DE2505645C2 - Verfahren zum Lokalisieren defekter Brennstäbe eines Reaktorbrennelements - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Lokalisieren defekter Brennstäbe innerhalb eines kompletten Brennelements bei wassergekühlten Kernreaktoren unter Erhitzung des in die defekten Brennstäbe eingedrungenen Wassers und unter Ausnutzung des verzögerten Temperaturanstiegs an den Endstopfen der defekten Brennstäbe, wobei die nach oben gerichteten /u messenden Brennstabfußenden nach Abnahme des Brennelementendstückes haubenar tig abgeiit'i kt. durch Druckgas auf gleiches Niveau vom Kühlwasser befreit und erwärmt werden und wobei die Temperatiirmeßwerte der findstopfen miteinander verglichen werden

Der Kern eines leichlwasscrgekühlten Reaktors

besteht aus ca. 4Q-5Qiausend Brennstaben, die jeweils in einzelne Gruppen von ca. 200 Stück zu sog. Brennelementen zusammengefaßt sind. Ein Brennelement ist aufgebaut aus zwei Endstücken, den Führungsrohren für die Aufnahme von Steuer- bzw. Vergiftungs* stäben, den Abstandshaltern für die Positionierung der Brennstäbe sowie den Brennstäben. Die Brennstäbe, deren Hüllen aus Zircaloy*4 bestehen, enthalten Kernbrennstoff in oxidischer Form und sind an beiden Enden durch angeschweißte Endstopfen verschlossen. Durch den Betrieb können bei einzelnen Stäben lokale Undichtheiten auftreten. Dadurch wird das Austreten von gasförmigen Spaltprodukten in den Kühlmittelstrom ermöglicht, wodurch seine Radioakti vität erhöht wird.

In gewissem Umfang können .Spaltprodukte im Kühlsystem geduldet werden. Es ist jedoch wünschenswert, ihre Menge wegen der Strahlenbelastung in der Nähe des Reakiorkühlsystems niedrig zu halten.

Aus dem oben genannten Grunde werden die Brennelemente üblicherweise bei jedem Brennelementwechsel einem sog. »Sipping«-Test unterworfen. Bei diesem Test wird das Brennelement im BrennelementiLgerbecken unter Wasser in einen Behälter gebracht. Brennstäbe und Wasser in diesem Behälter heizen sich durch die Nachzerfallswärme auf. Enthält dieses Brennelement defekte Stäbe, so treten beim Erwärmen radioaktive Spaltprodukte aus den defekten Stäben aus und gelangen in das Wasser. Durch Entnehmen von Wasscrproben und Messung der Radioaktivität kann dann festgestellt werden, ob das Element defekte Stäbe enthält. Dieses Verfahren ist eine integrale Methode,

d. h. es liefert lediglich die Aussage, ob ein Brennelement defekte Stäbe enthält; es liefert jedoch keine Aussage über deren Position. Um ein Brennelement mit defekten Stäben wieder betriebsbereit zu maenen. ist es erforderlich, die defekten Stäbe im Brennelement zu lokalisieren, sie anschließend zu ziehen und die freiwerdenden Po'i'.ionen durch neue Stäbe oder Blindstäbe zu besetzen. Bei bekannten Verfahren zur Lokalisierung defekter Brennstäbe werden alle Stäbe eines Brennelements nacheinander ganz oder teilweise gezogen und mit Hilfe von Wirbelstrom- oder Ultraschallprüfungen auf Fehler untersucht. Die fehlerfreien Stäbe werden wieder in das Brennelement eingesetzt und die defekten durch neue Stäbe ersetzt. Dieses Verfahren ist sehr zeitraubend und aufwendig.

Ein weiterer Nachteil ist. daß ?·}τ Prü. Jⁿg alle Stäbe aus dem Brennelement ganz oder teilweise gezogen werden müssen. Beim Ziehen und Wiedereinsetzen der Stäbe verursachen die Abstandshalter an der Hülle Riefen oder Kratzer, die Ausgangspunkt für spatere Brennstabschaden sein können.

Das im Oberbegriff des Anspruchs I angegebene Verfahren ist aus der DE-OS 23 14 650 bekannt. Für den Prüfvorgang muß — abhängig von der Brennelement· konstruktion — entweder der Brennelementkopf oder -fuß abgenommen werden Die fur die Durchfuhrung des Prüfverfahrens zweckmäßigste Lage ergibt sich danach jeweils aus der gegebenen Konstruktion der Brennelemente. Dabei wird mittels Hochfrequenz-Energie das Hüllrohr unterhalb des massiven Fndstopfens erwärmt. Das sich in dem Hei/bereich befindliche Wasser verdampft und uber die Messung des zeitlichen Temperaturverlaufes am Endstopfen kann auf Wasser im Hrennstab geschlossen werden. Für jedes der nach oben gerichteten Brennstabenden ist eine Heizspirale vorgesehen, die zusammen mit einem Temperaturfühler ein haubenartiges ί jebilde darstellt Der Raum /wischen Hüllrohr und Heizspirale ist von Wasser befreit und der Temperaturfühler kontaktel die Endstopfen.

Bei diesem Verfahren können die Brennstäbe eines Brennelementes bestenfalls zu einem großen Teil gleichzeitig geprüft werden. Dabei macht es erhebliche Schwierigkeiten, durch eine mehrere Meter dicke Wasserschicht das haübenartige Gebilde über den

dünnen Brennstab zu manipulieren. Auch erscheint es unwahrscheinlich, daß mit dem bekannten Verfahren auch die Fälle von Wassereinschlüssen entdeckt werden, bei denen sich das eingedrungene Wasser unterhalb der Heizspirale befindet.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß bei der Erfassung des zeitlichen Temperaturverlaufs ein erheblicher Zeitaufwand erforderlich ist.

Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu finden, mit dessen Hüte eine einfache, schnelle, gleichzeitige und zuverlässige Erkennung aller defekten Brennstäbe eines Brennelements auch bei nur geringer Undichtigkeit möglich ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritte.

Mit diesem Verfahren können !»amtliche Brennstäbe innerhalb eines Brennelements in kürzester Zeit auf sehr einfache Weise mit äußerst hoher Genauigkeit untersucht und die defekten Brennstäbe ermittelt werden. Durch die Einfassung aller Brennstabenden eines angeordneten Brennelement 4 um 180" gedreht wird. Während das Gestell mit dem Brennelement manipuliert wird, ist die Glocke 5 in die sti ichpunktiene Stellung zur Seite gefahren. Ebenso wird bei dieser Glockenstellung das Endstück 24 demontiert, um die zu prüfenden Brennstäbe zugänglich zu machen. Der Glocken-Innenraum wird dabei durch den Gasstrom, der aus den mit einer Heißgasquelle verbundenen Stutzen 15 kommt, trocken und wasserfrei gehalten.

Eine Dampfbildung, die die Funktionsfähigkeit des Infrarotmeßgerätes 6 gefährden könnte, wird dadurch ausgeschaltet. Die Glocke 5 wird jetzt mit Hilfe einer nicht dargestellten Laufkatze in die ausgezogen gezeichnete Stellung gefahren. Das Gestell 3 mit dem darin verriegelten Brennelement 4 wird mit Hilfe nicht dargestellter Hebezeuge, die in die Ösen 7 eingreifen, soweit vertikal nach oben geführt, daß die Brennstäbe ca. 30—100 mm über dem Niveau Λ in rlie Glocke 5 hineinragen.

In Fig. 2 ist der Teilbereich eines Brennstabes 22 dargestellt mit dem Hüllrohr 9, den B- instoffpellets 10.

Brennelements mit einer einzigen Glocke und der den eingeschweißten Endstopfen 11 i;,it im Hohlraum

Verwendung nur einer Heizeinrichtung für alle Stabenden eines Brennelements ergibt sich eine erhebliche Vereinfachung gegenüber dem Stand der Technik. Die Aussage über defekte Stäbe ist zuverlässig und zeitsparend.

In dem älteren deutschen Patent 24 24 431 wird zwar auch ein Verfahren zum Lokalisieren defekter Brennstäbe angegeben. Dort wird das in einem Priiftehälter angeordnete Brennelement auf dem größten Teil seiner Länge über das im Prüfbehälter befindliche Wasser erwärmt und die aus dem Wasser ragenden Brennstabenden gekühlt. Die Brennstabenden werden zwar auch von einer Glocke überdeckt und wasserfrei gehalten. Aufgrund der anders gearteten Verfahrensschritte ist jedoch keine Identität mit der vorgeschlagenen Lösung gegeben.

Die Erfassung unterschiedlicher Temperaturen bei Brennelementen durch Infrarot-Temperaturmeßgeräte und ihre Sichtbarmachung auf einem Monitor ist aus der deutschen Auslegeschrift 10 93 501 bekannt.

Die Erhitzung der Endstopfen kann in voKeilhafter Weise durch Heißgas erfolgen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können bei einem Brennelement für einen wassergekühlten Kernreaktor die in den Endstopfenhohlräumen der Brennstäbe angeordneten Leckwasserrückhalteeinrichtungen aus einer Kapillarstruktur, einem Metallfil/. einem Metallnetz, einer porösen Keramikplatte oder einer topfförmigen Kappe bestehen. Diese Ausbildungen halten das Leckwasser auch nach dem Verschwenken des Brennelementes um 180" sicher in den Hohlräumen der Endstopfen fest.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eines Brennelements zur Durchführung des Verfahrens werden anhand der schematischen Darstellungen F ι g ', bis 4 nachfolgend beschrieben.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Wasserbecken bezeichnet, das bis zur Höhe 2 gefüllt ist. In diesem Betken, das unter anderem auch zur Lagerung bestrahlter Brennelemente 4 dient, ist ein Gestell 3 gelagert, das zur Aufnahme der zu prüfenden Brennelemente dient. Ein derartiges Brennelement 4 wird mittels bekannter Hebezeuge in das Gestell eingesetzt und mit Hilfe nicht dargestellter Elemente verriegelt. D'e bekannten Hebezeuge sind mit entsprechenden Manipuliereinrichlungen ausgerüstet, mit deren Hilfe das Oestell 3 mit dem darin 21 angeordneter als Kapillarstruktur 12 ausgebildeten Leckwasserrückhalteeinrichtung und der Abstandsbaltefeder 13, die in dem Spaltgasraum 25 angeordnet ist.

Eine andere Ausbildung der Leckwasserrückhalteeinrichtung im Endstopfenhohlraum 21 ist aus F i g. 3 zu sehen. Eine topfförmige Kappe 19 aus Blech ist dabei so ausgebildet, daß sich nach erfolgter Drehung des Brennelements das Leckwasser in den Ringraum 26 sammelt und der sich bildende Dampf aus der öffnung 20 entweichen kann.

In alle defekten Brennstäbe ist beim Reaktorbetrieb Kühlwasser eingeieckt und hat sich nach dem Abschalten des Reaktors in dem unteren Bereich der Brennstäbe gesammelt.

Die Kapillarstruktur 12. die in dem Endstopfenhohlraum 21 angeordnet ist. hat sich mit Wasser vollgesogen und befindet sich, nachdem das Brennelement urr 180" gedreht wurde, in den Endstopfen 11. die in die Glocke hineinragen. Alle defekten Brennstäbe enthalien in ihrer Kap ',larstruktur ungefähr die gleiche Menge Leckwasscr. Das bedeutet, daß bei der Zufuhr von Wärme an die Stirnflächen der Endstopfen in allen Endstopfenhohlräumen der defekten Stäbe ungefähr zur gleichen Zeit Siedetemperatur auftritt. Dasselbe gilt für die Ausbildung der Leckwasserrückhalteeinrichtung als topfförmige Kappe 19. Nach dem Drehen der Brennelemente um 180 verbleibt bei den defekten Brennstaben eine etwa gleiche Menge Wasser im Ringraum 26der Kappe. Die in der Glocke 5 angeordneten Wärmestrahlque!· len 14 id/odcr der aus den Stutzen 15 kommende Heißgasstrom erwarmen die Stirnflächen der Endstopfen glechmäßig.

Fs wird auch eine bestimmte Zeit dauern bis das Leckwasser verdarrr.ft ist. Während dieser Ze>t werden die Fndstopfenstirnflächen trotz andauernder Wärmezufuhr durch die Wärmestrahlquellen 14 durch die entzogene Verdampfungswärme auf einer Temperatur von 100 ( gehal.en. Die Wärmequellen sind so ausgelegt, daß mc in der Lage sind, die Kndstopfenstirnflächen der intakten Stäbe auf mindestens 125° C zu erwärmen. Das Δ T und die Zeitdauer dts Verdampfungszyklus t sind abhängig von der Heizleistung. Es stellt sich also ein Δ 7*von ca. 25° zwischen intakten und defekten Stäben ein. In Fig.4 ist graphisch der Temperaturverlauf der Endstopfenstirnflächen von defekten und intakten Stäben dargestellt. Die Tempera-

tür steigt zunächst an allen Endstopfen gleichttiäßig an. Bei Beginn der Verdampfung bleibt die Endstopfentemperatur der defekten Stäbe während der Zeit / auf Siedetemperatur stehen (Kurve 18). Die Endstopfentemperatur der intakten Stäbe steigt weiter auf ca. 125° C (Kurve 23). Nach Beendigung des Verdampfungszyklus steigt auch die Endstopfentemperatur der defekten Stäbe, da jetzt kein Wasser mehr in der Kapillarstruktur ist, auf die Temperatur der intakten Stäbe an.

Wird nach Erreichen des Siedepunktes mit dem Infrarot-Temperaturmeßgerät 6 eine Messung vorgenommen, so erscheint auf dem mit dem Meßgerät 6 verbundenen Monitor 16 ein Bild, auf dem mit einem Blick die Positionen aller defekten Stäbe erkannt werden können. Die defekten Stäbe erscheinen als dunkle Flächen 17 und die intakten Stäbe als helle Flächen 18.

In einer Art fotografischer Aufnahme werden alle Stabenden auf den Monitor projiziert. Da« Meßverfahren arbeitet also völlig berührungslos.

Auch vollkommen mit Wasser gefüllte Brennstäbe können mit dem vorgeschlagenen Verfahren sicher erkannt werden. Da es aufgrund der größeren thermischen Kapazität länger dauert bis der Siedepunkt in dem Endstopfenhohlraum erreicht ist, werden die Endstopfenstirnflächen dieser Brenrtstäbe beim Meß· Zeitpunkt, der selbstverständlich von dem Siedepunkt eines nur in der LeckwasserrückhaiteeinrichtUng Wasser aufweisenden Brennstabes abhängig ist, eine niedrigere Temperatur aufweisen als die defekten Stäbe mit geringerem Wassereinschluß.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Lokalisieren defekter Brennstabe innerhalb eines kompletten Brennelements bei wassergeKühlten Kernreaktoren unter Erhitzung des in die defekten Brennstäbe eingedrungenen Wassers und unter Ausnutzung des verzögerten Temperaturanstiegs an den Endstopfen der defekten Brennstäbe, wobei die nach oben gerichteten zu messenden Brennstabfußenden nach Abnahme des Brennelementendstückes haubenartig abgedeckt, durch Druckgas auf gleiches Niveau vom Kühlwasser befreit und erwärmt werden und wobei die Temperaturmeßwerte der Endstopfen miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß alle nach oben gerichteten Brennstabfußenden des Brennelements (4) von einer gemeinsamen Glocke (5) eingefaßt, und die Endstopfen (11) gleichmäßig von einer innerhalb der Glocke und oberhalb der Brennstabfußenden angeordneten Einrichtung (14, 15) aus erhitzt werden, und der Giockeninnenrauiii dälVipffrei gehalten wild und daß nach Erreichen der Siedetemperatur des in Endstopfenhohlräumen (21) defekter Brennstäbe (22) durch Leckwasserrückhalteeinrichtungen (12, 19) festgehaltenen Wassers die Temperaturen aller Endflächen der Endstopfen (11) gleichzeitig über ein Infrarot-Tcniperaturmeßgerät (6) erfaßt und die Positionen (17, 18) der defekten und intakten Brennstäbe auf einem Monitor (16) abgebildet werden.

2. Verfahre nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung ^t Endstopfen (11) durch Heißgas erfolgt.

3. Brennelement für einen wassergekühlten Kernreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die in den Endstopfenhohlräumen (21) der Brennstäbe angeordneten Leckwasserrückhalteeinrichtungen aus einer Kapillarstruktur (12). einem Metallfilz, einem Metallnetz, einer porösen Keramiktablette oder einer topfförmigen Kappe (19) bestehen.