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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wirbelstromtestverfahren
zur Messung der Dicke von einer oder mehr leitfähigen Schichten aus ferromagnetischer
und nicht ferromagnetischer Korrosion (crud) und Zirkoniumoxid,
die auf Brennstabummantelungen von Nuklearbrennelementen gebildet
sind, und Wirbelstromtestverfahren zur genauen Messung der Zirkoniumoxidschicht,
die sich zwischen der Brennstabummantelung aus Zirkoniumlegierung
und einer oder mehr leitfähigen
Schichten aus ferromagnetischer und/oder nicht ferromagnetischer
Korrosion befindet.
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Hintergrund der Erfindung
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Während des
Betriebs des Kernreaktors sind Brennstäbe, die in jeder Nuklearbrennstoffanordnung angeordnet
sind, im Reaktorkern in Kühlmittel/Moderator
getaucht. In Leichtwasserreaktoren, die Zirkonium- oder Zircaloymantelrohre
für die
Brennstäbe
einsetzen, bildet sich aufgrund der Reaktion zwischen dem Kühlwasser,
dem Moderator und dem Zirkonium in den Mantelrohren Zirkoniumoxid
auf den Brennstäben,
das zu einer Dicke von etwa 200 μm
anwachsen kann. Wegen der nachteiligen Wirkung des Zirkoniumoxids
auf die Wärmeübertragung
vom Brennstabmantelrohr zum Kühlmittel/Moderator
und des Dünnerwerdens
der Mantelwanddicke aufgrund des Metallverlustes, der die strukturelle
Integrität
der Ummantelung beeinflusst, besteht eine Begrenzung hinsichtlich
der Höchstmenge
an Oxid, die an jedem Brennstab erlaubt ist. Sobald diese Grenze
für einen
Brennstab erreicht ist, muss er aus dem Betrieb entfernt werden.
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In
normalen Wasserchemiereaktoren (zum Beispiel jene, bei denen dem
Kühlwasser/Moderator
kein Zink oder Edelmetalle zugesetzt wurden) lagern sich typischerweise
keine oder begrenzte Mengen an Korrosionsprodukten auf den Brennstäben an,
und es können
Standard-Wirbelstromabhebemesstechniken (Abhebemesstechnik: lift-off
measurement techniques) eingesetzt werden. Solche Standardtechniken
messen einen Parameter (zum Beispiel den Abhebevektor), der durch
die Zirkoniumoxidschicht erzeugt wird und der dann mit der Dicke
der Zirkoniumoxidschicht in Beziehung gesetzt wird.
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Das
Reaktorkühlmittel
kann jedoch gelöste
Teilchen von Reaktorkühlsystemkomponenten
und vom Rohrleitungssystem transportieren und solche gelösten Teilchen
auf den Brennstäben
ablagern.
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In
Siedewasserreaktoren (BWR: Boiling Water Reactor), die seewasserfeste
Sondermessingkomponenten in Dampfkühlern aufweisen und in den
BWR und Druckwasserreaktoren (PWR: Pressurized Water Reactor), die
Zinkinjektionswasserchemie einsetzen, bildet sich ebenfalls eine
ferromagnetische Korrosionsschicht auf den Brennstäben. Zum
Beispiel in Reaktoren, die Zinkinjektionschemie einsetzen, bilden
eine Schicht aus Zinkspinell (ZnFe4O2) sowie aus Hämatit eine hartnäckige Korrosionsschicht
oben auf der Zirkoniumoxidschicht. Aufgrund des Vorhandenseins von
Eisen ist diese Korrosionsschicht ferromagnetisch. Weiterhin beeinflusst
die durch Eisen und Zink gebildete Legierung die Leitfähigkeit
und die Permeabilität
der Korrosionsschicht. Das Messen der Dicke sowohl der Korrosionsschicht
als auch der Dicke der Oxidschicht sind entscheidend für die exakte
Bewertung der thermisch-hydraulischen Leistungsfähigkeit von Brennstäben sowie
das Einhalten der Grenzwerte für
den Betrieb von Brennstäben
und deren Lebensdauer.
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Das
ferromagnetische Material in der Korrosionsschicht wirkt jedoch
störend
auf die Standardwirbelstrom-Abhebemessung, die zur Bestimmung der
Dicke der Brennstabummantelungsoxidschicht eingesetzt wird. Die
ferromagnetisches Material aufweisende Korrosionsschicht wurde durch
die Verfahren nach dem Stand der Technik nicht genau gemessen, die
zu einer zu hohen Bestimmung der Dicke der Ummantelungsoxidschicht
geführt
haben.
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Standard
Abhebemessungen zum Messen der Dicke einer Korrosionsschicht oder
von -schichten setzen eine Sonde ein, die eine Spule(n) aus leitendem
Draht aufweist, die auf der Oberfläche des Brennstabs angeordnet
wird (werden). Wenn die Spule von der Oberfläche der Versuchsprobe abgehoben
wird, ändert sich
der Scheinwiderstand der Spule in Abhängigkeit von der abnehmenden
Wirkung der in dem Teil der Versuchsprobe gebildeten Wirbelströme. Die
Spur, die die Spule erzeugt, wird der Abhebevektor genannt. Beim Testen
von Brennstäben
verändert
sich die Leitfähigkeit
der Basis oder des Ummantelungsmaterials nicht, was daher den Rücklaufweg
der Abhebekurve nicht beeinflusst. Die Veränderung des Scheinwiderstandes
sollte in direkter Relation zu der Entfernung stehen, in der die
Wirbelstromspule von der Versuchsprobe abgehoben wird. Wie in einem
Scheinwiderstandsdiagramm gezeigt und aufgezeichnet in 1,
befinden sich das ferromagnetische Material und seine zugeordnete
Permeabilitätsortslinie
(als der Teil von 1 eingezeichnet, der von Punkt
A nach Punkt C führt)
in der gleichen Grundrichtung wie die Abhebekurve (als der Teil
von 1 eingezeichnet, der von Punkt B nach Punkt A
führt)
für nicht
magnetisches Basismaterial (d.h. die Brennstabummantelung). Durch
die ferromagnetische Korrosionsschicht wird eine Verschiebung der
Richtung der Abhebeortslinie und eine Größenänderung erzeugt. Wenn diese
Verschiebung der Richtung der Abhebeortslinie und die Größenänderung
zur Abhebeortslinie des nicht magnetischen Basismaterials hinzuaddiert
werden, wie dies typisch bei Vorrichtungen aus dem Stand der Technik
ist, wird die Oxiddicke auf dem Brennstab dahingehend falsch bestimmt,
dass sie zehnmal dicker als in Wirklichkeit ist.
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Die
Verfahren nach dem Stand der Technik zur Messung der Dicke der Schicht
der ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosion und der Zirkoniumoxidschicht
auf der Brennstabummantelung umfassen die Notwendigkeit der Verwendung
eines Korrekturfaktors, der auf zu erwartende Einflüsse der
ferromagnetischen Korrosionsschicht basiert. Der Korrekturfaktor
wird unter der Annahme bestimmt, dass die Einflüsse der ferromagnetisches Material
enthaltenden Korrosionsschicht eine lineare Funktion der Dicke sind.
Diese Voraussetzung repräsentiert
jedoch keine korrekte oder sogar eine genaue Darstellung des gegenwärtigen Zustandes der
Korrosionsschicht, deren Dicke, Zusammensetzung und Permeabilität entlang
der axialen Länge
der Brennstabummantelung wechselt. Entsprechend bringen dieser Korrekturfaktor
und die Voraussetzungen selbst wesentliche Abweichungen hinsichtlich
der aktuellen Dicke gegenüber
der angezeigten Dicke. Dieser Korrekturfaktor wird von den erfassten
Daten subtrahiert und gibt lediglich eine virtuelle Gesamtdicke
der Korrosionsschicht und der Zirkoniumoxidschicht an. Die Dicke
jeder der ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosionsschichten
und der Zirkoniumoxidschicht kann durch solche Verfahren nach dem
Stand der Technik nicht bestimmt werden.
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Es
wäre somit
vorteilhaft gegenüber
Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik, die Dicke
einer auf einer Brennstabummantelung gebildeten ferromagnetisches
Material enthaltenden Korrosionsschicht genau zu messen.
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Es
wäre somit
weiterhin vorteilhaft gegenüber
Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik, die Dicke
einer auf der Oberfläche
einer Brennstabummantelung gebildeten Zirkoniumoxidschicht zu messen.
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Es
wäre somit
noch ein weiterer Vorteil gegenüber
Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik die Dicke
von jeder ferromagnetisches Material enthaltenden Schicht und der
auf der Oberfläche
der Brennstabummantelung gebildeten Zirkoniumoxidschicht genau zu
messen.
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Zusammenfassung der Erfindung,
die die unabhängigen
Ansprüche
1, 3 einschließt
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zur Bestimmung der Dicke einer Schicht aus im wesentlichen Oxidmaterial
auf der Oberfläche
der Ummantelung eines Brennstabs bereitgestellt, wenn die Schicht
aus im wesentlichen Oxidmaterial eine darüber liegende Schicht aus im
wesentlichen ferromagnetischem Material aufweist, wobei die Schicht
aus im wesentlichen Oxidmaterial eine unbekannte Dicke hat, umfassend
die Schritte: Anbringen eines Fühlers
eines Wirbelstromsensors auf der Oberfläche der Schicht aus im wesentlichen
ferromagnetischem Material, wobei der Fühler eine Spule hat, die mit
einem Wechselstrom erregt wird, der eine erste Frequenz aufweist,
die dazu ausgewählt
ist, nur in die Schicht aus im wesentlichen ferromagnetischem Material
einzudringen, und ein erster komplexer Scheinwiderstand des Fühlers erzeugt
wird, der repräsentativ
für die
Veränderung
der Permeabilität
und die Veränderung
der Dicke sowie für
die Veränderung der
Leitfähigkeit
der Schicht aus im wesentlichen ferromagnetischem Material ist,
wobei die Spule mit einem Wechselstrom erregt wird, der eine zweite
Frequenz aufweist, die dazu ausgewählt ist, in die ferromagnetisches
Material enthaltende Schicht und in die Oxidmaterialschicht und
die Ummantelung des Brennstabs einzudringen, wobei ein zweiter komplexer
Scheinwiderstand des Fühlers
erzeugt wird, der repräsentativ
für die Veränderung
der Permeabilität
und für
die Veränderung
der Dicke sowie für
die Veränderung
der Leitfähigkeit der
ferromagnetisches Material enthaltenden Schicht und die gemessene
Veränderung
beim Abheben ist, die durch die Schicht aus im wesentlichen Oxidmaterial
erzeugt wird; Erregung des Fühlers
mit einem Wechselstrom, der die erste und die zweite Frequenz hat;
Messung des ersten komplexen Scheinwiderstandes und des zweiten
komplexen Scheinwiderstandes; Phasenverschiebung des ersten komplexen
Scheinwiderstandes, so dass seine Polarität 180° von dem zweiten komplexen Scheinwiderstand
beträgt;
und Addition des zweiten komplexen Scheinwiderstandes zum phasenverschobenen
ersten komplexen Scheinwiderstand, wobei die Addition einen resultierenden
komplexen Scheinwiderstand erzeugt, der repräsentativ für die Dicke der Schicht aus
im wesentlichen Oxidmaterial ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Diagramm eines komplexen Scheinwiderstandes, in dem der induktive
Blindwiderstand gegen den Widerstand für einen von der Brennstabummantelung
getrennten Wirbelstromfühler
aufgetragen ist.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Wirbelstromspule bei
einer ersten Frequenz, typischerweise 10 MHz, betrieben. Die Tiefe
der Wirbelstromdurchdringung steht in umgekehrter Beziehung zur
Frequenz:
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- in der
- S = Standard-Penetrationstiefe (wo die Wirbelstromdichte auf
37 % ihres Oberflächenwertes
abgenommen hat);
- f = Betriebsfrequenz des Wirbelstromfühlers;
- μ0 = universale magnetische Permeabilität oder Permeabilität von Luft;
- μ =
relative magnetische Permeabilität
der Versuchsprobe oder des Materials; und
- σ =
Leitfähigkeit
der Versuchsprobe oder des Materials.
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Aufgrund
der Auswahl einer hohen Frequenz von 10 MHz messen die Veränderungen
des Scheinwiderstandes der Wirbelstromspule nur die Permeabilität, Dicke
und Leitfähigkeit
der Korrosionsschicht, da diese Frequenz ausreichend hoch ist, dass
sie nicht tief genug durchdringt, um von der Leitfähigkeit
des Brennstabummantelungsmaterials, typischerweise Zircaloy, beeinflusst
zu werden. Aus dieser Messung werden die Dicke, die Permeabilität und die
Veränderung
der Leitfähigkeit
der ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosionsschicht gemessen.
Dieses Verfahren ist genauer als die Verfahren nach dem Stand der
Technik, da nur in die ferromagnetisches Material enthaltende Korrosionsschicht
eingedrungen wird und da bei dem Verfahren die aktuellen und Veränderungscharakteristiken
der ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosionsschicht gemessen
werden, um aktuelle Dickedaten für
das auftretende spezifische ferromagnetische Material und nicht
von ferromagnetischen Materialien zu erhalten, die lediglich denen ähneln, die
tatsächlich
auf der Brennstabummantelung gefunden werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine zweite Frequenz
an die gleiche Spule angelegt, was die Wirbelströme dazu bringt, in die Korrosionsschicht
und in die Oxidschicht und in mindestens eine Standard-Penetrationstiefe
in die Brennstabummantelung einzudringen. Die Durchdringungstiefe des
Wirbelstroms in Abhängigkeit
von der Frequenz wird wieder einmal durch Gleichung 1 bestimmt.
Alternativ kann statt einer Spule eine zweite Spule eingesetzt werden.
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Durch
den Einsatz einer niedrigeren zweiten Frequenz, bevorzugt von 2–3 MHz,
die ausgewählt
wurde, um in die Korrosionsschicht, die Oxidschicht und die Brennstabummantelung
einzudringen, setzen sich die Veränderungen des Scheinwiderstandes
der Wirbelstromspule aus dem Zirkoniumoxidschicht-Abhebevektor (konstante
Leitfähigkeit
der Brennstabummantelung vorausgesetzt) und den Leitfähigkeits-,
Dicke- und Permeabilitätsvektoren
der ferromagnetischen Korrosionsschicht zusammen.
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Beim
Einsatz von Standard-Wirbelstrommesstechniken sind der induzierte
Wirbelstrom in der nicht magnetischen Brennstabummantelung und der
durch den Wirbelstromfühler
erzeugte induzierte Wirbelstrom einander entgegengesetzt. Wenn die
Brennstabummantelung eine darüber
liegende Korrosionsschicht aufweist, die ferromagnetisches Material
umfasst, sind die induzierten Wirbelströme in der darüber liegenden
Korrosionsschicht viel größer als
der Wirbelstrom der in der nicht magnetischen Brennstabummantelung
erzeugt wurde und in Phase mit diesem (d.h. additiv). Dies führt dazu,
die Messung der Dicke der Schicht(en), die über der Brennstabummantelung
liegt/liegen zu beeinflussen, wobei suggeriert wird, dass die Schichten)
dicker ist/sind als in Wirklichkeit.
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Durch
die vektorielle Subtraktion (a) der gemessenen Parameter d.h. der
Permeabilität
und der Ortslinien der Permeabilität und der Dicke der ferromagnetischen
Korrosionsschicht, die erhalten wurden, indem eine Wirbelstromspule
bei einer höheren
Frequenz betrieben wurde, von (b) den gemessenen Parametern, die die
Dicke des Zirkoniumoxids (d.h. Abhebeortslinie) und der ferromagnetischen
Korrosionsschicht (d.h. die kombinierten Orstlinien der Permeabilität und der
Dicke) wiedergeben, die durch den Betrieb einer Wirbelstromspule
bei der niedrigeren Frequenz erhalten wurden, stellt gemäß der vorliegenden
Erfindung das resultierende Scheinwiderstandssignal nur Daten von
dem Zirkoniumoxidschicht-Abhebevektor dar, wobei die Einflüsse der
ferromagnetischen Korrosionsschicht ausfallen. Der oben erwähnte Fehler
oder Einfluss wird dabei beseitigt, wobei Daten erzielt werden,
die die tatsächliche
Dicke der Zirkoniumoxidschicht wiedergeben. Die Messung unter Einsatz
einer hohen Frequenz zur Induzierung von Wirbelströmen im ferromagnetischen
Material umfasst keinen Fehler, da es keine Wechselwirkung zwischen
den induzierten Wirbelströmen
des ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Materials gibt.
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Beim
Einsatz eines Mehrfrequenzwirbelstromprüfers mit entweder einer doppelten
oder einer einzelnen Spule, wird die Information aus der höheren Frequenz
aus der Information des Gesamtsignals aus höherer und niedrigerer Frequenz
ermittelt, indem Filter in dem Wirbelstromprüfer verwendet werden. Die Information von
dem höheren-Frequenz-Signal
ist phasenverschoben, so dass seine Polarität 180° von dem niedrigeren-Frequenz-Signal
beträgt.
Das hohe-Frequenz-Signal
und das niedrige-Frequenz-Signal werden dann amplitudenkorrigiert,
phasenaddiert und gefiltert. Das resultierende Scheinwiderstandssignal
stellt nur Daten des Zirkoniumoxid-Abhebevektors dar, wobei die
Einflüsse
der ferromagnetischen Korrosionsschicht wegfallen. Zusätzlich kann
der Dickevektor (in 1 als die Dünnungsortslinie gezeigt, die
in dem Diagramm zwischen den Punkten C und E dargestellt ist) der
ferromagnetischen Korrosionsschicht mit einem Standard verglichen werden,
um die Dicke der Korrosionsschicht zu bestimmen. Wenn es irgendeine
Veränderung
in der Zusammensetzung der ferromagnetischen Korrosionsschicht gibt,
wie sie durch das Vorhandensein von Kobalt oder Nickel auftreten
kann, können
solche Veränderungen
entweder der Permeabilitätsortslinie
(1, Punkt A zu Punkt C) oder der Leitfähigkeitsortslinie
(1, Punkt C zu Punkt D) durch Phasenverschiebungen
bei den Permeabilitäts-
und/oder den Leitfähigkeitsortslinien
festgestellt werden. Alternativ dazu kann die Phasenaddition offline
an einem Computer durchgeführt
werden.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen darin, dass die tatsächlichen
Veränderungen
in der Beschaffenheit und der Dicke der ferromagnetischen Korrosion
direkt gemessen werden können.
Verfahren nach dem Stand der Technik basieren auf simulierte Korrosionsdicke
und Beschaffenheit, was die Genauigkeit von Messungen beeinflusst.
Die Methodik der vorliegenden Erfindung wendet keine falsche Schätzung an,
um Korrosionsschicht- und Oxidschichtdaten zu erhalten. Erfindungsgemäß werden
eher jeweils die Dicke der ferromagnetischen Korrosionsschicht und
der Zirkoniumoxidschicht gemessen, als dass sie unter Anwendung
von Korrekturfaktoren angenähert
werden, wobei eine aktuelle Messung zur Bewertung der Brennstoffleistung
und des Betriebsspielraums zur Verfügung gestellt wird.
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Somit
ermöglicht
die vorliegende Erfindung die genaue Messung:
- (a)
der Dicke einer ferromagnetischen Schicht variierender Dicke und
Permeabilität,
die eine nicht elektrisch leitfähige
Oxidschicht bedeckt;
- (b) der Dicke einer Oxidschicht unter einer ferromagnetischen
leitfähigen
Schicht;
auf einer Basis eines nicht ferromagnetischen
leitfähigen
Materials.
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Weiterhin
kann die vorliegende Erfindung für
jede Messung einer Mehrlagenbeschichtung auf einer nicht ferromagnetischen
leitfähigen
Basis durch eine ferromagnetische Oberschicht hindurch angewendet
werden.
