DE2344213C2

DE2344213C2 - Verfahren zur laufenden Überwachung von Brennelementkugeln eines Kernreaktors

Info

Publication number: DE2344213C2
Application number: DE2344213A
Authority: DE
Inventors: Ralf Faber; Reinhard Dipl.-Ing. 5170 Jülich Mauersberger
Original assignee: Hochtemperatur-Reaktorbau 5000 Koeln De GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau 5000 Koeln GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1973-09-01
Filing date: 1973-09-01
Publication date: 1982-12-30
Also published as: DE2344213A1

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur laufenden Überwachung von Brennelementkugeln eines Kernreaktors während ihrer pneumatischen Förderung in Förderrohren, die mittels eines Gebläses kontinuierlich mit Fördergas beaufschlagt werden.

Bei der Förderung von Brennelementkugeln eines Kernreaktors werden einmal Informationen darüber benötigt, wieviele Kugeln das Fördersystem durchlaufen haben (es muß also eine Zählung der Kugeln vorgenommen werden), und zum anderen ist es wünschenswert zu wissen, an welchen Stellen des Fördersystems sich die Kugeln gerade befinden. Die Förderung der Kugeln soll also nicht »blind« erfolgen. Es ist daher üblich, die Förderrohre in einzelne Blockstrecken aufzuteilen, die mit Hilfe von Zählern überwacht werden. So sind z. B. im Bereich des Eintritts der Kugeln in das Forderrohr Zahlspulen vorgesehen, die durch einen von der vorbeilaufenden Kugel ausgelösten Meßimpuls den Zeitpunkt des Förderbeginns erfassen. Außerdem wird die Kugelgeschwindigkeit am Ort der Zählspule gemessen. Ferner kann mit diesen Zählspulen ein eventuelles Zurückfallen der Kugel überwacht werden.

Eine Zählvorrichtung, die den Durchgang eines Körpers (in diesem Fall einer Patrone) durch eine bestimmte Stelle eines Förderrohres registriert, ist z. B. in der DE-OS 20 53 831 beschrieben. Dieser Vorrichtung liegt die Tatsache zugrunde, daß bei Verschiebung eines Körpers in einem Rohr der Druck hinter dem Körper größer ist als der Druck vor dem Körper. Diese Druckdifferenz, die nur im Augenblick des Durchgangs des Körpers zwischen den Anschlußstellen einer Zweigleitung vorhanden ist, wird mittels dieser Zweigleitung »abgegriffen«. Die eigentliche Anzeige erfolgt mit Hilfe eines kleinen magnetischen Kolbens, der in der Zweigleitung bewegbar angeordnet ist und bei Auftreten einer Druckdifferenz eine Verschiebung erfährt. Dabei schließt er einen Kontakt in einer als Unterbrecher ausgestalteten Detektorzelle.

Derauige Zählvorrichtungen wie auch die erwähnten Zählspulen lassen sich jedoch in Bereichen, die einer hohen Strahlenbelastung ausgesetzt sind, nicht ausbaubar anordnen. Dies trifft in besonderem Maße auf den oberen Teil der Höhenförderanlage eines Kernreaktors mit kugelförmigen Brennelementen zu, da die Mündungen der Förderrohre oberhalb des Deckenreflektors liegen und wegen der hohen Strahlenbelastung nicht zugänglich sind. Die dort eingesetzten Zählvorrichtungen müssen also bei einem Schaden als verloren betrachtet werden. Die Quittung dieser nicht realisierbaren oberen Zählvorrichtungen »Kugel hat Rohr verlassen« muß daher simuliert, d. h. nach einem komplizierten Verfahren indirekt rechnerisch hergeleitet werden. Dies geschieht mittels eines Rechners, der aus dem Förderbeginn den Zeitpunkt des voraussichtlichen ^cörderendes (Verlassen der Rohrmündung) errechnet und diesem noch eine gewisse Toleranzzeit hinzuaddiert. Erst nach Ablauf dieser Zeitspanne wird das betreffende Förderrohr wieder für eine nächste Kugel freigegeben. Bei Einstellung eines entsprechenden Rechner-Programms kann die Toleranzzeit mit der kurz nach Förderbeginn gemessenen Kugelgeschwindigkeit gekoppelt werden.

Die aus der DE-OS 20 53 831 bekannte Zählvorrichtung ist für den Einsatz in der Beschickungsanlage eines Kugelhaufenreaktors besonders schlecht geeignet, da ihr völlig sicheres Funktionieren nicht gewährleistet ist. Es besteht nämlich die Gefahr, daß wegen des in der Beschickungsanlage anfallenden Graphitstaubes der bewegliche magnetische Kolben sich in der dünnen Zweigleitung festklemmt. Ein Ausbau der Vorrichtung ist jedoch, wie oben beschrieben, nicht überall in der Beschickungsanlage möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur laufenden Überwachung von pneumatisch geförderten Brennelementkugeln eines Kernreaktors anzugeben, mit dem laufend Aussagen über den augenblicklichen Verbleib der Brennelementkugeln gewonnen werden und das zudem völlig betriebssicher und ständig funktionsfähig ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die bei Ein- und Austritt einer einzelnen Brennelementkugel sowie bei ihrem Durchgang durch ein Förderrohr auftretende Durchsatzänderung mittels

einer im Gaseintrittsstutzen installierten Venturidüse mit integriertem Differenzdruckmesser als Wirkdruckänderung gemessen wird und daß aus dem mit Hilfe eines Meßwertumformers dargestellten zeitlichen Wirkdruckverlauf eine Aussage über das Verhalten der Brennelementkugel während des Föniervorganges gewonnen wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß ein in einem von Gas durchströmten Förderrohr befindlicher Körper einen Strömungswiderstand darstellt, durch den sich der Durchsatz \i dem Förderrohr ändert. Beim Eintritt des Körpers in das Förderrohr wird der Mengenstrom in diesem Rohr verringert; wenn der Körper das Rohr wieder verläßt, vergrößert sich der Mengenstrom. Die Durchsatzänderung läßt sich mit Hilfe der Venturidüse nachweisen, die im Gaseintrittsstutzen installiert ist. Die Venturidüse gibt über den Differenzdruckmesser ein dem Durchsatz oder Mengenstrom entsprechendes Wirkdrucksignal ab, aus dem unter Zwischenschaltung eines Meßwertumformers ein elektrisches Signal gewonnen werden kann. Sobald ein Körper in das Förderrohr eintritt, fällt der Wirkdruck pw an der entsprechenden Venturidüse ab. Die Größe der Wirkdruckänderung Apw hängt von der Gasgeschwindigkeit und der Konfiguration des geförderten Körpers ab. Nachdem der Körper wieder aus dem Förderrohr ausgetreten ist, steigt der Wirkdruck wieder auf die frühere Höhe an. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich also eine Brennelementkugel während des gesamten Fördervorganges verfolgen, wobei die Venturidüsen zwei Aufgaben zu erfüllen haben, nämlich einmal den Durchsatz zu messen und zum anderen die Kugeln zu überwachen. Aus dem dargestellten zeitlichen Wirkdruckverlauf läßt sich ohne zeitliche Verzögerung deutlich erkennen, wann eine Brennelementkugel ein Förderrohr betreten hat und wann sie das Rohr wieder verläßt. Aufgrund dieses Meßimpulses kann sofort die nächste Kugel freigegeben werden; eine etwaige Toleranr.zeit — wie bei dem bisher üblichen Verfahren — ist nicht mehr notwendig. Am Rohreintritt wird also gemessen, was am Rohraustritt tatsachlich passiert, und es sind dazu nur Elemente erforderlich, die für eine Reparatur oder Wartung zugänglich sind. Da die Kugeln ständig überwacht werden, kann die gesamte Förderanlage auch mit geringeren Kugelgeschwindigkeiten arbeiten.

Voraussetzung dafür, daß das erfindungsgemäße Verfahren richtige Resultate liefert, ist ein konstanter Gebläsedruck und das Beschicken eines Förderrohres mit jeweils nur einer Kugel; d. h. wenn sich mehrere Kugeln gleichzeitig in einem Förderrohr befinden, können die auftretenden Wirkdruckänderungen nicht mehr definiert den einzelnen Kugeln zugeschrieben werden.

Nach dem Austritt der geförderten Kugel aus dem Förderrohr steigt der Wirkdruck wieder auf die frühere Höhe an, um sogleich wieder abzusinken, wenn die nächste Kugel in das Rohr eingetreten ist und eine Reaktion auf die Gasströmung ausübt. Dieser Effekt kann als Quittung, d. h. zur Zählung der geförderten Kugeln, ausgenutzt werden.

Eine weitere Information gibt die Zeitdauer der gemessenen Wirkdruckänderung. Wenn der Wirkdruck beispielsweise bei der Förderung mehrerer Kugeln f>5 jeweils 15 s lang 200 mm WS beträgt, so hat die wahre Förderzeit auch 15 s betragen. Erscheint nun bei der Förderung einer weiteren Kugel ein Dauerimpuls, so folgt daraus, daß die Kugel nicht oben angekommen ist, sondern irgendwo im Förderrohr klemmt oder sich in der Schwebe befindet Der Gasdruck muß dann kurzzeitig erhöht werden. Für die laufende Regelung und automatische Überwachung der Beschickungsanlage von Kugelhaufenreaktoren Lsi gerade die aus der Zeitdauer der gemessenen Wirkdruckänderung gewonnene Information sehr wichtig.

Aus dem zeitlichen Wirkdruckverlauf lassen sich noch weitere wichtige Aussagen über jede einzelne Kugel gewinnen. So bringt jede Störung oder Abbremsung, jedes Anstoßen der Kugel an Vorsprüngen und Ablagerungen eine Reaktion auf die Strömung hervor und führt zu einer kurzzeitigen Wirkdruckabsenkung, die in einem Diagramm des zeitlichen Wirkdruckverlaufs als »Tal« erscheint. Dieses Diagramm kann vorteilhafterweise mit einem Speicheroszillographen sichtbar gemacht werden. Ist auf der Abszisse die Zeit dargestellt, so läßt sich der Ort der Störung abschätzen und der wirkliche Zeitpunkt des Endes der Höhenförderung ablesen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich noch dadurch verbessern, daß die aufgenommene Wirkdruck/ Zeit-Funktion laufend mittels eines Rechners elektronisch ausgewertet wird. Beim Einsatz der Erfindung im Reaktorbetrieb kann der Rechner den gesamten Beschickungsprozeß steuern. So können z. B. zu langsame Brennelementkugeln oder solche, die irgendwo im Förderrohr hängengeblieben sind, durch kurzzeitige Drucksteigerung automatisch in den Reaktorkern befördert werden.

Weitere Informationen lassen sich noch aus dem Amplitudenverlauf der gemessenen Wirkdruckänderung gewinnen, der sich der Ordinate des aufgezeichneten Diagramms der Wirkdruck/Zeit-Funktion entnehmen läßt. Wenn die in das Förderrohr eintretende Kugel kleiner oder leichter als die Normalkugel ist, so sinkt der Wirkdruck nicht ganz auf den bei der Normalkugel gemessenen Wert ab. Beträgt letzterer beispielsweise 200 mm WS, so stellt sich bei einer kleineren oder leichteren Kugel z.B. ein Wirkdruck von 210mm WS ein. Hieraus kann auf Art (Größe oder Gewicht) der Brennelementkugel wie auch auf ihre Oberflächenbeschaffenheit geschlossen werden. Sogar Bruchstücke lassen sich aus dem aufgezeichneten Wirkdruck/Zeit-Diagramm identifizieren, und bei entsprechender Programmierung des Rechners kann die Förderung rechtzeitig gestoppt werden.

Während sich das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Hintereinanderförderung von Kugeln (d. h. mehrere Kugeln sind gleichzeitig in einem Rohr) nicht durchführen läßt, ist eine Parallelförderung jedoch möglich, da die gegenseitige Wirkdruckbeeinflussung nur gering ist, wenn sich gleichzeitig in mehreren Förderrohren je eine Kugel befindet. Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher ein Fördersystem mit einer Anzahl von parallelgeschalteten Förderrohren vor, die gleichzeitig mit je einer zu fördernden Brennelementkugrl beschickt werden. In der Beschickungsanlage eines Kugelhaufenreaktors sind z.B. 15 Förderrohre parallel geschaltet. Aus rechnerisch und experimentiell gewonnenen Ergebnissen läßt sich erkennen, daß die Gasgeschwindigkeit in dem mit einer Kugel beaufschlagten Rohr abnimmt, während sie in den nicht beaufschlagten parallelen Förderrohren anteilmäßig entsprechend ansteigt. Wird auch in dies;en Rohren gefördert, so steigt die Gasgeschwindigkeit bei Eintritt der Kugel in das

erste Fördefrohr zunächst ebenfalls an, um dann bei Beaufschlagung dieser Rohre abzusinken, wie dies später an Hand zweier parallelgeschalteter Rohre dargestellt wird. Im günstigsten Fall (bei der Förderung nur einer Kugel) ergibt sich eine Wirkdruckänderung ί von etwa unter 10%, während sich in weniger günstigen Fällen (parallele Förderung mehrerer Kugeln) der Wirkdruck um etwa 3 bis 4% ändert.

Vorteilhafterweise sind die in den einzelnen Förderrohren installierten, in den Venturidüsen integrierten in Differenzdruckmesser sowie auch die Meßwertumformer in druckfesten Kapseln ausbaubar untergebracht, da sie in einer Atmosphäre hohen Druckes arbeiten. Bei einem Kugelhaufenreaktor steht z. B. eine Druckatmosphäre von 40 at an.

Es ist zweckmäßig, die Venturidüsen mit integriertem Differenzdruckmesser sowie die Meßweriumiormer ausbaubar anzuordnen.

In der Zeichnung sind eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und verschiedene Diagramme zur Erläuterung des Verfahrens schematisch dargestellt. Es zeigt

Fi g. 1 ein von einem Oszillographen aufgenommene Wirkdruck/Zeit-Programm,

F i g. 2 eine Fördereinrichtung mit einem Förderrohr und eingebauter Venturidüse,

F i g. 3 die an der Venturidüse gemessene Wirkdruckänderung Δρ-Λ, in einem beschickten Förderrohr, dem ein zweites, nicht beschicktes Förderrohr parallel geschaltet ist,

Fig.4 die Änderung des Wirkdruckes in diesem zweiten Rohr,

F i g. 5 und 6 die Wirkdruckänderungen Apw in einem ersten und einem zweiten, parallelgeschalteten Rohr, wenn beide Rohre mit Brennelemenlkugeln beschickt werden.

Die F i g. 1 gibt ein von einem Oszillographen aufgezeichnetes Diagramm wieder, bei dem in Richtung der Abszisse die Zeit und in Richtung der Ordinate der Wirkdruck aufgetragen ist. Dabei entspricht 1 cm einer Sekunde bzw. einem VoIl Der Abfall des Wirkdruckes nach ca. 2 Sekunden — wenn eine Brennelementkugel in das Förderrohr eingetreten ist — ist deutlich zu erkennen. Nach Beendigung des Fördervorganges steigt der Wirkdruck kurzzeitig an (es handelt sich bei dem gezeigten Diagramm um die Förderung einer Brennelementkugel in den Reaktorkern, die bei Verlassen des Förderrohres abgebremst wird), um sich dann wieder auf den früheren Wert einzupendeln. Die Fördergasgeschwindigkeit betrug bei dem gezeigten Diagramm ca. 14 m/s.

In der Fig.2 ist ein fast senkrecht nach oben führendes Förderrohr i zu erkennen, das nach unten in einem Bogen ausläuft, an den sich der Zutritt 2 für die zu fördernde Brennelementkugel 3 anschließt Durch einen Gaseintrittsstutzen 4 wird das Fördergas in das Förderrohr 1 geleitet In diesem Gaseintrittsstutzen 4 ist eine Venturidüse 5 angeordnet, in die ein Differenzdruckmesser integriert ist der die Wirkdruckänderung Ap w anzeigt An den Differehzdrückntesser ist ein t>o Meßwertumformer 6 angeschlossen, der die Druckdifferenz in ein elektrisches Spannungssignal umwandelt Er ist in einer druckfesten Kapsel 7 untergebracht, die als ausbaubarer Sechskant-Baustein ausgebildet sein kann. Venturidüse und Differenzdruckmesser sind ebenfalls ^ ausbaubar angeordnet Von dem Meßwertumformer 6 wird das elektrische Spannungssigna] weitergeleitet zu einem Speicheroszillographen 8, der den zeitlichen Wirkdruckverlauf während der Förderung der Brennelementkugel 3 aufgezeichnet. Ein solches Diagramm ist bereits in der F i g. 1 dargestellt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen nochmals schematisiert den Verlauf des Wirkdruckes beim Fördervorgang. Es handelt sich hierbei um eine aus zwei Rohren bestehende Förderanlage, von denen zur Zeit der Messung nur das erste mit einer Kugel beschickt wird. Die F i g. 3 gibt den Wirkdruckverlauf in diesem ersten Rohr wieder. Beginn und Ende des Fördervorganges sind deutlich durch den Druckabfall bzw. -anstieg zu erkennen. Nach Verlassen des senkrechten Förderrohres tritt die Kugel in ein horizontales Rohrstück ein und wird abgebremst, wie aus der Fig. 3 zu entnehmen ist. Sobald die Reaktion der Kugel auf den Gasstrom verschwindet, steiii sich wieder der ursprüngliche Wirkdruck ein. Aus der Fig.4 ist ersichtlich, daß der Druck in dem nicht mit einer Kugel beaufschlagten parallelen Förderrohr bei Beginn des Fördervorganges im ersten Rohr ansteigt und dann konstant auf dieser Höhe bleibt, um bei Beendigung der Förderung wieder abzusinken. Es findet also eine Rückwirkung der einzelnen Förderstränge untereinander statt; jedoch kann diese vernachlässigt werden.

In den F i g. 5 und 6 ist der zeitliche Wirkdruckverlauf für den Fall dargestellt, daß sowohl das erste als auch das zweite der beiden parallelgeschalteten Rohre mit je einer Kugel beschickt wird. F i g. 5 zeigt die Verhältnisse in dem ersten, mit Fl bezeichneten Förderrohr, während der Wirkdruckverlauf in dem zweiten Förderrohr F2 der Fig.6 zu entnehmen ist. Auch hier ist zu erkennen, daß zwar bei der parallelen Kugelförderung eine Auswirkung auf den Wirkdruckverlauf in den einzelnen Rohren stattfindet, daß jedoch eine genaue Aussage über den Fördervorgang in den einzelnen Rohren gewonnen werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist also auch zur Verfolgung der geförderten Kugeln bei Parallelförderung geeignet

Anschließend soll noch ein Zahlenbeispiel angegeben werden: Die Reaktion einer stationär geförderten Kugel auf den Fördergasstrom beträgt ca. 60 mm WS. Die übrigen Strömungsverluste (Armaturen, Krümmerund Rohrreibungsverluste) mögen etwa 120 mm WS betragen. Das Gebläse muß also 180 mm WS Druckerhöhung bereitstellen, gemessen vom Gaseintritt in das Höhenförderrohr bis zum Gasaustritt Sobald die Kugel den senkrechten Rohrstrang verläßt verschwindet die Reaktion auf den Gasstrom, und der gesamte Gebläsedruck wirkt nur noch zur Überwindung der übrigen Strömungsverluste. Demnach erhöht sich die Gasmenge um den Faktor

= 1,22.

Die Gasmenge wird in der Venturidüse gemessen und erzeugt dort eine Wirkdruckerhöhung um den Faktor (1,22)²=1,5. Beträgt z.B. der Wirkdruck während des Fördervorganges 200 him WS, so steigt er auf 300 mm WS, wenn die Kugel oben angekommen ist Sobald nun die nächste Kugel in das Rohr eingetreten ist, sinkt der gemessene Wirkdruck wieder von 300 auf 200 min WS. Vorausgesetzt ist hierbei ein Wirkungsgrad der Venturidüse von 80% und ein Druckverlust in der Venturidüse von 40 mm WS.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur laufenden Überwachung von Brennelementkugeln eines Kernreaktors während Ihrer pneumatischen Förderung in Förderrohren, die mittels eines Gebläses kontinuierlich mit Fördergas beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Ein- und Austritt einer einzelnen Brennelementkugel (3) sowie bei ihrem Durchgang durch ein Förderrohr (1) auftretende Durchsatzänderung mittels einer im Gaseintrittsstutzen (4) installierten Venturidüse (5) mit integriertem Differenzdruckmesser als Wirkdruckänderung gemessen wird und daß aus dem mit Hilfe eines Meßwertumformers (6) dargestellten zeitlichen Wirkdruckverlauf eine Aussage über das Verhalten der Brennelementkugel (3) während des Fördervorganges gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Wirkdruckverlauf mittels eines Speicheroszillographen (8) dargestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgenommene Wirkdruck/Zeit-Funktion laufend durch einen Rechner ausgewertet wird und daß die Beschickung der Förderrohre (1) mit Brennelementkugeln (3) automatisch durch den Rechnci gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudenwert der gemessenen Wirkdruckänderung zu einer Aussage über die Art und den Zustand der geförderten Brennelementkugeln (3) herangezogen wird.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von parallelgeschalteten Förderrohren (1) vorgesehen ist, die gleichzeitig je mit einer zu fördernden Brennelementkugel (3) beschickt werden.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Venturidüsen (5) integrierten Differenzdruckmesser sowie auch die Meßwertumformer (6) in druckfesten Kapseln (7) untergebracht sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Venturidüsen (5) mit integriertem Differenzdruckmesser sowie die Meßwertumformer (6) ausbaubar angeordnet sind.