DE2817859A1

DE2817859A1 - Verfahren zur feststellung von schadhaften kernbrennelementen

Info

Publication number: DE2817859A1
Application number: DE19782817859
Authority: DE
Inventors: William E Lawrie; Jun Norvell W White; Robert E Womack
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1977-05-06
Filing date: 1978-04-24
Publication date: 1978-11-09
Also published as: FR2389972A1; ES466187A1; BE863065A; IT7847614A0; IT1101946B; IL53599A; JPS53139085A; US4313791A; CH625637A5; ATA103778A; LU78893A1; SE7801692L; AT364038B; CA1088223A; JPS5823918B2; NL7713824A; GB1569756A

Description

Anwo-Akte: 27.140

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PATENTANMELDUNG

Anmelder: The Babcock & Wilcox Company 161 East 42nd Street, New York, N.Y. 10017 -USA-

Tltel: Verfahren zur Feststellung von schadhaften Kerribrennelementen

Die Erfindung betrifft Kernreaktoren, insbesondere Verfahren zur Feststellung von schadhaften Brennelementen.

In wassergekühlten heterogenen Reaktoren wird eine Vielzahl von länglichen Brennelementen und Regelstab-Führungsrohren in enger Teilung innerhall) eines einheitlichen Gebildes angeordnet, das man Brennbündel nennt„ Der Reaktorkern besteht dabei aus einem Gitter vertikal angeordneter Brennbündel, die auch Brennelemente genannt werden.

Jedes der länglichen Brennelemente, die alternativ mit Brennstäben oder Rohren bezeichnet werden, enthält Kernbrennstoff, der in einer dünnen Hülle verkapselt ist. Die Hülle ist an ihren Enden verschlossen und verhindert die Erosion des Brennstoffes sowie das Eindringen von Spaltprodukten in das Reaktorkühlmittel hinein. Aluminium oder dessen Legierungen, die nichtrostenden Stähle sowie Zirkon sind als typische Hüllenmaterialien zu nennen.

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Füllkammern und Spielräume sind innerhall) der Brennelemente vorgesehen, um Spaltproduktgas, das aus dem Brennstoff freigesetzt wird, unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen der Hülle und dem Brennstoff sowie Brennstoffdichteänderungen während des At ti rand s aufzunehmen. Sie Füllkammern befinden sich im allgemeinen an den Enden des Brennelementes und enthalten Füllkammerfedern, die den Kernbrennstoff halten. In einigen Fällen werden die Brennelemente anfänglich mit einem Gas - im allgemeinen Helium - unter Überdruck gesetzt, um ein Kriechen der Hülle während längerer Betriebszeiten bei hohen Reaktor-Kühlmittel-Drücken auf einem Gringstmaß zu halten.

Die Brennelementhülle ist so bemessen, daß sie die längeren Auswirkungen der Reaktorbetriebsverhältnisse aufnehmen kann, insbesondere die Auswirkungen, die auf die Kühlwasserhydraulik, die Brennstoffdehnung, die Reaktortemperatur und den Reaktordruck, den Spaltgasdruck und die Bestrahlungszunahme zurückzuführen sind. Man kann jedoch erwarten, daß während der Standzeit des Reaktors einige Hüllenschäden vorkommen, die es den radioaktiven Spaltprodukten ermöglichen, in das Kühlmittel oder den Moderatir zu entweichen. Obwohl bereits Reinigungsverfahren bekannt sind, um diese Verunreinigungen zu entfernen, die durch Hüllenschaden zu erwarten sind, ist es wünschenswert oder notwendig, schadhafte oder "brüchige" Brennelemente festzustellen und zu ersetzen. Somit ist es wichtig, zuverlässige Mittel zu schaffen, um schadhafte Brennelemente feststellen zu können₀

Einerseits ist die Feststellung eines einzelnen schadhaften Brennelements innerhalb eines Brennbündels äußerst schwierig, da das Bündel insgesamt radioaktiv ist und Hunderte von

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dicht an dicht angeordneten Brennelementen sowie Führungsrohren enthält. Andererseits sind der Auseinanderhau und der Wiederzusammenbau von bestrahlten Brennstabbündeln zeitraubend und kann selbst zu Brennelementschäden führen.

Bei reaktoren, die flüssige Kühlmittel verwenden, sind zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen worden, um einzelne schadhafte Elemente innerhalb des Brennbündels festzustellen, und zwar auf der Grundlage der Feststellung Analyse von Schwingungen, Temperaturunterschieden oder Ultraschallerscheinungen.

Die Bekannten Prüfvorrichtungen und -verfahren sind im allgemeinen davon abhängig, daß ein Brennstabbündel mindestens teilweise auseinandergebaut wird. Außerdem ist man dabei stark von der Dynamik der thermodynamischen Zustandsänderungen des Mediums abhängig, das durch eine Undichtigkeit in das schadhafte Brennelement gelangt war, in typischer Weise durch Sieden oder Kondensieren oder durch beide Vorgänge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Feststellung von schadhaften Brennelementen innerhalb eines Brennbündels zu erleichtern, ohne daß es erforderlich ist, ein Brennbündel auseinanderzubauen, noch daß die Abhängigkeit vom Sieden oder Kondensieren des Mediums innerhalb der Brennelemente besteht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, um schadhafte Brennelemente festzustellen.

Es ist bekannt, daß Ultraschall in einem Megahertz-Frequenzbereich zwischen 5 und 15 MHz leicht durch Wasser hindurch

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wandert. Bei Frequenzen in diesem Megahertz-Bereich ist dagegen in Luft oder anderen Gasen die Ultraschalldämpfung hoch. Ein Ultraschallimpuls mit einer Frequenz von einigen Megahertz wird quer in die Wand des Brennelements eingeführt. Wenn das Brennelement nicht schadhaft ist, dann wird nur Gas in der unteren Füllkammer vorhanden sein. Der hohe Reflexionskoeffizient an der Metall-Gas-Trennstelle verhindert eine bedeutende Wanderung des Impulses über die Innenfläche der Hülle hinaus. Wenn dagegen das Brennelement schadhaft geworden ist, so daß die untere Füllkammer Wasser enthält, dann wird der Reflexionskoeffizient an der Metall-Flüssigkeits-Trennstelle auf der Innenfläche der Hülle unter denjenigen herabgesetzt, der durch eine Metallttas-Trennfläche erzeugt wird. Somit werden bedeutende Teile des Impulses durch das Wasser zu der gegenüberliegenden Wand wandern, zurückgeworfen und zum Geber zurückkehren. Die Feststellung der Rückstrahlung von der gegenüberliegenden Wand erlaubt den Schluß, daß Wasser in das Brennelement gedrungen ist.

Demgemäß werden erfindungsgemäß bei dem Verfahren zur Feststellung von schadhaften Brennelementen, die sich unter Wasser befinden und auf Abstand in einem Brennbündel der Art angeordnet sind, welche man in wassergekühlten Reaktoren verwendet, die folgenden Schritte vorschlagen: ein Ultraschallprüfgerät mit einem Ultraschallgeber in die Zwischenräume zwischen den Brennelementen einführen; den Geber mit einem zu prüfenden Brennelement ausrichten; den Geber an Spannung legen, um einen Ultraschallimpuls in das zu prüfende Brennelement zu senden; die zurückgestrahlten Ultraschallechos messen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

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Pig. 1 eine Vorderansicht eines Ultraschall-Prüfgerätes zur Feststellung von schadhaften Brennelementen;

Fig. 2 eine teilweise Unteransicht des in Figur 1 dargestellten Gerätes;

Fig. 3 eine schematische Darstellung, unter Verwendung des in Fig. 1 gezeigten Geräts, des Echos eines Ultraschall-Radialimpulses in einem gasgefüllten Brennelement;

Fig. h ein Oszillogramm des Impulses und Echos, welches den Widerhall des gasgefüllten Brennelements nach Fig. 3 widergibt;

Fig. 5 eine schematiache Darstellung, unter Verwendung des in Fig. 1 gezeigten Geräts, des Echos eines Ultraschall-Radialimpulses in einem schadhaften, mit Wasser gefüllten Brennelement;

Fig. 6 ein Oszillogramm des Impulses und Echos, welches den Widerhall des wassergefüllten Brennelements nach Fig. 5 darstellt und

Fig. 7 ein Oszillogramm des Impulses und Echos, welches den Widerhall eines wassergefüllten Brennelements kennzeichnet, das in der unteren Füllkammer mit einer Feder versehen ist₀

Figur 1 zeigt ein Ultraschallprüfgerät 20. Es schließt einen Ul£raschallgeber 21 und einen Streifenträger 22 ein, der, wie man am besten der Figur 2 entnehmen kann, wechselseitig gegenüberliegende Flächen 23, 24 aufweist sowie eine Öffnung, in der der Geber 21 in geeigneter Weise angeordnet ist.

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Der Ultraschallgeber 21, der ein polarisierter, ferroelektrischer, keramischer Stoff ist, welcher eine Elektrode aufweist, die auf awei seiner Flächen aufgebracht oder aufgebrannt ist, wird innerhalb der Öffnung so ausgerichtet, daß eine Fläche 25 bündig mit der Fläche 23 des Streifenträgers 22 abschließt. Die gegenüberliegende Fläche des Gebers ist innerhalb der Öffnung versenkt und mit Schalldämpfmaterial 26 verkleidete Ein neutralisierendes Isoliermaterial 30 ist zwischen dein Umfang der Öffnung und den entsprechenden gegenüberliegenden Flächen des Gebers vorgesehen. Der Geber 21 wird innerhalb der Öffnung durch einen elektrisch nicht leitfähigen Zement 31 gehalten. Die bündig zur Fläche 23 des Streifenträgers liegende Fläche 25 des Gebers 21 wird an dem Träger geerdet. Die Erdung erfolgt durch die Heftschweißung mehrerer Leiter 32 oder durch andere geeignete Mittel.

Das neutralisierende Isoliermaterial 30 ist zwischen dem Geber und dem Träger angeordnet, um eine Ultraschallkopplung zwischen denselben zu minimieren.

Ein koaxiales Kabel 33» das einen inneren Leiter 3^ und einen äußeren Leiter 35 aufweist, ist an einer Kante 36 des Streifenträgers befestigt. Der innere Leiter 3^ ist an dem Geber 21 angeschlossen. Der äußere Leiter 35 ist an dem Streifenträger 22 angeschlossen.

Das Prüfgerät 20 muß in der Lage sein, frei die begrenzten Spielräume zwischen den Brennelementen oder zwischen einem Brennelement und einem Regelelement-Führungsrohr eines Brennbündels zu durchlaufen, wobei der Abstand zwischen diesen Teilen 2 mm betragen kann. Somit müssen das Prüfgerät 20 sowie seine Einzelteile so ausgewählt werden, daß sie bestimmten Maßanforderungen gerecht werden, ohne die

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Ultraschalleigenschaften zu gefährden, die notwendig sind, um die Grundsätze des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens anzuwenden.

Ein typisches Beispiel eines in Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Erfindung gebauten Ultraschall-Prüfgeräts schließt einen Geber ein, welcher aus Bleizirkonattitanat gefertigt wird. 2,5 nun breit, 12,5 mm lang und 0,3 mm dick ist sowie in einem Aluminiumträger angeordnet wird. Der Geber wird von dem Umfang der Öffnung durch eine Korkschicht isoliert. Die Vorder- und Rückflächen des Gebers werden mit aufgebrannten Silberelektroden beschichtet, während die bündig zu einer Trägerfläche angeordnete Geberfläche an dem benachbarten Aluminium an mehreren Stellen durch kleine Kupferdrähte geerdet wird, die an dem Aluminium und an der Silberelektrode heftgeschweißt werden. Eine Schicht leitenden Epoxydharzes kann über die Kupferdrähte und die Geberfläche, welche an der Trägerfläche liegt, gestrichen werden, um eine glatte Fläche für die Einführung in das Brennbündel zu erhalten. Das Dämpfungsmaterial 26 besteht aus zwei Wolframpulversorten, die mit einem Polysulfidpolymerisat niedrigen Molekulargewichts gemischt werden. Ein typisches Dämpfmaterial ist ein Gemisch aus Wolframpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3»5 Mikron und aus einem Wolframpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1,33 Mikron; dieses Gemisch wird dann seinerseits mit Thiokol LP-3 gemischt, das von der Thiokol Chemical Corporation, hergestellt wird und ein Polysulfidpolymerisat mit niedrigen Molekulargewicht ist. Ein nicht-leitendes Epoxydharz wird verwendet, um den Geber innerhalb der Öffnung zu befestigen. Die ausgesparte Fläche des Keramikmaterials wird an den inneren Leiter eines koaxialen Kabels angeschlossen, das entlang der Trägerkante angeordnet ist. Andere Anordnungen, Formen und Materialien können für den Geber zur Verwendung kommen, solange das Prüfgerät zwischen

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den Teilen des Bremibündels eingeführt werden kann. In einer anderen Ausführungsform könnte z.B. ein hohler, rohrförmiger Träger verwendet werden, in dem das koaxiale Kabel aufgenommen wird.

Figur 3 zeigt, als Teil eines Brennbündels, eine schematische planparallele Anordnung eines Prüfgeräts 20, das quer zu der unteren Füllkammer eines Brennelements 40 ausgerichtet ist. Der Ultraschallgeber, welcher mit dem Brennelement 40 gekoppelt ist, um ültraschallenergie in das Brennelement zu senden, wird durch einen nicht dargestellten Impulsgeber an Spannung gelegt, um Impulse in einem vorher festgelegten Takt und mit einer vorher festgelegten Frequenz auszusenden. Die Kippschaltung eines Leuchtschirms wird synchronisiert, um die gesendeten und die zurückgeworfenen Impulse darausteilen. Die Echowellen werden von dem Leuchtschirm über den Geber empfangen. Kenn das Brennelement nicht beschädigt ist, dann wird das Gas das einzige Medium sein, das in der unteren Füllkammer vorhanden ist. Ein hoher Reflexionskoeffizient an der Metall-Gas-Trennfläche wird eine bedeutende Wanderung des Ultraschalls über die Innenfläche der Hülle hinaus verhindern. Der Widerhall, der auf einem konventionellen Impulsechoinstrument für ein gasgefülltes Brennelement dargestellt wird, ist als ein Oszillogramm in Figur 4 gezeigt, wobei die Zeit (t) als Abszisse aufgetragen ist. Das Oszillogramm der Figur 4 und auch die Oszillogramme der Figuren 6 und 7 sind typisch für die Darstellung, die man bei einer Frequenz von etwa 7 Megahertz erhält, wobei jede Teilung der Zeitskala etwa drei Mikrosekunden entspricht und der Aussendurchmesser des Brennelements geringfügig unter i,25 mm liegt. In Figur 4 ist das ausgesendete Signal im wesentlichen mit dem empfangenen Signal gemischt, das von der ersten oder vorderen Gas-Metall-Trennfläche zurückgesandt wurde, weil das Gas einen niedrigen Durchlässigkeitskoeffizienten hat.

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Venn dagegen das Brennelement beschädigt wurde, so daß die untere Füllkammer Wasser enthält, dann wird der Reflexionskoeffizient an der vorderen Trennfläche bedeutend vermindert. Somit, wie schematisch in Figur 5 dargestellt, werden bedeutende Teile des Ultraschallimpulses durch die Flüssigkeit wandern und an der rückwärtigen Flüssigkeits-Metall-Trennfläche innerhalb des Brennelements hO zurückgestrahlt. Somit wird ein Echosignal von einer verhältnismäßig ausgeprägten Größe auf der Zeitskala getrennt von dem ausgesendeten Signal dargestellt. Der Widerhall, der auf einem konventionellen Impulsechoinstrument bei einem schadhaften, mit Wasser gefüllten Brennelement dargestellt wird, ist als ein Oszillogramm in Figur 6 gezeigt. Ein bedeutender Widerhall tritt bei etwa 15 Mikrosekunden auf der Abszisse ein dies ist das von der Rückwand empfangene Echo.

Die untere Füllkammer eines Brennelementes enthält im allgemeinen eine Schraubenfeder, die den freien Durchgang des Ultraschalls beschränken kann. Dies ist jedoch keine unüberwindliche Schwierigkeit. Wenn die Breite des piezoelektrischen Elements, entlang der Längsachse des Brennelements gemessen, größer ist als die Teilung der Schraubenfeder, dann wird der Schall zur rückwärtigen Wand wandern und zurück? Figur 7 zeigt den typischen Widerhall eines wassergefüllten Brennelements, welches eine Feder enthält.

Konventionelle Ultraschallgeräte enthalten Torschaltungen, welche die Aussendung von Signalen während einer in Bezug auf einen ersten Impuls gewählten Zeitdauer erlauben. Außerdem kann eine Schaltung vorgesehen werden, um ein Alarmsignal nur dann zu erzeugen, wenn der Ultraschallsignalausschlag in der durch Torschaltung gesperrten Zeit einen vorher eingestellten Schwellenwert überschreitet. Wenn das

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Tor so eingestellt ist, daß Signale zwischen 12 und 15 Mikrosekunden auf der Abszisse durchgelassen werden, und wenn die Ausschlagschwelle auf die Linie i der Koordinate eingestellt ist, dann ist das Vorhandensein von Wasser in einem Brennelement mit oder ohne Federn feststellbar.

Im Betrieb wird das Prüfgerät in den Zwischenraum zwischen benachbarten Teilen des Brennbündels eingeführt. Bestrahlte Brennbündel werden für Kühl- und Abschirmzwecke während des Ausbaus aus einem Reaktor im allgemeinen unter Wasser gehalten und werden zunächst in einem Becken für verbrauchten Brennstoff gelagert. Infolgedessen muß auch die Prüfung der Brennelemente unter Wasser durchgeführt werden. Der Geber wird quer zur Längsachse des zu prüfenden Brennelemets ausgerichtet. Ein Impuls wird dann von dem Geber in das Brennelement gesendet.

Ein Brennbündel kann durch Einführung des Prüfgeräts in das Brennelementbündel geprüft werden, ohne daß igendwelche ■Teile ausgebaut werden. Somit ist es für Prüfzwecke nur notwendig, daß das Bündel aus dem Reaktor ausgebaut wird.

Das Verfahren kann auch auf die Verwendung von Mehrfachgeliern ausgedehnt werden, um alle Brennelemente eines Brennbündels automatisch und schnell zu prüfen«,

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Leerseite

Claims

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PATENTANWALT

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PATENTANSPRÜCHE :

VU Ultraschallprüfverfahren zur Feststellung von schadhaften Brennelementen, die sich unter Wasser befinden und auf Abstand in einem Brennbündel der Art angeordnet sind, welche man in wassergekühlten Reaktoren verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt: ein Ultraschallprüfgerät mit einem Ultraschallgeber in die Zwischenräume zwischen den Brennelementen einführen; den Geber mit einem zu prüfenden Brennelement ausrichten; den Geber an Spannung legen, um einen Ultraschallimpuls in das zu prüfende Brennelement zu senden; die zurückgestrahlen Ultraschallechos messen·

2. Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es weiterhin den Schritt umfaßt, der darin besteht, die Ultraschallechos innerhalb eines Zeitintervalls nach Assenden des Ultraschallimpulses zu messen.

3. Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet^ daß es weiterhin den Schritt umfaßt, der darin besteht, nur einen eine vorher festgelegte Schwelle überschreitenden Teil der Ultraschallechos innerhalb des Zeitintervalls zu erfassen.

k. Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin den Schritt umfaßt, der darin besteht, die Ultraschallechos von der gegenüber dem Standort des Gebers fern gelegenen Innenwandfläche des Brennelements zu messen,

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ORIGINAL INSPECTED

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5. Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 4, dadurch g e kennzeichne t , daß es den Schritt umfaßt, der darin besteht, nur den eine vorher festgelegte Schwelle überschreitenden Teil der Ultraschallechos zu erfassen.

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