DE69413437T2

DE69413437T2 - Ultraschallreinigungsverfahren für Rohren oder Kernbrennstofbündeln und Anlage dafür

Info

Publication number: DE69413437T2
Application number: DE69413437T
Authority: DE
Inventors: Hideaki C/O Intellectual Property Div. Minato-Ku Tokyo Heki; Hiroaki C/O Intellectual Property Div. Minato-Ku Tokyo Kato; Shirou C/O Intellectual Property Div. Minato-Ku Tokyo Komura; Emiko C/O Intellectual Property Div. Minato-Ku Tokyo Okamura
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-02-22
Filing date: 1994-02-17
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2014-02-18
Also published as: US5467791A; JP3293928B2; DE69413437D1; EP0615792A1; EP0615792B1; JPH06246249A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschallreinigung, um radioaktive Feststoffe, wie beispielsweise Verunreinigungen oder Zunder, die an verschiedenen Bauteilen anhaften, insbesondere an hohlen, quadratischen Bauteilen, die eine Leichtwasserreaktor-Atomkraftanlage ausmachen, wirksam abzulösen und zu entfernen, indem sie mit Ultraschallwellen bestrahlt werden.
Ein Beispiel einer Leichtwasserreaktor-Atomkraftanlage ist ein Siedewasserreaktor (hiernach abgekürzt als BWR). Dieser ist normalerweise wie folgt konstruiert. Ein Reaktordruckkessel enthält einen Reaktorkern und Kühlwasser. Der Reaktorkern weist eine Anzahl von Brennelementanordnungen und Steuerstäben etc. auf. Das Kühlwasser strömt aufwärts gerichtet am Kern entlang und wird durch die Hitze der nuklearen Reaktion des Kerns erwärmt. Das erwärmte Kühlwasser nimmt einen Zweiphasenströmungszustand ein, in dem Wasser und Dampf vorliegt, und wird einem Dampf/Wasser-Separator zugeführt, der oberhalb des Kerns angeordnet ist, wo Wasser und Dampf getrennt werden. Der abgetrennte Dampf wird danach in eine Dampftrocknungseinrichtung geleitet, die oberhalb des Separators angeordnet ist, wo er getrocknet wird, um Trockendampf zu erzeugen. Zur Energieerzeugung wird dieser Trockendampf einem Turbinensystem zugeführt, und zwar über eine Hauptdampfleitung, die mit dem Reaktordruckkessel verbunden ist. Der Dampf wird, nachdem er in der Turbine zur Erzeugung von Elektrizität verwendet wurde, einem Kondensator zugeführt, wo er kondensiert und verflüssigt und in Kondensat zurückverwandelt wird. Das Wasser, das im Dampf/Wasser-Separator abgetrennt wurde, fließt durch ein Fallrohr nach unten und wird mit dem Speisewasser gemischt, das vom Turbinensystem zurückgeleitet wird, und unterhalb des Kerns wieder zugeführt. Der obige Zyklus wird dann wiederholt.
In einer Atomkraftanlage sind Korrosionsprodukte, die durch Korrosion der verschiedenen Rohre und Einrichtungen etc. erzeugt werden, die die Atomkraftanlage ausmachen, die Hauptursache für das Austreten von Strahlung. Diese Korrosionsprodukte erhalten ihre Radioaktivität, indem sie durch die Brennelementanordnungen bestrahlt werden, an denen sie anhaften, wenn sie durch den oben erläuterten Zyklus zu den Brennelementanordnungen transportiert werden. Einige dieser bestrahlten Korrosionsprodukte lösen sich dann von den Brennelementanordnungen ab, suspendieren in dem im Reaktor enthaltenen Kühlwasser oder werden gelöst etc. und verteilen sich in der Atomkraftanlage und setzen sich an Rohren und Einrichtungen fest, wodurch der Anteil an Radioaktivität in der Atmosphäre erhöht wird. Dies führt zu radioaktiver Verstrahlung, wenn sich Arbeiter in diese Atmosphäre aufhalten. Das Entfernen dieser radioaktiven Verunreinigungen oder Zunder, der an den Brennelementanordnungen und den verschiedenen Einrichtungsgegenständen anhaftet, ist daher äußerst wirksam, um die Freisetzung von Radioaktivität in einer Atomkraftanlage wesentlich zu vermindern. Das Entfernen dieser radioaktiven Verunreinigungen ist auch bei den Brennelementen äußerst wichtig, und zwar hinsichtlich des Gesichtspunktes, daß die Verteilung von radioaktiven Verunreinigungen bei der Handhabung verhindert werden soll, wenn verbrauchte Brennelemente herausgenommen und in Brennelementlagereinrichtungen oder in nukleare Wiederaufbereitungsanlagen etc. gebracht werden. Einrichtungen, an denen radioaktive Korrosionsprodukte anhaften, können in quadratische, hohle Gegenstände, wie beispielsweise Brennelementhalterungen, mittels derer die Brennelementanordnungen gehalten werden, und in zylindrische Gegenstände, wie beispielsweise Rohre, unterteilt werden. Die Beschreibung betrifft insbesondere eine Reinigungstechnik zum Entfernen von Korrosionsprodukten, die an quadratischen, hohlen Gegenständen anhaften.
Wenn eine Brennelementanordnung als ein Beispiel für einen quadratischen, hohlen Gegenstand genommen wird, wird nun eine Brennelementanordnungs-Reinigungsvorrichtung gemäß Stand der Technik beschrieben. Ein Beispiel ist eine Sprühwasser-Reinigungsvorrichtung, wie sie in der veröffentlichten japanischen Offenlegungsschrift Sho. (Tokko-Sho) 58-17440 offenbart ist. Diese Vorrichtung wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben. Fig. 1 ist eine Ansicht, die den vollständigen Aufbau der gesamten Vorrichtung zeigt. In Fig. 1 ist 1 eine Waschkammer. Diese Waschkammer 1 hat eine längliche, zylindrische Form, um beispielsweise die Brennelementanordnung 2 und den Sprühdüsenkopf 3 zu umgeben. Wie in Fig. 2 gezeigt, hat der Sprühdüsenkopf 3 eine Durchgangsöffnung 4 mit quadratischem Querschnitt, die der Form der Brennelementanordnung 2 entspricht, wobei die Brennelementanordnung 2 in diese Durchgangsöffnung 4 eingesetzt ist. Eine Anzahl von Sprühdüsen 5 ist am inneren Umfang der Durchgangsöffnung 4 montiert. Nach Entfernen des Kanal-Kastens wird durch diese Anzahl von Sprühdüsen 5 unter Hochdruck stehendes Wasser auf die Brennelementanordnung 2 gesprüht. Der Sprühdüsenkopf 3 ist so montiert, daß er entlang der Waschkammer 1 angehoben und abgesenkt werden kann. Die Konstruktion einer Antriebseinrichtung, mit Hilfe derer dieses Anheben und Absenken erfolgt, wird nachfolgend beschrieben. Ein Motor 8 ist auf einer Plattform 7 über dem Brennelementbecken 6 angeordnet, wobei ein Getriebe 9 mit einer Antriebswelle des Motors 8 gekoppelt ist. Dieses Getriebe 9 ist mittels einer Gelenkverbindung 10 mit einer Gewindestange 11 gekoppelt. Eine Mutter 12, die an dem Sprühdüsenkopf 3 montiert ist, wird auf diese Gewindestange 11 geschraubt. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Führungsstange, durch die sichergestellt wird, daß der Sprühdüsenkopf 3 in vertikaler Richtung verfahren wird. Wenn der Motor 8 startet, so wird dessen Drehung durch das Getriebe 9 reduziert, dessen Übertragungsrichtung umgerichtet und über die Gelenkverbindung 10 auf die Gewindestange 11 übertragen. Bei Drehung der Gewindestange 11 wird der Sprühdüsenkopf 3 mittels der Mutter 12 in vertikaler Richtung angehoben und abgesenkt, während er durch die Führungsstange 13 geführt wird.
Eine Wasserzuführeinheit ist mit dem Sprühdüsenkopf 3 verbunden, und unter Hochdruck stehendes Wasser wird von dieser Wasserzuführeinheit zugeführt. Etwas detaillierter: eine Wasserzuführpumpe 14 ist auf der Plattform 7 angeordnet, und mittels dieser Wasserzuführpumpe 14 wird das Becken-Wasser 6b in dem Brennelementbecken 6 durch die Saugleitung 15 angesaugt. Das angesaugte Becken-Wasser 6b wird durch eine Druckleitung 17 zu jeder Düse 5 des Sprühdüsenkopfes 3 geleitet, so daß unter Hochdruck stehendes Wasser aus diesen Düsen auf die Brennelementanordnung 2 gesprüht werden kann.
Ein Abflußrohr 18 ist am Boden 6a des Brennelementbeckens 6 angeordnet. Durch Bezugszeichen 19 in Fig. 1 ist eine Trenn- Schleuder bezeichnet. Die Trenn-Schleuder 19 und der untere Abschnitt der Waschkammer 1 sind durch einen Verteiler 20 verbunden. In diesen Verteiler 20 ist eine Unterwasser-Vakuumpumpe 21 eingesetzt. Ein Verunreinigungs-Behälter 24 ist durch eine Auslaßdüse 22 und eine fernbetätigte, trennbare Verbindung 23 mit der Trenn-Schleuder 19 verbunden. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 25 eine Öffnung, und 26 bezeichnet eine Halterung, durch die die Brennelementanordnung 2 von unten abstützend gehalten ist. Verunreinigungen enthaltendes Becken-Wasser 16, das von unten aus der Brennelementanordnung 2 herausströmt, wird der Trenn-Schleuder 19 zugeführt, wo es in sauberes Becken-Wasser und in eine Feststoff-Fraktion (abgetrennte Verunreinigungen) getrennt wird. Das Becken-Wasser 16 wird durch die Öffnung 25 wieder in das Brennelementbecken 6 geleitet, während die Feststoff-Fraktion in dem Verunreinigungs-Behälter 24 gesammelt wird.
Die Brennelementanordnungs-Reinigungsvorrichtung, die wie oben erläutert aufgebaut ist, hat jedoch folgende Nachteile:
(1) Da unter Hochdruck stehendes Wasser von einem Bereich außerhalb der Brennelementanordnung in einem Zustand in die Waschkammer 1 gesprüht wird, in dem der Kanal-Kasten von der Brennelementanordnung 2 entfernt ist oder in dem eine Brennelementanordnung, die ursprünglich keinen Kanal-Kasten hat, in der Waschkammer 1 angebracht ist, wird das unter Hochdruck stehende Wasser daran gehindert, in den Innenraum einzudringen, da es durch die Brennstäbe an der Außenseite der Brennelementanordnung behindert wird. Dadurch wird verhindert, daß Verunreinigungen entfernt werden, die an Brennstäben anhaften, die im Inneren der Brennelementanordnung angeordnet sind.
(2) Eine große Menge von unter Hochdruck stehendem Wasser wird benötigt, um die Brennelementanordnung 2 zu reinigen. Das bedeutet, daß die Wasserzuführpumpe 14 und/oder die Unterwasservakuumpumpe 21, die verwendet werden, um das zugeführte Wasser abzusaugen, eine beträchtliche Größe haben müssen und daher schwer zu handhaben sind. Darüber hinaus gibt es Probleme, den erforderlichen Installationsraum bereitzustellen, und Probleme bezüglich der Kontamination dieser Einrichtungen selbst, die dazu führt, daß große Mengen an radioaktivem Abfall etc. entstehen können.
(3) Während des Reinigungsvorgangs muß der Kanal-Kasten angebracht und entfernt werden. Dadurch wird der Betrieb komplizierter, und die Belastung der Arbeiter wird erhöht. Darüber hinaus gibt es Sicherheitsprobleme infolge der erhöhten Wahrscheinlichkeit der Beschädigung von Brennstäben, da die Brennstäbe gehandhabt werden, wenn der Kanal-Kasten entfernt wird.
(4) Die Menge an Feststoffen, die an den Brennstäben anhaftet, ist bei modernen Anlagen geringer, und zwar aufgrund der Verwendung besserer Wasserqualitäten etc., aber das Anhaften ist stärker. Das bedeutet, daß man nicht erwarten kann, die gleiche Reinigungswirkung wie bei herkömmlichen Anlagen zu erreichen.
Ein weiteres praktisches Beispiel zur Verwendung von Ultraschallwellen wird nun beschrieben. Beispiele von Brennelement- Reinigung unter Verwendung von Ultraschallwellen sind: die älte re japanische Offenlegungsschrift Sho. (Tokkai-Sho) 55-104799, die ältere japanische Offenlegungsschrift Sho. (Tokkai-Sho) 59-58399, die ältere japanische Gebrauchsmuster-Veröffentlichung Sho. (Jitsukai-Sho) 60-113600 und "Feasibility of Using Nonchemical Methods to Decontaminate Fuel Rods": EPRI NP-4122, June 1985. Die EPRI NP-4122 wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 3 und Fig. 4 beschrieben. Bezugszeichen 31 in Fig. 3 bezeichnet eine Waschkammer. In dieser Waschkammer 31 sind eine Brennelementanordnung 32 und ein Ultraschallwandler 33 angeordnet. Die Brennelementanordnung 32 und der Ultraschallwandler 33 sind parallel zueinander angeordnet, so daß die Ultraschallwellen im rechten Winkel auf die Oberfläche der Brennelementanordnung auftreffen. Ein Ultraschallgenerator 34 ist mittels eines Kabels 37 mit dem Ultraschallwandler 33 verbunden. Der Ultraschallwandler 33 kann entlang einer Führung 36 mittels eines Verfahrmechanismus 35 angehoben und abgesenkt werden. Das heißt, Ultraschallwellen werden auf die Brennelementanordnung 32 gerichtet, während der Ultraschallwandler 33 angehoben und abgesenkt wird, wodurch Verunreinigungen, die an den Brennstäben anhaften, entfernt werden. Ein Filter 39 ist über ein Abflußrohr 38 mit dem Boden der Waschkammer 31 verbunden. Eine Pumpe 41 ist über eine Leitung 40 mit diesem Filter 39 verbunden. Ein Zuführrohr 42 dieser Pumpe 41 ist an der Oberseite der Waschkammer 31 angeschlossen.
Mittels der obigen Konstruktion werden radioaktive Verunreinigungen entfernt, die an der Brennelementanordnung 32 anhaften, die den quadratischen, zu reinigenden Gegenstand bildet, während der Ultraschallwandler 33 angehoben und abgesenkt wird. Die entfernten Verunreinigungen strömen zusammen mit dem Becken-Wasser nach unten und werden über das Abflußrohr 38 zu dem Filter 39 geleitet. Die im Becken-Wasser enthaltenen Verunreinigungen werden durch den Filter 39 entfernt, und gereinigtes Becken- Wasser wird von oben über die Pumpe 41 und die Zuführleitung 42 in die Waschkammer 31 zurückgeleitet.
Eine Ultraschallreinigungsvorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben ist, hat folgende Nachteile:
(1) Auch bei dieser Vorrichtung muß der Kanal-Kasten von der Brennelementanordnung 32 entfernt werden, oder eine Reinigung muß bei einer Brennelementanordnung durchgeführt werden, die keinen Kanal-Kasten hat. Wie bei der oben beschriebenen Wasserdüsenanordnung gemäß Stand der Technik ist daher ein komplizierter Betrieb unvermeidbar, und es besteht die Gefahr, daß die Brennstäbe beschädigt werden.
(2) Der Ultraschallwandler ist zusammen mit der Brennelementanordnung in der Waschkammer angeordnet, so daß der Ultraschallwandler durch radioaktive Substanzen etc. kontaminiert und somit zu radioaktivem Abfall wird.
(3) Optimale Bedingungen für die Ultraschallabstrahlung können nicht erwartet werden, so daß eine hohe Reinigungswirksamkeit nicht möglich ist.
Bezüglich der Reinigung des Brennelementgestells, das ein quadratischer, hohler Gegenstand ist, werden darüber hinaus Verfahren verwendet, wie beispielsweise das Entfernen von daran anhaftenden Feststoffen durch Sprühen mit unter hohem Druck stehendem Wasser, indem Wassersprühdüsen auf die gleiche Weise wie bei der Brennelementanordnung an der Innenfläche der Röhre eingesetzt werden, in die die Brennelemente eingesetzt sind. Wie beim Reinigen der Brennelementanordnung ist jedoch eine große Menge von unter hohem Druck stehendem Wasser erforderlich. Dies bedeutet, daß Einrichtungen, wie beispielsweise Pumpen, eine beträchtliche Größe haben müssen, was deren Handhabung schwierig macht, und es bestehen Probleme bezüglich des Installationsraums und der Kontamination der Einrichtungen selbst, was bedeutet, daß eine große Menge radioaktiven Abfalls entsteht.
Wie vorstehend beschrieben, werden bei einem Wasserdüsensystem Verunreinigungen, die an den Brennstäben anhaften, die an der Innenseite des hohlen, quadratischen Gegenstandes angeordnet sind, der durch eine Brennelementanordnung gebildet ist, nicht entfernt. Da das Reinigen mit dem Entfernen und Wiedereinsetzen des Kanal-Kastens vor und nach dem Reinigen verbunden ist, wird dafür außerdem eine beträchtliche Zeit benötigt, und es besteht das Risiko der Beschädigung der Brennstäbe beim Entfernen und Wiedereinsetzen des Kanal-Kastens. Die beträchtliche Größe der Einrichtung ist ebenfalls ein Problem. Auch bei der Reinigungsvorrichtung, bei der Ultraschallwellen verwendet werden, wird das Entfernen und Wiedereinsetzen des Kanal-Kastens als erforderlich erachtet, und da der Ultraschallwandler in der Waschkammer angeordnet ist, in der die Brennelementanordnung den hohlen, quadratischen Gegenstand bildet, der zu reinigen ist, wird auch dieser kontaminiert, wodurch ein Problem bezüglich der Entsorgung von radioaktivem Abfall entsteht.
Die JP-A-4324400 beschreibt ein derartiges System, bei dem mehr als ein Ultraschallwandler verwendet wird, um eine "in-situ"-Reinigung der Brennstäbe zu erreichen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ultraschallreinigungsvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, eine sehr wirksame und gleichförmige Reinigung von Feststoffen zu erreichen, wie beispielsweise von radioaktiven Verunreinigungen, die fest an einer hohlen, quadratischen Brennelementanordnung oder einem Gestell für verbrauchte Brennelemente anhaften, und die keine nachteilige Wirkung auf Brennstäbe etc. hat, die sich am Rand des Beckens befinden, in dem die Reinigung durchgeführt wird.
Daher schafft die vorliegende Erfindung eine Ultraschallreinigungsvorrichtung zum Reinigen einer Brennelementanordnung bzw. ein entsprechendes Verfahren nach Anspruch 1 bzw. 11.
Die beschriebene Ultraschallreinigungsvorrichtung hat außerdem die Wirkung, daß ein Austreten von Ultraschallwellen von den Ultraschallwandlern in Bereiche außerhalb der Vorrichtung verhindert wird.

In den nachfolgenden Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine Darstellung, die den vollständigen Aufbau einer Wasserdüsenreinigungsvorrichtung gemäß Stand der Technik zeigt.
Fig. 2 ist eine Draufsicht, die in vergrößertem Maßstab den in Fig. 1 verwendeten Sprühdüsenkopf zeigt.
Fig. 3 ist eine Gesamtdarstellung, die eine Ultraschallreinigungsvorrichtung gemäß Stand der Technik zeigt.
Fig. 4 ist eine Seitenansicht, die die Ultraschallwandler und den Anhebe- und Absenkmechanismus zeigt, der in Fig. 3 verwendet wird.
Fig. 5 ist eine Gesamtdarstellung, die eine Ultraschallreinigungsvorrichtung zeigt, die ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wiedergibt.
Fig. 6 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus zeigt, der in Fig. 5 verwendet wird.
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht in Längsrichtung des in Fig. 6 gezeigten Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus.
Fig. 8 ist eine Draufsicht eines Ultraschall-Verfahrmechanismus gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels dieser Erfindung.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht in Längsrichtung des in Fig. 8 gezeigten Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus.
Fig. 10 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der Reinigungswirkungen bei Brennstäben im mittleren Bereich und im Eckenbereich zeigt, wenn sie in senkrechter Richtung (90º) mit Ultraschallwellen bestrahlt werden.
Fig. 11 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der Reinigungswirkungen bei Brennstäben in dem Eckenbereich zeigt, wenn sie mit Ultraschallwellen aus senkrechter Richtung (90º) und 45º-Richtung bestrahlt werden.
Fig. 12 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der Reinigungswirkungen bei Brennstäben zeigt, und zwar abhängig davon, ob ein Stahlgehäuse vorgesehen ist oder nicht.
Fig. 13 ist ein Diagramm, das das Prinzip der Kavitation durch Ultraschallwellen zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallreinigungsverfahrens und eine Vorrichtung dafür werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 5 ist ein Beispiel vom Aufbau einer Ultraschallwellenreinigungsvorrichtung, bei der ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einer Brennelementanordnung verwendet wird. Das Bezugszeichen 101 in Fig. 5 ist das Brennelementbecken. In diesem Brennelementbecken 101 ist Brennelementbecken-Wasser 102 enthalten. Eine Arbeitsplattform 103 ist über dem Brennelementbecken 101 vorgesehen. Eine Brennelementhalteanordnung 104 ist in diesem Brennelementbecken 101 angeordnet. Die Brennelementanordnung 105 ist in einem Zustand gehalten, in dem ein Kanal- Kasten 106 montiert ist. Diese Brennelementhalteanordnung 104 enthält einen Halteständer 109, der eine obere Bündelhalterung 107 und eine untere Bündelhalterung 108 trägt. Der Halteständer 109 steht auf einer Basis 109a. An der Oberseite der Brennelementanordnung 105 ist ein flexibler Verteiler 123 angebracht, um Becken-Wasser 102 mit einer geringen Konzentration an gelösten Gasen in den Kanal-Kasten 106 einzuleiten. Eine Zuführdüse 124 zum Zuführen von Reinigungsflüssigkeit 125 mit einer geringen Konzentration an gelösten Gasen ist am Ende des Verteilers 123 vorgesehen. Darüber hinaus ist am Verteiler 123 zum Einleiten von Becken-Wasser 102 eine Zuführpumpe 129, um Becken-Wasser 102 einer Zahl von Brennstäben 115 zuzuführen, die mit einem Kanal- Kasten 106 versehen sind, und ein Meßgerät zum Überwachen der Konzentration an gelösten Gasen in dem Becken-Wasser 102 vorgesehen, insbesondere ein Meßgerät 126 zum Messen von gelöstem Sauerstoff, um die Sauerstoffkonzentration zu überwachen. Ein Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus 110 ist am Halteständer 109 so angebracht, daß er angehoben und abgesenkt werden kann. Ultraschallwandler 111, die an diesem Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus 110 angeordnet sind, sind über ein Kabel 112 mit einem Ultraschallgenerator 113 verbunden, der auf der Arbeitsplattform 103 angeordnet ist.
Die Ultraschallwandler 111 werden durch den Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus 110 gehalten und können mit vorbestimmter Geschwindigkeit mittels des Anhebe- und Absenkmechanismus 114 in vertikaler Richtung angehoben und abgesenkt werden, wobei bezüglich der Brennelementanordnung 105 die gleiche Strahlungsfläche und der gleiche Strahlungsabstand davon beibehalten wird. Ultraschallwellen von Ultraschallwandlern 111, die jeder der Flächen der Brennelementanordnung 105 zugewandt angeordnet sind, sind auf die Brennelementanordnung 105 gerichtet, wobei der Kanal- Kasten 106 weiterhin montiert ist, während der Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus 110 mit Hilfe des Anhebe- und Absenkmechanismus 114 angehoben und abgesenkt wird, wodurch gleichmäßig Feststoffe, wie zum Beispiel radioaktive Verunreinigungen oder Zunder, entfernt wird, der an der Anzahl von Brennstäben 115 anhaftet, die an der Innenseite des Kanal-Kastens 106 oder innerhalb des Kanal-Kastens 106 angeordnet sind. Die entfernten Feststoffe, wie beispielsweise radioaktive Verunreinigungen oder Zunder, werden durch das Becken-Wasser 102 innerhalb des Kanal- Kastens 106 nach unten gespült und mittels einer Absaugpumpe 118 durch eine Absaugdüse 116, ein Einstellventil 130 und ein Absaugrohr 117 abgesaugt, die mit der unteren Bündelhalterung 108 verbunden sind. Die Verunreinigungen bzw. der Zunder werden dann durch die Zuführleitung 119 einem Verunreinigungssammelfilter 120 zugeführt, wo die in dem Becken-Wasser 102 enthaltenen Feststoffe entfernt werden. Gereinigtes Brennelementbecken-Wasser 102, aus dem die Feststoffe entfernt sind, wird dann durch das Rohr 121 in das Brennelementbecken 101 zurückgeleitet. Eine einfache Handhabung und Sicherheit bezüglich des Filters 120 kann weiterhin dadurch sichergestellt werden, daß dieser an einer Filterhalterung gehalten wird, sofern dies erforderlich ist.
Durch die obigen Erläuterungen wurde das Verfahren der Ultraschallreinigung gemäß dieses Ausführungsbeispiels und eine Vorrichtung dafür grob umrissen. Im obigen Ausführungsbeispiel wird Becken-Wasser 102 mit geringer Konzentration an gelösten Gasen von Oberseite der Brennelementanordnung 105 abgenommen, aber es besteht kein Problem, eine Saugdüse 130 im Fußbereich der Brennelementanordnung 105 vorzusehen. Das Verfahren zum Abfahren der zu bestrahlenden Fläche mit Ultraschallwellen wurde anhand eines Beispiels beschrieben, bei dem Ultraschallwandler 111 angehoben und abgesenkt werden, aber es besteht auch kein Problem, daß die Brennelementanordnung 105 selbst angehoben und abgesenkt wird.
Die Beschreibung wird nachfolgend detaillierter fortgeführt. Der Aufbau des Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus 110 ist in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigt. Fig. 6 ist ein beispielhafter Aufbau des Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus 110, von oben gesehen.
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht dieses Mechanismus 110 in axialer Richtung. Das Bezugszeichen 127 in Fig. 6 bezeichnet ein Ultraschallwellen reflektierendes Stahlgehäuse, durch das die Ultraschallwandler 111 abgedeckt sind, die an dem Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus 110 angebracht sind. Das Stahlgehäuse 127 wird so verwendet, daß durch Ultraschallwandler 111 erzeugte Ultraschallwellen, die nicht durch den Kanal-Kasten 106 geführt wurden, durch das Stahlgehäuse 127 reflektiert werden, so daß sie noch einmal durch den Kanal-Kasten 106 geführt werden. In diesem konstruktiven Beispiel ist das Verfahren so ausgestaltet, daß die Ultraschallwandler 111 in einer Reihe an der Innenseite des Stahlgehäuses 127 angeordnet sind, wobei deren Strahlungsrichtungen relativ zueinander jeweils mit Winkeln von 45º versetzt sind, so daß die Ultraschallwellen, die von den Ultraschallwandlern 111 in Richtung auf die vier Seiten des Kanal- Kastens 106 abgestrahlt werden, im rechten Winkel (90º) und in 45º-Richtung auf jede Seitenfläche des Kanal-Kastens 106 auftreffen. Diese Ultraschallwandler 111 sind mit Hilfe eines Kabels 112 mit einem Ultraschallgenerator 113 verbunden.
An der oberen Abdeckung 132 des Stahlgehäuses 127 ist ein Eingang 133 zum Einleiten von Becken-Wasser 102 in das Gehäuse vorgesehen. In der unteren Abdeckung 134 ist ein Auslaß 135 zum Auslassen von Becken-Wasser 102 vorgesehen, das vorher eingeleitet wurde. Der Auslaß 135 ist über das Rohr 136 mit der Absaugpumpe 118 verbunden. Mit dieser Konstruktion kann eine Kontamination der Ultraschallwandler 111 vermindert werden, da selbst dann, wenn einige Feststoffe an der Außenseite des Kanal-Kastens 106 anhaften, ein Ablösen dieser Feststoffe durch Ultraschallstrahlung nicht zu einem Entweichen dieser abgelösten Feststoffe in den Randbereich des Beckens 101 führen, so daß diese Feststoffe zuverlässig durch den Verunreinigungssammelfilter 120 gesammelt werden. Außerdem ist um den Umfang des Stahlgehäuses 127 herum eine Ultraschallwellen-Austrittsverhinderungseinrichtung 131 vorgesehen, um zu verhindern, daß Ultraschallwellen in das Becken entweichen und ausbreiten können, indem sie durch das Stahlgehäuse 127 dringen. Die Ultraschallwellen-Austrittsverhinderungseinrichtung 131 ist so konstruiert, daß das gesamte Stahlgehäuse 127 umschlossen ist. Wenn die Wandstärke des Stahlgehäuses 127 zu gering ist, können Ultraschallwellen ungehindert durch dieses hindurchtreten, weshalb ein Gehäuse aus nichtrostendem Stahl mit zumindest 0,5 cm Wandstärke verwendet wird. Außerdem ist ein Anhebe- und Absenkseil 128 mit dem Anhebe- und Absenkmechanismus 114 verbunden, um den Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus 110 in vertikaler Richtung anzuheben und abzusenken, wodurch es möglich ist, ein Bestrahlen mit Ultraschallwellen zu ermöglichen, während der Ultraschallwandleranhebe- und -absenkmechanismus 110 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit angehoben und abgesenkt wird.
Anhand des obigen Ausführungsbeispiels wurde ein Verfahren beschrieben, bei dem Ultraschallwandler 111 in einer einzelnen Reihe angeordnet waren. Wie in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigt ist, kann die gleiche Wirkung erreicht werden, wenn die Ultraschallwandler 111 in zwei Zeilen mit jeweils vier Wandlern angeordnet sind, wobei jede Zeile um 45º versetzt ist. Darüber hinaus wurde anhand dieses Ausführungsbeispiels ein Verfahren beschrieben, bei dem eine gleichzeitige Reinigung an den vier Flächen der Brennelementanordnung 105 durchgeführt werden kann, und zwar durch Bestrahlung mit 90º und 45º. Jedoch kann die Reinigung auf ähnliche Art und Weise durch Bestrahlung zweier benachbarter Seitenflächen (zwei Flächen im rechten Winkel) des zu reinigenden Gegenstandes mit Ultraschallwellen mit 90º und 45º durchgeführt werden, wobei die beiden anderen zu reinigenden Seitenflächen durch Drehen der Brennelementanordnung oder der Ultraschallwandler um 180º gereinigt werden können. In diesem Fall kann die Zahl der Ultraschallwandler auf vier beschränkt werden.
Die Gründe, weshalb die Bestrahlung mit Ultraschallwellen durchgeführt wird, indem der Richtungswinkel der Ultraschallwandler 111 relativ zu der Brennelementanordnung 105 in 45º- Schritten verändert wird, wird nun beschrieben. Fig. 10 ist ein Diagramm, das einen relativen Vergleich (relativer Vergleich; wobei die Reinigungswirkung am Brennstab (A) in der Mitte als 1 angenommen wird) zwischen der Reinigungswirkung und der Brennstabposition in der Brennelementanordnung, wenn die Reinigung mit einem Verfahren durchgeführt wird, bei dem die Ultraschallwellen, die von den Ultraschallwandlern 111 in Richtung auf die Seitenflächen des Kanal-Kastens 106 abgestrahlt werden, in einem rechten Winkel (90º) auf den Kanal-Kasten 106 auftreffen, wobei die Flächen der Ultraschallwandler 111 parallel zu der Brennelementanordnung 105 angeordnet sind. Aus diesen Ergebnissen kann geschlossen werden, daß die Reinigungswirkung an den Brennstäben an den Kantenecken im Vergleich zur Reinigungswirkung an den Brennstäben in der Mitte abfällt, wenn die Ultraschallwellen im rechten Winkel bezüglich der Fläche der Brennelementanordnung 105 auftreffen. Es gibt insbesondere einen beträchtlichen Abfall der Reinigungswirkung an einem in der Ecke (Position (D)) angeordneten Brennstab. Es wird angenommen, daß der Kanal-Kasten 106 der Brennelementanordnung 105 keine genaue hohle, quadratische Form hat, sondern an den Ecken Rundungen aufweist, weshalb der Auftreffwinkel der Ultraschallwellen in diesen Bereichen vom 90º-Winkel abweicht, was zu einem Abfall der Ultraschallwellendurchlässigkeit (zunehmende Ultraschallwellenreflektion) führt; oder die Ultraschallwellenintensität ist am Eckenbereich der Ultraschallwandler 111 geringer als im mittleren Bereich.
Die Versuchsbedingungen waren: Ultraschallwandlerfrequenz: 26 Hz, Ausgabe 600 W/Wandler, zwei Wandler (senkrechte 2-Flächenbestrahlung); Bestrahlungsabstand (Abstand von der Außenfläche des Kanal-Kastens zur Ultraschallwandlerstrahlungsfläche): 100 mm; Simulationswassertiefe 6 m; Reinigungszeit: 3 min. Die Beziehung zwischen der Position der Ultraschallwandler und der Position der Simulationsbrennstäbe ist in Fig. 10 gezeigt. Die Ergebnisse, die erhalten werden, wenn die Ultraschallwellenreinigung unter der Bedingung durchgeführt wird, daß die Strahlungsflächen der Ultraschallwandler 111 bezüglich der Seitenflächen der Brennelementanordnung 105 im 45º-Winkel angeordnet sind, wird nun beschrieben. Fig. 11 zeigt die Ergebnisse eines Vergleichs der Brennstabreinigungswirkung im Eckenbereich, wenn die Ultraschallwellen in 45º-Richtung auftreffen, mit der Reinigungswirkung, die erhalten wird, wenn sie in 90º-Richtung auftreffen (Vergleich, bei dem die Reinigungswirkung an den Brennstäben im Eckenbereich, die durch das Symbol bezeichnet sind: schwarzer Kreis, wenn die Reinigung durch Bestrahlung mit Ultraschallwellen in 90º-Richtung erfolgt, als 1 angenommen wird).
Die Versuchsbedingungen waren die gleichen wie die obigen Bedingungen: verwendete Ultraschallwandler: Frequenz 26 Hz, Ausgabe 600 W/Wandler, zwei Wandler (senkrechte 2-Flächenbestrahlung); Bestrahlungsabstand (Abstand von der Außenfläche der Ecke des Kanal-Kastens zu der Ultraschallwandlerstrahlungsfläche): etwa 70 mm (Abstand, wenn ein Kanal-Kasten mit dem Bestrahlungsabstand von 100 mm bei senkrechter Bestrahlung um 45º gedreht wird); Simulationswassertiefe 6 m; Reinigungszeit 3 min. Aus diesem Ergebnissen wird deutlich, daß das Ablösen von Verunreinigungen, die an den Brennstäben an der Ecke der Brennelementanordnung 111 anhaften, mit besserer Wirksamkeit erfolgt, wenn die Ultraschallwellen in einem Winkel von 45º auf den Kanal-Kasten gerichtet sind als in senkrechter Richtung. Es wird angenommen, daß die Gründe darin bestehen, daß sich der Eckenbereich der Brennelementanordnung 105 bei einer Ultraschallwellenbestrahlung mit 45º in der Mitte der Ultraschallwandler 111 befindet, wo die Ultraschallwellenintensität groß ist, und, im Vergleich mit der parallelen Anordnung, sich der Eckenbereich näher bei den Ultraschallwandlern 111 befindet. Die Ultraschallwellen können daher leichter durch den Kanal-Kasten dringen, und als eine Folge wird die Reinigungswirkung erhöht. Ein wirksames Verfahren, um mit großer Wirksamkeit und Gleichmäßigkeit die gesamte Brennelementanordnung 105 zusammen mit einem montierten Kanal-Kasten 106 zu reinigen, der einen quadratischen, rohrförmigen Körper bildet, der den zu reinigenden Gegenstand darstellt, ist daher eine Kombination des Verfahrens der parallelen Anordnung der Seitenfläche der Brennelementanord nung 105 bezüglich der Strahlungsfläche der Ultraschallwandler 111, um die Brennstäbe zu reinigen, die in der Mitte der Brennelementanordnung 105 angeordnet sind, so daß die Ultraschallwellen in der senkrechten 90º-Richtung auftreffen, und des Verfahren der Anordnung der Seitenfläche der Brennelementanordnung 105 bezüglich der Strahlungsfläche der Ultraschallwandler 111 mit 45º, so daß die Ultraschallwellen mit 45º auftreffen.
Nachfolgend werden die Gründe erläutert, weshalb als Ultraschallwellen reflektierende Einrichtung der Ultraschallwandlereinheit 111 eine an dem Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus 110 angebrachte Stahlgehäuseabdeckung 127 vorgesehen ist, die alle Ultraschallwandler überdeckt. Wenn Ultraschallwellen bezüglich des Kanal-Kastens 106 senkrecht (90º-Richtung) von der Außenseite der Brennelementanordnung 105 auftreffen, wobei ein Kanal-Kasten 106 aus Zirkaloy montiert ist, läßt sich der Anteil (D) der Ultraschallwellen, die durch den Kanal-Kasten 106 hindurchtreten, durch folgende Formel bestimmen:
D = 1/{4cos²(2πL/Lambda1)+(Z0/Z1+Z1/Z0)² · sin²(2πL/Lambda1)}
In diesem Term ist L die Wandstärke des Kanal-Kastens, Lambdal ist die Wellenlänge der Ultraschallwellen in dem Kanal- Kasten, Z ist die charakteristische akustische Impedanz, und der Index 0 stellt die Reinigungsflüssigkeit (Wasser) dar, während Index 1 den Kanal-Kasten darstellt. Wenn Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 26 Hz verwendet werden, beträgt der Anteil der Ultraschallwellen, die durch den Kanal-Kasten 106 hindurchtreten, etwa 50%; die übrigen Ultraschallwellen werden in Richtung des Becken-Randes reflektiert ohne durch den Kanal-Kasten 106 hindurchzutreten. Diese reflektierten Ultraschallwellen werden verteilt und am Becken-Rand abgeschwächt. Die Ultraschallwellen, die normalerweise ohne Wirkung wären, können daher wirksamer verwendet werden, indem Einrichtungen vorgesehen sind, um die Ultraschallwellen, die von dem Kanal-Kasten 106 reflektiert werden, durch das Stahlgehäuse 127 wieder zurück in Rich tung des Kanal-Kastens 106 zu reflektieren, so daß sie wieder auf den Kanal-Kasten 106 auftreffen, und zwar durch Umschließen des Umfangs der Ultraschallwandler 111 (einschließlich in vertikaler Richtung) durch eine Ultraschallwellen reflektierende Einrichtung, die durch das Stahlgehäuse 127 gebildet ist. Durch Umschließen des Gebietes, in das Ultraschallwellen reflektiert werden, durch eine Ultraschallwellen reflektierende Einrichtung kann in der Ultraschallwellen reflektierenden Einrichtung 127 eine wiederholte diffuse Reflektion der Ultraschallwellen erfolgen, d. h., zwischen den Ultraschallwandlern und dem Kanal-Kasten 106. Dies ermöglicht es, die Reinigungswirkung zu erhöhen, da die Ultraschallwellen wirksamer verwendet werden als bisher.
Zum Bestätigen der Vorteile einer Ultraschallwellen reflektierenden Einrichtung 127 zeigt Fig. 12 die Ergebnisse einer Bestimmung der Differenz der Reinigungswirkung, und zwar abhängig davon, ob ein Stahlgehäuse 127 zur Ultraschallwellenreflektion vorgesehen ist oder nicht (dabei wurde ein Gehäuse mit einer quadratischen Hülle aus rostfreiem Stahl mit einer Wandstärke von 0,5 cm verwendet). (In dem Vergleich wird die Reinigungswirkung als 1 angenommen, wenn kein Stahlgehäuse vorhanden ist). Die Versuchsbedingungen waren die gleichen wie oben: Ultraschallwandlerfrequenz: 26 Hz, Ausgang 600 W/Wandler, zwei Wandler (senkrechte 2-Flächenbestrahlung); Bestrahlungsabstand (Abstand der Außenfläche des Kanal-Kastens von der Ultraschallwandlerstrahlungsfläche): 100 mm; Simulationswassertiefe 6 m; Reinigungszeit: 3 min. Diese Ergebnisse bestätigen, daß die Brennstab-Reinigungswirkung erhöht werden kann, wenn die Ultraschallwandler 111 durch eine Stahlabdeckung 127 umschlossen sind, durch die eine Ultraschallwellen reflektierende Einrichtung gebildet ist. Sie zeigen, daß das Vorsehen einer Ultraschallwellen reflektierenden Einrichtung 127 eine wirksame Maßnahme zur Reinigung einer Vielzahl von Brennstäben innerhalb der Brennelementanordnung 105 mit besserer Wirksamkeit ist, da der Anteil an Ultraschallwellen ansteigt, die durch den Kanal- Kasten 106 hindurchtreten, indem es ermöglicht wird, daß Ultra schallwellen, von denen einige von dem Kanal-Kasten 106 der Brennelementanordnung 105 reflektiert werden, von der Ultraschallwellen reflektierenden Einrichtung, die durch das Stahlgehäuse 127 gebildet ist, wieder zurück in Richtung auf die Brennelementanordnung 105 reflektiert werden. Es sie angemerkt, daß, obwohl ein quadratisches Stahlgehäuse als Stahlgehäuse 127 verwendet wurde, insgesamt keine Probleme auftreten, wenn beispielsweise bestimmte zylindrische Formen verwendet werden.
Nachfolgend wird die Wandstärke des Stahlgehäuses 127 betrachtet, durch die der Ultraschallwellenreflektor gebildet ist, wenn rostfreier Stahl verwendet wird, wobei sich aus der obigen Formel ergibt, daß etwa 20% der Ultraschallwellen, die durch den Kanal-Kasten zurückgeworfen werden, reflektiert werden können, wenn die Wandstärke 0,1 cm beträgt; wenn die Wandstärke 0,5 cm beträgt, können etwa 80% reflektiert werden; und wenn sie 1 cm dick ist, können etwa 95% reflektiert werden. Es kann daher gesehen werden, daß 80% oder mehr der Ultraschallwellen reflektiert werden können, wenn die Wandstärke des Stahlgehäuses 127 zumindest 0,5 cm beträgt, wodurch ermöglicht wird, daß die Ultraschallwellen wirksam verwendet werden.
Nachfolgend werden die Gründe beschrieben, weshalb eine Ultraschallwellen-Austrittsverhinderungseinrichtung 131 selbst außerhalb des Stahlgehäuses 127 vorgesehen ist, die die Aufgabe hat, Ultraschallwellen zu reflektieren, und das gesamte Stahlgehäuse umgibt. Wie vorstehend beschrieben, dient das Stahlgehäuse 127, welches die Ultraschallwellen reflektiert, dazu, sicherzustellen, daß die Ultraschallwellen wirksam verwendet werden, indem sie Ultraschallwellen, die von dem Kanal-Kasten 106 reflektiert wurden, wieder zurück in Richtung des Kanal- Kastens 106 zu reflektieren. Wie vorstehend erläutert, ist es nicht möglich, daß Ultraschallwellen vollständig von dem Stahlgehäuse 127 reflektiert werden, weshalb einige der Ultraschallwellen, die auf das Stahlgehäuse 127 auftreffen, durch das Stahlgehäuse 127 hindurchtreten und am Rande des Beckens 101 verteilt werden. In dem Becken 101 werden viele verbrauchte Brennstäbe etc. gelagert, und es besteht daher eine gewisse Gefahr, daß Becken-Wasser 102 kontaminiert werden kann, indem Feststoffe abgelöst werden, die an diesen verbrauchten Brennstäben anhaften, wenn auf diese Ultraschallwellen auftreffen. Es ist daher sehr wichtig, daß sichergestellt wird, daß Ultraschallwellen, die durch das Stahlgehäuse 127 hindurchtreten, keine nachteilige Wirkung auf die Brennstäbe haben, die im Randbereich des Beckens 101 gelagert sind.
Um das Austreten von Ultraschallwellen zu verhindern, wurde das Verfahren in Betracht gezogen, um das Durchtreten der Ultraschallwellen mit Hilfe einer Gitteranordnung (zum Beispiel ein Drahtgitter aus rostfreiem Stahl) zu verhindern, die einen Gitterabstand hat, der kleiner ist als die Wellenlänge der Ultraschallwellen (bei 26 Hz beträgt die Wellenlänge in Wasser 50-60 cm). Durch Versuche wurde herausgefunden, daß der Gitterabstand des Drahtgitters, das in der Lage ist, eine wirksames Mittel gegen das Austreten von Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 26 Hz zu bilden, 1-3 mm beträgt, wobei der Drahtdurchmesser in dem Bereich von 0,25-0,5 mm liegt. Durch Anordnen eines Drahtgitters 131, das eine Ultraschallwellen-Austrittsverhinderungsfunktion hat, um den gesamten Umfang des Stahlgehäuses 127, kann die Intensität (Geräuschdruckpegel) der Ultraschallwellen, die in den Rand des Beckens 101 austreten und sich dort verteilen, um den Faktor 1/25 bis 1/75 vermindert werden. Dadurch wird erreicht, daß die Sicherheit und Zuverlässigkeit ansteigt, indem das Problem des Austretens und des Verteilens von Ultraschallwellen auf verbrauchte Brennstäbe etc., die am Rand des Beckens 101 gelagert sind, gelöst wird.
Nachfolgend werden die Gründe erläutert, weshalb eine Vorrichtung zum Erhöhen des statischen Drucks des Becken-Wassers 102 vorgesehen ist, das in den Kanal-Kasten 106 der Brennelementanordnung 105 strömt. Reinigungstechniken, die auf Ultraschallwellen basieren, verwenden die Kavitation (das Phänomen von Druckabfall in kleinen Hohlräumen, die in der Flüssigkeit entstehen) etc., die durch Erzeugung von Ultraschallwellen in Flüssigkeiten entsteht. Die Kavitation ist in Fig. 13 gezeigt. Ultraschallwellen sind Druckwellen und erzeugen einen negativen Druck, wenn deren Amplitude den statischen Druck überschreitet. Da jedoch kein negativer Druck existiert, wirkt eine Kraft, durch die die Flüssigkeit weggerissen wird, um ein Vakuum zu erzeugen (Hohlräume in der Flüssigkeit, in der die Lösung verdampft ist), das mit dem nachfolgenden Druck zusammenfällt. Dieses wird als "Kavitation" bezeichnet.
Bei diesem Zusammenfallen werden lokale Strömungen (Microjet) in der benachbarten Flüssigkeit erzeugt. Feststoffe, die an den Brennstäben anhaften, werden durch diese Kavitation und/oder Mikrojets abgelöst, die in der direkten Nähe der Brennstabfläche auftreten. Wenn unter Berücksichtigung von Kavitation und Microjets der statische Druck der Flüssigkeit im Reinigungsbereich (Ort, an dem die Kavitation erzeugt wird) erhöht wird, d. h. wenn der äußere Druck ansteigt, dann steigt auch die Geschwindigkeit des Druckabfalls in den Hohlräume an, wenn diese zusammenfallen, und dadurch steigt ebenfalls die Geschwindigkeit der Mikrojet- Strömungen. Wenn dies in der Nähe der Oberfläche der Brennstäbe geschieht, kann als eine Folge eine größere Ablösekraft auf die Feststoffe wirken, die an den Brennstäben anhaften. Durch eine Erhöhung des statischen Drucks in dem Reinigungsbereich in der Brennelementanordnung 105 in dem Kanal-Kasten 106 kann folglich eine kraftvolle Kavitation erzeugt werden, was es möglich macht, mehr fest haftende Feststoffe als bisher abzulösen, wodurch eine Reinigungseinrichtung mit verbesserter Reinigungswirksamkeit geschaffen wird.
Die Erhöhung des statischen Drucks im Reinigungsbereich der Brennelementanordnung 105 in dem Kanal-Kasten 106 wird erreicht, indem die Öffnung des Einstellventils 130 verstellt wird, das am unteren Auslaßende der Brennelementanordnung 105 vorgesehen ist, und durch eine Zuführpumpe 129 zum Zuführen von Becken-Wasser 102, die ein Teil des Verteilers 123 bildet und mit der Oberseite der Brennelementanordnung 105 verbunden ist. Der Druck in der Brennelementanordnung 105 wird mit Hilfe der Zuführpumpe 129 erhöht, indem die Einströmgeschwindigkeit mittels des Einstellventils 130 eingestellt wird, das am unteren Ende der Brennelementanordnung 105 vorgesehen ist, wobei die Brennelementanordnung 105 die Zuführseite der Zuführpumpe 129 bildet. Der eingestellte Druck kann konstant gehalten werden, indem ein Druckmeßgerät (nicht gezeigt) in dieser Leitung vorgesehen ist. Der statische Druck in dem Kanal-Kasten 106 kann durch diese Maßnahme auf einfache Weise erhöht werden.
Nachfolgend werden die Gründe beschrieben, weshalb Becken- Wasser 102 mit geringer Konzentration an gelösten Gasen in den Kanal-Kasten 106 der Brennelementanordnung 105 eingeleitet wird. Die Prinzipien der Reinigung mit Ultraschallwellen wurden bereits beschrieben. Insbesondere werden bei Ultraschallwellen Kavitation etc. genutzt. Wenn folglich die Reinigungsflüssigkeit eine Menge an gelösten Gasen enthält, stellt dies eine Behinderung bei der Erzeugung einer starken Kavitation (Vakuumzustand) dar, wodurch in dem in der Reinigungsflüssigkeit gelösten Gas in dem Moment keine Blasen entstehen, in dem der Druck absinkt. Um eine große Kavitationskraft zu erhalten, um eine kraftvolle Kavitation zu erzeugen, ist es wichtig, Ultraschallwandler 111 zu verwenden, die eine ausreichend starke Ausstoßdichte erzeugen (zumindest 1 W/cm²), und Reinigungsflüssigkeits-Becken-Wasser zu verwenden, das nur geringe Mengen an gelösten Gasen enthält. Verunreinigungen, die an Brennstabflächen anhaften, können dadurch wirksamer entfernt werden.
Bei Untersuchung der Menge an gelöstem Gas (normalerweise die Sauerstoffkonzentration), das in dem Becken-Wasser des Brennelementbeckens der Atomkraftanlage enthalten ist, wurde herausgefunden, daß die Konzentration an gelöstem Sauerstoff, der in dem Becken-Wasser 102 im Bereich des Becken-Bodens enthalten ist, etwa gleich der Hälfte der Konzentration an gelöstem Sauerstoff entspricht, der in dem Becken-Wasser an der Becken- Oberfläche enthalten ist. In diesem Fall kann eine kraftvolle Kavitation in der Nähe von jedem der Brennstäbe erreicht werden, indem Becken-Wasser 102 aus dem Becken-Bodenbereich 125 in den Kanal-Kasten 106 geleitet wird. Folglich handelt es sich hierbei um eine wirksame Maßnahme, um die Brennelementanordnung 105 mit größerer Wirksamkeit zu reinigen. Darüber hinaus ist es möglich, eine Zuverlässigkeit der Reinigungsbedingungen zu erreichen, da die Konzentration an gelöstem Sauerstoff im zugeführten Wasser dauernd überwacht werden kann, indem ein Meßgerät 126 für gelösten Sauerstoff an einer Stelle in der Wasserzuführleitung vorgesehen ist.
Vorstehend wurde anhand eines Beispiels eines quadratischen, hohlen Gegenstandes die Reinigung einer Brennelementanordnung beschrieben, bei der der Kanal-Kasten montiert ist. Wenn jedoch anstelle einer Brennelementanordnung (Kanal-Kasten etwa 140 mm² Querschnittsfläche, etwa 2,5 mm Plattendicke und etwa 4 m Länge) mit montiertem Kanal-Kasten der zu reinigende Gegenstand so gewählt ist, daß er eine Brennelementgestellröhre ist (etwa 170 mm² Querschnittsfläche, 6 mm Plattendicke und etwa 4 m Länge), die bei der Konstruktion etc. anfällt und den gleichen Aufbau hat, können Feststoffe, die an der Innenfläche der Brennelementgestellröhre anhaften, auf ähnliche Weise gleichmäßig und mit großer Wirksamkeit entfernt werden.
Mit diesem Ausführungsbeispiel können die nachfolgenden Vorteile erreicht werden.
1. Durch Bestrahlung der Brennelementanordnung oder des Brennelementgestells mit fest montiertem Kanal-Kasten 106, der in diesem Ausführungsbeispiel ein quadratischer, hohler Gegenstand ist, mit Ultraschallwellen von der Außenseite, können Feststoffe, wie beispielsweise fest anhaftende Verunreinigungen, die an der Innenfläche der Anzahl von Brennstäben 115 oder dem Brennelementgestell in dem Kanal-Kasten 106 mit einer größeren Wirksamkeit als üblich entfernt werden.
2. Da das Entfernen des Kanal-Kastens 106 zur Reinigung der Brennelementanordnung nicht erforderlich ist, ist der Reinigungsbetrieb sehr viel einfacher, und die Anzahl der erforderlichen Arbeiter kann vermindert werden, wodurch die Strahlungsdosis, die mit diesen Arbeiten verbunden ist, vermindert wird.
3. Da es nicht erforderlich ist, die Brennelementanordnung 105 bei abgenommenem Kanal-Kasten 106 zu handhaben, ist die Gefahr der Beschädigung der Brennstäbe 115 sehr viel geringer.
4. Darüber hinaus ist in diesem Ausführungsbeispiel die Waschkammer, die normalerweise benötigt wird, nicht erforderlich. Bei dieser Erfindung bewirkt der Kanal-Kasten 106 oder der Brennelementrahmen selbst die Funktion der herkömmlichen Waschkammer. Folglich ist die Vorrichtung als ganze sehr einfach und kann sehr viel kompakter hergestellt werden. Dies ist ein großer Vorteil bezüglich der Einsparung von Raum und Kosten.
5. Zusätzlich zum Weglassen der Waschkammer wird durch diese Erfindung ein Reinigungsverfahren geschaffen, bei dem der Kanal-Kasten in seiner Position bleiben kann. Es gibt daher keinen direkten Kontakt zwischen den Ultraschallwandlern und radioaktiven Feststoffen. Die Menge an erzeugtem radioaktiven Abfall kann daher beträchtlich vermindert werden.
6. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Strahlungsbedingungen der Ultraschallwandler 111 (Ultraschallwellenstrahlungswinkel, Ultraschallwellenreflektion, Erhöhung des statischen Drucks der Reinigungseinheit und Konzentration von gelöstem Gas in der Reinigungsflüssigkeit) optimal eingestellt, wodurch das Entfernen von Feststoffen, wie beispielsweise von radioaktiven Verunreinigungen, von quadratischen, hohlen Gegenständen sehr effektiv durchgeführt werden kann.
7. Darüber hinaus kann während des Reinigens das Ausmaß des Austritts und der Verteilung von Ultraschallwellen am Rand des Beckens beträchtlich vermindert werden, so daß keine nachteiligen Wirkungen auf Brennstäbe ausgeübt werden, die am Rand angeordnet sind, wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit verbessert wird.
Wie vorstehend beschrieben, können mit dem Ultraschallreinigungsverfahren und der entsprechenden Vorrichtung gemäß dieser Erfindung Feststoffe, wie beispielsweise radioaktive Verunreinigungen, mit starken Haftkräften, die an dem zu reinigenden, quadratischen, hohlen Gegenstand anhaften, sicher und mit großer Wirksamkeit entfernt werden.
Auf Grundlage der obigen Lehre sind zahlreiche Modifikationen und Veränderungen der vorliegenden Erfindung möglich. Es ist daher offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung im Rahmen des Schutzbereiches der nachfolgenden Ansprüche auf eine Art und Weise realisiert werden kann, die von derjenigen abweicht, die hier speziell beschrieben ist.

Claims

1. Ultraschallreinigungsvorrichtung zum Reinigen einer Brennelementanordnung (105), die in einem Kanal-Kasten (106) enthalten ist, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine Ultraschallwandlereinrichtung (111), um Ultraschallwellen in Richtung auf die Anordnung (105) zu lenken;

eine Halteeinrichtung (107-109), um die Anordnung (105) zu halten;

einen Ultraschallwandler-Verfahrmechanismus (110), mit Hilfe dessen die Ultraschallwandlereinrichtung (111) in axialer Richtung relativ zu der Anordnung (105) bewegt wird;

Reinigungsflüssigkeits-Zuführeinrichtungen (123, 129), die dazu ausgestaltet sind, um der Anordnung (105) Reinigungsflüssigkeit zuzuführen;

Reinigungsflüssigkeits-Abführeinrichtungen (116, 118), mittels derer die Reinigungsflüssigkeit aus dem Kanal-Kasten (106) abgeführt wird;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Ultraschallwandlereinrichtung eine Anzahl von Ultraschallwandlern (111) enthält, die in einer Ultraschallwellen reflektierenden Einrichtung (127) angebracht sind, mittels derer Ultraschallwellen von den Wandlern in Richtung auf die Anordnung (105) reflektiert werden;

und außerdem gekennzeichnet durch eine Einrichtung (130), um den Druck der Reinigungsflüssigkeit in dem Kanal- Kasten (106) zu erhöhen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Ultraschallwellen reflektierende Einrichtung (127) ein Stahlgehäuse mit einer Wandstärke von zumindest 0,5 cm aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die außerdem eine Ultraschallwellen-Austrittsverhinderungseinrichtung (131) aufweist, mittels derer das Austreten von Ultraschall Wellen von dem Ultraschallwandler in außerhalb der Vorrichtung gelegene Bereiche verhindert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Ultraschallwellen- Austrittsverhinderungseinrichtung eine Drahtgitterhülle aus nichtrostendem Stahl (131) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerdem eine Einrichtung zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration in der Reinigungsflüssigkeit aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Anordnung hohl ist und einen quadratischen Querschnitt hat.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Anordnung einen Kanal-Kasten (106) für atomare Brennelemente enthält.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Anordnung ein Gestellrohr für atomare Brennelemente enthält.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der in der Anordnung eine Anzahl von atomaren Brennstäben (105) enthalten ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der bestimmte Ultraschallwandler (111) so angeordnet sind, um Ultraschallwellen relativ zu jeder Seitenwand der Anordnung in Richtung von etwa 45º auf die Anordnung abzustrahlen.

11. Verfahren zur Ultraschallreinigung einer Brennelementanordnung (105), die in einem Kanal-Kasten (106) enthalten ist, wobei das Verfahren umfaßt:

Zirkulieren von unter Druck stehender Reinigungsflüssigkeit in Richtung auf die Anordnung (105);

Lenken von Ultraschallwellen in Richtung auf die Anordnung (105);

dadurch gekennzeichnet, daß

die Ultraschallwellen von den Wandlern durch eine Ultraschallwellen reflektierende Einrichtung (127) in Richtung auf die Anordnung (105) reflektiert werden;

und außerdem gekennzeichnet durch Erhöhen des Drucks der Reinigungsflüssigkeit in dem Kanal-Kasten (106).