NO147162B - Anordning for lokal effektmaaling i et brenselelement av en kjernereaktors brenselladning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning for å måle den lokalt ut-

viklede effekt i et brenselselement i kjernen av en kjernereaktor. Behandlet på riktig måte tjener sådan effektbe-

stemmelse målt i flere aksielle posisjoner langs et brenselselement, til å sikre pålitelig og effektiv beskyttelse av brenselselementene, og således også av reaktorkjernen og hele kjernekraftstasjonen.

Mange slags innretninger for måling av lokal effekt er alle-

rede kjent. Generelt er de basert på prinsippet om å bestemme nøytron-fluks-nivået i umiddelbar nærhet av brenselet, idet kjente sammenheng brukes f or a relatere fluksverdien til effekten Spesielt nevneverdige innretninger av denne type er fisjons-kammere, nøytron-detektorer, nøytrontermometre og kollektroner (collectrons). Det kjennes imidlertid ikke et eneste tilfelle

hvor disse instrumentene tjener sin funksjon fullt ut til-fredsstillende. Grunnen til dette er at de signaler som frembringes av instrumentene vanligvis ikke er proposjonale

med den lokale effekt avgitt av brenselet, fordi de forandrer

seg med fluksnivået- Bestemmelse av effekten krever følgelig

visse tilnærmelser for å ta hensyn til både reduksjonen av f isjonstverrsnittet i brent brensel og reduksjonen av føl-somheten av signalgiveren selv mens instrumentet brukes.

Det er også blitt foreslått å utføre lokal måling av effekt

ved hjelp av instrumenter betegnet som "gammastråle-termometre",

hvor en økning av temperaturen under måling fremkommer ved at instrumentet utsettes for elektromagnetisk stråling stort sett i form av gammastråler, i en andel som kan gå opp på 95%.

Av sistnevnte kommer ca 70% fra fisjoner som har funnet sted i løpet av et tidsintervall av størrelsesorden fem minutter før målingen. I gammastråle-termometre kan faktisk størrelsen av temperaturøkningen i et strålings-absorberende legeme måles langs en kontrollert og uforanderlig varmeledningsbane an-

lagt for å overføre den varme som frembringes. Varmelednings-lovene angir at temperatur-differansen målt over et avsnitt av en gitt bane med konstant varmeledningsevne er proposjonal

med varmeutviklingen i legemet og følgelig med den effekt som frembringes ved fisjoner i det nukleære brensel i in-strumentets umiddelbare nærhet.

I praksis har man imidlertid hittil anvendt gammastråle-termometre nesten utelukkende i tungtvannsreaktorer. Deres funksjon i disse reaktorer er å avgi signaler som er proposjonale med den lokale varmeutvikling uten at det er nødvendig med korrek-sjon for utarming av uranet under reaktorenes drift eller for reduksjon av følsomhet i måleinstrumentet. Disse instrumenter har videre meget høy stabilitet da absorpsjonen av gamma-stråler bare avhenger av tettheten av det absorberende legeme, og ikke påvirkes av variasjoner som skriver seg fra endringer i den atomære eller isotopiske struktur, slik det er tilfelle ved andre detektortyper. I foreliggende tilfelle er nøytron-fluksens påvirkning av materiale imidlertid helt ubetydelig i forhold til de egenskaper som bestemmer absorpsjon av gamma-stråler og den resulterende temperaturøkning.

Imidlertid er gammastråle-termometre av de typer som er frem-stilt hittil, særlig for tungtvanns-reaktorer, utført bare for punkt-målinger av effekt uttrykt i mW/g. I alminnelighet benytter disse instrumentene en absorberende metallisk masse montert inne i et beskyttende rør som er plassert mellom brenselselementene i reaktorkjernen. En første del av den metalliske masse er i kontakt med beskyttelses-røret og de ytre omgivelser og har praktisk talt omgivelse-temperatur.

En annen del står i forbindelse med den første, men er plassert inne i et isolert kammer. Mellomrommet mellom denne del og beskyttelsesrøret er fyllt med en gass eller med luft eller er eventuelt evakuert (vakuum). Anordningen utgjør således et varmesluk, hvor temperaturforskjellen mellom de to deler av den absorberende masse kan måles ved hjelp av termoelementer. Etter innledende kalibrering kan den absorberte varme bestemmes og den' effekt som avgis fra det omgivende kjernebrensel utledes ut i fra kjennskap til den absorberende masses geometriske egenskaper.

På denne bakgrunn er det et formål for foreliggende opp-finnelse er å komme fram til en praktisk utførelse av gammastråle-absorberende måleanordning for bruk ved gamma-flukser av betydelig høyere verdi enn de som påtreffes i tungtvanns-reaktorer. En slik anordning kan da for eksempel anvendes i lettvanns-reaktorer eller til og med i hurtige reaktorer (avlsreaktorer), og vil tillate måling av den lineære effekt som avgis pr. lengdeenhet av et brenselselement vanligvis angitt i W/cm.

Et annet formål for oppfinnelsen er å oppnå en tilstrekkelig grad av miniatyrisering av en gammatermometer-anordning ved å benytte den betydelig større temperaturøkning i en lettvanns-reaktor. Anordningen vil da kunne monteres inne i et rør med meget liten, diameter og med betydelig lengde. Dette rør kan legges inn i knippet av brenselsstaver i et brenselselement som brukes på vanlig måte i en reaktor av nevnte type,(hvor brenselsstavene vanligvis har en diameter på mellom 8 og 10 mm og en lengde på 4 mm).

Et annet formål for oppfinnelsen er å oppnå en nøyaktig og pålitelig måling som ikke er usatt for drift med tiden og der-for er spesielt pålitelig. Målinger ønskes utført i en rekke separate soner langs hele lengden av brenselselementet.

Enda et formål med oppfinnelsen er å oppnå en måleanordning

av foreliggende art, hvor nøyaktig kalibrering er mulig før anordningen monteres i reaktorkjernen. Slik ..kalibrering vil da kunne Utføresved hjelp av regulert varmeutvikling som simulerer virkningen av det omgivende reaktorbrensel på måleanordningen. Oppfinnelsen gjelder således en anordning for lokal effek-måling i et brenselselement av en kjernereaktors brenselladning,. idet anordningen omfatter en langstrakt sylinderformet stav av varmeledende og elektrisk ledende material samt utformet med en indre passasje hvori det er anordnet et antall termoelementer i hver sin separate målesone langs stavens lengdeutstrekning og hvor lokal effektmåling skal utføres.

På denne bakgrunn av kjent teknikk har så anordningen i henhold til oppfinnelsen som særtrekket den sylinderformede stav innenfor hver målesone er utført med et innsnevret avsnitt med vesentlig nedsatt tverrsnitt, og sonens termoelement er anordnet med sin varme ende omtrent midt på det innsnevrede avsnitt og med som kolde ende på et tilstøtende, ikke innsnevret parti av staven, mens et skjermrør omslutter staven og avgrenser et ringformet isolerende kammer omkring hvert innsnevrede avsnitt.

På denne måte elimineres hovedsakelig de sekundære eller alternative baner for varmestrømmen som ville redusere målingens nøyaktighet.

Anordningen i henhold til oppfinnelsen innebærer en forbedring av dé tidligere kjente konstruktive løsninger og gjør det mulig å utføre målinger ved betydelig temperatur-differanser.

Ved måleanordningen i henhold til oppfinnelsen ledes varme-strømmen som frembringes ved absorpsjon av gamma-stråler i den sylindriske stav ikke i radial retning som det tidligere har vært vanlig, men istedet i aksial retning i hver målesone og langs avsnittene med redusert diameter, som er omgitt av et ringformet varmeisolerende kammer.

Valg av hensiktsmessig materiale i staven slik at den ikke

bare leder varme men også elektrisk strøm, tillater også enkel kalibrering av anordningenT Dette oppnås ved å forbinde stavens ytterender med en kilde for elektrisk strøm. Strømmen utvikler i staven en varmemengde som vil være kjent fordi stavens elektriske motstand er kjent. Ved hensiktsmessig til-pasning av de deler av staven som har redusert tverrsnitt eller med andre ord, lengdene av de ringformede kammere som dannes mellom staven og det ytre skjermrør, er det følgelig mulig å bestemme de temperaturdifferanser som oppstår ved gitt varme-produksjon i staven. Som følge av slik kalibrering kan den lokale effektutvikling under reaktorens drift øyeblikkelig

utledes av de målte temperaturdifferansene.

Den sylindriske staven lages fortrinnsvis av rustfritt stål

og helst av typen 304L. Alternativt kan staven være av aluminium, wolfram eller av hvilket som helst annet metall eller legering som kan tilpasses de foreliggende driftsbe-tingelser. Et annet alternativ er å lage staven av ledende keramisk materiale. Tilsvarende kan det ytre beskyttelsesrøret eller skjermrør lages av zircaloy, stål, eller av hvilket som helst annet passende metall eller legering.

En foretrukket utførelse av oppfinnelsens anordning er utført slik at skjermrøret er stivt forbundet med den sylinderformede stav, mens de ringformede kammere mellom skjermrøret og stavens innsnevrede avsnitt er fylt med isolerende gass eller evakuert.

Måleanordningens termoelementer i stavens indre passasje er . fortrinnsvis differensialelementer som utgjøres av to skjermede tråder anordnet i hårnålssløyfe og utført i et første ledende material, samt innbyrdes forbundet over et mellomliggende trådstykke av et annet ledende material, således at de to overganger mellom tråder av henholdsvis første og annet ledende material utgjør termoelementets varme og kolde ende.

Termo-element-trådene og det mellomliggende trådstykke består fortrinnsvis av henholdsvis chromel og alumel og er plassert i et beskyttende hylster av inconel. Mellomrommet mellom hylstret og trådene er fyllt med et elektrisk isolerende material bestående av aluminiumoksyd, magnesiumoksyd eller av hvilket som helst annethensiksmessig isolerende materiale fortrinnsvis av uorganisk natur.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av ut-' førelseseksempler under henvisning til de vedføyde tegninger hvorpå:

Figur 1 viser en skjematisk skisse, delvis i perspektiv, av et brenselselement for en kjernereaktor og utstyrt med en måleanordning i henhold til oppfinnelsen. Figur 2 viser i et snitt i større målestokk, gjennom en målesone i anordningen. Figur 3 viser i ytterligere større målestokk en del av et snitt langs linjen 3 - 3 i fig. 2. Figur 4 viser en del av et snitt langs linjen 4 - 4 i fig. 3. Figur 5 viser en del av et snitt tilsvarende det som er vist i fig. 2, men for en alternativ utførelse.

I perspektivskissen i fig. 1 betegner henvisningtallet 11 et

skjematisk vist brenselselement for en kjernereaktor, spesielt av lettvanns-typen. Brenselselementet omfatter på kjente måte en samling av innkapslede brenselsstaver 12 i samme innbyrdes avstand. Plasseringsmønstret av nevnte staver opprettholdes ved hjelp av spesielle avstandsholdere 13 som er montert med jevne aksiale mellomrom langs elementet.

I henhold til oppfinnelsen er knippet av brenselsstaver 12

på et passende sted i stavmønstret utstyrt med et monteringsrør 14 for innføring av måleanordningen 15, som anbringes i stilling inne i monteringsrøret, vanligvis fra den nedre ende av røret. Anordningen 15 gjør det da mulig å utføre lokal måling av den effekt som utvikles av de omkringliggende brenselsstaver på forskjellige høydenivåer i brenselelementet. Disse nivåene er i figur 1 angitt ved hjelp av forskjellige piler, som f.eks. 16.

Som vist i større skala i fig. 2, utgjør måleanordningen 15

' ile-termometer av ovenfor angitt art, og omfatter en sylindrisk stav 17 med forholdsvis liten diameter, men av betydelig lengde, samt laget av et material med god varme-

ledningsevne og god elektrisk ledningsevne, samt helst utført i et passende metall, slik som f.eks. rustfritt stål, eller i en legering eller eventuelt et passende ledende keramisk material. Et skjermrør 17a er anordning for beskyttelse av den sylindriske stav 17 og omslutter staven.

Ovenfor nevnte sylinderformede stav 17 erav sådan lengde at den strekker seg over hele det indre av det ytre monteringsrør 14

i brenselselementet 11. Stavene er utført med avsnitt 19 med vesentlig nedsatt tverrsnitt. Så snart den sylinderformede stav er anbragt i stilling i røret 14, befinner nevnte avsnitt 19 med redusert tverrsnitt seg i høydenivå med de tidligere nevnte målesoner hvor man ønsker å måle lokal effekt, og som er angitt ved pilene 16 i fig. 1. Disse avsnitt er omgitt, av ringformede kammere 20 som dannes mellom avsnittene 19 og innerveggen av røret 17a, slik som vist på tegningene. Den sylindriske stav 17 innføres i skjermrøret 17a med en klaring 21, og er følgelig mulig å forskyve i røret ved en glidende bevegelse under innføring eller uttrekning. Røret 17a kan og-

så være festet ti 1 de ikke innsnevrede partier 18 av staven 17

på fluid-tett måte, således at kammeret 20 enten kan fylles med gass eller evakueres for å øke de varmeisolerende egen-

skaper av disse kammere.

Den sylindrisk stav 17 har også en indre aksial passasje 22

som strekker seg over hele stavens lengde. Flere termoele-

menter er plassert i denne passasje, slik som f.eks. det viste termoelementet 23. Konstruksjonsdetaljene i denne forbindelse vil bli nærmere beskrevet . Disse termoelementer hører til hver sin målesone, som i fig. 1 er betegnet med pilene 16, langs røret 14. En varm ende 24 av vedkommende termoele-

ment vil da befinne seg ved midten av det avsnitt 19 av måle-sonen som har redusert diameter, mens en kold ende 25 av termoelementet er anordnet på det tilstøtende ikke innsnevrede parti 18 av vedkommende målesone.

Under reaktorens drift absorberes den gammastråling som utvikles i kjernebrenselet i stavene 12 omkring målestaven 17, av materialet i staven 17 og frembringer derved en temperatur-økning. Varmen som oppstår forplanter seg normalt konduktivt i radial retning gjennom alle deler av staven 17 unntatt i avsnittene 19 med redusert diameter. Her strømmer varmen hovedsakelig aksialt som følge av de anordnede ringformede isolerende isolasjonskammere 20. Under disse betingelser er det mulig å måle en temperaturdifferanse,At mellom de varme termoelementende 24 og den kolde ende 25 i hvert termoelement 23. Når dimensjonene av avsnittet 19 og varmeledningsevnen av materialet som den sylindriske staven 17, består av, er kjent, kan den varmemengden, g som utvikles i staven 17 utledes fra nevnte temperaturdifferanse ved følgende formel (1):

hvor L representerer den halve lengde av det innsnevrede avsnitt 19 og K representerer varmeledningsevnen av materialet i den sylindriske stav 17.

Fig. 3 viser i større skala tverrsnittet av staven 17 av område omkring den sentrale passasje 22 hvor termoelementene er fordelt. I det utførelseseksempel som er vist i denne figur er seks

termoelementer plassert langs den indre sylindriske vegg av den sentralt utborede passasje 22. Antall termoelementer kan etter ønske også være større eller mindre enn seks. Hvert termo-element har to ledere 26 og 27 av f.eks. chromel og som er omgitt av et ytre beskyttelsehylster 28 av inconel. Rommet mellom kappen og lederne 26 og 27 er fyllt av uorganisk iso-lasjonsmateriale 29, som vanligvis utgjøres av aluminium- eller magnesiumoksyd, men kan være av hvilket som helst egnet elektrisk isolerende materiale. Så snart de seks termoelementene er montert i den sentrale passasje 22, sentreres de i passasjen ved hjelp av en midtstav 30 som både sørger for korrekt plassering og feste av termoelementene, samtidig som det oppnås forbedret radial varmeoverføring.

Som vist mer detajert i fig. 4 er lederne 26 og 27 av chromel

i hvert termoelement 2 3 innbyrdes forbundet ved hjelp av en mellom-leder 31 av et annet material, vanligvis Alumel. De sveisede sammenføyninger av disse lederne utgjør henholdsvis den varme ende 24 og den kolde ende 25 av termoelementet 23. Som det spesielt fremgår av fig. 4, er den varme elementende 24 plassert rett innenfor og midt på det ringformede kammer 20, mens den kolde ende 25 er plassert bortenfor kammeret i det parti av den sylindriske stav 17 som har uredusert diameter og hvor temperaturen er praktisk talt jevnt fordelt. Det bør bemerkes at hylstret 28 omkring hvert termoelement er forlenget over hele lengdeutstrekningen av den sentrale passasje 22, og særlig forbi den varme termoelementende 24, ved hjelp av en del 32 som også er laget av inconel og fyllt med et passende fyllmateriale. For å oppnå effektiv kalibrering og arbeidsfunksjon bør den kolde ende ligge nærmere det avsnitt med redusert diameter som inneholder den tilsvarende varme sammenføyning enn det påfølgende avsnitt med redusert diameter.

I det utførelseseksempel som er beskrevet ovenfor består måleanordningen ifølge oppfinnelsen hovedsakelig av en sylindrisk stav 17 utført med avsnitt 19 med redusert tverrsnitt på de steder hvor man ønsker å foreta måling i brenselselementet. Anordningen i sin helhet med skjermrøret 17a er montert bevegelig i røret 14 som befinner seg inne i knippet av brenselsstaver 12.

I en annen, alternativ utførelse som er vist i fig. 5, er den sylindriske stav 17' utført som tidligere med avsnitt 19'

med mindre tverrsnitt som danner ringformede kammeret 20' omgitt av et skjermrør 33. Dette rør er montert omkring den sylindriske stav under fremstillingen av anordningen og før den settes inn i røret 14 i brenselselementet. I denne alternative utførelse er røret 33 stivt festet til den sylindriske stav 17' ved hjelp av koniske skråflater 34 ved ytterendene av kammerne 20'. Nevnte skrå endeflater samvirker med en eller flere fordypninger 35 som er utformet i den ytre over-

flate av røret 33 og kan strekke seg ringformet rundt røret. Hensiktsmessig plassering av nevnte fordypninger 35 kan vel-ges slik at den ønskede lengde oppnås av varmeledningsbanen mellom de koldé og varme ender av termoelementene og volumet av kammerne 20 ' tilpasses.

Hvilken utførelse som enn benyttes oppnås en betydelig reduksjon av dimensjonene av et gammastråle-termometer. Den nor-male ytre diameter av målestaven som benyttes, er således slik av at den tillater feste av staven i skjermrøret 17a eller 33, som i sin tur er bevegelig montert i monteringsrøret 14.

Dette rør 14 er videre plassert i brenselselementet 11 blandt

brenselsstavene 12 og har en ytre diameter som ikke overstiger brenselsstavenes ytre diameter. Fordelingen av termoelementene langs målestaven gjør det videre mulig å bestemme den termiske effekt fra sted til sted langs brenselselementet og følgelig å utlede ved direkte måling verdien av den lokale effekt frem-bragt i tilsvarende nivå i de brenselsstaver som befinner seg i nærheten av den sylinderformede målestav.

For å oppnå bestemmelse av lokal effektutvikling må imidlertid innretningen som nevnt kalibreres, f.eks. før montering i røret 14. Ved foreliggende oppfinnelsegjenstand kan dette lett oppnås, da den sylindriske stav 17 eller 17' er elektrisk ledende og følgelig kan utnyttes for føring av elektrisk strøm fra en strømkilde (ikke vist på tegningene). Da den elektriske motstand og formen av staven er kjent, kan en passende varmemengde frembringes elektrisk og de temperaturdifferanser som derved oppstår måles ved hjelp av termoelementene. På grunnlag av denne kalibrering er det så mulig under reaktorens drift å utlede fra de observerte temperaturdifferenser de varmemengder som fremkommer ved absorpsjon av gammastråler, og følgelig den effekt som utvikles i det omkringliggende brensel. Dersom det er nødvendig, kan en tilsvarende kalibrering ut-føres etter montering av måleanordningen i monteringsrøret.

De ringformede kammere som omgir av-snittene med forminsket diameter og har den varme ende i termoelementene plassert i sitt midtpunkt, kan enten fylles med en passende gass eller evakueres under sammenstillingen av måleanordningen. Eva-kuering oker varmeisolasjonen som oppnås ved kammerne så vel som den aksiale strøm av varme langs nevnte avsnitt med forminsket tverrsnitt. På den annen side kan det være ønskelig å øke varmetapet ved å anvende en gass. Nitrogen vil f.eks. gi høyere varmetap gjennom kammeret enn krypton.. En gass som f.eks. helium eller hydrogen vil også ha en annen termisk ledningsevne enn krypton.

Claims (10)

1. Anordning for lokal effektmåling i et brenselselement av en kjernereaktors brenselladning, idet anordningen omfatter en langstrakt sylinderformet stav (17) av varmeledende og elektrisk ledende material samt utformet med en indre passasje (22) hvori det er anordnet et antall termoelementer (23) i hver sin separate målesone langs stavens lengdeutstrekning og hvor lokal effektmåling skal utføres, karakterisert ved at den sylinderformede stav (17) innenfor hver målesone er utført med et innsnevret avsnitt (19) med vesentlig nedsatt tverrsnitt, og sonens termo-element er anordnet med sin varme ende (24) omtrent midt på det innsnevrede avsnitt (19) og med sin kolde ende (25) på et tilstøtende, ikke innsnevret parti (18) av staven, mens et skjermrør (I7a) omslutter staven og avgrenser et ringformet isolerende kammer (20) omkring hvert innsnevrede avsnitt (19).

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den sylinderformede stav (17) er utført i metall eller metall-legering, fortrinnsvis rustfritt stål, aluminium eller wolfram.

3. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den sylinderf ormde stav (17) er utført av ledende keramisk material.

4. Anordning som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at skjermrøret (17a) er utført i zircaloy eller stål.

5. Anordning som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at skjermrøret (17a) er stivt forbundet med den sylinderformede stav (17), mens de ringformede kammere (20) mellom skjermrøret og stavens innsnevrede avnsnitt (19) er fylt med isolerende gass eller evakuert.

6. Anordning som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at termoelementene (23) i stavens indre passasje (22) er differensialelementer som utgjøres av to skjermede tråder (26, 27) anordnet i hårnåls-sløyfe og utført i et første ledende material, samt innbyrdes forbundet over et mellomliggende trådstykke (31) av et annet ledende material, således at de to overganger (24, 25) mellom tråder av henholdsvis første og annet ledende material utgjør termoelementets varme og kolde ende.

7. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at termoelementets tråder (26, 27) og det mellomliggende trådstykke (31) består henholdsvis av chromel og alumel samt er anordnet i et beskyttelsehylster (28) av inconel med mellomlegg av elektrisk isolasjon (29) bestående av aluminiumoksyd, magnesiumoksyd eller annet isolerende material mellom hylsteret og trådene.

8. Anordning som angitt i krav 1-7, karakterisert ved at termoelementene (23) er fordelt rundt en midtre sentreringsstang (30) i stavens indre passasje (22).

9. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at beskyttelsehylsteret (28) for hvert termoelement (23) strekker seg utover den tilsvarende målesone.

10. Anordning som angitt i krav 1-9, karakterisert ved at den sylinderformede stav (17) er anordnet for tilkobling til en ytre strømkilde, for forhåndskalibrering av målesonene på grunnlag av utviklet varme ved føring av elektrisk strøm gjennom staven (17).