DE2835162A1

DE2835162A1 - Verfahren zur ueberpruefung des gasdruckes in einem kernbrennstab

Info

Publication number: DE2835162A1
Application number: DE19782835162
Authority: DE
Inventors: William J Jones
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-09-08
Filing date: 1978-08-11
Publication date: 1979-03-22
Also published as: GB2004074B; JPS5853300B2; BE870330A; FR2402925B1; GB2004074A; JPS5450789A; SE430931B; FR2402925A1; IT7827382A0; SE7809478L; IT1098557B; US4136553A; ES473107A1; DE2835162C2

Description

PATKNTAIiWALT Dipl. ing. B. HOLZEB PHILIPPINE -WBIiSBB - 8TBA88B 14

8900 AUGSBUBG

TBtBFOK 516475 TELEX 583 809 P«tol A

W.952

Augsburg, den 7· August 1978

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222, V.St.A.

Verfahren zur Überprüfung des Gasdruckes in einem

Kernbrennstab

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur überprüfung des im Inneren eines mit innerem überdruck versehenen verschlossenen Kernbrennstabes herrschenden Gasdruckes.

Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Qualitätskontrolle in der Brennstabfertigung.

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Bekanntermaßen werden die in Kernreaktoren verwendeten Brennstäbe, deren Hüllen aus Zircaloy, rostfreiem Stahl oder anderem Werkstoff bestehen, mit einem Gas, beispielsweise Helium, unter einen Innendruck von etwa 35 bar gesetzt, um den Wärmeübergang von den innerhalb des Brennstabs befindlichen Brennstofftabletten auf die Brennstabhülle zu verbessern, von wo die Wärme durch das zwischen den Brennstäben hindurchzirkulierte Reaktorkühlmittel abgeführt wird. Außerdem trägt dieser Innendruck dazu bei, daß die Brennstäbe dem etwa 155 bar betragenden Druck des zirkulierenden Kühlmittels standhalten können, der die Brennstabhüllen zusammenzudrücken sucht.

Da die Fertigung der Brennstäbe auch die Herstellung ihres Innendruckes umfaßt_a ist es aus Gründen der Qualitätskontrolle notwendig,, diesen Innendruck an repräsentativen Stichproben der hergestellten Brennstäbe zu messen, um sicherzustellen, daß die Anforderungen in Bezug auf den Innendruck bei der Herstellung eingehalten werden. Außerdem ist es wegen des verhältnismäßig hohen Wertes der Brennstäbe wichtig, daß diese bei der Kontrolle nicht zerstört werden.

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Das Hauptproblem bei der Messung des Brennstabinnendruckes ohne Zerstörung des Brennstabs liegt darin, daß die Messung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden muß. Typischerweise wird für den Innendruck der Brennstäbe ein Wert von etwa 35 bar mit einer Toleranz von + 1 bar verlangt. In der Qualitätskontrolle versucht man jedoch üblicherweise, bei der Qualitätsüberprüfung mit einer um eine Größenordnung größerer Genauigkeit zu messen, d.h. hier den Innendruck mit einer Meßtoleranz von +0,1 bar zu ermitteln. Diese Meßtoleranz von +0,1 bar entspricht bei dem genannten Innendruck der Brennstäbe von 35 bar einer Meßgenauigkeit von + 0,3 %» Aus diesem Grund sind Versuche einer zerstörungsfreien Messung mit dieser hohen Genauigkeit wenig erfolgreich geblieben. Eine Alternativmöglichkeit hierzu ist jedoch das Anbohren der Brennstabhüllenwand, die Durchführung einer genauen Druckmessung und das anschließende Wiederzuschweißen des Brennstabs.

Obwohl es möglich ist, einen Brennstab anzubohren und das darin befindliche Gas in eine Meßkammer bekannten Volumens austreten zu lassen, ist die Messung des Innendruckes mit der gewünschten Genauigkeit noch ziemlich schwierig, da das Leerraumvolumen im fertigen Brennstab nur mit einer Genauigkeit von etwa + 20 % bekannt ist. Die

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Entspannung des im Brennstab befindlichen Gases in ein bekanntes Meßvolumen erfordert daher noch ein anschließendes genaues Messen des Leerraumvolumens im Brennstab. Das kann auf vielfältige V/eise erfolgen, beispielsweise durch Wiederfüllen des Brennstabs auf einen bekannten Druck und anschließendes Wiederentspannen des im Brennstab befindlichen Gases in eine Meßkammer bekannten Volumens ohne vorheriges Verschließen des Brennstabs, um das Leerraumvolumen im Brennstab zu ermitteln. Es kann auch ein Doppelentspannungsverfahren Anwendung finden, gemäß welchem das in dem zusammengenommenen Volumen von Meßkammer und Brennstableerraum befindliche Gas anschließend nochmals in eine zweite Meßkammer mit bekannten Volumen entspannt wird. Diese Verfahren sind jedoch zeitraubend und bringen trotzdem nicht das gewünschte Maß an Meßgenauigkeit, das zur Qualitätskontrolle der Brennstäbe im Hinblick auf den Innengasdruck auf Stichprobenbasis erforderlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfacheres Verfahren zur genauen Überprüfung des Gasdruckes in einem fertigen Brennstab anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

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Die Abweichung des sich ergebenden Ausgleichsdruckes vom Nenngasdruck ist direkt proportional zur Abv/eichung des tatsächlichen Gasdruckes in dem gemessenen Brennstab vom Kenngasdruck.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer

Einrichtung zur Überprüfung des Gasdruckes in einem Kernbrennstab, und

Fig. 2 eine etwas vereinfachte Ausführungs

form einer derartigen Einrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Messung des Gasdruckes in einem Brennstab mit Hilfe einer Nullabgleich-Meßtechnik.

Da die Wirksamkeit des Laserstrahl-Bohrens bei erhöhtem Druck beträchtlich schlechter wird, werden die Brennstäbe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Umgebungsdruck angebohrt, wobei aber die Genauigkeit der Nullabgleich-Meßtechnik beibehalten wird.

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Eine Heliumgasquelle ist mit einer Füllkammer 10 verbunden j die mit einem elektromagnetisch betätigbaren Füllventil 12 und einem ebenfalls elektromagnetischen Auslaßventil 14 ausgestattet ist. Das Auslaßventil steuert das überströmen von Gas aus der Füllkammer 10 in eine Meßkammer 16.

Ein Brennstab 18, der Brennstofftabletten enthält und dessen Inneres unter einem Gasdruck von etwa 35 bar gesetzt worden ist, wird zur Messung seines Innendruckes zum Zwecke der Qualitätskontrolle mit seinem Ende in die Meßkammer 16 eingeführt, innerhalb welcher dieses Brennstabende mittels eines Laserstrahls angebohrt wird, der durch ein Fenster 19 der Meßkammer hindurchfällt. Ein Druckwandler 20 dient zur Druckmessung und ein elektromagnetisch betätigbares Entlüfteventil 22 steuert die Entlüftung der Füllkammer 10 und der Meßkammer 16 über ein Filter 24 in die Außenluft.

Im Zuge der Brennstabfertigung ist das Innere des Brennstabs 18 unter den gewünschten Nenngasdruck von etwa 35 bar gesetzt worden, was gewöhnlich durch eine Axialbohrung 26 einer am Brennstabende angeschweißten Endkappe 28 hindurcherfolgt«, Nach der Erzeugung des inneren Gasdruckes ist die axiale Endkappenbohr>ung augesehweißfc

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worden, um das unter Druck stehende Gas im Brennstab einzuschließen. Da es aus Gründen der Qualitätskontrolle notwendig ist, zu überprüfen, ob die gefertigten Brennstäbe entsprechend den gestellten Anforderungen mit Druckgas gefüllt und sauber zugeschweißt werden, um das Druckgas im Brennstab zu halten, werden repräsentative Stichproben aus den gefertigten Brennstäben zur Kontrolle entnommen. Ein zur Kontrolle gewählter Brennstab wird dann mit seinem Ende in der dargestellten und oben beschriebenen Weise in die Meßkammer 16 eingeführt.

Der Gasdruck im Brennstab wird mittels einer Nullabgleichtechnik genau gemessen. Der geforderte Nenngasdruck im Brennstab ist bekannt. Zur Durchführung der Messung mit der dargestellten Meßanordnung werden zunächst das Entlüfteventil 22 geschlossen und das Füllventil 12 und das Auslaßventil 14 geöffnet, so daß die Füllkammer 10 und die Meßkammer 16 langsam mit Helium gefüllt werden, bis ein Druck P_ erreicht wird, der das 1,6-fache des Nenngasdruckes im Brennstab beträgt und an einem nicht dargestellten Digitalpotentiometer eingestellt wird. Wenn der vorgegebene Fülldruck erreicht ist, was durch den Druckwandler 20 festgestellt wird, wird das Füllventil 12 geschlossen und dadurch die Anordnung von der Heliumgasquelle abgetrennt. Danach wird

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das Auslaßventil 14 geschlossen, wodurch die Füllkammer von der Meßkammer 16 abgetrennt wird, und das Entlüfteventil 22 wird geöffnet, um die Meßkammer in die Außenluft zu entlüften. Danach wird das Entlüfteventil wieder geschlossen und das Auslaßventil 14 geöffnet, so daß sich nunmehr in beiden Kammern ein gleicher Druck P„ einstellt, der gleich dem Nenngasdruck im Brennstab ist. Der Zweck dieses Schrittes besteht darin, sicherzustellen, daß der Druck P_Q in den kombinierten Volumen der beiden Kammern gleich dem Nenngasdruck im Brennstab ist. Falls erforderlich, wird dieser Schritt unter Nachstellung des Fülldruckes wiederholt, bis die Bedingung erfüllt ist, daß der sich in den beiden Kammern einstellende Ausgleichdruck gleich dem Nenngasdruck ist.

Für die Messung wird jeweils vor dem Anbohren der Brennstabendkappe und dem Entspannen des Brennstabinneren in die leere Meßkammer die eine Hilfskammer darstellende Füllkammer mit dem Fülldruck gefüllt, der, wie bereits gesagt, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel dem 1,6-fachen des Nenngasdruckes im Brennstab entspricht. Dieser Füllgasdruck ist, wie bereits aus dem vorhergehenden hervorgeht, so gewählt, daß bei Verbindung der gefüllten Füllkammer mit der entlüfteten Meßkammer 16 sich ein Ausgleichsdruck

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in den beiden Kammern einstellt, der gleich dem Nenngasdruck ist. Nachdem die Meßkammer durch Öffnen des Entlüfteventils in die Außenluft entlüftet worden ist, wird das Entlüfteventil wieder geschlossen und der Brennstab angebohrt. Durch das Anbohren des Brennstabs wird das Brennstabinnere in die Meßkammer entspannt, und anschließend wird das Auslaßventil 14 der Füllkammer geöffnet , wodurch das Gas in der Meßkammer wieder auf einen Druck nahe des Nenngasdruckes gebracht wird. Der sich in den drei nunmehr miteinander in Verbindung stehenden Volumen einstellende Enddruck entspricht genau demjenigen Druck, den man mittels einer einfachen Druckausgleichsmessung unter Verwendung einer mit dem kombinierten Volumen von Meß- und Füllkammer volumengleichen Kammer erhalten hätte. Bei Ermittlung des sich nach dem Entspannen des Brennstabinneren in die Meßkammer in dem kombinierten Volumen dieser beiden Räume ergebenden Zwischendruckes ist es auch möglich, gewünschtenfalls das Leerraumvolumen des Brennstabs zu berechnen.

Ein besonderer Vorteil der Verwendung einer während des Anbohrens des Brennstabs unter den Außenluftdruck stehenden Meßkammer liegt darin, daß für das Anbohren nur ein sehr kleiner Energiepegel erforderlich ist. Ein hoher Druck würde eine Verzerrung des Laserstrahls verursachen.

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Die Nullabgleich-Messung kann auch mit einer einfacheren Anordnung der in Fig. 2 gezeigten Art ausgeführt werden, die wiederum eine Heliumgasquelle sowie ein elektromagnetisch betätigbares Füllventil 30 aufweist, das mit einer i'leßkammer 32 verbunden ist. Ein Brennstab 34 ragt an einer Meßkammerseite in diese hinein, und an der gegenüberliegenden Heßkammerseite befinden sich ein Fenster 36 und ein Lasergerät 38, das zum Anbohren des in die Meßkammer hineinragenden Brennstabendes in der oben beschriebenen Weise dient. Die Meßkammer 32 wird vor dem Anbohren des Brennstabs unter den bekannten Nenngasdruck gesetzt. Nach dem Anbohren des Brennstabs stellt sich ein Ausgleichsdruck zwischen dem Brennstabinnendruck und dem xießkammerdruck ein, und' die Abweichung dieses Ausgleichsdruckes P„ vom Nenngasdruck steht dann in direkter Beziehung mit der Abweichung des Brennstabinnendruckes vom Nenngasdruck:

P-P = (1 + —2 ) (P-P )

R NOM ν ^f N0^M

in dieser Gleichung ist

P₁-, = tatsächlicher Gasdruck im Brennstab

^PNOM ^{= Nenn}sasdruck (Solldruck im Brennstab) V_q = Meßkammervolumen + Brennstableerraumvolumen

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V_n, = Brennstab leerraumvolumen P„ = Meßkammerdruck + tatsächlicher Gasdruck im Brennstab

Für ein verhältnismäßig kleines Verhältnis von λθ&- kammervolumen zum Brennstableerraumvolumen ist der Ausgleichsdruck P„ im wesentlichen gleich dein tatsächlichen Gasdruck im Brennstab und unabhängig von Abx\reichunö'en des Brennstableerraumvolumens. Aber selbst wenn das r'.'eßkammervolumen nicht vernachlässigbar klein ist, kann der tatsächliche Gasdruck im Brennstab genau aus dem Austileichsdruck berechnet werden, indem seine Abweichung vom Menngasdruck mit dem Verhältniswert (1 + V /V_P) multipliziert

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wird. Darüberhinaus ist der Fehler der Druckmessung aufgrund ungenauer Kenntnis des Leerraumvolumens V_n beträchtlich herabgesetzt. Dieser Fehler des gemessenen Druckwertes P_n,

aufgrund von Schwankungen des Leerraumvolumens V_R ist durch den nachstehenden Ausdruck gegeben:

ti

Beispielsweise beträgt bei einem Volumenverhältnis V /V von 1,0 die maximale Abweichung des Druckes P_R vom Nenngasdruck Pjjom ^be^ einem Brennstab, dessen Druck innerhalb

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- 14 der Toleranz von + 1 bar liegt, nur 0,5 bar. Daher gilt:

ΔΡ_Κ = y^ (D (0,5) = 0,5

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Folglich ist bei einer i-iaximalabweichung von V₁ von + 20 % vom "Jennwert die Abweichung (Fehler) des gemessenen Wertes von P_R (0,2 χ 0,5) bar =0,1 bar.

Selbst dieser kleine Fehler kann aber durch eine nachfolgende Entspannung des Gases in dem kombinierten Volumen in ein anderes Volumen zwecks Messung von V eliminiert werden.

Zur Erzielung einer maximalen Genauigkeit unter Verwendung der Druckausgleichs-Meßtechnik muß die Abweichung des Ausgleichsdruckes vom unbekannten Druck möglichst klein gehalten werden. Aus diesem Grunde ist es für Qualitätskontrollmessungen wesentlich zweckmäßiger, einen vorher bekannten gegebenen Drucksollwert mit dem zu messenden Druckwert zu vergleichen, als eine i-iessung ohne vorherige Kenntnis des Sollwerts durchzuführen. Die Genauigkeit der lfessung nimmt für Drücke außerhalb des angegebenen Toleranzbereiches ab, was aber verhältnismäßig unwichtig ist, da die Prüfung bei wesentlich unter dem Drucksοllwert liegenden Brennstäben nicht weiter fortgeführt wird.

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Claims

Dipl. ing. K. HOLZEB

PHILIPPINE -WBIiSEB- STBASSB 14

8000 AUGSBUBG

TKIiIiFOK 518475 TELEX 633201 P*t°I *

Patentansprüche

(l\ Verfahren zur Überprüfung des im Inneren eines mit innerem überdruck versehenen verschlossenen Kernbrennstabes herrschenden Gasdruckes, wobei der Brennstab mit einem Ende in eine dieses Brennstabende gasdicht umschließende Meßkammer eingeführt und sodann zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Brennstabinneren und der Meßkammer innerhalb der Meßkammer angebohrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer unter einen dem Nenngasdruck im Brennstabinneren entsprechenden Gasdruck gesetzt und nach dem Anbohren des Brennstabs die durch den Druckausgleich zwischen dem Brennstabinneren und der Meßkammer eintretende Druckänderung in der Meßkammer als Maß für den Gasdruck im Brennstab gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßkammervolumen so klein wie praktisch möglich gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis zwischen dem Meßkammervolumen und dem Leerraumvolumen des Brennstabinneren von etwa gewählt wird.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstab mittels eines Laserstrahls angebohrt wird, und daß der Meßkammer eine Füllkammer zugeordnet ist, die erst nach dem Anbohren des Brennstabs mit der Meßkammer verbunden wird und vor der Verbindung mit der Meßkammer unter einen solchen Gasdruck gesetzt wird, daß das in der Füllkammer enthaltene Gas ausreicht, nach der Verbindung der Füllkammer mit der Meßkammer in dieser und in der Brennstabanbohrung den, dem Nenngasdruck im Brennstabinneren entsprechenden Gasdruck herzustellen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Füllkammer und die Meßkammer, falls erforderlich, weiteres Gas eingeleitet wird, um in dem angebohrten Brennstab den gewünschten Nenngasdruck herzustellen, und daß anschließend die Brennstabanbohrung mittels des Laserstrahls wieder zugeschweißt wird.

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