DE7012365U

DE7012365U - DEVICE FOR NON-DESTRUCTIONAL DETERMINATION OF BURN UP OF NUCLEAR REACTOR FUEL ELEMENTS.

Info

Publication number: DE7012365U
Application number: DE7012365U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-04-04
Filing date: 1970-04-04
Publication date: 1974-02-21

Description

Berlin und HünchenBerlin and Hünchen

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Einrichtung zur zerstörung Jr e ie η .Atbrandbest in^un^ von Kernreaktorbrenne lementenDevice for the destruction Jr e ie η .Atbrandbest in ^ un ^ von Nuclear reactor burners

Die vorliegende Neuerung betriiit eine Einrichtung ζν-τ zerstörungsfreien Abbrandbestimmung von Kernreaktorbrennelementen mit Hilfe eines hochauflösenden Gammastrahlungsspekxrometers.The present innovation concerns a device ζν-τ non-destructive determination of the burn-up of nuclear reactor fuel elements with the aid of a high-resolution gamma radiation spectrometer.

Die Peststellung des Abbrandes der in den Brennelementen von Kernreaktoren befindlichen Kernbrennstoffe ist für den wirtschaftlichen Betrieb von Kernkraftwerken von wesentlicher Bedautung. La in jedem Reaktorsystem die Leistu^tr, νrt eilung im Reaktorkern aus neutronenphysikalischen Gründe τ weder in horizontaler, noch in vertikaler Richtung homogen ist, sondern beträchtl:; ?.h.e Gradienten aufweisen kann, wird d- s spaltbare Material innerhalb der Brennelemente ungleichmäßig ausgenützt, der Abbrand desselben also unterschiedlich sein. Zur Verringerung dieser Nachteile - d.h. zu einer besseren Ausnutzung des Brennstoffes und damit Vergleichmäßigung des Abbrandes - ist es bekannt, einen Teil der weniger belasteten Brennelemente aus den äußeren Zonen des Reaktorkernes gegen hochbelastete Brennelemente aus der Zentralzone des Reaktorkernes auszutauschen. Dieser Austauschvorgang läßt sich jedoch nur dann mit optimaler Wirkung durchführen, wenn es möglich ist, die Abbrandverhältnisse in den gegeneinander auszutauschenden Brennelementen rasch und zerstörungsfrei festzustellen. Die zerstörungsfreie Abbrandbeatimmung ist selbstverständlich auch für jene Brennelemente, die ganz aus dem Reaktorkern entfernt werden, von großem Interesse.The plague of the burn-up of the nuclear fuel in the fuel elements of nuclear reactors is essential for the economic operation of nuclear power plants. La in every reactor system the power distribution in the reactor core, for reasons of neutron physics, is homogeneous neither in the horizontal nor in the vertical direction, but rather considerably; ? .he can have gradients, the fissile material is used unevenly within the fuel assemblies, so the burn-up of the same will be different. To reduce these disadvantages - ie to better utilize the fuel and thus to make the burnout more even - it is known to replace some of the less loaded fuel elements from the outer zones of the reactor core with highly loaded fuel elements from the central zone of the reactor core. However, this exchange process can only be carried out with optimal effect if it is possible to determine the burn-up conditions in the fuel assemblies to be exchanged for one another quickly and non-destructively. The non-destructive burn-up determination is of course also of great interest for those fuel elements that are completely removed from the reactor core.

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5. NOV.5th NOV.

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PÜr die zerstil'T'nngRfrfli ρ AbbrandbeHtinmmng sind schon verschiedene Möglichkeiten bekanntgeworden. So ist es grundsätzlich möglich, die während des Reaktorbetriebes vom Kühlmittel aus einem definierten Teil des Reaktorkernes transportierte Wärmemenge kalorimetrisch zu messen. Diese Messung ist jedoch ungenau und ergibt nur Mittelwerte. Über den örtlichen Verlauf des Abbrandes entlang der Brennelemente ergibt sie keinen Aufschluß.PÜr the destil'T'nngRfrfli ρ burnup are already different Opportunities made known. It is basically possible to remove the coolant from the reactor while the reactor is in operation calorimetrically measure the amount of heat transported from a defined part of the reactor core. This measurement is however imprecise and only gives mean values. It results from the local course of the burn-up along the fuel assemblies no information.

In Lnboruntersuchungen zur zerstörungsfreien AbbrandbeStimmung von Brennstoff proben bzw. einzelnen Brennstäben (siehe Nuclear Materials Management, p.p. 829-849, Wien 1966 und Atomkernenergie 14-63 (333-341) 1969) hat sich die Messung der ff -Aktivität von geeignet ausgewählten Spaltprcdukten mit einer hochauflbeenden lithiumgedrifteten Germanium-Halbleiterdiode, die heute in der Ar -Spektroskopie vielfach Verwendung findet, gut bewährt. Es ist sehr schwierig, diese Methode auf eine ausge-' dehnte Anordnung, wie sie ein Brennelement darstellt, das u.U. , aus mehreren Hundert Einzelstäben besteht, auszudehnen, Die inhomogene Abbrandverteilung innerhalb eines Brennelementes, verbunden mit der unübersichtlichen Absorption der /^ -Strahlung φ im Stabbündel und den verwickelten Geometrieverhältnissen, lassen kaum eine Korrelation zwischen der nach außen tretenden /V- -Strahlung und dem mittleren Abbrand des Brennelementes zu.In boron investigations for the non-destructive burn-up determination of fuel samples or individual fuel rods (see Nuclear Materials Management, pp 829-849, Vienna 1966 and Atomkernenergie 14-63 (333-341) 1969), the measurement of the ff activity of suitably selected fission products has been found a high-resolution lithium-drifted germanium semiconductor diode, which is widely used today in Ar spectroscopy, has proven its worth. It is very difficult, this method consists of several hundred individual rods to a excluded 'extended arrangement, as is a fuel assembly which may extend, The inhomogeneous burnup within a fuel bundle, connected to the blind absorption of the / ^ -radiation φ in the bundle of rods and the intricate geometry, there is hardly any correlation between the / V- radiation emerging and the mean burn-up of the fuel assembly.

Auf der Basis dieser bekannten Meßmethode mit einer hochauflösenden Ge(Li^Halbleiterdiode wurde von BÜKER (s. Nukleonik 346-351, 1967) eine automatisch arbeitende Anordnung zur Abbrandbestimmung von Brennstoffkugeln eines Kugelhaufenreaktors entwiekelt, die über einer bestimmten Abbrandgrenze liegendeOn the basis of this known measuring method with a high resolution Ge (Li ^ semiconductor diode was developed by BÜKER (see Nucleonics 346-351, 1967) an automatically working arrangement for the determination of the burnup of fuel balls in a pebble bed reactor developed, the one lying above a certain burn-up limit

Kugeln aus dem Brennstoffkreislauf aussondert. Es liegt in der Problemstellung begründet, daß dabei nur Aussagen über den mittleren Abbrand der gemessenen Kugel von Interesse sind.Separates balls from the fuel cycle. It is located in The reason for the problem is that only statements about the mean burn-off of the measured sphere are of interest.

In Anbetracht dieses Standes der ieohnik erhebt ach. das Bedürfnis nach einer Einrichtung für eine rasche und zerstörungsfreie Abbrandbeatimmung von einzelnen Brennelementen, insbesondere hinsichtlich der Abbrandverteilung in Längsrichtung derselben. Die gewonnenen Daten sollten eine direkte und optimale Beeinflussung des Brennelement-Umsetzplanes ermöglichen. Dieses Ziel wird neuerungsgemäß dadurch erreicht, daß die Einrichtung aus einer Führungskonstruktion für eine exakte Vorbeibewegung einea darin eingesetzten und über seine gesamte Länge zu untersuchenden Brennelementes mit einem seitlich derart angebauten Gammaspektrometer besteht, daß jeweils nur die Strahlung ^inea Eckbrennstabeβ des zu untersuchenden Brennelementes erfaßt wird.In view of this state of the ieohnik, alas. the need looking for a facility for rapid and non-destructive Burn-up determination of individual fuel assemblies, in particular with regard to the combustion distribution in the longitudinal direction of the same. The data obtained should enable the fuel assembly relocation plan to be influenced directly and optimally. This goal is achieved according to the invention in that the device consists of a guide structure for an exact movement past a fuel element inserted therein and to be examined over its entire length with a gamma spectrometer attached to the side consists that only the radiation ^ inea Eckbrennstabeβ of the fuel assembly to be examined is detected.

Mit dieser Einrichtung ist es möglich, die Strahlung einzelner Brennstäbe abzutasten. Dies gilt insbesondere für Brennelemente mit rechteckigem Querschnitt, wie sie für wassergekühlte Kernreaktoren üblich sind. Bei diesen ist es besonders einfach, die Eckbrennstäbe der Brennelemente abzutasten und die Strahlung benachbarter Brennstäbe auszuschalten. Pur diese gezielte Erfassung der Eckbrennstäbe ist es zweckmäßig, zwischen den Gammaspektrometern und der Pührungskonstruktion entsprechend gerichtete Gammastrahlungskollimatoren einzusetzen. Es ist weiterhin vorteilhaft , durch den Anbau mehrerer Gammastrahlungsspektrometer gleichzeitig die Strahlung mehrerer Eckbrennstäbe getrennt zu erfassen und aus der so gewonnenen Kenntnis der Abbrandverteilung in einzelnen Brennstäben zuverlässig auf die entsprechenden Verhältnisse im ganzen Brennelement zu schließen.With this device it is possible to scan the radiation from individual fuel rods. This is especially true for fuel assemblies with a rectangular cross-section, such as those for water-cooled nuclear reactors are common. With these it is particularly easy to scan the corner fuel rods of the fuel assemblies and the radiation switch off neighboring fuel rods. Purely this targeted recording of the corner fuel rods, it is useful between the gamma spectrometers and to use directional gamma radiation collimators according to the guiding construction. It is still beneficial , by adding several gamma radiation spectrometers at the same time to record the radiation of several corner fuel rods separately and from the knowledge gained in this way of the burn-up distribution in individual cases Fuel rods to reliably infer the corresponding relationships in the entire fuel assembly.

Wegen der Eigenstrahlung der zu untersuchenden Brennelemente ist es notwendig, diese neuerungsgemäße Einrichtung innerhalb abgeschirmter Räume aufzubauen, bzw. sie duoh an sich bekannteBecause of the natural radiation of the fuel assemblies to be investigated, it is necessary to keep this device according to the innovation within to set up shielded rooms, or rather known them as a duo

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Mittel nach außen abzuschirmen. Eine besonders einfache Abschirmung smethode besteht darin, diese Einrichtung in Verbindung mit der Wasserfüllung eines Brennelementabklingbeckens zu verwenden, wobei das Wasser gleichzeitig der Abführung der Nachzerfallswärme aus den einzelnen Breimstauen dienen kann.Shield funds from the outside. A particularly simple shield The method is to connect this facility to use with the water filling of a fuel element decay basin, with the water being discharged at the same time Decay heat from the individual pulp dams can serve.

Zur näheren Erläuterung dieser Neuerung zur AbbrandbeStimmung von Kernreaktürbrennelementen wird auf ein in den Pig. 1-5 dargeatelltee Ausführungsbeispiel verwiesen, bei dem diese Einrichtung in Verbindung mit dem Abklingbecken einer Kernreaktoranlage eingesetzt ist. Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die neuerungsgemäße Einrichtung innerhalb des Abklingbeokens, die Pig. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die eigentliche Meßeinrichtung, bestehend aus Gammastrahlungsapektrometer und Kollimator und die Pig. 3 einen Querschnitt durch diese Anordnung in Höhe des Kollimators, entsprechend der Linie III-III in Pig. 1, wobei die gleichzeitige Abtastung von vier diagonal gegenüberliegenden Eckbrennstäben eines quadratischen Brennelementes dargestellt ist.For a more detailed explanation of this innovation for determining the burnup of nuclear reactor fuel elements is being put on one in the pig. 1-5 illustrated embodiment, in which this Facility is used in conjunction with the decay basin of a nuclear reactor plant. Fig. 1 shows a longitudinal section thanks to the new facility within the Abklingbeokens, the Pig. 2 shows an enlarged section by the actual measuring device, consisting of a gamma radiation spectrometer and collimator and the pig. 3 shows a cross section through this arrangement at the level of the collimator, correspondingly the line III-III in Pig. 1, the simultaneous Scanning of four diagonally opposite corner fuel rods of a square fuel assembly is shown.

Das in Pig. 1 im Längsschnitt dargestellte Brennelementabklingbeoken 1 ist mit Wasser gefüllt und befindet sich in nächster Nähe des eigentlichen Kernreaktors. Die aus dem Kernreaktor entnommenen Brennelemente können mit der Lademaschine über dieses Becken gefahren und in einem Brennelementgestell am Grunde desselben abgesetzt werden. Erst nach dem AbklingenThat in Pig. 1 fuel element decay beken shown in longitudinal section 1 is filled with water and is in close proximity to the actual nuclear reactor. The ones from the nuclear reactor removed fuel assemblies can be driven with the loading machine over this basin and in a fuel assembly rack on Reason of the same are withdrawn. Only after it has subsided

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der kurzlebigen Nuklide worden die verbrauchten Brennelemente aus diesem Gestell entnommen und können weiter transportiert werden. Jene Brennelemente jedoch, die für den weiteren Einsatz im Reaktorkern vorgesehen sind, werden zunächst in der erfindungsgemäSon Einrichtung auf ihren Abhrand^u.gtan^ v^r.prsucht und dementsprechend wieder in andere Brennelementpositionen im Reaktorkern eingesetzt.After the short-lived nuclides, the spent fuel elements are removed from this rack and can be transported further. Those fuel assemblies, however, which are intended for further use in the reactor core, are first searched for their waste edge in the Son device according to the invention and accordingly inserted again in other fuel assembly positions in the reactor core.

Diese Einrichtung besteht zunächst aus ein r Pührurekonstruktion 31 am Grunde des Abklingbeckens 1 von praktisch gleicher Höhe wie das Brennelementgestell, das aus Übersichtlichkeitsgründen hier nicht dargestellt ist. Die Lademaschine oder ein anderes für die /orbeibewegung der zu untersuchenden Brennelemente an der ei entliehen Meßeinrichtung geeignetes Gerät ist mit 7 bezeichne t. In der Höhe des oberer: Endes der Pührungskonstruktion 31 ist die benachbarte Beckenwand 11 durchbohrt und an dieser Stelle mit einem Kollimator 2 versehen. Die Achse dieses Kollimators ist genau auf das in aer Pührun^skonstruktion 31 befindliche Brennelement, spezieller auf den aus diesem ausgewählten Brennstab gerichtet. Zur Einstellung der Soilage des auszumessenden Brennstabes kann die Puhrungsk^n^truktion in den dazu notwendigen Grenzen justiert werden. Damit die im Gammaspektrometer 4 auszumessende Strahlung nicht durch die Wasserschicht im Abklingbecken infolge Absorption geschwächt wird, wird die Strahlung innerhalb des Beckenrandes in einem geschlossenen wasserfreien Rohr 21 geführt. Dieses ist zweckmäßigerweise mit der Führungskonstruktion 31 sowie über die Auskleidung 12 des Abklingbeckens mit dem Kollimator 2 starr verbunden. Wie in Pig. 2 näher dargestellt ist, ist der Strahlenkanal in seinem Querschnitt durch Blenden 22, 23,This facility initially consists of a r Pührure construction 31 at the bottom of the abatement basin 1 of practically the same Height like the fuel assembly rack, which is not shown here for reasons of clarity. The loading machine or a other things for the movement of the fuel assemblies to be examined Suitable device on the borrowed measuring device is denoted by 7 t. At the level of the upper: end of the guide structure 31 the adjacent pool wall 11 is pierced and provided with a collimator 2 at this point. The axis this collimator is exactly that in the Pührun ^ skonstruktion 31 located fuel assembly, more specifically directed to the fuel rod selected from this. For setting the soil layer of the fuel rod to be measured can be the Puhrungsk ^ n ^ truktion be adjusted within the limits necessary for this. So that the radiation to be measured in the gamma spectrometer 4 is not caused by the The water layer in the cooling pool is weakened as a result of absorption, the radiation within the pool edge in a closed anhydrous tube 21 out. This is expedient with the guide structure 31 as well as via the lining 12 of the fading basin rigidly connected to the collimator 2. As in Pig. 2 is shown in more detail, the radiation channel is in its cross section through diaphragms 22, 23,

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24 und .?5 aus Blei nach Breite und Höhe einstellbar. Der Einet el Ir.i_:chanisnu3 21 und 28 ist durch die rückwärtige Abschirmung b m-c'r. au3on geführt. In dem hier dargestellten Beispiel sind die Blenden 22 und 25 fest eingestellt und haben beispielsweise c.nc Kanalöffnung von 25 χ 45 mm. Die dazwischenliegenden Blender, 23 und 24 sind dagegen durch die genannten Einrichtungen verstellbar, z.B. zwischen 0 und 40 bzw. 0 und 20 mm. Zwischen den Blenden 23 und 24 i3t eine starre Blende 26 aus Plexiglas für die Abschirmung einer eventuell vorhandenen /3-Strahlung vorgesehen. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist dieser rohrförmige Kollimafor starr in der Bohrung der Baäcenwandung 11 befestigt, in dieser z.B. einbetoniert. Auf der dem Beckenraum abgewandten Seite befindet sich die Ge(Li)-Diode 4 mit ihren Versorgungseinrichtungen, wie z.B. dem Vorratsbehälter für flüssigen Stickstoff 41, sowie die nicht dargestellten Ioncngetterpumpen mit Spannungsversorgung, der ladungsempfindliche Vorverstärker und die anderen elektrischen Einrichtungen, die in ihrer Gesamtheit erst die eigentliche Spektrometeranordnung bilden. Der Aufbau einer solchen ist jedoch Stand der Technik und wird daher hier nicht näher beschrieben. Durch diehier dargestellte und gewählte Einstellmöglichkeit des Kollimators 2 kann ein stets reproduzierbares Volumen aus dem aufzumessenden Brennstab strahlungsmäßig erfaßt werden, außerdem wird durch die Abschirmungen dafür gesorgt, daß auf der Bedienungsseite des Kollimators keine unzulässig hohen Strahlungsbelastungen auftreten können. Wie bereits erwähnt, ist es möglich, bei Brennelementen mit rechteckigem Querschnitt gleichzeitig zwei Eckbrennstäbe 30 bzw. bei Anordnung der Führungskonatruktion 31 in einer Ecke des Brenneleraentabklingbeckens sogar gleichzeitig alle vier Eckbrennstäbe 30 auszumessen,24 and.? 5 made of lead adjustable in width and height. The Einet el Ir.i_: chanisnu3 21 and 28 is b m-c'r through the rear shielding. au3on led. In the example shown here, the diaphragms 22 and 25 are fixed and have, for example, c.nc duct openings of 25 45 mm. The intervening blenders, 23 and 24, on the other hand, can be adjusted by the devices mentioned, for example between 0 and 40 or 0 and 20 mm. A rigid plexiglass screen 26 is provided between the screens 23 and 24 to shield any / 3 radiation that may be present. As shown in the drawing, this tubular Kollimafor is rigidly attached in the bore of the Baäcenwandung 11, in this, for example, concreted. On the side facing away from the pelvic area there is the Ge (Li) diode 4 with its supply devices, such as the storage container for liquid nitrogen 41, as well as the ion getter pumps (not shown) with power supply, the charge-sensitive preamplifier and the other electrical devices, which in their entirety first form the actual spectrometer arrangement. However, the structure of such a device is state of the art and is therefore not described in more detail here. By means of the adjustment option of the collimator 2 shown here and selected, a reproducible volume from the fuel rod to be measured can be recorded in terms of radiation, and the shields ensure that no inadmissibly high radiation loads can occur on the operating side of the collimator. As already mentioned, in the case of fuel assemblies with a rectangular cross-section, it is possible to measure two corner fuel rods 30 at the same time or, if the guide construction 31 is arranged in a corner of the fuel decay basin, even all four corner fuel rods 30 at the same time,

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siehe Pig. 3. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kollimatoren 2 nicht parallel zueinander, wie in Fig. 3 dargestellt, sondern auch schräg auf die anzumessenden JBrennstäbe 30 3U richten, wenn dies aus räumlichen Gründen notwendig sein sollte. In dieser Figur ist außerdem deutlich der Querschnitt der Führungskonstruktion 31 zu sehen, an die die vier Rohre anges*hweißt sind. Die innere Auskleidung des Abklingbeckens ist mit 12 bezeichnet und wird von diesen Rohren 21 nicht berührt .see Pig. 3. Of course, it is also possible for the collimators 2 not to be parallel to one another, as shown in FIG. but also at an angle on the fuel rods to be measured 30 3U if this is necessary for spatial reasons should. This figure also clearly shows the cross section of the guide structure 31 to which the four tubes are welded. The inner lining of the evanescent basin is denoted by 12 and is not affected by these tubes 21.

Zur näheren Veranschaulichung der Größenabmessungen der hier beschriebenen Anlagen sei erwähnt, daß das Abklingbaiken beispielsweise eine Tiefe von 11 m besitzt, bei eins r Dicke der Außenwände 11 von 1,8 m. Der Kollimator 2, dessen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 20 cm liegt, hat dann eine entsprechende Länge von 1,8m.For a more detailed illustration of the dimensions of the systems described here, it should be mentioned that the Abklingbaiken, for example has a depth of 11 m, with a thickness of 1.8 m of the outer walls 11. The collimator 2, its diameter is on the order of about 20 cm, then has a corresponding length of 1.8 m.

Abschließend sei erwähnt, daß bei gleichzeitigem Einsatz zweier oder mehrerer Spektrometeranordnungen, die nicht auf die Verwendung von Ge(Li)-Dioden beschränkt sein müssen, nicht nur eine gleichzeitige Ausmessung verschieden im Brennelement angeordneter Brennstäbe möglich ist, vielmehr ist auch durch Gegeneinander st el lung der Ausgänge dieser Spektrometer eine Differenzmessung möglich, um sofort eine Aussage über Abbrandunterschiede senkrecht zur Längsachse des Brennelementes zu erhalten. Auch sei nochmals darauf hingewiesen, daß der Einsatz dieser Einrichtung - wie bereits erwähnt - auch außerhalb des Brennelernentabklingbeckens vorgenommen werden kann.Finally it should be mentioned that if two or more spectrometer arrangements are used at the same time, this does not apply to the use must be limited by Ge (Li) diodes, not just a simultaneous measurement differently arranged in the fuel assembly Fuel rods is possible, rather is also by opposing one another A differential measurement can be made at the outputs of this spectrometer, in order to immediately provide information about the differences in burnup perpendicular to the longitudinal axis of the fuel assembly. It should also be pointed out again that the use of this device - as already mentioned - also outside of the Brennelernentabklingbecken can be made.

3 Schutzaneprüche
3 Figuren3 protection requirements
3 figures

Claims

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Recast · . y> :, .contacts

. Device for the non-destructive burn-up determination of nuclear reactor fuel elements with the help of a high-resolution gamma spectrometer, characterized in that it consists of a guide structure for an exact movement of a fuel element inserted therein and to be examined over its entire length with a gamma spectrometer attached to the side in such a way that only the radiation of one corner fuel rod is present of the fuel assembly to be examined is detected.

2. Device: iach claim 1, characterized in that several laterally attached gamma spectrometers are provided for the detection of several corner fuel rods at the same time.

5. Device according to claim 1 and 2, characterized in that between the guide structure and gamma spectrometer a correspondingly directed gamma radiation collimator is provided in each case.