DE60029212T2 - Vorrichtung und verfahren zur ultraschallreinigung von bestrahlten kernbrennstabbündeln - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur ultraschallreinigung von bestrahlten kernbrennstabbündeln Download PDF

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Description

  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Anordnungen zum Ultraschallreinigen von Kernbrennelementen sind aus den Dokumenten US-A-5467791, US-A-4847042 und JP-A-54073474 bekannt.
  • Hinsichtlich des Vorhergehenden ist es sehr wünschenswert, eine zeitlich effiziente, effektive, rentable Technik zum Beseitigen von Rückständen von bestrahlten Kernbrennelementen zu schaffen.
  • ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung verwiesen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen herangezogen werden sollte, in welchen:
  • 1 eine Vorderansicht einer Ultraschall-Reinigungsvorrichtung ist, die entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist;
  • 2 einen Ultraschallwandler darstellt, der entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, um radial ausstrahlende, omnidirektionale Energie zu erzeugen;
  • 3 eine Seitenansicht der Ultraschall-Reinigungsvorrichtung aus 1 ist;
  • 4 eine Draufsicht der Ultraschall-Reinigungsvorrichtung aus 1 mit einem darin positionierten Kernbrennelement ist;
  • 5 die Ultraschall-Reinigungsvorrichtung aus 1 und die zugehörige Pumpen- und Filtrationsvorrichtung darstellt, die entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
  • 6(a)6(c) den Prozess der Positionierung eines Brennelements innerhalb des Gehäuses der Erfindung darstellen;
  • 7 eine Ausführungsform der Erfindung darstellt, die diagonal positionierte Ultraschallwandler verwendet;
  • 8(a)8(b) eine mobile Ultraschall-Reinigungsvorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung darstellen;
  • 9 die Ultraschall-Reinigungsvorrichtung der Erfindung mit einem integralen Pumpen- und Filtrationssystem darstellt; und
  • 1012 eine Ultraschall-Reinigungsvorrichtung zur Verwendung in Verbindung mit Siedewasserreaktoren darstellen;
  • Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in allen Zeichnungen auf entsprechende Teile.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Vorrichtung der 14 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Fachleute werden erkennen, dass die Erfindung in einer Vielfalt von Konfigurationen ausgeführt werden kann. Als Beispiel sind zusätzliche Ausführungsformen in den 710 gezeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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 15 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Die 1012 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (20)

  1. Vorrichtung (20) zum Reinigen eines bestrahlten Kernbrennelements (70), umfassend: ein Gehäuse (24); und mehrere Ultraschallwandler (22), die am Gehäuse angeordnet sind, um radial ausstrahlende, omnidirektionale Ultraschallenergie zu liefern, die Ablagerungen von einem bestrahlten Kernbrennelement, das nahe dem Gehäuse angeordnet ist, zu entfernen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Ultraschallwandler jeweils so konfiguriert sind, dass sie einen Stab (44) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, einen am ersten Ende angeordneten ersten piezoelektrischen Wandler (40) und einen am zweiten Ende angeordneten zweiten piezoelektrischen Wandler (42) enthalten.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Ultraschallwandler einen zugehörigen Reflektor (204) aufweisen, der eine erste Reflektoroberfläche (206) und einen Luftspalt (210), sowie eine Außenoberfläche (208) enthält.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Ultraschallwandler einen ersten Wandler, der so angeordnet ist, dass er eine erste Menge von radial ausstrahlenden, omnidirektionalen Ultraschallenergiewellen mit Minimumverschiebungsknoten an selektiven Positionen erzeugt, und einen zweiten Wandler enthalten, der so angeordnet ist, dass er eine zweite Menge von radial ausstrahlenden, omnidirektionalen Ultraschallenergiewellen mit Maximumverschiebungsknoten an den selektiven Positionen erzeugt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse ein erstes Ende mit einer Führung (28) zum Führen des Kernbrennelements in das Gehäuse enthält.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse ein zweites Ende mit einer Öffnung enthält, die ein Notfallkühlungsloch (30) definiert.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das zweite Ende so konfiguriert ist, dass es eine Filtrationsrohrleitung aufnimmt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, die ferner eine mit der Filtrationsrohrleitung verbundene Pumpe umfasst.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, die ferner einen mit der Pumpe verbundenen Filter umfasst.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Hebezug (110) umfasst, um das bestrahlte Kernbrennelement innerhalb des Gehäuses zu positionieren.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Hebezug das Kernbrennelement an einer Folge von Positionen längs der Längsachse des Gehäuses repositioniert, während die mehreren Ultraschallwandler aktiviert sind.
  12. Verfahren zum Reinigen eines bestrahlten Kernbrennelements (70), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Positionieren eines Kernbrennelements (70) neben einem Gehäuse (24); und Zuführen von radial ausstrahlender, omnidirektionaler Ultraschallenergie von Wandlern (22), die am Gehäuse angeordnet sind, zum Kernbrennelement, um Ablagerungen vom Kernbrennelement zu entfernen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Zuführungsschritt den Schritt des selektiven Reflektierens der radial ausstrahlenden, omnidirektionalen Ultraschallenergie innerhalb des Gehäuses enthält.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt des Umwälzens einer Flüssigkeit durch das Gehäuse während des Zuführungsschrittes umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner den Schritt des Filterns der Flüssigkeit umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner den Schritt des Messens der radioaktiven Aktivität innerhalb der Flüssigkeit umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, das ferner den Schritt des Stoppens des Zuführungsschrittes umfasst, wenn die radioaktive Aktivität auf einen vorgegebenen Pegel fällt.
  18. Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt des Repositionierens des Kernbrennelements an einer Folge von Positionen längs der Längsachse des Gehäuses während des Zuführungsschrittes umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Zuführungsschritt den Schritt des Zuführens von radial ausstrahlender, omnidirektionaler Ultraschallenergie mit einer Frequenz zwischen etwa 20 bis 30 kHz bei einer Wandlerleistung zwischen 1.000 und 1.500 Watt enthält.
  20. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Zuführungsschritt den Schritt des Zuführens einer ersten Menge von radial ausstrahlenden, omnidirektionalen Ultraschallenergiewellen mit Minimumverschiebungsknoten an selektiven Positionen, und das Zuführen einer zweiten Menge von radial ausstrahlenden, omnidirektionalen Ultraschallenergiewellen mit Maximumverschiebungsknoten an den selektiven Positionen enthält.
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