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Diese
Anmeldung beansprucht Priorität
vor der vorläufigen
Patentanmeldung mit dem Titel "Apparatus
and Method for Ultrasonically Cleaning Irradiated Nuclear Fuel Assemblies", laufende Nr. 60/128.391,
eingereicht am 8. April 1999.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Instandhaltung von
Kernkraftwerken. Genauer bezieht sich diese Erfindung auf eine Technik
zum Reinigen bestrahlter Kernbrennelemente in Kernkraftwerken mittels
Ultraschall.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Während des
Betriebs von Kernkraftreaktoren werden Verunreinigungen und Erzeugnisse
des Reaktorkühlmittels
auf Kernbrennelementen abgelagert. Diese Ablagerungen können den
Betrieb und die Instandhaltung von Kernkraftwerken auf mehrere Arten
beeinflussen; zum Beispiel (a) können
ihre neutronischen Eigenschaften die nukleare Leistung des Reaktors
beeinträchtigen;
(b) kann ihr Wärmewiderstand
erhöhte
Oberflächentemperaturen
auf den Brennstäben
hervorrufen, die zu Materialfehlern im Stab führen können; (c) führt ihr radioaktiver Zerfall zu
einer Strahlenbelastung des Arbeitsplatzes, wenn die Ablagerungen
durch das gesamte Reaktorkühlmittelsystem
wieder verteilt werden, insbesondere bei Stromspitzen; (d) verkomplizieren
sie eine gründliche
Prüfung
bestrahlter Kernbrennelemente sowohl mittels optischer Verfahren
als auch mittels Wirbelstrom; (e) neigen von Brennstäben abfal lende
Ablagerungen dazu, die Sicht im Becken für abgebrannte Brennstoffe zu
vermindern, wodurch andere Arbeiten im Brennstoffbecken während Stillstandszeiten
zum Wechseln der Brennstäbe
erheblich verzögert
werden; (f) sobald sie auf Elementen, die ein zweites oder drittes
Mal bestrahlt werden, wieder in den Reaktor geladen werden, bilden
sie einen Bestand an Material, der schädigend auf neuen Brennstoffkassetten
erneut verteilt werden kann. Im Gegensatz zu langsamen, manuellen
Techniken fehlen gegenwärtig
Verfahren, um effizient und rentabel solche Ablagerungen von bestrahlten
Brennelementen zu entfernen.
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Unlängst wurde
von Abweichungen der Achsverschiebung (AOA; Axial Offset Anomaly)
in Druckwasserreaktoren (PWR; Pressurized Water Reactor) berichtet.
AOA ist ein Phänomen,
bei dem aufgrund der Kombination von lokalen thermo-hydraulischen
Bedingungen und primärseitiger
Flüssigkeitsverunreinigungen
Ablagerungen auf der Brennstoffhülle
gebildet werden, die typisch für
den Reaktor und das Primärsystem
sind. Diese Ablagerungen wirken als Giftstoff für die Kernreaktion und verursachen
entlang der Achse des Kerns eine anormale Energieverteilung, wodurch
unter bestimmten Betriebsbedingungen der vorhandene Spielraum verringert wird.
AOA hat einige Kraftwerke dazu gezwungen, das Reaktorleistungsniveau
für längere Zeitspannen zu
vermindern.
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Das
Problem von AOA erfordert die Entwicklung eines effizienten, rentablen
Mechanismus zum Entfernen von PWR-Brennstoffrückständen. Ein solcher Mechanismus
ist auch wünschenswert,
um den gesamten Ablagerungsbestand zu vermindern, um die Dosisraten
für das
Kraftwerkpersonal zu senken, um die Überprüfbarkeit des Brennstoffs zu
verbessern, um den Brennstoff für
die langfristige Trockenlagerung vorzubereiten und um die Sammlung
von Verunreinigungsproben zur Analyse zu erleichtern.
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Es
wurden mehrere Lösungsansätze vorgeschlagen,
um PWR-Brennstoffrückstände zu entfernen.
Ein Verfahren ist, die Elemente an Ort und Stelle im Reaktor oder
nach dem Entnehmen in einer separate Reinigungszelle chemisch zu
reinigen. Bei diesem Ansatz bestehen mehrere Probleme, einschließlich der
Kosten, dem Korrosionspotential durch die Reinigungschemikalien
und der Schwierigkeit der Entsorgung der hoch kontaminierten Chemikalien. Der
größte Nachteil
dieses chemischen Ansatzes ist vielleicht, dass er viel Zeit beansprucht,
da für
ein einzelnes Brennelement mehrere Stunden benötigt werden.
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Ein
weiterer Lösungsansatz,
der verfolgt wird, ist die Umwälzung
von Eisstückchen
in einer Reinigungszelle, wo die Eisströmung entlang der Brennstäbe Ablagerungen
sanft beseitigt. Bei diesem Ansatz bestehen Bedenken hinsichtlich
der Reinigungswirksamkeit, der Schwierigkeit des Antreibens von
Eisstückchen
durch bestimmte Brennstoffunterstützungsanordnungen, der Notwendigkeit,
große Mengen
an Eisstückchen
zu erzeugen, der Auswirkung von geringen Temperaturen auf die strukturelle Unversehrtheit
der Brennstäbe
und der Verdünnung von
Bor in dem Becken für
abgebrannte Brennstäbe.
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In
der Vergangenheit wurden einzelne Brennstäbe und Brennelementkanäle mittels
herkömmlicher
Ultraschalltechnik während
des Herstellungsprozesses gereinigt. Herkömmliche Ultraschalltechnik
ist jedoch nicht sehr effektiv bei der Reinigung großer Bündel von
Brennstäben
in bestrahlten Brennelementen aufgrund der geringen Leistungsdichte
pro Volumeneinheit, die erzeugt werden kann. Ferner sind die herkömmlichen
Ultraschallreinigungswandler groß und daher schwierig in einem
typischen Kraftwerkbrennstoffbecken zu implementieren.
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Anordnungen
zum Ultraschallreinigen von Kernbrennelementen sind aus den Dokumenten US-A-5467791,
US-A-4847042 und JP-A-54073474 bekannt.
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Hinsichtlich
des Vorhergehenden ist es sehr wünschenswert,
eine zeitlich effiziente, effektive, rentable Technik zum Beseitigen
von Rückständen von bestrahlten
Kernbrennelementen zu schaffen.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Die
Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Reinigen eines bestrahlten
Kernbrennelements. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, um
ein Kernbrennelement aufzunehmen. Eine Menge von Ultraschallwandlern
ist am Gehäuse
angeordnet, um radial ausstrahlende, omnidirektionale Ultraschall energie
zu liefern, um Ablagerungen von dem Kernbrennelement zu entfernen.
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Das
Verfahren der Erfindung zielt auf die Reinigung eines bestrahlten
Kernbrennelements. Das Verfahren umfasst den Schritt des Positionierens
eines Kernbrennelements neben einem Gehäuse. Daraufhin wird radial
ausstrahlende, omnidirektionale Ultraschallenergie von Wandlern,
die am Gehäuse angeordnet
sind, dem Kernbrennelement zugeführt, um
Ablagerungen vom Kernbrennelement zu entfernen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung verwiesen,
die in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen herangezogen werden sollte, in welchen:
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1 eine
Vorderansicht einer Ultraschall-Reinigungsvorrichtung ist, die entsprechend einer
Ausführungsform
der Erfindung konstruiert ist;
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2 einen
Ultraschallwandler darstellt, der entsprechend einer Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird, um radial ausstrahlende, omnidirektionale
Energie zu erzeugen;
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3 eine
Seitenansicht der Ultraschall-Reinigungsvorrichtung aus 1 ist;
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4 eine
Draufsicht der Ultraschall-Reinigungsvorrichtung aus 1 mit
einem darin positionierten Kernbrennelement ist;
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5 die
Ultraschall-Reinigungsvorrichtung aus 1 und die
zugehörige
Pumpen- und Filtrationsvorrichtung darstellt, die entsprechend einer
Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird;
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6(a)–6(c) den Prozess der Positionierung eines
Brennelements innerhalb des Gehäuses der
Erfindung darstellen;
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7 eine
Ausführungsform
der Erfindung darstellt, die diagonal positionierte Ultraschallwandler
verwendet;
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8(a)–8(b) eine mobile Ultraschall-Reinigungsvorrichtung
entsprechend einer Ausführungsform
der Erfindung darstellen;
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9 die
Ultraschall-Reinigungsvorrichtung der Erfindung mit einem integralen
Pumpen- und Filtrationssystem darstellt; und
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10–12 eine
Ultraschall-Reinigungsvorrichtung zur Verwendung in Verbindung mit
Siedewasserreaktoren darstellen;
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Gleiche
Bezugszeichen beziehen sich in allen Zeichnungen auf entsprechende
Teile.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 ist
eine Vorderansicht einer Ultraschall-Reinigungsvorrichtung 20,
die entsprechend einer Ausführungsform
der Erfindung konstruiert ist. Die Vorrichtung 20 umfasst
Ultraschallwandler 22, die an einem Gehäuse 24 montiert sind.
Eine Führung 28 ist
oben auf dem Gehäuse 24 positioniert. Ein
(in 1 nicht gezeigtes) Kernbrennelement wird entlang
der Führung 28 in
das Gehäuse 24 geführt. Sobald
das Kernbrennelement innerhalb des Gehäuses 24 positioniert
ist, wird es durch die Anwendung von Ultraschallenergie von den
Ultraschallwandlern 22 gereinigt, wie im Folgenden beschrieben
wird.
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Elementreaktionsträger 26 können verwendet
werden, um das Gehäuse 24 an
eine Wand eines Reinigungsbeckens zu befestigen. Wahlweise kann das
Gehäuse 24 von
einem Kran oder Hebezug unterstützt
werden. 1 stellt auch eine Filtrationsrohrleitung 32 und
ein Notfallkühlungsloch 30 dar, das
in dem Fall verwendet wird, dass das Filtrationssystem ausfällt. Das
Notfallkühlungsloch 30 schafft für den Fall
einer Anlagenstörung
(z. B. Ausfall von Pumpen) durch natürliche Konvektion einen ausreichenden
Entzug von Zerfallswärme
aus dem Brennelementkanal. Die Filtrationsrohrleitung 32 wird
verwendet, um Wasserladungen mit entfernten Ablagerungen zu einer
Filtrationseinheit zu befördern,
wie im Folgenden beschrieben wird.
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Der
Wandler 22 kann auf Wandlermontageplatten 34 befestigt
sein. Die Wandlermontageplatten 34 werden verwendet, um
die Wandler 22 mit dem Gehäuse 24 zu verbinden.
Wandlerabstandshalter 36 werden verwendet, um die Wandler 22 in
der geeigneten Position an den Montageplatten 34 anzubringen.
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2 stellt
einen Wandler 22 dar, der entsprechend der Erfindung verwendet
wird. Der Wandler 22 umfasst einen ersten piezoelektrischen
Wandler oder eine Menge von Wandlern 40 und einen zweiten
piezoelektrischen Wandler oder eine Menge von Wandlern 42,
die auf gegenüberliegenden
Seiten eines Stabes 44 montiert sind. Die Wandler 40 und 42 empfangen
Steuerungssignale über
eine Leitung 46. Die Konfiguration des Wandlers 22 erzeugt
radiale Druckwellen, die sich vom Stab 44 in alle Richtungen
ausbreiten. Daher werden die radial ausstrahlenden Druckwellen als
omnidirektional bezeichnet.
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Die
entsprechend der Erfindung verwendeten omnidirektionalen Druckwellen
stehen im Gegensatz zu herkömmlichen
Ultraschallwandlern, die in der Flüssigkeit, in der sie schwingen,
unidirektionale Druckwellen erzeugen. Die unidirektionalen Wellenfronten
sind dem Namen nach planar, da sie von der Bewegung einer planaren
Struktur erzeugt werden, wie etwa der Wand oder dem Boden eines
Ultraschallbades, an denen der Wandler angebracht ist. Die übertragene
Energie wird abgegeben, wenn sie auf physische Objekte trifft. Daher
ist es im Fall von Brennstoffstäben
eines Brennelements schwierig, herkömmliche Ultraschalltechnik
zu verwenden, da es schwierig ist, die Ultraschallenergie bis in
die Mitte des Brennelements zu leiten. Die hierfür benötigte Energie ist übermäßig groß und kann
den Brennstoff möglicherweise
beschädigen.
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Die
Wandler 22 der Erfindung erzeugen omnidirektionale Druckwellen.
Die Wellenfronten werden von der phasenstarren Bewegung der beiden
piezoelektrischen Wandler 40 und 42 erzeugt. Zylindrisch
erzeugte Druckwellen, die so verteilt sind, dass ihre Knotenstruktur
längs der
Stabachse ungefähr dem
Brennstababstand oder einem Vielfachen des Brennstababstands entspricht,
können
leichter die Reihen der Brennstäbe
durchdringen. Daher kann die Reinigung der inneren Stäbe innerhalb
des Brennstoffbündels
mit wesentlich geringerem Energieaufwand erreicht werden, als erforderlich
wäre, wenn
die innere Reinigung mittels herkömmlicher Ultraschalltechnik
erfolgen würde.
Anders ausgedrückt erzeugen
die Wandler, ihre Reflektoren und das Verschiebungspositionieren
ein raumfüllendes
Energiefeld, das im Inneren des Brennelements über ausreichend Energie verfügt, um die
Ablagerungen von den abgeschirmtesten Brennstäben schnell zu entfernen, ohne
so viel Energie auf einen Brennstab zu übertragen, dass die Hüllenbewegungen
die Brennstofftabletten physikalisch beschädigen.
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Die
Erfindung wurde unter Verwendung von Gegentaktwandlern umgesetzt,
die von Martin Walter Ultraschalltechnik GmbH, Staubenhardt, Deutschland
vertrieben werden. Diese Wandler sind im US-Patent 5.200.666 beschrieben,
welches hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist. Ultraschallfrequenzen
zwischen 20 kHz und 30 kHz und Wandlerleistung zwischen 1.000 und
1.500 Watt haben sich als erfolgreich erwiesen. Dies erzeugt eine
Energiedichte zwischen 20 und 30 Watt/Gallone, was eine besonders
wirksame Energiedichte zum Entfernen von Ablagerungen von einem
bestrahlten Brennelement darstellt. Diese Energiedichte wird als
erheblich niedriger als die Energiedichte erachtet, die während der
Verwendung von herkömmlichen
Ultraschallwandlern umgesetzt wird.
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Andere
Wandler, die gemäß der Erfindung zur
Erzeugung von radial ausstrahlender omnidirektionaler Energie verwendet
werden können,
umfassen telsonische Strahlerwandler (Röhrenwandler) und sonotrode
Wandler (mit einem Wandler an einer einzigen Seite eines Stabes).
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Bei
einer Ausführungsform
besteht der Wandlerkörper
aus Titan, wobei rostfreie Stahlendkappen verwendet werden. Die
der Vorrichtung zugehörigen
Dichtungen, Kabel und Verbinder sollten für den Betrieb innerhalb eines
Beckens für
abgebrannte Brennstoffe ausgelegt sein und müssen ansonsten alle typischen
Verträglichkeitsanforderungen
und die für
Kernkraftwerke üblichen
Sicherheitsanforderungen (z. B. Ausschluss fremden Materials oder
FME (FME; Foreign Material Exclusion)) erfüllen.
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3 ist
eine Seitanansicht der Vorrichtung 20 aus 1. 3 stellt
den Brennelementkanal oder das Gehäuse 24, den Elementreaktionsträger 26,
die Führung 28,
die Filtrationsrohrleitung 32, die Reflektoren 50 und
einen Elementmontagestab 52 dar. Die Reflektoren 50 werden
verwendet, um die Menge an Ultraschallenergie zu erhöhen, die
an das Brennelement abgegeben wird. Das heißt, die Reflektoren 50 reflektieren
Ultraschallenergie in das Brennelement. Die Elementmontagestäbe 52 werden verwendet,
um die Wandlermontageplatten 34 mit den Elementreaktorträgern 26 zu
verbinden. Die Elementreaktorträger 26 drücken gegen
die Wand 54 eines Brennstoffbeckens, wo die Reinigung stattfindet, wie
im Folgenden beschrieben wird.
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Das
Gehäuse 24,
die Montageplatten 34, die Abstandshalter 36 und
die Reflektoren 50 können aus
rostfreiem Stahl bestehen. Andere Materialien können verwendet werden, wenn
sie die allgemeinen Sicherheits- und Materialverträglichkeitsanforderungen
für den
Betrieb von Kernkraftwerken erfüllen.
Insbesondere sollte das ausgewählte
Material für
den Gebrauch in Brennstofflagern und in Arbeitsbereichen eines Kraftwerks,
einschließlich
des Beckens für
abgebrannte Brennstoffe und des Behälterladeschachts, zugelassen
sein.
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Vorzugsweise
sind die inneren Oberflächen des
Gehäuses 24 elektrolytisch
poliert, um die Möglichkeit
für radioaktive
Partikel zu reduzieren, sich auf diesen Oberflächen abzulagern oder sich in
Schächten
oder in Spalten in diesen Oberflächen
einzulagern. Dies ermöglicht
einen Abbau und einen Transport des Gehäuses ohne dass das Personal
einer Strahlenbelastung ausgesetzt ist. Anzumerken ist, dass die
Ultraschallwandler 22 zur Reinigung des Gehäuses 24 verwendet
werden können.
Das heißt, dass
die Wandler 22 aktiviert werden, wenn das Gehäuse 24 leer
ist, um die Wände
des Gehäuses 24 von
Ablagerungen zu befreien.
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4 ist
eine Draufsicht der Ultraschall-Reinigungsvorrichtung 20. 4 stellt
deutlich die folgenden, bereits offenbarten Komponenten dar: die Wandler 22,
das Gehäuse 24,
die Wandlermontageplatten 34, die Wandlerabstandshalter 36 und
die Reflektoren 50. Die Figur stellt auch die Gehäuseabstandshalter 60 dar,
die der Ultraschallenergie ermöglichen,
in die beiden Seiten der Vorrichtung zu gelangen, die der Wandleranordnung
nicht gegenüberliegen.
Jeder Reflektor 50 umfasst eine innere Reflektoroberfläche 56 und
eine Außenoberfläche 54, die
durch einen Luftspalt getrennt sind. Diese Anordnung hat sich als
besonders wirksam bei der Reflexion von Ultraschallenergie erwiesen.
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4 stellt
auch ein Brennelement 70 dar, das innerhalb des Gehäuses 24 positioniert
ist. Das Brennelement 70 umfasst einzelne Brennstäbe 72. Ablagerungen 74 sind
an den Brennstäben 72 haftend
dargestellt. Ablagerungen dieser Art werden gemäß der Erfindung entfernt.
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4 stellt
ein 17 × 17-Brennelement 70 dar. Das
Gehäuse 24 kann
so konfiguriert sein, dass es alle Modelle von Leichtwasserreaktorbrennstoffen aufnimmt.
Selbstverständlich
kann das Gehäuse auch
für andere
Brennstoffquellen bestimmt sein.
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Die
Vorrichtung der 1–4 schafft
eine Ultraschalltechnik hoher Energiedichte, um stark haftende Ablagerungen
von bestrahlten Kernbrennelementen zu beseitigen. Insbesondere die
Wandler 22 erzeugen eine Leistungsdichte und ein Schallfeld, um
bis in die Mitte des Brennstoffbündels 70 vorzudringen,
um so die dort angeordnete Brennstabhülle zu reinigen. Die Wandler 22 werden
in senkrechten Reihen (Achsen sind waagrecht ausgerichtet) entlang
zweier Seiten des Brennelements angelegt (z. B. wie in 1 gezeigt
ist). 1 stellt Wandler 22 oben auf dem Gehäuse 24 dar,
da dies der Position von Ablagerungen in den meisten Druckwasserreaktoren
entspricht. Selbstverständlich
können
die Wandler 22 entlang der gesamten Länge des Gehäuses 24 oder an begrenzten
strategischen Stellen positioniert sein.
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Die
Anzahl der Brennstäbe
innerhalb eines Elements 70 beträgt typischerweise über 200,
wobei diese in einem quadratischen Abstand in Reihen (z. B. 17 × 17) angelegt
sind. Bei einer Kandidaten-Einheit zum Reinigen ist die Hülle, in
welcher der Brennstofftablettenstapel untergebracht ist, mit Ablagerungen
bedeckt, die entfernt werden sollen. In jeder senkrechten Reihe
von Wandlern sind danebenliegende Wandler seitlich so versetzt,
dass die Knoten auf einem Wandler (d. h. Punkte, die im angeregten Zustand
keine Verschiebung erfahren) mit den Punkten maximaler Verschiebung
auf dem darunter und darüber
liegenden Wandler während
des Systembetriebs auf einer Linie liegen. Ferner ist jeder Wandler auf
diese Weise von dem Wandler axial versetzt, der auf der gegenüberliegenden
Seite des Brennelements angeordnet ist. Anders ausgedrückt ist
es wünschenswert,
die Wandler um eine halbe Welle (oder Vielfache davon) längs der
Achse der gegenüberliegenden
Wandler versetzt zu positionieren. Diese Positionierung verbessert
erheblich das Durchdringen der Rohrbündel.
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5 stellt
die Vorrichtung der Erfindung 20 dar, die in einem Brennstoffbecken 80 positioniert
ist. Die Vorrichtung 20 ist mittels der Elementreaktionsträgern 26 montiert.
Ein Seil 82 kann ebenso verwendet werden, um die Vorrichtung 20 zu
unterstützen. Die
Vorrichtung 20 weist ein zugehöriges Pumpen- und Filtrationselement 90 auf.
Das Element 90 umfasst wenigstens eine Pumpe 92 und
eine Menge von Filtern 94. Vorzugsweise ist ein Strahlungssensor 96 am
Eingangspunkt der Pumpe positioniert. Der Strahlungssensor 96 wird
verwendet, um zu entscheiden, wann das Brennelement gereinigt ist.
Genauer, wenn die Gammaaktivität
an dem Sensor 96 auf einen Basispegelwert fällt, ist
bekannt, dass keine Brennstoffablagerungspartikel mehr entfernt
werden und die Reinigung daher abgeschlossen ist.
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5 stellt
auch zusätzliche
Steuerungselemente 100 dar, die mit den Ausführungsformen
der Erfindung verbunden sind. Die Elemente 100 können Ultraschallleistungsgeneratoren 102,
Pumpen- und Filtrationssteuerschaltungen 106 und ein Filtrations- und
Reinigungssystem 108 umfassen.
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Die 6(a)–6(b) stellen das Positionieren eines Brennelements 70 in
einer vereinfachten Darstellung des Gehäuses 24 dar. Das Brennelement 70 wird
mittels eines Hebezugs 110 positioniert. In 6(a) befindet sich das Brennelement 70 innerhalb
des Gehäuses 24.
In 6(b) ist das Brennelement 70 teilweise
aus dem Gehäuse 24 entnommen. In 6(c) ist das Brennelement 70 aus
dem Gehäuse 24 entnommen.
Der Hebezug 110 aus den 6(a)–6(b) kann in dem System aus 5 verwendet
werden, um ein Brennelement 70 in das Becken 80 einzusetzen
oder aus diesem zu entnehmen. Der Hebezug 110 kann auch
verwendet werden, um das Brennelement 70 während der
Ultraschallreinigung zu repositionieren, um so verschiedene Bereiche
längs der
axialen Länge
des Brennelements 70 zu reinigen.
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Sobald
ein Brennelement 70 innerhalb des Gehäuses 24 positioniert
ist, beginnt das Ultraschallreinigen. Erfolgreiche Ergebnisse wurden
mittels omnidirektionaler, radialer Ultraschallwellen erreicht,
die mit einer Frequenz zwischen etwa 20 bis 30 kHz und einer Wandlerleistung
zwischen 1.000 und 1.500 Watt arbeiten. Wie mit Bezug auf 5 ersichtlich
ist, zieht die Pumpe 92 Wasser durch das Brennelement, wodurch
die Ablagerungen, die von der von den Wandlern 22 erzeugten
Ultraschallenergie entfernt werden, ausgespült werden. Das Schaffen eines
Abwärtsflusses
durch das Gehäuse 24 macht
das Versiegeln des Deckels des Gehäuses 24 überflüssig.
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Vorzugsweise
wird das Brennelement 70 durchgehend von dem Hebezug 110 unterstützt, so dass
das Gehäuse 24 während des
Reinigungsvorgangs tatsächlich
nie das Gewicht des Brennelements 70 unterstützt. Wie
bereits offenbart, sind die Wandler 22 auf dem Äußeren des
Gehäuses 24 montiert,
so dass die Ultraschallenergie durch die Gehäusewände dringt. Versuche haben
ergeben, dass der Haupteffekt der intervenierenden Gehäusewände eine
Abschwächung
des niederfrequenten Anteils des Ultraschallsignals ist. Der hochfrequente
Anteil des Ultraschallsignals (d. h. Frequenzen größer als 10
kHz), der für
den Großteil
der Reinigungswirkung verantwortlich ist, dringt mit geringer Abschwächung durch
ein geeignet gestaltetes Gehäuse.
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Ein
typischer Reinigungsvorgang verläuft
gemäß der Erfindung
wie folgt ab. Der Brennstoffhebezug 110 nimmt ein Brennelement 70 von
einem Brennstofflagergestell auf. Bewegliche Maschinen, die mit
dem Hebezug 110 verbunden sind, befördern das Brennelement 70 zu
dem Becken 80 oder zu einer anderen Reinigungsstelle. Vorzugsweise
wird das Brennelement 70 auf Video aufgezeichnet, wenn es
in das Gehäuse 24 eingeführt wird.
Als Beispiel stellt 6(b) eine Kamera 120 dar,
die oben auf dem Gehäuse 24 positioniert
ist, um das Brennelement 70 aufzuzeichnen. Die Wandler 22 werden
daraufhin eingeschaltet. Vorzugsweise wird der Hebezug 110 dazu
verwendet, das Element 70 in Intervallen von zwei Minuten
nach oben und unten zu bewegen (d. h. für zwei Minuten nach oben, für zwei Minuten
nach unten, usw.). Jede Hebeauslenkung beträgt vorzugsweise etwa mehrere
Zoll.
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Die
Gammastrahlungsaktivität
wird mittels des Sensors 96 überwacht. Das Wasser mit den
radioaktiven Brennstoffablagerungspartikeln wird von der Pumpe 92 durch
die Filter 94 gepumpt und dann in das Becken 80 zurückgeleitet.
Die Gesamtradioaktivität
der Filter 94 wird vorzugsweise überwacht. Sobald die Gammaaktivität am Sensor 96 auf
einen Basispegelwert fällt,
ist bekannt, dass keine Brennstoffablagerungspartikel mehr entfernt
werden, und die Reinigung daher abgeschlossen ist. Der typische Reinigungsvorgang
dauert zwischen 7 und 10 Minuten. Dies steht im starken Gegensatz
zu chemischen Lösungsansätzen nach
dem Stand der Technik, die Stunden dauern. Die der Erfindung zugehörige Zeit für den Reinigungsvorgang
kann verringert werden, indem die Wandlerleistung erhöht wird.
Existierende experimentelle Nachweise deuten darauf hin, dass eine
erhöhte
Wandlerleistung die Brennstofftabletten nicht beschädigt.
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Nach
der Reinigung wird das Brennelement 70 aus dem Gehäuse 70 entnommen,
währenddessen
wird es auf Video aufgezeichnet. Die Videoaufzeichnung von vor und
nach der Reinigung kann untersucht werden, um den Erfolg des Vorgangs
zu bestätigen.
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Der
Hebezug 110 überführt das
Brennelement 70 daraufhin zu dem Brennstofflagergestell. Das
Reinigungssystem ist nun bereit, das nächste Brennelement 70 zur
Reinigung aufzunehmen. Anzumerken ist, dass im Fall eines stark
unterstützten
Gehäuses 24 ein
einziger Hebezug 110 verwendet werden kann, um eine Menge
von Ultraschall-Reinigungsvorrichtungen 20 zuzuführen. Eine
solche Anordnung erhöht
die gesamte Durchlaufleistung.
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Die
Technik der Erfindung wurde an 16 einfach bestrahlten Brennelementen,
die während
eines Nachladestillstandes entsprechend der Erfindung behandelt
wurden, erfolgreich demonstriert. Die gereinigten Elemente wurden
dann für
eine folgende Bestrahlung erneut in den Reaktor geladen. Die Brennelemente
wurden auf Zeichen mangelnder Unversehrtheit der Tabletten und auf
Zeichen hin untersucht, ob Brennstoffablagerungen, die Abweichungen
der Achsverschiebung verursachen, nicht erfolgreich beseitigt wären. Die
größte Belastung
für die Tabletten
erfolgt während
des Anfahrens des Reaktors. Es gab keine Anzeichen von nachteiligen
Auswirkungen auf die Tabletten während
des Wiederanfahrens, wobei keine negativen Auswirkungen während des
nachfolgend Reaktordauerbetriebs festgestellt wurden. Ferner zeigen
Neutronenflusskarten, dass die Brennstoffablagerungen in den entscheidendsten
Bereichen unter den Elementgittern erfolgreich beseitigt wurden,
so dass das Element wie neuer Brennstoff arbeitet, ohne Anzeichen
von anormalem Flussabfall.
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Neben
dem Effektivitätsnachweis
der Erfindung in der Praxis hat die Erfindung auch verschiedene
Laborversuche erfolgreich bestanden. Genauer wurden eine Reihe von
Experimenten mit Proben einer luftoxidierten Zirkaloy-Brennstoffhülle ausgeführt. Genauer
wurde ein Labormodell eines 17 × 17-Brennstabelements
getestet. Die Tests ergaben keinen metallurgischen Schaden am Hüllenoxid, nachdem
es ausgiebig dem Ultraschallreinigungsvorgang der Erfindung ausgesetzt
war. Dieser Test zeigt, dass die Brennstoffhülle (die zylindrische Metallwand,
welche die Brennstofftabletten enthält, die gemeinsam den Brennstab
bilden) nicht negativ beeinflusst wird, wenn die Brennelemente dem
Ultraschallreinigungsvorgang ausgesetzt werden.
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Die
Ultraschallreinigungstechnik der Erfindung kann reinigen, ohne eine
potentiell schädigende
Kraft auf die Brennstofftabletten auszuüben. Die gemäß der Erfindung
verwendeten Ultraschallwellen durchdringen nicht den Gasspalt, der
typischerweise zwischen der Tablette und der inneren Oberfläche der
Hülle vorhanden
ist, so dass der einzige Weg der Übertragung schädlicher
Vibrationsenergie auf die Tabletten die Bewegung der inneren Oberfläche der Hülle gegen
die Tabletten ist. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das Vibrationsspektrum
der Hülle vergleichbar
dem Vibrationsspektrum ist, das der Brennstoff während des Betriebs erfährt. Dass
die schädlichen
Vibrationen durch typische Betriebsbedingungen im Reaktor begrenzt
sind, trifft wohl auf herkömmliche
Ultraschalltechnik nicht zu, da der viel höhere Energieaufwand, der benötigt wird,
um die inneren Stäbe
im Bündel
zu reinigen, wohl schädlich für die Tabletten
sein könnte.
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Fachleute
werden erkennen, dass die Erfindung in einer Vielfalt von Konfigurationen
ausgeführt werden
kann. Als Beispiel sind zusätzliche
Ausführungsformen
in den 7–10 gezeigt.
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7 stellt
den Wandler 22 der Erfindung dar, der in der vertikalen
Ebene eher in einem 45°-Winkel
ausgerichtet ist als horizontal, wie in den vorherigen Ausführungsformen.
Der Wandler 22 kann innerhalb eines Montageblocks 120 einer
Montageauflage 122 positioniert sein. Beispielsweise kann
die Vorrichtung aus 7 oben auf dem Gehäuse 24 der 6(a)–6(c) montiert sein. Bei dieser Ausführungsform
wird das Brennelement 70 während des Reinigungsvorgangs
entlang der Wandler angehoben und gesenkt, wie in den 6(a)–6(c) gezeigt ist.
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Zu
beachten ist, dass die Erfindung mit Wandlern an allen vier Seiten
eines Gehäuses 24 ausgeführt werden
kann. Solche Ausführungsformen umfassen
Reflektoren für
jeden Wandler.
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8(a) stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar,
bei der Wandler 22 auf einem Gehäuse 130 montiert sind,
das während
des Reinigungsvorgangs angehoben und abgesenkt wird, während das Brennelement 70 ortsfest
bleibt. Diese Ausführungsform
der Erfindung zeigt, dass das Gehäuse 130 das Brennelement
nicht umgeben muss. Bei der Ausführungsform
der 1–5 schützt das
Gehäuse 24 den
Brennstoff, verbessert Filtration und Kühlung und enthält die beseitigten
Ablagerungen. Das Gehäuse kann
auch einfach die Ultraschallwandler unterstützen, wie in 8a gezeigt
ist.
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Das
Gehäuse 130 aus 8a ist
an einem Hebeseil 132 angebracht. Ein Gegengewicht 134 wird
verwendet, um das Gewicht des Gehäuses 130 auszubalancieren.
Das Gegengewicht 134 ist an ein Höhenausgleichsseil 133 angebracht.
Das Hängeseil 132 wird
von Hebezügen 136 bewegt,
die an einem Unterstützungsbalken 138 positioniert
sind. Eine Bremse 140 kann verwendet werden, um die Bewegung
des Gehäuses 130 zu
steuern.
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8(b) ist eine detaillierte Darstellung
des Gehäuses 130.
Bei dieser Ausführungsform
befestigt das Gehäuse 130 die
Wandler 22 in einer Führung 150,
die über
einen zugehörigen
Reflektor 152 verfügt.
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9 stellt
einen Kanal 160 zur Aufnahme einer Ultraschall-Reinigungsvorrichtung
der Erfindung und eines zugehörigen
Brennelements dar. Der Kanal 160 umfasst eine integrale
Pumpe 162 und integrale Filter 164 und 166.
Somit umfasst bei dieser Ausführungsform
ein einziges integriertes System sowohl die Reinigungs- als auch
die Filtrationsfunktionen. Der Filter 164 kann ein grober
Filter für
die interne Zirkulation sein, während
der Filter 166 ein feiner Filter sein kann, um während der
abschließenden Reinigung
in ein Brennstoffbecken auszupumpen. Der Block 168 zeigt,
dass der feine Filter 166 eine Matrix aus gefalteten Filtern
umfassen kann (z. B. neun 2 Zoll große gefaltete Filter).
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Die 10–12 stellen
eine Ausführungsform
der Erfindung zur Verwendung in Siedewasserreaktoren dar. Genauer
stellt 10 eine Vorrichtung zum Reinigen
von kanalisiertem Brennstoff dar, der in Verbindung mit Siedewasserreaktoren
verwendet wird, ohne das Brennelement zu entkanalisieren. 10 stellt
ein Gehäuse 200 dar,
das eine Menge von senkrecht montierten Wandlern 22 unterstützt. Obwohl
es in 10 nicht gezeigt ist, können sich
die Wandler über
die gesamte axiale Länge
des Gehäuses 200 erstrecken.
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11 ist
eine Draufsicht des Gehäuses 200 entlang
der Linie 11-11 in 10. 11 stellt
die senkrecht montierten Wandler 22 dar, die ein Brennelement 202 umgeben.
Vorzugsweise umfasst das Gehäuse 200 einen
Reflektor 204. 12 stellt
einen Reflektor 204 dar, der eine reflektierende Innenoberfläche 206 und
eine Außenoberfläche 208 umfasst. Ein
Luftspalt 210 ist zwischen der reflektierenden Innenoberfläche 206 und
der Außenoberfläche 208 positioniert.
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Fachleute
werden erkennen, dass die Erfindung eine zeitlich effiziente, effektive,
rentable Technik zum Beseitigen von Rückständen von Kernbrennelementen
schafft. Die Technik der Erfindung ist im Vergleich zu chemischen
Lösungsansätzen des Standes
der Technik erheblich schneller.
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Die
Erfindung ermöglicht
auch die Reinigung eines Brennelements, ohne es zu demontieren.
Die Technik der Erfindung erzeugt keine ungünstigen Hüllenverschiebungen, die ansonsten
die physische Unversehrtheit der bestrahlten Brennstofftabletten gefährden würde. Anders
ausgedrückt
kann die Erfindung während
des nachfolgenden Wiederanfahrens des Reaktors innere Ablagerungen
in einem Brennelement ohne jegliche Folgen beseitigen.
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Ein
weiterer entscheidender Vorteil der Erfindung bezieht sich auf das
verbesserte Strahlungsmanagement und auf die verminderte Strahlenbelastung für das Kraftwerkspersonal.
Die Brennstoffablagerungspartikel, die mittels des Reinigungsvorgangs beseitigt
werden, sind eigentlich das gleiche radioaktive Material, das, wenn
es über
den Schleifenkühler als
Folge eines thermo-hydraulischen Stoßes im Kern verteilt wird,
während
Stillstandszeiten die größte Dosis
für das
Personal verursacht. Daher können durch
Reinigung des Brennstoffs und durch Blockieren der radioaktiven
Partikel mittels Filtern, die im Brennstoffbecken langfristig sicher
gelagert werden können
(während
ihre Aktivität
abklingt), Verringerungen der Dosisraten während Ausfallzeiten und der Dosis
für das
Personal erreicht werden. Daher ist das Brennstoffreinigen als ein
Weg der Dosisratenkontrolle und der Dosisratenverringerung ein realisierbares
neues Verfahren zur Reduzierung der Strahlungsmanagementkosten.
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Die
vorherige Beschreibung verwendet zum Zweck der Erläuterung
eine spezifische Terminologie, um ein detailliertes Verständnis der
Erfindung zu schaffen. Fachleuten ist jedoch klar, dass die spezifischen
Einzelheiten nicht erforderlich sind, um die Erfindung zu nutzen.
In anderen Beispielen werden bekannte Schaltungen und Vorrichtungen
in Blockdiagrammform gezeigt, um eine unnötige Ablenkung von der zugrundeliegenden
Erfindung zu vermeiden. Daher werden die vorherigen Beschreibungen
spezifischer Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung
dargeboten. Sie sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung
auf die konkreten offenbarten Formen beschränken, da offensichtlich viele
Modifikationen und Veränderungen
im Hinblick auf die obigen Ausführungen
möglich
sind. Die Ausführungsformen
wurden ausgewählt
und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische
Anwendbarkeit bestmöglich
zu erklären,
um hierdurch anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung und verschiedene
Ausführungsformen
mit verschiedenen Modifikationen, die für den bestimmten vorgesehenen
Nutzen geeignet sind, bestmöglich
zu nutzen. Der Umfang der Erfindung soll durch die folgenden Ansprüche definiert
sein.