DE1227164B - Kernreaktorueberwachungseinrichtung zur UEberwachung von thermischen Isolierschichten - Google Patents
Kernreaktorueberwachungseinrichtung zur UEberwachung von thermischen IsolierschichtenInfo
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- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
- G21C17/10—Structural combination of fuel element, control rod, reactor core, or moderator structure with sensitive instruments, e.g. for measuring radioactivity, strain
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
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
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)
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
609 707/339 10.66 © Bundesdruckerei Berlin
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Also Published As
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