DE3424113C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abschlußkappe und eine Indikatorgaskapsel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Eine solche Abschlußkappe und eine davon getrennte Indikatorgaskapsel sind durch die US-PS 39 57 576 bekannt, wobei die Indikatorgaskapsel in diesem Fall mit einer Schmelzsicherung verschlossen ist.

Während des Betriebes von Kernreaktoren kann ein Kernbrenn­ stoffelemente bzw. -stab ausfallen, was dazu führt, daß Kernbrennstoff­ material und radioaktive Spaltprodukte in das Kühlmittel ge­ langen und anschließend an die Umgebung abgegeben werden. Weiterhin kann das Kühlmittel in das fehlerhafte Brennstoff­ element eindringen und mit den Brennstoffmaterialien reagie­ ren, was weitere Beschädigungen zur Folge hat. Es ist daher wichtig, einen Brennstoffelementfehler schnell festzustellen und die Stelle zu bestimmen, an der sich das fehlerhafte Brennstoffelement befindet. Eines der bekannten Verfahren zum Feststellen eines Fehlers eines Brennstoffelementes besteht darin, Gase zu analysieren, die vorher in das Brennstoffele­ ment eingegeben sind. Diese sogenannte Gasindizierung macht von Indikatorgasen Gebrauch, die auch als Identifizierungs­ gase bekannt sind. Es sind verschiedene Untersuchungen be­ züglich der Arten von Gasen, die als Indikatorgase verfügbar sind, das Gasdetektoreinrichtungen usw. durchgeführt worden. Einige Untersuchungen lehren, daß Edelgase, wie beispiels­ weise Xenon, Krypton und deren Isotope sich entweder allein oder in Form von Gemischen mit einem vorbestimmten Mischver­ hältnis für die Eingabe in die Brennstoffelemente eignen.

Bei einem bekannten Verfahren zum Eingeben des Indikatorga­ ses in das Brennstoffelement wird das Indikatorgas in einer Kapsel dicht eingeschlossen, die mit einer Einrichtung zum Öffnen der Kapsel versehen ist und im Brennstoffelement an­ geordnet wird. Wenn im Brennstoffelement eine bestimmte Temperatur erreicht ist, arbeitet die Öffnungseinrichtung, um das in der Kapsel eingeschlossene Indikatorgas in das Innere des Brennstoffelementes freizugeben. Wenn das Hüll­ rohr eines Brennstoffelementes im Reaktorkern schadhaft wird, macht es das vom Brennstoffelement austretende Indi­ katorgas möglich, die Stelle des fehlerhaften Brennstoff­ elementes beispielsweise dadurch zu bestimmen, daß eine mas­ senspektrometrische Analyse einer Probe des Reaktordeckga­ ses durchgeführt wird.

Bei der praktischen Anwendung der Gasindizierung besteht ein Problem darin, wie das Brennstoffelement und die Indikator­ gaskapsel, die in das Brennstoffelement eingesetzt wird, zum Zeitpunkt der Herstellung des Brennstoffelementes einander zugeordnet oder einander entsprechend angeordnet werden. Bei einem typischen herkömmlichen Brennstoffelement wird ein Hüllrohr, dessen unteren Ende durch eine daran geschweißte untere Endkappe verschlossen ist, mit einer Vielzahl von Kernbrennstofftabletten gefüllt und wird die Indikatorgas­ kapsel in einen oberen Raum des Hüllrohres eingelegt, worauf­ hin das obere Ende des Hüllrohres vollständig dicht durch eine obere Abschlußkappe verschlossen wird. In bekannter Wei­ se ist somit die Indikatorgaskapsel in Form eines Elementes ausgebildet, das von der Abschlußkappe getrennt und unab­ hängig davon ist. Es ist daher notwendig, jedesmal dann, wenn Indikatorgaskapseln in die Brennstoffelemente eingesetzt werden, von Hand aus die entsprechenden Brennstoffelemente und Indikatorgaskapseln aufzuschreiben. Darüberhinaus wird nach dem Einsetzen der Indikatorgaskapsel eine zerstörungs­ freie Röntgenstrahlprüfung durchgeführt, um den Zustand der Kapsel im Brennstoffelement zu untersuchen. Es ist somit ein erheblicher Arbeitsaufwand bei der Aufzeichnung beim Einset­ zen der Kapsel und bei der anschließenden zerstörungsfreien Prüfung erforderlich. Aufgrund der Begrenzung der Genauigkeit der zerstörungsfreien Prüfung ist weiterhin auch die Zuver­ lässigkeit der Information praktisch begrenzt, die durch die Prüfung nach dem Einsetzen der Kapsel erhalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abschlußkappe und eine Indikatorgaskapsel der im Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, die das Zusammen­ bauen des Kernbrennstoffstabes vereinfachen und dabei die Gefahr der Verwechslung von Indikatorkapseln unterschied­ lichen Inhalts verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 in einer Schnittansicht ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel der Ab­ schlußkappe mit einer Indika­ torgaskapsel in Form eines einteiligen Auf­ baus, die in ein Brennstoffhüllrohr eines Kernbrennstoffstabes eingesetzt ist,

Fig. 2 in einer Fig. 1 ähnlichen Schnittansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Abschluß­ kappe und einer Indikatorgaskapsel und

Fig. 3 in einer den vorhergehenden Figuren ähnli­ chen Schnittansicht ein drittes Ausführungs­ beispiel des Aufbaus einer Abschlußkappe und einer Indi­ katorgaskapsel.

Fig. 1 und 2 zeigen Beispiele einer Abschlußkappe in einer Kombination mit Indikatorgaskapseln eines Typs, bei dem eine Formspei­ cherlegierung in Form einer Schraubenfeder verwendet wird, die ihren auseinandergezogenen Zustand in ihrer Betaphase gespeichert hat und in ihrer Martensitphase zum Einbau in die Kapsel zusammengedrückt wurde.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Abschlußkappe in einer Kombination mit einer Indikatorkapsel, die durch eine schmelzbare Dich­ tung verschlossen und in einem Behälter angeordnet ist, der fest an der Abschlußkappe angebracht ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist am inneren Endabschnitt 1 a der Abschlußkappe 1 die Indikatorgaskapsel 3 befestigt. Die in Fig. 1 dargestellte Indikatorgaskapsel 3 weist ein im wesentlichen zylindrisches Rohrstück 4 auf, dessen eines Ende mit der Abschlußkappe 1 verbunden ist, und dessen ande­ res Ende durch eine dünne Membran oder Trennwand 5 vollstän­ dig dicht begrenzt ist. Innerhalb der Indikatorgaskapsel 3 ist ein Dorn oder eine Stecheinrichtung 10 im Abstand der Membran 5 gegenüber angeordnet. Die Stecheinrichtung 10 zum Durchstechen der Membran 5 weist bei dem dargestellten Aus­ führungsbeispiel einen zugespitzten Vorsprung oder eine hoh­ le Röhre 6, deren Ende schräg abgeschnitten ist, sowie eine Schraubenfeder 7 auf, die als Einrichtung zum Treiben des zugespitzten Vorsprungs 6 gegen die Membran 5 dient. Die Schraubenfeder 7 besteht aus einer Formspeicherlegierung, die einen bestimmten Ausdehnungszustand in ihrer Betaphase gespeichert hat und die in ihrer Martensitphase zusammenge­ drückt wurde, um in die Kapsel 3 eingebaut zu werden. Ein Ende der Feder 7 steht mit einer Ringbasis 11 des zuge­ spitzten Vorsprungs 6 in Eingriff, während das andere Ende an einem inneren Vorsprung 8 verankert ist, der an einer bestimmten Stelle des zylindrischen Rohrstückes 4 der Indi­ katorgaskapsel 3 durch Ziehen ausgebildet ist. Der zuge­ spitzte Vorsprung 6 in Form einer hohlen Röhre dient als Durchlaß, durch den das Indikatorgas strömt, wenn die Membran 5 durch die Stecheinrichtung 10 eingerissen wird.

Die Abschlußkappe 1 ist mit einem Durchlaß 9 zum Einfüllen des Indikatorgases in die Indikatorgaskapsel 3 versehen. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist der Durchlaß 9 mit dem In­ neren der Kapsel 3 und der Außenseite der Kapsel verbunden. Der Durchlaß 9 wird beispielsweise durch Laserschweißen nach dem Einfüllen des Indikatorgases in die Kapsel 3 durch den Durchlaß 9 dicht verschlossen. Zu diesem Zeitpunkt wird ei­ ne Information bezüglich des eingefüllten Indikatorgases und der Indikatorgaskapsel bestätigt und dementsprechend auf der Außenfläche der Abschlußkappe 1 markiert. Es können auch verschiedene Formen der Abschlußkappe vorgesehen werden, wo­ bei dann eine bestimmte Form entsprechend der Information benutzt wird, die die Kapsel und das Indikatorgas darin be­ trifft. Die Information bezüglich der Indikatorgaskapsel 3 umfaßt beispielsweise die Herstellungsbedingungen der Kapsel, das Datum der Herstellung, den Ort der Herstellung usw., so daß von diesen Daten erwartet werden kann, daß sie bei der Suche nach Ursachen hilfreich sind, wenn während des Betriebs ein Ausfall des Kernbrennstoffstabes auftritt. Die in dieser Weise gebil­ dete Indikatorgaskapsel 3, die an der Abschlußkappe 1 be­ festigt ist, wird in ein Brennstoffhüllrohr 2 eines Kern­ brennstoffstabes eingesetzt, woraufhin die Abschlußkappe 1 dicht auf das Hüllrohr 2 geschweißt wird. Um die Indikator­ gaskapsel zu öffnen, muß sie nur über die kritische Tempera­ tur der Formspeicherlegierung hinaus erwärmt werden. Aufgrund dieser Erwärmung dehnt sich die Treibeinrichtung in Form der Schraubenfeder 7 aus, so daß der zugespitzte Vorsprung 6 gegen die Membran 5 getrieben wird, um diese einzureißen, da­ mit das Indikatorgas in der Kapsel 3 aus der Kapsel 3 fei­ gegeben und in das Hüllrohr 2 des Kernbrennstoffstabes ausgegeben wird.

Die Wahl der Formspeicherlegierung der Feder 7 ist nicht in besonderer Weise begrenzt, vom Standpunkt der Korrosionsbe­ ständigkeit und der Neutronenökonomie ist es jedoch bevorzugt, eine Nickel-Titanlegierung, das sogenannte Nitinol zu ver­ wenden, das den Vorteil hat, daß seine kritische Tremperatur durch eine angemessene Wahl seiner Zusammensetzung gesteuert werden kann.

Fig. 2 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Abschlußkappe, bei dem die Abschlußkappe mit einer anderen Art einer Indikatorgaskapsel verbunden ist, die eine Schraubenfeder aus einer Formspeicherlegierung verwen­ det. Die Abschlußkappe 21 ist mit der Indikatorgaskapsel 23 zu einem einteiligen Aufbau verbunden. Bei dem in Fig. 2 dar­ gestellten Aufbau wird die Indikatorgaskapsel 23 zunächst zu­ sammengebaut. Die Kapsel 23 weist ein im wesentlichen zylin­ drisches Rohrstück 24 auf und ist an ihrem einen Ende mit ei­ nem Stopfen 30 dicht verschlossen, der eine Öffnung 29 zum Einführen des Gases aufweist. Am anderen Ende der Kapsel 23 befindet sich eine Stecheinrichtung 20 mit einem zugespitz­ ten Vorsprung 25, wobei eine Schraubenfeder 27 aus einer Formspeicherlegierung so angeordnet ist, daß der zugespitzte Vorsprung 26 im Abstand der Abschlußkappe 21 gegenüber ange­ ordnet ist. Die Abschlußkappe bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist eine Aussparung 32 zur Aufnahme des zugespitzten Vorsprungs 26 und eine dünne Membran 25 an der Aussparung 32 auf. Ein Durchlaß 31 dient zum Herausführen des Indikatorgases aus der Kapsel in das Brennstoffhüllrohr 22, wenn der zugespitzte Vorsprung 26 gegen die Membran 25 ge­ trieben wird, um diese einzureißen. Die Abschlußkappe 21 ist an der Kapsel 23 durch Schweißen oder ähnliches befestigt, um einen einteiligen Aufbau zu liefern. Das vorbestimmte Indika­ torgas wird in die Indikatorgaskapsel 23 über die Öffnung 29 des Stopfens 30 eingeführt, woraufhin die Öffnung 29 bei­ spielsweise durch Laserschweißen dicht verschlossen wird. Zu diesem Zeitpunkt werden Daten bezüglich des Indikatorgases und der Kapsel 23 bestätigt und auf der Außenfläche der Ab­ schlußkappe 21 angegeben. Es kann auch die Form der Ab­ schlußkappe 21 zu der Information bezüglich des Indikatorga­ ses und der Kapsel passen. Die Abschlußkappe 21 wird dann mit dem Hüllrohr 22 durch Schweißen oder ähnliches so in Eingriff gebracht, daß die Indikatorgaskapsel 33 in das Hüll­ rohr 22 eingesetzt und im Hüllrohr 22 angeordnet ist.

Das Öffnen der Kapsel 23 erfolgt in ähnlicher Weise wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau. Wenn die Temperatur des Kernbrennstoffstabes über die kritische Temperatur der verwandten Formspeicherlegierung der Schraubenfeder 27 an­ steigt, dehnt sich die Feder 27 aus, um den zugespitzten Vor­ sprung 26 anzutreiben, damit dieser die dünne Membran 25 zerreißt. In dieser Weise wird das Indikatorgas in der Kapsel 23 aus der Kapsel heraus durch den Durchlaß 21 und einen längs verlaufenden Zwischenraum zwischen der Innenfläche des Hüllrohres 22 und der Außenfläche der Kapsel 23 über die Län­ ge der Kapsel ausgegeben.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel bei dem ein Indikatorgas dicht durch eine Schmelzdichtung 44 in einer Indikatorgaskapsel 43 eingeschlossen ist und die Indikatorkapsel 43 innerhalb eines zylindrischen Rohr­ stückes oder eines Behälters 45 angeordnet und festgelegt ist. Der Behälter 45 ist über eine geeignete Technik, wie beispielsweise Schweißen oder Schrauben, mit einer Abschluß­ kappe 41 verbunden, die einen Auslaß 46 für das Indikatorgas aufweist. Mit einem Verschlußstopfen 47 ist ein Ende des Be­ hälters 45 verschlossen, wobei der Verschlußstopfen 47 die Indikatorgaskapsel 43 in ihrer Lage hält. Nachdem die Ab­ schlußkappe 41 am Behälter 45 befestigt ist, wird an der Außenfläche der Abschlußkappe 41 eine Anzeige bezüglich der Information der Indikatorgaskapsel 43 und des Indikatorgases in der Kapsel vorgesehen. Anschließend wird der Behälter 45 mit der Indikatorgaskapsel in das Brennstoffhüllrohr 42 ein­ gesetzt, das ähnlich wie das Hüllrohr bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist, und es wird die Abschlußkappe 41 vollständig dicht, beispielsweise durch Schweißen, an dem Brennstoffhüllrohr 42 angebracht. Die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel benutzte Indikatorgaskapsel 43 weist ei­ ne Schmelzdichtung 44 zum Schließen der Kapsel auf. Die Schmelzdichtung 44 besteht aus Materialien, beispielsweise niedrigschmelzenden Metallen oder Legierungen mit einem Schmelzpunkt unter der Temperatur des Kühlmittels im Reaktor während des Reaktorbetriebes, so daß das Indikatorgas in das Innere des Brennstoffelementes bei der oben beschriebenen Temperatur durch den Durchlaß 46 und den Zwischenraum zwi­ schen dem Hüllrohr 42 und dem Behälter 45 freigegeben wird. Die in Fig. 3 dargestellte Indikatorgaskapsel 43 ist aus der US-PS 39 57 576 bekannt, so daß der Kapselaufbau in Fig. 3 nicht näher beschrieben wird.

Wie es oben beschrieben wurde, ist die Abschlußkappe mit einer Indikatorkapsel versehen, wobei die Indikatorgaskapsel in einem Stück mit dem inneren Ende des Abschlußkappengehäuses verbunden ist, daß ein Ende eines Brennstoffhüllrohres verschließt. Nach dem Zusammenbau ist daher die Indikatorgaskapsel im Brennstoffhüllrohr aufgenom­ men und somit unsichtbar. Da jedoch eine Information bezüg­ lich des Indikatorgases in der Kapsel auf der Außenfläche des Abschlußkappengehäuses markiert ist, daß in einem Stück mit der Kapsel ausgebildet ist, ist es möglich, eine Information bezüglich des Indikatorgases und der Indikatorgaskapsel da­ durch zu erhalten, daß die Markierung auf der Aubschlußkappe oder die Form der Abschlußkappe überprüft wird. Dieses Prin­ zip kann selbst dann angewandt werden, wenn eine Vielzahl verschiedener Indikatorgase benutzt wird, vorausgesetzt, daß geeignete Markierungen und Abschlußkappenformen gewählt wer­ den, um die Entsprechungen zwischen verschiedenen Indikator­ gasen und Brennstoffstäben klarzustellen.

Es entspricht somit die Information über das Indi­ katorgas und die Indikatorgaskapsel den Markierungen an den Abschlußkappengehäusen oder den Formen dieser Gehäuse, wenn die Indikatorgaskapseln oder die Behälter für die Indikator­ gaskapseln mit den Abschlußkappen in einem Stück ausgebildet sind, so daß es nicht notwendig ist, von Haus aus die Ent­ sprechungen zwischen den Brennstoffstäben und den darin befindlichen Indikatorgaskapseln aufzuzeichnen. Es ist darü­ berhinaus möglich, leicht eine Information über die In­ dikatorgase und die Indikatorgaskapseln dadurch zu erhalten, daß die Markierungen an den Abschlußkappen oder die Formen dieser Kappen überprüft werden, selbst wenn die Indikatorgas­ kapseln in die Brennstoffstäbe eingesetzt und darin bei­ spielsweise durch Schweißen dicht verschlossen sind. Dies setzt den Arbeitsaufwand bei der zerstörungsfreien Prüfung nach dem Einsetzen der Indikatorgaskapseln in die Brennstoff­ stäbe herab.

Claims (6)

1. Abschlußkappe zum Verschließen des Endes eines Hüll­ rohres eines Kernbrennstoffstabes und Indikatorgaskapsel zum Einführen eines Indikatorgases in den Brennstoff­ stab, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorgaskapsel mit einem Ende der Abschluß­ kappe unter Bildung eines einteiligen Aufbaus verbunden ist und daß das Abschlußkappengehäuse an seiner Außen­ fläche eine Information bezüglich des Indikatorgases in der Indikatorgaskapsel trägt.

2. Abschlußkappe mit Indikatorgaskapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorgaskapsel ein zylindrisches Rohrstück, das mit einem Ende mit der Abschlußkappe verbunden ist, ferner eine dünne Membran, die dicht das andere Ende des zylindrischen Rohr­ stückes abschließt und eine Stecheinrichtung aufweist, die im Abstand der dünnen Membran gegenüber angeordnet ist, daß die Stecheinrichtung eine hohle Röhre, deren Ende schräg abgeschnittn ist, und eine Schraubenfeder für den Vortrieb der hohlen Röhre aufweist und daß die Schraubenfeder aus einer Formspeicherlegierung besteht.

3. Abschlußkappe mit Indikatorgaskapsel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stecheinrichtung ein ringförmiges Basiselement zum Befestigen der hohlen Rohre aufweist, daß ein Ende der Schraubenfeder mit dem ringförmigen Basiselement in Eingriff steht und daß das zylindrische Rohrstück einen inneren Vorsprung zum Befestigen des anderen Endes der Schraubenfeder aufweist.

4. Abschlußkappe mit Indikatorgaskapsel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußkappe einen Durchlaß zum Einfüllen des Indikatorgases in die Indikatorgaskapsel aufweist, der nach dem Einfüllen des Indikatorgases in die Kapsel dicht verschlossen wird.

5. Abschlußkappe mit Indikatorgaskapsel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorgaskapsel ein zylindrisches Rohrstück, das mit einem Ende mit der Abschlußkappe verbunden ist, ferner ein Stopfenelement zum dichten Verschließen des anderen Endes des zylindrischen Rohrstückes nach Einfüllen des Indikatorgases, eine Stecheinrichtung mit einer hohlen Röhre, deren freies Ende schräg abgeschnitten hat, und eine Schraubenfeder aufweist, die aus einer Formspeicherlegierung für den Vortrieb der hohlen Röhre gegen die Abschlußkappe besteht, und daß die Abschlußkappe eine Aussparung zur Aufnahme der hohlen Röhre bei deren Vortrieb, ferner eine dünne Membran zum dichten Verschließen der Aussparung, die im Abstand der hohlen Röhre gegenüber angeordnet ist, und einen Durchlaß aufweist, der mit der Aussparung in Verbindung steht.

6. Abschlußkappe mit Indikatorgaskapsel nach Anspruch 1, bei der die Indikatorgaskapsel mit einer Schmelzdichtung verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußkappe einen zylindrischen Behälter aufweist, der mit seinem einen Ende mit der Abschlußkappe und einem darin aufgebildeten Gasauslaß verbunden ist und dessen anderes Ende durch einen Stopfen verschlossen ist, der die Indikatorgaskapsel in ihrer Lage im Behälter festlegt.