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Lecknachweis für Wärmetauscher in Kernenergieanlagen
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis einer
Undichtigkeit am Wärmetauscher zwischen dem Primär- und dem Sekundärkühlkreislauf
einer Kernenergieanlage. üblicherweise steht das Sekundärkühlmittel unter einem
höheren Druck als das Primärkühlmittel, da letzteres radioaktiv ist und eine Verunreinigung
des Sekundärkühlmittels durch dasselbe im Falle eines Lecks im Wärmetauscher vermieden
werden soll.
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Es ist bekannt, Undichtigkeiten an Behältern und Rohrleitungen, insbesondere
bei Vakuumanlagen nachzuweisen, indem auf der einen Seite Helium zugeführt und auf
der anderen Seite ggf. dieses Helium mit einem empfindlichen Meßgerät, beispielsweise
einem Massenspektrometer nachgewiesen wird. Dieser Nachweis mittels Helium ist für
zahlreiche Kernenergieanlagen nach ihrer Inbetriebnahme nicht mehr geeignet, weil
diese Anlagen entweder Helium als Kühlmittel nutzen oder aus anderen Gründen kleine
Heliummengen
enthalten. Auch müßte der Markierungsstoff, um auf chemischem Wege nachweisbar zu
sein, eine Konzentration erreichen, die in Kernenergieanlagen bereits den Charakter
einer störenden Verunreinigung des Kühlkreislaufes besitzt.
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In der GB-PS 10 71 794 wird vorgeschlagen, Behälter auf Dichtigkeit
zu prüfen, indem in den Behälter ein radioaktives Gas eingeführt wird und dieses
radioaktive Gas einerseits im Behälter und andererseits außerhalb des Behälters
in einer Kammer mit reduziertem Druck nachgewiesen wird. Insbesondere wird für diesen
Zweck Krypton-85 vorgeschlagen. Die Verwendung von radioaktiven Substanzen im Sekundärkreislauf
ist aber auch in nur geringen Mengen unerwünscht. Im Primärkreislauf kann aber die
Verwendung von solchen radioaktiven Gasen zu Meßfehlern führen, die ohnehin im Primärkreislauf
vorhanden sein können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Nachweis
von kleinen Undichtigkeiten an Wärmetauschern für Primär- und Sekundärkreisläufe
von Kernenergieanlagen während ihres Betriebes.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem 1. Anspruch
vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Einführung einer kleinen Menge eines nichtaktiven,
jedoch aktivierbaren Fluids in den Sekundärkreislauf ist mit geringem Aufwand verbunden
und ergibt dort normalerweise keine besonderen Probleme. Wenn nun der Wärmetauscher
zum Primärkreislauf eine kleine Undichtigkeit aufweist, dringt ein kleiner Teil
dieses aktivierbaren Fluids in den Primärkreislauf, wird dort mehrfach im Kreislauf
durch den Kernreaktor geleitet und dabei durch die dort vorhandene Strahlung aktiviert.
Ein solches aktiviertes
Fluid läßt sich aber, bei geeigneter Auswahl,
mit einer sehr hohen Empfindlichkeit auch bei Entnahme einer nur kleinen Probe aus
dem Primärkreislauf einwandfrei nachweisen. Da das Primärkühlmittel ohnehin durch
einen Reinigungskreislauf geführt werden muß, kann man das aktivierte Fluid wieder
entfernen, so daß es spätere Messungen nicht stören kann. Andererseits geschieht
dies so langsam, daß es zunächst zu einer signifikanten Konzentration des Markierungsstoffes
im Primärkühlmittel kommt, die dann allmählich nachläßt. Solange dieses aktivierbare
Fluid im Primärkreisläuf nicht nachweisbar ist, kann man sicher sein, daß der Wärmetauscher
noch dicht ist.
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Für gasgekühlte Kernreaktoren, insbesondere für heliumgekühlte Kugelhaufenreaktoren,
wird nach dem 2. Anspruch als Markierungsstoff Argon-40 vorgeschlagen. Dieses Argon
ist inaktiv und chemisch inert. Unter Neutronenbestrahlung im Kernreaktor verwandelt
sich Argon- 40 in Argon-41 und wird hochaktiv, indem es bei einer Halbwertzeit von
1,83 Std. eine Gamma-Strahlung von 1,29 MeV aussendet. 2,4 x 30-8 8 g Argon-41 ergeben
eine Aktivität von 1 Curie.
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Das folgende Beispiel ergibt einen Hinweis auf die Empfindlichkeit
dieses Meßverfahrens. Etwa 20 g Argon-40 werden in das Sekundärkühlmittel eines
Wärmetauschers eingeführt. Bei einem der heute geplanten gasgekühlten Kugelhaufenreaktoren
von 3.000 MN thermischer Leistung entspricht diese Argonmenge 1 vpm im Sekundärhelium.
Wenn im Wärmetauscher ein Leck von etwa 3 mm Durchmesser auftritt, ergibt sich innerhalb
von 24 Std. eine Leckmenge von 0,16 g Argon-40 bei einer Druckdifferenz von ca.
1 bar-.von der Sekundärseite zur Primärseite des Wärmetauschers. Das führt zu einer
spezifischen
Argon-41-Aktivität im Primärkreislauf von 4 x 10-6 µCi/cm3. Nach den bisherigen
Erfahrungen am AVR, einem gasgekuhlten Kugelhaufenreaktor in Jülich, läßt sich aber
eine Aktivität von 1 x 10 6 iuCiZcm3 im Helium eindeutig nachweisen.
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Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Kernenergieanlage
ist schematisch in der Zeichnung dargestellt. In einem Reaktorbehälter 1 ist eine
Spaltzone 2, bestehend aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente angeqrdnet.
An sich notwendige, dem Fachmann jedoch geläufige und für das Verständnis der vorliegenden
Erfindung unerhebliche Bauteile, wie Einrichtungen zum Regeln der Spaltzone und
für die Zu-und Abfuhr der Brennelemente sind hier nicht dargestellt.
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Gekühlt wird die Spaltzone 2 durch Helium, das mit Hilfe eines Gebläses
7 in den Behälter 1 gedrückt wird. Am unteren Ende desselben strömt das erhitzte
Gas durch zahlreiche Leitungen 4 ab, die zu einer Sammelleitung 3 vereinigt werden.
Diese führt zu einem ersten Wärmetauscher 5, und schließt Heizrohre 6, beispielsweise
von Wendelrohrbauart ein. Im ersten Wärmetauscher 5 gibt das Primärkühlmittel seine
Wärme an ein Sekundärkühlmittel, vorzugsweise ebenfalls Helium ab, das mit Hilfe
eines zweiten Gebläses 10 in einem Sekundärkühlkreislauf 8 umgewälzt und dabei im
Gegenstrom zum Primärkühlkreislauf 3 durch den ersten Wärmetauscher 5 geleitet wird.
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Der Sekundärkühlkreislauf 8 schließt wiederum Heizrohre 18 ein, die
in einem zweiten Wärmetauscher 9 angeordnet sind, wo die Wärme an einen hier nur
angedeuteten Tertiärkühlkreislauf 11 abgegeben wird. In letzterem Kühlkreislauf
zirkuliert beispielsweise Wasser, das im zweiten Wärmetauscher 9 verdampft wird.
Der Dampf dient dann zum Antrieb hier nicht dargestellter Arbeitsmaschinen oder
findet als Prozeßdampf Verwendung. Der zweite
Wärmetauscher 9 kann
auch ein Ofen zum Spalten von Methan sein.
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Gemäß der Erfindung ist ein Behälter 12 vorhanden, der über eine durch
ein Ventil 14 absperrbare Leitung 13 an den Sekundärkreislauf 8 angeschlossen ist
und Argon-40 enthält. Soll die Dichtigkeit des ersten Wärmetauschers 5 geprüft werden,
wird das Ventil 14 geöffnet und eine geringe Menge an Argon-40 dem Sekundärkühlmittel
zugemischt. Befindet sich an den Wärmetauscherrohren 6 an irgendeiner Stelle ein
Leck, so wird dieses Argon-40 infolge des im Sekundärkühlkreislauf 8 gegenüber dem
Primärkühlkreislauf 3 herrschenden geringen ÜberdruckS zusammen mit Sekundärkühlmittel
übertreten. Im Primärkühlkreislauf 3 umgewälzt, durchströmt es die Spaltzone und
wird dort durch die Neutronenbestrahlung zu Argon-41 aufaktiviert. Wird ein eine
Leitung 15 absperrendes Ventil 16 geöffnet, gelangt eine Probe des Primärkühlmittels
in eine Nachweisvorrichtung 17, die beispielsweise mit einem Szintillationszähler
ausgerüstet ist, der ein Natrium-Jodid-Kristall verwendet. Wird in dem Nachweisgerät
17 die für Argon-41 charakteristische Aktivität nachgewiesen, ist der Beweis für
das Vorhandensein eines Lecks im ersten Wärmetauscher 5 erbracht.
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