DE2423782A1

DE2423782A1 - Sodium cooled reactor fuel element position detector - including ultrasonic probe group above element giving three dimensional readings

Info

Publication number: DE2423782A1
Application number: DE2423782A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Dr Gast; Hans-Adolf Dipl Ing Rohrbacher
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1974-05-16
Filing date: 1974-05-16
Publication date: 1975-11-27

Abstract

A device for positioning a reactor fuel element operates by using ultrasonic probes and receiving the reflected pulses. Several probes are mounted on the lower face of a support, in a plane parallel to the top face of the element head; when the support is positioned, one probe is above a reference surface in the centre of the head of the element, while two other probes are above two other reference surfaces, lying in a plane parallel to the probes but above the first reference surface. Device is used for checking the position of fuel elements submerged in liquid sodium. Location in all three dimensions can be measured.

Description

Einrichtung zum Positionieren eines Reaktorbrennelementes Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Positionieren eines Reaktorbrennelementes mit einer Ultraschallimpulse aus sendenden und von einer Referenzfläche reflektierte Impulse aufnehmenden Ultraschallsonde.Apparatus for positioning a reactor fuel assembly. The invention relates to a device for positioning a reactor fuel assembly with a Ultrasonic pulses from transmitting pulses and pulses reflected from a reference surface absorbing ultrasound probe.

Für eine Reihe wichtiger mechanischer Reaktorkomponenten, die betriebsmäßig unter flüssigem Natrium angeordnet sind, ist eine Überwachung der Lagebestimmung aus Gründen der Handhabung und der Sicherheit unerläßlich. Hierzu gehört insbesondere die genaue Positionierung der Brennelemente vor dem Umladen des Kernes. Die Kenntnis der Position der Brennelementköpfe ist nicht nur für das Umladen des Kernes von großer Bedeutung, sondern auch zur Prüfung des Kernverbandes auf Verlagerungen und Verformungen. Dabei sind Core-Vermessungen in Richtung der x-, y- und z-Achse notwendiq.For a number of important mechanical reactor components that are operational are arranged under liquid sodium, is a monitoring of the orientation indispensable for reasons of handling and safety. This includes in particular the exact positioning of the fuel assemblies before reloading the core. The knowledge the position of the fuel assembly heads is not just for reloading the core from of great importance, but also to check the core association for relocations and Deformations. Core measurements in the direction of the x, y and z axes are necessary.

Zum Ermitteln der Position eines oder mehrerer Reaktorbrennelemente insbesondere vor dem Umladen werden Einrichtungen verwendet, die mit mechanischen oder induktiven Fühlern arbeiten. So werden bei einem bekannten induktiven Annäherungsverfahren drei Spulen in den Kopf des Kühlmittelführungsrohres eingefrihrt und die Kopplung jeder der Spulen gemessen. Nur wenn die Kopplung aller drei Spulen gleich groß ist, sind die Abstände der Spulen zum Kühlmittelführungsrohr untereinander gleich und die Position der Kontrolleinrichtung ist derjenigen des Brennele:nentes identisch.For determining the position of one or more reactor fuel assemblies In particular, before reloading, devices are used that are equipped with mechanical or inductive sensors work. So be with one known inductive approximation method three coils in the head of the coolant duct introduced and the coupling of each of the coils measured. Only if the coupling of all three coils is the same size, the distances between the coils and the coolant duct are the same equal to each other and the position of the control device is that of the Brennele: nentes identical.

Dieses bekannte Verfahren ist jedoch mit Mängeln behaftet, die insbesondere darin bestehen, daß die töglichkeit einer Vermessung der Position auf die Koordinaten der x-y-3b-ne beschrSnkt ist und Messungen der Höheneinstellung in Richtung der z-Achse ausgeschlossen sind. Dabei treten bis zum Vorliegen des Meßergebnisses Zeitverzögerungen im Sekundenbereich auf und es ist nicht auszuschließen, daß der Meßfühler mit der Rohrwand kollidiert und dabei mechanisch vertrimmt und das Meßergebnis verfälscilt wird.However, this known method has shortcomings, in particular consist in the possibility of measuring the position on the coordinates the x-y-3b-ne is limited and measurements of the height adjustment in the direction of the z-axis are excluded. There are time delays until the measurement result is available in the range of seconds and it cannot be ruled out that the sensor may interfere with the The pipe wall collides and is mechanically trimmed and the measurement result is falsified will.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der erfindungsgemäßen Art zu schaffen, deren 4meßfühler eine Ortung in x-, y- und z-Richtung ermöglichen und berührungsfrei arbeiten.The invention is based on the object of a device of the invention Art to create whose 4meßsensor allow a location in the x, y and z directions and work without contact.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere Ultraschallsonden an der den Brennelementköpfen zugewandten Unterseite eines Trägers in einer zur Ebene der Brennelementköpfe parallelen Ebene so angeordnet sind, daß bei vorbestirmter Positionierung eine erste Ultraschallsonde einer ersten Referenzfläche im Zentrum des Brennelementkopfes und eine zweite und dritte Ultraschallsonde je einer zweiten und dritten symmetriEch zum Zentrum angeordneten Referenzfläche gegenübersteht, daß die zweite und dritte Referenzfläche in einer zur Ebene der Ultraschallsonden parallelen Ebene liegt und daß der vertikale Abstand zwischen den Ultraschallsonden und der ersten Referenzfläche größer ist als der vertikale Abstand zwischen den Ultraschallsonden und der zweiten und dritten Referenzfläche. Dabei wird vorteilhafterweise die erste Referenzfläche von einem am Kopf des Brennelementes zum Verwirbeln des Kühlmittels angeordneten Mischeinsatz und die zweite und dritte Referenzfläche von der Kreisringfläche des das Brennelement umschließenden Kühlmittelführungsrohres gebildet, wobei die erste und die zu einer Fläche vereinigte zweite und dritte Referenzfläche koaxial zueinander angeordnet sind und die erste Referenzfläche unterhalb der Kreisringfläche liegt.This object is achieved according to the invention in that several ultrasonic probes on the bottom of a carrier facing the fuel assembly heads in a to Plane of the fuel assembly parallel plane are arranged so that with vorbestirmter Positioning a first ultrasound probe of a first reference surface in the center of the fuel assembly head and a second and third ultrasonic probe each a second and faces the third reference surface arranged symmetrically to the center, that the second and third reference surface in one to the plane of the ultrasonic probes parallel plane and that the vertical distance between the ultrasonic probes and the first reference surface is greater than the vertical distance between the Ultrasound probes and the second and third reference surface. This is advantageous the first reference surface of one at the head of the fuel assembly for swirling the Coolant arranged mixing insert and the second and third reference surface of the annular surface of the coolant guide tube surrounding the fuel assembly formed, the first and the too one surface united second and the third reference surface are arranged coaxially to one another and the first reference surface lies below the circular ring area.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die vorgeschlagene Anwendung von Ultraschall sonden Messungen hoher Ortungsgenauigkeit auch in Richtung der z-Achse zuläßt, die mit hoher Geschwindigkeit ausfAhr5rar sind, eine Berührung der Sonde mit dem Meßobjekt ausschließen und eine Automation des Meßverfahrens ermöglichen.The advantages achieved with the invention are in particular: that the proposed use of ultrasonic probes measurements of high location accuracy also allows in the direction of the z-axis, which can be carried out at high speed, exclude contact of the probe with the test object and an automation of the Enable measurement method.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher heschrieben. Es zeigen Fig. 1 vereinfachtes Schnittbild einer Meßanordnung, Fig. 2 Schnittbild einer Ultraschallsonde für Hochtemperatureinsatz.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below. 1 shows a simplified sectional view a measuring arrangement, Fig. 2 sectional view of an ultrasonic probe for high temperature use.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung das Schnittbild einer Meßanordnung zum Positionieren eines Relktorbrennelementes. Ein Schutzrohr 1 ist durch den Reaktordrehieckel 2 geführt, der in einer horizontalen x-y-Ebene drehbar ist. Das untere Ende des Schutzrohres ist als Träger 3 für Ultraschallsonden 4 ausgebildet. An der kreisförmigen horizontalen Unterseite 5 des Trägers 3 sind drei Ultraschallsonden 4 so angeordnet, daß deren rlittelpunkte mitmitden Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks identisch sind. Das Schutzrohr 1 mit dem Träger 3 und den Ultraschallsonden 4 taucht in das als Reaktorkühlmittel dienende flüssige Natrium 6 ein, dessen Oberfläche mit einem Inertgas 7 abgedeckt ist. Jede Ultraschallsonde 4 ist über eine im Innern des Schutzrohres 1 geführte kcaxiale Hochtemperatursignalleitung 8 an einen oberhalb des Drehdeckels 2 angeordneten Generator 9 angeschlossen und emittiert Ultraschallimpulse 10.Fig. 1 shows a simplified representation of the sectional view of a measuring arrangement for positioning a relector fuel element. A protective tube 1 is through the reactor triangle 2 out, which is rotatable in a horizontal x-y plane. The lower end of the Protective tube is designed as a carrier 3 for ultrasonic probes 4. At the circular horizontal underside 5 of the carrier 3 three ultrasound probes 4 are arranged so that their center points are identical to the corner points of an equilateral triangle are. The protective tube 1 with the carrier 3 and the ultrasonic probes 4 is immersed in the serving as a reactor coolant liquid sodium 6, the surface with a Inert gas 7 is covered. Each ultrasonic probe 4 is via one inside the protective tube 1 guided kcaxial high-temperature signal line 8 to one above the rotating cover 2 arranged generator 9 is connected and emits ultrasonic pulses 10.

Das Schutzrohr 1 mit den Ultraschallsonden 4 kann mit einer oberhalb des Reaktordrehdeckels 2 montierten Einrichtung 11 um seine vertikale Achse gedreht und in Richtung der vertikalen Achse bewegt werden.The protective tube 1 with the ultrasonic probes 4 can with an above of the reactor rotating cover 2 mounted device 11 rotated about its vertical axis and moved in the direction of the vertical axis.

Jedes Brennelement 12 ist von einem Kühlmittelführungsrohr 13 umschlossen, dessen den Ultraschallsonden 4 zugewandte obere Kreisringfläche 14 als Referenzfläche für zu reflektierende Ultraschallimpulse 10 verwendet wird. Am Kopf jedes Brennelementes 12 ist zum Verwirbeln des aus dem Brennelement austretenden Kühlmittels ein rotationssymmetrischer lischeinsatz 15 von drei an das Kühlmittelführungsrohr 13 angeschlossenen Rippen 16 gehalten. Die den Ultraschallsonden 4 zugewandte Fläche 17 des Mischeinsatzes 15 ist eine weitere Referenzfläche, deren vertikaler Abstand zu den Ultraschallsonden 4 um einen Betrag a größer ist als der entsprechende Abstand von der Kreisringfläche 14 zu den Ultraschallsonden.Each fuel assembly 12 is enclosed by a coolant guide tube 13, its upper circular ring surface 14 facing the ultrasonic probes 4 as a reference surface is used for ultrasonic pulses 10 to be reflected. At the head of each fuel assembly 12 is a rotationally symmetrical one for swirling the coolant emerging from the fuel assembly table insert 15 of three connected to the coolant guide tube 13 ribs 16 held. The surface 17 of the mixing insert facing the ultrasonic probes 4 15 is another reference surface, its vertical distance to the ultrasonic probes 4 is greater by an amount a than the corresponding distance from the circular ring surface 14 to the ultrasound probes.

Die von den Ultraschallsonden 4 emittierten stark gebündelten Ultraschallimpulse 10 treffen beim Abtasten der Brennelementköpfe auf die Referenzflächen 14 und 17. Dabei werden Teile 18 der Impulsenergie von der Kreisringfläche 14 und von der zu dieser koaxialen Kreisfläche 17 reflektiert.The strongly bundled ultrasonic pulses emitted by the ultrasonic probes 4 10 hit the reference surfaces 14 and 17 when the fuel assembly heads are scanned. Parts 18 of the pulse energy from the circular ring surface 14 and from the to this coaxial circular surface 17 is reflected.

Die x-y-Koordinaten der Meßeinrichtung entsprechen den x-y-Koordinaten eines Brennelementes, wenn alle drei Ultraschallsonden ein Echo aufnehmen und zwei Echolaufzeiten identisch sind und die Laufzeit des von der Referenzfläche 17 des Mischeinsatzes 15 reflektierten Signales um den zusätzlichen Laufweg a = 205 mm verlängert erscheint.The x-y coordinates of the measuring device correspond to the x-y coordinates of a fuel assembly when all three ultrasonic probes pick up an echo and two Echo transit times are identical and the transit time of the reference surface 17 des Mixing insert 15 reflected signal by the additional path a = 205 mm appears extended.

Mit der vorgeschlagenen Meßeinrichtung ist es auch möglich, axiale Versetzungen seines Brennelementes zu erfassen, da die Laufzeit jedes Signales gemessen wird.With the proposed measuring device, it is also possible to measure axial Detect displacements of its fuel assembly, since the transit time of each signal is measured will.

Die Positionierung erfolgt zweckmäßigerweise automatisch, wobei mit Hilfe eines Programmes die Sollpositionen auf dem jeweils kürzesten Wege angefahren werden.The positioning is expediently carried out automatically, with With the help of a program, the target positions are approached by the shortest route will.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Ultraschallsonde 4 zum Einsatz in flüssigem Natrium. Das Mittelstück eines napfförmigen Edelstahlgehäuses 19 ist als scheibenförmiges Diaphragma 20 ausgebildet und auf seiner dem Schutzrohr 1 zugewandten Innenseite mit einem piezoelektrischen Wandler 21 fest verbunden. Das Diaphragma 20 ist von dem auf die horizontale Unterseite 5 des Trägers 3 aufgesetzten Gehäuse 19 durch einen Einstich 22 akustisch entkoppelt.Fig. 2 shows an embodiment for an ultrasonic probe 4 for Use in liquid sodium. The center piece of a cup-shaped stainless steel case 19 is designed as a disc-shaped diaphragm 20 and on its the protective tube 1 facing inside with a piezoelectric transducer 21 firmly connected. The diaphragm 20 is of the on the horizontal bottom 5 of the The housing 19 placed on the carrier 3 is acoustically decoupled by a recess 22.

Die koaxiale Hochtemperatursignalleitung ist nach Art der Thermoelementleitungen aufgebaut und besteht aus einem Edelstahlmantel 23 und einem von diesem durch ein Metalloxid isolierten Zentralleiter 24. Das Schutzrohr 1 ist mit einem Inertgas 25 wie z.B.The coaxial high-temperature signal line is like a thermocouple line constructed and consists of a stainless steel jacket 23 and one of this through a Metal oxide insulated central conductor 24. The protective tube 1 is with an inert gas 25 such as

Argon oder Helium gefüllt. Der piezoelektrische Wandler 21 besteht aus einem strahlenresistenten Lithiumniobatkristall LiNbO 7 mit monoisotopem Li oder in der natürlichen Zusammensetzung von Li mit 7Li. Der Kristall ist auf beiden Seiten mit Goldfolie 26 belegt und wird mit Tellerfedern 27 und einer Anpreßschraube 28 gegen das Diaphragma 20 gedrückt. Der Zentralleiter 24 der koaxialen Hochtemperatursignalleitung 8 ist mit der Spitze einer Kegelelektrode 29 verlötet, die durch einen ringförmigen Isolator 30 von den Tellerfedern 27 isoliert ist. Die koaxiale EIochtemperatursignalleitung 8 ist durch eine Bohrung 31 der Anpreßschraube 28 geführt und mit der Wand des Meßrohres verlötet.Argon or helium filled. The piezoelectric transducer 21 consists made of a radiation-resistant lithium niobate crystal LiNbO 7 with monoisotopic Li or in the natural composition of Li with 7Li. The crystal is on both Pages covered with gold foil 26 and is fitted with disc springs 27 and a pressure screw 28 pressed against the diaphragm 20. The central conductor 24 of the coaxial high temperature signal line 8 is soldered to the tip of a conical electrode 29, which is through an annular Insulator 30 is isolated from the disc springs 27. The coaxial high temperature signal line 8 is passed through a bore 31 of the pressure screw 28 and with the wall of the measuring tube soldered.

Claims

Patent claims:

Device for positioning a reactor fuel assembly with a Transmitting ultrasonic pulses and reflecting pulses from a reference surface receiving ultrasonic probe, characterized in that several ultrasonic probes (4) on the underside of a carrier (3) facing the fuel element hoppers in a are arranged parallel to the plane of the fuel assembly heads that with vorsestirXmter Positioning a first ultrasound probe (4) in a first reference surface (17) in the center of the fuel assembly head and a second and third ultrasonic probe (4) a second and a third R-f-arence surface arranged symmetrically to the center (14) faces that the second and third reference surface (14) in one for Plane of the ultrasonic probes (4) is parallel plane and that the vertical distance between the ultrasonic probes (4) and the first reference surface 17 is greater than the vertical distance between the ultrasonic probes (4) and the second and third Reference surface (14).

2. Device according to claim 1, characterized in that the first Reference surface (17) of one on the head of the fuel assembly for swirling the coolant arranged mixing insert (15) and the second and third reference area of the Annular surface (14) of the coolant guide tube which does not close the fuel assembly (13) is formed that the first and that united to form a circular ring surface (14) second and third reference surfaces are arranged coaxially to one another and the first Reference surface (17) lies below the circular ring surface (14).

3. Device according to claim 1, characterized in that the carrier (3) for attaching the ultrasonic probes (4) to the lower end of a coaxial high-temperature signal line (8) enclosing protective tube (1) is connected that the protective tube (1) through the reactor rotating cover (2) is guided and above the Reactor rotating cover (2) a device (11) for rotating the protective tube (1) about its vertical axis and is arranged to move in the direction of the vertical axis.

4. Device according to claim 1, characterized in that each ultrasonic probe (4) essentially consists of a housing (19) firmly connected to the carrier (3) a diaphragm (20) acoustically decoupled from the housing and one with the diaphragm permanently connected disc-shaped piezoelectric transducer (21) consists.

5. Device according to claim 4, characterized in that the piezoelectric Converter (21) made of monocrystalline lithium niobate (LiNbO3) is preferably used vo lithium exists in monoisotropic 7 per form (Li).

6. Device according to claim 1 to 5, characterized in that the piezoelectric transducer (21) via a coaxial transducer guided in the protective tube (1) in the manner of a thermal element line consisting of a metal jacket and one of this high-temperature safety line consisting of a metal oxide-insulated central conductor (8) is connected to a high frequency generator (9).

7. Device according to claim 1 to 6, characterized in that the three ultrasonic probes (4) are arranged on the carrier (3) so that their Centers are identical to the corner points of an equilateral triangle.