DE2505645A1

DE2505645A1 - Verfahren zum lokalisieren defekter brennstaebe eines reaktorbrennelements

Info

Publication number: DE2505645A1
Application number: DE19752505645
Authority: DE
Inventors: Hermann Birnbreier; Uwe Heidtmann; Alfred Dipl Ing Jester
Original assignee: Babcock Brown Boveri Reaktor GmbH; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB Reaktor GmbH
Priority date: 1975-02-11
Filing date: 1975-02-11
Publication date: 1976-08-19
Also published as: SE423162B; IT1053971B; SE7601418L; ES444800A1; US4079620A; JPS51116395A; GB1522531A; IL48974A; BR7600813A; IL48974A0; AT362027B; CH607239A5; FR2301073A1; DE2505645C2; FR2301073B1; ATA79376A

Description

Mannheim, den 31 . 1. 75 APL-14/75/Bä/hö

Gemeinsame Patentanmeldung der Firmen

BABCOCK - BROWN BOVERI BROWN BOVERI & CIE

REAKTOR GmbH AKTIENGESELLSCHAFT 68 Mannheim - 41 68 Mannheim

Heppenheimerstr. 27-29 Kallstadter Str. 1

Verfahren zum Lokalisieren defekter Brennstäbe eines Reaktor-Brennelements

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren defekter Brennstäbe die zu Brennelementen zusammengefaßt sind und in wassergekühlten Kernreaktoren aum Einsatz kommen.

Der Kern eines leichtwassergekühlten Reaktors besteht aus ca. 40-50 tausend Brennstäben, die jeweils in einzelne Gruppen vont ca. 200 Stück zu sog. Brennelementen zusammengefaßt sind. Ein Brennelement ist aufgebaut aus zwei Endstücken, den Führungsrohren für die Aufnahme von Steuer- bzw. Vergiftungsstäben, den Abstandshaltern für die Positionierung der Brennstäbe sowie den Brennstäben. Die Brennstäbe, deren Hüllen aus Zircaloy-4 bestehen, enthalten Kernbrennstoff in oxidischer Form und sind an beiden Enden durch angeschweißte Endstopfen verschlossen.

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ORIGINAL INSPECTED

Durch den Betrieb können bei einzelnen Stäben lokale Undichtheiten auftreten. Dadurch wird das Austreten von gasförmigen Spaltprodukten in den Kühlmittelstrom ermöglicht, wodurch seine Radioaktivität erhöht wird.

In gewissem Umfang können Spaltprodukte im Kühlsystem geduldet werden. Es ist jedoch wünschenswert, ihre Menge wegen der Strahlenbelastung in der Nähe des Reaktorkühlsystems niedrig zu halten.

Aus dem oben genannten Grunde werden die Brennelemente üblicherweise bei jedem Brennelementwechsel einem sog. "Sipping"-Test unterworfen. Bei diesem Test wird das Brennelement im Brennelementlagerbecken unter Wasser in einen Behälter gebracht. Brennstäbe und Wasser in diesem Behälter heizen sich durch die Nachzerfallswärme auf. Enthält dieses Brennelement defekte Stäbe, so treten beim Erwärmen radioaktive Spaltprodukte aus den defekten Stäben aus und gelangen in das Wasser. Durch Entnehmen von Wasserproben und Messung der Radioaktivität kann dann festgestellt werden, ob das Element defekte Stäbe enthält. Dieses Verfahren ist eine integrale Methode, d. h. es liefert lediglich die Aussage, ob ein Brennelement defekte Stäbe enthält; es liefert jedoch keine Aussage über deren Position. Um ein Brennelement mit defekten Stäben wieder betriebsbereit zu machen, stellt sich die Aufgabe, die defekten Stäbe im Brennelement zu lokalisieren, sie anschließend zu ziehen und die freiwerdenden Positionen durch neue Stäbe oder Blindstäbe zu besetzen. Bei den bisher bekannten Verfahren zur Lokalisierung defekter Brennstäbe werden alle Stäbe eines Brennelements nacheinander ganz oder teilweise gezogen und mit Hilfe von Wirbelstrom- oder Ultraschallprüfungen auf Fehler untersucht. Die fehlerfreien Stäbe werden wieder in das Brennelement eingesetzt und die defekten durch neue Stäbe ersetzt.

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Dieses Verfahren ist sehr zeitraubend und aufwendig, Ein weiterer Nachteil ist, daß zur Prüfung alle Stäbe aus dem Brennelement ganz oder teilweise gezogen werden müssen. Beim Ziehen und Wiedereinsetzen der Stäbe verursachen die Abstandshalter an der Hülle Riefen oder Kratzer, die Ausgangspunkt für spätere Brennstabschäden sein können.

Weiterhin ist aus der OS 2314650 ein Verfahren bekannt, bei dem mittels Hochfrequenz-Energie das Hüllrohr unterhalb des Endstopfens erwärmt wird. Das sich in dem Heizbereich befindliche Wasser verdampft und über die Messung des zeitlichen Temperaturverlaufes am Endstopfen kann auf Wasser im Brennstäb geschlossen werden.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Brennstäbe nur einzeln oder in kleinen Gruppen geprüft werden können. Dabei macht es erhebliche Schwierigkeiten durch eine mehrere Meter dicke Wasserschicht die Heizspirale über den 11 mm 0 - Brennstab zu manipulieren.

Weiterhin hat sich als nachteilig gezeigt, daß der zeitliche Temperaturverlauf eines jeden Brennstabes einzeln gemessW werden muß, was einen Zeitaufwand von einigen Minuten pro Stab zur Folge hat. Bis alle Brennstäbe eines Brennelements geprüft sind wird eine erhebliche Zeit verstrichen sein, sodaß die Prüfung aller, defekte Brennstäbe enthaltender, Brennelemente während-eines Brennelementwechsel-Zyklus kaum möglich sein wird.

Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zu finden, mit dessen Hilfe eine schnelle und gleichzeitige Erkennung aller defekten Brennstäbe eines Brennelements möglich ist.

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GRiGiNALJNSPECTED

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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß sich das Leckwasser in der in den Endstopfenhohlräumen angeordneten Kapillarstruktur sammelt und durch Erhitzen der Endstopfen verdampft wird, wobei nach Erreichen der Siedetemperatur in den Endstopfenhohlräumen alle defekten Stäbe eines Brennelements . mit Hilfe eines Temperaturmeßgerätes auf einem damit verbundenen Monitor gleichzeitig erkannt werden. Vorzugsweise wird zur Temperaturmessung ein Infrarot-Temperaturmeßgerät eingesetzt.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin₉ daß sich über dem in einem Brennelementlagerbecken angeordneten Brennelement-Lagergestell eine Glocke befindet, in deren oberem Bereich Verbindungsstutzen zu einer Heißgasquelle, eine Wärmestrahlungsquelle und ein mit einem Monitor verbundenes Infrarot-Temperaturmeßgerät montiert sind.

Das Wasser, das sich ursprünglich im Glockeninnenraum befindet, wird mit Hilfe des aus den Heißgasquellen strömenden Gases verdrängt und auf dem Niveau N gehalten.

Um die Dampfbildung im Glockeninneraum und somit die Beeinträchtigung der darin montierten Instrumente und Geräte zu verhindern, wird weiterhin vorgeschlagen, den Glockeninnenraum mit Hilfe des Gasstromes solange trocken und wasserfrei zu halten, bis die Prüfung aller zu untersuchenden Brennelemente abgesdüssen ist. Die Glocke wird mit Hilfe einer oberhalb des Brennelementlagerbeckens angeordneten Laufkatze auf konstanter Höhe gehalten und ist in waagerechter Richtung verfahrbar.

Der Heißgasstrom und/oder die Wärm®strahlungsquelle wird zur Erhitzung der End s topf enlatltrnf lä chen benutzt, um das von der Kapillarstruktur aufgesogene Leckwasser zum Verdampfen zu bringen.

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Um Energie zu sparen, kann während dem Wasserverdrängungsvorgang Gas mit Raumtemperatur aus den Heißgasquellen strömen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen die Kapillarstruktur z. B. aus Netz oder Filz eines Metalls oder aus einer porösen Keramiktablette herzustellen.

Die Kapillarstruktur ist in einem oder beiden Endstopfenhohlräumen eines Brennstabes angebracht.

Das in einen defekten Brennstab eingedrungene Wasser wird sich in der Regel im unteren Teil des Brennstabes sammeln. Es hat sich deshalb als zweckmäßig gezeigt das Brennelement gegenüber der Lage im Reaktorkern um 180° gedreht unter die Prüfeinrichtung zu bringen. Das Brennelement wird dazu in ein im Brennelementlagerbecken angeordnetes Gestellv-.abgesetzt und verriegelt. Gestell mit Brennelement wird dann mit Hilfe bekannter Manipuliereinrichtungen um 180° gedreht.

Die im Reaktorkern unteren Brennstabendenden sind unter der Prüfeinrichtung dann obere Stabenden. Das eingedrungene Wasser wird den Gesetzen der Schwerkraft folgend nach unten laufen. Lediglich das in der Kapillarstruktur befindliche Wasser wird dort verbleiben und seine Aufgabe als Indikator für defekte Stäbe erfüllen.

In einer weiteren Ausgestaltung kann, anstatt der Kapillarstruktur eine topfförmige Kappe aus Blech in den Endstopfenhohlräumen angebracht werden, die ebenfalls garantiert, daß eine bestimmte Menge Leckwasser nach dem Drehen des Brennelements um 180° in den Endstopfenhohlräumen vorhanden ist.

Von Fall zu Fall kann es vorkommen, daß soviel Wasser in dem Brennstab enthalten ist, daß neben der Kapillarstruktur auch noch der Spaltgasraum mit Wasser gefüllt ist.

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Das erfindungsgemäße Verfahren kann hier genauso angewendet werden. Es wird aufgrund der größeren thermischen Kapazität lediglich länger dauern bis der Siedepunkt in dem Endstopfenhohlraum erreicht ist.

Nach Beendigung eines Brennstoffzyklusses werden ca. 30 % einer Kernladung als abgebrannt ausgetauscht und ca. 70 % verbleiben an ihrem Platz bzw. werden innerhalb des Kerns umgesetzt.

Werden diese 70 % innerhalb des Kerns auf defekte Stäbe untersucht, so bringt das eine weitere Zeiteinsparung, da die Brennelemente nicht in das Brennelementlagerbecken zu transportiern sind.

Es wird deshalb weiterhin vorgeschlagen, von der im oberen Stabende angeordneten Kapillarstruktur einen Docht in den Spaltgasraum ragen zu lassen, um dort angesammeltes Leckwasser in die Kapillarstruktur zu fördern.

Die Glocke wird dann über dem zu prüfenden Brennelement in dem gefluteten Kernbereich in Position gebracht.

Diese Anordnung kann aber nur eingesetzt werden, wenn sich in den defekten Stäben im oberen Spaltgasraum Wasser gesammelt hat. Es können also mit dieser Ausführungsvariante nur die stark beschädigten Stäbe erkannt werden.

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Man kann dann so verfahren, daß nach dem ersten Brennelementzyklus innerhalb des Kerns geprüft wird, um die stark beschädigten Stäbe zu erkennen und nach dem zweiten Brennelementzyklus im Brennelementlagerbecken geprüft wird um auch die leicht beschädigten Brennelemente zu erkennen»

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der dazu benötigten Einrichtung werden anhand der schematischen Darstellungen Fig. 1 bis 5 nachfolgend erläutert.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Wasserbecken bezeichnet, das bis zur Höhe 2 gefüllt ist. In diesem Becken, das unter anderem auch zur Lagerung bestrahlter Brennelemente dient, ist ein Gestell 3 gelagert, das zur Aufnahme der zu prüfenden Brennelemente dient. Ein derartiges Brennelement 4 wird mittels bekannter Hebezeuge in das Gestell eingesetzt und mit Hilfe nicht dargestellter Elemente verriegelt. Die bekannten Hebezeuge sind mit entsprechenden Manipuliereinrichtungen ausgerüstet, mit deren Hilfe das Gestell3 mit dem darin angeordneten Brennelement 4 um 180° gedreht wird. Währendddas Gestell mit dem Brennelement manipuliert wird, ist die Glocke 5 in die strichpunktierte Stellung zur Seite gefahren. Ebenso wird bei dieser Glockenstellung das Endstück 24 demontiert, um die zu prüfenden Brennstäbe zugänglich zu machen. Der Glocken-Innenraum wird dabei durch den Gasstrom, der aus den mit einer Heißgasquelle verbundenen Stutzen 15 kommt, trocken und wasserfrei gehalten. Eine Dampfbildung, die die Funktionsfähigkeit des Infrarotmeßger^btes 6 gefährden könnte, wird dadurch ausgeschaltet. Die Glocke 5 wird jetzt mit Hilfe einer nicht dargestellten Laufkatze in die ausgezogen gezeichnete Stellung gefahren. Das Gestell 3 mit dem darin verriegelten Brennelement 4 wird mit Hilfe nicht dargestellter Hebezeuge die in die Ösen 7 eingreifen soweit vertikal nach oben geführt, daß die Brennstäbe ca. 30-100 mm über dem Niveau N in die Glocke 5 hineinragen.

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In Fig. 2 ist der Teilbereich eines Brennstabes 22 dargestellt mit dem Hüllrohr 9, den BrennstofipelletsiO, den eingeschweißten Endstopfen 11 mit im Hohlraum 21 angeordneter Kapillarstruktur 12 und der Abstandshaltefeder 13 die in dem Spaltgasraum 25 angeordnet ist.

Eine andere Ausbildung der Leckwassersammelstelle im Endstopfenhohlraum 21 ist aus Fig. 3 zu sehen. Eine topfförmige Kappe 19 aus Blech ist dabei so ausgebildet, daß der sich bildende Dampf aus der Öffnung 20 entweichen kann, und sich das Leckwasser in dem Ringraum 26 sammelt.

In Fig. 4 ist eine Ausbildung der Kapillarstruktur gezeigt, wobei ein Docht 24 in den Spaügasraum ragt um gegebenenfalls Leckwasser aus dem Spaltgasraum in die Kapillarstruktur zu fördern.

Die in der Glocke 5 angeordneten Wärmestrahlquellen 14 und/oder der aus den Stutzen 15 kommende Heißgasstrom erwärmen die Stirnflächen der Endstopfen gleichmäßig. In alle defekten Brennst^ybe ist beim Reaktorbetrieb Kühlwasser eingeleckt und hat sich nach dem Abschalten des Reaktors in dem unteren Bereich der Brennstäbe gesammelt.

Die Kapillarstruktur 12, die in dem Endstopfenhohlraum angeordnet ist, hat sich mit Wasser vollgesogen und befindet sich, nachdem das Brennelement um 180° gedreht wurde , in den Endstopfen 11 die in die Glocke hineinragen. Alle defekten Brennstäbe enthalten in ihrer Kapillarstruktur ungefähr die gleiche Menge Leckwasser. Das bedeutet, daß bei der Zufuhr von Wärme an die Stirnflächen der Endstopfen in allen Endstopfenhohlräumen der defekten Stäbe ungefähr zur gleichen Zeit Siedetemperatur auftritt.

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Es wird auch, eine "bestimmte Zeit dauern bis das Leckwasser verdampft ist. Während dieser Zeit werden die Endstopfenstirnflächen trotz andauernder Wärmezufuhr durch die Wärmestrahlquellen 14 durch die entzogene Verdampfungswärme auf einer Temperatur von ungefähr 100° C gehalten. Die Wärmequellen sind so ausgelegt, daß sie in der Lage sind die Endstopf enstirnf lachen der intakten Stäbe auf mindestens 125° C zu erwärmen. Das δt und die Zeitdauer des Verdampfungszyklusses sind abhängig von der Heizleistung. Es stellt sich also ein At von ca. 25° zwischen intakten und defekten Stäben ein. In Fig. 5 ist graphisch der Temperaturverlauf der Endstopfenstirnflächen von defekten und intakten Stäben dargestellt. Die Temperatur steigt zunächst an allen Endstopfen gleichmäßig an. Bei Beginn der Verdampfung bleibt die Endstopfentemperatur der defekten Stäbe während der Zeit t auf Siedetemperatur stehen (Kurve 18). Die Endstopfentemperatur der intakten Stäbe steigt weiter auf ca. 125° C. (Kurve 23). Nach Beendigung des Verdampfungszyklus steigt auch die Endstopfentemperatur der defekten Stäbe, da jetzt kein Wasser mehr in der Kapillarstruktur ist, auf die Temperatur der intakten Stäbe an.

Wird .nach Erreichen des Siedepunktes mit dem Infrarot-Temperaturmeßgerät 6 eine Messung vorgenommen, so erscheint auf dem mit dem Meßgerät 6 verbundenen Monitor 16 ein Bild auf dem mit einem Blick die Positionen aller defekten Stäbe erkannt werden können. Die defekten Stäbe erscheinen als dunkle Flächen 17 und die intakten Stäbe als helle Flächen 18.

Das erfindungsgemäße Verfahren bringt also gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß alle defekten Brennstäbe eines Brennelements mit einfachen Mitteln gleichzeitig erkannt werden können.

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In einer Art fotographischer Aufnahme werden alle Stabenden auf den Monitor projiziert. Das Meßverfahren arbeitet also völlig berührungslos.

Das beschriebene Verfahren ist nicht nur auf Brennelemente leichtwassergekfihlter Reaktoren begrenzt, sondern bei Brennelementen aller mit Flüssigkeiten gekühlten Reaktortypen einsetzbar.

Weiterhin ist zu bemerken, daß das Erkennen der unterschiedlichen Temperaturen nicht nur auf das Infrarot-Ger^t beschränkt ist, sondern daß alle geeigneten Temperaturmeßgeräte bei dem Verfahren zum Einsatz kommen können.

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Claims

Patentansprüche

Malverfahren zum Lokalisieren defekter Brennstäbe, die zu Brennelementen zusammengefaßt sind und in wassergekühlten Kernreaktoren zum Einsatz kommen, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Leckwasser in der in den Endstopfenhohlräumen (21) angeordneten Kapillarstruktur (12) sammelt und durch Erhitzen der Endstopfen (11) verdampft wird, wobei nach Erreichen der Siedetemperatur in den Endstopfenhohlräumen, alle defekten Brennstäbe eines Brennelements (4) mit Hilfe eines Temperaturmeßgerätes (6) auf einem damit verbundenen Monitor (16) gleichzeitig erkannt werden.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich über dem in einem Brennelementlagerbecken (1) angeordneten Brennelementlagergestell (3) eine Glocke (5) befindet, in deren oberem Bereich Verbindungsstutzen (15) zu einer Heißgasquelle, Wärmestrahlquellen (-14) und ein mit einem Monitor verbundenes Infrarot-Temperaturmeßgerät (6) montiert sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des aus den Verbindungsstutzen strömenden Gases das Wasser auf dem Niveau N gehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstopfenstirnflächen mittels aus den Verbindungsstutzen (15) strömenden Heißgases und/oder mittels Wärmestrahlquellen (14) erhitzt werden.

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5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Glockeninnenraum mit Hilfe des Gasstromes solange wasserfrei und trocken gehalten wird, bis die Prüfung aller zu untersuchender Brennelemente einer Kern-Ladung abgeschlossen ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (12) aus einem Netz oder Filz eines Metalls, besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (12) aus einer porösen Keramiktablette besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 1,\\£"und 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Leckwassersammelstelle eine topfförmige Kappe (19) aus Blech in den Endstopfenhomlräumen (21) angebracht ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (12) mit einem Docht (24) in den Spaltgasraum (25) hineinragt.
10. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glocke (5) unterhalb des Wasserspiegels in waagerechter Richtung bewegt wird, wobei der Glockeninnenraum von dem Heißgasstrom wasserfrei und trocken gehalten wird.
11. Einrichtung nach Anspruch 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie über dem zu prüfenden Brennelement in dem gefluteten Kernbeceich angeordnet ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell mit Brennelement in vertikaler Richtung unter die Prüfeinrichtung gefahren wird.

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