-
-
Verfahren zum Messen des inneren Druckes von in
-
Massenfertiggng hergestellten sich in Behältern befindenden Produkten,
in denen unter Druck ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ stehendes Gas gehalten
werden muß.
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen des inneren
Druckes von in Massenfertigung hergestellten, sich in Behäi-crrj befindenden Produkten,
in denen unter Druck stehendes Gas gehalten werden muß.
-
Es gibt viele Arten von in Behältern befindlichen Produkten, die in
ihrem Inneren unter Druck stehendes Gas benötigen und die dicht verschlossen sein
müssen. Gewöhnlich ist es erforderlich, den Verschluß zerstörungsfrei zu prüfen,
ob der innere Druck auf dem vorgeschriebenen Niveau gehalten wird.
-
Die Eingenfrequenz von Schwingungen in einem Behälter, der mit unter
Druck stehendem Gas gefüllt ist, ist abhängig vom Gasdruck, somit kann man durch
Messen der Eigenfrequenz von außen überprüfen, ob die Druckfestigkeit normal ist
oder nicht.
-
Bei in Betrieb befindlichen nuklearen Brennstoffstäben wird streng
gefordert, daß die umhüllenden oder umgebenden Rohre dicht verschlossen sein müssen,
damit die sich anhäufenden schädlichen Spaltungsgase nicht nach außen freiwerden.
Wenn die Dichtung eines Brennstoffstabes aus irgendwelchen Gründen schadhaft ist,
wird das im Innern
befindliche Gas frei, (ebenso sinkt der Druck
ab) und der Brennstoffstab wird als fehlerhaft angesehen.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen
von fehlerhaften Brennstoffstäben, indem die Eigenfrequenz der Schwingungen im Gehäuse
gemessen wird.
-
Die vorab mit Druck beaufschlagten nuklearen Brennstoffstäbe (beispielsweise
Druckwasserreaktorbrennstffstäbe) werden bei der Herstellung mit unter Druck stehendem
Heliumgas von ungefähr 30 at gefüllt.
-
Somit bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren, um "minderwertige"
Brennstoffstäbe in einem Qualitätsprüfungsverfahren zu erkennen.
-
Eine Reaktorspaltzone weist viele Brennstoffanordnungen.
-
oder -kassetten auf, und eine Brennstoffkassette besteht aus einer
großen Anzahl von Brennstoffstäben.
-
Zur Zeit wird das Auffinden von fehlerhaften Brennstoffstäben durch
das folgende Verfahren ausgeführt: Zuerst erfolgt die Überwachung in der Reaktorspaltzone
durch ständiges Kontrollieren des Wertes der Kühlflüssigkeitsradioaktivität, und
wenn dieser Wert einen bestimmten Betrag überschreitet, zeigt dies das Auftreten
eines Schadens.
-
in einigen der Brennstoffstäbe in der Reaktorspaltzone an, (da radioaktive
Spaltungsprodukte in das Kühlmittel freigegeben werden, wenn ein Schaden auftritt).
Als nächstes wird, nachdem der Reaktorbetrieb eingestellt ist, jede Brennstoffkassette
einer Transportprüfung (shippinR test") untersucht, um die Brennstoffkassette ausfindig
zu machen, die die fehlerhaften Brennstoffstäbe enthält. Die Brennstoffkassette,
die fehlerhafte
Brennstoffstäbe enthält, kann nicht länger benutzt
werden und muß herausgenommen werden.
-
Eine Brennstoffkassette besteht bei einem Druckwasserreaktor aus 150
bis 200 Brennstoffstäben und bei einem Siedewasserreaktor aus 30 bis 70 Brennstoffstäben.
Im allgemeinen sind nur ein oder zwei der vielen Brennstoffstäbe in einer Brennstoffkassette
fehlerhaft. Wenn eine solche kleine Zahl von fehlerhaften Brennstoffstäben ausfindiggemacht
worden ist und anschließend durch eine Attrappe odel durch neue Brennstoffstäbe
ersetzt worden ist, dann kann die Brennstoffkassette vorteilhaft und wirtschaftlich
verwendet werden. Somit ist es sehr zweckmäßig diese Technik zum Ermitteln von fehlerhaften
Brennstoffstäben in der Brennstoffkassette zu verwenden.
-
Ein typisches herkömmliches Verfahren, um fehlerhafte Brennstoffstäbe
ausfindig zu machen, besteht darin, das Vorhandensein von Reaktrokühlwasser nachzuweisen,
das in die fehlerhaften Brennstoffstäbe eingedrungen ist. Insbesondere nutzt das
Verfahren das Prinzip aus, daß ein Unterschied in der Durchlässigkeit eines Ultraschallstrahles
zwischen einem fehlerhaften Brennstoffstäb und einen normalen Brennstoffstab vorhanden
ist, wenn der Strahl auf einer Seite gesendet und auf der anderen Seite des betreffenden
Brennstoffstabes empfangen wird. In dem fehlerhaften Brennstoffstab ist die Intensität
der Schallwellen infolge der Energieabsorption durch eine Wasserschicht oder durch
Wassertropfen vermindert, die sich auf die Innenseite des Mantels abgesetzt haben,
und die durch schadhafte Stellen durch die Verkleidung eingedrungen sind. (US-PS
3 945 249 und DE-PS 2 605 962). Nach diesem Verfahren ist ein
Nachweis
nur dann möglich, wenn eine nachweisbare Wassermenge in das Innere eingedrungen
ist. Wenn die fehlerhaften Stellen des Mantels sehr klein sind, werden die fehlerhaften
Stellen sehr leicht verstopft und ein weiteres Eindringen von Wasser ist nicht mehr
möglich.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Nachweis von fehlerhaften
Brennstoffstäben zu schaffen, d.h. ein Verfahren zu schaffen, um fehlerhafte Brennstoffstäbe
in einer Kassette zuverlässiger und einfacher als bei den bestehenden herkömmlichen
Verfahren ausfindig zu machen.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Nachweisverfahren der eingangs genannten
Art durch die im kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
-
Die Eigenfrequenz der Schwingung im Mantel der Brennstoffstäbe hängt
von ihrem Innendruck ab.
-
Im Brennstoffstab bildet das den gesamten voll gefüllten Raum umhüllende
Rohr ein zylindrisches Gehäuse, in dem sich unter Druck stehendes Gas befindet.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, um fehlerhafte Brennstoffstäbe von
normalen Brennstoffstäben durch Messen der Eigenfrecuenzunterschiede des mit komprimierten
Gas gefüllten Raumes des Mantelrohres zu unterscheiden, wobei die Tatsache ausgenutzt
wird, daß der innere Druck eines schadhaften Brennstoffstabes mit Sicherheit auf
atmosphärischen Druck abgesenkt ist.
-
Um die fehlerhaften Brennstoffstäbe in einer Brennstoffkassette nachzuweisen,
wird eine Sonde mit zwei Ubertragungselementen (einem Sender und einem Empfänger)
verwendet, die dünn und klein genug hergestellt werden können, um .in die Zwischenräume
zwischen den Brennstoffstäben der Brennstoffkassette eingefügt zu werden. Sie wird
an dem mit Gas gefüllten Raum des Brennstoffstabes ausgerichtet, der geprüft werden
soil, und es wird die Eigenfrequenz des umhüllenden Rohres gemessen. Wirksamer ist
es, eine Sonde mit mehrkanalig angeordneten Ubertragungselementen zu verwendet,
die wie die Brennstoffstäbe in der Brennstoffkassette angeordnet sind.
-
Wenn dieses Verfahren verwendet wird, ist es möglich, fehlerhafte
Brennstoffstäbe in der Brennstoffkassette ausfindig zu machen, ohne diese aus einanderzunebmen.
-
Im Fall von Brennstoffstäben für Druckwasserreaktoren werden diese
bei der Herstellung mit Heliumgas mit einem Druck von 30 at beaufschlagt. Auch bietet
die Erfindung ein Verfahren an, um "minderwertigereu Brennstoffstäbe, was die Unversehrtheit
ihrer Dichtung anbelangt von normalen Brennstoffstäben bei der Herstellung zu unterscheiden
oder diese zu irgendeiner anderen Zeit zu erkennen, wenn die Druckfestigkeit erneut
festgestellt werden muß, bevor sie beispielsweise in einen Reaktor eingegeben werden.
-
Die Technik dieser Erfindung ist auch zum "Nachweis von minderwertigen
Produkten" anderer Art von industriellen Produkten anwendbar, die ein unter Druck
stehendes Gas druckdicht abschließen müssen.
-
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen
beispielshalber beschrieben.
-
Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Sondenanordnung
mit einem einzigen Meßkopf, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Sondenanordnung
mit mehreren Meßköpfen (zur Vereinfachung in einer 4 x 4-Anordnung), Fi 3(a) bis
3(c) die Schwingungsformen des Gehäuses in Umfangsrichtung eines dünnen zylindrischen
Gehäuses, Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Eigenfrequenz eines
typischen umhüllenden Rohres aus Zirkon 4 und dem Innendruck darstellt, Fig. 5 ein
Oszillogramm, das die Frequenzanalyse zeigt, wenn die Eigenfrequenz des umhüllenden
Rohres in Uboreinstimmung mit dem Verfahren der Erfindung gemessen wird, Fig. 6
ein Diagramm, das die wirksame Stoßsdhwingung der Feststellanordnung in Übereinstimmung
mit der Erfindung und die empfangene Schwingungsform, zeigt, und Fig. 7 eine Anlageanordnung
des Nachweisverfahrens in Ubereinstimmung mit der Erfindung, wenn sie in der Anlage
eingebaut ist.
-
Bei unter Druck stehenden Brennstoffstäben besteht eine Abdichtung
für ein komprimiertes Gas in den 2 Brennstoffstäben bis höchstens 30 kg/cm2, da
die umhüllenden Rohre sonst infolge des hohen äußeren Kühlmitteldruckes während
des Betriebs zerstört werden. Ferner werden Spaltproduktgase, z.B. Xenon (Xe) und
Krypton (Kr), innerhalb der Brennstoffstäbe erzeugt, die den Innendruck von 0 bis
30 kg/cm2 im kalten Zustand, abhängig vom Abbrenngrad, erhöhen.
-
Andererseits wird der äußere Druck der Brennstoffstäbe auf ungefähr
1 bis 2 atm verringert, nachdem der Reaktor stillgelegt und abgekühlt ist. In diesem
Zustand strömt das innere Gas des fehlerhaften Brennstoff stabes durch die schadhafte
Stellen in das umhüllende Rohr, bis der innere Druck auf fast die gleiche Höhe des
äußeren Drucks fällt.
-
Die Eigenfrequenz eines zylindrischen Gehäuses mit innerem Druck kann
durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Dabei gilt fp : Eigenfrequenz, wenn Innendruck vorhanden ist (Hz) n : Schwingung
in Umfangsrichtung k : Schwingung in axialer Richtung E : Elastizitätsmodul (Young's
Koeffizient (kg/cm2)) pm : Dichte des Werkstoffs (kg sec2/cm4) R : Radius des zylindrischen
Gehäuses (cm) P : Innendruck (kg/cm2) h : Wandstärke des Zylinders (cm) : : Poissonzahl
Länge des mit komprimierten Gas gefüllten Raumes (cm) = (ki(R)/e Diese Gleichung
zeigt, daß die Eigenfrequenz des Mantelrohres höher wird, wenn der innere Druck
erhöht wird. Das Absinken des Innendruckes kann man erkennen, wenn man die Eigenfrequenz
des umhüllenden Rohres mißt.
-
Bei der Anwendung dieses Prinzips zum Nachweis von fehlerhaften Brennstoffstäben,
kann der mit komprimierten Gas gefüllte Raum in dem sich kein Spaltmaterial befindet,
als zylindrischer Mantel angesehen werden. Im allgemeinen ist bei den Brennstoffstäben
die. Prüflänge Æ hinlänglich größer als der Radius R, so daß z in der Gleichung
(1) sehr klein wird und damit der erste Ausdruck in der Klammer
vernachlässigbar wird. Daher braucht nur die Schwingung in Umfangsrichtung be-.
-
rücksichtigt zu werden. Die Fig. 3 (a) bis 3 (c) zeigen die Schwingungsformen
dieser Umfangsschwingungen (n=2, 3, 4). Da die Punkte A und B in der symmetrischen
Lage auS dem Durchmesser ( in den Fig. 3 (a) bis 3 (c)) maximale Schwingungsamplituden
in jeder Schwingungsform von n= 2 bis 4 zeigen, kann eine Nachweisanordnung wirksam
werden, wenn ein Sender am Punkt A und ein Empfänger am Punkt B für alle Schwingungsformen
n= 2 bis 4 angeordnet ist. Eine andere Anordnung besteht darin, sowohl den Sender
als auch den Empfänger auf der gleichen Seite, beispielsweise am Punkt A, anzug
bringen und sie axial auszurichten (Fig. 1). Diese Anordnung ist für jede Schwingungsform
anwendbar, ohne daß man die Form der Schwingung kennt.
-
Gemäß der Gleichung (1) und den Ergebnissen von Experimenten zum Nachweis
von fehlerhaften Brennstoffstäben, verursacht die erwartete Änderung des inneren
Druckes von einem normalen Brennstoffstab bis zu einem fehlerhaften Brennstoffstab
(30 bis 60 2 kg/cm2 bei Druckwasserreaktorbrennstoffstäben) ein Abfallen der Eigenfrequenz
in der Regel um wenige Prozente (Fig. 4(a) bis 4(b), Fig. 5(a) bis 5(c)).
-
Dieser Betrag ist ausreichend, um bei Gebrauch von allgemein im Handel
erhältlichen Vorrichtungen für
die Spektralanalyse nachgewiesen
zu werden, so daß das Nachweissystem von fehlerhaften Brennstoffstäben unter Verwendung
der Erfindung praktisch angewendet werden kann.
-
Die Messung wird in der Praxis bei Unterwasserbedingungen ausgeführt,
um vor nachteiliger Bestrahlung von den Brennstoffstäben geschützt zu sein.
-
Demgemäß muß die Wirkung des Wassers um den Brennstoffstab herum in
der Gleichung (1) ausgeglichen werden, aber das grundlegende Prinzip dieser Gleichung
wird beibehalten.
-
Die Eigenfrequenz wird außerdem dadurch vermindert, wenn Kühlmittel
(Wasser) in den fehlerhaften Brennstoffstab eindringt und eine Wasserschicht oder
Wassertröpfchen in dem mit komprimierten Gas gefüllten Raum gebildet werden. Daher
wird die Nachweisempfindlichkeit noch mehr erweitert.
-
Ubertragungselemente (ein Sender und ein Empfänger) können so dünn
und klein gebaut werden, daß diese Elemente in den engen Raum zwischen den Brennstoffstäben
der Brennstoffkassette eingesetzt werden können. Dies ermöglicht den Nachweis von
fehlerhaften Brennstoffstäben, ohne die Brennstoffkassette auseinanderzubauen.
-
Außerdem kann bei Verwendung einer kammförmigen Sonde mit einer Mehrfachmeßfühleranordnung
der Nachweisvorgang nach fehlerhaften Brennstoffstäben sehr wirksam ausgeführt werden.-Das
oben beschriebene Nachweisverfahren nach fehlerhaften Brennstoffstäben bei einem
vorhandenen Brennstoffstab oder einer Brennstoffkassette kann in der folgenden Weise
angewendet werden:
Innerhalb des umhüllenden Rohres 2 ist im obersten
Bereich des Brennstoffstabes 1 eine Feder 6 im mit komprimierten Gas gefüllten Raum
zwischen dem nuklearen Brennstoffstab 3 und dem oberen Abschlußsperrteil 4 angeordnet,
um den Brennstoffstab 3 nach unten zu drücken, wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist.
Der innere Druck wirkt auf diesen mit komprimierten Gas gefüllten Raum 5. Gemäß
der vorliegenden Erfindung muß die Eigenfrequenz des umhüllenden Rohres in diesem
Bereich gemessen werden. Als Sender- und Empfängerbauteile sind z.B. dünne piezoelektrische
Schwingungsbauteile verwendbar. Fig. 1 zeigt eine Musteranordnung von Meßsonden,
wobei der Sender 7 und der Empfänger 8 an einem gemeinsamen Halter 9 befestigt sind.
-
Fig. 2 zeigt die Mehrfachstab- oder -kanalanordnung, wobei in jedem
Stab bzw. Kanal das Verfahren von Fig. 1 angewendet wird. Diese Anordnung ist für
einen schnellen Nachweis für die Beschaffenheit einer Brennstoffkassette nützlich.
Mehrere Halter 9, die mit dem Sender 7 und dem Empfänger 8 ausgerüstet sind, werden
an einem Wagen bzw. Schlitten 12 in einer kammähnlichen Anordnung befestigt, und
dieser Wagen 12 wird vorwärts und rückwärts gefahren, während er durch eine Führung
13 gelenkt wird, wodurch die Halter 9 in die Räume 11 zwischen den Brennstoffstäben
der Brennstoffkassette eingefügt werden. Ein kleiner Schrittmotor und eine Getriebeanordnung
zur Übertragung der Antriebskraft auf einer Antriebswelle 14 sind in einem Getriebegehäuse
15 enthalten. Fig. 2 stellt eine 4 x 4-Anordnung nur zur Erläuterung dar, für eine
Brennstoffkassette mit einer 17 x 17-groBen Ausführung wird aber z.B.
-
der gleiche Aufbau mit 17 Haltern verwendet. Somit wird eine sehr
einfache Antriebsvorrichtung
mit nur einer hin- und hergehenden
Bewegung ermöglicht.
-
Als eines der Verfahren zum Messen der Eigenfrequenz hat sich die
Frequenzwobbelung angeboten. Eine Stoßerregung, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, ist
wirksamer. Das Rohr wird pulsierend durch die vorherbestimmte Frequenz, die nahe
seiner Eigenfrequenz liegt, angeregt. Wenn die Erregerschwingungsform so ist, wie
dies in Fig. 6(a) gezeigt ist, kann eine empfangene Wellenform, wie dies in Fig.
6(c) gezeigt ist, erhalten werden In dieser empfangenen Wellenform weist der Bereich,
der dem Ende der Erregung folgt, eine freie Schwingung auf, und dieser Bereich wird
durch das Auslösesignal von Fig. 6(b) zur Frequenzanalyse herausgenommen, damit
erhält man die Eigenfrequenz.
-
Die Fig. 4(b) und die Fig. 5(a) bis 5(c) zeigen die Ergebnisse der
Eigenfrequenzinessung (n = 2) eines Umhüllungsrohres aus Zirkon 4 (mit einem Außendurchmesser
von 9,5 mm und einer Wandstärke von 0,57 mm) in tibereinstimmung mit dem oben erwähnten
Meßverfahren. In Fig. 4(b) zeigt die Linie A die Ergebnisse der Berechnung in Übereinstimmung
mit Gleichung (1), und die Linie B'zeigt die experimentellen Ergebnisse. Wie zu
sehen ist, stimmen beide überein. Die Linie C zeigt die Ergebnisse des im Wasser
vorgenommenen Experiments und das Oszillogramm dieser Frequenzanalyse wird in Fig.
5 gezeigt.
-
Obwohl das Vorhandensein von umgebendem Wasser die Eigenfrequenz beeinflußt,
bleibt die Steigung, d.h.
-
die Empfindlichkeit, die gleiche, wie dies durch die Linien B und
C gezeigt ist. Somit erhält man den Eigenfrequenzunterschied von ungefähr 300 Hz
zwischen einem fehlerhaften Brennstoffstab D und einem intakten Brennstoffstab mit
einem durchschnittlichen
inneren Gasdruck E. Die Höhe des Frequenzunterschiedes
ist groß genug, um durch eine wirtschaftlich nutzbare Spektralvorrichtung unterschieden
zu werden, und dies zeigt die Leistungsfähigkeit und die Zweckmäßigkeit des Nachweisverfahrens
nach der Erfindung.
-
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung weist einen weiteren Vorteil
auf, da die Nachweisausnistung kompakt gemacht werden kann. Fig. 7 zeigt eine typische
Anordnung des vorliegenden Systems, wenn es in einem Schacht für verbrauchte Brennstäbe
am Anlageort angewendet wird. Der Nachweis von fehlerhaften Brennstoffstäben kann
mit einer Anordnung 16, die unter Wasser aufgehängt ist, vorgenommen werden.
-
Eine Unterwasservorrichtung 20 hängt im Wasser über einer Hängevorrichtung
18 und ist so anzeordnet, daß die Sonde auf dem oberen Abschnitt des Brennstoffstabes,
wo der mit komprimierten Gas gefüllte Raum 5 ist, ausgerichtet ist. Danach wird
die Unterwasservorrichtung an der oberen Ausströmöffnung 17 mittels einer Klammer
19 befestigt.
-
Die Tätigkeit wird von der Brücke 22 über dem oben angeführten Schacht
ausgeführt. Meß- und Steuerinstrumente 21 sind neben dem erwähnten Schacht angebracht.
Da der Nachweis nach fehlerhaften Brennstoffstäben im oberen Bereich der Brennstoffkassette
bei dem entsprechenden Aufbau des oberen Raumes ausgeführt wird, kann die Systemanordnung
kompakt hergestilt werden. Der Nachweis von fehlerhaften Brennstoffstäben kann in
einer kurzen Zeitdauer ausgeführt werden, ohne daß die Brennstoffkassette auseinandergebaut
werden muß.
-
Das Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung kann sowohl
für die Brennstoffstäbe eines Leichtwasserreaktors als auch-bei einem erweiterten
thermischen eaktor und bei einem sdinellen Bruterreaktor, der kein Wasser als Kühlmittel
braucht (bei dem das herkömmliche Ultraschallnachweisverfahren im Wasser nicht angewendet
werden kann) angewendet werden.
-
Wie schon beschrieben, kann der fehlerhafte Brennstoffstab durch Messen
der Eigenfrequenz des Rohres nachgewiesen werden, das den Brennstoffstab umhüllt.
Außerdem kann das Verfahren gemäß dieser Erfindung bei den folgenden Anwendungen
verwendet werden: Ein Brennstoffstab für Druckwasserreaktoren wird mit Heliumgas
von ungefähr 30 atm im Innenraum beim Herstellungsprozeß beaufschlagt. Gemäß diesem
Verfahren ist es auch möglich, einen "minderwertigeren" Brennstoffstab zu unterscheiden,
bei dem das in den Innenraum eingefüllte Gas nach der Herstellung entweicht.
-
Dieses Verfahren "minderwertigere" Behälter nachzuweisen, ist nicht
auf nukleare Brennstoffe beschränkt, sondern kann auch auf andere Produkte von Behälterbauarten
angewendet werden, die im Inneren mit einem Druckgas beaufschlagt werden müssen
und die dicht verschlossen sein müssen.
-
Leerseite