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Meßelement zur Innendruckbestimmung von Brennstäben
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Beschreibuncr: Die Erfindung betrifft ein Meßelement zur Innendruckbestimmung
von Brennstäben, die mittels Endstopfen verschlossen sind und einen Spaltgassammelraum
enthalten.
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Während jeder Phase der Lebensdauer eines Brüter-Brennelementes können
Schäden an einzelnen Brennstäben auftreten, die sich durch Austritt von Spaltprodukten
und/oder Brennstoff in das Reaktorkühlmittel bemerkbar machen. Da Sekundärschäden
durch chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und eingedrungenem Natrium möglich
sind, ist - zumindest heute noch - ein längerer Betrieb eines Brennelementes mit
Stabschäden problematisch. Der frühzeitige Austausch eines Brennelementes jedoch
bedeutet in Anbetracht der hohen Herstellungs- und Wiederaufarbeitungskosten einen
erheblichen Verlust.
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Unter diesen Aspekten wurden Überlegungen angestellt, wie in einem
als defekt erkannten Brennelement der oder die beschädigten Stäbe erkannt und mit
einem Minimum an Zerlegeaufwand durch neue Brennstäbe ersetzt werden können.
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Für die Defektstabdetektion und Reparatur von Brüter-Brennelementen
sind zwei verschiedene Methoden denkbar. Eine Möglichkeit ist, das Brennelement
mit Hilfe
der später ohnehin zur Verfügung stehenden Vorrichtung
zu zerlegen, alle Stäbe auf Schäden zu überprüfen und danach das Brennelement wieder
-gegebenenfalls unter Verwendung alter Strukturteile - zu assemblieren. Bei diesem
Verfahren können für die Leckdetektion die Verfahren eingesetzt werden, die für
LWR-Brennelemente entwickelt wurden, also visuelle Inspektion mit optischen Geräten,
die verschiedenen Sipping-Verfahren oder die Wirbelstromprüfung der Stabhüllen.
Nachteilig an diesem Reparaturverfahren sind der relativ große zeitliche Aufwand
für Montagearbeiten in der Heißen Zelle, sowie die Notwendigkeit gewisser Wiederholungsprüfungen
an den wiederzuverwendenden Stäben und Strukturteilen.
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Dazu kommt das Problem der Nachwärmeabfuhr während der verschiedenen
Montagephasen.
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Als Alternative zu diesem Reparaturverfahren wurde vorgeschlagen,
das defekte Brennelement vom unteren Ende her nur so weit zu demontieren, daß die
unteren Stabenden für eine Meßsonde zugänglich werden. Bei LWR-Brennelementen wird
dann als Meßprinzip die Detektion von eingedrungenem Kühlwasser durch Ultraschallprüfung
angewandt. Eine entsprechende Methode ist aber für natriumgekühlte Brennstäbe zu
unsicher, da infolge des geringen Betriebsdruckes Natrium erst bei größeren Stabschäden
in genügender Menge bis zum unteren Gasplenum vordringt.
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Eine andere Möglichkeit wurde in der europäischen Patentanmeldung
Nr. oo11214 beschrieben. Hierbei kommt ein schwingungsfähiges System mit einem Permanentmaqneten
und
daran befestigten Federn innerhalb einer Kapsel im Brennstab
zur Anwendung, dessen Eigenfrequenz durch Veränderung der Länge eines Faltenbalges,
an dem eine der Federn befestigt ist und der durch die Meßgröße mehr oder weniger
zusammengepreßt wird, verändert wird.
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Die momentane Eigenfrequenz des Systems wird von aussen berührungslos
gemessen, indem ein Sender in der Nähe des zu untersuchenden Brennstabes variable
Frequenzen abgibt und bei Resonanz zwischen Sender und System ein Signal auslöst.
Diese Meßvorrichtung ist mechanisch und elektronisch kompliziert und die Zuverlässigkeit
der Meßvorrichtung nicht immer zu garantieren.
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Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht nunmehr darin, ein Meßelement
und einen Meßkopf zu bieten, mit dem ein späteres Detektionsverfahren einzelner
defekter Brennstäbe bzw. Brüter-Brennelemente ermöglicht wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruches 1 beschrieben.
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Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
wieder bzw. gemäß Anspruch 5 einen vorteilhaften Meßkopf zur Durchführung des Detektionsverfahrens.
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Erfindungsgemäß wird dem Konzept der Stabinnendruckbestimmung der
Vorzug gegeben. Hierbei ist es erforderlich, daß jeder Brennstab unmittelbar über
dem unteren
Endstopfen, oder mit diesem verbunden, eine Druckmeßdose
enthält. Diese kann aus einem geschlossenen Faltenbalg bestehen, in dem sich beim
Anstieg des Brennstabinnendruckes ein Ferritkern axial verlagert. Dieser kehrt bei
Abfall des Druckes in seine durch eine Anschlagfläche genau definierte Ausgangslage
zurück. Zur Kontrolle auf einen Stabdefekt wird mit der speziellen Meßvorrichtung
nach Anspruch 4 die Lage des Weicheisenkernes relativ zur Unterkante des Endstopfens
abgetastet.
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Während der Messung muß der Brennstab durch Spannzangen im Meßfühler
festgehalten und in seiner axialen Stellung genau fixiert sein. Das Meßwerkzeug
kann daher gleichzeitig zum Ziehen defekter Stäbe aus dem Bündel und zum Einsetzen
neuer Stäbe benutzt werden.
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Im folgenden wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figuren
1 - 4 gezeigt, wie die Meßeinrichtung für die sichere Detektion von Stabdefekten
in Brennelementen in der Heißen Zelle einsetzbar ist.
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Der Druckgeber 1 nach Fig. 1 besteht im wesenlichen aus einem beidseitig
geschlossenen Faltenbalg 2 von 6 mm Durchmesser, an dessen oberem Boden 3 ein Kern
4 (Weicheisenkern) von 3,8 mm Durchmesser befestigt ist. Der Faltenbalg 2 wird von
einer Distanzbüchse 5 umschlossen, die zum einen über Stützrohr 16 das Gewicht der
Brennstoffsäule aufnimmt und die zum anderen als Anschlag 7 für den Faltenbalg 2
dient. Im entlasteten Zustand liegt der Faltenbalg 2 ohne oder mit ganz geringer
Vorspannung auf Anschlag 7, d.h. beim Einsetzen des Druckanstiegs im Brennstab 6
durch Spaltgasfreisetzung (die
Spaltgase wirken durch die Öffnung
8 in der Distanzbüchse 5 auf den Faltenbalg 2 ein) bewegt sich der Eisenkern 4 entsprechend
der Federkonstante des Faltenbalges 2 mit ca. 0,3 mm pro bar Überdruck nach unten
und erreicht nach maximal 1 mm Federweg den unteren Anschlag bzw. die Stirnfläche
9 des unteren Bodens lo. Beim Entweichen des Spaltgases --aber auch bei einem Leck
am Faltenbalg 2 selbst- kehrt der Kern 4 in seine ursprüngliche Lage zurück (Abstand
zur Stirnfläche 9).
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Der Faltenbalg 2 kann bei Betriebstemperatur einen Überdruck von ca.
65 bar ertragen. Die Länge des gesamten Druckmeßsystems 1 beträgt bei einer vorteilhaften
Auslegung ca. 20 mm. Die Teile des Systems 1 können mit den üblichen Toleranzen
seriengemäß aus Werkstoff 1.4541 hergestellt und mit vorhandenen Methoden geschweißt
und geprüft werden. Damit ergibt sich bei Herstellung in Großserie ein relativ niedriger
Preis für das einzelne Meßsystem.
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Der Boden lo liegt auf der inneren Stirnfläche 27 des unteren Endstopfens
11 des Brennstabes 6 auf, während das Gehäuse 12 der Distanzbüchse 5 auf einem umlaufenden
Sims 13 des Bodens lo aufsitzt. Der Endstopfen 11 weist eine pilzförmige Ausbildung
auf, die eine äußere Stirnfläche 14 besitzt. Verändert sich der Abstand Stirnfläche
15 des Stabes 4 zu Stirnfläche 9 des Bodens lo, so verändert er sich in gleichem
Maßen zur äußeren Stirnfläche 14 des Endstopfens 11.
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Die Aufgabe des Meßkopfes 17 ist die Messung der axialen Lage des
Kernes 4 im Brennstab 6 relativ zur ausgewählten Fläche (Stirnfläche 14) auf der
äußeren Stabkontur. Der Meßkopf 17 besteht hierzu aus einem zentralen Anschlagstempel
18 für den Brennstab 6, einer geteilten Spannzange 19 und einem ringförmigen Spulenträgerkörper
20, der als Meßfühler mit zwei parallel liegenden Spulen 21, 22 über den Brennstab
6 bewegt werden kann. Ein Sicherungsrohr 23 sorgt für eine formschlüssige Verbindung
zwischen Spannzange 19 und Endstopfen 11 (Stirnfläche 14 auf Stirnfläche 24) Der
Meßkopf 17 fährt zunächst mit dem Anschlagstempel 18 gegen die untere Stirnfläche
14 des Brennstabes 6 bzw. Endstopfens 11. Dabei gelangen die nach außen federnden
Klauen der Spannzange 19 über das untere Stabende hinweg auf Höhe der Eindrehung
25 des Stabstopfens 11. Die Klauen werden durch Hochschieben des Sicherungsrohres
23 nach innen bewegt. Sie drücken beim Anziehen der Spannzange 19 den Endstopfen
11 gegen den Anschlagstempel 18.
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Der Spulenkörper 20-22 hat 7,8 mm Innen- und 9,6 mm Außendurchmesser.
Er kann daher in einem SNR-MkII-Brennelement innerhalb des Bündelverbandes über
jedes Brennstabende geschoben werden.
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Das Messen der Lage des Ferritkernes 4 relativ zum Meßfühler 17 erfolgt
derart: Es findet das Prinzip der induktiven Wegmessung über Differentialdrossel
21 - 22 Anwendung. Die an eine induktive Meßbrücke angeschlossene Drossel 21 - 22
erzeugt beim Eintauchen des Ferritkernes 4 am Ausgang eines Meßverstärkers z.B.folgenden
Signalverlauf: "Definiertes Ausgangssignal; Minimum; Nulldurchgang (Symetriepunkt);
Maximum; definiertes Ausgangssignal".
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Als Kriterium der Lage des Ferritkernes 4 findet der Nulldurchgang
des Signales Anwendung. Hierbei befindetsich der Ferritkern 4 symmetrisch zwischen
den Spulenhälften der Differentialdrossel 21-22.
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Messen der Lage des Ferritkernes 4 absolut zum Brennstabanschlag 14
- 24: Hierbei wird der zurückgelegte Weg der Meßspule (Differentialdrossel 21 -
22) bis zum Symmetriepunkt erfaßt.
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Das Anfahren der einzelnen Brennstabpositionen, die Meßwerterfassung,
Verarbeitung und Auswertung wird durch ein Mikroprozessorsystem gesteuert, welches
ausschließlich für diese Aufgaben ausgelegt wird. Das System steuert hierbei den
Meßkopf 17 über zwei Achsen in jede Brennstabposition. Nach Erreichen der einzelnen
Positionen werden die Messungen durchgeführt und die Meßwerte mit den zugehörigen
Positionskennungen abgespeichert. Hierbei dient der Symmetriepunkt des Ferritkernes
4 als Interrupt für den zurückgelegten Weg
der Meßspule 21 - 22.
D.h. beim Erreichen des Symmetriepunktes wird der Meßwert für den zurückgelegten
Weg gespeichert. Durch Mittelwertbildung über alle Stäbe 6 des Bündels werden der
mittlere Kernversatz sowie die mittlere Abweichung ermittelt. Die von dieser mittleren
Abweichung stark verschiedenen Werte kennzeichnen die defekten Stäbe 6 und werden
anschließend mit der zugehörigen Position dargestellt.
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Zur Verifizierung des beschriebenen Detektionsverfahrens wurde ein
Meßkopf 17 und ein Bündel von 19 Stäben in SNR-MkII-Geometrie hergestellt (Fig.2).
Die Ferritkerne 4 waren bei 182Stäben 6 fest im Endstopfen eingepreßt, in einem
Stab/konnte der Kern axial bewegt werden, und ein Stab 25 wurde während der Versuchsserie
zur Simulation eines großen Lecks mit Natrium gefüllt. Der Meßkopf 17 besteht aus
dem Spulenkörper 21 - 22 in Originalabmessungen und einem Wegaufnehmer (Typ Hottinger
W1T3) für die Erfassung der Lage des Ferritkernes 4 absolut zur Stabunterkante (Stirnflächen
14).
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Zur Meßwerterfassung wurde ein Norland Waveform Analyzer Typ 3001
verwendet. Dieser Analyzer ist programmierbar und eignet sich somit für einen halbautomatischen
Meßzyklus der 19 Stäbe 6. Bei der von Hand ausgeführten Vermessung eines Stabes
6 werden die Ausgangssignale der Differentialdrossel 21 - 22 und des Wegaufnehmers
in je einen Speicherbereich des Analyzers geladen (Speicherbereich: 2 x 1 K Worte;
lo bit). Per
Programm wird nun der Symmetriepunkt ermittelt und
der zugehörige Wegwert in einem Register abgelegt.
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Anschließend ist der Analyzer frei für die nächste Messung. Nach Abschluß
aller 19 Messungen wird die Auswertung und Darstellung automatisch vorgenommen,
wobei der Mittelwert der gespeicherten Werte errechnet wird und die Streuung als
Balkendiagramm zur Darstellung kommt.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen die Meßergebnisse. Für die erste Messung wurde
der Ferritkern 4 eines Stabes 26 (s.Fig. 2) in Nullstellung gebracht; Stab 25 enthielt
kein Natrium. Fig. 3 zeigt oben das Streuband von 19 Messungen, das allein durch
die Signalverarbeitung bedingt ist. Darunter ist das Streuband bei Vermessung aller
19 Stäbe des Bündels dargestellt, dessen Breite hauptsächlich durch die Toleranzen
bei Herstellung und Einbau der Ferritkerne 4 entsteht. In Fig. 4 sind nochmals die
Meßwerte des l9-Stabbündels als Balken aufgetragen. Während der ersten Messung (oben)
waren wieder alleFerritkerne 4 in Nullstellung, während bei der zweiten Messung
der Kern in Stab 26 zur Simulation eines Druckabfalles um 0,5 mm verschoben war.
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Das hohe Meßsignal von Stab 25 wird bei feststeherdem Ferritkern 4
nur durch Vorhandensein von Natrium im Stab hervorgerufen.