DE2909421A1 - Verfahren zur lokalisierung von huellenbruechen an den brennelementen eines reaktorkerns - Google Patents
Verfahren zur lokalisierung von huellenbruechen an den brennelementen eines reaktorkernsInfo
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Description
COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE
Paris, Frankreich
Paris, Frankreich
Verfahren zur Lokalisierung von Hüllenbrüchen an den
Brennelementen eines Reaktorkerns
Brennelementen eines Reaktorkerns
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Dieses Verfahren findet insbesondere Anwendung bei schnellen Reaktoren.
Bekanntlich werden während des Betriebs eines Reaktors
dieser Bauart periodisch die Aktivität des Fluid-Wärmeträgers, im folgenden Kühlmittel genannt, gebildet durch
Flüssigmetall, wie Natrium, und die Aktivität des Deckoder Schutzgases, gebildet durch ein Inertgas, wie Argon, kontrolliert- Die plötzliche Erhöhung der Aktivität des
Schutzgases gibt das Auftreten eines Gasaustritts an, der von wenigstens einer defekten Hülle stammt, während eine
Erhöhung der Aktivität an unterschiedlichen Neutronen des Kühlmittels die Entwicklung des Gasaustritts als offener
Bruch signalisiert, der eine Berührung zwischen dem in der Hülle enthaltenen Brennstoff und dem Kühlmittel nach sich zieht.
dieser Bauart periodisch die Aktivität des Fluid-Wärmeträgers, im folgenden Kühlmittel genannt, gebildet durch
Flüssigmetall, wie Natrium, und die Aktivität des Deckoder Schutzgases, gebildet durch ein Inertgas, wie Argon, kontrolliert- Die plötzliche Erhöhung der Aktivität des
Schutzgases gibt das Auftreten eines Gasaustritts an, der von wenigstens einer defekten Hülle stammt, während eine
Erhöhung der Aktivität an unterschiedlichen Neutronen des Kühlmittels die Entwicklung des Gasaustritts als offener
Bruch signalisiert, der eine Berührung zwischen dem in der Hülle enthaltenen Brennstoff und dem Kühlmittel nach sich zieht.
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Für gewöhnlich wird im Fall eines Austritts der Reaktorbetrieb bis zum nächsten programmierten Stillstand fortgesetzt
oder auch bis ein festgelegter Verunreinigungsschwellwert erreicht ist.
In beiden genannten Fällen eines Hüllenbruchs erweist sich die Lokalisierung der defekten Brennelemente als erforderlich.
Die anzuwendenden Lokalisierungsmittel sind entsprechend dem Austrittszustand unterschiedlich. Man unterscheidet
einen offenen Bruch oder einen Gasaustritt.
In diesem Fall wird eine passende Lokalisierung dadurch erzielt, dass an verschiedenen Stellen des Reaktorbehälters
zunächst eine Vorlokalisierung erfolgt durch Zählung der verschiedenen von den Spaltprodukten, etwa den vom Kühlmittel
transportierten Brom- und Jodisotopen, abgegebenen Neutronen. Danach erfolgt eine Lokalisierung des defekten
Brennelements durch systematische Untersuchung der vorlokalisierten Zone mittels eines Wählstopfens, der eine
Analyse des aus jedem Brennelementbündel austretenden Kühlmittels ermöglicht (im folgenden ist der Ausdruck "Brennelementbündel"
als mit dem Ausdruck "Brennelement" gleichwertig anzusehen).
Es gibt zur Zeit mehrere !Lokalisierungsverfahren, die gesondert oder kombiniert anwendbar sind.
1. "Schnarch"-Verfahren ("reniflage"): Dieses Verfahren
besteht in der Analyse der aus einem Brennelement austretenden Spaltgase, die entweichen, nachdem auf das Brennelement
eine Druck- und/oder Temperaturänderung ausgeübt wurde.
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Diese Verfahren haben den Nachteil, lediglich bei Stilllsetzung
des Reaktors eine Lokalisierung zu ermöglichen.
2. Lokalisierung durch Analyse des aus jedem Brennelementbündel austretenden radioaktiven Gases:
Diese Analyse erfolgt nach der Entgasung des Kühlmittels durch eine Ionisierungskammer.
Dieses Verfahren benötigt den Einsatz komplizierter mechanischer Vorrichtungen zur zyklischen Entnahme des aus jedem
Brennelementbündel austretenden Kühlmittels.
3. Lokalisierung durch Markierung der Brennelementbündel;
Dieses Verfahren besteht in einer Markierung jedes Brennelementbündels
oder einer eingeschränkten Gruppe von Brennelementbündelh durch einen gasförmigen Radioindikator,
bestehend aus einem Gemisch von stabilen Isotopen des Xenons entsprechend einer abnormalen isotopischen Zusammensetzung.
Nach Entstehen eines Hüllenaustritts wird das abschaltbare Brennelementbündel durch den spezifischen in das Schutzgas
entweichten Radioindikator identifiziert. Zur Adsorption der Isotope des Xenons wird ein Bruchteil dieses Radioindikators
über auf Tiefsttemperatur gekühlte Aktivkohle geleitet. Danach erfolgt eine Massenspektrometeranalyse.
Dieses Verfahren hat folgende Nachteile:
a) hohe Kosten;
b) Beschränkung seiner Anwendung auf folgende beiden Fälle:
- kleine oder vor der Einbringung in den Reaktor vorhandene Austritte;
- Signalvermischungen, wenn mehr als ein Brennelementbündel
defekt ist;
c) Verschlechterung des Markierungsgases unter der Wirkung des radioaktiven Stroms,
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4. Messung des Alters;
Das in der FR-PS 2 251 886 beschriebene Verfahren besteht
in der Messung des Verhältnisses zwischen zwei Spaltprodukten, gebildet durch das stabile Isotop Xe 134- und
das radioaktive Isotop Xe 133· Dieses Verhältnis gibt die spezifische Leistung und den spezifischen Abbrand des
defekten Brennelements an.
Nun haben aber die von den Erfindern ausgeführten Versuche gezeigt, dass der Emissionsgrad von Xe 133 aus dem Brennstoff
von einem Brennelement zum anderen auf Grund der lemperaturänderungen des Brennstoffs stark variiert. Aus
diesem Grund bietet dieses Verfahren nicht die volle gewünschte Zuverlässigkeit, selbst wenn es durch die voherige
Einführung von experimentellen Bezugskurven korrigiert ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens,
das die Nachteile der verschiedenen angegebenen Verfahren vermeidet und insbesondere bezüglich des unter Punkt 4·.
angegebenen Verfahrens frei ist von den der Bestimmung des Xe 133 eigenen Unsicherheiten.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Der angegebene Ausdruck "Bildung von verfügbarem Gas" wird im folgenden erläutert. Es handelt sich um Gas, das nach
seiner Bildung aus dem Brennstoff entweicht und sich in wenigstens einer Zone innerhalb der Hülle des Brennelements
sammelt. Bei einem schnellen Reaktor enthält das Brennelement wenigstens eine an einem Ende gelegene Ausdehnungskammer.
Daher sammelt sich das "verfügbare Gas" nach seiner Bildung
und seiner Freigabe aus dem Brennstoff in dieser Ausdehnungskammer
und bleibt darin, sofern nicht in der Hülle des
Brennelements ein Riss entsteht, durch den das Gas durch das Volumen des flüssigen Natriums entweichen kann, um in das
inerte Schutzgas des Reaktors im Fall von schnellen Reaktoren zu gelangen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand
des Anspruchs 2.
Gemäss der Erfindung wurde gefunden, dass für die Isotope
Xe 128, Xe 130, Xe 13I, Xe I32, Xe 134, Xe I36 die Entwicklung
der Menge an verfügbarem Gas in Abhängigkeit vom Abbrandgrad durch eine Gleichung der folgenden Form ausgedrückt
werden kann:
V in cm3 = a (Tc)11 ,
wobei V das Volumen an verfügbarem Gas und Tc der mittlere Abbrandgrad sind.
Die Werte der Konstanten a und η hängen vom Gehalt des Brennstoffs an Uran und/oder Plutonium sowie vom Neutronenspektrum
innerhalb des Reaktors ab. Im Fall des Reaktors PHEBTX (eine detaillierte Beschreibung dieses schnellen
Reaktors ist in der Zeitschrift "Energie Nuclesire", Band
13-n°3, Seiten 167 bis 256, Mai-Juni 1971,gegeben) liegen die in der folgenden Tabelle angegebenen Werte vor:
Isotop a n
Xe | 128 | 0,0016 | 2,62 |
Xe | 130 | 0,004-8 | 2,53 |
Xe | 131 | 1,92 | 1,62 |
Xe | 132 | 2,76 | 1,64- |
Xe | 134- | 3,57 | 1,67 |
Xe | 136 | 3,25 | 1,66 |
Die Prüfung der Werte von η zeigt, dass vom Gesichtspunkt der Entgasungskinetik zwei Gruppen von Isotopen unterschieden
werden können:
- einerseits Isotope mit einer im Verhältnis schnelleren
Emission, bei denen η ΪΓ 2,5 gilt;
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- andererseits Isotope mit im Verhältnis langsamerer Emission, bei denen η Ν 1,65 gilt.
Dies bedeutet, dass bei Betrachtung des Verhältnisses zweier zu jeder der beiden Gruppen gehörenden Isotope die Entwicklung
dieses Verhältnisses durch folgende Gleichung definiert wird:
V. a. n.-np
R = T- = ST (Tc)
V a
wobei die Indexzahlen 1 und 2 je einem der beiden Isotopen
entsprechen.
Mit den oben angegebenen Werten gilt:
n^ - η2=/ν 0,85 ,
wobei die Entwicklungsgleichung der Verhältnisses folgende allgemeine ungefähre Form hat:
R=K (Tc) °'85
Es liegt somit eine umkehrbar eindeutige Beziehung zwischen dem Verhältnis R und dem mittleren Abbrandgrad vor.
Daraus ergibt sich, dass R das Alter des Brennelements angibt.
Die Bestimmung dieses Verhältnisses R an den durch einen Hüllenriss
ausgestossenen ersten Gaswolken ermöglicht somit die Bestimmung des Abbrandgrads des fehlerhaften Brennelements
und folglich die Lieferung einer Angabe hinsichtlich der Lokalisierung.
Das Verfahren ist anwendbar unter Bestimmung des Verhältnisses R zwischen zwei Isotopen, die jeweils ausgewählt sind
in einer ersten Gruppe rait Xe 128, Xe I30 und in einer
zweiten Gruppe mit Xe I3I, Xe 132, Xe 134-, ,Xe 136.
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Das Verfahren ist in der Praxis umso sicherer und der Betrieb
leicht, als:
- die Emissionskinematik der beiden Isotope unterschiedlich sind,
- die Wirkungsquerschnitte der beiden Isotope und ihr Bildungsgesetz unabhängig von der Stellung des Brennelements im
Reaktor stabil sind,
- die erzeugten Mengen an Isotopen hoch, folglich leicht messbar
sind.
In Abhängigkeit von diesen Kriterien erscheint es vorteilhaft,
die Verhältnisse und , deren Entwicklungsgleichungen die folgenden sind:
• f§-4j|| = 0,000448 (Tc) °'95
- 0,00134 (Tc) °'86
Diese Gleichungen zeigen, dass die Entwicklung dieses Verhältnis ungefähr proportional dem mittleren Abbrandgrad
ist.
Pig. 1 und 2 zeigen die Kurven für die Entwicklung der beiden obigen Verhältnisse in Abhängigkeit vom mittleren Abbrandgrad
in Atomprozenten. Diese als geneigte Gerade vorliegenden Kurven wurden ausgehend von in einem PHENIX-Reaktor
bestrahlten Brennelementen experimentell gefunden.
Die ausgeprägte Neigung dieser Geraden ermöglicht eine hohe Genauigkeit in der Bestimmung des Alters.
Fig. 3 zeigt sehr schematisch als Ausführungsbeispiel eine
Vorrrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Diese Vorrichtung enthält einen Entnahmekreis 1 für das zu analysierende Gas, das aus einem Gemisch aus Argon und
Spaltprodukten besteht.
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Der Entnahmekreis 1 mündet an einem Vierwegeventil v, das das Gas in eine von zwei Säulen C^ oder C2 leitet. Jede
Säule ist mit Aktivkohle gefüllt und hat ein Vierxvegeventil V^J oder Vp. Jede Säule hat eine nicht gezeigte doppelte
Umhüllung, in der flüssiger Stickstoff zirkulieren kann, und hat auch einen nicht gezeigten Heizkreis, der mittels
eines um die Säule gewickelten Widerstands ausgeführt ist. Es wird abwechselnd von der einen oder anderen Säule Gebrauch
gemacht, z. B. von der in Fig. 3 ia Desorptionsstellung
gezeigten Säule C2. Zunächst erfolgt an der Aktivkohle
bei einer Temperatur von etwa -170 0C die Adsorption der
Spaltprodukte mit den beiden Isotopen des Xenons, deren Verhältnis gemessen werden soll. Dann wird die Temperatur
der Säule mit einer programmierten Heizgeschwindigkeit auf etwa 150 0C gebracht, wobei gleichzeitig eine-TJmspülung
mit einem Heliumstrom aus einer Bohrleitung 2 erfolgt zur Desorption der vorher adsorbierten Spaltprodukte.
Der Gasstrom wird in ein die Messung ausführendes Massenspektrometer
3 geschickt. Durchsatzmessgeräte 4a und 4b messen den Durchsatz des zu analysierenden Gases und denjenigen
des Heliums. Die Automatisierung der verschiedenen Steuerfolgen der Ventile, der durch das Massenspektrometer
erfolgenden Messung und der Wiedergabe der Ergebnisse erfolgt durch einen nicht gezeigten Rechner. Dank dieser
Vorrichtung kann die Messung im Massenspektrometer an einer Probe erfolgen, die etwa um das 1000-fache an Isotopen des
Xenons konzentriert wurde.
Diese besondere Durchführungsform entspricht dem Pail von
schnellen Reaktoren, bei denen das Kühlmittel für die Brennelemente ein Flüssigmetall (z. B. flüssiges Natrium) ist,
das von einer gasförmigen Abdeckung aus Inertgas überlagert ist, das im allgemeinen Argon ist. Die Entnahme erfolgt
in der gasförmigen Abdeckung. Selbstverständlich und auch im Fall von anderen Reaktorbauarten kann eine Probe von
eventuellen Spaltgasen im Kühlmittel gegebenenfalls durch Entgasung entnommen werden.
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Das Verfahren nach der Erfindung gestattet die Lokalisierung eines defekten Brennelements von den ersten Stadien des
Gasaustritts an.
Die Lokalisierung kann nicht nur basierend auf einem einzigen
Verhältnis zweier Isotope, sondern auch basierend auf zwei Verhältnissen erfolgen, die wenigstens drei verschiedene
Isotope miteinander in Beziehung setzen.
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Leerseite
Claims (1)
- Patentanwälte O Q η Ο / ODlPL-ING. R. BEOZ SEN. = DIPL-ING. K. UMPRECHT - DR.-ING. R. EEETZ JR. £ 3 U O H /. IKCIirSANWUT DIPL-PHYS. DR. JUR. U. HE-DRICHDi?.---.-:G. VV. TIMPE - DIPL-ING. J. SIEGFRIEDPKIV..DJZ. D)PL-CHEM. DR. RER. NAT. W. SCHMITT-FUMIANSteinsdorfstraße 10 - D-8000 München 224I0-29.3S8P 9. -März- I979AasprächeVerfahren zur Lokalisierung von Hüllenbrüchen an Brennelementen eines Reaktorkerns durch Messung des Alters des defekten Brennelements, gekennzeichnetdurch Bestimmung des Verhältnisses zwischen zwei Spaltprodukten aus stabilen gasförmigen Isotopen des Xenons, die in Abhängigkeit vom Abbrandgrad der Brennelemente eine unterschiedliche Kinetik zur Bildung von verfügbarem Gas haben.«■o1-Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dass die beiden gasförmigen Isotope zu einer durch Xe 128 und Xe I30 gebildeten ersten Gruppe bzw. zu einer durch Xe 131, Xe 132, Xe 134- und Xe 136 gebildeten zweiten Gruppe gehören.GB)909837/0 827
'BAD ORIGINAL
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