DE2910927A1

DE2910927A1 - Vorrichtung zur messung der oertlichen leistung in einer brennstoffanordnung eines kernreaktors

Info

Publication number: DE2910927A1
Application number: DE19792910927
Authority: DE
Inventors: Thor-Harrald Korpas; Robert H Leyse; Erik Rolstad; Robert D Smith
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1978-03-21
Filing date: 1979-03-20
Publication date: 1979-10-11
Also published as: ES478846A1; SE7902418L; BE874866A; IT1118443B; DE2910927C2; IT7967579A0; SE8401872D0; GB2018421B; FR2420827A1; NO781773L; NO148577B; JPS6161360B2; SE458405B; GB2018421A; NO148577C; JPS54158591A; SE449040B; FR2420827B1; SE8401872L

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weicküann, Dipl.-Phye. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska

8000 MÜNCHEN SiS, DEN / '; μ/"-, POSTFACH S60820 '""'

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 33 21/22

ELECTRICITE DE PRANCE
(Service National)
2, rue Louis Murat
F-75008 PARIS

Vorrichtung zur Messung der örtlichen Leistung in einer Brennstoffanordnung eines Kernreaktors

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Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weick:»iann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F.AAVeickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska

SOOO MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH S60820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 9S 39 21 /22

Beschreibung 2 310927

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, mit deren Hilfe eine örtliche Messung der Wärmemenge ermöglicht ist, die im Bereich des Brennstoffs innerhalb einer Kernanordnung eines Nuklearreaktors erzeugt wird. Die Kenntnis dieser Größe und insbesondere die Ermittelung bzw. Beurteilung der spezifischen Geschwindigkeit, mit der diese Wärmemenge erzeugt wird, gestattet durch Anwendung geeigneter Einrichtungen einen sicheren und wirksamen Schutz dieser Anordnungen und damit des Kernes und infolgedessen der gesamten nuklearen Anlage zu erzielen.

Es ist bereits eine Anzahl von Vorrichtungen bekannt, die eine Messung der örtlichen Leistung vornehmen. Diese bekannten Vorrichtungen arbeiten im allgemeinen in der Weise, daß sie den Neutronenfluß in unmittelbarer Nähe des Brennstoffes ermitteln. Eine bekannte Beziehung gestattet sodann, den Wert dieses Flusses mit der freigesetzten Leistung zu verknüpfen. Als Vorrichtungen dieser Art lassen sich insbesondere die Spaltkammern, die Neutronendetektoren, die Neutronenthermometer und Kollektoren erwähnen. Jede dieser Vorrichtungen erfüllt die vorgesehene Funktion jedoch nicht vollkommen; die Signale der betreffenden Vorrichtungen sind üblicherweise nicht der örtlich durch den Brennstoff abgegebenen Leistung proportional, da sich diese Leistung mit dem Fluß der ein-

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fallenden Neutronen ändert. Aufgrund dieser Tatsache macht die Bestimmung der abgegebenen Leistung gewisse Approximationen erforderlich, um während der Benutzungsdauer der Anlage die "Verminderung des wirksamen Querschnitts des verbrauchten Brennstoffs sowie die Erschöpfung der Signalabgabeeinrichtung selbst zu berücksichtigen.

Man hat in gleicher Weise eine lokale Messung der abgegebenen Leistung mit Hilfe bekannter Vorrichtungen in Betracht gezogen, die unter der Bezeichnung "Gammastrahlen-Thermometer" bekannt geworden sind. Bei diesen bekannten Vorrichtungen geht die Erhöhung der gemessenen Temperatur auf die Tatsache zurück, daß die betreffenden Vorrichtungen der elektromagnetischen Strahlung der Gammastrahlen in einem Verhältnis ausgesetzt sind, welches 95% erreichen kann; dabei wird ein Wert von ungefähr 70% aufgrund von Spaltprodukten im Augenblick der Messung sowie ein Wert von 25% aufgrund von anderen auftretenden Spaltprodukten während einer vorangehenden Zeitspanne dieser Messung in der Größenordnung von 5 mn erzielt. Bei derartigen Gammastrahlen-Thermometern kann der Wert der Erhöhung der Temperatur in einem die Strahlen absorbierenden Körper ein tatsächliches Maß über eine kontrollierte bzw. geregelte Weglänge bzw. Reichweite sein; der betreffende Wert kann durch Abführen der erzeugten Wärme konstant gehalten werden. Die Gesetze der Wärmeleitung zeigen daher, daß die auf einer quer zu dem Körper mit konstanter Leitfähigkeit gegebenen Bahn gemessene Temperaturdifferenz proportional der Wärmeerzeugung und damit proportional zu der Leistung ist, die von dem im unmittelbaren Bereich der betreffenden Bahn befindlichen Kernbrennstoff infolge von Spaltungen in diesem Kernbrennstoff abgegeben worden ist.

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In der Praxis sind zwar die Gammastrahlen-Thermometer bis jetzt gewissermaßen in den Schwerwasserreaktoren verwendet worden, wobei sie Signale liefern, die proportional zu der jeweils erzeugten spezifischen Wärme sind. Dabei machen diese Thermometer keinerlei Kompensation mit Rücksicht auf die Erschöpfung von Uran durch Zerfall erforderlich, und ferner ist keine Messung des Reaktorbetriebs und des Empfindlichkeitsverlustes des Meßinstruments erforderlich. Darüber hinaus bringen diese Vorrichtungen eine sehr hohe Stabilität mit sich, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die Absorption von Gammastrahlen lediglich von der Dichte des Absorptionskörpers abhängt und durch solche Änderungen .nicht betroffen ist, die auf Modifikationen bzw. Veränderungen in der Atom- oder Isotopstruktur zurückgehen. Derartige Beeinträchtigungen kennzeichnen andererseits die anderen Detektorarten. Die Einwirkung des benachbarten Neutronenflusses auf das Material hat hier daher eine vernachlässigbare Wirkung auf die Eigenarten zur Folge, die die Absorption von Gammastrahlen und damit die Temperaturerhöhung bestimmen.

Die bis jetzt insbesondere für Schwerwasserreaktoren ausgeführten Gammastrahlen- Thermometer sind jedoch lediglich geeignet, punktuell eine Leistungsmessung vorzunehmen, und zwar in mW/g. Diese generell verwendeten Vorrichtungen sind dabei im Innern eines Schutzmantels angeordnet, der im Kern mitten unter den Brennstoffelementen angeordnet ist. Die betreffenden Vorrichtungen weisen eine Masse aus absorbierendem Metall auf, welches zum einen mit dem Schutzmantel und dem äußeren Bereich in Kontakt ist und auf die Temperatur des betreffenden äußeren Bereichs anspricht, und zum anderen ist die betreffende Metallmasse mit dem Schutzmantel verbunden. Die betreffende Metallmasse ist dabei allerdings in einer isolierten Kammer untergebracht. Der Zwischenraum

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zwischen diesem letzten Teil und dem Schutzmantel ist mit einem Gas oder mit Luft ausgefüllt oder sogar luftleer bemacht. Die betreffende Vorrichtung stellt somit eine Wärmeaufnahmeeinrichtung dar, in der mit Hilfe von Thermoelementen die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Bereichen bzw. Teilen der absorbierenden Masse gemessen werden kann. Da die geometrischen Eigenschaften dieser Masse bekannt sind, kann man nach vorhergehender Eichung die absorbierte thermische Leistung und damit die von dem benachbarten Kernbrennstoff abgegebene Leistung ableiten.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, die praktische Ausführung eines Gammastrahlen-Thermometers der vorstehend bezeichneten Art zu ermöglichen und dabei die Anwendung dieses Thermometers in Gammastrahlenflüssen zuzulassen, die insbesondere stärker sind als jene, die in Schwerwasserreaktoren auftreten, wie beispielsweise in Leichtwasserreaktoren und gegebenenfalls in Reaktoren mit schnellen Neutronen, um eine Messung der linearen Leistung zu ermöglichen, die von dem Brennstoff abgegeben wird, wobei die betreffende Messung generell in W/cm erfolgen soll.

Darüber hinaus soll es bei gewissen Ausführungsformen möglich sein, aufgrund der sehr hohen Geschwindigkeiten des Temperaturanstiegs in einem Leichtwasserreaktor mit einer hinreichend kleinen Ausführung des die berücksichtigten Gammastrahlen erfassendenThermometers auszukommen, um die Anbringung dieses Thermometers in einem Mantel zu ermöglichen, der einen sehr kleinen Durchmesser und eine große Länge besitzt, um ihn mitten in das Bündel der ummantelten Stäbe einer Brennstoffelementanordnung einführen zu können, die in üblicher Weise in einem Reaktor dieser Art verwendet werden (mit einem Durchmesser von 8 bis 10 mm und einer Länge von 4m).

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Ferner soll eine genaue und sichere Messung ermöglicht sein, die im Laufe der Zeit keinerlei merkliche Abweichung

bzw. Verminderung ihrer besonderen Zuverlässigkeit erfährt, so daß die Messung in einer Reihe von aufeinanderfolgenden verschiedenen Zonen über die gesamte Höhe der Anordnung durchgeführt v/erden kann.

Schließlich soll das neu zu schaffende Gammastrahlen-Thermometer so ausgeführt werden können, daß es in der Werkstatt einer genauen Eichung unterzogen werden kann, bevor es im Kern eines Reaktors angebracht wird, wobei die betreffende Eichung mittels eines Systems vorgenommen werden können soll, welches die von dem Brennstoff abgegebene Leistung gewissermaßen nachbildet.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die in den Patentansprüchen erfaßte Erfindung.

Gemäß der Erfindung ist eine Verbesserung bei Vorrichtungen der oben betrachteten Art erreicht, wodurch die Vornahme einer Messung ermöglicht ist, die einer nennenswerten Temperaturdifferenz entspricht. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung erfüllt im übrigen sämtliche vorstehend aufgeführten Ziele.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

Sie enthält einen langgestreckten Körper aus einem Material, welches Wärme und Elektrizität leitet;in axialer Richtung längs des langgestreckten Leiter-Körpers ist eine Vielzahl von ein Gammastrahlungs-Thermometer bildenden verteilten Zonen vorgesehen, deren jede ein Gammastrahlungs-Thermometer bildende Zone eine Wärmebrücke und eine Kältequelle sowie zwei Verbindungsstellen enthält, die derart angeordnete Thermoelemente bilden, daß sie die Tetmperaturdifferenz

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längs einer Wärmestrecke messen, die entsprechend einer einzigen Abmessung zwischen der genannten Wärmebrücke und der genannten Kältequelle verläuft; die durch die Brennstoffanordnung nahe der jeweils ein Gammastrahlungs-Thermometer bildenden Zone erzeugte Leistung führt zur Ableitung von Signalen, die kennzeichnend sind für die betreffende Temperaturdifferenz.

Die Wahl eines Materials, welches nicht nur ein Wärmeleiter ist sondern in gleicher Weise auch ein elektrischer Leiter, um einen zylindrischen Stab zu bilden, ermöglicht u.a., eine vorhergehende Eichung der betreffenden Vor- . richtung vorzunehmen, beispielsweise dadurch, daß die Enden des betreffenden Stabes mit einem einen elektrischen Strom abgebenden Generator verbunden werden. Dadurch wird durch einen bekannten elektrischen Widerstand des betreffenden Stabes eine bestimmte Wärmeleistung erzeugt. Im Hinblick auf die Herstellung der Länge der Teile des Stabes mit vermindertem Querschnitt, d.h. in der Abmessung der ringförmigen Kammern, die zwischen dem Stab und dem äußeren Schutzrohr gebildet sind - kann man somit für eine gegebene elektrische Leistung die entsprechende Temperaturabweichung bestimmen. Umgekehrt sowie im Betrieb läßt sich bei Bekanntsein der festliegenden Länge in der Konstruktion und der erhöhten Temperaturabweichung augenblicklich die abgegebene Wärmeleistung ableiten.

Vorzugsweise besteht der zylindrische Stab aus rostfreiem Stahl, insbesondere der Sorte 304L. In Abweichung davon kann der betreffende Stab aus Aluminium, aus Wolfram oder aus einem gänzlich anderen Metall oder einer Legierung bestehen, die unter Betriebsbedingungen geeignet ist. In Abweichung davon kann der betreffende Stab auch durch eine leitende Keramik gebildet sein.

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Gemäß einer ersten Ausführungsform besteht der langgestreckte Körper aus einem langgestreckten zylindrischen Stab, der aus einem Material besteht, welches ein Wärmeleiter und ein elektrischer Leiter ist. Der betreffende Stab umfaßt einen mittleren Kanal, der eine Reihe von Thermoelementen enthält, deren Verbindungsstellen zwischen der kalten Seite und der warmen Seite zwischen diesen beiden Seiten wird die jeweilige Messung vorgenommen - in verschiedenen Zonen in Längsrichtung des Stabes vorgesehen sind, der in jeder Zone einen Bereich verminderten Querschnitts besitzt, der sich über eine bestimmte Länge der Konstruktion erstreckt. Die warme Verbindungsstelle eines Thermoelements ist in der Mitte der Länge des jeweiligen Bereichs unbeweglich, während die kalte Verbindungsstelle oberhalb des Endes des betreffenden Bereichs und zwischen zwei Bereichen verminderten Querschnitts in zwei aufeinanderfolgenden Zonen angeordnet bzw. vorgesehen ist. Die Vorrichtung enthält in gleicher Weise ein äußeres Schutzrohr, welches den genannten Stab umgibt und welches rechtwinklig zu dem Bereich verminderten Querschnitts in der jeweiligen Zone eine ringförmige Isolierkammer umgrenzt. In jedem der Bereiche, die im Durchmesser nicht vermindert sind, ist der betreffende Stab auf seinem Umfang mit zumindest einer ringförmigen Rille versehen; das betreffende Rohr ist mit Eindruckstellen versehen, die in die betreffenden Rillen eingreifen, um einen thermischen Kontakt zwischen dem Rohr und dem Stab zu gewährleisten.

Bei einer anderen Ausführungsvariante besteht der langgestreckte Körper aus einem langgestreckten zylindrischen Stab aus einem Material, welches ein Wärmeleiter und ein elektrischer Leiter ist. Der betreffende Stab weist einen mittleren Kanal auf, der eine Reihe von Thermoelementen enthält, deren Kalt-Warm-Verbindungsstellen - die jeweils eine Messung vornehmen - in verschiedenen Zonen untergebracht sind, die sich in

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Längsrichtung des betreffenden Stabes erstrecken. Der betreffende Stab weist in jeder Zone einen Bereich verminderten Querschnitts auf, welcher sich über eine bestimmte Länge der Konstruktion erstreckt. Die warme Verbindungsstelle eines Thermoelements ist in der Mitte längs des jeweiligen Bereiches unbeweglich angeordnet, während die kalte Verbindungsstelle außerhalb des Endes dieses Bereichs zwischen zwei Bereich verminderten Querschnitts in zwei aufeinanderfolgenden Zonen angeordnet ist. Die Vorrichtung enthält in gleicher Weise ein äußeres Schutzrohr, welches den betreffenden Stab umgibt und welches unter rechtem Winkel zu dem Bereich verminderten Querschnitts in der jeweiligen Zone eine ringförmige Isolationskammer begrenzt. Das betreffende Rohr ist durch zumindest eine Körperwand gebildet, die eine Barriere gegenüber Wasserstoff zu bilden vermag.

Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist das Schutzrohr weggelassen.

Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform ist der langgestreckte Körper durch einen Stab mit einem geraden konstanten Querschnitt gebildet. Dieser Stab ist mit Hohlräumen versehen, die die Thermoelemente aufzunehmen vermögen. Jeder Hohlraum entspricht dabei einer Zone, die ein Gammastrahlungs-Thermometer bildet. Die betreffende Zone umfaßt einen mittleren Bereich in bezug auf den genannten Stab, und sie enthält die warme Verbindungsstelle des betreffenden Thermoelements. Außerdem umfaßt die betreffende Zone einen am Umfang des genannten Stabes angeordneten Bereich , der das kalte Verbindungselement des Thermoelements enthält.

Weitere charakteristische Merkmale und Vorteile einer Vorrichtung zur Messung der örtlichen Leistung in einer

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Brennelementeinrichtung eines Kernreaktors ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Im einzelnen zeigen Fig. 1 eine schematische Perspektivänsicht eines Teiles einer mit einer Meßvorrichtung gemäß der Erfindung versehenen Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor,

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab eine Schnittansicht einer Einzelheit der betreffenden Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 3 eine Schnittansicht in noch größerem Maßstab gemäß der in Fig. 2 eingetragenen Linie III-III, Fig. 4 eine Teilschnittansicht längs der in Fig.3 eingetragenen Linie IV-IV,

Fig. 5 eine entsprechende Schnittansicht wie Fig. 2 gemäß einer ersten Variante der dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 6 eine entsprechende Ansicht wie Fig. 2 unter Veranschaulichung einer zweiten Ausführungsvarxante der Meβvorrichtung, und

Fig. 7a bis 7c Ansichten einer dritten Ausführungsvariante der Vorrichtung.

In der Perspektivansicht gemäß Fig. 1 ist mit 1 eine schematisch dargestellte Struktur einer Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor bezeichnet, bei dem es sich insbesondere um einen Leichtwasserreaktor handeln mag, der in bekannter Weise eine Reihe von ummantelten Brennelementstäben oder Brennelement-Stiften 2 enthält, die regelmäßig verteilt angeordnet sind. Die Gittergeometrie, gemäß der die betreffenden Stäbe angeordnet sind, ist durch Hohlgitter 3 gesichert, die in der Anordnung in gleichmäßigen Intervallen angebracht sind.

Gemäß der Erfindung enthält die Gruppe der Stäbe 2

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an einer durch das Gitter bestimmten geeigneten Stelle ein Schutzrohr 4, welches in seinem Innern die Einführung der Meßvorrichtung 5 ermöglicht, die in entsprechender Lage innerhalb dieses Rohres 4 insbesondere von dessen Unterseite her gebracht wird und die eine örtliche Messung der Leistung vorzunehmen ermöglicht, die von den in unterschiedlichen Ebenen innerhalb der Anordnung vorgesehenen Brennstoffstäben abgegeben wird. Die betreffenden Ebenen sind durch eine Reihe von Pfeilen markiert.

Wie in der in vergrößertem Maßstab dargestellten Anordnung gemäß Fig. 2 veranschaulicht, enthält die Meßvorrichtung 5 oder das betreffende Gammastrahlen-Thermometer prinzipiell einen zylindrischen Stab 7 mit einem geringen Durchmesser und einer großen Länge. Dieser Stab besteht aus einem Material, welches ein guter Wärmeleiter und ein guter elektrischer Leiter ist. Vorzugsweise besteht der betreffende Stab aus einem Metall, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder aus einer Legierung oder aus einer geeigneten leitenden Keramik. Ferner enthält die Vorrichtung gemäß Fig. 2 ein Rohr 7a, welches als Schutzüberzug für den Stab 7 dient, der von diesem Rohr umschlossen ist.

Der langgestreckte Stab 7 vermag sich somit über die gesamte Höhe des äußeren Schutzrohres 4 in der Brennstoffanordnung 1 zu erstrecken. Dies setzt eine einmalige Einführung in das Rohr 4 und gerade in den Zonen voraus, in denen die Leistungsmessungen vorgenommen werden müssen. Diese Zonen sind in Fig. 1 durch die Pfeile angedeutet. Bereiche 9 mit vermindertem Querschnitt des Stabes 7 sind von ringförmigen Kammern 10 umschlossen, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen diesen Bereichen bzw. Teilen 9 und der Innenwand des

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Rohres 7a begrenzt sind. Der Stab 7 wird, in das Innere des Rohres 7a mit einem Spiel 11 eingeführt, wodurch das Verschieben des betreffenden Stabes innerhalb des Rohres zur Einstellung des betreffenden Stabes ermöglicht ist.

Aus Fig. 2 geht ferner hervor, daß in den einen nennenswerten Durchmesser besitzenden Teilen 8 des Stabes ringförmige Rillen 8a enthalten sind. An diesen Rillen 8a erfährt das Rohr 7a nach seiner Einstellung eine Verformung, um ringförmige Eindruckteile 7a zu bilden, die den Rillen 8a entsprechen. Die Verformung genügt dabei, um einen Kontakt zwischen dem Schutzrohr 7a und dem Stab 7 sicherzustellen. Die Anzahl der Rillen in der Kontaktoberfläche kann zur Festlegung des sich ergebenden thermischen "Kontaktes" und damit des thermischen "Kontaktes" zwischen dem auf der Außenseite des Schutzrohres 7a auftretenden Fluid und den Bereichen bzw. Teilen 8 des Stabes 7 entsprechend festgelegt bzw. reguliert werden, welche thermische Brücken bilden. Die einen verminderten Durchmesser besitzenden Bereiche 9, die die ringförmigen Kammern 10 umgeben, bilden thermische Sinken oder Kältequellen.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform existiert Kein direkter fortlaufender Kontakt zwischen den Teilen 8 des Stabes 7 und dem Schutzrohr 7a. Eine derartige Meßvorrichtung wird daher als "trockene " Meßvorrichtung bezeichnet.

Gemäß der Erfindung enthält der zylindrische Stab 7 in gleicher Weise einen axial verlaufenden Längskanal 12, der sich über die gesamte Höhe dieses Stabes erstreckt und in welchem eine Reihe von Thermoelementen, wie das

sich
Thermoelement 137/ befindet. Die nähere Ausführung dieses Thermoelements wird weiter unten noch er-

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läutert v/erden. Jedes dieser Thermoelemente ist einer der Heßzonen zugeordnet, die durch die Pfeile 6 markiert sind (Fig. 1), und zwar in der Längsrichtung des Rohres 4. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß eine warme Verbindungsstelle 14 eines Thermoelements in der Mitte der Länge bzw. Höhe des jeweiligen Teiles 9 mit vermindertem Querschnitt in geeigneter Weise angeordnet ist und daß ein auch als kaltes Verbindungselemente zu bezeichnendes Kälte-Verbindungselement 15 außerhalb des Endes der Kammer entsprechend in dem Teil 8 angeordnet ist, in welchem der Stab 7 den Nenn-_querschnitt besitzt.

Im Betrieb wird die Gammastrahlung von dem nuklearen Brennstoff der den Meßstab 7 umgebenden Stäbe 2 durch die Masse dieses Stabes absorbiert, was zu einem Temperaturanstieg führt. Die somit absorbierten Wärmemengen breiten sich normalerweise radial durch die jeweiligen Bereiche des Stabes 7 aus, wobei die Bereiche mit dem schwächeren Querschnitt 9 davon ausgenommen sind, in denen aufgrund des Vorhandenseins der ringförmigen und isolierenden Kammern 10 die Ausbreitung in axialer Richtung erfolgt. Unter diesen Bedingungen ist es möglich, zwischen der Warm-Verbindungsstelle 14 und der Kalt-Verbindungsstelle 15 des jeweiligen Thermoelements 13 eine Temperaturdifferenz At zu ermitteln, die bei bekannten Abmessungen des Bereiches 9 und der Wärmeleitfähigkeit des den Stab 7 bildenden Materials die Wärmemenge g entsprechend der nachstehend angegebenen Gleichung (1) abzuleiten gestattet, die erzeugt und von dem Stab 7 absorbiert wird:

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In der vorstehend angegebenen Gleichung bedeuten L die Hälfte der Länge des Bereiches 9 und K die Wärmeleitfähigkeit des Stabes 7.

In Fig. 3 ist in einem vergrößerten Maßstab eine Schnittansicht des Stabes 7 der Meßvorrichtung gezeigt, und zwar insbesondere in dem Bereich des mittleren Kanals 12 dieses Stabes, in welchem die Thermoelemente 13 untergebracht sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Thermoelemente vorgesehen und neben der zylindrischen Innenwand des mittleren Kanals 12 angeordnet. Jedes dieser Thermoelemente besteht aus zwei Leitern 16, 17, beispielsweise aus "Chromel". Die betreffenden Leiter sind von einem äußeren Schutzmantel 18 aus "Inccnel" umgeben. Der Bereich zwischen dieser Ummantelung und den Leiterdrähten 16, 17 ist von einem Isoliermaterial 19 ausgefüllt, welches im allgemeinen aus Aluminiumoxid, Magnesia oder aus noch anderen elektrischen Isoliermaterialien besteht. Die sechs Thermoelemente, die zugleich in dem mittleren Kanal 12 angebracht sind, sind in diesem Kanal durch einen mittleren Bolzen 20 zentriert, der zugleich die richtige Positionierung und Festlegung dieser Thermoelemente ermöglicht. Zugleich ist dadurch die radiale Wärmeübertragung verbessert.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, in der eine weitere Einzelheit veranschaulicht ist, .sind die beiden Leiter 16 und 17 jedes aus "Chromel" bestehenden Thermoelements 13 miteinander durch einen Zwischenteil 21 verbunden, der aus einem anderen Material besteht, bei dem es sich im allgemeinen um "Alumel" - eine Al-Ni-Legierung - handelt. Die Schweiß- bzw. Lötstellen dieser Drähte Dilden die Warm-Verbindungsstelle 14 bzw. die Kalt-Verbindungsstelle 15; die betreffenden Verbindungsstellen ermöglichen, die Messung in der zuvor beschrie-

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benen V/eise durchzuführen. Aus Fig. 4 geht ferner insbesondere hervor, daß die Warm-Verbindungsstelle 14 in der Mitte der ringförmigen Kammer 10 vorgesehen ist, während die Verbindungsstelle 15 sich außerhalb dieser Kammer befindet und in der Zone enthalten bzw. eingelassen ist, in der der Stab 7 den Nennquerschnitt besitzt und in der die Temperatur an sämtlichen Punkten gleichmäßig ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die Ummantelung 18 jedes Thermoelements über die gesamte Höhe des mittleren Kanals 12 durch einen ebenfalls aus Inconel bestehenden Teil 22 verläuft, und zwar insbesondere oberhalb der Warm-Verbindungsstelle 14.

Gemäß der noch zu beschreibenden Ausführungsform sind die Kammern 10 mit einem Schutzgas ausgefüllt.

Es dürfte somit einzusehen sein, daß man nun tatsächlich einen in der Kammer 10 herrschenden Unterdruck erhält und daß die thermische Isolation verbessert ist, die sich in Höhe der Kältequelle ergibt. In idealer Weise müßte der Druck des Gases in den Kammern in der Größenordnung von zumindest einer millionsten Atmosphäre liegen. Die thermische Leitfähigkeit aufgrund des Gases ist daher unbedeutend.

Es ist festgestellt worden, daß bei Schaffung eines Unterdrucks in den Kammern und bei Ausführung des Schutzrohres 7a aus austenitischem Stahl oder aus Nickel-Chrom-Legierungen, wie Inconel, im Laufe der Zeit Änderungen des aufgenommenen Signals festzustellen sein werden, ohne daß Änderungen der zu ermittelnden Leistung aufgetreten sind. Es ist herausgefunden worden, daß diese anormalen Schwankungen des Meßsignals auf die Tatsache zurückgehen, daß diese Materialien für Wasserstoffmoleküle sehr gut durchlässig sind und daß darüber

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hinaus diese Materialien bei Vorhandenseindes Unterdrucks Wasserstoffmoleküle durch einen Entgasungsprozeß abgeben.

Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Vorrichtung (Unterdruck von 1O~ atm, Rohr aus austenitischem Stahl) zeigt sich am Ende einer Betriebsdauer von einigen Stunden in einem Druckwasserreaktor eine Abnahme des Meßsignals von 4O⁰C auf 19°C; der Druck geht auf 10"⁵ oder sogar auf 10 atm unter der Wirkung der Durchlässigkeit des Schutzrohres und aufgrund der Entgasungserscheinung über.

in Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung veranschaulicht.

Der Stab 7 ist in genau derselben Weise realisiert wie der in Fig. 2 bis 4 dargestellte Stab. Das mit 50 bezeichnete Schutzrohr gewährleistet eine Dichtheit für die Anordnung der Vorrichtung, so daß ein Unterdruck in der Größenordnung von 10~ atm in den Kammern 10 erhalten wird. Um die beiden oben erwähnten Mängel zu beseitigen,enthält . das Rohr 50 eine Doppelwand, d.h. eine äußere Wand 50a, die den mechanischen Widerstand mit sich bringt, und eine innere Wand 50b aus Zircalloy. Das Zircalloy wird einerseits in Kernreaktoren überlicherweise verwendet, und zum anderen ist das Oxid von Zircalloy sehr gut undurchlässig für Wasserstoff. Das Material selbst absorbiert die Wasserstoffmoleküle bei hoher Temperatur unter Bildung von Circonhydrid. Anstelle der Zirconlegierung kann man auch andere Metalle oder Legierungen verwenden, die ähnliche Wasserstoffabsorptionseigenschaften mit sich bringen, und aus diesen Materialien eine Barriere gegenüber Wasserstoff bilden.

Da bei dieser Ausführungsform ein thermischer Kontakt

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zwischen den einen großen Durchmesser besitzenden Bereichen 8 des Stabes 7 und dem Schutzrohr 7a realisiert ist, erhält man somit eine Vorrichtung vom sogenannten "feuchten " Typ. Dies bedeutet, daß bei dieser Vorrichtung die Bereiche großen Durchmessers in direktem thermischen Kontakten mit dem Kühlfluid des Reaktors sind.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsvariante dargestellt, gemäß der der Stab 7' mit dem in Fig. 2 dargestellten Stab 7 übereinstimmt. Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform enthält insbesondere Teile 9' mit vermindertem Durchmesser zwischen den Bereichen 8¹, die einen wesentlichen Durchmesser besitzen. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 6 findet man in gleicher Weise den mittleren Kanal 12', der die Thermoelemente enthält. Die Warm-Verbindungsstellen 15' und die Kalt-Verbindungsstellen 14' der betreffenden Thermoelemente sind wie die Verbindungsstellen 14 und 15 der Vorrichtung gemäß Fig. 2 entsprechend angeordnet. Der Unterschied zu der in Fig. 2 dargestellten Anordnung liegt'hier darin, daß die Vorrichtung gemäß Fig. 6 kein Schutzrohr besitzt und daß daher keine Isolierkammern vorgesehen sind. Die Kühlflüssigkeit zirkuliert hier direkt um den Stab 7' herum. Es dürfte einzusehen sein, daß die Temperatur in Höhe der Verbindungsstelle 14' (verminderter Durchmesser 9') unterhalb der Temperatur in Höhe der Verbindungsstelle 15' liegt (die sich in dem Bereich 8^! mit dem nennenswerten Durchmesser befindet).

In Fig. 7a bis 7c ist eine vierte Ausfiihrungsform der MeβVorrichtung dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform ist der mittlere Stab ein Vollstab, der eine Reihe von Zonen enthält, die Gammastrahlungs-Thermo-

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meter bilden. Wie noch erläutert v/erden wird, erfolgt die Leistungsmessung nicht durch Messung eines thermischen Gradienten entsprechend der axialen Richtung, wie dies bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Fall ist, sondern entsprechend einem radialen Gradienten gegenüber dem Stab. Diese besondere Ausführungsform ist von speziellem Interesse im Falle von Kernreaktoren mit schnellen Neutronen, bei denen eine Kühlung durch flüssiges Natrium erfolgt.

Wie aus Fig. 7a hervorgeht, besteht die Meßvorrichtung aus einem Stab 70, der einen konstanten geraden Querschnitt besitzt und der aus einem Material besteht, welches zugleich ein guter thermischer Leiter und ein guter elektrischer Leiter ist. In diesem Stab ist eine Vielzahl von örtlich festgelegten Meßzonen Z1,Z2, etc. vorgesehen. Wie ersichtlich, weist die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform kein äußeres Schutzrohr auf; vielmehr befindet sich die betreffende Vorrichtung in direktem Kontakt mit einem Kühlmittel, bei dem es sich beispielsweise um flüssiges Natrium handelt. Unter Bezugnahme auf Fig. 7b ersieht man deutlicher, wie jede örtliche Meßzone festgelegt ist. Jedes Thermoelement ist mit seiner Warm-Verbindungsstelle und mit seiner Kalt-Verbindungsstelle in einem Hohlraum 72 untergebracht, der aus dem Vollstab 70 ausgespart ist. Dieser Hohlraum 72 weist einen mittleren Teil 72a mit einer relativ kurzen Länge auf. Dieser Teil verläuft in Achsrichtung des Stabes 70. Ferner weist der Hohlraum 72 einen Teil 72b auf, der am Umfang des Stabes 70 vorgesehen ist, wie dies besser aus Fig. 7b ersichtlich ist_o Schließlich weist der betreffende Hohlraum einen schräg verlaufenden Verbindungsteil 72c auf, der den mittleren Teil 72a und den Umfangsteil 72b miteinander verbindet. Auf der Außenseite des betreffenden Hohlraums ist eine Reihe von Leitern angeordnet, die

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das Thermoelement bilden, welches von derselben Art ist wie dies oben beschrieben worden ist. Diese ein Thermoelement bildende Anordnung trägt generell das Bezugszeichen 74. Es dürfte genügen,darauf hinzuweisen, daß die Warm-Verbindungsstelle 74b in dem Umfangsteil 72b des Hohlraumes 72 angeordnet ist, während die Kalt-Verbindungsstelle 74a vorzugsweise in dem oberen Ende des mittleren Teiles 72a des Hohlraumes 72 angeordnet ist. Es dürfte somit einzusehen sein, daß durch Messung des radialen Gradienten zwischen der Kalt-Verbindungsstelle 72a und der entsprechenden Warm-Verbindungsstelle 74b ein Maß für die Temperaturdifferenz erhalten wird, die in ein Leistungsmaß für die berücksichtigte Zone Zi umgesetzt werden kann. Pur ein und dasselbe Thermoelement legt der mittlere Teil die Wärmesinken oder Kältequelle fest und der Umfangsteil legt die Wärmestelle oder Wärmequelle fest.

Die Vorrichtun^n gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen ermöglichen unabhängig davon, welche Ausführungsform angenommen wird, die Abmessungen eines Gammastrahlen-Thermometers erheblich zu verringern. Der verwendete Meßstab besitzt einen äußeren Nenndurchmesser, der die Aufnahme dieses Stabes in dem Schutzrohr 7a ermöglicht, sofern dieses vorhanden ist. Die Anordnung gleitet dabei in dem Führungsrohr 4, welches selbst in der Vorrichtung 1 angeordnet ist. Das betreffende Rohr, welches mitten unter den Brennstäben 2 der Gitteranordnung angeordnet ist, besitzt selbst keinen größeren Außendurchmesser als die Brennstäbe (im Falle eines Druckwasserreaktors). Die Verteilung von Thermoelementen über die Lange des genannten Meßstabes ermöglicht u.a. die Stelle anzugeben, an der die kalorische Leistung abgegeben wird,und infolgedessen durch eine direkte Messung den Wert der linearen Leistungen abzuleiten, die im Brennstoff der Brennstäbe nahe des

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Stabes erzeugt werden.

Um eine derartige Messung überhaupt zu ermöglichen, muß die Vorrichtung vor ihrer Montage in dem Schutzrohr (sofern dieses vorhanden ist) einer vorangehenden Eichung unterzogen werden, die gemäß der Erfindung hier leicht vorgenommen werden kann, und zwar aufgrund der elektrisch leitenden Eigenschaft des Stabes 7, 7' oder 70. Aufgrund dieser Tatsache wird der betreffende Stab mit einer (nicht dargestellten) Stromquelle verbunden, die bei Bekanntsein des elektrischen Widerstandes des betreffenden Stabes künstlich eine angemessene Wärme menge erzeugt. Außerdem wird in Höhe jedes der Thermoelemente die erzeugte Temperaturdifferenz gemessen. Aufgrund dieser Eichung ist es sodann im Betrieb möglich, den Viert der erhöhten Temperaturdifferenz, die absorbierte thermische Leistung und damit die Leistung abzuleiten, die von dem umgebenden Brennstoff freigesetzt worden ist. Gegebenenfalls kann eine analoge Eichung nach der Montage des Thermometers in seinem Schutzrohr durchgeführt werden.

Es dürfte einzusehen sein, daß die Erfindung auf die oben im besonderen beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht beschränkt ist. Vielmehr umfaßt die Erfindung noch eine Vielzahl von Varianten. Dabei ist insbesondere darauf hinzuweisen, daß keinerlei besondere Präzision im Hinblick auf die Verbindung der Drähte der Thermoelemente mit einer Meßanordnung und im Hinblick auf eine externe Steuerung aufgewandt werden muß, die die erhaltenen Signale zu verarbeiten gestattet. Eine derartige Anordnung kann entsprechend den Bedürfnissen und den Betriebsbedingungen entsprechend verwendet werdenο

ORIGINAL INSPECTED

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Wei ok. μ α.«ι ν, DiPX.-PH-is. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska

8000 MÜNCHEN $6, DEN

POSTFACH 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Patentansprüche

Ty Vorrichtung zur Messung der örtlichen Leistung in einer Brennstoffanordnung eines Kernreaktors, dadurch gekennzeichnet,

daß ein langgestreckter Körper (7) aus einem Material vorgesehen ist, welches ein Wärmeleiter und ein elektrischer Leiter ist, daß eine Vielzahl von ein Gammastrahlungs-Thermometer bildenden Zonen (6) vorgesehen ist, die in axialer Richtung längs des genannten Körpers (7) verteilt angeordnet sind,

daß jede ein Gammastrahlungs-Thermometer bildende Zone eine Wärmebrücke und eine Kältequelle sowie zwei Thermoelemente (14,15) bildende Verbindungsstellen aufweist,

daß die Thermoelemente (14,15) derart angeordnet sind, daß die Temperaturdifferenz über eine Wärmebahn meßbar ist, welche sich lediglich in einer Richtung zwischen der betreffenden Wärmebrücke und der genannten Kältequelle erstreckt, und daß die durch die Brennstoffanordnung nahe jeder ein Gammastrahlungs-Thermometer bildenden Zone erzeugte Leistung aus Signalen ableitbar ist, welche kennzeichnend sind für die genannte Temperaturdifferenz.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Körper durch einen Stab (70)

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gebildet ist, der einen geraden konstanten Querschnitt besitzt, daß der betreffende Stab Hohlräume (72) besitzt, die die Thermoelemente aufzunehmen vermögen, daß jeder Hohlraum einer ein Gammastrahlungs-Thermometer bildenden Zone entspricht und einen zentralen Teil (72a} in bezug auf den betreffenden Stab (70) umfaßt und eine Warm-Verbindungsstelle des betreffenden Thermoelements enthält, und daß der jeweilige Hohlraum (72) einen am Umfang des betreffenden Stabes (70) angeordneten Teil (72b) umfaßt, der die Kalt-Verbindungsstelle des betreffenden Thermoelements enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte langgestreckte Körper durch einen langgestreckten zylindrischen Stab (7) gebildet ist, der aus einem Material besteht, welches ein Wärmeleiter und ein elektrischer Leiter ist, daß ein mittlere Kanal (12) vorgesehen ist, der eine Reihe von Thermoelementen (14,15) enthält, deren Kaltbzw. Warm-Verbindungsstellen jeweils eine Messung ausführen und in unterschiedlichen Zonen (6) liegen, die in der Längsrichtung des Stabes (7) angeordnet sind, daß in jeder Zone (6) ein Bereich (9) mit vermindertem Querschnitt vorgesehen ist, der sich über eine bestimmte Konstruktionslänge erstreckt, daß die ¥arm-Verbindungsstelle eines Thermoelements in der Mitte der Längsrichtung des betreffenden Bereiches (9) fest angeordnet ist und daß die KaIt-Verbindungsstelle außerhalb des Endes des betreffenden Bereichs (9) und zwischen zwei Bereichen (9) mit vermindertem Querschnitt in zwei aufeinanderfolgenden Zonen (6) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Körper aus einem langge-

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streckten zylindrischen Stab (7) aus einem Material besteht, welches ein Wärmeleiter und ein elektrischer Leiter ist, daß der zylindrische Stab (7) einen mittleren Kanal aufweist, der eine Reihe von Thermoelementen (14,15) aufweist, deren Kalt- und Warm-VerDindungsstellen jeweils zur Messung und in unterschiedlichen Zonen (6) in Längsrichtung des betreffenden Stabes (7) angeordnet sind, daß in jeder Zone (6) ein Bereich (9) mit vermindertem Querschnitt vorgesehen ist, der sich über eine bestimmte Konstruktionslänge erstreckt, daß die Warm-Verbindungsstelle eines Thermoelements in der Mitte der Länge des betreffenden Bereichs (9) fest angeordnet ist, daß die Kalt-Verbindungsstelle des betreffenden Thermoelements außerhalb des Endes des betreffenden Bereichs (.9) und zwischen zwei Bereichen mit vermindertem Querschnitt in zwei aufeinanderfolgenden Zonen angeordnet ist, und daß ein äußeres Schutzrohr (7a) den betreffenden Stab (7) umgibt und im Bereich (9) verminderten Querschnitts innerhalb der geweiligen Zone (6) eine ringförmige Isolationskammer (10) begrenzt, wobei das betreffende Rohr (7a) durch zumindest eine Körperwand gebildet ist, die eine Sperre gegenüber Wasserstoff zu bilden vermag.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Rohr (7a) durch eine Wand aus einem Material, welches zur Familie der Zirconlegierungen gehört und welches eine Sperre gegenüber Wasserstoff zu bilden vermag, und durch eine Viand (7a) aus rostfreiem Stahl gebildet ist, der mechanische Beanspruchungen zu absorbieren vermag.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Kammern (10) auf einem

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- 4 Unterdruck gehalten sind.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte langgestreckte Körper durch einen langgestreckten zylindrischen Stab (7) aus einem Material gebildet ist, welches ein Wärmeleiter und ein elektrischer Leiter ist, daß der Stab (7) einen mittleren Kanal aufweist, der eine Reihe von Thermoelementen enthält, deren Kalt- und Warm-Verbindungsstellen die jeweilige Messung durchführen und in verschiedenen Zonen in der Längsrichtung des betreffenden Stabes (7) angeordnet sind, daß der betreffende Stab (7) in seiner jeweiligen Zone einen Bereich (9) mit vermindertem Querschnitt besitzt, der sich über eine bestimmte Länge erstreckt, daß die Waxim-Verbindungsstelle eines Thermoelements in der Mitte der Länge des betreffenden Bereiches (9) fest angeordnet ist, daß die KaIt-Verbindungsstelle außerhalb des Endes des betreffenden Bereichs und zwischen zwei Bereichen (9) mit vermindertem Querschnitt in zwei aufeinanderfolgenden Zonen angeordnet ist, daß ein äußeres Schutzrohr (7a) vorgesehen ist, welches den betreffenden Stab (7) umgibt und welches im Bereich verminderten Querschnitts in der jeweiligen Zone (6) eine ringförmige Isolationskammer (10) begrenzt, und daß in jedem Bereich (9) verminderten Durchmessers der Stab (7) in seinem Umfang mit zumindest einer ringförmigen Rille (8a) versehen ist, in die das Rohr (7a) jeweils mit einem Eindrückelement (7b) derart eingreift, daß ein thermischer Kontakt zwischen dem Rohr (7a) und dem Stab (7) sichergestellt ist.

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CWiSPAL INSPECTED