DE69304677T2 - Verfahren und Einrichtung zum Auffinden von Lecks der Durchführungen im Behälterdeckel eines in Betrieb befindlichen Kernreaktors - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Aufspüren von Lecks an den Deckeldurchführungen eines Kernreaktorkessels bei laufendem Betrieb.
• Die Erfindung betrifft das Aufspüren und die Bestimmung der Größenordnung von Lecks auf dem Druckkesseldeckel eines mit Hochtemperaturdruckwasser gefüllten Kernreaktors.
• Das Aufspüren und die Bewertung der Lecks erfolgen mittels eines Indikatorgases: der aus dem gesuchten Leck austretende Wasserdampf selbst.
• Eine besonders wichtige Anwendung der Erfindung besteht in dem Aufspüren von Lecks an den Deckeldurchführungen der Kessel von Druckwasserreaktoren. Bei den Durchführungen handelt es sich um diejenigen, durch welche die Antriebsstäbe für die Regelelemente eingeführt werden. Durch das frühzeitige Aufspüren solcher Lecks kann der Betreiber die Anlage in einen sicheren Rückschalt-Betriebszustand bringen.
• Man kennt bereits Techniken zum Aufspüren von Lecks an Druckkessel-Deckeldurchführungen, die von denjenigen Techniken abgeleitet sind, welche zum Aufspüren von Lecks an Wärmeaustauschern angewandt werden. Bei vielen Lösungstechniken wird die Kontrolle durch Auflösung eines radioaktiven Indikators angewandt. Bei bestimmten Vorrichtungen führt diese die Kontrolle der Partikular- Radioaktivität anwendende Lösungstechnik aufgrund der starken Indikator-Auflösung zu hohen Detektions- Schwellenwerten und Integrationszeiten. Andere bekannte Lösungstechniken erlauben keine direkten Angaben zur Größenordnung des Lecks und haben den Nachteil, weitgehend nur qualitativ aussagefähig zu sein.
• Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufspüren von Lecks an den Deckeldurchführungen von Druckwasserreaktorkesseln zu liefern, die es ermöglichen, bei Einsatz von einfachen Mitteln und von an Reaktoren unterschiedlicher Leistungsgrößen anpaßbaren Elementen das Auftreten eines Lecks schnell zu erkennen und seine Entwicklung zu verfolgen.
• Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Aufspüren von Lecks an den Deckeldurchführungen von Kernreaktor-Druckkesseln, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Probenahme-Kreislauf zur Entnahme der im Raum einer Kammer zirkulierenden Luft umfaßt, in welche die potentiellen Leckströme austreten, bevor diese Luft im Kühlkreislauf der Antriebe der Regelelemente des Reaktors verdünnt wird.
• Die hohe Empfindlichkeit des angebotenen Verfahrens besteht darin, daß die Probenahme im Rauminnern der Kammer, in die der Leckstrom austritt, erfolgt. Dank dieser Probenahme erfolgt die Messung des Indikatorgasgehalts, bevor dieses Indikatorgas in hohem Maße in dem starken Luftstrom verdünnt wird, der zur Kühlung der Antriebe der Regelelemente dient.
• Zur Anwendung dieses Verfahrens benutzt man eine Vorrichtung, die von einem Industrierechner ferngesteuert wird. Der Rechner steuert die verschiedenen Funktionsabläufe dieser Vorrichtung, verarbeitet die Messungen der verschiedenen Meßfühler und liefert eine Diagnose über den Betriebszustand der Vorrichtung, über das Vorhandensein eines Lecks sowie über die Größenordnung desselben.
• Die Erfindung bietet auch neue Techniken an, die einerseits eine Simulation der Lecks erlauben, zwecks Bestimmung der Strömungsmenge des das Volumen der Kammer, in welche die potentiellen Lecks austreten, durchquerenden Luftstroms, und somit die Bewertung und Verfolgung der Entwicklung des eventuellen Leckaustritts, und die andererseits die Überwachung des einwandfreien Betriebs der Probenahme- und Leckaufspürungs-kreisläufe ermöglichen.
• Ein besseres Verständnis der Erfindung wird das Lesen der Beschreibung und der anschließenden Patentansprüche von besonderen Ausführungsarten erbringen, die lediglich als Beispiele ohne Anspruch auf Vollständigkeit genannt werden, sowie die Prüfung der Zeichnung. In den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsart einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, die dazu bestimmt ist, im Volumen der Kammer, in welche die potentiellen aufzuspürenden Leckströme austreten, und außerhalb desselben Luftproben zu entnehmen,
• Fig. 2 einen Draufblick von Fig. 1 darstellt;
• Fig. 3 eine Fig. 2 ähnliche Ansicht einer Ausführungsvariante der Erfindung ist;
• Fig. 4 eine Fig. 1 ähnliche Ansicht einer Ausführungsvariante der Erfindung ist;
• Fig. 5 ein Funktionsschema der Meßeinrichtung und der an diese angeschlossenen Datenverarbeitungsund Steuerungseinheit ist;
• Fig. 6 eine Fig. 1 ähnliche Ansicht ist, die einen Lecksimulator und seine Anwendung gemäß der Erfindung darstellt;
• Fig.7 eine Fig. 6 ähnliche Ansicht ist, die eine Fertigungsvariante eines Lecksimulators und dessen Anwendung gemäß der Erfindung darstellt.
• Da die Einrichtung von Kernkraftanlagen und insbesondere die Anordnung ihres Lüftungs- und/oder Kühlkreislaufs in der Technik hinreichend bekannt sind, wird nachstehend nur das beschrieben, was die Erfindung direkt oder indirekt betrifft. Darüber hinaus ist es Sache des Fachmanns der betreffenden Fachrichtung, die ihm zur Verfügung stehenden gängigen klassischen Lösungen auszuschöpfen, um die anstehenden Probleme zu überwinden.
• Im nachstehenden Text wird zur Identifizierung eines gleichen Elements immer dieselbe Referenznummer verwendet, unabhängig von der Ausführungsart oder deren Fertigungsvariante.
• Zur Vereinfachung der Ausführungen werden die Komponenten der Erfindung nacheinander im einzelnen beschrieben, bevor deren Anwendung erklärt wird.
• Fig. 1 zeigt das Umfeld des Druckkessel-Deckels eines Druckwasserreaktors, d.h. das, was sich in seiner nächsten Umgebung befindet, und welches für die Erfindung notwendig ist.
• Ein Behälterdeckel 1 ist mit Durchführungen 2 zum Einführen von hier nicht eingezeichneten Regelelementstäben in den Reaktor versehen, die von Antriebsmechanismen 3 gesteuert werden. Ein Lüftungskreis sorgt für die Kühlung der Antriebe 3. Dieser Kreis besteht aus einem die Regelantriebe 3 umgebenden Mantel 4. Umgebungsluft wird über dem Mantel 4 in seinem oberen Teil 5 angesaugt, sinkt durch das Volumen des Mantels 4 an den Regelantrieben 3 vorbei und wird dann wieder in Absaugschächte 6 eingesaugt, von denen nur einer eingezeichnet ist. Eine üblicherweise "Casing-Innenraum" genannte Kammer 7 wird von dem Druckkesseldeckel 1 und den Wärmedämmplatten 8 und 9 begrenzt. Diese Kammer 7 umschließt die Schnittstellen oder Verbindungs-stellen 10 zwischen den Durchführungen 2 und der oberen Wand des Druckkesseldeckels 1; eben an diesen Schnittstellen oder Verbindungsstellen treten die eventuellen Lecks auf, deren Auf spürung sich die Erfindung zum Ziel gesetzt hat.
• Bei normalem Betrieb saugt das Lüftungssystem für die Kühlung der Regelelementantriebe 3 die Luft durch die zwischen den Platten 8, 9 und den Durchführungen 2 bestehenden Spielräume 11 in die Kammer 7. Diese Spielräume sind nicht gleich groß, und die einzelnen um die Durchführungen 2 strömenden Umlaufluftmengen sind nicht homogen.
• Die Funktion des Probenahmekreislaufs gemäß der Erfindung ist das Ansaugen einer Probe der im Volumen der Kammer 7 enthaltenen Luft, wobei diese Probe Wasserdampf enthält, der durch das Leck freigeworden ist.
• Eine der Schwierigkeiten der Probenahmetechnik liegt darin, daß die Luftprobe entnommen werden muß, bevor der Wasserdampf in dem starken Luftstrom der im Mantel 4 und anschließend in den Schächten 6 zirkulierenden Kühlungsluft aufgelöst ist.
• Dieses Problem wird durch eine besondere Probenahme- Vorrichtung gelöst, die darin besteht, die zu analysierende Luft kontinuierlich aus dem Volumen der Kammer 7 anzusaugen. Dieses Ansaugen erfolgt mittels Bühnen 12, die mit Rohren 13 ausgerüstet sind, welche in die Kammer 7 hineinragen. Alle Bühnen 12 werden an eine gemeinsame Sammelleitung 14 angeschlossen. Eine Pumpe 15 sorgt für die Probenahme der im Volumen der Kammer 7 entnommenen Luft.
• Eine weitere, an eine andere Pumpe 17 angeschlossene Rohrleitung 16 entnimmt desgleichen eine Luftprobe aus dem Innenraum 100 des Reaktorgebäudes.
• Eine Meßanlage 18 ist über eine Bypass-Leitung mit der Sammel-leitung bzw. der Rohrleitung 14 und 16 verbunden, um die Differenz der in den beiden Proben, die in der Sammelleitung bzw. in der Rohrleitung 14 und 16 zirkulieren, enthaltenen Indikatorgas-Konzentration zu messen.
• Das Aufspüren eines Lecks erfolgt, wenn die Konzentrations-differenz zwischen diesen beiden Proben höher ist als die normalen Messungsschwankungen der Meßanlage. Diese Meßanlage weist Verbesserungen auf, die darauf abzielen, Betriebsmängel der Indikatorgas- Detektoren zu begrenzen oder zu enthüllen, um Faischalarme zu vermeiden.
• Diese Meßanlage 18 ist an eine Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit 19 angeschlossen, die mit einem angemessenen Rechner, vorzugsweise einem Industrierechner, ausgerüstet ist, welcher für die Überwachung und Steuerung der für die Messungen und ihre Auswertung nötigen Transmitter und Schaltelemente geeignet ist. Diese Einheit ist vorteilhafterweise außerhalb des Innenraums des Reaktorgebäudes untergebracht.
• Fig. 2 zeigt einen Draufblick von Fig. 1. Hierauf erkennt man die Ansaugbühnen 12, welche die Luftprobenahme aus Kammer 7 ermöglichen. Diese Bühnen sind mit der gemeinsamen Sammelleitung 14 verbunden. Die Pumpe 15 sorgt für die Weiterleitung des in der Sammelleitung 14 enthaltenen Gases. Die Bühnen 12 verlaufen vorteilhafterweise über den die Wärmedämm-platten 9 bildenden Stahlbändern 20, auf denen sie befestigt sind. Eine begrenzte Anzahl Rohre 13, welche knapp durch die Wärmedämmung hindurchführen, sind an die Bühnen 12 angeschlossen und dienen zur Entnahme der Luft aus der Kammer 7. Durch eine geschickte Anordnung dieser Probenahmerohre 13 ist es möglich, den gesamten Leck- Detektionsbereich einheitlich abzudecken. Die wesentlichen Vorteile dieser Konfiguration des Probenahmekreises sind ihre Einfachheit, die leichte Anbringung aufgrund der festen Verbindung zwischen den Bühnen 12 und den Stahlbändern 20, sowie die begrenzte Anzahl der Probenahmepunkte.
• Fig. 3 zeigt einen Draufblick einer Variante des Probenahmekreises zur Entnahme von Luft aus der Kammer 7. Ihr wesentlicher Vorteil gegenüber der oben beschriebenen Ausführung besteht darin, daß jede Durchführung 2 von vier Probenahmerohren 13 umgeben ist, die praktisch im Viereck angeordnet sind und somit das Aufspüren der Lecks dadurch leichter machen, daß jede Durchführung 2 einzeln überwacht wird. Die Probenahmerohre 13 sind an die mit den Wärmedämmbändern 20 fest verbundenen Bühnen 12 angeschlossen und über die gemeinsame Sammelleitung 14, entsprechend der obigen Beschreibung, miteinander verbunden. Die Abschnitte der Bühnen 12 und der Rohre 13 sind so ausgelegt, daß die Ansaugströme bei allen Durchführungen 2 ausgeglichen sind. So wird für das Aufspüren der Lecks, unabhangig von der Position der schadhaften Durchführung 2, dieselbe Detektionsempfindlichkeit erreicht.
• Fig. 4 stellt eine weitere Variante des Probenahmekreises zur Entnahme von Luft aus Kammer 7 dar. Eine der technischen Schwierigkeiten bei der Probenahme besteht darin, daß diese Probenahme in der gesamten Kammer 7 einheitlich sein muß, damit die Leck- Detektionsempfindlichkeit nicht weitgehend von der Position der schadhaften Durchführung 2 abhängt.
• Dieses Problem wird durch eine besondere Anordnung des Probenahmekreises gelöst, die darin besteht, daß in einer "Bypass"-Leitung, wie dargestellt, zumindest eine Manschette 22 zwischen einem Ansaugschacht 6 des Lüftungskreises der Regelelementantriebe 3 und der Kammer 7 installiert wird. Durch einen "Vakuumrohr-Effekt" baut sich ein Ansaugstrom in der Manschette 22 auf, wodurch in der Kammer 7 ein Unterdruck erzeugt wird. Dieser Ansaugstrom und dieser Unterdruck werden mit Hilfe eines Schiebers 23 und eines Differentialdruckfühlers 24 geregelt, damit in der Kammer 7 gegenüber dem Mantel 4 gerade nur ein leichter Unterdruck herrscht. Es erfolgt also eine Umkehrung der Luftströmung zwischen dem Mantel 4 und der Kammer 7, und die gesamte Strömungsluft der Kammer 7 wird von der Manschette 22 aufgenommen. Im Falle eines Lecks nimmt diese Strömungsluft den gesamten freigewordenen Gasindikator in sich auf, unabhängig von der Position der schadhaften Durchführung 2. Die Strömungsluft zieht in die Manschette 22 ein, wo die Probenahme-Sammelleitung 14 mittels der Pumpe 15 eine Probe absaugt. Die an die Pumpe 17 angeschlossene Rohrleitung 16 entnimmt gleichermaßen eine Probe der im Reaktorgebäude-Innenraum 100 vorhandenen Umgebungsluft. Die Meßeinrichtung 18 ist, wie oben beschrieben, über eine Bypass-Leitung mit der Sammelleitung bzw. der Rohrleitung 14 und 16 verbunden, um die Differenz der Indikator-Konzentration in den beiden in dieser Sammelleitung 14 bzw. in der Rohrleitung 16 zirkulierenden Proben zu messen. Der Meßfühler 75, der beispielsweise ein Hitzdraht-Anemometer oder ein Pitotrohr sein kann, ermöglicht die Bestimmung der Strömungsmenge in der Manschette 22. Durch die Messung dieser Strömungsmenge, verbunden mit den nachstehend beschriebenen Feuchtigkeitsmessungen, kann der eventuelle Durchsatz des aufgespürten Lecks bestimmt werden.
• Fig. 5 zeigt die Funktionsanschlüsse und -verbindungen der Meßeinrichtung 18. Zwei Abzweigleitungen 25 sind mit der Probe-nahme-Sammelleitung 14 bzw. der Probenahme- Rohrleitung 16, sowie mit einem Dreiwegemagnetventil 26 verbunden, das die Aufgabe hat, abwechselnd eine Probe der durch die Sammelleitung 14 bzw. eine Probe der durch die Rohrleitung 16 strömenden Luft zu einem Filter 27 zu schicken. Aufgabe dieses Filters ist es, den Staub und die Dämpfe, außer Wasserdampf, aufzufangen, um zu verhindern, daß die mit dem Filter 27 verbundenen und parallel geschalteten Feuchtigkeitsmeßfühler 28 und 29 oder Hygrometer verschmutzen. Ein Absolutdruck- Meßwertgeber 30 erlaubt die Korrektur des Teildrucks des in jeder abwechselnd von der Sammelleitung 14 bzw. der Rohrleitung 16 kommenden Probe enthaltenen Wasserdampfes für den Fall, daß Druckunterschiede zwischen dieser Sammelleitung 14 und der Rohrleitung 16 bestehen.
• Die Gesamtströmungsmenge in den Feuchtigkeitsmeßfühlern 28 und 29 wird mit Hilfe eines Durchflußmessers 31 gemessen. Eine Pumpe 32 sorgt für den für die Strömung der Luft in der Meßeinrichtung 18 erforderlichen Unterdruck. Die Pumpen 15 und 17 gewährleisten den in der probenahme-Sammelleitung 14 bzw. der -Rohrleitung 16 erforderlichen Durchfluß, der von Durchflußmessern 33 und 34 gemessen wird. Ein Temperaturfühler 35 mißt die Temperatur der zu analysierenden Probe, und man kann sich dadurch vergewissern, ob die Meßfühler tatsächlich in ihrem jeweiligen Meßbereich arbeiten. Ein Temperaturfühler 36 mißt die Umgebungsluft in einem Schaltschrank 37, in dem die Meßeinrichtung 18 untergebracht ist. Dieser Schaltschrank 37 ist mit Thermostaten und mit geeigneten herkömmlichen Steckanschlüssen zur Verbindung mit dem Probenahme-kreis ausgerüstet
• Das Magnetventil 26, die Meßausgänge der Feuchtigkeitsmesser 28,29, des Druckmeßwertgebers 30, der Durchflußmesser 31,33,34 sowie der Temperaturfühler 35,36 sind mit einem Meß- und Steuersystem 38 verbunden, das an einen Rechner 39 angeschlossen ist. Diese Komponenten bilden in ihrer Gesamtheit die Datenverarbeitungs- und Steuereinheit 19. Diese Einheit 19 gewährleistet die Funktionen der Steuerung, Messung und Auswertung der Messungen und der Alarm-Schaltung. Die Anschlüsse an die Meßeinrichtung 18 sind schematisch mit gestrichelten Linien dargestellt.
• Dank der wechselweisen "Umschaltung" der Proben auf dieselben Meßfühler werden die Schwankungen der Messungen der Differenz der Indikatorgaskonzentration erheblich verringert. Dadurch kann man die systematischen Fehler und die Langsamkeitsabweichungen der Meßfühler im Augenblick der Konzentrationsdifferenzberechnung ausschalten.
• Wenn die Differenz der Messungen der Indikatorgaskonzentration beider Proben höher ist als die normalen Meßabweichungen beider Meßfühler, unter Berücksichtigung der Ausschaltung der systematischen Fehler und der Korrektur des Absolutdruckes, zeigt die Steuereinheit 19 das Vorhandensein eines Lecks an und löst einen Alarm "Leck" 40 aus.
• Da man die Strömungsmenge der die Kammer 7 durchströmenden Luft bereits vorher kennt, kann man durch die Messung dieser Konzentrationsdifferenz die Leckaustrittsmenge berechnen. Diese Strömungsmenge kann durch Anwendung einer der gemäß der Erfindung vorgeschlagenen und nachstehend beschriebenen Techniken bestimmt werden.
• Aufgrund der Tatsache, daß zwei identische Meßfühler vorhanden sind, welche dieselbe Konzentration messen, können ihre Meßwertangaben miteinander verglichen werden, und es ist somit möglich, eine zu hohe Meßwertdifferenz festzustellen. Eine solche anormale Differenz weist auf einen Ausfall von mindestens einem der Meßfühler hin.
• In diesem Fall wird von der Datenverarbeitungs- und Steuerungs-einheit 19 ein Alarm "System" 41 erzeugt, um einen Wartungsvorgang oder Meßfühler-Austauschvorgang zu veranlassen.
• Die Überwachung ist so konzipiert, daß der Anteil an Fehlmeldungen "Lecks" minimiert wird. Die Einheit 19 überwacht regelmäßig die verschiedenen Funktionen der Meßkette und löst den Alarm "System" 41 in folgenden lediglich als Beispiele genannten Fällen aus:
• - zu geringer Luftdurchsatz in der Sammelleitung 14 bzw. der Rohrleitung 16, gemessen durch die Durchflußmesser 33 und 34,
• - zu geringer Luftdurchsatz in den Hygrometern 28, 29, gemessen durch den Durchflußmesser 31,
• - zu niedrige oder zu hohe Temperatur der von den Feuchtigkeits- Meßfühlern 28, 29 analysierten Luftprobe, gemessen durch den Temperaturfühler 35,
• - unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes liegende Differenz zwischen der Temperatur des Schaltschranks 37, gemessen durch den Temperaturfühler 36, und der von einem der Feuchtigkeits-Meßfühler 28 oder 29 gemessenen Taupunkttemperatur.
• Wenn die von den Feuchtigkeitsmessern 28 und 29 gemessene -Taupunkttemperatur und die von dem Temperaturfühler 36 gemessene Temperatur des Schaltschrankes 37 sehr nahe beieinander liegen, löst die Steuereinheit 19 einen besonderen Alarm 42 aus, der die "Sättigung" der Messung anzeigt
• Die Abnutzung der Feuchtigkeitsmeßfühler 28, 29 wird durch den eingebauten Filter 27 verringert, der die Verschmutzung dieser Meßfühler erheblich einschränkt. Die Feuchtigkeitsmeßfühler 28 und 29 sind beispielsweise Hygrometer in Kaltspiegel- oder Lithiumchlorid-Ausführung oder kapazitive Feuchtigkeitsmesser.
• Die Meßgeräte arbeiten vorteilhafterweise mit der Kaltspiegl-Meßtechnik. Man kann insbesondere Hygrometer mit einer zyklischen Spiegelreinigungswirkung verwenden, um den Wartungsaufwand zu verringern. Diese Spiegelhygrometer liefern eine genaue Angabe über die Taupunkttemperatur der als Probe entnommenen Luft.
• Fig. 6 ist die schematische Darstellung eines Leck- Simulators, mit dem die Bestimmung der die Kammer 7 durch-strömenden Luf tmenge möglich ist. Diese Bestimmung kann während des dem Wiederanfahren des Reaktors vorausgehenden Warmbetriebs-stillstands erfolgen, damit man die Bedingungen ausnutzen kann, die weitestgehend denjenigen des Betriebs der Probenahme- und Leckaufspürvorrichtungen gleichkommen.
• Diese Simulationsvorrichtung verwendet ein Indikatorgas, wie z.B. Helium, dessen Aufspürung vorteilhafterweise durch einen Massenspektrographen erfolgt. Dieses inerte und nicht toxische Gas ist leicht anzuwenden. Aufgrund der Verwendung eines Massenspektrographen für die Auf spürung ist eine große Meßdynamik möglich.
• Die wesentliche Schwierigkeit bei der Verwendung dieses Gases liegt im Repräsentativcharakter des zu simulierenden Dampflecks. Diese Schwierigkeit wird durch die Verwendung eines Indikatorgas-gemischs der Art überwunden, daß seine Volumenmasse weitestgehend derjenigen des aus einem Leck austretenden Wasserdampfes entspricht. Man kann beispielsweise ein Luft-Helium- Gemisch (53 % zu 47 %) oder auch ein Neon-Helium-Gemisch (82 % zu 18 %) verwenden. Andererseits ist die Durchsatzmenge des verwendeten Gasgemischs dieselbe wie die des kleinsten Lecks, das die oben beschriebene Vorrichtung aufspüren soll, d.h. 1 kg/h. Die Gasinjektion schließlich erfolgt so nah wie möglich an den Schnittstellen oder Verbindungsstellen 10 zwischen Deckel und Durchführungen 1-2, d.h. an der Stelle, an der die Lecks auftreten.
• Dabei wird folgende Technik angewandt:
• In die Kammer 7 wird eine kontinuierliche Durchsatzmenge eines in einer Flasche 43 enthaltenen Indikatorgasgemischs über einen Masse-Mengenregler injiziert, mit dem diese Durchsatzmenge geregelt werden kann. Das Indikatorgasgemisch wird über einen Tauchinjektor 50 in die Kammer 7 geleitet und tritt in der Nähe einer Deckel-Durchführungs-Schnittstelle 10 aus. Das Helium vermischt sich mit der die Kammer 7 durchquerenden Strömungsluft. Der Probenahmekreis, in der Ausführung wie er zu den Fig. 1, 2 oder 3 beschrieben ist, ermöglicht es, das Gas zu einem Massenspektrographen 45 zu leiten. Mit diesem Massenspektrographen kann der Heliumgehalt des durch den Probenahmekreis weitergeleiteten Gases am Ausgang der Pumpen 15 und 17 gemessen werden. Mit Hilfe eines Vielwegeventils kann eine Messung entweder der aus der Kammer 7 entnommenen Luftprobe, oder der im Außenbereich 100 der Kammer 7 und als Referenz dienenden Luftprobe durchgeführt werden. Die Berechnung des Verhältnisses der in der Sammelleitung 14 bzw. in der Rohrleitung 16 gemessenen Heliumkonzentrationen ermöglicht es dann, die Auflösung des Indikatorgases zu berechnen und davon die lokale Luftströmungsmenge in Kammer 7 abzuleiten.
• Der größte Mengenanteil des in die Kammer 7 injizierten Heliums wird von der Belüftung der Antriebe 3 der Regelelemente über die Saugschächte wie z.B. 6 aufgenommen. Die Luft und das darin enthaltene Helium werden zunächst über nicht dargestellte Kühlaggregate und dann zurück in das Reaktorgebäude 100 geführt. Das Helium sammelt sich also wegen der im geschlossenen Kreislauf erfolgenden Belüftung der Regelantriebe 3 teilweise im Reaktor-gebäude an. Dieser Heliumkonzentration im Reaktorgebäude trägt man Rechnung, indem man auf die übliche Art eine zusätzliche Messung vornimmt, wodurch die vom Massenspektrographen 45 gelieferten Signale zurückgestellt werden können. Dazu verwendet man einen Behälter 49 mit Gas, das einen genau bekannten Heliumgehalt hat; dieser Behälter ist über eine Leitung 48 an das Vielwegeventil 47 angeschlossen, das wiederum mit dem Massenspektrographen 45 verbunden ist. Dieses in dem Behälter 49 enthaltene Gas kann ganz einfach atmosphärische Luft sein, die natürlich 5,2 o/mio Vol Helium enthält. Die nacheinander durchgeführten Messungen des Heliumgehalts in der Sammelleitung 14, der Rohrleitung 16 bzw. der Leitung 48 machen eine bessere Bestimmung der jeweiligen lokalen Luftströmungsmenge in der Kammer 7 möglich.
• Es können verschiedene lokale Luftströmungsmengen von ebenso vielen Injektionsstellen in Kammer 7 berechnet werden. Dazu wird die maximale lokal gemessene Luftströmungsmenge genommen um festzustellen, ob die Meßanlage 18 unter Berücksichtigung ihrer besonderen Leistungsmerkmale das Aufspüren eines Primärwasserdampflecks von 1 kg/h Durchsatz gewährleisten kann.
• Diese Technik kann nach jedem Wiedereinbau der Wärmedämmung und der Elemente, aus denen der Probenahmekreis besteht, angewandt werden, um sich zu vergewissern, daß dieser einwandfrei funktioniert. Die Anwendung dieser Technik kann sich auf die Injektion des Indikatorgasgemischs an einer einzigen Stelle beschränken, und zwar diejenige, an der man bei den vorhergehenden Tests eine maximale lokale Strömungsmenge gemessen hat.
• Fig. 7 zeigt eine schematische Teilansicht des Simulators eines Wasserdampflecks in Kammer 7 in unmittelbarer Nähe der Schnitt- oder Verbindungsstellen 10 Deckel- Durchführungen 1-2.
• Die Injektion von Wasserdampf in die Kammer, in welche die eventuellen Leckströme austreten, ist besonders in dem Fall interessant, da die verwendete Leckaufspürungsvorrichtung nach dem Prinzip der Feuchtigkeitsbestimmung gemäß der Erfindung eingesetzt wird. Durch die Injektion einer bekannten Wasserdampfmenge kann man sich gleichzeitig vergewissern, ob die Aufspürungsvorrichtung einwandfrei arbeitet, ob ihr Empfindlichkeitsgrad ausreichend ist, und ob das Probenahmesystem korrekt funktioniert.
• Eine erste Baugruppe besteht aus einem Behälter 51, der mit Hilfe eines Heizelements 52 zum Kochen gebrachtes Wasser enthält. Der so erzeugte Wasserdampf, dessen Menge von einem Mengenregler 53 geregelt wird, wird über eine Leitung 54 in die Kammer 7 geleitet, nachdem er über einen Überhitzer 55 geführt wurde, um jegliche Wasserkondensation vor seinem Eintritt in die Kammer 7 zu verhindern.
• Eine zweite und eine dritte Baugruppe dienen dazu, Wasser in die Kammer 7 einzuführen und die darin herrschende hohe Temperatur auszunutzen, um dieses Wasser in Dampf umzuwandeln.
• Die zweite Baugruppe ist eine pneumatische Zerstäubereinrichtung, die einerseits aus einer über einen Filter 57 führenden Wasserversorgung 56 und einem Druckregler 58 besteht, und andererseits aus einer über einen weiteren Filter 60 führenden Druckluftversorgung 59 und einem Druckregler 61. Zwei Leitungen für Wasser 62 bzw. Luft 63 dringen in die Kammer 7 ein, wo sie eine Düse 64 beschicken, deren technische Daten bekannt sind.
• Mittels dieser Düse wird das Wasser in einer bekannten Durchsatz-menge in der Nähe einer Schnitt- oder Verbindungsstelle 10 Deckel-Durchführung 1-2 zerstäubt.
• Die in der Kammer 7 herrschende ausreichend hohe Temperatur sichert die Umwandlung der Wassertröpfchen in Dampf.
• Die dritte Baugruppe besteht aus einem Behälter 65, welcher Wasser enthält, das durch einen Filter 66 und einen Mengenregler 67 strömt. Dieses Wasser wird durch eine Leitung 68 in eine Kartusche 69 im Innern der Kammer 7 geleitet. Diese Kartusche besteht vornehmlich aus einem hitzebeständigen und wasserdurchlässigen
• Werkstoff wie z.B. Sintermetall, Glasfaser oder Stahlwolle großer Dichte. Die in der Kammer 7 herrschende ausreichend hohe Temperatur sichert die Umwandlung des sich an der Oberfläche der Kartusche ansammelnden Wassers in Dampf.
• Das Verfahren wird mit Hilfe der oben beschriebenen Vorrichtung wie folgt angewandt. Zur Aufspürung der Lecks verfährt man wie nachstehend dargelegt.
• Wenn die Belüftung der Regelelementantriebe 3 in Betrieb ist, entsteht eine Strömungsluftmenge, welche das Volumen der Kammer 7 durchquert.
• Eine Probenahme der Luft aus dem Volumen von Kammer 7 erfolgt kontinuierlich mit Hilfe der in der Sammelleitung 14 installierten Pumpe 15. Eine weitere Luf t-Probenahme 100 erfolgt außerhalb von Kammer 7 kontinuierlich mit Hilfe der in der Rohrleitung 16 installierten Pumpe 17.
• Diese beiden Probenahmen erfolgen in einer geringen Durchsatzmenge (jeweils circa 3 m³/h)
• Eine Probenahme von etwa 100 l/h mit Hilfe der Pumpe 32 ermöglicht es, die zu analysierende Luft in die beiden Feuchtigkeitsmeßfühler oder Hygrometer 28 und 29 zu leiten. Diese Luft kommt abwechselnd aus der Sammelleitung 14 bzw. der Rohrleitung 16. Das Umschalten der Probenahme erfolgt in regelmäßigen Abständen durch das Magnetventil 26, zum Beispiel etwa alle 20 Minuten.
• In einem ersten Zeitraum wartet man die Stabilisierung der von den Hygrometern 28,29 gelieferten Signale ab. Während dieser Zeit kann kein Alarm "Leck" 40 erzeugt werden.
• In einem zweiten Zeitraum werden die von jedem der Hygrometer 28,29 gelieferten Signale periodisch aufgezeichnet. Anschließend wird der jeweilige Mittelwert der durchgeführten Messungen berechnet. Diese Werte werden vom Rechner 39 angezeigt.
• Auf der Grundlage dieser Berechnung führt die Datenverarbeitungs- und Steuereinheit 19 zunächst eine Diagnose des Leckaufspürungs-systems durch. Bei Überschreiten der für den einwandfreien Betrieb der Einrichtungen geltenden Schwellenwerte, oder bei zu großer Abweichung der von den Hygrometern gelieferten Signale wird ein Alarm "Systemfehler" 41 erzeugt. Dann vergleicht der Rechner 39 den Mittelwert der aus der einen Probenahmelinie erhaltenen Meßwerte mit dem Mittelwert der aus der anderen Probenahmelinie erhaltenen Meßwerte.
• Wenn die Differenz der Messungsmittelwerte einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird von der Steuereinheit 19 ein Alarm "Leck" 40 erzeugt.
• Das natürliche Vorhandensein von Wasserdampf im Volumen der Kammer 7 liefert eine gleichbleibende Anzeige und ist andererseits kein Hindernis für eine hohe Meßempfindlichkeit. Es ist möglich, Taupunkttemperaturschwankungen zwischen den beiden Probenahmelinien in der Größenordnung von 0,4ºC, sowie Wasserdampflecks in Kammer 7 in der Größenordnung von 1 kg/h unter ungünstigen Bedingungen festzustellen (große Strömungsluftmenge im Volumen der Kammer 7 und hohe Taupunkttemperatur der Umgebungsluft).
• Charakteristisch für das Vorhandensein eines Lecks ist immer eine statistisch stabile Erhöhung des Wasserdampfgehalts, welcher in der aus Kammer 7 entnommenen Probe gemessen wurde, gegenüber dem außerhalb dieser Kammer gemessenen Wasserdampfgehalt.
• Zur Bestimmung der Größenordnung der aufgespürten Lecks verfährt man wie nachstehend dargelegt.
• Aufgrund der Angabe der das Volumen der Kammer 7 durchquerenden und von der Manschette 22 vollständig aufgenommenen Strömungsluftmenge, in Verbindung mit den von den Hygrometern 28 und 29 gelieferten und vom Rechner 39 angezeigten Meßwerten, kann der Betreiber der Kernkraftanlage die Entwicklung des eventuell aufgespürten Lecks berechnen und in regelmäßigen Zeitabständen verfolgen.
• Für den Fall, daß Probenahmen wie in den Fig. 1, 2 oder 3 dargestellt durchgeführt werden, ist es bei Anwendung einer Lecksimulationstechnik bei jedem Wiederanlauf der Anlage, unter Verwendung entweder eines Helium enthaltenden Indikatorgasgemischs oder von Wasserdampf, möglich, eine maximale lokale, das Volumen der Kammer 7 durchquerenden Strömungsmenge zu bestimmen. Aufgrund dieser Bestimmung und der von den Hygrometern gelieferten Daten kann der Betreiber der Kernkraftanlage einen maximalen Durchsatzwert des aufgespürten Lecks ermitteln.
• Zur Überprüfung des einwandfreien Betriebs der Probenahme- und Leckaufspürungsvorrichtungen verfährt man, vorzugsweise in regelmäßigen Abständen, wie nachstehend dargelegt.
• Unabhängig von der verwendeten Probenahmevorrichtung kann man bei jedem Wiederanlauf eines Kernreaktors eine der vorgeschlagenen Lecksimulationstechniken anwenden. In das Volumen der Kammer 7 wird entweder ein Helium enthaltendes Indikatorgasgemisch, oder Wasserdampf mit einer Durchsatzmenge injiziert, die derjenigen des Lecks entspricht, das man aufspüren will. Im ersten Fall erfolgt das Aufspüren mit dem Massenspektrographen 45, und es wird nur der einwandfreie Betrieb des Probenahmesystems überprüft. Im zweiten Fall erfolgt das Aufspüren mit Hilfe der Feuchtigkeitsmeßfühler 28 und 29, und man überprüft gleichzeitig den einwandfreien Betrieb des angewandten Probenahmesystems und der Meßanlage 18 durch das Auslösen des Alarms 40, der beim Auftreten eines Lecks erzeugt wird.
• Die Techniken des Programmierens eines Rechners sind bekannt und gehören nicht zu der Erfindung.
• Aus dem Vorhergehenden wird die Bedeutung der Erfindung verständlich, und man erkennt die Vorteile, die sie hauptsächlich auf dem Gebiet der Sicherheit dadurch mit sich bringt, daß sie es zu einem sehr frühen Zeitpunkt möglich macht, die Betriebsart der Kernkraftanlage zu ändern, um sie auf eine vorgesehene sichere Betriebsstufe zurückzuschalten.

Claims (14)

1 - Vorrichtung zum Aufspüren von Lecks an den Durchführungen (2) des Deckels (1) eines Kernreaktorkessels, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Probenahmekreislauf umfaßt zur Entnahme der im Volumen einer Kammer (7), in welche die eventuellen Leckströme (10) austreten, zirkulierenden Luft, bevor diese in einem Kühlkreislauf (4, 5, 6) zur Abkühlung der Antriebe (3) der Regelelemente des Reaktors verdünnt wird.

2 - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenahmekreislauf Bühnen (12) umfaßt, die mit durch die Wärmedämmung (8, 9) des Reaktorkesseldeckels (1) hindurchführenden Ansaugrohren (3) ausgerüstet sind, wobei diese Bühnen an den Wärmedämmplatten (20) befestigt und über eine gemeinsame sammelleitung (14) miteinander verbunden (12) sind.

3 - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenahmekreislauf mehrere an den Wärmedämmplatten (20) befestigte Bühnen (12) umfaßt, die mit zahlreichen, praktisch im Viereck um jede Deckeldurchführung (2) in der Weise angeordneten Ansaugrohren (13) ausgerüstet sind, daß jede der Deckeldurchführungen (2) individuell überwacht werden kann.

4 - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenahmekreislauf mindestens eine Manschette (22) umfaßt, durch die das Volumen der Kammer (7) in der Weise mit dem Kühlkreislauf (4, 5, 6) zur Kühlung der Antriebe (3) der Regelelemente verbunden ist, daß die gesamte im Volumen der Kammer (7), in welche die eventuellen Leckströme (10) austreten, zirkulierende Luft abgesaugt wird.

5 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenahmekreislauf eine Ansaug- Sammelleitung (14), oder mehrere untereinander verbundene Probenahme-Bühnen (12) aufweist, wobei diese Leitung in eine oder mehrere Manschetten (22) mündet, die das Volumen der Kammer (7), in welche die eventuellen Leckströme (10) austreten, mit dem Kühlkreislauf (4, 5, 6) zur Kühlung der Antriebe (3) der Regelelemente verbindet bzw. verbinden.

6 - Vorrichtung nach nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette oder die Manschetten (22) einen Schieber (23) aufweisen, mit dem der Differentialdruck zwischen dem Volumen der die Schnittstellen (10) Deckel (1) - Deckeldurchführungen (2) umschließenden Kammer (7) und dem Volumen des die Antriebe (3) der Regelelemente enthaltenden Mantels (4) mit Hilfe eines Differentialdruckfühlers (24) geregelt werden kann.

7 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Meßeinrichtung (18) zur Messung einer Differenz der Konzentration des durch ein Leck (10) freigewordenen Wasserdampfes aufweist, wobei diese Differenz zwischen der im Volumen der durch die Wärmedämmung (8, 9) des Deckels und den Kesseldeckel (1) selbst begrenzten Kammer (7) entnommenen Luft und der Umgebungsluft im Reaktorgebäude (100) gemessen wird.

8 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (18) eine Messung der Konzentration des in zwei Luftproben enthaltenen Wasserdampfes gewährleistet, wobei die eine der Proben aus dem Volumen der Kammer (7) stammt und die andere aus dem Reaktorgebäude (100), und wobei diese beiden Proben abwechselnd in zwei parallel geschaltete identische Kaltspiegelhygrometer (28 und 29) geleitet werden.

9 - Vorrichtungn nach einem der Ansprüche 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (18) einen Filter (27) aufweist, der Staub und andere Dämpfe als den Wasserdampf auffängt und so die Verschmutzung der beiden Hygrometer (28 und 29) zu verhindern und die Wartungsarbeiten daran zu reduzieren ermöglicht.

10 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Absolutdruck-Meßwertgeber (30) aufweist, mit dem der Wasserdampf-Teildruck für den Fall korrigiert werden kann, daß Druckunterschiede zwischen der Probenahme-Sammelleitung (14) und der mit dem Reaktorgebäude (100) verbundenen Referenz-Rohrleitung (16) bestehen sollten.

11 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 7, 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (18) an eine Datenverarbeitungs- und Steuereinheit (19) angeschlossen ist, welche in der Lage ist, einen ein Leck (10) anzeigenden Alarm (40) zu erarbeiten und auszulösen, sobald die zwischen der in Kammer (7) entnommenen Luft und der Umgebungsluft im Reaktorgebäude (100) gemessene Wasserdampf-Konzentrationsdifferenz die Messungsschwankungen übersteigt.

12 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 7, 8, 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (18) an eine Datenverarbeitungs- und Steuereinheit (19) angeschlossen ist, welche in der Lage ist, einen Alarm zu erarbeiten und auszulösen, wenn die Differenz der Messungen einen anormal hohen Wert erreicht, zwecks Anzeige der Notwendigkeit eines Wartungsvorgangs oder der Instandsetzung der Meßfühler.

13 - Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 7, 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (18) in einem abgedichteten, mit Thermostaten ausgerüsteten Schaltschrank (37) installiert ist, der Steckanschlüsse zur Verbindung mit dem Probenahmekreis aufweist.

14 - Verfahren zur gleichzeitigen Durchführung einer Überprüfung des einwandfreien Betriebs der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 7, 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorhandensein eines Lecks durch Injizieren von Wasserdampf (56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63) in der Nähe der Stellen (64) simuliert wird, an denen die Lecks (10) auftreten könnten.