DE2547266A1

DE2547266A1 - Verfahren zur messung der gasmitfuehrung in fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2547266A1
Application number: DE19752547266
Authority: DE
Inventors: Francis H Fenlon; James W Wonn
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1974-10-23
Filing date: 1975-10-22
Publication date: 1976-04-29
Also published as: FR2288979B3; ES441999A1; FR2288979A1; JPS5523388B2; IT1050993B; GB1487454A; BE834737A; JPS5165693A

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt O E> / *7 O C ß

4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9 £ ν H / *00

Dn-Ing. Ernst Stratmann

t

Düsseldorf, 21. Okt. 1975 7567
44,782

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh,- Pä.y V. Stv A.

Verfahren zur Messung der Gasmitführung in" Flüssigkeifen·

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Gasmitführung in Flüssigkeiten, insbesondere aber ein Verfahren, das gleichzeitig eine Anzeige des Beginns der Gasmitführung wie auch eine Anzeige der Konzentration von ungelöstem Gas innerhalb einer Flüssigkeit liefert.

Es ist schon versucht worden, siehe die US-Patentschrift 3 240 674, das Kochen einer Flüssigkeit dadurch zu überwachen, daß das akustische Geräusch gemessen wurde. Gegenwärtig existiert jedoch kein Verfahren, das in der Lage ist, eine fortschrittlichere Anzeige des Beginns des Kochens zu liefern, so daß ausreichende Zeit bleibt, um entsprechende korrigierende Schritt zu unternehmen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit dem eine Warnung schon vor Beginn des Kochens geliefert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur Erkennung von Gasmitführung in einer Flüssigkeit geschaffen wird, das aus den folgenden Schritten besteht:

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Telefon (O211) 32 08 58 Telegramme Custopat

Zunächst wird ein Ultraschallsignal erzeugt und dieses Ultraschallsignal durch die Flüssigkeit geschickt. Das Signal wird aufgefangen und die höheren Harmonischen von der Grundwelle des empfangenen Signals getrennt. Die Veränderungen in den höheren Harmonischen werden gemessen und dienen als Hinweis für den Beginn der Gasmitführung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

In den Zeichnungen zeigt die einzige Fig. 1 einen Querschnitt durch einen flüssigkeitsgekühlten Kernreaktor, der ein Gerät aufweist, das das erfindungsgemäße Verfahren anwendet.

In Fig. 1 ist ein Kernreaktor mit Flüssig-Metall-Kühlung dargestellt. Er besitzt ein Gefäß 2, das einen Druckbehälter bildet, wenn es durch seine Kopfdichtung 4 abgeschlossen wird. Der Druckbehälter umfaßt einen Nuklearkern 6 mit mehreren in Längsrichtung angeordneten umhüllten Brennstoffstäben 8, die parallel zueinander gruppenweise angeordnet sind. Die unteren Enden der Brennstäbe werden in einer unteren Kernstützplatte 10 gehalten, die an den Seitenwänden des Druckbehälters 2 aufgehängt sind. Das aus flüssigem Natrium bestehende Kühlmittel dringt durch die Einlaßeinrichtungen 12 ein und entleert sich durch Auslaßeinrichtungen 14, die jeweils einstückig durch die Zylinderwände des Druckbehälters 2 hindurchgeführt sind. Beim Einfließen in das Gefäß nimmt das Kühlmittel den unteren Kernrohrhohlraum 16 ein und wird durch Kanäle nach oben gedrückt, die zwischen den Brennstäben angeordnet sind. Nachdem das Kühlmittel durch den Kern hindurchgelaufen ist, verläßt es das Druckgefäß durch die Auslaßleitung 14.

Jede' Brennstoffstab-Gruppe besitzt zumindest eine entsprechende Instrumentierungsröhre 18, die durch die Reaktorkopfdichtung in das Druckgefäß eindringt und am oberen Ende der

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Brennstabanordnung endet. In jede Instrumentierungsröhre ist zumindest ein Schallwellenleiter, der vorzugsweise aus einer hohlen oder massiven Metallstange besteht, die sich aus Darstellungszwecken über die obere öffnung der Instrumentierungsröhre 18 hinaus erstreckt. Zwei derartige Schallwellenleiter 20 und 26 sind in der Figur zu Erläuterungszwecken dargestellt. Das untere Ende der Schallwellenleiter steht in direkter Berührung mit dem Natrium-Kühlmittel. Akustische Wandler 22 und 28 und entsprechende Instrumentensätze 24 und 30 sind an den außenliegenden Schallwellenleiterenden angebracht. Die aus Wellenleiter, akustischem Wandler und Instrumentierung bestehenden Anordnungen sind vorgesehen, um ein Gerät zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das im folgenden beschrieben wird, zu liefern.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst akustische Impulse innerhalb der piezoelektrischen Wandler 22 erzeugt und mittels des Wellenleiters 18 zur Kühlmittel-Auslaßdüse der Reaktor-BrennStabanordnungen übertragen. Ein zweiter Schallwellenleiter 26 ist so angeordnet, daß er das akustische Signal aufnimmt, nachdem es durch das Kühlmittel hindurchgelaufen ist, das aus den Brennstabgruppen-Düsen austritt. Das empfangene Signal wird durch einen zweiten piezoelektrischen Wandler 28 in ein elektrisches Signal umgewandelt und von einem Frequenzanalysator 30 in eine Grundwelle und Harmo-

■♦■ nische höherer Ordnung der übertragenen Frequenz aufgespalten. ^v Der Instrumentierungssatz 30 interpretiert Veränderungen der Oberwellen als ein Maß des Beginns des Gasmitführens und als,ein Maß für die Konzentration des Gases, das innerhalb .· des Kühlmittels mitgeführt wird.

xe Flüssigkeit, in diesem Falle ein aus flüssigem Metall bestehendes Kühlmittel, kann zwischen den Wellenleiterenden als eine übertragungsleitung angesehen werden, wobei die Kompressibilität (volumetrische Änderung pro Einheit einer Druckänderung) als Analogon der Nebenschlußkapazität pro Längeneinheit angesehen wird. Wenn Blasen innerhalb der

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Flüssigkeit auftreten, besitzt die Kompressibilität des nicht gelösten Gases die Wirkung, daß eine zusätzliche Nebenschlußkapapzität in die als Analogon angenommene übertragungsleitung eingeführt wird. Die volumetrische Änderung kann zu dem Inkrementdruck durch die folgende Gleichung in Beziehung gesetzt werden:

V-Vo
Vo

Term erster Ordnung

P-P,

d/a_L) (ί + /<a_L/a_g)j

Term zweiter Ordnung

(1)

wobei a-, a und b_ in dem Aufsatz "Acoustic Non-⁹ linearity Due to Micro-bubbles

in Water" von Welsby und Safar, Acoustica, 22, 178-182, 1969/70

-T^— die volumetrische Änderung,

? der augenblickliche Druck,

P der hydrostatische Druck

bedeuten,

mit if = V /Vj. als mittlerer Volumenbestandteil ^g des von den Gasblasen eingenommenen Mediums, wobei die Indizes g und L sich auf Gas bzw. Flüssigkeit (liquid) beziehen,

und ^ai/^ao ^^{as Vern}ältnis von Kompressions-

" modul der Flüssigkeit zu dem Kom

pressionsmodul des Gases bedeutet,

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Tabelle I

Verhältnis von Flüssigkeit zum Dampfkompressibilität von flüssigem Natrium über der Temperatur:

^al/^ag

300 5,82

400 145,17

500 156,24

600 9.702,00

Hinweis: a_L/a = 3 (SVP) χ ΙΟ⁵, wobei SVP der Sättigungs-Dampfdruck

■ ■ c _i _o

und a_L — 2 χ 10 atm im Bereich 300 C bis

600° C ist.

Aus der Gleichung 1 ist zu erkennen, daß der Term erster Ordnung der volumetrischen Änderung von der Anwesenheit von Blasen bis ungefähr (a_L/a ) ~" 1 nicht beeinflußt wird. Jedoch beginnt der Term zweiter Ordnung bereits beeinflußt zu werden, wenn der Ausgang (a_L/a ) — 1 ist. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, ist bei einer Temperatur von 600° C für flüssiges Natrium der Ausdruck (a;r/a_)—" 10 . Somit werden bei dieser Temperatur Blasen den Term zweiter Ordnung in der Gleichung (1) und damit die effektive Nicht-Linearität des Mediums zu verändern beginnen, wenn <f kleiner oder gleich 10~ ist,

d. h., wenn das Volumen der Blasen geringer oder gleich 10 des gesamten Volumens ausmacht. Andererseits ist ein Volumenverhältnis von <f = 10 erforderlich, um die gleiche Veränderung im Term erster Ordnung der volumetrischen Belastung zu erzeugen.

Da die Erhöhung des Terms zweiter Ordnung in Gleichung (1) bewirkt, daß die Kompressibilität des Mediums von dem zugeführten inkrementalen Druck abhängt, treten Harmonische

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zweiter und höherer Ordnung der übertragenen Frequenz auf, wenn Blasen anfangen sich zu bilden. Veränderungen in der Schallgeschwindigkeit, die mit Veränderungen im Term erster Ordnung in Gleichung (1) zusammenhängen, treten jedoch erst bei viel höheren Blasenkonzentrationen auf, wie schon erläutert wurde.

Daher werden die Harmonischen zweiter und höherer Ordnung der übertragenen Frequenz aufgezeichnet, um den Beginn des Kochens anzuzeigen. Gleichzeitig werden herkömmliche Verfahren, wie beispielsweise die Messung der Dopplerverschiebung im FrequenzSpektrum der aufgefangenen Schallwellen oder die Messung der Dämpfung der ersten Harmonischen angewendet, um Änderungen des Terms erster Ordnung in Gleichung (1) zu messen, wenn höhere Blasenkonzentrationen vorhanden sind, die aktives Kochen anzeigen.

Indem somit Schwellwerte erster und zweiter Ordnung des Mediums gleichzeitig aufgezeichnet werden, ist das erfindungsgemäße Verfahren außerordentlich empfindlich gegenüber der Anwesenheit von mitgeführtem, nicht gelöstem Gas als auch gegenüber dessen Konzentration. Der Fachmann wird leicht erkennen, daß die mit dem Instrumentierungssatz 24 verbundene Elektronik die Antriebskraft zur Anregung des Wandlers 22 liefert, außerdem wird ihm der Frequenzanalysator 30 ein bekanntes Bauelement sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert jedoch nicht nur ein Maß für das Einsetzen und für das Ausmaß des Kochens im Nuklearreaktor, sondern das Verfahren kann gleichzeitig angewendet werden, um die Gesamtheit der Brennstäbe innerhalb des Kerns zu überwachen. In dem unwahrscheinlichen Fall des Versagens des Aufbaus eines Brennelements, was zu einem Bruch in der Brennstabverkleidung führt, werden radioaktive Zerfalls-Gasblasen unterschiedlicher Größe in das Primärkühlmittel entlassen. Derartiges Versagen kann vom Kochen erfindungsgemäß dadurch unterschieden werden, daß die Ultraschall-Blasenmessung

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mit einer Radioaktivitätsmessung korreliert wird. Entsprechend wird zusätzlich zu den bereits erwähnten Schallwellenleitern ein Radioaktivitätssensor, wie beispielsweise eine Ionenkammer, innerhalb des überwachten Kühlmittels angeordnet. Wenn das Auftreten von Blasen von einem Anstieg des Radioaktivitäts-/ pegels des Kühlmittels gefolgt wird, wie an einem Anzeigegerät (z. B. Signalfallscheibe 32) angezeigt wird, können die Blasen auf einen Verkleidungsbruch zurückgeführt werden.

Obwohl nur ein Satz von Überwachungsinstrumentierung dargestellt wurde, ist selbstverständlich, daß jede Brennstabgruppe mit entsprechenden Schallwellenleitern und einem Radioaktivitätssensor versehen werden kann. Daher kann jedes Versagen einer besonderen Brennstabgruppe zugeordnet werden, indem die Position des Sensors festgestellt wird, der das Versagen anzeigt.

Die vorliegende Erfindung ist besonders nützlich für flüssigkeitsgekühlte Reaktoren, insbesondere für Natriumreaktoren mit ihrem extrem feindlichen Milieu. Andererseits kann das Verfahren aber auch dazu verwendet werden, in irgendwelchen anderen schallwellenübertragenden Flüssigkeiten die Gasmitführung zu messen. In der besonderen Anwendung bei Kernreaktoren ergibt sich jedoch der zusätzliche Vorteil, daß nicht nur der Beginn der Gasmitführung und die Konzentration von nicht gelöstem Gas innerhalb der Flüssigkeit angezeigt wird, sondern auch die strukturelle Unversehrtheit der Brennstäbe.

Patentansprüche;

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Claims

P a t e η t a η s p' r ü c h e'

Verfahren zur Messung der Gasmitführung einer Flüssigkeit, gekennzeichnet durch Erzeugung eines Ultraschallsignals, Durchleitung des Ultraschallsignals durch die Flüssigkeit, Aufnahme des durchgeleiteten Signals, Abtrennung der Harmonischen höherer Ordnung von der Grundwelle der Frequenz des empfangenen Signals und Messung der Veränderungen der Harmonischen höherer Ordnung als Maß für den Beginn der Gasmitführung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Trennen der Harmonischen höherer Ordnung von der Grundwelle die zweite Harmonische abgetrennt wird, und daß beim Aufzeichnen der Änderungen die Änderungen der zweiten Harmonischen verwendet wird, um den Beginn des Kocheinsatzes anzuzeigen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderungen der Grundwelle die Konzentration der Gasmitführung anzeigen und daß die Aufzeichnung der Veränderungen gleichzeitig die Aufzeichnung von Veränderungen der Grundwelle wie auch die Veränderungen der Harmonischen höherer Ordnung umfaßt, um eine Anzeige sowohl des Beginnens als auch der Konzentration der Gasmitführung zu erhalten.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1,

2 oder 3, gekennzeichnet durch Anwendung des Verfahrens bei der überwachung von Brennstabversagens innerhalb eines Kernreaktors, wobei die Flüssigkeit ein Reaktor-Kühlmittel darstellt und noch der Anstieg der Radioaktivität innerhalb des Kühlmittels gemessen und mit den aufgezeichneten Veränderungen der Grundwelle und der Harmonischen höherer Ordnung korrelliert werden, um ein Maß für ein Brennstabversagen zu erhalten.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen, Weiterleiten, Aufnehmen von Schallwellen und das Messen der Radioaktivität innerhalb jeder Gruppe von Brennelementen durchgeführt wird und daß die Stelle der Brennelementgruppe identifiziert wird, um sowohl einen Anstieg der Radioaktivität des Kühlmittels als auch Veränderungen der Grundwelle und der Harmonischen höherer Ordnung anzuzeigen, wodurch Brennstabversagen lokalisiert wird.

ES/hs 3

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