DE1227164B - Kernreaktorueberwachungseinrichtung zur UEberwachung von thermischen Isolierschichten - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G21d

Deutschem.: 21g-21/31

Nummer: 1227164

Aktenzeichen: E 29569 VIII c/21 g

Anmeldetag: 24. Juni 1965

Auslegetag: 20. Oktober 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernreaktorüberwachungseinrichtung zur Überwachung von thermischen Isolierschichten, die zwischen der Hülle von Kernreaktorbrennelementen und diese umhüllenden druckfesten Kanalrohren angeordnet sind.

Brennelemente sind in Kernreaktoren im allgemeinen in Druckrohren untergebracht, die den hohen Druck des die Elemente umspülenden Kühlmittels auffangen. Man unterscheidet hierbei zwischen »kalten« und »warmen« Druckrohren, wobei erstere thermische Isolierschichten an der Innenwand aufweisen, die den Wärmeübergang vom Kühlmittel zum Druckrohr dämmen.

Daß man das Druckrohr kalt halten will, hat seine besonderen Gründe, z. B., weil die Belastbarkeit des Materials mit steigender Temperatur abnimmt oder aber weil beim Kontakt mit dem heißen Kühlmittel eine gewisse Korrosionsanfällikeit bestehen kann.

Zur Wärmeisolierung der Innenwand des Druckrohres sind verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, z. B. Spalte, die mit Gas oder anderen Isoliermaterialien gefüllt sind, Keramikbeschichtüngen oder auch spezielle Isolierungen, die auf die Matrizen der Brennelemente aufgebracht werden. Bei allen Möglichkeiten sind jedoch Fälle denkbar, in denen die Isolierung infolge irgendeines Schadens örtlich oder auch über längere Strecken im Kanal versagt.

In diesen Fällen würde das Druckrohr an den betroffenen Stellen eine weit höhere Temperatur annehmen, als für den normalen Betrieb vorgesehen ist. Nach außen hin zeigt es heiße Stellen, an denen das Wasser mit mehr oder weniger intensiver Blasenbildung verdampft.

Um bei derartigen Unfällen im Reaktor eingreifen zu können, müssen sich zunächst das Vorhandensein und dann auch die genaue Lage der Schäden in den Kanälen feststellen lassen.

Auf ein klassisches Hilfsmittel hierzu, die Temperaturmessung der Kanaloberflächen z.B. Thermoelementen, muß verzichtet werden: für eine wirksame Kontrolle müßten für die Oberfläche eines einzigen Kanals etwa 60 bis 100 Thermoelemente vorgesehen werden. Bei einem Reaktor mit rund 500 Kanälen ergäbe sich damit eine so große Anzahl von Thermoelementen, daß sich diese Methode von selbst ausschließt.

Da die heißen Stellen sich nach außen hin durch örtliche Wasserverdampfung bemerkbar machen, kann man daran denken, optische oder akustische Mittel im Wasserbehälter einzusetzen, um über die Blasenbildung eine Anzeige zu erhalten. Aber auch Kernreaktorüberwachungseinrichtung zur
Überwachung von thermischen Isolierschichten

Anmelder:

Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM),

Brüssel

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner

und Dipl.-Ing. H. H. Wey, Patentanwälte,

Berlin 33, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Winfried Becker, Arolo, Varese;

Sergio Finzi, Masnago;

Ernst R. Jorzik, Cardana di Besozzo;

Dipl.-Ing. Eggert Ohlmer,

Velate, Varese (Italien)

hier scheitert eine Anwendung im Reaktor an der Anzahl und Anordnung der zu kontrollierenden Kanaloberflächen.

Durch die Erfindung wird das vorliegende Problem mit vertretbarem Aufwand und hinreichender Genauigkeit gelöst.

Die Erfindung besteht darin, daß die innere oder äußere Kanalrohroberfläche von einem elektrischen Kabel überzogen ist, das in gutem Wärmekontakt mit dem Kanal steht und dessen Wellenwiderstand sich bei Temperaturänderung des Kanals ändert, und daß ein Impulsgeber und ein Oszillograph an das Kabel angeschlossen sind, mit deren Hilfe Heißstellen nach dem bekannten Reflexionsprinzip lokalisiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Kabel als Zweidrahtkabel mit in Abständen angeordneten Distanzhaltern und einem U-förmigen Hüllblech ausgeführt. Die Abstände sind in der Größenordnung der gewünschten Lokalisiergenauigkeit gewählt und schließen die so gebildeten Kabelabschnitte nahezu wasserdicht gegeneinander derart ab, daß sich das Kabel zwar im Betrieb mit der Flüssigkeit füllt, daß aber Dampfblasen, die von einer Heißstelle ausgehen, im wesentlichen vom nächsthöheren Distanzhalter zurückgehalten werden, so daß dort eine meßbare Änderung der Dielektrizitätskonstante des Kabels auftritt.

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Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert; ;von denen

Fig. 1 schematisch einen derartigen Kanal mit Heißstellenüberwachung,

Fig. 2 zwei Oszillogramme und s

Fig. 3 ein Stück des Überwachungskanals im Detail zeigen. ·

Fig. 1 beschränkt sich auf die Darstellung der zur Erläuterung der Erfindung wesentlichen Teile eines flüssigkeitsmoderierten Reaktors. Das Reaktorgefäß 1 ist mit Moderatorflüssigkeit gefüllt, in welches Brennelementkanäle und andere Kanäle (für Steuer- und Meßzwecke) eintauchen.

Ein Brennelementkanal 2 besteht aus einem Druckrohr, in dem sich ein Brennelement und der Kühlkreislauf befinden. Das Druckrohr wird durch eine thermische Isolierschicht gegen die hohen Temperaturen des Brennelements und des Kühlmittels geschützt.

Zur Überwachung der Funktion der Isolierschicht ist die Außenmantelfläche des Druckrohres hinreichend dicht von einem Kabel 3 überzogen, so daß keine lokale Überhitzung des Rohres unentdeckt bleibt. Das Kabel kann beispielsweise, wie in der Figur gezeigt, mäanderförmig oder spiralförmig auf dem Druckrohrmantel befestigt sein. Einseitig ist das Kabel über einen Umschalter 4 mit einem Impulsgeber 5 und einem Oszillographen 6 verbunden. Der Umschalter besorgt das wahlweise Verbinden der Geber- und Empfängergeräte mit einem der oft bis zu mehreren hundert Kanälen des Reaktors.

Speist man einen kurzen Rechteckimpuls in das Kabel ein und beobachtet die Wirkung dieses Impulses am Oszillographen, dann entsteht bei einem ungestörten homogenen Kabel lediglich eine einzige Reflexion des Wellenzugs am freien Ende des Kabels, sofern dieses nicht reflexionsfrei mit dem Wellenwiderstand des Kabels abgeschlossen ist. Im letzten Fall entsteht natürlich gar keine Reflexion.

In Fig. 2 ist im oberen Teile der Verlauf der Spannung am geberseitigen Kabelende nach Einspeisung des Impulses, aber vor dem Empfang der vom Kabelende herrührenden Hauptreflexion zu sehen. Das untere Diagramm der F i g. 2 betrifft ein gestörtes Kabel, bei dem etwa in der Mitte durch Erhitzung die Dielektrizitätskonstante des Kabels verändert wurde, so daß dort vor der Hauptreflexion ein energetisch kleiner Teil des Wellenzugs reflektiert wird. Der zeitliche Abstand der Reflexion vom Einspeisezeitpunkt ist also ein Maß für den Abstand der Störung vom Kabelende.

• Im. Prinzip läßt sich der gewünschte Effekt mit jeder den Wellenwiderstand des Kabels örtlich verändernden Größe verwirklichen (ohmscher Widerstand durch Einbau von Thermistoren, induktiver Lärigswiderstand, kapazitiver Leitwert der Isolierung, ohmscher Leitwert der Isolierung). Beispielsweise ist von dem festen Dielektrikum Bariumtitanat bekannt, daß sich sein: Leitwert stark mit der Temperatur ändert. Schließlich können auch geometrische Verformüngen des Kabels infolge der Temperaturänderungen, die die elektrischen Eigenschaften beeinflussen, ausgenutzt werden.

Abgesehen von diesen Möglichkeiten wird nachfolgend eine besonders einfache Ausführungsform an Hand der Fig. 3 erläutert. Sie eignet sich besonders für Reaktoren, deren Druckrohre unmittelbar in eine Moderatorflüssigkeit eintauchen, die im betrachteten Temperaturbereich bei Heißstellen siedet und hinreichende Isolationseigenschaften aufweist. Das Kabel besteht für diesen Fall aus zwei blanken Drähten 7 und 8, deren gegenseitiger konstanter Abstand durch Distanzhalter 9 sichergestellt wird, die auf dem Druckrohrmantel 10 lose aufgesetzt sind. Über die Drähte und die Distanzhalter ist ein U-förmiges Hüllrohr 11 gesetzt, dessen freie Enden auf dem Druckrohrmantel beispielsweise mittels Punktschweißung befestigt sind.

Die Distanzhalter sind in Abständen eingefügt, die in der Größenordnung der gewünschten Meßgenauigkeit liegen, und sie schließen die so gebildeten Kabelabschnitte nahezu wasserdicht gegeneinander ab, so daß sich das Kabel zwar im Betrieb mit der Moderatorflüssigkeit füllt (z. B. mit Wasser), daß aber Dampfblasen, die von einer Heißstelle ausgehen, im wesentlichen am nächsthöheren Distanzhalter zurückgehalten werden. Vor diesem Distanzhalter bildet sich also an Stelle des Wasser-Dielektrikums ein Dampf-Dielektrikum. Die damit verbundene Änderung der Dielektrizitätskonstante etwa um den Faktor acht ergibt eine Teilreflexion gemäß F i g. 2 und damit eine Anzeige einer Heißstelle.

Gegenüber einer Anordnung mit aufgelegtem üblichem Kabel weist die vorstehend beschriebene Ausfuhrungsfonn verschiedene Vorteile auf: Eindringen von Moderatorflüssigkeit in das Kabel führt nicht zu Betriebsausfällen, sondern ist sogar geplant und erwünscht; der Wärmeübergang vom Druckrohr auf das Kabeldielektrikum erfolgt besonders direkt; das Kabel enthält nur metallische und keramische Teile, deren Strahlenbeständigkeit erprobt ist.

Das beschriebene und in F i g. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel zeichnet sich also durch besondere Einfachheit in der Herstellung und Sicherheit im Betrieb aus. Es ist jedoch nicht die einzig mögliche Ausführungsform der Erfindung. An Stelle des rechteckförmigen Impulses können auch andere geeignete Impulsformen, z. B. ein Wellenzug bestimmter Frequenz, Verwendung finden.

In vielen Fällen kann es genügen, das Kabel entlang einer oder mehrerer Mantellinien des Druckrohres zu verlegen; in anderen mag eine dichte Überdeckung der ganzen Mantelfläche (mäander- oder spiralförmig) nötig sein. Ein Kabel kann auch zwei oder mehrere Druckrohre zugleich überwachen, oder es können auch zwei Kabel für ein besonders langes Druckrohr vorgesehen werden. Die Umschaltvorrichtung 4 kann automatisch periodisch nacheinander alle Kabel prüfen oder manuell bedienbar sein. Das Kabelende kann offen, kurzgeschlossen oder z. B. mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen sein. Das Druckrohr kann aufrecht stehen oder (mit Ausnahme der Ausfuhrungsfonn gemäß Fig. 3) horizontal liegen.

Die Erfindung ist schließlich nicht nur bei der Heißstellenanzeige in Kernreaktorkanälen verwendbar, sondern generell überall, wo Heißstellen lokalisiert werden sollen (z. B. in der chemischen Industrie).

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kernreaktorüberwachungseinrichtung zur Überwachung von thermischen Isolierschichten, die zwischen der Hülle von Kernreaktorbrennelementen und diese umhüllenden druckfesten Kanalrohren angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die innere oder äußere

Kanalrohroberfläche von einem elektrischen Kabel überzogen ist, das in gutem Wärmekontakt mit dem Rohr steht und dessen Wellenwiderstand sich bei Temperaturänderung des Kanals ändert, und daß ein Impulsgeber und ein Oszillograph an das Kabel angeschlossen sind, mit deren Hilfe Heißstellen nach dem bekannten Reflexionsprinzip lokalisiert werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das impulsgeberferne Kabelende nicht abgeschlossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsgeber und ein Oszillograph für mehrere oder alle Kanäle eines Reaktors gemeinsam und eine Umschaltvorrichtung zum wahlweisen Inbetriebsetzen der Kabel vorgesehen sind.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel als Zweidrahtkabel mit in Abständen angeordneten Distanzhaltern und einem U-förmigen Hüllblech ausgeführt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4 mit an der Außenwandung von senkrecht stehenden Kanalrohren angebrachten Hebeln, die von einer elektrisch nicht leitenden, siedefähigen Flüssigkeit umspült sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzhalter in Abständen in der Größenordnung der gewünschten Lokalisiergenauigkeit angeordnet sind und die so gebildeten Kabelabschnitte nahezu wasserdicht gegeneinander abschließen, derart, daß sich das Kabel zwar im Betrieb mit der Flüssigkeit füllt, daß aber Dampfblasen, die, von einer Heißstelle ausgehen, im wesentlichen vom nächsthöheren Distanzhalter zurückgehalten werden, so daß dort eine meßbare Änderung der Dielektrizitätskonstante des Kabels auftritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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