NO153468B

NO153468B - EQUIPMENT MEASUREMENT IN HIGH PRESSURE ENVIRONMENTS.

Info

Publication number: NO153468B
Application number: NO820759A
Authority: NO
Inventors: Robert D Smith
Original assignee: Scandpower As
Priority date: 1982-03-10
Filing date: 1982-03-10
Publication date: 1985-12-16
Also published as: NO820759L; NO153468C

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for effektmåling ved absorpsjon av gammastråler og for anvendelse i høyt-trykksomgivelser i kjernereaktorer av trykkvannstype. En anordning av denne art betegnes ofte som et "gammastråletermometer" og er for eksempel beskrevet i norske patentskrifter nr. 147.162 og 148.577. Gammastråletermometre arbeider etter det prinsipp at varme utvikles i et indre varmelegeme eller en kjerne som følge av legemets absorpsjon av gammastråling. Den således utviklede varme overføres så langs regulerte varmestrømningsbaner til et varmesluk. Sådan varmestrømning frembringer et temperatursprang som er målbart og hovedsakelig proporsjonalt med den absorberte strålings-mengde pr. tidsenhet. Temperaturmålingen utføres ved hjelp av et temperaturtølende element som frembringer et elektrisk utgangssignal, slik som et termoelement. Dette utgangssignal kan avvike fra lineær proporsjonalitet som følge av manglende temperaturfølsomhet av det termisk ledende material som anven-des samt eventuell varmelekkasje langs andre baner enn de regulerte varmeledningsbaner. Det er gjort forsøk på å hindre uregulert varmelekkasje ved infrarød stråling samt ved gassledning fra varmelegemet eller temperaturføleren. Varmetap ved stråling kan da nedsettes ved at termometeret bringes til å arbeide innenfor begrensede temperaturområder. I lettvanns-modererte reaktorer holdes således følertemperaturer for eksempel under 450°C, således at strålingstapene utgjør en ube-tydelig andel av den totale varmestrømning. Nedsettelse av varmetap som skriver seg fra gassledning er imidlertid et vanskeligere problem. For å nedsette gassledningstapene gjennom varmemotsTfandsområdene i et gammastråletermometer er disse områder påført lavt trykk. Utgangssignalet fra vedkommende gammastråletermometer oppviser imidlertid en forandring med tiden i disse tilfeller. For å unngå dette er det da benyttet en fyllgass med lav termisk ledningsevne i varme-motstandsområdene. Skjønt det da blir oppnådd et stabilt utgangssignal, lekket imidlertid en betraktelig andel av varmen ut ved gassledning. Ved sådan anvendelse av fyllgass for å unngå signalforandringer med tiden er det videre funnet at forandringer i omgivelsetemperaturen likevel har frembragt en uønsket forandring av utgangssignalet. The present invention relates to a device for power measurement by absorption of gamma rays and for use in high-pressure environments in nuclear reactors of the pressurized water type. A device of this kind is often referred to as a "gamma ray thermometer" and is described, for example, in Norwegian patent documents no. 147,162 and 148,577. Gamma ray thermometers work on the principle that heat is developed in an internal heating body or core as a result of the body's absorption of gamma radiation. The heat thus developed is then transferred along regulated heat flow paths to a heat sink. Such heat flow produces a temperature jump that is measurable and mainly proportional to the absorbed amount of radiation per unit of time. The temperature measurement is carried out using a temperature-tolerant element that produces an electrical output signal, such as a thermocouple. This output signal may deviate from linear proportionality as a result of a lack of temperature sensitivity of the thermally conductive material used as well as possible heat leakage along paths other than the regulated heat conduction paths. Attempts have been made to prevent unregulated heat leakage by infrared radiation and by gas lines from the heater or temperature sensor. Heat loss by radiation can then be reduced by making the thermometer work within limited temperature ranges. In light water-moderated reactors, sensor temperatures are thus kept below 450°C, for example, so that the radiation losses make up an insignificant proportion of the total heat flow. However, reducing heat loss from the gas line is a more difficult problem. In order to reduce the gas conduction losses through the heat resistance areas in a gamma ray thermometer, these areas are subjected to low pressure. However, the output signal from the relevant gamma ray thermometer shows a change with time in these cases. To avoid this, a filler gas with low thermal conductivity has been used in the heat-resistance areas. Although a stable output signal is then achieved, a considerable proportion of the heat leaked out at the gas line. With such use of filling gas to avoid signal changes over time, it has further been found that changes in the ambient temperature have nevertheless produced an unwanted change in the output signal.

Det ble imidlertid etterhvert funnet at gassledningstap fra gammastråletermometre i høy grad skrev seg fra hydrogengass-forurensning av de termiske motstandsområder, slik som for eksempel evakuerte eller gassfylte kammere ved tidligere gammastråletermometre eller aksiale gap i varmelegemet ved gammatermometre av den type som er angitt i de ovenfor angitte norske patentskrifter. Sådan hydrogenforurensning fremkommer ved anvendelse av rustfritt austenitt-stål eller krom/nikkel-legeringsmetaller, slik som Iconel, som er gjennomtrengelige for hydrogengassmolekyler. Videre er sådanne metaller under høyt vakuum gjenstand for en utgasningsprosess, således at evakuerte områder av et gammastråletermometer i en kjernereaktor raskt opptar hydrogengassmolekyler som drastisk øker den termiske ledningsevne av vedkommende evakuerte område. I for-bindelse med gassfylte områder av gammatermometre, forandres også disse områders termiske ledningsevne betraktelig ved opptak av hydrogengass i disse områder. It was eventually found, however, that gas conduction losses from gamma ray thermometers were largely due to hydrogen gas contamination of the thermal resistance areas, such as for example evacuated or gas-filled chambers in earlier gamma ray thermometers or axial gaps in the heater in gamma thermometers of the type indicated in the above specified Norwegian patent documents. Such hydrogen contamination results from the use of stainless austenite steel or chromium/nickel alloy metals, such as Iconel, which are permeable to hydrogen gas molecules. Furthermore, such metals under high vacuum are subject to an outgassing process, so that evacuated areas of a gamma ray thermometer in a nuclear reactor quickly take up hydrogen gas molecules which drastically increase the thermal conductivity of the evacuated area in question. In connection with gas-filled areas of gamma thermometers, the thermal conductivity of these areas also changes considerably when hydrogen gas is absorbed in these areas.

Et metall som er vanlig brukt i raktorkjernekonstruksjoner er Zircaloy, da dette metall oppviser lav oppfangning av termiske nøytroner. Zircaloy har også alle de termiske egenskaper som er nødvendig for den indre kjerne eller det legeme hvor varme frembringes i gammastråletermometeret. I tillegg er oksyderte overflater av Zircaloy forholdsvis ugjennomtrengelig for hydrogengass, og materialet i seg selv absorberer faktisk hydrogenmolekyler ved høy temperatur og danner sammen med disse zirkonium-hydrid. I form av et tynt hylster eller som trykkbarriere er imidlertid Zircaloy ikke egnet for anvendelse i lengere tid under de påkjenningsforhold som foreligger i en trykkvannsreaktor, på grunn av dets forholdsvis lave mekaniske fasthet. A metal commonly used in reactor core constructions is Zircaloy, as this metal exhibits low capture of thermal neutrons. Zircaloy also has all the thermal properties necessary for the inner core or the body where heat is generated in the gamma ray thermometer. In addition, oxidized surfaces of Zircaloy are relatively impermeable to hydrogen gas, and the material itself actually absorbs hydrogen molecules at high temperature and forms zirconium hydride with them. However, in the form of a thin casing or as a pressure barrier, Zircaloy is not suitable for long-term use under the stress conditions present in a pressurized water reactor, due to its relatively low mechanical strength.

Det er derfor et viktig formål for foreliggende oppfinnelse å frembringe et gammatermometer hvor hydrogenforurensning av termometerets termiske motstandsområder i høy grad er nedsatt, eventuelt ved bruk av Zircaloy, men likevel er i stand til å opprettholde trykkisoleringen av sådanne områder fra reaktor-omgivelsene innenfor de dimensjonsgrenser som foreligger ved en sådan installasjon. It is therefore an important purpose of the present invention to produce a gamma thermometer in which hydrogen contamination of the thermometer's thermal resistance areas is greatly reduced, possibly by using Zircaloy, but is still able to maintain the pressure insulation of such areas from the reactor surroundings within the dimensional limits which is present in such an installation.

Oppfinnelsen gjelder således en anordning for effektmåling i høyttrykksomgivelser ved absorpsjon av gammastråling og tilsvarende varmeutvikling i et målelegeme med forholdsvis høy ledningsevne og minst et termisk motstandsområde, idet en høytrykksskjerm er anordnet omkring målelegemet for å avskjerme motstandsområdet mot høyttrykksomgivelsene. The invention thus relates to a device for power measurement in high-pressure environments by absorption of gamma radiation and corresponding heat development in a measuring body with relatively high conductivity and at least one thermal resistance area, a high-pressure screen being arranged around the measuring body to shield the resistance area from the high-pressure environment.

På denne bakgrunn av kjent teknikk har så anordningen i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at trykkskjermen utgjøres av en ytre del med forholdsvis høy mekanisk fasthet og et indre sperresjikt for hydrogengass og med forholdsvis lav mekanisk fasthet. On this background of known technology, the device according to the invention has as a distinctive feature that the pressure screen consists of an outer part with relatively high mechanical strength and an inner barrier layer for hydrogen gas and with relatively low mechanical strength.

Fortrinnsvis utgjøres nevnte hydrogensperresjikt av en Zircaloy-muffe som danner en foring på innsiden av den ytre del, som omgir motstandsområdet. Målelegemet er også fortrinnsvis utført i Zircaloy og har et aksialt gap som danner motstandsområdet. Preferably, said hydrogen barrier layer is constituted by a Zircaloy sleeve which forms a lining on the inside of the outer part, which surrounds the resistance area. The measuring body is also preferably made of Zircaloy and has an axial gap that forms the resistance area.

Denne dobbeltsjiktutførelse av trykkskjermen gir den nødvendige styrke til å motstå påkjenningene ved de drifts-forhold som foreligger i et brenselelement i en trykkvann-reaktor innenfor de nødvendige dimensjonsbegrensninger ved en sådan installasjon. Trykkskjermens indre foring, som fortrinnsvis er utført i Zircaloy med mindre tverrsnittsdimen-sjon enn målelegemets indre kjerne, hindrer hydrogengass-forurensning av det termiske motstandsområde, enten dette omfatter et evakuert eller gassfylt omhyldningsrom. This double-layer design of the pressure shield provides the necessary strength to withstand the stresses of the operating conditions that exist in a fuel element in a pressurized water reactor within the necessary dimensional limitations of such an installation. The pressure shield's inner lining, which is preferably made of Zircaloy with a smaller cross-sectional dimension than the measuring body's inner core, prevents hydrogen gas contamination of the thermal resistance area, whether this comprises an evacuated or gas-filled envelope space.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av ut-førelseeksempler og under henvisning til de vedlagte tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser et lengdesnitt av et gammatermometer i henhold The invention will now be described in more detail with the help of design examples and with reference to the attached drawings, on which: Fig. 1 shows a longitudinal section of a gamma thermometer according to

til en utførelse av foreliggende oppfinnelsen. to an embodiment of the present invention.

Fig. 2 viser en del av et lengdesnitt gjennom en annen Fig. 2 shows part of a longitudinal section through another

utførelse. execution.

Fig. 3 viser et lengdesnitt gjennom en tidligere type gamma-termometer, og som anskueliggjør ennå en ytterligere utførelse av foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 shows a longitudinal section through an earlier type of gamma thermometer, which illustrates yet another embodiment of the present invention.

Det skal nå nærmere henvises til fig. 1 som angir et gammastråletermometer av den type som er vist og beskrevet i norsk patentskrift nr. 147.162. Denne anordning er i sin helhet angitt ved henvisningstallet 10. Gammastråletermometeret er anbragt i høyttrykksomgivelser, slik som inne i et brenselelement i en kjernereaktor av trykkvannstype, og omfatter følgelig en ytre trykkskjerm som i sin helhet er angitt ved henvisningstallet 12. Beskyttende omgitt av den rørformede trykkskjerm er det anordnet et gammastråleabsorberende legeme 14 i form av en langstrakt fast kjerne hvori varme utvikles. Legemet 14 har sirkulær tverrsnittform, idet visse områder med konstant diameter er avbrudt av aksialt adskilte målesoner med nedsatt diameter og som danner termiske motstandsgap 16. En termoelementkabel 18 med flere skjøtepunkter er montert inne i en midtutboring i målelegemet for å kunne avgi temperatur-differansesignaler som gir uttrykk for den lokale vamre-strømning i de forskjellige målesoner. De termiske motstandsgap 16 er enten evakuert eller fylt med gass, slik som for eksempel argon, for å frembringe et motstandsområde med forholdsvis lav termisk ledningsevne sammenlignet med den høye termiske ledningsevne for legemet 14. Reference should now be made to fig. 1 which indicates a gamma ray thermometer of the type shown and described in Norwegian patent document no. 147,162. This device is indicated in its entirety by the reference number 10. The gamma ray thermometer is placed in high-pressure environments, such as inside a fuel element in a nuclear reactor of the pressurized water type, and consequently comprises an outer pressure shield which is indicated in its entirety by the reference number 12. Protectively surrounded by the tubular pressure screen, a gamma ray absorbing body 14 is arranged in the form of an elongated solid core in which heat is developed. The body 14 has a circular cross-sectional shape, with certain areas of constant diameter interrupted by axially separated measuring zones of reduced diameter and which form thermal resistance gaps 16. A thermocouple cable 18 with several junction points is mounted inside a central bore in the measuring body in order to be able to emit temperature difference signals which expresses the local vamre flow in the different measurement zones. The thermal resistance gaps 16 are either evacuated or filled with gas, such as, for example, argon, to produce a resistance region with relatively low thermal conductivity compared to the high thermal conductivity of the body 14.

For å kunne opprettholde høyt vakuum innenfor motstandsgapene eller å forhindre tap av lav termisk ledningsevne hvis et gassfylt rom benyttes, er den rørformede trykkskjerm 12 ut-ført på en spesiell måte i henhold til foreliggende oppfin-neise. Den rørformede trykkskjerm omfatter en ytre del 20 av et material som for eksempel rustfritt stål eller Iconel og med den påkrevede mekaniske fasthet til å understøtte gammastråletermometeret og beskytte dets indre mot det omgivende høye trykk. Denne ytre del av trykkskjermen er imidlertid gjennomtrengelig for hydrogengass og avgir dessuten i blant sådan gass ved høy temperatur, hvilket tidligere har ført til termisk nedbrytning av motstandsgapene. Et sperresjikt 22 i form av en tynn muffe utført i ugjennomtrengelig material for hydrogengass, slik som Zircaloy., er derfor anordnet som en indre del av den rørformede trykkskjerm 12 omkring motstandsgapene 16. Skjønt muffen 22 i seg selv vanligvis er uegnet for lengre tids anvendelse i konstruksjoner med høy påkjenning under drift, kan den likevel med hell benyttes i kombinasjon med den ytre del 20 av den rørformede trykkskjerm. Zircaloy-materialet i muffen har alle de ønskede egenskaper både for å opprettholde vakuum i motstandsgapene og for å hindre hydrogenforurensning av den fyllgass som eventuelt benyttes, da Zircaloy absorberer enhver hydrogengass som trenger gjennom den ytre dél 20. In order to be able to maintain a high vacuum within the resistance gaps or to prevent loss of low thermal conductivity if a gas-filled room is used, the tubular pressure screen 12 is designed in a special way according to the present invention. The tubular pressure shield comprises an outer part 20 of a material such as stainless steel or Iconel and with the required mechanical strength to support the gamma ray thermometer and protect its interior from the surrounding high pressure. This outer part of the pressure shield is, however, permeable to hydrogen gas and also occasionally emits such gas at high temperature, which has previously led to thermal breakdown of the resistance gaps. A barrier layer 22 in the form of a thin sleeve made of material impermeable to hydrogen gas, such as Zircaloy, is therefore arranged as an inner part of the tubular pressure screen 12 around the resistance gaps 16. Although the sleeve 22 itself is usually unsuitable for long-term use in constructions with high stress during operation, it can nevertheless be successfully used in combination with the outer part 20 of the tubular pressure screen. The Zircaloy material in the sleeve has all the desired properties both to maintain vacuum in the resistance gaps and to prevent hydrogen contamination of the filling gas that may be used, as Zircaloy absorbs any hydrogen gas that penetrates through the outer layer 20.

Ved en annen utførelse av foreliggende oppfinnelsegjenstand og som er vist i fig. 2, danner en ytre rørformet kappe 20' av rustfritt stål eller Iconel en ytre trykkbarriere for et antall aksialt adskilte indre følerseksjoner 24 som er bærende montert i kappen. Disse følerseksjoner er sammenkoblet ved hjelp av en felles termoelementkabel 18' med flere skjøte-punkter. Da følerseksjonene bare er innbyrdes sammenkoblet over kabelen 18', er de ute av stand til å utøve store kraftvirkninger på kappen 20' på grunn av innbyrdes for-skjeller i termisk utvidelsekoeffisient, samtidig som de be-finner seg i god termisk kontakt med kappen. Hver føler-seks jon omfatter et Zircaloy-legeme 14' som er utformet med et motstandsgap 16' . Dette gap er omgitt av en tynn Zircaloy-muffe 22' som gjør tjeneste som et sperresjikt,for hydrogengass for derved å hindre hydrogennedbrytning av gapets termiske motstand. In another embodiment of the present object of invention and which is shown in fig. 2, an outer tubular jacket 20' of stainless steel or Iconel forms an outer pressure barrier for a number of axially spaced inner sensor sections 24 which are load-bearing mounted in the jacket. These sensor sections are interconnected by means of a common thermocouple cable 18' with several connection points. As the sensor sections are only interconnected via the cable 18', they are unable to exert large force effects on the sheath 20' due to mutual differences in thermal expansion coefficient, while at the same time being in good thermal contact with the sheath. Each sensor six ion comprises a Zircaloy body 14' which is designed with a resistance gap 16'. This gap is surrounded by a thin Zircaloy sleeve 22' which serves as a barrier layer for hydrogen gas to thereby prevent hydrogen breakdown of the thermal resistance of the gap.

I fig. 3 er det vist et gammestråletermoineter 24 av konven-sjonell type, og som omfatter en ytre trykkbarriere 28 av rustfritt stål eller Iconel og som er innvendig foret med et sperresjikt 30 for hydrogen og'utført i Zircaloy-material, for derved samtidig å frembringe den nødvendige mekaniske styrke og immunitet for hydrogennedbrytning av kammeret 32 med lav termisk ledningsevne. Dette kammer er enten evakuert eller fylt med en gass som har lav termisk ledningsevne. Inne i kammeret er det anbragt et varmeutviklende legeme 34 av Zircaloy. Videre er et termoelement 36 med to skjøtepunkter innleiret i legemet 34. In fig. 3 shows a gamma ray thermocouple 24 of conventional type, which comprises an outer pressure barrier 28 of stainless steel or Iconel and which is internally lined with a barrier layer 30 for hydrogen and made of Zircaloy material, thereby simultaneously producing the required mechanical strength and immunity to hydrogen breakdown of the chamber 32 with low thermal conductivity. This chamber is either evacuated or filled with a gas that has low thermal conductivity. A heat-generating body 34 made of Zircaloy is placed inside the chamber. Furthermore, a thermocouple 36 with two joining points is embedded in the body 34.

Ved hver av de beskrevne utførelser danner Zircaloy-foringen det indre sperresjikt for hydrogengass. Skjønt dette Zircaloy-sjikt har et forholdsvis lite tverrsnitt sammenlignet med den varmeutviklende kjerne, vil den sammen med den ytre del av trykkskjermen danne en sammenstilling med tilstrekkelig høy mekanisk fasthet, på tross av de dimensjonsbegrensninger som foreligger ved reaktorkonstruksjoner av den art som foreliggende oppfinnelsegjenstand er tilordnet. In each of the described embodiments, the Zircaloy lining forms the inner barrier layer for hydrogen gas. Although this Zircaloy layer has a relatively small cross-section compared to the heat-generating core, together with the outer part of the pressure shield, it will form an assembly with sufficiently high mechanical strength, despite the dimensional limitations that exist in reactor constructions of the kind that the subject of the present invention is assigned.

Claims

1. Device for power measurement in high-pressure environments by absorption of gamma radiation and corresponding heat development in a measuring body (14) with relatively high conductivity and at least one thermal resistance area (16), a high-pressure screen (12) being arranged around the measuring body to shield the resistance area from the high-pressure environment , characterized in that the pressure shield (12) consists of an outer part (20) with relatively high mechanical strength and an inner barrier layer (22) for hydrogen gas and with relatively low mechanical strength.

2. Device as stated in claim 1, characterized in that said hydrogen barrier layer (22) consists of a Zircaloy sleeve which forms a lining on the inside of the outer part (20), which surrounds the resistance area (16).

3. Device as specified in claim 1 or 2, characterized in that said measuring body (14) is made of Zircaloy and with an axial gap (16) which forms the resistance area.

4. Device as specified in claims 1-3, characterized in that the outer part (20) of the pressure screen (12) is made of stainless steel.

5. Device as stated in claim 3 or 4, character TT~s é r t in that said resistance gap (16) is an evacuated space which is kept under high vacuum by the hydrogen barrier layer (22).

6. Device as stated in claim 3 or 4, characterized in that said resistance gap (16) is filled with gas with low thermal conductivity.

7. Device as stated in claims 1-6, characterized in that a flexible thermocouple cable (18) extends through the measuring body (14).

8. Device as set forth in claims 1-7, characterized in that said measuring body is made up of an elongated uniform core piece, with several resistance areas being formed in the core piece in the form of gaps at an axial distance from each other and surrounded by the hydrogen barrier layer which extends continuously between said axial separated gaps.

9. Device as specified in claim 7, characterized in that several measuring bodies with resistance areas form a number of mutually separated temperature sensors surrounded by a tubular pressure screen. and interconnected using the thermocouple cable.

10. Device as set forth in claims 1-9, characterized in that said hydrogen barrier layer has a cross-sectional area which is significantly smaller than the measuring body's cross-sectional area, as both the measuring body and the hydrogen barrier gasket are made of Zircaloy.