DE2705753C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Radialabstandes zwischen Spaltstoff und Umhüllung in Spaltstoffstäben für Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Radialabstandes zwischen Spaltstoff und Umhüllung in einem Spaltstoffstab für einen Kernreaktor. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß gegenseitige mechanische Beeinflussung zwischen den gewöhnlich aus Uranoxid-Pellets bestehenden Spaltstoff und dem gewöhnlich aus einer Zirkoniumlegierung bestehenden Hüllrohr dazu führen kann, daß Spaltstoffstäbe in Kernreaktoren ausfallen, was im wesentlichen von der unterschiedlichen Wärmeausdehnung des Spaltstoffes bzw. der Umhüllung im Betrieb herrührt.

Um derartige Ausfälle zu vermeiden, wird zwischen Spaltstoff und Umhüllung ein bestimmter Spielraum oder ein Radialabstand vorgesehen, so daß beim Anlassen des Reaktors keine sogenannte »harte« gegenseitige mechanische Wechselwirkung auftreten kann. Im Verlauf des Normalbetriebes des Reaktors können jedoch verschiedene Veränderungen auftreten, welche diesen Radialabstand verringern, so daß im Laufe des Betriebes dennoch die Gefahr besteht, daß Spaltstoffstäbe ausfallen.

Es ist daher von äußerster Wichtigkeit, daß der erwähnte Radialabstand entweder innerhalb des Reaktors oder nach Entnahme des den Spaltstoffstab haltenden Brennelementes aus dem Reaktor ohne Schwierigkeiten gemessen werden kann.

Da bestrahlte Spaltstoffstäbe hochgradig radioaktiv sind, müssen alle Manipulationen mit derartigen Stäben hinter einem dicken Schutzschild erfolgen, was zwangsläufig die Überprüfungen und vorzunehmenden Messungen sehr erschwert.

Es ist bereits bekannt, den Radialabstand zwischen Spaltstoff und Umhüllung mittels der Neutronenradiographie zu messen. In gleicher Weise ist es bekannt, diesen Abstand durch Anwendung der Metallographie oder Keramographie zu bestimmen. In diesem Fall wird aus dem Brennstoffstab ein Stück als Muster herausgeschnitten. Auf diese Weise kann beispielsweise durch Beobachtungen in einem Mikroskop eine mehr oder weniger genaue Bestimmung des Radialabstandes erfolgen. Dieses letztgenannte Verfahren ist zwangsläufig

destruktiv, was einen eindeutigen Nachteil bedeutet

Im übrigen sind die vorgenannten bekannten Verfahren kostenaufwendig und die durch sie erziehen Resultate nicht sehr genau. Außerdem lassen sie sich nur bei dementierten Brennstoffstäben durchführen, da derartige Messungen innerhalb eines Reaktors nicht möglich sind.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein zerstörungsfreies Verfahren zur Messung des Radialab-Standes zwischen Spaltstoff und Umhüllung in einem Spaltstoffstab für einen Kernreaktor und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung dadurch gelöst, daß die Umhüllung lokal in radialer Richtung bis zur Berührung des innenliegenden Spaltstoffes zusammengedrückt wird, und daß die Kraft in Abhängigkeit vom radialen Weg gemessen wird.

Die Meßwerte werden in geeigneter Weise aufgenommen. Werden die Meßwerte von einem Koordinatenschreiber wiedergegeben, so läßt sich aus dem Kraft/ Weg-Diagiamm unmittelbar erkennen, bei welcher radialen Deformation eine Berührung zwischen Umhüllung und Spaltstoff eintritt. Die Meßwerte können aber auch mit einer Datenverarbeitungsanlage ausgewertet werden, die in entsprechender Weise programmiert ist.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen einseitig gelagerten Hebel mit einem Kraftmeßfühler und eine den Hebel mit einer Kraft beaufschlagende Einrichtung aufweist, daß der zusammendrückende Spaltstoffstab zwischen dem Hebel und einem Auflagebock angeordnet ist und daß der Hebel eine Durchgangsbohrung für einen den Spaltstoffstab berührenden Fühler eines Wegmessers aufweist.

Das vorbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren ist nicht destruktiv. Mit Fernsteuerung läßt sich dieses Verfahren ohne weiteres in radioaktiver Umgebung durchführen. So kann es bei Musterstäben in einem Testreaktor angewendet werden, ferner bei normalen Brennstoffelementen, die in das Wasserbecken einer Kernreaktoranlage getaucht sind oder auch bei Stäben, welche zwecks nachträglicher Überprüfung in ein hochgradig aktives Laboratorium übergeführt werden. Da das Verfahren nicht destruktiv ist, kann ein geprüfter Spaltstoffstab ohne weiteres wieder in den Reaktor eingesetzt werden.

Das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Messung besteht darin, daß die Umhüllung mechanisch zusammengedrückt wird, bis sie den Spaltstoff selbst berührt. Da nur geringe Radialabstände und infolgedessen auch nur geringe Deformierungen in Frage kommen, erfolgt dieses Zusammenpressen stets innerhalb des Elastizitätsbereiches des Hüllrohres, welches üblicherweise als Umhüllung dient.

Das anfängliche Verhalten des Stabes entspricht dem Verhalten eines leeren elastischen Rohres. Sobald jedoch der Kontakt zwischen Hüllrohr und Spaltstoff hergestellt ist, zeigt der Stab ein starres Verhalten. Diese Verhaltensänderung wird ausgenutzt, um den Radialabstand zu bestimmen. Indem die Meßvorrichtung mit Kraft- und Wegmessern versehen wird und indem die Meßwerte einzeln längs zugeordneter Achsen eines Ko-

b5 ordinatenzeichners aufgezeichnet werden, läßt sich ohne weiteres eine geeignete Kurve herstellen, aus welcher der relevante Abstand abgeleitet werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeich-

nungen im einzelnen erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig.2 typische Kraft-Wegkurven, welche bei dem bevorzugten Durchführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehen.

Wie F i g. 1 zeigt, ist auf einer Grundplatte 1 ein Lagerblock 2 befestigt, auf bzw. in welcnem ein Hebel 3 derart verschwenkbar gelagert ist, daß er gegen einen auf einem ebenen Auflagebock 5 angeordneten Spalt-Stoffstab 4 gedrückt werden kann, wobei der Auflagebock 5 zweckmäßigerweise austauschbar ist, um die Vorrichtung an unterschiedliche Durchmesser von Spaltstoffstäben anpassen zu können. Der Hebel 3 trägt einen Kraftmeßfühler 6, welcher an eine elektrische Leitung angeschlossen ist Dieser Kraftmeßfühler besitzt herkömmliche Spannungsmesser, welche elektrische Ausgangssignale abgeben, welche die im Hebel 3 aufgespürten Spannungen darstellen. Am freien Ende des Hebels 3 ist eine auf der Grundplatte 1 abgestützte, pneumatische Kolben/Zylinder-Anordnung 7 angeordnet Der Kolben kann durch zwei Druckluftleitungen auf und nieder bewegt werden. Beim Einbringen des Spaltstoffstabes 4 in die Vorrichtung wird der Kolben in seine oberste Totlage geschoben, um den Hebel 3 mittels eines Halters 8 anzuheben, da Kolben und Hebel nicht direkt miteinander verbunden sind. Während der Messung wird der Luftdruck auf die Oberseite des Kolbens allmählich erhöht, um den Spaltstoffstab 4 zu belasten. Die sich dadurch ergebende Deformierung wird mittels eines Wegmessers 9 gemessen, welcher einen Differentialtransformator aufweist und mit einem Stift verbunden ist, der unter Federdruck durch eine Durchgangsbohrung des Hebels 3 hindurch mit der Umhüllung des Spaltstoffstabes 4 in Berührung steht. Zwischen dem Wegmesser und dem Spaltstoffstab 4 ist eine Mikrometermeßuhr 10 eingesetzt, welche jedoch nicht direkt für die Wegmessungen verwendet wird, sondern zur Eichung des Wegmessers 9 dient Eine derartige Eichung wird vorzugsweise in der Weise durchgeführt daß der Spaltstoffstab 4 mit einer Kraft zusammengepreßt wird, welche eine bestimmte Zeigerabweichung an der Mikrometermeßuhr ergibt, wobei beispielsweise 100 Skalenstriche 0,1 mm entsprechen, und daß der entsprechende Abstand längs der zugeordneten Achse auf dem Koordinatenzeichner markiert wird. Auf dem Stift zwischen der Mikrometermeßuhr und dem Brennstoffstab 4 ist eine Hülle 11 derart angeordnet, daß der Stift angehoben wird und den Brennstoffstab 4 freigibt, wenn der Hebel 3 angehoben wird. Die durch die Kraft- und Wegsensoren erzeugten Ausgangssignale werden über Verstärker 12 einem Koordinatenzeichner 13 zugeführt.

Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel wird die zusammendrückende Kraft längs Linien parallel zur Achse des Spaitstoffstabes beiderseits desselben aufgebracht; jedoch sind auch andere Kraftverteilungen, wie beispielsweise Punktkräfte oder mehr als zwei Kraftrichtungen, anwendbar.

Der Aufbau der Vorrichtung hängt zudem davon ab, wo diese eingesetzt werden soll, ob etwas in einem Reaktor, in einem Reaktorbecken oder in einem hochgradig radioaktiven Laboratorium.

Um die Auswertung der Meßresultate zu erleichtern, können zusätzlich zur vorbeschriebenen Aufzeichnung der Kraft/Wegkurven auch Analysen mittels eines geeignet programmierten Prozessors durchgeführt werden. Damit können Kraft- und Wegaufzeichnungen mit einer bestimmten Meßraie. von beispielsweise zehn Messungen/Sekunde, wiederholt werden. Dies bedeutet daß zwei Gleichspanr.ungswerte, welche jeweils der Kraft und dem Weg proportional sind, mittels Digitalvoltmetern gemessen und digital auf einem Magnetband in Abständen von jeweils 0.1 see aufgezeichnet werden. Entsprechend dem Prozessor-Programm werden diese Gleichspannungswerte in die entsprechenden Werte der Kraft bzw. Deformierung umgewandelt um eine Elastizitätskurve für den Druckvorg-uig zu bestimmen und außerdem den Punkt festzulegen, an welchem diese Kurve um einen gegebenen Setrag von der ursprünglichen Geraden abweicht Schließlich wird dieser Prozessor derart programmiert daß er den Radialabstand zwischen Spaltstoff und Umhüllung vom Deformierungswert entsprechend diesem Punkt ableitet.

Zur Illustrierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt F i g. 2 einige Kraft-Wegkurven, weiche nach Messungen an einem bestrahlten Spaltstoffstab in der vorbeschriebenen Weise aufgezeichnet wurden. Bei einer ersten Druckbeaufschlagung des Stabes erhält man eine Kurve a. Diese Kurve a ist längs ihres gesamten Verlaufes mehr oder weniger gekrümmt was bedeutet daß kein linearer elastischer Abschnitt der Kurve erkennbar ist. Dies resultiert augenscheinlich aus der Tatsache, daß der Spaltstoff nach der Bestrahlung keinen massiven Zylinder mehr bildet, sondern in mehrere, gegeneinander verschobene Stücke zerbröckelt ist. Infolgedessen muß eine gewisse Anpassung des Spaltstoffmaterials während des ersten Zusammendrückens des Brennstoffsiabes erfolgen. Die Kurven b, c und d stellen ein zweites, ein drittes und ein viertes Zusammendrücken dar, wobei jede dieser Kurven eindeutig einen linearen Anfangsabschnitt zeigt, welcher an einer bestimmten Stelle in ein gekrümmtes Teil übergeht. Eine Nullpunkt-Verschiebung parallel zur V-Achse wurde nach dem Aufzeichnen jeder Kurve vorgenommen, um die einzelnen Kurven eindeutig voneinander zu trennen, wie dies in der Figur gezeigt ist. Der Abstand in Richtung der X-Achse vom Anfangspunkt einer Kurve bis zu dem Punkt, an welchem diese Kurve von ihrer linearen Bahn abgeht, stellt den zu messenden Spielraum oder Radialabstand dar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung des Radialabstandes zwischen Spaltstoff und Umhüllung in einem Spaltstoffstab für einen Kernreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung lokal in radialer Richtung bis zur Berührung des innenliegenden Spaltstoffes zusammengedrückt wird, und daß die Kraft in Abhängigkeit vom radialen Weg gemessen wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen einseitig gelagerten Hebel (3) mit einem Kraftmeßfühler (6) und eine den Hebel (3) mit einer Kraft beaufschlagende Einrichtung (7) aufweist, daß der zusammenzudrückende Spaltstoffstab (4) zwischen dem Hebel und einem Auflagebock (5) angeordnet ist und daß der Hebel eine Durchgangsbohrung für einen den Spaltstoffstab (4) berührenden Fühler eines Wegmessers (9) aufweist.