DE2835162C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung des Gas­ druckes im Inneren der Umhüllung eines Kernbrennstabs mit den Verfahrensschritten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Zeitschrift "Atom" 152 (Juli 1969), Seiten 166-173 und 176 bekannt.

Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Qualitätskontrolle in der Brennstabfertigung.

Bekanntermaßen werden die in Kernreaktoren ver­ wendeten Brennstäbe, deren Umhüllungen aus Zircaloy, rost­ freiem Stahl oder anderem Werkstoff bestehen, mit einem Gas, beispielsweise Helium, unter einen Innendruck von etwa 35 bar gesetzt, um den Wärmeübergang von den innerhalb des Brennstabs befindlichen Brennstofftabletten auf die Brennstabhülle zu verbessern, von wo die Wärme durch das zwischen den Brennstäben hindurchzirkulierte Reaktorkühlmittel abgeführt wird. Außerdem trägt dieser Innendruck dazu bei, daß die Brennstäbe dem etwa 155 bar betragenden Druck des zirkulierenden Kühlmittels stand­ halten können, der die Brennstabhüllen zusammenzudrücken sucht.

Da die Fertigung der Brennstäbe auch die Herstellung ihres Innendruckes umfaßt, ist es aus Gründen der Qualitätskontrolle notwendig, diesen Innendruck an repräsentativen Stichproben der hergestellten Brenn­ stäbe zu messen, um sicherzustellen, daß die Anforderungen in bezug auf den Innendruck bei der Herstellung einge­ halten werden. Außerdem ist es wegen des verhältnismäßig hohen Wertes der Brennstäbe wichtig, daß diese bei der Kontrolle nicht zerstört werden.

Das Hauptproblem bei der Messung des Brennstab­ innendruckes ohne Zerstörung des Brennstabs liegt darin, daß die Messung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden muß. Typischerweise wird für den Innendruck der Brenn­ stäbe ein Wert von etwa 35 bar mit einer Toleranz von ±1 bar verlangt. In der Qualitätskontrolle versucht man jedoch üblicherweise, bei der Qualitätsüberprüfung mit einer um eine Größenordnung größerer Genauigkeit zu messen, d. h. hier den Innendruck mit einer Meßtoleranz von ±0,1 bar zu ermitteln. Diese Meßtoleranz von ±0,1 bar entspricht bei den genannten Innendruck der Brennstäbe von 35 bar einer Meßgenauigkeit von ±0,3%. Aus diesem Grund sind Versuche einer zerstörungsfreien Messung mit dieser hohen Genauigkeit wenig erfolgreich geblieben. Eine Alternativmöglichkeit hierzu ist jedoch das Anbohren der Brennstabhüllenwand, die Durchführung einer genauen Druck­ messung und das anschließende Wiederzuschweißen des Brenn­ stabs.

Aus der Zeitschrift "Atom" 152 (Juli 1969), Seiten 166 bis 173 und 176, ist es bekannt, zur Untersuchung der Dichtheit der Umhüllung des Brennstabs und zur Bestimmung des maximalen Innendruckes in der Umhüllung den Brennstab in einer vakuum­ beaufschlagten Meßkammer mittels eines Lasers anzubohren, und das Volumen des aus dem Brennstab abgezogenen Gases zu messen.

Jedoch erscheint diese Möglichkeit, den Brennstab anzubohren und das darin befindliche Gas in eine Meßkammer bekannten Volumens austreten zu lassen, für eine Messung des Innen­ druckes des Brennstabs mit der gewünschten Genauigkeit noch ziemlich problematisch, da das Leerraumvolumen im fertigen Brennstab nur mit einer Genauigkeit von etwa ±20% bekannt ist. Die Entspannung des im Brennstab befindlichen Gases in ein bekanntes Meßvolumen erfordert daher noch ein anschließen­ des genaues Messen des Leerraumvolumens im Brennstab. Das kann auf vielfältige Weise erfolgen, beispielsweise durch Wiederfüllen des Brennstabs auf einen bekannten Druck und anschließendes Wiederentspannen des im Brennstab befindlichen Gases in eine Meßkammer bekannten Volumens ohne vorheriges Verschließen des Brennstabs, um das Leerraumvolumen im Brennstab zu ermitteln. Es kann auch ein Doppelentspannungs­ verfahren Anwendung finden, gemäß welchem das in dem zu­ sammengenommenen Volumen von Meßkammer und Brennstableer­ raum befindliche Gas anschließend nochmals in eine zweite Meßkammer mit bekanntem Volumen entspannt wird. Diese Verfahren sind jedoch zeitraubend und bringen trotzdem nicht das gewünschte Maß an Meßgenauigkeit, das zur Qualitätskontrolle der Brennstäbe im Hinblick auf den Innengasdruck auf Stichprobenbasis erforderlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfacheres Verfahren zur genauen Überprüfung des Gas­ druckes in einem fertigen Brennstab anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Die Abweichung des sich ergebenden Ausgleichsdruckes vom Nenngasdruck ist direkt proportional zur Abweichung des tatsächlichen Gasdruckes in dem gemessenen Brenn­ stab vom Nenngasdruck.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung mehr im einzelnen beschrieben.

Die Zeichnung zeigt eine Anordnung zur Messung des Gasdruckes in einem Brennstab mit Hilfe einer Nullabgleich-Meßtechnik.

Da die Wirksamkeit eines Laserstrahl-Bohrens bei er­ höhtem Druck beträchtlich schlechter wird, werden die Brennstäbe bei Umgebungsdruck angebohrt, wobei aber die Genauigkeit der Nullabgleich-Meßtechnik beibehalten wird.

Eine Heliumgasquelle ist mit einer Füllkammer 10 verbunden, die mit einem elektromagnetisch betätigbaren Füllventil 12 und einem ebenfalls elektromagnetischen Auslaßventil 14 ausgestattet ist. Das Auslaßventil steuert das Überströmen von Gas aus der Füllkammer 10 in eine Meßkammer 16.

Ein Brennstab 18, der Brennstofftabletten enthält und dessen Inneres unter einem Gasdruck von etwa 35 bar gesetzt worden ist, wird zur Messung seines Innendruckes zum Zwecke der Qualitätskontrolle mit seinem Ende in die Meßkammer 16 eingeführt, innerhalb welcher dieses Brenn­ stabende mittels eines Laserstrahl angebohrt wird, der durch ein Fenster 19 der Meßkammer hindurchfällt. Ein Druckwandler 20 dient zur Druckmessung und ein elektro­ magnetisch betätigbares Entlüftungsventil 22 steuert die Entlüftung der Füllkammer 10 und der Meßkammer 16 über ein Filter 24 in die Außenluft.

Im Zuge der Brennstabfertigung ist das Innere des Brennstabs 18 unter den gewünschten Nenngasdruck von etwa 35 bar gesetzt worden, was gewöhnlich durch eine Axialbohrung 26 einer am Brennstabende angeschweißten Endkappe 28 erfolgt. Nach der Erzeugung des inneren Gasdruckes ist die axiale Endkappenbohrung zugeschweißt worden, um das unter Druck stehende Gas im Brennstab einzuschließen. Da es aus Gründen der Qualitätskontrolle notwendig ist, zu überprüfen, ob die gefertigten Brenn­ stäbe entsprechend den gestellten Anforderungen mit Druckgas gefüllt und sauber zugeschweißt wurden, um das Druckgas im Brennstab zu halten, werden repräsentative Stichproben aus den gefertigten Brennstäben zur Kontrolle entnommen. Ein zur Kontrolle gewählter Brennstab wird dann mit seinem Ende in der dargestellten und oben be­ schriebenen Weise in die Meßkammer 16 eingeführt.

Der Gasdruck im Brennstab wird mittels einer Null­ abgleichtechnik genau gemessen. Der geforderte Nenngas­ druck im Brennstab ist bekannt. Zur Durchführung der Messung mit der dargestellten Meßanordnung werden zu­ nächst das Entlüftungsventil 22 geschlossen und das Füll­ ventil 12 und das Auslaßventil 14 geöffnet, so daß die Füllkammer 10 und die Meßkammer 16 langsam mit Helium gefüllt werden, bis ein Druck P _B erreicht wird, der das 1,6fache des Nenngasdruckes im Brennstab beträgt und an einem nicht dargestellten Digitalpotentiometer eingestellt wird. Wenn der vorgegebene Fülldruck erreicht ist, was durch den Druckwandler 20 festgestellt wird, wird das Füllventil 12 geschlossen und dadurch die An­ ordnung von der Heliumgasquelle abgetrennt. Danach wird das Auslaßventil 14 geschlossen, wodurch die Füllkammer 10 von der Meßkammer 16 abgetrennt wird, und das Entlüftungs­ ventil 22 wird geöffnet, um die Meßkammer in die Außenluft zu entlüften. Danach wird das Entlüftungsventil wieder ge­ schlossen und das Auslaßventil 14 geöffnet, so daß sich nunmehr in beiden Kammern ein gleicher Druck P _O einstellt, der gleich dem Nenngasdruck im Brennstab ist. Der Zweck dieses Schrittes besteht darin, sicherzustellen, daß der Druck P _O in den kombinierten Volumen der beiden Kammern gleich dem Nenngasdruck im Brennstab ist. Falls erforder­ lich, wird dieser Schritt unter Nachstellung des Füll­ druckes wiederholt, bis die Bedingung erfüllt ist, daß der sich in den beiden Kammern einstellende Ausgleich­ druck gleich dem Nenngasdruck ist.

Für die Messung wird jeweils vor dem Anbohren der Brennstabendkappe und dem Entspannen des Brennstabinneren in die leere Meßkammer die eine Hilfskammer darstellende Füllkammer mit dem Fülldruck gefüllt, der, wie bereits gesagt, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel dem 1,6fachen des Nenngasdruckes im Brennstab entspricht. Dieser Füllgas­ druck ist, wie bereits aus dem vorhergehenden hervorgeht, so gewählt, daß bei Verbindung der gefüllten Füllkammer 10 mit der entlüfteten Meßkammer 16 sich ein Ausgleichsdruck in den beiden Kammern einstellt, der gleich dem Nenngas­ druck ist. Nachdem die Meßkammer durch Öffnen des Ent­ lüftungsventils in die Außenluft entlüftet worden ist, wird das Entlüftungsventil wieder geschlossen und der Brenn­ stab angebohrt. Durch das Anbohren des Brennstabs wird das Brennstabinnere in die Meßkammer entspannt, und an­ schließend wird das Auslaßventil 14 der Füllkammer ge­ öffnet, wodurch das Gas in der Meßkammer wieder auf einen Druck nahe des Nenngasdruckes gebracht wird. Der sich in den drei nunmehr miteinander in Verbindung stehenden Volumen einstellende Enddruck entspricht genau demjenigen Druck, den man mittels einer einfachen Druckausgleichs­ messung unter Verwendung einer mit dem kombinierten Volumen von Meß- und Füllkammer volumengleichen Kammer erhalten hätte. Bei Ermittlung des sich nach dem Ent­ spannen des Brennstabinneren in die Meßkammer in dem kombinierten Volumen dieser beiden Räume ergebenden Zwischendruckes ist es auch möglich, gewünschtenfalls das Leerraumvolumen des Brennstabs zu berechnen.

Ein besonderer Vorteil der Verwendung einer während des Anbohrens des Brennstabs unter dem Außenluftdruck stehenden Meßkammer liegt darin, daß für das Anbohren nur ein sehr kleiner Energiepegel erforderlich ist. Ein hoher Druck würde eine Verzerrung des Laserstrahls ver­ ursachen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Prüfung des Gasdruckes im Inneren der Um­ hüllung eines Kernbrennstabs mit folgenden Schritten:

• a) Einführen des Brennstabs mit einem Ende unter gasdichtem Abschluß in eine Meßkammer,
• b) Evakuieren der Meßkammer,
• c) Durchbohren der Umhüllung innerhalb der Meßkammer, und
• d) Bestimmen des sich einstellenden Druckes in der Meßkammer,

dadurch gekennzeichnet, daß

• e) eine mit der Meßkammer verbindbare Füllkammer mit einem solchen Fülldruck mit Gas gefüllt wird, daß sich bei Ver­ bindung der Füllkammer mit der evakuierten Meßkammer ein dem Nenndruck im Brennstabinneren entsprechender Druck ein­ stellen würde,
• f) die Meßkammer nach dem Durchbohren der Umhüllung mit der Füllkammer verbunden wird,
• g) die sich in der Meßkammer und der Füllkammer etwa ein­ stellende Abweichung des Drucks vom Nenndruck als Maß für die Abweichung des Gasdrucks im Brennstabinneren vom Nenn­ druck verwendet wird,
• h) die sich etwa einstellende Abweichung des Drucks in der Meßkammer vom Nenndruck rückgängig gemacht wird, und
• i) die Bohrung in der Umhüllung wieder verschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis zwischen dem Meßkammervolumen und dem Leer­ raumvolumen des Brennstabinneren von etwa 1 gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschließen der Bohrung mittels eines Laserstrahls erfolgt.