DE2817859A1 - Verfahren zur feststellung von schadhaften kernbrennelementen - Google Patents
Verfahren zur feststellung von schadhaften kernbrennelementenInfo
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Description
Anwo-Akte: 27.140
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PATENTANMELDUNG
Anmelder: The Babcock & Wilcox Company
161 East 42nd Street, New York, N.Y. 10017 -USA-
Tltel: Verfahren zur Feststellung von schadhaften
Kerribrennelementen
Die Erfindung betrifft Kernreaktoren, insbesondere Verfahren zur Feststellung von schadhaften Brennelementen.
In wassergekühlten heterogenen Reaktoren wird eine Vielzahl von länglichen Brennelementen und Regelstab-Führungsrohren
in enger Teilung innerhall) eines einheitlichen Gebildes angeordnet, das man Brennbündel nennt„ Der Reaktorkern besteht
dabei aus einem Gitter vertikal angeordneter Brennbündel, die auch Brennelemente genannt werden.
Jedes der länglichen Brennelemente, die alternativ mit Brennstäben
oder Rohren bezeichnet werden, enthält Kernbrennstoff, der in einer dünnen Hülle verkapselt ist. Die Hülle ist an
ihren Enden verschlossen und verhindert die Erosion des Brennstoffes sowie das Eindringen von Spaltprodukten in das
Reaktorkühlmittel hinein. Aluminium oder dessen Legierungen, die nichtrostenden Stähle sowie Zirkon sind als typische
Hüllenmaterialien zu nennen.
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Füllkammern und Spielräume sind innerhall) der Brennelemente vorgesehen, um Spaltproduktgas, das aus dem Brennstoff freigesetzt
wird, unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen der Hülle und dem Brennstoff sowie Brennstoffdichteänderungen
während des At ti rand s aufzunehmen. Sie Füllkammern befinden
sich im allgemeinen an den Enden des Brennelementes und enthalten Füllkammerfedern, die den Kernbrennstoff halten. In
einigen Fällen werden die Brennelemente anfänglich mit einem Gas - im allgemeinen Helium - unter Überdruck gesetzt,
um ein Kriechen der Hülle während längerer Betriebszeiten bei hohen Reaktor-Kühlmittel-Drücken auf einem Gringstmaß
zu halten.
Die Brennelementhülle ist so bemessen, daß sie die längeren Auswirkungen der Reaktorbetriebsverhältnisse aufnehmen kann,
insbesondere die Auswirkungen, die auf die Kühlwasserhydraulik, die Brennstoffdehnung, die Reaktortemperatur und
den Reaktordruck, den Spaltgasdruck und die Bestrahlungszunahme zurückzuführen sind. Man kann jedoch erwarten, daß
während der Standzeit des Reaktors einige Hüllenschäden vorkommen,
die es den radioaktiven Spaltprodukten ermöglichen, in das Kühlmittel oder den Moderatir zu entweichen. Obwohl
bereits Reinigungsverfahren bekannt sind, um diese Verunreinigungen zu entfernen, die durch Hüllenschaden zu
erwarten sind, ist es wünschenswert oder notwendig, schadhafte oder "brüchige" Brennelemente festzustellen und zu
ersetzen. Somit ist es wichtig, zuverlässige Mittel zu schaffen, um schadhafte Brennelemente feststellen zu können0
Einerseits ist die Feststellung eines einzelnen schadhaften Brennelements innerhalb eines Brennbündels äußerst schwierig,
da das Bündel insgesamt radioaktiv ist und Hunderte von
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dicht an dicht angeordneten Brennelementen sowie Führungsrohren enthält. Andererseits sind der Auseinanderhau und
der Wiederzusammenbau von bestrahlten Brennstabbündeln zeitraubend und kann selbst zu Brennelementschäden führen.
Bei reaktoren, die flüssige Kühlmittel verwenden, sind zahlreiche
Vorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen worden, um einzelne schadhafte Elemente innerhalb des Brennbündels
festzustellen, und zwar auf der Grundlage der Feststellung Analyse von Schwingungen, Temperaturunterschieden oder
Ultraschallerscheinungen.
Die Bekannten Prüfvorrichtungen und -verfahren sind im allgemeinen
davon abhängig, daß ein Brennstabbündel mindestens teilweise auseinandergebaut wird. Außerdem ist man dabei
stark von der Dynamik der thermodynamischen Zustandsänderungen
des Mediums abhängig, das durch eine Undichtigkeit in das schadhafte Brennelement gelangt war, in typischer Weise durch
Sieden oder Kondensieren oder durch beide Vorgänge.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Feststellung von schadhaften Brennelementen innerhalb eines Brennbündels
zu erleichtern, ohne daß es erforderlich ist, ein Brennbündel auseinanderzubauen, noch daß die Abhängigkeit vom
Sieden oder Kondensieren des Mediums innerhalb der Brennelemente besteht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren
vorgeschlagen, um schadhafte Brennelemente festzustellen.
Es ist bekannt, daß Ultraschall in einem Megahertz-Frequenzbereich
zwischen 5 und 15 MHz leicht durch Wasser hindurch
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wandert. Bei Frequenzen in diesem Megahertz-Bereich ist dagegen in Luft oder anderen Gasen die Ultraschalldämpfung
hoch. Ein Ultraschallimpuls mit einer Frequenz
von einigen Megahertz wird quer in die Wand des Brennelements eingeführt. Wenn das Brennelement nicht schadhaft ist,
dann wird nur Gas in der unteren Füllkammer vorhanden sein. Der hohe Reflexionskoeffizient an der Metall-Gas-Trennstelle
verhindert eine bedeutende Wanderung des Impulses über die Innenfläche der Hülle hinaus. Wenn dagegen das Brennelement
schadhaft geworden ist, so daß die untere Füllkammer Wasser enthält, dann wird der Reflexionskoeffizient an der
Metall-Flüssigkeits-Trennstelle auf der Innenfläche der Hülle unter denjenigen herabgesetzt, der durch eine Metallttas-Trennfläche
erzeugt wird. Somit werden bedeutende Teile des Impulses durch das Wasser zu der gegenüberliegenden Wand
wandern, zurückgeworfen und zum Geber zurückkehren. Die Feststellung der Rückstrahlung von der gegenüberliegenden
Wand erlaubt den Schluß, daß Wasser in das Brennelement gedrungen ist.
Demgemäß werden erfindungsgemäß bei dem Verfahren zur Feststellung von schadhaften Brennelementen, die sich unter
Wasser befinden und auf Abstand in einem Brennbündel der Art angeordnet sind, welche man in wassergekühlten Reaktoren
verwendet, die folgenden Schritte vorschlagen: ein Ultraschallprüfgerät mit einem Ultraschallgeber in die Zwischenräume
zwischen den Brennelementen einführen; den Geber mit einem zu prüfenden Brennelement ausrichten; den Geber an
Spannung legen, um einen Ultraschallimpuls in das zu prüfende Brennelement zu senden; die zurückgestrahlten Ultraschallechos
messen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es
zeigt:
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Pig. 1 eine Vorderansicht eines Ultraschall-Prüfgerätes zur Feststellung von schadhaften Brennelementen;
Fig. 2 eine teilweise Unteransicht des in Figur 1 dargestellten Gerätes;
Fig. 3 eine schematische Darstellung, unter Verwendung des
in Fig. 1 gezeigten Geräts, des Echos eines Ultraschall-Radialimpulses in einem gasgefüllten Brennelement;
Fig. h ein Oszillogramm des Impulses und Echos, welches
den Widerhall des gasgefüllten Brennelements nach Fig. 3 widergibt;
Fig. 5 eine schematiache Darstellung, unter Verwendung
des in Fig. 1 gezeigten Geräts, des Echos eines Ultraschall-Radialimpulses in einem schadhaften,
mit Wasser gefüllten Brennelement;
Fig. 6 ein Oszillogramm des Impulses und Echos, welches den Widerhall des wassergefüllten Brennelements nach
Fig. 5 darstellt und
Fig. 7 ein Oszillogramm des Impulses und Echos, welches den Widerhall eines wassergefüllten Brennelements kennzeichnet,
das in der unteren Füllkammer mit einer Feder versehen ist0
Figur 1 zeigt ein Ultraschallprüfgerät 20. Es schließt einen Ul£raschallgeber 21 und einen Streifenträger 22 ein,
der, wie man am besten der Figur 2 entnehmen kann, wechselseitig gegenüberliegende Flächen 23, 24 aufweist sowie eine
Öffnung, in der der Geber 21 in geeigneter Weise angeordnet ist.
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Der Ultraschallgeber 21, der ein polarisierter, ferroelektrischer,
keramischer Stoff ist, welcher eine Elektrode aufweist, die auf awei seiner Flächen aufgebracht oder aufgebrannt
ist, wird innerhalb der Öffnung so ausgerichtet, daß eine Fläche 25 bündig mit der Fläche 23 des Streifenträgers
22 abschließt. Die gegenüberliegende Fläche des Gebers ist innerhalb der Öffnung versenkt und mit Schalldämpfmaterial
26 verkleidete Ein neutralisierendes Isoliermaterial 30 ist zwischen dein Umfang der Öffnung und den entsprechenden
gegenüberliegenden Flächen des Gebers vorgesehen. Der Geber 21 wird innerhalb der Öffnung durch einen elektrisch nicht
leitfähigen Zement 31 gehalten. Die bündig zur Fläche 23
des Streifenträgers liegende Fläche 25 des Gebers 21 wird
an dem Träger geerdet. Die Erdung erfolgt durch die Heftschweißung mehrerer Leiter 32 oder durch andere geeignete
Mittel.
Das neutralisierende Isoliermaterial 30 ist zwischen dem
Geber und dem Träger angeordnet, um eine Ultraschallkopplung zwischen denselben zu minimieren.
Ein koaxiales Kabel 33» das einen inneren Leiter 3^ und einen
äußeren Leiter 35 aufweist, ist an einer Kante 36 des
Streifenträgers befestigt. Der innere Leiter 3^ ist an dem
Geber 21 angeschlossen. Der äußere Leiter 35 ist an dem
Streifenträger 22 angeschlossen.
Das Prüfgerät 20 muß in der Lage sein, frei die begrenzten Spielräume zwischen den Brennelementen oder zwischen einem
Brennelement und einem Regelelement-Führungsrohr eines Brennbündels zu durchlaufen, wobei der Abstand zwischen
diesen Teilen 2 mm betragen kann. Somit müssen das Prüfgerät 20 sowie seine Einzelteile so ausgewählt werden, daß
sie bestimmten Maßanforderungen gerecht werden, ohne die
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Ultraschalleigenschaften zu gefährden, die notwendig sind,
um die Grundsätze des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens anzuwenden.
Ein typisches Beispiel eines in Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Erfindung gebauten Ultraschall-Prüfgeräts
schließt einen Geber ein, welcher aus Bleizirkonattitanat gefertigt wird. 2,5 nun breit, 12,5 mm lang und 0,3 mm dick
ist sowie in einem Aluminiumträger angeordnet wird. Der Geber wird von dem Umfang der Öffnung durch eine Korkschicht
isoliert. Die Vorder- und Rückflächen des Gebers werden mit aufgebrannten Silberelektroden beschichtet, während die
bündig zu einer Trägerfläche angeordnete Geberfläche an dem benachbarten Aluminium an mehreren Stellen durch kleine
Kupferdrähte geerdet wird, die an dem Aluminium und an der Silberelektrode heftgeschweißt werden. Eine Schicht leitenden
Epoxydharzes kann über die Kupferdrähte und die Geberfläche, welche an der Trägerfläche liegt, gestrichen werden, um
eine glatte Fläche für die Einführung in das Brennbündel zu erhalten. Das Dämpfungsmaterial 26 besteht aus zwei Wolframpulversorten,
die mit einem Polysulfidpolymerisat niedrigen Molekulargewichts gemischt werden. Ein typisches Dämpfmaterial
ist ein Gemisch aus Wolframpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3»5 Mikron und aus einem
Wolframpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1,33 Mikron; dieses Gemisch wird dann seinerseits mit
Thiokol LP-3 gemischt, das von der Thiokol Chemical Corporation, hergestellt wird und ein Polysulfidpolymerisat mit
niedrigen Molekulargewicht ist. Ein nicht-leitendes Epoxydharz wird verwendet, um den Geber innerhalb der Öffnung
zu befestigen. Die ausgesparte Fläche des Keramikmaterials
wird an den inneren Leiter eines koaxialen Kabels angeschlossen, das entlang der Trägerkante angeordnet ist. Andere
Anordnungen, Formen und Materialien können für den Geber zur Verwendung kommen, solange das Prüfgerät zwischen
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den Teilen des Bremibündels eingeführt werden kann. In
einer anderen Ausführungsform könnte z.B. ein hohler, rohrförmiger
Träger verwendet werden, in dem das koaxiale Kabel aufgenommen wird.
Figur 3 zeigt, als Teil eines Brennbündels, eine schematische planparallele Anordnung eines Prüfgeräts 20, das quer zu der
unteren Füllkammer eines Brennelements 40 ausgerichtet ist.
Der Ultraschallgeber, welcher mit dem Brennelement 40 gekoppelt
ist, um ültraschallenergie in das Brennelement zu senden, wird durch einen nicht dargestellten Impulsgeber an
Spannung gelegt, um Impulse in einem vorher festgelegten Takt und mit einer vorher festgelegten Frequenz auszusenden.
Die Kippschaltung eines Leuchtschirms wird synchronisiert, um die gesendeten und die zurückgeworfenen Impulse darausteilen.
Die Echowellen werden von dem Leuchtschirm über den Geber empfangen. Kenn das Brennelement nicht beschädigt
ist, dann wird das Gas das einzige Medium sein, das in der unteren Füllkammer vorhanden ist. Ein hoher Reflexionskoeffizient
an der Metall-Gas-Trennfläche wird eine bedeutende Wanderung des Ultraschalls über die Innenfläche der Hülle
hinaus verhindern. Der Widerhall, der auf einem konventionellen Impulsechoinstrument für ein gasgefülltes Brennelement
dargestellt wird, ist als ein Oszillogramm in Figur 4 gezeigt, wobei die Zeit (t) als Abszisse aufgetragen ist. Das Oszillogramm
der Figur 4 und auch die Oszillogramme der Figuren 6 und 7 sind typisch für die Darstellung, die man bei einer
Frequenz von etwa 7 Megahertz erhält, wobei jede Teilung der Zeitskala etwa drei Mikrosekunden entspricht und der
Aussendurchmesser des Brennelements geringfügig unter i,25 mm
liegt. In Figur 4 ist das ausgesendete Signal im wesentlichen mit dem empfangenen Signal gemischt, das von der
ersten oder vorderen Gas-Metall-Trennfläche zurückgesandt wurde, weil das Gas einen niedrigen Durchlässigkeitskoeffizienten
hat.
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Venn dagegen das Brennelement beschädigt wurde, so daß die
untere Füllkammer Wasser enthält, dann wird der Reflexionskoeffizient an der vorderen Trennfläche bedeutend vermindert.
Somit, wie schematisch in Figur 5 dargestellt, werden bedeutende
Teile des Ultraschallimpulses durch die Flüssigkeit wandern und an der rückwärtigen Flüssigkeits-Metall-Trennfläche
innerhalb des Brennelements hO zurückgestrahlt.
Somit wird ein Echosignal von einer verhältnismäßig ausgeprägten Größe auf der Zeitskala getrennt von dem ausgesendeten
Signal dargestellt. Der Widerhall, der auf einem konventionellen Impulsechoinstrument bei einem schadhaften, mit
Wasser gefüllten Brennelement dargestellt wird, ist als ein Oszillogramm in Figur 6 gezeigt. Ein bedeutender Widerhall
tritt bei etwa 15 Mikrosekunden auf der Abszisse ein dies ist das von der Rückwand empfangene Echo.
Die untere Füllkammer eines Brennelementes enthält im allgemeinen eine Schraubenfeder, die den freien Durchgang des
Ultraschalls beschränken kann. Dies ist jedoch keine unüberwindliche Schwierigkeit. Wenn die Breite des piezoelektrischen
Elements, entlang der Längsachse des Brennelements gemessen, größer ist als die Teilung der Schraubenfeder,
dann wird der Schall zur rückwärtigen Wand wandern und zurück? Figur 7 zeigt den typischen Widerhall eines wassergefüllten
Brennelements, welches eine Feder enthält.
Konventionelle Ultraschallgeräte enthalten Torschaltungen, welche die Aussendung von Signalen während einer in Bezug
auf einen ersten Impuls gewählten Zeitdauer erlauben. Außerdem kann eine Schaltung vorgesehen werden, um ein Alarmsignal
nur dann zu erzeugen, wenn der Ultraschallsignalausschlag in der durch Torschaltung gesperrten Zeit einen
vorher eingestellten Schwellenwert überschreitet. Wenn das
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Tor so eingestellt ist, daß Signale zwischen 12 und 15
Mikrosekunden auf der Abszisse durchgelassen werden, und
wenn die Ausschlagschwelle auf die Linie i der Koordinate eingestellt ist, dann ist das Vorhandensein von Wasser in
einem Brennelement mit oder ohne Federn feststellbar.
Im Betrieb wird das Prüfgerät in den Zwischenraum zwischen benachbarten Teilen des Brennbündels eingeführt. Bestrahlte
Brennbündel werden für Kühl- und Abschirmzwecke während des Ausbaus aus einem Reaktor im allgemeinen unter Wasser gehalten
und werden zunächst in einem Becken für verbrauchten Brennstoff gelagert. Infolgedessen muß auch die Prüfung
der Brennelemente unter Wasser durchgeführt werden. Der Geber wird quer zur Längsachse des zu prüfenden Brennelemets
ausgerichtet. Ein Impuls wird dann von dem Geber in das Brennelement gesendet.
Ein Brennbündel kann durch Einführung des Prüfgeräts in das Brennelementbündel geprüft werden, ohne daß igendwelche
■Teile ausgebaut werden. Somit ist es für Prüfzwecke nur notwendig,
daß das Bündel aus dem Reaktor ausgebaut wird.
Das Verfahren kann auch auf die Verwendung von Mehrfachgeliern
ausgedehnt werden, um alle Brennelemente eines Brennbündels automatisch und schnell zu prüfen«,
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Leerseite
Claims (1)
- \De. (ZoecHacd UCcwHedt 2 Q 1 7 Q 5 9PATENTANWALT20. 4to 1978Anw.-Akte: 27PATENTANSPRÜCHE :VU Ultraschallprüfverfahren zur Feststellung von schadhaften Brennelementen, die sich unter Wasser befinden und auf Abstand in einem Brennbündel der Art angeordnet sind, welche man in wassergekühlten Reaktoren verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt: ein Ultraschallprüfgerät mit einem Ultraschallgeber in die Zwischenräume zwischen den Brennelementen einführen; den Geber mit einem zu prüfenden Brennelement ausrichten; den Geber an Spannung legen, um einen Ultraschallimpuls in das zu prüfende Brennelement zu senden; die zurückgestrahlen Ultraschallechos messen·2. Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es weiterhin den Schritt umfaßt, der darin besteht, die Ultraschallechos innerhalb eines Zeitintervalls nach Assenden des Ultraschallimpulses zu messen.3. Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet^ daß es weiterhin den Schritt umfaßt, der darin besteht, nur einen eine vorher festgelegte Schwelle überschreitenden Teil der Ultraschallechos innerhalb des Zeitintervalls zu erfassen.k. Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin den Schritt umfaßt, der darin besteht, die Ultraschallechos von der gegenüber dem Standort des Gebers fern gelegenen Innenwandfläche des Brennelements zu messen,809845/0771 " 2 ~ORIGINAL INSPECTEDAnw.-Akte: 27— 2 —5. Ultraschallprüfverfahren nach Anspruch 4, dadurch g e kennzeichne t , daß es den Schritt umfaßt, der darin besteht, nur den eine vorher festgelegte Schwelle überschreitenden Teil der Ultraschallechos zu erfassen.8098 4 5/0771
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