DE4408273C2 - Vorrichtung zum Messen der Leistung eines Kernreaktors und Verfahren zum Herstellen einer solchen Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Leistung eines Kernreaktors, wie beispielsweise eines Leichtwasserreaktors (LWR), und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Vorrichtung.

In einem herkömmlichen Leichtwasserreaktor, beispielsweise einem Siedewasserreaktor, wird die Leistung des Reaktors gemessen, indem der Neutronenfluß innerhalb des Reaktors festgestellt wird. Für diesen Zweck bisher verwendete Neutronensensoren werden grob in zwei Systeme unterteilt, zu denen ein lokales Leistungsbereichsanzeigesystem (im folgen­ den "LPRM" genannt) gehört, welches als eine ortsfeste Spaltungs-Ionisationskammer im Reaktor ausgebildet ist, und zu denen ein quer bewegliches, im Kern befindliches Sonden­ system (im folgenden "TIP" genannt), gehört, das als eine bewegliche Spaltungs-Ionisa­ tionskammer ausgebildet ist.

Das LPRM, welches ein ortsfestes System im Reaktor ist, verwendet als Substanz zur Reaktion mit Neutronen im Reaktor ein Uranisotop. Als Ergebnis hat das LPRM folgende Nachteile: Uranisotop wird bei fortschreitendem Einsatz des LPRM verbraucht, wodurch das Risiko besteht, daß die Empfindlichkeit für Neutronen abnimmt und entsprechend die Meßgenauigkeit des Systems sich verschlechtert; und, da der Neutronenfluß an verschiede­ nen Stellen im Reaktor, an denen die LPRM-Sensoren vorgesehen sind, unterschiedlich ist, ist der Einsatz des Systems mit großen Empfindlichkeitsunterschieden zwischen verschiede­ nen Stellen im Reaktor verbunden.

Im Hinblick auf diese Nachteile wird während des Betriebes des Reaktors, beispielsweise eines Siedewasserreaktors, zusätzlich das TIP verwendet, um die Empfindlichkeit des LPRM in Bezug auf den Neutronenfluß zu kalibrieren, so daß Unterschiede in der Emp­ findlichkeit der LPRM-Sensoren kalibriert werden können.

Um das TIP zum Zweck der Kalibrierung der Empfindlichkeit der LPRM-Sensoren zu verwenden, ist es jedoch erforderlich, einen groß bemessenen Antriebsmechanismus zum Bewegen des TIP innerhalb des Reaktors an einer Stelle unterhalb des Reaktordruckgefäßes unterzubringen. Der Antriebsmechanismus erfordert für seine Wartung großen Aufwand. Dazu kommt, daß, wenn das TIP aus dem Reaktor herausgenommen wird, die Handha­ bung des TIP, das aktiviert ist, mit dem Risiko verbunden ist, daß die Bedienungspersonen einer Strahlung ausgesetzt werden.

Aus diesen Gründen wird in jüngster Zeit daran gedacht, die Verwendung des TIP zu unterlassen und anstelle des TIP eine andere Art von Reaktorleistungsmeßvorrichtung in Kombination mit dem LPRM zu verwenden. Diese Art Vorrichtung, die als γ-Thermome­ ter bezeichnet wird, umfaßt ein System von Sensoren an einer ortsfesten Stelle im Reaktor, welches keinen Antriebsmechanismus erfordert und mit keiner wesentlichen Verschlechte­ rung der Empfindlichkeit verbunden ist.

Das γ-Thermometer ist eine Art von Reaktorleistungsmeßvorrichtung, die die auf Strah­ lung (γ-Strahlung) zurückzuführende Wärmemenge feststellt. Genauer hat das γ-Thermo­ meter eine Struktur aus rostfreiem Stahl oder ähnlichem Material, die in den Sensor­ abschnitten des γ-Thermometers angeordnet ist und die durch Energieabsorption als ein Ergebnis der Absorption oder von unelastischer Streuung der Strahlung (insbesondere γ- Strahlung) innerhalb des Reaktors Wärme erzeugt; weiter gehören zum γ-Thermometer Thermoelemente oder ähnliches zum Messen der Temperaturverteilung, die sich ausbildet, wenn die erzeugte Wärme auf ein externes Kühlmittel übertragen wird. Im Gegensatz zu einer Spaltungs-Ionisationskammer weist das γ-Thermometer im Prinzip keine Empfind­ lichkeitsverschlechterung auf.

Fig. 9 bis 11 zeigen den Aufbau eines Sensorabschnitts eines γ-Thermometers, das als eine herkömmliche Leistungsmeßvorrichtung für einen Kernreaktor dient, die Temperaturver­ teilung in axialer Richtung eines Kernrohrs der Vorrichtung und die Anordnung von Thermoelementen und einer Heizeinrichtung in dem Sensorabschnitt. Die Reaktorleistungs­ meßvorrichtung bildet eine längliche, stabförmige Struktur mit einer Mehrzahl von solchen Sensorabschnitten in axialer Richtung. Eine solche Meßvorrichtung ist in der US-PS 4,440,716 beschrieben. Allerdings sind die nachfolgend verwendeten Bezugszeichen für die Vorrichtung gemäß Fig. 9-11 anders gewählt worden.

Der Sensorabschnitt weist eine Doppelohrkonstruktion auf mit einem Kernrohr 1 und einem Hüllrohr 2. Zwischen dem Kernrohr 1 und dem Hüllrohr 2 ist um den Umfang der Grenzfläche dieser Rohre 1 und 2 ein Zwischenraum 3 ausgebildet, der als adiabatischer Bereich dient, welcher eine Temperaturverteilung mit einem großen Variationsbereich verfügbar macht. Wärme wird von dem Innenohr 1 zum Hüllrohr 2 durch die Berüh­ rungsflächen zwischen den Rohren übertragen. Die Temperaturverteilung in der axialen Richtung des Kernrohrs 1 ist derart, daß, wenn der Sensorbereich keine Wärme erzeugt, die Temperaturverteilung flach ist, wie durch die gestrichelte Linie a in Fig. 9 dargestellt, wohingegen, wenn der Sensorabschnitt aufgrund von Strahlung im Reaktor Wärme erzeugt, die Temperatur T in der Mitte der axialen Erstreckung des Zwischenraums 3 ansteigt, wie durch die ausgezogene Kurve b dargestellt.

Der Grund dafür liegt darin, daß in der Reaktorleistungsmeßvorrichtung, wenn das von γ- Strahlung bestrahlte Kernrohr 1 Wärme erzeugt, die Wärme vom Kernrohr 1 zum Hüllrohr 2 durch ein Paar von Wegen geleitet wird, welche den oberen und unteren Bereich des Zwischenraums 3 umgehen, die sich in axialer Richtung über bzw. unter dem Zentrum des Zwischenraums 3 befinden. Der Temperaturanstieg ΔT in der axialen Mitte des Zwi­ schenraums 3 relativ zur Temperatur an anderen Stellen des Zwischenraums 3 entspricht der wärmeerzeugenden Leistung, d. h. einer Strahlungsdosis oder einer Brennstoffleistung in der Nähe des Sensorabschnitts. Die Messung eines solchen Temperaturanstiegs ΔT ermöglicht somit die Messung der Leistung des jeweiligen Kernreaktors.

Um einen solchen Temperaturanstieg ΔT zu messen sind in einer im Kernrohr 1 ausgebil­ deten Innenbohrung 4 eine Mehrzahl von Thermoelementen 5, deren Anzahl der Anzahl der Sensorabschnitte entspricht, sowie eine Heizeinrichtung 6 zum Kalibrieren der Emp­ findlichkeit der Sensoren aufgenommen. Wie in Fig. 11 dargestellt, ist jedes der Thermo­ elemente 5 mit einer Isolierschicht 7a und einer Metallschicht 8a beschichtet bzw. bedeckt, während die Heizeinrichtung 6 mit einer Isolierschicht 7b und einer Metallschicht 8b bedeckt ist.

Damit die herkömmliche Leistungsmeßvorrichtung für einen Kernreaktor die Temperatur des Kernrohrs 1 genau messen kann, müssen die Metallschichten 8a der Thermoelemente 5 das Kernrohr 1 innig berühren. Da die Metallschichten 8a der Thermoelemente 5 durch Hartverlöten oder Verlöten der Metallschichten 8a mit dem Kernrohr 1 nicht in innige Berührung mit dem Kernrohr 1 gebracht werden können, wird bei der Herstellung einer Leistungsmeßvorrichtung für einen Reaktor mit der oben beschriebenen Sensorkonstruktion folgendes Verfahren angewendet: Die Thermoelemente 5 und die Heizeinrichtung 6 werden, jeweils mit der Isolierschicht 7a oder 7b und der Metallschicht 8a oder 8b beschichtet, in die Innenbohrung 4 des Kernrohres eingesetzt; anschließend wird das Kernrohr 1 kalt gehämmert bzw. verpreßt, um das Kernrohr 1 in Preßberührung mit den Metallschichten 8a der Thermoelemente 5 zu bringen; schließlich wird das Hüllrohr 2 auf die Außenfläche des Kernrohrs 1 aufgebracht und kalt gehämmert bzw. verpreßt, damit das Hüllrohr 2 in Preßberührung mit der Außenfläche ist.

Dieses Verfahren aber wirft einige Probleme auf. Wenn das Verpressen des Kernrohrs 1 so unzureichend ist, daß die Metallschichten 8a der Thermoelemente 5 nicht in fester bzw. inniger Berührung mit der Innenfläche des Kernrohrs 1 sind, kann die Temperatur nicht genau gemessen werden. Wenn das Kernrohr 1 so stark verpreßt wird, daß die starke, auf das Kernrohr 1 aufgebrachte Kraft eine Verformung der Isolierschichten 7a und der Metallschichten 8a der Thermoelemente 5 hervorruft, kann dies Probleme der Vorrichtung verursachen, beispielsweise eine Unterbrechung oder einen Fehler in der Isolierung.

Ähnliche Probleme können bei der herkömmlichen Vorrichtung aufgrund der Anordnung hervorgerufen werden, bei der, um die Empfindlichkeit jedes Sensors zu kalibrieren, die in der Innenbohrung 4 aufgenommene Heizeinrichtung 6 das Kernrohr 1 aufheizt, so daß im Kernrohr 1 eine Temperaturverteilung entsteht, die sich der Temperaturverteilung nähert, welche sich durch Wärmeerzeugung aufgrund von Strahlung ausbildet. Da bei der herkömmlichen Anordnung die Thermoelemente 5 in der Nähe der Heizeinrichtung 6 angeordnet sind, können die Thermoelemente 5 zu stark aufgeheizt werden, was mit dem Risiko einer Unterbrechung, eines Ausfalls der Isolierung usw. verbunden ist.

Aus der US-PS- 4,298,430 ist eine Vorrichtung zum Messen der Leistung eines Kernreak­ tors bekannt, bei der längs eines zylindrischen Stabes in dessen äußerem Bereich axiale Nuten ausgebildet sind, die nach außen hin zumindest weitgehend geschlossen sind. In den Nuten sind abgeschirmte Leiter mit Thermoelementen angeordnet. Die heiße Verbindungs­ stelle jedes Thermoelements ist mittels einer schräg verlaufenden Bohrung axial zentral innerhalb des Stabes angeordnet. Die kalte Verbindungsstelle des Thermoelements befindet sich am Umfang des zylindrischen Stabes in einer der Nuten. Über den zylindrischen Stab kann unmittelbar Kühlmittel fließen. Sowohl die Ausbildung der axialen Nuten als auch deren Ende in einer schrägen Bohrung und das Einbringen der Thermoelemente ist verhältnismäßig kompliziert.

Aus der EP-0 243 579 A1 ist ein Gamma-Thermometer bekannt, bei dem zusätzlich zu einem Thermoelement in einer zentralen Bohrung eines Kernrohrs wenigstens ein weiteres Thermoelement in einem axialen Zwischenraum zwischen dem Kernrohr und einem Hüllrohr angeordnet ist. Das in dem Zwischenraum angeordnete Thermoelement ist dabei in linearer Berührung mit der Außenfläche des Kernrohrs, so daß die thermische Leitfähig­ keit zwischen beiden Bauteilen gering ist, was einer hohen Meßgenauigkeit entgegensteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen der Leistung eines Kernreaktors zu schaffen, die einfach hergestellt werden kann, eine hohe Tempera­ turmeßgenauigkeit aufweist und eine hohe Betriebszuverlässigkeit hat, bei der Probleme, wie Unterbrechungen oder Isolationsfehler vermieden sind. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Vorrichtung anzugeben.

Die der Vorrichtung zugrundeliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Haupt­ anspruchs gelöst.

Die Unteransprüche 2 bis 9 sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die dem Verfahren zugrundeliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Die Ansprüche 11 bis 13 kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ermöglicht, daß die Temperatursen­ soren in einfacher Weise in den axialen Kanälen gehalten werden, indem die Tempe­ ratursensoren in innige Berührung mit den Boden der axialen Kanäle von der Außenseite des Kernrohrs her gebracht werden. Auf diese Weise kann die Meßvorrichtung, die mit ringförmigen Zwischenräumen zwischen dem Hüllrohr und dem Kernrohrs ausgebildet ist und in inniger Berührung mit dem Kernrohr befindliche Temperatursensoren aufweist, auf einfacher Weise hergestellt werden.

Da die Reaktorleistungsmeßvorrichtung mit ringförmigen Zwischenräumen zwischen dem Hüllrohr und dem Kernrohrs ausgebildet ist und in inniger Berührung mit dem Kernrohr stehende Temperatursensoren aufweist, hat die Vorrichtung eine hohe Temperaturmeß­ genauigkeit und ist Problemen, wie Isolationsfehlern oder Unterbrechungen, kaum ausge­ setzt, arbeitet also sehr zuverlässig.

Wenn die stabförmige Heizeinrichtung unter Preßsitz in der im zentralen Bereich des Kernrohrs ausgebildeten Innenbohrung aufgenommen und darin gehalten ist, kann die Empfindlichkeit der Sensorbaugruppe mittels der Heizwirkung der Heizeinrich­ tung kalibriert werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Temperatursensoren, deren Meßbauteile Thermoelemente oder ähnliches umfassen, unzulässig stark erhitzt werden. Dies trägt zusätzlich zur Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Figuren beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 eine Ansicht zur Erläuterung des Prinzips der erfindungsgemäßen Leistungs- Meßvorrichtung für einen Kernreaktor;

Fig. 2 die Konstruktion eines Sensorabschnitts einer Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Leistungsmeßvorrichtung für einen Kernreaktor, sowie eine Temperaturverteilung in axialer Richtung eines Kernrohrs der Vorrichtung;

Fig. 3A eine Querschnittansicht in einer Ebene gemäß Linie IIIA-IIIA in Fig. 2;

Fig. 3B eine Querschnittansicht in einer Ebene gemäß Linie IIIB-IIIB in Fig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittansicht zur Darstellung der Anordnung von Temperatursenso­ ren und einer Heizeinrichtung der Vorrichtung gemäß Fig. 2;

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Bereiches V gemäß Fig. 1, wobei die Ansicht die Konstruktion eines Sensorabschnitts der Vorrichtung gemäß Fig. 1 sowie die Prinzipien der Messung der Temperaturverteilung in der axialen Richtung des Kernrohrs darstellt;

Fig. 6 die Konstruktion eines Sensorabschnitts einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7A eine Querschnittansicht in einer Ebene gemäß einer Linie VIIA-VIIA in Fig. 6;

Fig. 7B eine Querschnittansicht in einer Ebene gemäß Linie VIIB-VIIB in Fig. 6;

Fig. 8 eine vergrößerte Querschnittansicht eines Beispiels der Anordnung von Temperatursenso­ ren und einer Heizeinrichtung der Ausführungsform gemäß Fig. 6;

Fig. 9 die Konstruktion eines Sensorbereiches einer herkömmlichen Leistungsmeßvor­ richtung für einen Kernreaktor sowie eine Temperaturverteilung in axialer Richtung eines Kernrohres der konventionellen Vorrichtung;

Fig. 10 einen Querschnitt in einer Ebene gemäß einer Linie X-X in Fig. 9; und

Fig. 11 eine vergrößerte Querschnittansicht eines Beispiels der Anordnung von Thermoelementen und einer Heizeinrichtung in der herkömmlichen Vorrichtung gemäß Fig. 9.

Bezugnehmend auf die nachfolgenden Figuren wird eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen der Leistung eines Kernreaktors entsprechend der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Leistungsmeßvorrichtung für einen Kernreaktor, beispiels­ weise einen Siedewasserreaktor, entsprechend der Erfindung. Eine Mehrzahl von Reaktor­ leistungsmeßvorrichtungen 10 ist an verschiedenen Stellen in einem Kernabschnitt 12 innerhalb eines Kernreaktors 11 angeordnet, wobei in Fig. 1 nur eine der Vorrichtungen 10 gezeigt ist. Jede Reaktorleistungsmeßvorrichtung 10 hat ein lokales Leistungsbereichs­ anzeigesystem (LPRM) 13, das als eine an einer festen Stelle im Reaktor angeordnete Spaltungs-Ionisationskammer ausgebildet ist, und umfaßt weiter ein stabförmiges γ- Thermometer 14, das an einer festen Stelle im Reaktor vorgesehen ist, um als ein in­ nerhalb des Reaktos angeordneter Detektor zum Kalibrieren der Reaktorleistungsmessung zu dienen. Der Aufbau des LPRM 13 unterscheidet sich nicht von der eines herkömm­ lichen LPRM, so daß die Konstruktion zur Vermeidung von Wiederholungen nicht be­ schrieben wird.

Das γ-Thermometer 14 bildet eine längliche stabförmige Sensorbaugruppe mit einem Außendurchmesser von etwa 10 mm. Das γ-Thermometer 14 muß nicht zur Kalibrierung der Reaktorleistungsmessung in dem Reaktor verwendet werden, kann aber zur Messung der Reaktorleistung verwendet werden. Des weiteren kann das γ-Thermometer 14 als eine in das LPRM 13 integrierte Struktur ausgebildet sein, so daß es in eine LPRM-Kette bzw. Einheit 16 gemäß Fig. 1 eingeschlossen ist, oder das γ-Thermometer kann eine von dem LPRM 13 getrennte Struktur sein, die unabhängig davon vorgesehen ist.

Das γ-Thermometer 14 hat einen empfindlichen Bereich mit einer Höhe, die der effektiven Höhe H des Kernabschnitts 12 des Reaktors 11 entspricht. Eine Mehrzahl von beispiels­ weise acht Sensorabschnitten 15 ist in dem empfindlichen Bereich des γ-Thermometers 14 vorgesehen. Die Sensorabschnitte 15 sind in einer Reihe angeordnet, die sich in axialer Richtung des γ-Thermometers 14 erstreckt, wobei zwischen ihnen geeignete Zwischenräu­ me liegen. Gemäß Fig. 2 bildet das γ-Thermometer 14 eine stabförmige Struktur mit einem Doppelrohraufbau, in welchem ein Kernrohr 18 aus Metall, unter Preßsitz in einem Hüllrohr 17 sitzt und darin gehalten ist, so daß das Hüllrohr 17 ein äußeres Hüllrohr bildet, während das Kernrohr 18 ein inneres Metallrohr bildet. Das Hüllrohr 17 und das Kernrohr 18 bestehen aus einem Metall mit sehr guter Hochtemperaturkorrosionswider­ standsfähigkeit und ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise rostfreiem Stahl oder Zirkaloy.

Das Kernrohr 18 weist eine Mehrzahl von ringförmigen Ausnehmungen (Zwischenräumen) 20 auf, die um seinen Umfang herum durch Ausnehmen bzw. Abtragen des Kernrohrs 18 von dessen Außenfläche aus ausgebildet sind. Die ringförmigen Ausnehmungen 20 sind durch die Innenfläche des Hüllrohrs 17 bedeckt und dicht verschlossen, wodurch eine Mehrzahl von ringförmigen Zwischenräumen 21 zwischen dem Hüllrohr 17 und dem Kernrohr 18 gebildet ist. Die ringförmigen Zwischenräume 21 sind in gleicher Anzahl wie die Sensorabschnitte 15 an verschiedenen Stellen des empfindlichen Bereiches des γ- Thermometers 14 vorgesehen, die voneinander in axialer Richtung des empfindlichen Abschnitts geeignete Abstände haben, wobei jeder ringförmige Zwischenraum als ein adiabatischer Bereich dient. Die ringförmigen Zwischenräume 21 sind mit einem Edelgas, beispielsweise Argon, gefüllt.

Das Kernrohr 18 weist weiter eine Mehrzahl von axialen Nuten bzw. Kanälen 23 auf, die in ihm derart ausgebildet sind, daß jede ringförmige Ausnehmung 20 mit einer benach­ barten ringförmigen Ausnehmung 20 durch einen der axialen Kanäle 23 verbunden ist. Wie in Fig. 3A, 3B und 4 dargestellt, sind die axialen Kanäle 23, von denen sich jeder in axialer Richtung des Kernrohrs 18 erstreckt, in gleicher Anzahl wie die Kernabschnitte 15 ausgebildet und in einem radialen Muster angeordnet, in welchem die Tiefenerstreckung der axialen Kanäle 23 in radialer Richtung liegt. Jeder axiale Kanal 23 ist zur Außenfläche des Kernrohrs offen.

In jedem axialen Kanal 23 ist ein Temperatursensor 25 angeordnet. Gemäß Fig. 4 umfaßt jeder Temperatursensor 25 ein Meßbauteil mit einem Differentialthermoelement 26, das nacheinander mit einer Isolierschicht 27 und einer Metallschicht 28 bedeckt ist. Die Metallschicht 28 jedes Temperatursensors 25 ist am Kernrohr 18 befestigt, indem bei­ spielsweise die Metallschicht 28 mit einem Hartlötmaterial 50 verlötet ist. Auf diese Weise sind die Temperatursensoren 50 durch Hartlöten, Löten oder eine ähnliche Technik derart gehalten, daß die Temperatursensoren 25 den Boden der axialen Kanäle 23 und der ringförmigen Ausnehmungen 20 genügend berühren.

In einer axial in einem zentralen Bereich des Kernrohrs 18 ausgebildeten Innenbohrung 30 ist eine stabförmige Heizeinrichtung 31 unter Preßsitz aufgenommen und darin gehalten. Die Heizeinrichtung 31 umfaßt einen stabförmigen Heizkörper 32, der nacheinander mit einer Isolierschicht 23 und einer Metallschicht 34 beschichtet ist.

Im folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des γ-Thermometers 14 der Reaktorlei­ stungsmeßvorrichtung anhand Fig. 2 beschrieben.

Das γ-Thermometer 14, mit welchem die Leistung des jeweiligen Reaktors unter Ver­ wendung der auf γ-Strahlung zurückgehenden Wärmeerzeugung gemessen werden sollen, wird folgendermaßen hergestellt: zunächst wird die stabförmige Heizeinrichtung 31 unter Preßsitz in der Innenbohrung 30 des Kernrohrs 18 angebracht und darin gehalten. Danach werden die ringförmigen Ausnehmungen 20 und die axialen Kanäle 23, in denen die Temperatursensoren 25 aufgenommen werden sollen, ausgebildet, indem Außenflächenbe­ reiche des Kernrohrs 18 abgetragen werden.

Anschließend werden die Temperatursensoren 27 mit den Thermoelementen 26 und den Beschichtungen 27 und 28 darauf in den ringförmigen Ausnehmungen 20 und den einzel­ nen axialen Kanälen 23 angeordnet. Nachdem jeder Temperatursensor 25 auf diese Weise angeordnet ist, wird ein Hochtemperaturberührungspunktbereich Th des Sensors 25, der einen in der entsprechenden ringförmigen Ausnehmung 25 angeordneten Meßpunkt bilden soll, festgesetzt, indem beispielsweise der Bereich hartgelötet wird; ein Niedertemperatur­ berührungspunktbereich Tc wird in dem jeweiligen axialen Kanal 23 festgesetzt, indem der Bereich beispielsweise hart verlötet wird. Anschließend ist jeder Temperatursensor 25 in dem entsprechenden axialen Kanal 23 des Kernrohrs 18 von außen her gehalten, indem Hartlötmaterial 50 oder ähnliches verwendet wird. Schließlich wird das Hüllrohr 17 unter Preßsitz auf die Außenfläche des Kernrohrs 18 aufgebracht.

In der sich ergebenden Struktur sind die Temperatursensoren 50 mit den Thermoelementen 26 als Meßbauteilen in den ringförmigen Ausnehmungen 20 und den axialen Kanälen 23 mittels einer Hartlöttechnik oder ähnlichem gehalten und stehen auf diese Weise in inniger bzw. einteiliger Berührung mit dem Kernrohr 18. Folglich hat die sich ergebende Struktur eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wobei sie frei von Verformungen ist und entsprechend ein vermindertes Risiko bezüglich eines Fehlers in der Isolierung oder ähnlichem besteht. Es ist somit möglich, die Temperaturen an Punkten Th und Tc, wie in Fig. 2 und 5 gezeigt, genau zu messen. Da die mit den Thermoelementen 26 ausgebildeten Temperatursensoren 25 in der oben beschriebenen Struktur die stabförmige Heizeinrichtung 31 nicht direkt berühren, wird verhindert, daß die Thermoelemente 26 bei Betrieb der Heizeinrichtung 31 zu stark aufgeheizt werden. Dies ermöglicht es, das Risiko von Problemen, wie eine Unterbrechung oder Isolationsfehler, zu vermindern.

Die Temperaturverteilung in axialer Richtung des Kernrohrs 18 des γ-Thermometers 14 ist ähnlich der in der herkömmlichen Vorrichtung, da die ringförmigen Zwischenräume 21 (die ringförmigen Ausnehmungen 20) als adiabatische Bereiche dienen, wie in Fig. 2 und 5 dargestellt. Wenn das γ-Thermometer 14, das als eine Sensorbaugruppe dient, keine Wärme erzeugt, ist die Temperaturverteilung flach, wie in Fig. 2 und 5 durch die gestri­ chelte Linie a angedeutet. Wenn dagegen das γ-Thermometer 14 aufgrund von γ-Strahlung im Kernabschnitt 12 aufgrund des Betriebs des Kernreaktors 11 Wärme erzeugt, entsteht eine Temperaturverteilung wie durch die ausgezogene Kurve b dargestellt, bei welcher die Temperatur an den Stellen der adiabatischen ringförmigen Zwischenräume 21 entsprechend der Leistung des Reaktors 11 ansteigt. Wenn dieser Temperaturanstieg ΔT mit Tempera­ tursensoren 25 gemessen wird, die Meßbauteile wie Thermoelemente 26 oder ähnliches aufweisen, ist es somit möglich, die Leistung des Kernreaktors 11 zu messen.

Aufgrund der Heizwirkung des Heizkörpers 32 der stabförmigen Heizeinrichtung 31, mittels der das Kernrohr 18 direkt beheizt wird, ist es möglich, eine Temperaturverteilung zu erzeugen, die sich der Temperaturverteilung bei Wärmeerzeugung aufgrund von Strahlung (γ-Strahlung) annähert. Auf diese Weise ist es möglich, die Empfindlichkeit der Temperatursensoren 25 zu kalibrieren, ohne daß das Risiko einer unzulässig hohen Erhitzung der Thermoelemente 26 besteht.

Das γ-Thermometer 14 mißt mittels der Thermoelemente 26 die wärmeerzeugende Lei­ stung von γ-Strahlen, einer Art von Strahlung, so daß die Leistung des umgebenden Kernbrennstoffs gemessen wird, die proportional zur wärmeerzeugenden Leistung der γ- Strahlen ist. Die Prinzipien dieser Messung sind in Fig. 5 dargestellt.

Wenn gemäß Fig. 5 das γ-Thermometer 14 an einer festen Stelle des Kernabschnitts 12 des Reaktors 11 mit γ-Strahlen vom Kernbrennstoff um das γ-Thermometer 14 herum bestrahlt und auf diese Weise erhitzt wird, bewirkt das Vorhandensein der ringförmigen Zwischenräume 21, die als adiabatische Bereiche dienen, daß Wärme, die einwärts jedes ringförmigen Zwischenraums 21 erzeugt wird, zu den Endbereichen des ringförmigen Zwischenraums 21 hin in zwei einander entgegengesetzten axialen Richtungen strömt, wie durch kurze weiße Pfeile in Fig. 5 dargestellt. Der Wärmefluß in den beiden entgegen­ gesetzten axialen Richtungen ruft in dem entsprechenden Sensorabschnitt 15 eine Tempera­ turverteilung in axialer Richtung hervor. Der vom jeweiligen Differentialthermoelement 26 gemessene Temperaturunterschied ist proportional zur wärmeerzeugenden Leistung der γ- Strahlen und ebenfalls proportional zur Wärmeleistung des umgebenden Kernbrennstoffs. Auf diese Weise kann durch Messung der wärmeerzeugenden Leistung der γ-Strahlen die Kernbrennstoffleistung um das γ-Thermometer 14 herum erhalten werden.

Das die Meßergebnisse jedes γ-Thermometers 14 anzeigende Signal hat einen Wert, der annäherungsweise durch folgende Formel beschrieben werden kann, wenn beispielsweise rostfreier Stahl als Strukturmaterial für das Kernrohr und Hüllrohr verwendet wird, die das γ-Thermometer 14 bilden:

wobei
U: Wert des Meßsignals (µV)
Se: Seebeck Koeffizient (40 µ V/°C)
w: wärmeerzeugende Leistung der γ-Strahlen (W/g)
L: halbe axiale Länge des gasgefüllten Bereiches (ringförmiger Zwischenraum (cm))
k: Wärmeleitfähigkeit von rostfreiem Stahl (W/°C-cm)
ρ: Dichte von rostfreiem Stahl (g/cm³)

Fig. 6 bis 8 zeigen eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen der Leistung eines Kernreaktors.

Bei dieser Ausführungsform hat die Reaktorleistungsmeßvorrichtung ein γ-Thermometer, das ein stabförmiges Kernrohr 40 aus Metall aufweist, wobei das Kernrohr 40 so ausge­ bildet ist, daß es sowohl als Kernrohr der Vorrichtung als auch als Metallschicht von deren stabförmiger Heizeinrichtung 41 dient. Mit anderen Worten, in der Ausführungsform gemäß Fig. 6 bis 8 fehlt ein Bauteil, das der Metallschicht 34 der stabförmigen Heiz­ einrichtung 31 gemäß Fig. 4 entspricht. Wie in Fig. 6 dargestellt, umfaßt die stabförmige Heizeinrichtung 41 einen Heizkörper 43, der unter Pressung in das Kernrohr 40 eingesetzt und darin gehalten ist, wobei zwischen dem Heizkörper 43 und dem Kernrohr 40 sich eine Isolierschicht 44 befindet. Der Heizkörper 43 der stabförmigen Heizeinrichtung 41 ist somit mit einer relativ dicken Metallschicht bedeckt.

Das Kernrohr 40, das die Metallabdeckung bzw. -Schicht über dem Heizkörper 43 bildet, weist eine Mehrzahl von ringförmigen Ausnehmungen 45 auf, die um den Umfang herum ausgebildet und zur Außenfläche des Kernrohrs 40 offen sind, wobei jede ringförmige Ausnehmung 45 so ist, wie in Fig. 6 gezeigt. Die ringförmigen Ausnehmungen 45 sind in gleicher Anzahl wie die Sensorabschnitte des γ-Thermometers durch Ausnehmen des Kernrohrs 40 von der Außenfläche her an unterschiedlichen Stellen des Kernrohrs 40 ausgebildet, die voneinander in axialer Richtung des Kernrohrs 40 entfernt sind. Das Kernrohr 40 enthält weiter eine Mehrzahl von axialen Kanälen 46, die sich in seiner axialen Richtung derart erstrecken, daß jede der ringförmigen Ausnehmungen 45 mit einer benachbarten ringförmigen Ausnehmung 45 durch einen der axialen Kanäle 46 hindurch verbunden ist. Temperatursensoren 25 sind in den ringförmigen Ausnehmungen 45 und den einzelnen axialen Kanälen 46 angeordnet. Wie in Fig. 7B und Fig. 8 dargestellt, sind die axialen Kanäle 46 in einem radialen Muster angeordnet, in welchem die axialen Kanäle 46 zur Außenfläche des Kernrohrs 40 offen sind und ihre Tiefenrichtung verläuft in radialer Richtung. Diese Ausbildung ermöglicht, daß die Temperatursensoren 25 bei ihrer Anordnung in den ringförmigen Ausnehmungen 45 und den axialen Kanälen 46 in ein­ facher Weise mit dem Kernrohr 40 in Berührung gebracht werden können. Die Tempera­ tursensoren 25 sind mit dem Boden der ringförmigen Ausnehmungen 40 und der axialen Kanäle 46 des Kernrohrs 40 durch Hartlöten, Löten oder eine ähnliche Technik unter Ver­ wendung eines Hartlötmaterials 50 in innige bzw. integrale Berührung gebracht.

Es ist besonders vorteilhaft, den Böden der axialen Kanäle 46 eine Querschnittsform zu geben, die der Querschnittsform des Temperatursensors entspricht, so daß die axialen Kanäle 46 eine halbkreisförmige Ausbildung ihrer Böden aufweisen, wenn die Temperatur­ sensoren 25 eine halbkreisförmige Außenform haben, wie in Fig. 7B und Fig. 8 darge­ stellt. Mit dieser Ausbildung wird die Berührung zwischen dem Kernrohr 40 und den Temperatursensoren 25 deutlich verbessert, ohne daß eine Technik, wie beispielsweise Verpressen oder Kalthämmern, verwendet wird.

Ein Hüllrohr 17 aus Metall wird unter Preßsitz auf die Außenfläche des Kernrohrs 40 aufgebracht und daran gehalten, wobei das Kernrohr 40 die Metallschicht über dem Heizkörper 43 bildet. Die Konstruktionen der Ausführungsform gemäß Fig. 6 bis 8, die soweit sie nicht oben beschrieben sind, nicht unterschiedlich zu den entsprechenden Konstruktionen des γ-Thermometers 14 (Sensorbaugruppe) gemäß Fig. 2 bis 4 sind, sind mit gleichen Bezugszeichen belegt und werden nicht beschrieben.

In dem γ-Thermometer der zweiten Ausführungsform treten, wenn die Sensorbaugruppe aufgrund von Strahlung im Kernreaktor oder bei Erzeugung von Wärme durch den Heizkörper 32 in der Sensorbaugruppe Wärme erzeugt, Temperaturerhöhungen in den ringförmigen Ausnehmungen 21 auf, die teilweise durch das Kernrohr 40 definiert sind, das die Metallschicht der stabförmigen Heizeinrichtung 41 bildet. Arbeitsweise und Wirkung sind dementsprechend ähnlich denen des γ-Thermometers der vorhergehenden Ausführungsform.

Wie im Vorstehenden beschrieben umfaßt eine Leistungsmeßvorrichtung für einen Kernre­ aktor entsprechend der Erfindung eine Sensorbaugruppe mit einer Mehrzahl von ringförmi­ gen Zwischenräumen, die zwischen einem stabförmigen metallischen Kernrohr und einem unter Preßsitz auf der Außenfläche des Kernrohrs angeordneten Hüllrohr definiert sind und die an unterschiedlichen Stellen ausgebildet sind, die voneinander in axialer Richtung des Kernrohrs entfernt sind, und weiter mit einer Mehrzahl von Temperatursensoren, die in einer Mehrzahl von axialen Kanälen angeordnet sind, welche in dem Kernrohr ausgebildet sind und sich in dessen axialer Richtung erstrecken und zur Außenfläche des Kernrohrs offen sind. Mittels der beschriebenen Konstruktion können die Temperatursensoren in ein­ facher Weise in den axialen Kanälen gehalten werden, wobei sie in inniger Berührung mit dem Kernrohr sind; dies ist dahingehend vorteilhaft, daß eine Leistungsmeßvorrichung für einen Kernreaktor, die ringförmigen Zwischenräume zwischen dem Hüllrohr und dem Kernrohr aufweist und weiter in inniger Berührung mit dem Kernrohr stehende Tempe­ ratursensoren aufweist, einfach und leicht herstellbar ist. Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Konstruktion liegt darin, daß die Temperatursensoren durch Löten bzw. Hartlöten von der Außenseite des Kernrohrs an dem Kernrohr befestigt werden können. Dies erleichtert den Zusammenbau der verschiedenen Bauteile zu der Sensorbaugruppe.

Da die erfindungsgemäße Leistungsmeßvorrichtung für einen Kernreaktor eine Mehrzahl von ringförmigen Zwischenräumen zwischen dem Hüllrohr und dem Kernrohr umfaßt und weiter eine Mehrzahl von Temperatursensoren umfaßt, die in inniger Berührung mit dem Kernrohr sind, weist die Vorrichtung eine hohe Temperaturmeßgenauigkeit auf und ist mit einem verminderten Risiko des Auftretens von Problemen, wie einer Unterbrechung oder einem Fehler in der Isolation verbunden, so daß sie eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Wenn die Vorrichtung eine stabförmige Heizeinrichtung aufweist, die unter Paß- bzw. Preßsitz in eine in einem Zentralbereich des Kernrohrs ausgebildete Innenbohrung sitzt und darin gehalten ist, kann die Empfindlichkeit der Sensorbaugruppe durch die Heizwirkung der Heizeinrichtung kalibriert werden. Da eine solche Kalibrierung nicht mit dem Risiko einer unzulässig hohen Aufheizung der Temperatursensoren verbunden ist, bestehen bei der Reaktorleistungsmeßvorrichtung geringere Probleme bezüglich einer Unterbrechung und einem Isolationsfehler.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Messen der Leistung eines Kernreaktors mit einer in einem Kernabschnitt (12) innerhalb des Kernreaktors (11) angeordneten Sensorbaugruppe zum Feststellen der Temperaturverteilung in Sensorabschnitten (15) der Sensorbaugruppe, um die Leistung des Kernreaktors zu messen,
welche Sensorbaugruppe enthält:
ein stabförmiges Kernrohr (18; 40) aus Metall;
ein Hüllrohr (17) aus Metall, welches mit Preßsitz auf der Außenfläche des Kernrohrs (18; 40) sitzt;
eine Mehrzahl von ringförmigen Zwischenräumen (21), die zwischen dem Hüllrohr (17) und dem Kernrohr (18; 40) an verschiedenen, voneinander in axialer Richtung des Kernrohrs entfernten Stellen definiert sind;
eine Mehrzahl axialer Kanäle (23; 46), die in dem Kernrohr (18; 40) ausgebil­ det sind, an der Außenfläche des Kernrohrs offen sind und sich in axialer Richtung des Kernrohrs erstrecken; und eine Mehrzahl von Temperatursensoren (25), die in den axialen Kanälen einzeln geführt und an dem Kernrohr (18; 40) angeordnet sind,
wobei die Temperatursensoren (25) der Sensorbaugruppe die Temperaturver­ teilung in Bereichen des Kernrohrs (18; 40) feststellen, die den ringförmigen Zwischen­ räumen (21) zugewandt sind, um die Leistung des Kernreaktors zu messen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher in einem zentralen Bereich des Kernrohrs (18; 40) eine Innenbohrung (4) ausgebildet ist und eine Mehrzahl von ringför­ migen Ausnehmungen (20) um den Umfang des Kernrohrs ausgebildet ist, indem das Kernrohr von seiner Außenfläche her an unterschiedlichen, in axialer Richtung des Kernrohrs voneinander entfernten Stellen ausgenommen ist, wobei die Innenbohrung (4) eine stabförmige Heizeinrichtung (31; 41) aufnimmt, welche unter Preßsitz in ihr gehalten ist, jedes Paar benachbarter ringförmiger Ausnehmungen (20) durch einen der axialen Kanäle (23, 46) miteinander verbunden ist, zu welchen axialen Kanälen Kanäle gehören, die in einem radialen Muster derart angeordnet sind, daß ihre Tiefen in radialen Richtun­ gen liegen und sie sich in axialer Richtung des Kernrohrs (18; 40) erstrecken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die stabförmige Heizeinrichtung (41) einen Heizkörper (43), eine Isolierschicht (44) auf dem Heizkörper und eine Metall­ schicht auf der Isolierschicht aufweist, welche Metallschicht durch das Kernrohr (40) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die axialen Kanäle (46), welche die Temperatursensoren (25) aufnehmen, Böden aufweisen, die entsprechend der Außen­ form der Temperatursensoren geformt sind, so daß die Temperatursensoren (25) in enger Berührung mit den Böden der axialen Kanäle sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Kernrohr (18; 40) und das Hüllrohr (16) aus einer hitzebeständigen und korrosionsbeständigen Legierung, wie rostfreiem Stahl oder einer Zirkonlegierung, bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher jeder der Temperatursensoren (25) ein Meßglied mit einem Thermoelement (26) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die axialen Kanäle (23; 46) über im wesentlichen ihre gesamte Länge zueinander parallel sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die axialen Kanäle (23; 46) von der Außenfläche des Kernrohrs (18; 40) her im wesentlichen konstante Tiefe aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die axialen Kanäle (23; 46) eine Tiefe derart haben, daß zwischen jedem der Temperatursensoren (25) und dem Hüllrohr ein Zwischenraum vorhanden ist.

10. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Messen der Leistung eines Kernreaktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches Verfahren folgende Schritte enthält:
Anbringen einer stabförmigen Heizeinrichtung (31; 41) unter Preßsitz in einer Innenbohrung (30) in einem zentralen Bereich eines stabförmigen Kernrohrs (18; 40) aus Metall;
Ausbilden einer Mehrzahl von ringförmigen Ausnehmungen (20; 45) um den Umfang des Kernrohrs durch Ausnehmen des Kernrohrs von dessen Außenfläche aus an verschiedenen Stellen des Kernrohrs, die in axialer Richtung des Kernrohrs voneinander entfernt sind;
Ausbilden einer Mehrzahl von axialen Kanälen (23; 46) in dem Kernrohr derart, daß die axialen Kanäle zu der Außenfläche des Kernrohrs hin offen sind und sich in axialer Richtung des Kernrohrs erstrecken;
Anordnen einer Mehrzahl von Temperatursensoren (25) in den einzelnen axialen Kanälen; und
Anbringen eines Hüllrohrs (17) aus Metall auf der Außenfläche des Kernrohrs (18; 40) unter Preßsitz.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die axialen Kanäle (23; 46) derart ausgebildet sind, daß sie über ihre im wesentlichen gesamte Länge parallel zueinander laufen.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die axialen Kanäle (23; 46) derart ausgebildet werden, daß sie von der Außenfläch des Kernrohrs (18; 40) ausgemessen eine im wesentlichen konstante Tiefe aufweisen.

13. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die Temperatursensoren (25) in den einzelnen axialen Kanälen (23; 46) derart angeordnet werden, daß zwischen jedem Temperatursensor (25) und dem Hüllrohr (17) ein Zwischenraum gebildet ist.