DE3424113C2 - - Google Patents
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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.
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