DE2700952B1 - Verfahren zur Identifikation undichter Komponenten aus einem Vielkomponentensystem - Google Patents

Verfahren zur Identifikation undichter Komponenten aus einem Vielkomponentensystem

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Description

Viele technische Systeme bestehen aus einer größeren Anzahl gleicher oder ähnlicher Komponenten, an die vorgegebene Dichtigkeitsanforderungen gestellt werden. Für den sicheren oder wirtschaftlichen Betrieb solcher Systeme ist es notwendig oder vorteilhaft, undichte Komponenten schnell und nach Möglichkeit sogar ohne Unterbrechung des Betriebes zu identifizieren. Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das eine solche Identifikation selbst dann gestattet, wenn wegen strenger Dichtigkeitsanforderungen ein hermetischer Verschluß der Komponenten während der gesamten Betriebsdauer erforderlich ist, der das Beaufschlagen solcher Komponenten mit Indikatoroder Testsubstanzen während des Betriebes oder in Betriebspausen nicht zuläßt. In der französischen Patentschrift 1493 249 wird ein Verfahren beschrieben, das die Dichtigkeitskontrolle von Wärmetauschern ermöglicht, jedoch eine Beaufschlagung aller Komponenten mit ein- und derselben Indikatorsubstanz vorsieht, wobei die Beaufschlagung während der Be-
K) triebspausen erfolgt. Dieses Verfahren genügt damit nicht den oben gestellten Bedingungen.
Ein typisches Vielkomponentensystem ist der Kernreaktor. Das Core des Reaktors ist aus einer Vielzahl von Brennelementen zusammengesetzt, die ihrerseits wieder aus einer größeren Zahl von Brennstäben bestehen. Brennstäbe und -elemente sind radiologischen, chemischen, thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt, die zu Undichtigkeiten führen können. Damit können Spaltprodukte und
u. U. auch Brennstoff in das Kühlmittel eintreten, aus dem sie nur unter erheblichem Aufwand wieder entfernt werden können. Im Interesse einer möglichst geringen radiologischen Belastung der Umwelt müssen nötigenfalls undichte Komponenten aus dem Core
>> entfernt werden.
Das Problem wird bisher durch Überwachung der Radioaktivität des Kühlmittels und des darüber befindlichen Gasvolumens gelöst. Dieses Verfahren läßt aber nur Rückschlüsse darüber zu, daß Brennele-
)o mente undicht sind, und gestattet keinerlei Aussage darüber, aus welchen Brennelementen Spaltprodukte ausgetreten sind. Die bisher gepflegte Praxis führt daher dazu, daß der Reaktor u.U. längere Zeit abgeschaltet werden muß, wenn zu viele Brennelemente
j) undicht sind. Eine Dichtigkeitskontrolle der einzelnen Brennelemente durch visuelh Inspektion oder durch die herkömmlichen Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung ist innerhalb des Reaktors gar nicht, außerhalb des Reaktors nur mit erheblichem Aufwand
to möglich.
Die Kenntnis undichter Brennelemente ist auch für ihre Wiederaufbereitung, besonders aber für Lagerung und Transport der abgebrannten Elemente von Bedeutung, weil undichte Brennelemente, die Radioaktivität freisetzen, einer besonderen Behandlung bedürfen. Für Planung und Berechnung wird allgemein angenommen, daß im Betrieb etwa 1 % der Einzelstäbe schadhaft werden. In praktischen Fällen sind aber auch schon beträchtlich höhere Defektraten aufgetreten.
Der Erfindung liegt die Tatsache zugrunde, daß in manchen technischen Systemen die Komponenten eine Füllung aus Gasen oder anderen Stoffen enthalten. Die Aufgabe der Identifikation einzelner undich-
,5 ter Komponenten wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Am Beispiel des Vielkomponentensystems eines Kernreaktors soll dies näher erläutert werden.
Bei der Herstellung von Brennstäben für Kernreaktoren werden vor dem Verschweißen der einzelnen Stäbe der an den Enden jedes Stabes von Brennstofftabletten freibleibende Raum (das sog. Plenum) sowie die Zwischenräume zwischen Brennstoff und Wandung und zwischen den einzelnen Brennstofftabletten mit einer Edelgasfüllung versehen, deren Druck, je nach Reaktortyp, im Bereich 20 bis 50 Atmosphären oder noch darüber liegt. Diese Edelgasfüllung erfüllt einen dreifachen Zweck, sie gestattet nämlich erstens
eine Dichtigkeitsprüfung der Schweißnaht, sie bietet zweitens eine Vorspannung zur teilweisen Kompensation des von außen auf den Stab wirkenden Kühlmitteldrucks, und sie verbessert drittens den Wärmeübergang im Stabinnern, solange die Brennstofftabletten nicht an der Wand anliegen.
Die Aufgabe der Identifikation einzelner undichter Elemente oder Stabe wird in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch gelöst, daß statt des bisher als Edelgasfüllung dienenden reinen Heliums ein aus i< > mehreren stabilen Isotopen bestehendes Edelgas rein oder in Mischung mit Helium - verwendet wird. Für diesen Zweck kommen die Edelgase Krypton und Xenon in Frage, die den verschiedenen Brennelementen oder -stäben in unterschiedlicher Isotopenzusam- ι j mensetzung beigemischt werden, d.h. jedes einzelne Element oder jeder Stab wird durch die Zusammensetzung des eingefüllten Gases kodiert. Wird ein Brennelement oder ein Brennstab undicht, so tritt Füllgas aus; die Isotopenanalyse des Gasvolumens oberhalb der Kühlflüssigkeit gestattet bei geeigneter Wahl der Zusammensetzungen der Füllungen die Identifikation und Lokalisierung des defekten Elements oder Stabes.
Die Edelgase Krypton und Xenon kommen in na- »> türlicher Luft nur mit Anteilen von 1,14 ppm bzw. 87 ppb vor. Sie bestehen aus 6 bzw. 9 stabilen Isotopen; außerdem gibt es von beiden Gasen eine größere Zahl radioaktiver Isotope. Bei der Wahl der Füllgaszusammensetzung ist darauf zu achten, daß bei der nt Kernspaltung neben radioaktiven Isotopen in den Brennelementen eines Reaktors auch stabile Krypton- und Xenonisotope erzeugt werden, die das Ergebnis verfälschen könnten. Zwar sind diese Anteile nicht hoch; sie liegen unter realistischen Annahmen und unter der Voraussetzung, daß die Gasfüllung aus reinem Krypton oder Xenon besteht, am Ende der Lebensdauer eines Brennelements bei etwa 0,1 % (Kr) bzw. 1 % (Xe) der Füllmenge, bei Undichtwerden des Elements oder Stabes zu einem früheren Zeitpunkt entsprechend niedriger. Werden nur wenige Brennstäbe undicht, so beeinträchtigt dieses sog. stabile Spaltedelgas die Sicherheit des Verfahrens, auf dem die Erfindung beruht, nicht wesentlich. Für größere Mengen undichter Elemente kann das Problem der Störung durch stabiles Spaltedelgas wie folgt umgangen werden:
Als Spaltprodukte treten beim Krypton nur die drei schwersten Isotope (von insgesamt sechs), beim Xenon nur die vier schwersten Isotope (von insgesamt ,o neun) auf. Daher eliminiert man die erwähnten Interferenzeffekte zwischen Füllgas und stabilem Spaltedelgas vollständig, wenn man sich bei der Füllung oder bei der Analyse auf die Verwendung der drei (Kr) bzw. fünf (Xe) leichtesten Isotope beschränkt. 5-,
Bei der Anwendung der Erfindung auf Kernreaktoren ist es für die Messung der Isotopenzusammensetzung des ausgetretenen Edelgases von Nutzen, daß zur Abtrennung radioaktiver Spaltedelgase an Kraftwerksreaktoren Edelgasrückhalteanlagen, die Kryp- b0 ton und Xenon abzutrennen gestatten, geplant oder sogar schon in Betrieb sind.
Mit diesen Anlagen werden naturgemäß auch die stabilen Isotope tier beiden Edelgase zurückgehalten, so daß sie in konzentrierter Form zur Messung zur b5 Verfugung stehen. Obgleich moderne Methoden zur Isotopenanalyse sehr empfindlich sind, läßt sich in den meisten Fällen durch die Messung des auf konzentrierten Gases eine bessere Empfindlichkeit und Genauigkeit erzielen und eine einfachere Meßapparatur verwenden.
Für die Messung selbst bieten sich zwei Prinzipien an, von denen das eine auf den unterschiedlichen Massen (sog. Massenspektrometrie), das andere auf den geringen Unterschieden in den Wellenlängen der optischen Spektrallinien der verschiedenen Isotope (optische Spektrometrie) beruhen.
Von den verschiedenen Ausführungsformen von Geräten zur Massenspektrometrie ist das sog. Quadrupol-Massenfilter für das der Erfindung zugrundeliegende Verfahren gut geeignet. Das Quadrupol-Massenfilter ist zugleich das einfachste und billigste Massenspektrometer.
Eine inhärente Eigenschaft der Massenspektrometrie ist, daß die zu untersuchende Substanz verbraucht wird. Wenn nur sehr kleine Substanzmengen zur Verfügung stehen, bieten daher optische Verfahren Vorteile, da ein einzelnes Atom oder Molekül u. LJ. beliebig oft zur Absorption und/oder Emission gebracht werden kann. Wegen der Möglichkeit eines vollständigen Einschlusses der Probensubstanz erleichtern optische Verfahren außerdem die Handhabung von Mischungen stabiler und radioaktiver Stoffe.
Erschwerend bei der optischen Isotopenanalyse wirkt sich aus, daß die Unterschiede in den Wellenlängen der Spektrallinien der einzelnen Isotope (sog. Isotopieverschiebungen) eines Krypton- oder eines Xenon-Gemisches so klein sind, daß sie innerhalb der normalen Breite der Spektrallinien liegen, wie sie gewöhnlich beobachtet wird.
Diese Breite wird durch zwei Phänomene verursacht, nämlich erstens durch die Stöße der einzelnen Gaspartikeln (Atome) untereinander (sog. Druckverbreiterung) und zweitens durch die schnelle ungeordnete Bewegung der Gasatome (sog. Doppler-Verbreiterung). Die Ausschaltung dieser beiden Effekte und die Beobachtung der optischen Isotopieverschiebung gelingt durch die Anwendung an sich bekannter Kunstgriffe auf die Bestimmung von Isotopenverhältnissen.
Im Prinzip bieten sich hierzu u.a. folgende Möglichkeiten an:
1. Verminderung der Stoßhäufigkeit der Gasatome durch Verminderung des Drucks und der Geschwindigkeit durch Absenken der Temperatur.
2. Verminderung der Stoßhäufigkeit und Überführung der ungeordneten Geschwindigkeit in eine geordnete Geschwindigkeit durch Erzeugung eines in einen luftverdünnten Raum ausströmenden Gasstrahls, der senkrecht zur Strömungsrichtung beobachtet wild (sog. Atomstrahlmethode).
3. Verminderung des Druckes und Anregung der Atome mit zwei Lichtquanten, von denen jedes nur die Hälfte der erforderlichen Energie enthält, die aber aus entgegengesetzten Richtungen kommen, so daß sich ihre entgegengesetzt gleich großen Dopplerverschiebungen gerade kompensieren (sog. Zweiphotonen-Spektroskopie).
4. Verminderung des Druckes und Reflexion des Lichtstrahls in sich selbst. Ist die Wellenlänge des Lichtstrahls verschieden von der Wellenlänge der Linienmitte, so »sieht« der Strahl sowohl auf dem Hinweg als auch auf dem Rückweg Atome, deren Flugrichtung und -geschwindigkeit so beschaffen ist, daß sie das Licht absorbieren kön-
nen; in der Linienmitte aber haben die auf dem Rückweg absorptionsfähigen Atome schon auf dem Hinwege absorbiert, scheiden also für weitere Absorption aus, und die Gesamtsabsorption sinkt bei geeigneter Wahl der physikalischen Bedingungen in der Linienmitte wieder ab: die breite Absorptionslinie zeigt in ihrer Mitte eine schmale Einbuchtung, den sog. Lamb Dip (Lamb Dip. oder Sättigungsspektroskopie).
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, anhand der Zeichnungen, erläutert die Erfindung. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung am Beispiel eines Kernreaktors, und
Fig. 2 eine Möglichkeit der Isotopenanalyse mit Hilfe der Sättigungsspektroskopie.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Reaktor mit dem Druckbehälter 1 und den Brennelementen 2. Die Reaktorabluft 3 gelangt in eine Edelgasrückhalteanlage 4. Die von Krypton oder Xenon freie Abluft 5 wird über hier nicht wesentliche Zwischenstufendem Kamin 6zugeführt, die Edelgase Krypton oder Xenon 7 gelangen in die Meßeinrichtung 8 zur Bestimmung der Edelgaszusammensetzung. Nach der Messung werden die Edelgase entweder über einen Speicher 9 an den Kamin 6 abgegeben oder einem Lager 10 zugeführt.
In Fig. 2 tritt das Licht variabler Wellenlänge eines Lasers 1, der mit Hilfe eines auf einem piezoelektrischen Quarz montierten Endspiegels 2 durchgestinimt werden kann, über optische Elemente (Spiegel 3, 4, 5) durch eine Küvette 6, die das Probegas enthält, auf einen Spiegel 7, der es in sich selbst zurückwirft, so daß es abermals durch die Küvette 6 und auf den Spiegel 5 fällt. Bildet man z.B. die Spiegel 4 und 5 als Hohlspiegel geeigneter Krümmung aus und verkippt man den Endspiegel 7 um ein weniges aus der Normalen zum einfallenden Strahl, so liegen die Brennpunkte zwischen den Spiegeln 4 und 5 für einfallenden
κι und zurücklaufenden Strahl nicht genau an derselben Stelle. Die Anbringung eines Detektors 8 im Brennpunkt des reflektierten Strahls gestattet die Aufzeichnung der Intensität des reflektierten Signals und die Bestimmung der Wellenlängenabhängigkeit der Ab-
i) sorption durch das Probegas in der Küvette, wenn man das Detektorsignal in einem Verstärker 9 geeignet konditioniert und mit einem Aufzeichnungsgerät (Oszilloskop, Schreiber od.dgl., 10) als Funktion der Wellenlänge, für die u. a. die Spannung aus dem Treiber 11 des Piezoquarzes ein Maß ist, registriert.
Allerdings sind für die direkte Anregung der Edelgase Xenon und Krypton aus dem atomaren Grundzustand z. Zt. noch keine Laser mit geeigneten Daten (Wellenlänge, Intensität, Durchstimmbereich) be-
2> kannt. Daher muß das Gas vorangeregt werden, was z.B. elektrisch mit Hilfe in die Küvette eingeschmolzener Elektroden 12, die von einem Netzgerät 13 versorgt werden, geschehen kann. Versieht man die Küvette mit Gaseinlaß- und -auslaßstutzen 14, so ist auch
ίο quasi-kontinuierlicher Betrieb im Durchfluß möglich.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Identifikation undichter Komponenten aus einem Vielkomponentensystem, bei dem der Füllung der Komponenten Zusatzstoffe beigegeben werden, und bei auftretenden Undichtigkeiten austretende Teile der Füllung aufgefangen und einer Analyse unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe für die einzelnen Komponenten unterschiedliche Element- und/oder Isotopenzusammensetzungen aufweisen und die aufgefangenen Teile der Füllung einer Element- und/oder Isotopenanalyse der Zusatzstoffe unterworfen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe bereits bei der Herstellung der Komponenten deren Füllung beigegeben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe vor ihrer Analyse aus den bei Undichtigkeiten austretenden Füllungsteilen chemisch und/oder physikalisch abgetrennt werden.
4. Verfahrennach Anspruch 1 zur Überprüfung edelgasgefüllter Brennstäbe oder Brennelemente eines Kernreaktors, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelgasfüllung Edelgase wie z.B. Krypton und/oder Xenon in unterschiedlicher, aber bekannter Element- und Isotopenzusammensetzung beigegeben und in der Reaktorabluft aufgespürt werden, um durch Messung ihrer Zusammensetzung nach Elementen oder Isotopen die Bestimmung der undichten Komponente(n) zu ermöglichen.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Zusammensetzung der Zusatzstoffe auf optischem Wege erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopenzusammensetzung der Zusatzstoffe durch optische Sättigungsspektroskopie ermittelt wird.
7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorption der Strahlung eines durchstimmbaren Lasers in einer mit der Probesubstanz gefüllten Küvette in Abhängigkeit von der Wellenlänge bestimmt und die Stoß- und Dopplerverbreiterung durch Messung des Lamb Dip bei vermindertem Druck eliminiert wird.
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