DE2351907A1 - Ausfallanzeigegeraet fuer kernreaktorbrennstoffelement - Google Patents

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Rennerla 10 · Postfach 3160

12. Oktober 1973

Transfer Systems Incorporated

11 Defco Park Road_s North Hauen» Conneoticut/USA

Ausfallanzeigegerät für Kernreaktor-Brennstoffelement

Diese Erfindung betrifft ein verbessertes Ausfallanzeige— .gerät für ein Brennstoffelement eines stromerzeugenden Kernreaktors.

In unserer frühereni zusammen anhängigen Anmeldung Serial Mo. 251_?016_s eingereicht am 8_e5_e1972_s beschreiben wir ein neuartiges Ausfallanzeigegerät für Brennstoffelemente, das in stromerzeugenden Kernreaktoren brauchbar

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ist. Dieses Ausfallanzeigeger'ät enthält einen durch Feder vorgespannten bewegbaren Stift, welcher über die Oberseite des Brennstoffelementes vorsteht, solang die Hülle oder der Behälter des Brennstoffelementes unversehrt verbleibt und einen innereren_s unter Druck stehenden Zustand beibehält, der jenen der Umgebungjdes Brennstoffelementes übersteigt. Sollte die Unversehrtheit des Brennstoff behälters durchbrochen sein, entweder durGh kleine Löcher oder größere Brüche_s geht der innere Druck verloren und der durch Feder vorgespannte Stift zieht sich zurüoko Das Fühlen der Stellung das vorgssohobanen oder zurückgezogenen Stiftes ermöglicht uaa Bestimmen des inneren Druckzustandes das Brennstoffelsmentes und somit das Nacü= weisen ausgefallenen Brennstoff es, Sllie in unserer früheren Anmeldung erwähnt, ist ein bevorzugter Fühler ein handelsüblicher linearer variabler Differenzialtransormator, der geeignet ist, kleine physikalische Verschiebungen eines durch den Fühler des linearen Spannungsdifferenzialtransformators berührten Gegenstandes zu fühlen. Ein wichtiges Merkmal der früheren Anmeldung besteht darin, daß ein einziges Gerät vorgesehen werden kann, das in der Lage ist, die Stellungen einer Anzahl von Anzeigestiften auf der Oberseite einer Anzahl von Brennstoffelementen in einer Baugruppe von Brennstoffelementen gleichzeitig abzutasten, während die Anordnung in der Spaltzons des Reaktors verbleibt oder nach dem Entfernen_o Diss xax wichtig,

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um die Stillegungszeit zu vermindern_s die erforderlich ist,, um die ausgefallenen Brennstoffelemente aufzufinden und zu ersetzen, deren Anwesenheit bemerkt worden ist_s beispielsweise durch eine Zunahme der Abgasaktiuitäto Es wird bemerkt^ daß Stromreaktorausbildungen Brennstoffbaugruppen verwenden,, die jede 64 Brennstoffelemente in der Form von langgestreckten Stäben oder Stiften enthalten und eine typische Spaltzone würde etwa 600 - 800 Baugruppen aufnehmenj was eine Gesamtsumme in der Größenordnung von 40_o000 Brennstoffstäben ausmachte Im Fachgebiet Bewanderte könnten wohl die Zeit abschätzen^ die erforderlich istj die Stellung der Anzeigestifte in etwa 4O₀OOO getrennten Brennstoffstäben einzeln abzutasten.,

Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber dem in unserer früheren Anmeldung beschriebenen Ausfall— anzeigegerät des Brennstoffelementes= Eine Form der verbesserten Version der vorliegenden Erfindung sieht noch einen zwangsläufig vorgespannten bewegbaren Stift vor, dessen Stellung durch einen Innendruckzustand des Brennstoffelementes bestimmt ist_s welcher sich bei einem Verlust der Unversehrtheit des Brennstoffelementbehälters änderte Aber die verbesserte Version bietet eine Anzahl von zusätzlichen 'baulichen Merkmalen, welche seine Herstellung beträchtlich vereinfachen und erhöhte Sicherheit gegen Versagen des Anzeigegerätes oder Brennstoffausfall infolge

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des Ausfalls des Sicherheitsbehälters des Anzeigegerätes vorsehen,,

Dies uiird gemäß einem lYlerkmal der Erfindung mit einer bewegbaren Stiftkonstruktion erreicht, welche vollständig in einem umgebenden druckdichten Behälter enthalten ist_o Vorzugsweise erstreckt sich der bewegbare Stift in einer zylindrischen Bahälterverlängerung von vermindertem Durchmesser, die sich von dem oberen Ende des. Brennstoffelementes aufwärts erstreckt«, Da der Stift vollständig eingeschlossen ist_s kann seine Stellung nicht durch den in unserer früheren Anmeldung beschriebenen Fühler des linearen Spannungs™ differenzialtransformatorinstrumentes mechanisch abgetastet werden, aber wir haben die lineare Spannungsdifferenzialtransformatorsonde modifiziert, um ihr zu ermöglichen, eine physikalische Verschiebung eines Teiles des Anzeiger— stiftes abzutasten.? wenn er aus f8rromagnetischera laterial hergestellt ist_o Die zylindrische Verlängerung von vermindertem Durchmesser ist wichtig₃ um eine hohle lineare Spannungsdifferenzialtransformatorsonde relativ zu dem ferromagnetischen Tail des Anzeigsrstiftes auszufluchten und anzubringen und auch eine Spielraumzone zum Aufnehmen der Sonde vorzusehen, selbst während das Brennstoffelement innerhalb der Brennstoffbaugruppe ist und somit durch benachbarte Brennstoffelemente eng umgeben wird.

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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Konstruktion des durch den Behälter umgebenen Anzeigerstiftes und seiner Uorspannanordnung derart, um die Notwendigkeit für druckdichte bauliche !/erbindungen zwischen verschiedenen Materialien auszuschalten.

Noch ein anderes lYlerkmal der Erfindung ist eine Konstruktion, ujelche die Umgebung, welcher das Äußere des Anzeigerstiftes ausgesetzt ist, von der Umgebung trennt, welcher das Brennstoffelement als ganzes ausgesetzt ist_o Auf diese. IDeise kann die vollständige Kontrolle über die Stiftverschiebung erreicht werden.

Noch ein weiteren lYlerkmal der Erfindung ist eine zwangsläufig vorgespannte bewegbare Stiftkontstruktion, welche auf einen Feuchtigkeitszustand anspricht, der beim Ausfall des Brennstoffelementbehälters eintritt. In dieser Konstruktion ist der bewegbare Stift gegen ein baulich durch ein korrodierfähiges Glied gehaltenes Element vorgespannt, wobei das korrodierfähige Glied aus .Metall besteht, das in einem beanspruchten und einer Feuchtigkeit ausgesetzten Zustand beschleunigter Korrosion unterworfen ist₀

Die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung erlauben auch das gleichzeitige Erfassen des Ausfalles von mehreren Brennstoffelementen, selbst in ihrem zusammengebauten Zustand

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und ermöglichen somit die weitgehende Verminderung der erforderlichen Zeit zum Abtasten dar zusammengebauten Brennstoffelemente und vieler solcher Baugruppen.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden am besten aus der folgenden ausführlichen Beschreibung uon mehreren beispielhaften Ausführungsformen derselben im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen verstanden.

Es zeigt:

Fig₀ 1 eine Schnittansicht eines Endes eines Brennstoffelementes, das eine Form des Ausfallanzeigegerätes nach der Erfindung enthältj

Fig₀ 2 eine Schnittansicht einer lYiodifikation ähnlich Fig. 1; upd

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 von Fig.

Es wird auf unsere frühere eingereichte, zusammen anhängige Anmeldung, Ser_o|\lr₀ 251,016, vermiesen, deren Inhalt durch Hinweis hierin aufgenommen ist für eine ausführliche Beschreibung der Konstruktion uon typischen Brennstoffelementen für Kernreaktoren, den Zusammenbau und die

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Spaltzonenumgebungs in welcher sie arbeiten und die Gründe für den Ausfall und warum es wichtig ist_? defekte Brennstoffelemente schnell aufzufinden und zu ersetzen. Das Vorhandensein eines defekten Brennstoffelementes in der Spaltzone kann durch eine Zunahme der Abgasaktivität angezeigt werden_s welche auf herkömmliche UJeise ständig überwacht wirdj aber dies wählt das spezifische ausgefallene Brennstoffelement oder die Elemente nicht aus, In unserer früheren Anmeldung wurde dies durch einen vorstehenden Stift an der Oberseite des Brennstoffelementes angezeigte In der vorliegenden Erfindung ist der Anzeigerstift vollständig eingeschlossen» Die folgende Beschreibung wird sich konzentrieren auf den AtJsfallanzeigemechanismus des Brennstoffelementes und seine Unterschiede bezüglich unserer früheren Erfindung und die wegen jener Unterschiede verwirklichten wichtigen Vorteile,,

Fig_o 1 veranschaulicht eine Form dea Ausfallanzeigegerätes gemäß der vorliegenden Erfindung_s wobei der Rest der Brennstoff elementesj welcher sich einen beträchtlichen Abstand unter das obere Ende erstreckt^ nicht dargestellt ist, UJie bekannt«, enthält eine typische Form eines Brennstoffstabes oder Brennstoffdornes eine korrosionsbeständige zylindrische Hülle oder einen Behälter 10 aus Z₀B₀ einer Zirkonlegierung oder rostfreiem Stahl_s welcher Kügelchen aus geeignetem Reaktorbrennstoff, wie beispielsweise

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Urandioxyd, zusammengepreßt darin enthält. Eine typische Form meist eine Länge von etwa 3066 mm (12 feet) und einen Durchmesser von etuua 12,7 mm (1/2 inch) auf. Eine Anzahl solcher Brennstoffstäbe sind zu einer Baugruppe ausgebildet von beispielsweise 8x8, insgesamt 64 Stäben und in einer typischen Anlage bilden etwa 600 - 800 solcher Bauteile die Reaktorspaltzone, Öle Stäbe sind im Abstand voneinander angeordnet und durch obere und untere Abstandsgitter in der Baugruppe gehalten, um eine typische Reihe in einem Abstand Kante zu Kante von etwa 6,35 mm (1/4 inch) zu bilden« Ulie in Fig. 1 dargestellt, befindet sich innerhalb eines Gasraunies 12 des Brennstoffstabes sine Feder 13, welche an ihrer Unterseite gegen die Brennstoffkügelchen 11 drückt und an ihrer Oberseite an einen Ansatz 14.

In diesem Fall ist der Ansatz 14 durch einen Zapfen 15 für das Zylinderende ausgebildet, welcher auch das Grundteil 17 eines Anzeigemechanismus ausmacht, wobei der Zapfen 15 beispielsweise durch Speisen an das obere Ende das Brennstoffbehälter 10 abgedichtet ist. Das Grundteil 17 verengt sich an seiner Dberseite,um einen Anaatz 18 zu bilden zum Aufnehmen eines Anzeigerbehälters in der Form eines Rohres 20, das beispielsweise durch Schweißen an das Grundteil befestigt ist und sich davon aufwärts erstreckt, um erstens eine ringförmige Rille 21 zu definieren, die für Greifzwecke durch ein geeignetes (nicht dargestelltes)

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AbhabsujBrkzBug verwandet wird zum Entfernen des Brennstoffstabes aus seiner Baugruppe und zweitens eins aufwärts verlaufende' zylindrische Verlängerung 22 von verminderter Breita oder Durchmesser zu definieren, dia sich von einem konischen, dia Lage bestimmenden Ansatz 23 erstreckt und an der Oberseite abgeschlossen ist« Die Verlängerung 22 von vermindertem Durchmesser umist z.B. einen Durchmesser von etwa dar Hälfte des sich darunter erstreckenden Rohres 20 auf.

Das Anzeigergrundteil 17 u/eist auf der Innenseite das . Anzaigabehältars auch einen kurzen vorstehenden Ansatz auf, auf welchem ein zentrales Anschlagglied 25 mechanisch aufgenommen ist, an welches an seiner Unterseite, beispielsweise durch Schmeißen, ein flexiblBr Balg 27 befestigt ist, der Federeigenschaftan aufweist. Die mechanische Verbindung zwischen dem zentralen Anschlag 25 und dem Ansatz 24 kann, wie dargestellt, beispielsweise ein Stift 28 sein, welcher sich in einem Preßsitz durch ausgefluchtete Löcher in dam Ansatz und einem zylindrischen lYluffenende des Anschlaggliades 25 erstreckt.

Das obere Ende das Balges 27 ist beispielsweise durch . Schweißen an dar Unterseite eines Anzeigarelamantas in dar Form eines bewegbaren Stiftes 30 befestigt, dessen unteres Ende einen erweiterten Grundteil 31 aufweist, wobei Bin

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Ansatz 32 in einer durch den Behälteräbschnitt 20 von größerem Durchmesser definierten Kammer 33 eingeschlossen ist und dessen oberes Ende sich hinauf in den Abschnitt von vermindertem Durchmesser 22 erstreckt. Der Anzeigerstift 30 ist vertikal bewegbar aus einer sicheren Brennstoffstellung, worin die untere Fläche 34 des Stiftes die obere Fläche 35 des Anschlages 25 berührt und einer ausgefallenen Brennstoff-Stellung, wie in Fig. 1 dargestellt, worin die Aufwärtsbewegung durch den Ansatz 32 angehalten wird, D^e gesamte Bewegung ist in Fig. 1 durch den mit 37 bezeichneten vertikalen Pfeil angegeben. An dem oberen Ende des Anzeigerstiftes ^30 ist beispielsweise durch eine Gewindeverbindung 38, wie dargestellt, ein ferromagnetisches Glied 40 mechanisch befestigt, z.B« ein weiches IYlagnetglied_? hergestellt in diesem Fall aus rostfreiem Stahl des Typs 400, Das magnetische Glied 40 erstreckt sich vollständig in die Verlängerung 22 von vermindertem Durchmesser,, UJie zu ersehen, sieht der Gasraum 12 des Brennstoffstabes über Öffnungen 41 in dem Ansatz des Grundteiles und eine sich vollständig durch das Grundteil erstreckende. Öffnung 42 mit der äußeren Kammer 33 in Verbindung, welche den Balg umgibt. Die äußere Kammer 33 umfaßt auch das Volumen in dem Abschnitt des verminderten Durchmessers. Eine zweite druckdichte innere Kammer 44 ist innerhalb des Balges 27 ausgebildet und umfaßt den zentralen Anschlag 25. Der Balg 27 selbst ist aus Federstahl hergestellt, um eine

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bestimmte aufwärts gerichtete Kraft aufden Anzeigerstift 3D auszuüben, die dazu neigt, den Stift aufwärts in Richtung seiner ausgefallen Brennstoffsteilung zu schieben. Die innere Kammer 44 würde normalerweise atmosphärischen Druck enthalten, weil die Unterbaugruppe des zentralen Anschlages 25 des Balges 27 und des Anzaigerstiftes 30 . in einer normalen Betriebsumgebung bei atmosphärischem Druck ausgeführt würde. Der Brennstoff-Stab selbst wird jedoch während der Endmontage auf einen Druck beträchtlich über dem atmosphärischen gebracht« Dies bedeutet, daß der Druck in der äußeren Kammer 33 ein Überdruck ist und dazu neigt, den Anzeigerstift abwärts zu schieben^ Die Kombination der inneren und äußeren Kammerdrücke und der Federspannung des Balges sind so gewählt, daß: (a) die auf den Anzeigerstift 30 wirkende Nutzkraft abwärts gerichtet ist, die ihn in die sichere Brennstoffstellung drückt, solang der überdruck auf den Brennstoffstab den der inneren Kammer um einen festen Betrag übersteigt und (b) die auf den Anzeigerstift wirkende Nutzkraft aufwärts gerichtet ist, die ihn in seine ausgefallene Brennstoffstellung drückt, wenn der Druck des inneren Brennstoffstabes unter den festen Überschußbetrag über dem inneren Kammerdruck fällt. In dem einfachaten Fall kann der feste Betrag irgendein Betrag über dem atmosphärischen Druck sein, welcher grob der Druck des Kühlmittels der Reaktorspaltzone im stillgesetzten Zustand ist, wenn die Brennstoffelemente

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abgetastet werden. Sollte somit eine undichte Stelle in dem Behälter des Brennstoffelementes entstehen, wodurch sein Druck auf jenen (atmosphärischen) des umgebenden Kühlmittels im stillgesetzten Zustand abfällt, dann würde der Federdruck des Balges, welcher ein positiver Betrag ist, den Anzeigerstift in seine obere Stellung des ausgefallenen Brennstoffes treiben. In einer typischen Siedewasser-Reaktoranlage ist der Kühlmitteldruck mährend des Betriebes etwa 70,3 kp/cm (1000 psi), aber während stillgesetzter Anlage annähernd atmosphärischer Normaldruck und das Brennstoffelement ist innen auf etwa 14«, 1 -21,1 kp/cm (200 - 300 psi) unter Druck gesetzt,- weicher aber während des Abbrandes infolge der Freigabe von gasförmigen Spaltungsprodukten auf einen höheren Batrag zunimmt. Der Fsderbalg kann gewählt werden^ um einen aufwärts gerichteten Druck von etwa 2-3 mal dem atmosphärischen Druck auszuüben, Folglich ist bei aufrecht erhaltener Unversehrtheit des Brennstoffbehälters der Gesamtdruck auf den Anzeigerstift abwärts gerichtet infolge der Druckdifferenz zwischen den äußeren Kammern 33 und den inneren Kammern 44, die jenen des Federbalges 27 beträchtlich übersteigt₀ Jedoch bei Verlust oder Verminderung des inneren Druckes des Brennstoffstabes überwiegt die Federkraßt des Balges und treibt den Anzeigerstift aufwärts.

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Eine der wichtigen Verbesserungen eines Brennstoffelement— Ausfallanzeigegerätes gemäß unserer-vorliegenden Erfindung gegenüber unserer früheren Konstruktion ist das Vorsehen eines druckdichten. Gehäuses, das den Anzeigerstift 30 und den Balg vollständig, einschließt, um dadurch dia letzteren von der Umgebung der Spaltzone vollständig zu trennen» Diese Konstruktion stellt die Unversehrtheit des Brennstoffstabas sicher, selbst wenn der Balg ausfallen sollte, ein in unserer früheren Konstruktion nicht mögliches Ergebnis. Ein anderer wichtiger Vorteil ist das Ausschalten druckdichter Verbindungen zwischen verschiedenen Materialien, In unserer früheren Konstruktion waren Dichtungen zwischen z.B. rostfreiem Stahl und einer Zirkoniumlegierung notwendig. Obwohl solche Verbindungen durch Schweißen oder Hartlöten erreicht werden können, sind sie störungsanfällig, welches deshalb die Herstellungserträge oder die Lebensdauer des Bauteils vermindert» In der vorliegenden Konstruktion können alle ausgesetzten Flächen aus demselben korrosionsbeständigen Material gebildet werden und wo Verbindungen zwischen verschiedenen Materialien erforderlich sind, brauchen solche Verbindungen nicht druckdicht zu sein und deshalb kann eine mechanische Verbindung verwendet werden» Zum Beispiel der Behälter 10 des Brennstoffstabes, das Grundteil 17 des Anzeigegerätes und der Einschluß 20, 23 des Ausfallanzeigegerätes können alle aus ZirkoniumL-egierungan bestehen und somit leicht·zusammengeschweißt werden.

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Der Anzeigerstift 30, der Anschlag 25 des Anzeigerstiftes und der Balg 27 können alle aus beispielsweise rostfreiem Stahl des Zyps 300 hergestellt werden; somit werden die Verbindungen zwischen dem Balg 27, dem Anzeigerstift 30 und dem Anschlag 25 leicht durch Schweißen erreicht. Iftie bereits erwähnt, können Die Verbindungen zwischen dem magnetischen Glied 40 und dem darunter liegenden Stift und die zwischen dem Anschlag 25 des Stiftes und dem unterstützenden Ansatz 24 uon mechanischer Art sein.

Ein anderer Vorteil der Konstruktion von Fig. 1 besteht darin, 'daß man eine große^ Auswahl uon Druckbedingüngan verfügbar hat, um die gewünschte Art des Betriebes zu erhalten. UJie erwähnt, wird die anfängliche Stiftstellung und dia Zeit der Bewegung durch die Ulahi des Innendruckes des Brennstoffelementes des Fedardruckes des Balges und des verbundenen Druckes in dem in dar inneren Kammer 44 eingeschlossenen Balges bestimmt. Selbst angenommen, der Innendruck des Brennstoffelementes wird durch andere Erwägungen bestimmt, ist es möglich, durch Variieren des Federdruckes des Balges und des inneren Kammerdruckes die Bedingungen zu bestimmen, unter welchen der Stift aufwärts bewegt würde, wenn die Unversehrtheit des Brennstoffelementes gebrochen ist.

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Obwohl bevorzugt wird, das Ausfallanzeigegerät an dem oberen^ Ende des Brennstoffelementes vorzusehen., wie dargestelltj mas es möglich macht, die Stellung des Anzeigerstiftes abzutasten«, selbst umhrend die Brennstoffelemente in der Spaltzone des Reaktors angebracht sind_s vorzugsweise durch Bine fflehrfach-Füh'lanlage,, wie in unserer zusammen anhängigen Anmeldung geschildert^ ist es auch möglich? das Ausfallanzeigegerät in umgekehrter Stellung am unteren Ende des Brennstoffelementes vorzusehen,. Die letztere Anordnung mag für bestimmte Druckwasserreaktoranlagen bevorzugt werden^ worin das untsre Ende von jedem Brennstoffelement in der Brennstoffbaugruppe leichter zugänglich ist als sein oberes Ende_o Solche Formen der Baugruppe weisen häufig einen entfernbaren unteren Sockel auf, welcher nach dem Entfernen das untere Ende der Brennstoffelemente dem Anbringen eines Fühlelementes aussetzt. In diesem Fall würde es notwendig "sein, die zu untersuchende Brennstoffbaugruppe vor dem Anbringen des Fühlejjementes an ihr unteres Ende aus der Spaltzone zu entfernen,, Das Umkehren des Anzeigeelementes an das untere Ende des Brennstoffelementes stört auf keine UJeise seine gewünschte Art des Betriebes, da der bewegbare Stab 30 ständig durch die Feder 27 des Balges unter einem definitiven Druck oder eine Vorspannung steht und somit auf dieselbe UJeise arbeiten kann wie oben in solch umgekehrter Stellung beschrieben.

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In der Ausführungsform von Fig. 1 spricht der bewegbare Anzeigerstift auf einen Druckverlust an durch Aufwärtsbeujegen in die in Fig. 1 dargestellte Stellung. Diese Verschiebung luird magnetisch abgetastet. Ein bevorzugtes Instrument ist der lineare Spannungsdifferenzialtransformator, der eine auf die folgende bevorzugte Weise modifizierte Sonde verwendete Ein abtastender Arm oder eine abtastende Sonde wird vorgesehen, die ein hohles zylindrisches Glied 50 aus nicht magnetischem Material enthält, das geeignet ist, über die Verlängerung 22 des Ausfallanzeigegerätes von vermindertem Durchmesser zu passen und dieses aufzunehmen. Die Untersei-te 51 der tastenden Sonde ist mit einer l/erjüngung versehen, die geeignet ist, an den verjüngten Ansatz 23 auf dem Anzeigegerät anzugreifen. In dem abtastenden Zylinderglied 50 sind eine oder mehrere, vorzugsweise drei, ausgerichtete Spulenwicklungen 52 eingebettet, die in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind. Die Spulen 52 sind auch in einem vorbestimmten Abstand von dem verjüngten Ende 51 angebracht. Die Drahtenden 53 der Spulen sind an das (nicht dargestellte) Instrument geeignet angeschlossen (nicht dargestellt), welches auf herkömmliche U/eise eine Diff.erenzialspannung erzeugt, u/enn es erregt wird, die proportional der magnetischen Kopplung zwischen der ersten und zweiten bzw. der zweiten und dritten Spule ist. Jene magnetische Kopplung hängt ihrerseits von der linearen Stellung des magnetischen

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Gliedes 40 relativ/ zu den drei Spulen afcu Die T ile sind derart angeordnet, daß es eine bedeutsame Änderung der erzeugten Spannung gibt, wenn sich das magnetische Glied aus der in Fig. 1 dargestellten ausgefallenen Brennstoffstellung um den durch den Pfeil 37 angegebenen. Betrag in die sichere Brennstoffstellung abwärts bewegt» Dies erfordert, daß die Anzeigerhülle auch nichtmagnetisch ist_s welches in diesem Fall Zirkoniumlegierung ist_o Obwohl es bevorzugt wird,.den verjüngten Ansatz 23 als die die Lage bestimmende oder Bezugsfläche zum Anbringen der Sonde 50 relativ zu dem magnetischen Glied 40 zu verwenden₉ ist auch einzusehen, daß die Oberseite 55 des Anzeigerbehälters auch für diesen Zweck verwendet werden kann₀ Es wird bemerkt, daß der Außendurchmesser der Sonde etwa der des Brennstoffstabes ist. Dies bedeutet, daß die Sonde an das Anzeigegerät angebracht werden kann, selbst während der Brennstoffstab in der Baugruppe der Brennstoffstäbe ist und somit eng durch benachbarte Brennstoffstäbe umgeben wird. In aktuellen Ausbildungen ist der Raum zwischen den Brennstoffstäben so klein wie 6,35 mm (1/4 inch). Der Abschnitt 22 des verminderten Durchmessers, welcher die Sonde aufnimmt, erlaubt somit das Abtasten der Brennstoffstäbe an Ort und Stelle.

Fig. 2 stellt eine modifizierte Form des Ausfallanzeigegerätes gemäß der Erfindung dar. Es enthält ähnlich der

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Ausführungsform von Fig. 1 eine korrosionsbeständige Hülle 60 für das Brennstoffelement, die unter dem üblichen Gasraum 61 Brennstoffkügelchen 62 enthältj die'durch die übliche Feder 63 in Stellung'gehalten sindo Der Gasraum steht mit einer unteren Kammer 64 in Verbindung, welche somit auf der Innendruckbedingung des Brennstoffstabes gehalten wird. Die Brennstoff hülle 60 ist beispielsweise durch Schmeißen an einem Anzeigerbehälter 66 befestigt, welcher sich über einen verjüngten Ansatz 67 zu einem zylindrischen Abschnitt 68 von vermindertem Durchmesser erstreckt, welcher einen beweglichen anzeigenden Stift druckdicht einschlieSt₅ dessen oberes Ende durch einen mechanisch mit dem Stift verbundenen magnetischen Zapfen gebildet uiird. Das untere Ende des Stiftes bildet einen vergrößerten Grundteil 72. Dar Grundteil 72 ist beispielsweise durch Hartlöten bei 73 und 74 ständig an das Innere des Anzeigerbehälters 66 mittels eines korrodierfähigen Gliedes 75 befestigt, welches beschleunigter Korrosion unterworfen ist, wenn es beansprucht und der Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Die Beanspruchung ist durch eine Feder vorgesehen, deren oberes Ende gegen den Behälter drückt und deren unteres Ende an dem Grundteil 72 anliegt, das den Stift konstant abwärts drückt, wobei der abwärts gerichteten Kraft durch das korrodierfähige Glied 75 widerstanden wird. Sollte der Brennstoffstabbehälter gebrochen uierdan,

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wird einige Feuchtigkeit won dem Kernkühlmittel in dem _: Brennstoffstab eintreten und somit das korrodierfähige Glied 75 angreifen_o Innerhalb einer kurzen Zeit, z.B. einigen wenigen Tagen, ujird das beanspruchte Glied 75 korrodieren, seine strukturelle Unv/ersehrtheit verlieren und ausfallen, uias der Feder 76 erlaubt, den Anzeigerstift abwärts in seine ausgefallene Brennstoffstellung zu treiben. Das Ausmaß des Ausfallens hängt ab υοπ dem Material des korrodierfähigen Gliedes 75, seiner Dichte, der Höhe der Beanspruchung, der es ausgesetzt ujird und seinem Verhältnis des Volumens zu dem korrodierenden Medium ausgesetzten Fläche. Alle der obigen veränderlichen sind steuerbar. Zum Beispiel kann die Dichte durch pulvermetallurgisch^ Techniken gesteuert werden. Der Belastungspegel kann durch die Vorlast der Feder und die der Belastung ausgesetzte Fläche gesteuert werden» Das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen kann durch Hinzufügen von Löchern wie beispielsweise bei 80 dargestellt und durch deren Anzahl und Abstand gesteuert werden*, 3e mehr Löcher, desto größer ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen«,

Viele lYletaxle können für das korrodierfähige Glied 75 gewählt werden, da die meisten Metalle, wenn sie beansprucht und der Feuchtigkeit ausgesetzt werden^ mit einer Vielzahl von Quoten korrodieren, eine sehr schnell von Korrosion der inneren Belastung, Geeignete Metalle sind z_oB_e Kupfer,

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Aluminium, Zirkon und selbst einige rostfreie Stähle, wie beispielsweise vom Typ 304. Die Korrosion wird durch die Anwesenheit von Halogens enthaltendes Wasser bei erhöhter Temperatur beschleunigt. Zum Beispiel ist 3od ständig in dem Reaktorkühlmittel enthalten, welches eine erhöhte Temperatur aufweist. Das masser bei erhöhter Temperatur mit 3od greift schnell die Korngrenzen zwischen den Metallkristallen an, was die Zerstörung der Unversehrtheit des Metalls verursacht, insbesondere wenn es beansprucht wird. Die durch die Feder vorgesehene Beanspruchung wird hoch genug gewählt^ um diesen Effekt zu erreichen. Um den Effekt hervorzuheben durch Vergrößern der der Korrosion ausgesetzten Oberfläche, wird bevorzugt, das korrodierfähige Glied 75 als ein gesinterter Körper niedriger Dichte mit verbundenen Poren und Löchern 80 herzustellen, wie dargestellt, welches es für das Halogen und die Feuchtigkeit leichter macht, Zutritt zu den Korngrenzen zu erlangen. Als ein Beispiel, welches nicht begrenzend sein soll, kann das Glied 75 durch Verfestigen von Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 1 — 30 Mikron bei einem Druck von etwa 352 - 703 kp/cm² (5000 - 10000 psi) und dann Sintern für 2 - 5 Stunden bei einer Temperatur von 537 1093° C (1000 - 2000° F) hergestellt werden, um ein Glied auszubilden, das einen Bereich der Dichte von etwa 40 - 90 % aufweist«, Die genauen Beträge werden leicht gewählt, um die gewünschte Zeit bis zum Ausfallen zu erreichen.

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Es wird auch verwiesen auf die zusammen abhängige Anmeldung Ser_ol\lo. , eingereicht am

durch einen von uns C»R. Jones, welcher ein Gerät zum Vorsahen einer Frühwarnung von bevorstehendem Ausfall eines strukturellen Anlagenelementes beschreibt_? das unter Last steht und einer korrodierenden Umgebung ausgesetzt ist und welches auch ein korrodierfähigas Glied unter Belastung und einer korrodierenden Umgebung ausgesetzt verwendet,, In dieser zusammen anhängigen Anmeldung wird jedoch das korrodierf ähigs' Glied so konstruiert und beansprucht, um eine kurze Zeit uor dem Ausfallen der strukturellen Elemente der Anlage auszufallen, um eine Warnung vor dem Ausfallen der Anlage vorzusehen» Somit wird von dem korrodisrfähigan Glied in der zusammen anhängigen Anmeldung erwartety eine verhältnismäßig große Lebensdauer aufzuweisen, obwohl' kürzer als die der strukturellen Elemente. In der vorliegenden Anmeldung wird das kormdierfähige Glied 75 nur nach dem Ausfall der Umhüllung des Brennstoffelemantes in Ätzmitteln ausgesetzt und ist somit so ausgebildet, um ziemlich schnell auszufallen, wenn es einmal den Ätzmitteln ausgesetzt ist, um den zeitigen Austausch der ausgeMlenen Brennstoffelemente zu ermöglichen» Dieser schnellere Ausfall wird leicht erreicht durch beispielsweise Vermindern der Dichte des korrodierfähigen Gliedes, Vergrößern der Abmessung der Löcher, um den Querschnitt der Verbindungsstücke zwischen den Löchern zu vermindern und somit die Anzahl von

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Körnern in dem Glied, welche seine Unversehrtheit aufrecht erhalten oder Erhöhen des Federdruckes und somit der Beanspruchung auf dem korrodierfähigen Glied oder irgendeine Kombination dieser Parameter, uon welchen alle den Ausfall desselben beschleunigen. Andere ausführlicher in der zusammen anhängigen Anmeldung erklärte Faktoren können auch beeinflußt werden., um die gewünschte Zeit zum Ausfallen zustande zu bringen.

Die Ausführungsform uon Fig_o 2 u/ird auf dieselbe Ujeise abgetastet u/ie die uon Fig_e 1 und kann auch an dem unteren Ende des Brennstoffelementes angebracht werden.

Beide Ausführungsformen uon Fig. 1 und 2 sind für mehrfaches Untersuchen einer Anzahl uon Brennstoffelementen geeignet, während in einer Baugruppe der in Fig. 4 unserer früheren zusammen anhängigen Anmeldung usranschaulichte selbe oder ähnliche Iflehrfach-Abtastmechanismus die einzige erforderliche Änderung darin besteht, die hierin in Fig_o 1 ueranschaulichte lineare Spannungsdifferenzialtransformator-Sone für jene auszutauschen ist, die in der zusammen anhängigen Anmeldung uerujendet wird. Um die genaue Anbringung dar abtastenden Sonde relatiu zu dem ferromagnetischen Glied für jedes Brennstoffelement in dem lYlehrfach-Abtastmechanismus sicherzustellen, wird beuorzugt, nachdem die Brennstoffelemente in ihren Baugruppen angebracht worden sind, den Mehrfach-

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Abtastmechanismus anzulegen und dann die durch jede lineare Spannungsdifferenzialtransformator-Sonde erzeugte Differenzialspannung für jedes einzelne Brennstoffelement aufzuzeichnen, Danachj wenn derselbe Abtastmechanismus wieder an die Baugruppe angelegt wird, ist es sehr leicht^ die Bewegung der ferromagnetischen Glieder aus einem Vergleich der erzeugten Spannungen zu jenen anfänglich aufgezeichneten zu bestimmen, ums eine sihr empfindliche Anordnung zum Anzeigen selbst geringer Bewegungen eines ferromagnetischen Gliedes irgendeines besonderen Brennstoffelementes gewährte

Wie bemerkt wird_s bietet das hierin beschriebene verbesserte Ausfallanzeigegerät die Verbesserung gegenüber unserer früheren Konstruktion des Versehens eines druckdichten Gehäuses um den bewegbaren Anzeigerstift_s um die Unversehrtheit des Brennstoffstabes sicherzustellen^ selbst wenn der Balg ausfallen sollte^ Selbst wenn das letztere eintreten sollte_s ist das Brennstoffelement nicht weniger zuverlässig als bestehende Bauteile, da herkömmliche radiochemische Techniken noch verwendet werden können, um Brennstoff— ausfall festzustellen,, Darüber hinaus werden druckdichte Verbindungen zwischen verschiedenen Materialien nicht benötigt» Ferner wird das Abtasten der Stellung des magnetischen Endes des bewegbaren Stiftes_} welcher das elektrische Signal erzeugt und dBn inneren Stabdruck anzeigt, erreicht

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ohne physikalische Berührung mit dem Inneren des Brenn— stoffstabes und somit ohne das Risiko des Brechens der Unversehrtheit des Brennstoffstabes. Somit wird verbesserte Sicherheit und Betriebsfähigkeit erreicht,,

Gbujohl unsere Erfindung im Zusammenhang mit spezifischen Ausführungsformen derselben beschrieben morden ist, werden im Fachgebiet Bewanderte erkennen, daß verschiedene Modifikationen innerhalb der hierin zum Ausdruck gebrachten Prinzipien möglich sind und somit die vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten spezifischen Ausführungsformen begrenzt u/erden sollen.

Patentansprüche

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Claims (10)

1. Patents nspriicha

   1 ο)Brennstoffelement für einen Kernreaktor, dadurch' gekennzeichnet, daß es einen langgestreckten Kernbrennstoff (11) enthaltenden Einschluß (10) enthält, der Einschluß an einem Ende sine druckdichte Verlängerung (22) umfaßt, ein Anzeigerstift (30) innerhalb des Einschlusses (10) einen Teil aufweist, der ferrbmagnetisches Material (40) enthält, das sich in der Verlängerung (22) erstreckt, der Anzeigerstift (30) in Längsrichtung des Einschlusses (10) aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung bewegbar ist, eine Anordnung (27) mit dem Anzeigerstift (30) verbunden ist, um den Anzeigerstift zur Bewegung auf die zweite Stellung zu vorzuspannen, eine Anordnung (41, 42) in dem Einschluß (10), um den Anzeigarstift (30) in seiner ersten Stellung zu halten, gegen die durch die Vorspannanordnung (27) ausgeübte Kraft, die zuletzt ermähnte Halteanordnung ansprechend auf eine Öffnung in dem Einschluß außerstand gesetzt wird, ihre stifthaltende Funktion auszuüben, wodurch dia Vorspannanordnung (27) den Anzeigerstift (30) in seine zweite Stellung verschiebt, die ausgefallenen Brennstoff anzeigt und. eine Anordnung (50) an dar druckdichten Verlängerung eine abtastende Sonde (52) relativ/ zu dem ferromagnetiachan (material (40) anbringt.

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2. 2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckdichte Verlängerung (22) einen verminderten Durchmesser aufiuaistj verglichen mit dem des den Kernbrennstoff (11) enthaltenden Einschlußteils (1O)₀
3. 3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß as eine Anordnung (20) enthält, die mit dem Anzeigerstift (30) verbunden ist und einen druckdichten Verschluß zwischen der Verlängerung (22) mit vermindertem Durchmesser und dem Brennstoff enthaltenden Einschlußteil (10), die Verschlußanordnung (20), die Bewegung des Anzeigerstiftes (30), ansprechend auf ein Öffnen des Einschlusses (1J0) ermöglicht.
4. 4. Brennstoffelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspannende Anordnung einen elastischen Balg (27) enthält, der an einem Ende mit dem Anzeigerstift (30) verbunden ist und an seinem entgegengesetzten Ende mit einen Teil (24) des Einschlusses (10), der Balg (27) auch die Verlängerung (22) mit vermindertem Durchmesser von einem Einschlußtail in dem Balg (27) abdichtet.
5. 5. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die haltende Anordnung (72)

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   'für den Anzeigerstift (70) ein korrodierbares Glied (75) enthältj das die Unterseite des Anzeigerstiftes (70) mit dem Einschluß (66) verbindet, das konodierbare Glied (75) aus einem Metall mit der Eigenschaft gebildet ist, daß es in einem beanspruchten Zustand und wenn es der Feuchtigkeit ausgesetzt wird, beschleunigte Korrosion durchmacht, die vorspannende Anordnung (76) verbunden ist, um den Anzeigerstift (70) zu veranlassen, eine Beanspruchung auf das korrodierbare Glied anzulegen.
6. 6_O Brennstoffelement nach Anspruch 5,. dadurch gekennzeichnet, daß das korrodierbare Glied (75) einen gesinterten Körper aus pulverisiertem Metall enthält.
7. 7. Brennstoffelement nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Kombination mit einer Anordnung zum Abtasten der Verschiebung des Anzeigerstiftes aus seiner ersten in seine zweite Stellung, wobei die Abtastanordnung eine hohle Sonde enthält, die aus wenigstens einer in Längsrichtung fluchtenden elektrischen Wicklung (52) besteht und geeignet ist, über der Verlängerung (22) von vermindertem Durchmesser derart angebracht zu werden, daß der ferromagnetische Teil (40) des Anzeigerstiftes (30) in einer vorbestimmten Stellung relativ zu der Wicklung angebracht ist, wenn sich der Anzeigerstift in seiner ersten

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   Stellung befindet und eine Anordnung (53), die mit der Wicklung verbunden ist, zum Anzeigen einer Änderung in der magnetischen Kopplung bei Bewegung des Stiftes in seine zujeite Stellung.
8. 8. Brennstoffelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichmstj daß die Sonde relativ zu dem ferromagnetischen Teil (40) mittels eines Ansatzes (51) angebracht ist, der an dsm ÜbergangZwischenι der Verlängerung mit vermindertem Durchmesser und dem Behälter des Brennstoffelementes ausgebildet ist„
9. 9. Brennstoffelement nach Anspruch 4_S dadurch gekennzeichnet^ daß der Einschluß und dis Verlängerung aus im uiesenilichsn demselben Material gebildet sind, der Balg (27) und der ferromagnetische Teil (40) des AnzBxgersti'ftes (30) jeder aus einem Material gebildet sind, das sich von dem des Einschlusses unterscheidet, der Balg durch eine mechanische Anordnung mit dem Einschluß verbunden ist und der ferroraagnetische Teil durch eine mechanische Anordnung mit desn Anzeigerstift verbunden ist.
10. 10. Brennstoffelement nach Anspruch 7, da d u r c h gekennzeiohnetj daß dia Sonde drei längs angeordnete fluchtende fflicklungen (52) enthält.

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