelementen

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Description

DR. KARL TH. HEGEL . DIPL.-TNG. KLAUS DICKEL
PATENTANWÄLTE
Γ "1 2OOO Hamburg SO
Große Bergstraße 223 Postfach 5ΟΟΘ62 Telefon: (0411) 3962 95 Telegramm-Adresse: Doellnerpatent
Ihr Zeichen: Unser Zeichen: Datum
H 2125 Di/Mü
EXXON NUCLEAR COMPANY, INC. 777 106th Avenue, N.E., Eellevue, Washington, V.St.A.
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Undichtigkeiten von Kernreaktor-Brennelementen
Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktionen und Kernreaktionssvsteme und im besonderen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Undichtigkeiten von Kernreaktor-Brennelementen.
Ein Problem, das beim Einsatz von Kernenergie als Energiequelle auftritt, ist die radioaktive Verseuchung der Reaktoranlagen. Eine derartige Verseuchungsquelle ist das Austreten von Spaltproduktgasen und anderen radioaktiven Materialien aus einem Brennelement während des Betriebes des Reaktors. Diese Träger von Radioaktivität treten in das Kühlmittel ein und werden in andere Bereiche der Reaktoranlagen getragen.
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HoHtHchRckkonto: Hamburg 2912 20 . Bank) Dresdner Bank AQ. Kto.-Nr. 8813887
Aus diesem Grund ist es erforderlich, daß nuklearer Brennstoff, der vorzeitig zu diesen Betriebsschwierigkeiten führt, aus dem Reaktorkern entfernt und durch neuen Brennstoff ersetzt wird. Dieser Auswechslungsvorgang wird normalerweise im Laufe einer vorgeplanten Betriebsabschaltung durchgeführt und ist mit zwei Schritten verbunden. Zunächst wird ein Brennstabbündel, von dem man vermutet, daß es schadhafte Brennstäbe enthält, bestimmt, worauf dieses entfernt und durch ein neues Bündel ersetzt wird. Nach dem Ausbau kann dieses Bündel zerlegt werden, wobei die schadhaften Brennstäbe durch eine zerstörungsfreie Untersuchung abgetrennt und durch solche Brennstäbe ersetzt werden, die in Ordnung sind.
Bei der gegenwärtigen Handhabung ist die Bestimmung schadhaften Brennstoffes, sei es innerhalb des Kernes oder nach einer Zerlegung des Bündels, ein zeitaufwendiger Vorgang, der wesentlich zu den Gesamtkosten bei dem.Wiedereinsetzen der Brennstoffladung beiträgt.
Es sind bereits Versuche gemacht worden, wie sie beispielsweise in den amerikanischen Patentschriften 3 296 684, 3 230 771 und 3 350 271 beschrieben sind, um die Nachteile der üblichen Praxis zu vermindern und zu beheben, wobei verschiedene Verfahren vorgeschlagen werden, um einen Brennstab schnell auf Undichtigkeiten zu untersuchen, ohne daß dieser aus dem Reaktorkern entfernt werden muß. Diese Verfahren waren jedoch nicht zufriedenstellend, da entweder der Meßvorgang die Undichtigkeit nicht in einer exakten Weise bestimmen konnte oder weil die Vorrichtung in der Umgebung des Reaktors nicht funktionierte,wie auch aus anderen Gründen.
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Es wurde nun gefunden, daß Undichtigkeiten an Brennelementen schnell bestimmt werden können, ohne daß der Brennstab' aus dem Reaktorkern herausgenommen werden muß, indem man die Vibrationscharakteristika einer flexiblen Membran mißt, die in einer besonders ausgebildeten oberen Endkappenanordnung vorgesehen ist.
Diese obere Endkappenanordnung besteht aus einer besonders ausgelegten oberen Endkappe, einer elastischen, flexiblen Membran und einer mit Durchströmöffnungen versehenen Scheibe. Die obere Endkappe ist so ausgelegt, daß ihr Schulterbereich in den oberen Teil eines Brennstabes hineinpaßt und somit dessen Ende abdichtet. Der Schulterbereich besitzt eine konkave Bodenfläche, die auf die Brennstabkammer gerichtet ist, und eine axiale Aussparung, die sich in den sich anschließenden, stabförmig ausgebildeten Bereich der Endkappe erstreckt. Ein elastischer und flexibler Körper, wie beispielsweise eine Membran, ist anschließend an die Bodenfläche des schulterförmigen Abschnittes angeordnet und bildet somit eine zweite Aussparung, die von der Brennstoffkammer abgetrennt ist. Im Anschluß an die Membran befindet sich innerhalb der Brennstoffkammer die Scheibe.
Die elastische und flexible Membran wird in eine Resonanzvibration versetzt. Dieses kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, einen Stab innerhalb der axialen Aussparung anzuordnen. Der Stab wird dann mit der flexiblen Membran in Berührung gebracht und versetzt diese in eine Resonanzvibration. Die kinetische Energie des Stabes wird bei einigen wenigen Schwingungen schnell aufgebraucht. Die Anzahl und die Amplitude der Schwingungen kann durch einen
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akustischen Sensor aufgenommen werden, der sich auf der äußeren Oberfläche des stabförmig ausgebildeten Teiles der Endkappe befindet. Wenn jedoch Innerhalb der Kammer ein Gasdruck vorliegt, wird die Membran von der Oberfläche der Scheibe abgehoben und in die Schulteraussparung hineingedrückt.. Nun wird der Stab wie zuvor berührt, wobei jedoch zu diesem Zeitpunkt ein stärker nachgiebiges, elastisches System vorliegt. Das System wird nun in Schwlngungsbe dIngungen versetzt, wobei die Energie von dem Stab auf die Membran und die Stützscheibe und wieder zurück auf den Stab usw. übertragen wird. Die Folge hiervon ist, daß der Stab über einen längeren Zeltraum Schwingungen ausführt. Da die Anzahl und die Amplitude der Stabschwingungen von dem Gasdruck gegen die Membran abhängt, ist es möglich, den Gasdruck innerhalb der Kammer zu bestimmen und somit Undichtigkeiten innerhalb des Brennelementes festzustellen.
Die Erfindung soll im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Brennstabes, teilweise Im Schnitt,unter Verwendung der erfindungsgemäßen End— kappenanordnung, ■
Fig. 2 einen durch die Linie II-II angedeuteten Schnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Brennelement,
Fig. 3 eine fotografische Darstellung des Leuchtschirmes eines Oszilloskops, das die Resonanzschwingungen mißt, wenn kein Gasdruck innerhalb des Brennstabes vorliegt, und
Fig. 4 eine fotografische Darstellung des Leuchtschirmes eines Oszilloskops, das die Resonanzschwingungen mißt, wenn
Brennstabes ein
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innerhalb des Brennstabes ein Druck von 21 kp/cm vorliegt
Obwohl die erfindungsgernäße Anordnung an keine Form des Brennstabes gebunden ist, ist sie besonders für dünne, zylindrische Brennstäbe geeignet, die normalerweise bei unter Druck stehenden Siedewasserreaktoren Verwendung finden. Wie aus der Figur ersichtlich ist, besitzt der Brennstab 101 ein dünnes, hohles, zylindrisches Gehäuse 102, in welchem sich die Kernbrennstoff— scheiben 103 befinden. Innerhalb des Gehäuses werden die Brennstoff scheiben mit Hilfe von Isolierscheiben 106 und 107 jeweils, von der unteren Endkappe 104 und von der oberen Endkappe 105
getrennt. Die Brennstoffscheiben 103 werden mit Hilfe einer Feder 1OS, die sich in der Brennstoffkammer 109, welche zwischen der Scheibe 107 und der oberen Endkappe 105 gebildet wird, angeordnet ist, in ihrer Lage gehalten, und zwar wird im einzelnen die Feder 108 nach oben von der oberen Endkappe 105 gehalten, die (beispielsweise durch die Schweißnaht 110) mit dem
oberen hohlen Teil des Brennstabes 101 verbunden ist und diesen abdichtet. Auf diese Weise drückt nun die Feder nach unten auf die Scheibe 107 und die Brennstoffscheiben 103, die sie somit gegen die untere Scheibe 106 und die untere Endkappe 104,
die (beispielsweise durch die Schweißnaht 111) mit dem unteren hohlen Teil des Brennstabes 101 verbunden ist und diesen abdichtet, andrückt.
Während des Betriebes des Reaktors erzeugen die Brennstoffscheiben 103 Spaltproduktgase, während sie Neutronen emittieren und Wärme erzeugen. Diese Gase sammeln sich in der Brennstoff kammer 109 und führen zu einem Druckaufbau, der nach län-
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geren Betriebsperioden 176 kp/cm übersteigen kann. Dieser
Druck kann zusammen mit der Temperaturbeanspruchung und den
physikalischen Belastungen, denen der Brennstab 101 ausgesetzt
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ist, zu schmalen Rissen innerhalb des Gehäuses 102 führen. Wenn dieses eintritt, können die stark radioaktiven Spaltproduktgase aus dem Brennstab austreten und in das Reaktorkern-Kühlsystem übergehen. Um ein starkes, sich über einen längeren Zeitraum erstreckendes Entweichen dieses Gase zu vermeiden, wird das radioaktive Niveau des Reaktorkern-Kühlmittels ständig überwacht. Wenn das Niveau einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, wird der Reaktorkern inspiziert um zu ermitteln, welches der Brennelemente undicht ist. Die erfindungsgemäße obere Endkappenanordnung erleichtert in starkem Maße die Lokalisierung des undichten Brennstabes.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, besteht die obere Endkappenanordnung im wesentlichen aus der oberen Endkappe 112, einer flexiblen Membran 113 und einer Scheibe 114 mit Durchströmöffnungen 115. Die obere Endkappe ist so ausgebildet, daß ihr Schulterbereich 112A genau in das Gehäuse 102 hineinpaßt und den oberen Teil des Brennelementes, an welchem sie mit einer Schweißnaht 110 befestigt ist, abdichtet. Der Schulterbereich 112A besitzt eine konkave Bodenfläche 112A1, die auf die Brennstoff kammer 109 gerichtet ist. Innerhalb des Schulterbereiches 112A ist eine axiale Aussparung 116 vorgesehen, die sich in den stabförmig ausgebildeten Abschnitt 112B der Endkappe 112 erstreckt. Die axiale Aussparung ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, koaxial zur Endkappe angeordnet und besitzt eine Länge und einen Durchmesser, der ausreicht, um den Stab 117 aufzunehmen.
Die nachgiebige und flexible Membran 113 kann an dem Gehäuse 102 befestigt sein. Vorzugsweise steht sie jedoch mit der End-
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kappe 112 unterhalb der konkaven Oberfläche 112A1 in Verbindung j und zwar ist sie so befestigt, daß eine zweite Aussparung 118 gebildet wird, die mit der axialen Aussparung 116 in Verbindung steht, jedoch von der Brennstoffkammer 109 abgedichtet ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform steht die nachgiebige und flexible Membran aus einem dünnen, metallischen Material, das sich unter Druck ausbiegt. Die Membran 113 ist im allgemeinen so ausgebildet, daß sie auf die Endkappe paßt, dh» sie kann beispielsweise die Form einer Kreisscheibe besitzen.
Direkt unterhalb der Membran 113 ist eine Scheibe 115 entweder am Gehäuse 102 oder an der Endkappe 112 befestigt. Die Membran und die Scheibe sind so angeordnet, daß die Membran flach auf der oberen Fläche 114A der Scheibe aufliegt, wenn sie nicht ausgebogen ist. Die Scheibe 114 weist mindestens eine Durchströmöffnung 115 auf, die sich quer durch 'die Scheibe erstreckt und den Durchtritt von Spaltproduktgasen aus der Brennstoffkammer 109 bis zur unteren Fläche 113A der Membran 113 ermöglicht.
Während des Reaktorbetriebes sammeln sich die Spaltproduktgase in der Brennstoffkammer 109 und üben durch die Durchströmöffnungen 115 einen Druck auf die Membran 113 aus. Dieser Druck bewirkt ein Ausbiegen der Membran in die Aussparung 118, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Um zu bestimmen, ob und welcher Druck sich in dem Brennelement aufgebaut hat, wird die Membran in eine Resonanzschwingung versetzt. Dies kann auf verschiedenen Wegen geschehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Stab 117 angehoben (was beispielsweise durch eine magnetische Vorrichtung geschehen kann, wenn der Stab aus einem entsprechenden magnetischen Material hergestellt ist) und auf die Membran fallen gelassen. Der Stab schlägt.auf die nachgiebige und elastische Oberfläche 113B ( der beispielsweise ausgebogenen Membran) auf und versetzt diese in Resonanzschwingungen. Diese Schwingungen werden dann durch den Energieübergang von dem Stab auf die Membran, auf die Scheibe und zurück auf den Stab usw. gedämpft. Die Schwingungsamplitude und das Dämpfungsverhältnis hängen \on der Nachgiebigkeit und der Elastizität der Membran ab, wobei diese wiederum von dem Druck innerhalb des Brennelementes abhängen.
Wenn nun das Brennelement eine Undichtigkeit aufweist, wird der Druck recht niedrig sein. Das führt zu einem sehr geringen Ausbiegen der Membran. Auf diese Weise wird, wenn der Stab auf die obere Fläche der Membran auftrifft, ein "hartes" elastisches System berührt, da die Abwärtsbewegung der flexiblen Membran durch die Scheibe begrenzt wird. In diesem Fall wird die kinetische Energie des Stabes schnell nach nur wenigen Schwingungen aufgenommen.
Bei einem bevorzugten Verfahren zur Bestimmung des Brennelementdruckes wird die Spaltprodukt-Gaserzeugung innerhalb des Brennelementes stark herabgesetzt, indem man entsprechende Kontrollstäbe in den Reaktor einführt. Man läßt nur eine kurze Zeit verstreichen (beispielsweise etwa 30 Minuten), um alles erzeugte Gas austreten zu lassen, ohne daß zusätzliches Gas erzeugt wird, das dieses ersetzt. Die Resonanzschwingung wird
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dann in der Membran aufgebaut und der Dämpfungseffekt mit Hilfe eines herkömmlichen akustischen Sensors gemessen, der oben am stabförmigen Bereich 112B angeordnet ist.
Die Wirkung wird anhand des folgenden Beispieles deutlich:
Beispiel
Ein dünner, zylindrischer Brennstoffstab, der am unteren Ende durch eine untere Endkappe und am oberen Ende durch die erfindungsgemäße Endkappenanordnung abgedichtet war, wurde einem inneren Druck ausgesetzt, indem durch die untere Endkappe Luft zugeführt wurde. Bei verschiedenen Drucken wurde innerhalb der Membran (nämlich durch Anheben und Fallenlassen des Stabes) eine Resonanzschwingung erzeugt und mit Hilfe eines akustischen Sensors gemessen. Die Ergebnisse sind in den Figuren 3 und 4 dargestellt.
Aus diesen Figuren ergibt sich deutlich die Auswirkung des inneren Brennelementdruckes auf die Dämpfung der Membranschwingungen.
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Claims (5)

  1. Patentansprüche
    (1.JVorrichtung zur Bestimmung von Undichtigkeiten von Kernreaktor-Brennelementen, die
    (a) einen hohlen, Kernbrennstoff enthaltenden Körper,
    (b) eine untere Endkappe, die mit dem unteren Teil des Körpers in Verbindung steht und diesen abdichtet, und
    (c) eine obere Endkappenanordnung, die mit dem oberen Teil dieses Körpers in Verbindung steht und diesen abdichtet,
    aufweisen, dadurch, gekennzeichnet, daß innerhalb der Anordnung eine Endkappe (112) mit einer konkaven Bodenfläche (112A1) vorgesehen ist, während an diese konkave Bodenfläche (112A1) angrenzend eine nachgiebige elastische Membran (113) vorgesehen ist, die mit der konkaven Bodenfläche (112A1) der Endkappe (112) einen Raum (118), der gegenüber der Brennstoffkammer (109) des Brennelementes (101) abgedichtet ist, bildet, in welchen die Membran (113) eindrückbar ist und im Anschluß an die Membran (113) eine feste Scheibe (114) an dem Gehäuse (102) des Brennelementes (IOD oder der Endkappe (112) befestigt ist, die mindestens eine Durchströmöffnung (115) für die Durchleitung von Gasen zu der Membran (113) trägt.
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    - li -
  2. 2. Verrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (102) des Brennelementes (101) aus einem dünnen, langen, zylindrischen Rohr besteht.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Membran (113) aus einem dünnen,kreisförmigen und metallischen Material besteht, während die Scheibe (114) zusammen mit der damit in Berührung stehenden Membran (113) ein hartes, elastisches System bildet.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Brennelementen (101) mit Hilfe von Abstandshalterungen in einer parallelen Weise zu einer Einheit zusammengefaßt sind.
  5. 5. Verfahren zur Bestimmung von Undichtigkeiten von Kernreaktor—Brennelementen unter Verwendung der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltprodukt-Gaserzeugung innerhalb des Brennstabes vermindert wird, worauf die Membran (113) in Resonanzschwingungen versetzt und die Dämpfung der Schwingungen gemessen wird.
    309847/0396
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