DE2801253A1

DE2801253A1 - Einrichtung zum messen der lokalen leistung in einer brennstoffanordnung eines kernreaktors

Info

Publication number: DE2801253A1
Application number: DE19782801253
Authority: DE
Inventors: Harald Korpaas; Robert H Leyse; Robert D Smith; Eric Rolstaen Thor
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1977-03-23
Filing date: 1978-01-12
Publication date: 1978-10-05
Also published as: NO780568L; SE422856B; FR2385187A1; BE861565A; FR2385187B1; US4298430A; IT1091378B; SE7713796L; JPS5430882A; ES232882Y; JPS5853759B2; DE7808631U1; NO147162C; ES232882U; NO147162B; DE2801253C2; GB1587969A

Description

Patentanwälte SPMY ■

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

Dr.-Ing.H.Liska

B.6127.4

8 MÜNCHEN 86, DEN

Postfach 860820 1 2. Jan. 1978

MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

ELECTRICITE DE FRANCE (Service National) 2, rue Louis Murat, 75008 Paris, Frankreich

Einrichtung zum Messen der lokalen Leistung in einer Brennstoffanordnung eines Kernreaktors

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum lokalen Messen der Wärmemenge, die innerhalb des Brennstoffs in einer Anordnung des Kerns eines Kernreaktors erzeugt wird. Die Kenntnis dieser Größe und insbesondere die Bewertung der spezifischen Schnelligkeit, mit der die Wärmeeinheiten erzeugt werden, ermöglicht durch angepaßte bzw. geeignete Maßnahmen somit einen sicheren und wirkungsvollen Schutz dieser Anordnungen des Kerns des Kernreaktors und infolgedessen der gesamten nuklearen Anlage.

Es ist bereits eine Anzahl von Apparaturen bekannt, die eine Messung der lokalen Leistung ermöglichen, und diese Apparaturen beruhen allgemein auf der Bestimmung des Neutronenflusses in der unmittelbaren Nähe des Brennstoffs, und eine bekannte Relation ermöglicht es, den Wert dieses Flusses mit der freigesetzten Leistung zu verknüpfen. Insbesondere seien als Beispiele für diese Art von Apparaturen die Spaltkammern, die Neutronendetektoren, die Neutronenthermometer und die Kollektrons erwähnt. Trotzdem erfüllt keine dieser Apparaturen ihre vorgesehene Funktion vollkommen; denn ihre Signale sind gewöhnlich nicht proportional zu der lokalen Leistung, die von dem Brennstoff freigesetzt wird, weil sie mit dem Fluß der einfallenden Neutronen variiert. In dieser Hinsicht sei darauf hingewiesen, daß die Bestimmung der abgegebenen Leistung gewisse Annäherungen erforderlich macht,um während des Verlaufs der Dauer der Benutzung der Apparatur die Abnahme des Wirkungsquerschnitts des verbrauchten Brennstoffs wie auch die Abschwächung bzw. Dämpfung des Signalerzeugers selbst zu berücksichtigen.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, eine lokale Messung der freigesetzten Leistung mit Hilfe von Apparaturen durchzuführen, die unter der Bezeichnung "γ-Strahlenthermometer" bekannt sind und bei denen die Erhöhung der gemessenen Temperatur aufgrund einer Einwirkung von elektromagnetischer Strah-

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lung von γ-Strahlen erfolgt, und zwar in einem Verhältnis, das 95% erreichen kann, wobei etwa 70% von Spaltungen herrühren, die im Augenblick der Messung erzeugt werden, und 25% von anderen Spaltungen, die während eines dieser Messung vorhergehenden Zeitraums in der Größenordnung von 5 mn dazwischen- bzw. dazugekommen sind. In diesen γ-Strahlenthermometern kann der Wert der Temperaturerhöhung in einem Körper, welcher die Strahlen absorbiert, im Ergebnis auf einer kontrollierten und konstanten Strecke gemessen werden, die für die Abführung der erzeugten Wärme vorgesehen ist. Die Gesetze der Leitung zeigen, daß der Unterschied der Temperatur, der auf einem gegebenen Verlauf durch einen Körper mit konstanter Leitfähigkeit gemessen worden ist, proportional der Wärmeerzeugung ist und infolgedessen der Leistung, die durch den Kernbrennstoff, der sich in seiner unmittelbaren Umgebung befindet, aufgrund von Kernspaltungen in diesem Brennstoff freigesetzt worden ist.

Nun sind die γ-Strahlenthermometer in der Praxis bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt fast nur in Schwerwasserreaktoren verwendet worden, wo sie Signale liefern, die der spezifischen Erzeugung von Wärme proportional sind, ohne daß irgendeine Kompensation im Hinblick auf die Verarmung des Urans entsprechend dem Lauf bzw. Betrieb des Reaktors und im Hinblick auf den Verlust der Empfindlichkeit des Meßinstruments erforderlich ist. Darüberhinaus haben diese Apparaturen eine sehr erhöhte Stabilität, weil die Absorption der γ-Strahlen nur von der Dichte des absorbierenden Körpers abhängt und nicht durch die Veränderungen beeinflußt wird, die sich aufgrund von Modifizierungen der atomaren oder isotopischen Struktur ergeben, welche die anderen Arten von Detektoren charakterisieren. Die Wirkung des angrenzenden Neutronenflusses auf die Materie hat hier infolgedessen einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Eigenschaften, welche die Absorption der γ-Strahlen bestimmen, und auf die daraus resultierende Erhöhung der Temperatur.

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Trotzdem sind die γ-Strahlenthermometer, die bisher realisiert wurden, insbesondere für Schwerwasserreaktoren, nur für Leistungen von punktuellem Maße geeignet, die in mW/g angegeben werden, und diese Apparate benutzen allgemein eine absorbierende, metallische Masse, die im Inneren einer Schutzhülle angebracht ist , welche im Kern unter den Brennelementen angeordnet ist, wobei ein Teil der absorbierenden, metallischen Masse, der sich in Kontakt mit der Hülle und mit der äußeren Umgebung befindet, im wesentlichen auf der Temperatur der letzteren ist, während ein anderer Teil der absorbierenden, metallischen Masse mit der ersteren verbunden, jedoch in einer isolierten Kammer angeordnet ist, wobei der Raum zwischen dem letzteren Teil und der Hülle mit einem Gas oder Luft gefüllt oder selbst unter Vakuum angeordnet ist. Die Einrichtung realisiert auf diese Weise einen Wärmeschacht, in dem man mit Hilfe von Thermoelementen den Temperaturunterschied zwischen den beiden Teilen der absorbierenden Masse messen kann. Kennt man die geometrischen Charakteristika der letzteren, dann kann man nach einer vorherigen Eichung die absorbierte Wärmeleistung ableiten bzw. bestimmen, und damit die Leistung, die von dem angrenzenden Kernbrennstoff freigesetzt wird.

Mit der Erfindung soll die praktische Realisierung eines γ-Strahlenthermometers dieser Art ermöglicht werden, jedoch soll es möglich sein, dasselbe in γ-Strahlenflüssen zu benutzen, die merkbar bzw. beträchtlich erhöht gegenüber denjenigen sind, welche in den Schwerwasserreaktoren angetroffen werden, beispielsweise sollen die γ-Strahlenthermometer gemäß der Erfindung in Leichtwasserreaktoren anwendbar sein, sowie im vorliegenden Falle in Reaktoren mit schnellen Neutronen, und sie sollen eine Messung der linearen Leistung ermöglichen, welche von dem Brennstoff freigesetzt wird, und zwar allgemein gemessen in W/cm.

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Mit der Erfindung soll es außerdem möglich gemacht werden, dank der Geschwindigkeiten der Temperaturerhöhung, die in einem Leichtwasserreaktor merkbar größer sind, eine ausreichende Miniaturisierung des in Frage stehenden γ-Strahlenthermometers durchzuführen, welche dessen Montage in einer Hülle bzw. Hülse mit sehr geringem Durchmesser und großer Länge zuläßt, die unter das Bündel ummantelter Stäbe einer Brennstoffanordnung eingefügt werden kann, wie sie üblicherweise in einem Reaktor dieser Art verwendet werden (8 bis 10 mm Durchmesser und 4 m Länge).

Mit der Erfindung soll es weiterhin ermöglicht werden, eine genaue und sichere Messung durchzuführen, die im Verlauf der Zeit keine wesentliche Abweichung aufweist und trotzdem insbesondere zuverlässig ist, und diese Messung soll in einer Reihe von aufeinanderfolgenden, unterschiedlichen Zonen über die gesamte Höhe der Anordnung durchgeführt werden können.

Schließlich soll es durch die Erfindung möglich sein, ein γ-Strahlenthermometer zu realisieren, das vor der Montage im Kern des Reaktors mit Hilfe eines Systems, welches die durch den Brennstoff freigesetzte Leistung simuliert, im Labor genau geeicht werden kann.

Wie bereits angedeutet wurde, besteht das benutzte Prinzip zur Realisierung der Messung mit Hilfe eines γ-Strahlenthermometers schematisch darin, daß man in der Masse eines absorbierenden Körpers eine Strecke konstanter und bestimmter Leitfähigkeit anordnet bzw. vorsieht und daß man nach einer Eichung aus der Temperaturdifferenz, die an den Enden dieser Strecke gemessen wird, den Wert der durch den Körper absorbierten Wärmeleistung und infolgedessen der Wärmeleistung, die durch den umgebenden Kernbrennstoff erzeugt wird, ableitet.

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Von diesem Standpunkt aus kann man melr ere Konfigurationen in Betracht ziehen, welche eine spezifische Strecke für die Abführung der erzeugten Wärme definieren, indem man die sekundären oder parasitären, thermischen Strecken ausschaltet, die geeignet sind, eine merkbare Herabsetzung der Genauigkeit der Messungen herbeizuführen. So kann man in der einfachsten Weise einen vollzylindrischen, absorbierenden Körper benutzen, der ein erstes Thermoelement enthält, das in seinem Zentrum angeordnet ist, sowie ein zweites Thermoelement, das sich an sich an seiner Peripherie befindet; die Wärme wird radial abgeleitet, und der gemessene Temperaturunterschied zwischen den Thermoelementen ist proportional dem Quadrat des Radius des Querschnitts dieses Zylinders und der Erzeugung der Wärme in dem entsprechenden Volumen, und sie ist umgekehrt proportional der Wärmeleitfähigkeit des Körpers. Trotzdem ist eine solche Art der Realisierung in der Praxis nicht unbedingt beizubehalten, denn der gemessene Temperaturunterschied Δι ist für eine wirklich signifikante Messung nicht genügend hoch innerhalb der Grenzen der Ausmaße, die für eine Montage in dem Bündel von Stäben einer Brennstoffanordnung eines Kernreaktors zulässig sind, insbesondere beim Typ eines Druckwasserreaktors; andere Lösungen bzw. Arten der Realisierung, die von der vorhergehenden abgeleitet sind, können ebenfalls in Betracht gezogen werden, und zwar solche, bei denen vorgesehen ist, daß die radiale Wärmeableitung besser kanalisiert ist, indem man dank eines Hohlraums, der in dem absorbierenden Körper vorgesehen ist, eine oder mehrere isolierende Kammern zwischen dem Zentralbereich und dem Umfangsbereich vorsieht, wobei diese Bereiche durch wenigstens einen radialen Arm vereinigt sind. Trotzdem sind diese Lösungen, obwohl sie den gemessenen Temperaturunterschied aufgrund des erhöhten Widerstands gegen die Wärmeübertragung infolge des Vorhandenseins der erwähnten isolierenden Kammer erhöhen, noch nicht genügend leistungsfähig, um in einem Kernreaktor mit Druckwasser sowie in einem Reaktor mit schnellen Neutronen angewandt zu werden.

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung, die zu den obengenannten Realisierungen beiträgt, und die es ermöglicht, eine Messung zu erhalten, welche einem beträchtlichen Temperaturunterschied entspricht, und die in Betracht stehende Einrichtung entspricht im übrigen der Gesamtheit der Ziele, die vorstehend dargelegt worden sind.

Zu diesem Zweck zeichnet sich die in Betracht stehende bzw. erfindungsgemäße Einrichtung dadurch aus, daß sie eine zylindrische Stange umfaßt, die aus einem für Wärme und Elektrizität leitfähigen Material ausgezogen bzw. verlängert ist, die bzw. das einen mittigen Kanal aufweist, der eine Anordnung von Thermoelementen enthält, wobei die jeweiligen kalten und warmen Verbindungen zwischen diesen Thermoelementen,die jede Messung herbeiführen, in getrennten Zonen gemäß bzw. entlang der Längsdimension der Stange angeordnet sind, und diese Stange weist in jeder Zone einen Teil von herabgesetztem Querschnitt auf, der sich über eine durch die Konstruktion bestimmte Länge erstreckt, wobei die heiße Verbindung eines Thermoelements in der Mitte der Länge dieses Teils festgehalten ist, während die kalte Verbindung über dem Ende dieses Teils bzw. jenseits des Endes dieses Teils und zwischen zwei Teilen von herabgesetztem Querschnitt in zwei aufeinanderfolgenden Zonen vorgesehen ist, und ein äußeres Schutzrohr umgibt die Stange und begrenzt in der Nähe von dem Teil herabgesetzten Querschnitts in jeder Zone eine ringförmige, isolierende Kammer.

Aufgrund dieser Anordnungen wird der Abfluß der durch γ-Strahlenabsorption in der zylindrischen Stange erzeugten Wärme, der normalerweise radial erfolgt, in der Nähe jeder Meßzone so reguliert bzw. eingestellt, daß er im wesentlichen axial längs der Länge des Teils herabgesetzten Querschnitts erfolgt, das von einer ringförmigen Kammer umgeben ist, wobei die Temperaturdifferenz auf dem Niveau jeder dieser Zonen durch zwei Thermoelementverbindungen gemessen wird, und zwar

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einerseits durch eine warme Verbindung in der Mitte der entsprechenden, ringförmigen Kammer und andererseits durch eine kalte Verbindung im Bereich des angrenzenden Nennquerschnitts der Stange.

Die Wahl eines Materials, das nicht nur ein Wärmeleiter, sondern auch gleichzeitig ein Elektrizitätsleiter ist, zum Zwecke des Ausbildens der zylindrischen Stange ermöglicht es übrigens, eine vorherige Eichung derselben durchzuführen, z.B. dadurch, daß man die Enden dieser Stange mit einem Generator, der elektrischen Strom erzeugt, verbindet und durch den bekannten elektrischen Widerstand der Stange eine bestimmte Wärmeleistung erzeugt. Indem man bei der Herstellung die Teile der Stange von herabgesetztem Querschnitt über die Länge hin- und herbewegt, d.h. über die Dimension der ringförmigen Kammern, die zwischen der Stange und dm äußeren Schutzrohr erzeugt werden, kann man auch für eine gegebene elektrische Leistung die Abweichung der entsprechenden Temperatur bestimmen. Umgekehrt und in der Funktion bzw. im Betrieb kann man, wenn man die durch die Konstruktion festgelegte Länge und die Abweichung der gemessenen Temperatur kennt, augenblicklich die freigesetzte Wärmeleistung ableiten bzw. bestimmen.

Vorzugsweise ist die zylindrische Stange aus rostfreiem Stahl hergestellt, insbesondere aus der Stahlsorte 3O4L. In einer demgegenüber abgewandelten Variante kann diese Stange aus Aluminium, aus Wolfram oder aus jedem anderen Metall oder jeder anderen Legierung bestehen, das bzw. die den Funktionsbedingungen entspricht bzw. für die vorstehend angegebene Funktion geeignet ist. In einer anderen Variante kann die Stange aus einem leitfähigen, keramischen Material bestehen. In gleicher Weise kann das äußere Schutzrohr aus Zircalloy, Stahl oder jedem anderen geeigneten Metall oder jeder anderen geeigneten Legierung hergestellt sein.

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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das äußere Schutzrohr von einer Hülle bzw. Hülse für die Aufnahme der zylindrischen Stange gebildet, das in einer zu kontrollierenden Brennstoffanordnung vorgesehen ist, und diese Stange wird im Betrieb in dieses Rohr eingeführt. In diesem Fall wird die Einstellung der Höhe der ringförmigen Kammern durch eine genaue Bearbeitung der Länge der Teile von herabgesetztem Querschnitt der Stange realisiert, nachdem man die Position der warmen Verbindung des Thermoelements bezüglich der Mitte dieses Teils genau angeordnet hat.

In einer anderen Ausführungsform ist das äußere Schutzrohr durch die Konstruktion fest bzw. formschlüssig mit der zylindrischen Stange verbunden, wobei die ringförmigen Kammern, die von der Stange und dem Rohr begrenzt werden, mit einem isolierenden Gas gefüllt oder evakuiert sind, wodurch die axiale Wärmeübertragung durch die herabgesetzten Querschnitt aufweisenden Teile der Stange in den unterschiedlichen Meßzonen noch verbessert wird. In dieser zweiten Ausführungsform kann die Stange an den Enden jeder Kammer eine konische Abschrägung bzw. Schrägkante aufweisen, die das eventuelle Einengen des äußeren Schutzrohrs ermöglicht, um das geeignete bzw. nutzbare Volumen der Kammer und deren Dimensionen zu begrenzen, und zwar insbesondere zum Zwecke des Kompensierens von Effekten, die aufgrund der Wärmeleitfähigkeit zwischen der zylindrischen Stange, dem Schutzrohr und der Umgebung auftreten.

Gemäß einem anderen Merkmal der in Betracht stehenden Meßeinrichtung nach der Erfindung können die Thermoelemente, die in dem mittigen Kanal der zylindrischen Stange enthalten sind, differentielle Thermoelemente sein, die längs einer Haarnadelschleife zwei Drähte aufweisen, welche von einem ersten leitfähigen Material ummantelt sind, vereinigt durch ein Zwischenteil eines zweiten leitfähigen Materials, wobei die Verbindungen zwischen diesen Leitern unterschiedli-

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eher Art die Verbindungsstellen des Thermoelements bilden. Vorteilhafterweise sind die Drähte der Thermoelemente jeweils aus Chromel oder aus Alumel hergestellt, und sie sind bevorzugt in einer Schutzhülle bzw. -hülse aus Inconel angeordnet, und zwar unter Zwischenfügung eines elektrisch isolierenden Materials zwischen die Hülle bzw. Hülse und die Drähte, wobei dieses Material aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder jedem anderen isolierenden Material bestehen kann.

Gemäß einem weiteren Merkmal sind die Thermoelemente in dem mittigen Kanal der zylindrischen Stange um einen mittigen Zentrierungs- und Positionierungsfinger bzw. -zapfen verteilt, wobei sich die Hülse jedes Thermoelements über die entsprechende Meßzone hinaus über die gesamte Länge des mittigen Kanals erstreckt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Einrichtung zum Messen der lokalen Leistung in einer Brennstoffanordnung eines Kernreaktors ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung von zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische, teilweise Ansicht einer Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor, die mit einer Meßeinrichtung nach der Erfindung versehen ist; Fig. 2 eine Schnittansicht in gegenüber Fig. 1

stark vergrößertem Maßstab, die Einzelheiten der in Betracht stehenden Einrichtung veranschaulicht;

Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß der Linie III-III der Fig. 2, und zwar in noch größerem Maßstab;

Fig. 4 eine Aufriß- und Teilschnittansicht gemäß der Linie IV-IV der Fig. 3; und

Fig. 5 eine der Fig. 2 analoge Schnittansicht, die ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der in Betracht stehenden Einrichtung zeigt.

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In der perspektivischen Ansicht der Fig. 1 ist mit 1 eine schematisch dargestellte Struktur einer Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor bezeichnet, insbesondere für einen Leichtwasserreaktor, die in bekannter Weise eine Reihe von umhüllten Brennstoffstäben, -nadeln, -stiften oder dergl. 2 umfaßt, welche regelmäßig verteilt bzw. angeordnet sind, wobei die Geometrie des Gitters, gemäß der diese Stäbe angeordnet sind, durch zellenförmige Gitter 3 aufrechterhalten wird, die in der Anordnung in regelmäßigen Zwischenräumen angebracht sind.

Gemäß der Erfindung umfaßt das Bündel von Stäben 2 an einer Stelle, die in geeigneter Weise von dem Gitter bzw. Netz der Stäbe bestimmt ist, ein Schutzrohr 4, in dessen Inneres eine Meßeinrichtung 5 eingeführt werden kann, die in diesem Rohr 4 angeordnet wird, und zwar insbesondere durch dessen unteren Teil (siehe den untersten Pfeil in Fig. 1), und die es ermöglicht, eine lokale Messung der Leistung durchzuführen, welche durch die umgebenden Brennstoffstäbe freigesetzt wird, wobei diese Messung auf unterschiedlichen Niveaus in der Anordnung durchgeführt werden kann, die ihrerseits in der Zeichnung durch eine Reihe von Pfeilen 6 angedeutet sind.

Wie in Fig. 2 in größerem Maßstab veranschaulicht ist, umfaßt die Meßeinrichtung 5 oder das in Betracht stehende γ-Strahlenthermometer prinzipiell eine zylindrische Stange 7 von geringem Durchmesser und großer Länge, die aus einem Material besteht, das ein guter Wärme- und Elektrizitätsleiter ist; vorzugsweise ist sie aus einem Metall hergestellt, z.B. aus rostfreiem Stahl, oder aus einer Legierung oder einer geeigneten, leitfähigen Keramik; und weiterhin umfaßt die Meßeinrichtung ein Rohr 7a als Fingerling zum Schutz der Stange 7, die in dieses Rohr eingefädelt bzw. in diesem Rohr aufgereiht ist.

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Diese langgestreckte Stange 7, die sich auf diese Weise über die gesamte Höhe des äußeren Schutzrohrs 4 in der Brennstoffanordnung 1 erstrecken kann, weist, wenn sie einmal in dem Rohr 4 an Ort und Stelle angeordnet ist sowie in der Nähe der Zonen, in denen die Messungen der Leistung durchgeführt werden sollen, in Fig. 1 durch Pfeile 6 schematisch angedeutete Zonen von Teilen 9 verminderten Querschnitts auf, die von ringförmigen Kammern 10 umgeben sind, und zwar werden diese ringförmigen Kammern von den Teilen 9 und von der Innenwand des Rohrs 7a in dem dargestellten Ausführungsbeispiel begrenzt. Die Stange 7 wird mit einem Spiel 11 in das Innere des Rohrs 7a eingeführt, dieses Spiel ermöglicht das Gleiten der Stange 7 im Inneren des Rohrs 7a, so daß es an Ort und Stelle gebracht oder zurückgezogen werden kann.

Weiterhin weist die zylindrische Stange 7 gemäß der Erfindung einen axialen, sich in Längsrichtung erstreckenden Kanal 12, der über die gesamte Höhe dieser Stange verläuft und in dem eine Anordnung von Thermoelementen, wie die Anordnung 13, angeordnet ist, deren Ausbildung im einzelnen weiter unten erläutert wird, auf; jedes dieser Thermoelemente ist einer der Meßzonen zugeordnet, die durch die Pfeile 6 (Fig. 1) angedeutet sind und sich längs der Länge des Rohrs 4 erstrecken, wobei die Thermoelemente in der Weise angeordnet sind, daß eine wärme Verbindungsstelle 14 des Thermoelements im wesentlichen in der Mitte der Höhe jedes Teils 9 von herabgesetztem Querschnitt vorgesehen ist, während eine kalte Verbindungsstelle 15 jenseits des Endes der entsprechenden Kammer 10 in dem Teil 8 der Stange 7 von nominellem Querschnitt vorgesehen ist.

Im Betrieb wird die γ-Strahlung, die von dem Kernbrennstoff der Stäbe 2, welche die Meßstange 7 umgeben, erzeugt wird, von der Masse der Meßstange 7 absorbiert und erzeugt eine Erhöhung der Temperatur. Die Wärmeeinheiten, die auf diese Weise absorbiert werden, fließen normalerweise radial

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durch Jeden der Teile der Stange 7 ab, jedoch mit Ausnahme der Bereiche 9 geringeren Querschnitts, wo das Abfließen infolge des Vorhandenseins der ringförmigen und isolierenden Kammern 10 axial erfolgt. Unter diesen Bedingungen ist es möglich, zwischen der warmen Verbindungsstelle 14 und der kalten Verbindungsstelle 15 jedes der Thermoelemente 13 eine Temperaturdifferenz A t zu messen, die es ermöglicht, sofern man die Dimensionen des Teils 9 und die Wärmeleitfähigkeit des Materials, welches die Stange 7 bildet, kennt, gemäß der Gleichung (1), die unten angegeben ist, die Menge an Wärme g zu messen, die durch diese Stange 7 erzeugt und absorbiert worden ist.

Hierin bedeutet L die Hälfte der Länge des Teils 9 und K bedeutet die Wärmeleitfähigkeit der Stange 7.

In Fig. 3 ist in noch größerem Maßstab ein Schnitt durch die Stange 7 der Meßeinrichtung dargestellt, und zwar insbesondere in dem Bereich ihres mittigen Kanals 12, in dem die Thermoelemente 13 verteilt sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Thermoelemente vorgesehen und an der inneren, zylindrischen Wand des mittigen Kanals 12 angeordnet. Jedes dieser Thermoelemente wird von zwei Leitern, nämlich den Leitern 16 und 17, gebildet, die z.B. aus "Chromel" bestehen, und diese Leiter sind von einer äußeren Schutzhülle 18 umgeben, die z.B. aus "Inconel" besteht. Der Bereich zwischen dieser Hülle und den Leitungsdrähten 16 und 17 ist von einem isolierenden Material 19 Ausgefüllt, das vorzugsweise aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder irgendeinem anderen elektrischen Isolator besteht. Die sechs Thermoelemente werden, nachdem sie einmal in den mittigen Kanal 12 eingebracht worden sind, in letzterem mittels eines mittigen Fingers 20 zentriert, der es ermöglicht, diese Thermoelemente zugleich richtig zu

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positionieren und fest anzuordnen, und gleichzeitig verbessert er die radiale Wärmeübertragung.

Wie man in näheren Einzelheiten aus Fig. 4 ersieht, sind die Leiter 16 und 17 jedes Thermoelements 13, die vorzugsweise aus "Chromel " bestehen, miteinander durch ein Zwischenteil 21 verbunden, das aus einem anderen Material besteht, vorzugsweise aus "Alumel", und die Schweißstellen dieser Drähte bilden jeweils die wärme bzw. heiße Verbindungsstelle 14 und die kalte Verbindungsstelle 15, welche es ermöglichen, die Messung in der oben angegebenen Weise durchzuführen. In dieser gleichen Fig. 4 sieht man insbesondere, daß die warme Verbindungsstelle 14 in der Mitte der ringförmigen Kammer 10 vorgesehen ist, während sich die Verbindungsstelle 15 außerhalb dieser Kammer befindet und in der Zone des nominellen Querschnitts der Stange 7 versenkt ist, in der die Temperatur im wesentlichen gleichförmig an allen Stellen ist. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß die Hülle 18 jedes Thermoelements über die gesamte Höhe des Kanals 12 verlängert ist, insbesondere über die wärme Verbindungsstelle 14 hinaus, und zwar durch einen Teil 22, der ebenfalls vorzugsweise aus Inconel, also vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Hülle 18, besteht.

In dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel wird die Meßeinrichtung gemäß der Erfindung prinzipiell von einer Stange 7 gebildet, die an den Stellen, an denen die Messungen in der Brennstoffanordnung durchgeführt werden sollen, Teile 9 von herabgesetztem Querschnitt aufweist, wobei die gesamte Anordnung direkt mit dem Inneren des äußeren Schutzrohrs 7a verbunden ist, das in dem Rohr 4 des Bündels von Brennstoffstäben oder -stiften 2 gleitet. In einer anderen Variante, die in Fig. 5 veranschaulicht ist, weist die Stange 7¹ wie vorher Teile von geringerem Querschnitt 9' auf, welche ringförmige

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Kammern 10' begrenzen, und diese Stange 7' ist aufgrund der Konstruktion von einem Schutzrohr 23 umgeben, das auf der Stange angebracht worden ist, und zwar während der Herstellung der letzteren und vor ihrem Einführen in das Innere des Rohrs 4 in der Anordnung. In diesem abgewandelten Ausführungsbeispiel ist die feste Anordnung des Schutzrohrs 23 bezüglich der Stange 7¹ dadurch erreicht worden, daß man in letztereran den Enden der Kammern 10' konische Abschrägungen 24 vorgesehen hat, die mit einer oder mehreren Verengungen bzw. Schultern 25 zusammenwirken können, welche in der äußeren Oberfläche des Rohrs 23 vorgesehen sind; die geeignete Position dieser Einschnürungen bzw. Eindellungen 25 wird so gewählt, daß die richtigen Dimensionen des Volumens der Kammern 10 und die Länge, über die die Wärmeeinheiten zwischen den warmen und kalten Verbindungsstellen der Thermoelemente abfließen, eingestellt werden.

Die Einrichtungen bzw. Anordnungen der oben erläuterten Ausführungsbeispiele ermöglichen es, wie auch immer die Art und Weise der gewählten Ausführung sei, die Abmessungen des γ-Strahlenthermometers beträchtlich herabzusetzen, und die verwendete Meßstange hat einen nominellen, äußeren Durchmesser, der geeignet ist, daß man die Stange in das Schutzrohr 7a oder 23 einbringen kann, das in dem Führungsrohr 4 gleiten kann, welches seinerseits in der Anordnung 1 montiert ist; dieses Rohr, das unter den Brennelementstäben bzw. -stiften 2 des Bündels angeordnet ist, besitzt selbst einen äußeren Durchmesser, der nicht über demjenigen dieser Stäbe bzw. Stifte liegt. Die Verteilung der Thermoelemente längs der Länge der Meßstange ermöglicht es außerdem, die freigesetzte Wärmeleistung von Stelle zu Stelle zu bestimmen und infolgedessen daraus durch eine direkte Messung den Wert der linearen Leistungen, die in dem Brennstoff der Brennelementstäbe bzw. -stifte, welche an die Stange angrenzen, erzeugt werden, abzuleiten.

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Damit indes eine solche Messung ermöglicht wird, kann die Einrichtung vor ihrer Montage in dem Schutzrohr einer vorherigen Eichung unterzogen werden, die gemäß der Erfindung hier sehr leicht realisierbar ist, und zwar deswegen, weil die Stange 7 oder 7' elektrisch leitfähig ist. Zum Zweck der Eichung wird diese Stange mit einer Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden, welche es ermöglicht, da man den elektrischen Widerstand dieser Stange kennt, künstlich eine geeignete Wärmemenge zu erzeugen und auf dem Niveau jedes der Thermoelemente die erzeugte Temperaturdifferenz zu messen. Dank dieser Eichung ist es nachher möglich, im Betrieb aus dem gemessenen Wert der Temperaturdifferenz die absorbierte thermische Leistung und infolgedessen die von dem umgebenden Brennstoff freigesetzte Leistung abzuleiten bzw. zu bestimmen. Gegebenenfalls kann eine analoge Eichung auch nach der Montage des Thermometers in seinem Schutzrohr durchgeführt werden.

Es sei schließlich darauf hingewiesen, daß in dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 5 die ringförmigen Kammern, welche die Teile schwächeren Querschnitts umgeben, in deren Mitte die warmen Verbindungsstellen der Thermoelemente angeordnet sind, bei der Montage mit einem geeigneten Gas gefüllt oder evakuiert werden können, wodurch die Wärmeisolation, die durch die Kammern bewirkt wird, und der axiale Wärmefluß längs dieser Teile von geringerem Querschnitt verbessert werden.

Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, daß die Verbindung der Drähte der Thermoelemente mit einer äußeren Meß- und Kontrolleinrichtung, welche diese Signale verarbeitet, in der jeweils den Zwecken und Bedingungen angepaßten Weise stattfinden kann.

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Claims

Patentansprüche

Ί.J Einrichtung zum Messen der lokalen Leistung in einer Brennstoffanordnung eines Kernreaktors, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine verlängerte bzw. langgestreckte, zylindrische Stange (7,7') aus einem für Wärme und Elektrizität leitfähigen Material aufweist, die einen mittigen Kanal (12) besitzt, der eine Anordnung von Thermoelementen (13) enthält, deren jeweilige warme und kalte Verbindungsstellen (14,15), zwischen denen jede Messung stattfindet, in getrennten Zonen entsprechend bzw. längs der Längsdimension der Stange vorgesehen sind, die in jeder Zone einen Teil (9,9') herabgesetzten Querschnitts aufweist, welche sich über eine durch die Konstruktion bzw. den Aufbau bestimmte Länge erstreckt, wobei die warme Verbindungsstelle (15) eines Thermoelements in dem Bereich, insbesondere in der Mitte, der Länge dieses Teils fest angeordnet bzw. festgelegt ist, während die kalte Verbindungsstelle (14) jenseits des Endes dieses Teils und zwischen zwei Teilen herabgesetzten Querschnitts in zwei aufeinanderfolgenden Zonen vorgesehen ist; und ein äußeres Schutzrohr (7a, 23), das die Stange umgibt und in der Nähe des Teils von herabgesetztem Querschnitt in jeder Zone eine ringförmige, isolierende Kammer (10,1O¹) begrenzt.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Stange (7,7') aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (7,7') aus Aluminium, Wolfram oder irgendeinem anderen geeigneten Metall oder irgendeiner geeigneten Legierung hergestellt ist.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (7,7') aus einer leitfähigen Keramik hergestellt ist.

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5· Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Schutzrohr (7a,23) aus Zircalloy oder aus Stahl ist.
6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Schutzrohr (7a,23) aus einer Aufnahmehülle bzw. -hülse für die zylindrische Stange (7,7') gebildet ist, die in einer zu kontrollierenden Brennst off anordnung vorgesehen ist.
7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Schutzrohr (7a,23) durch die Konstruktion bzw. den Aufbau fest bzw. formschlüssig mit der zylindrischen Stange (7>7^!) verbunden ist, wobei die ringförmigen Kammern (10,1O¹), welche von der Stange und dem Rohr begrenzt werden, vorzugsweise mit einem isolierenden Gas gefüllt oder evakuiert sind.
8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (13), die sich in dem mittigen Kanal (12) der zylindrischen Stange (7,7') befinden, differentielle Thermoelemente sind, die entsprechend bzw. längs einer Haarnadelschleife zwei ummantelte Drähte (i6, 17) aus einem ersten leitfähigen Material aufweisen, das durch ein Zwischenteil (21) aus einem zweiten leitfähigen Material vereinigt bzw. verbunden ist, wobei die Verbindungsstellen zwischen diesen Leitern unterschiedlicher Art die Verbindungsstellen (14,15) des Thermoelements bilden.
9. Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (16,17) der Thermoelemente (13) jeweils aus Chromel und aus Alumel hergestellt und in einer Schutzhülle bzw. -hülse (18) aus Inconel vorgesehen sind, wobei ein elektrisch isolierendes Material (19) aus Aluminiumoxid, aus Magnesiumoxid oder aus irgendeinem anderen elektrischen

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Isolator zwischen der Ummantelung und den Drähten vorgesehen ist.
10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 Ms 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (13) in dem mittigen Kanal (12) der zylindrischen Stange (7,7') um einen mittigen Zentrierungs- und Positionierungsfinger bzw. -zapfen (20) herum verteilt sind.
11. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 Ms 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle bzw. Ummantelung (18) jedes Thermoelements über die entsprechende Meßzone hinaus über die gesamte Länge des mittigen Kanals (12) verlängert ist.
12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Stange (7,7') mit einer äußeren Stromquelle verbunden bzw. verbindbar ist, welche ein Freisetzen von Wärme durch den Joule-Effekt und dadurch eine vorherige Eichung ermöglicht.

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