DE60018341T2

DE60018341T2 - Messung der ferromagnetischen Materialdicke und der Oxiddicke bei Kernbrennstäben

Info

Publication number: DE60018341T2
Application number: DE60018341T
Authority: DE
Inventors: Richard G. Mcclelland
Original assignee: Framatome ANP Inc
Current assignee: Framatome Inc
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2020-09-15
Also published as: KR20010030415A; JP2001133208A; DE60018341D1; JP4681106B2; EP1085526B1; US6366083B1; TW565858B; EP1085526A1; KR100735213B1; ES2239979T3

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wirbelstromtestverfahren zur Messung der Dicke von einer oder mehr leitfähigen Schichten aus ferromagnetischer und nicht ferromagnetischer Korrosion (crud) und Zirkoniumoxid, die auf Brennstabummantelungen von Nuklearbrennelementen gebildet sind, und Wirbelstromtestverfahren zur genauen Messung der Zirkoniumoxidschicht, die sich zwischen der Brennstabummantelung aus Zirkoniumlegierung und einer oder mehr leitfähigen Schichten aus ferromagnetischer und/oder nicht ferromagnetischer Korrosion befindet.
Hintergrund der Erfindung
Während des Betriebs des Kernreaktors sind Brennstäbe, die in jeder Nuklearbrennstoffanordnung angeordnet sind, im Reaktorkern in Kühlmittel/Moderator getaucht. In Leichtwasserreaktoren, die Zirkonium- oder Zircaloymantelrohre für die Brennstäbe einsetzen, bildet sich aufgrund der Reaktion zwischen dem Kühlwasser, dem Moderator und dem Zirkonium in den Mantelrohren Zirkoniumoxid auf den Brennstäben, das zu einer Dicke von etwa 200 μm anwachsen kann. Wegen der nachteiligen Wirkung des Zirkoniumoxids auf die Wärmeübertragung vom Brennstabmantelrohr zum Kühlmittel/Moderator und des Dünnerwerdens der Mantelwanddicke aufgrund des Metallverlustes, der die strukturelle Integrität der Ummantelung beeinflusst, besteht eine Begrenzung hinsichtlich der Höchstmenge an Oxid, die an jedem Brennstab erlaubt ist. Sobald diese Grenze für einen Brennstab erreicht ist, muss er aus dem Betrieb entfernt werden.
In normalen Wasserchemiereaktoren (zum Beispiel jene, bei denen dem Kühlwasser/Moderator kein Zink oder Edelmetalle zugesetzt wurden) lagern sich typischerweise keine oder begrenzte Mengen an Korrosionsprodukten auf den Brennstäben an, und es können Standard-Wirbelstromabhebemesstechniken (Abhebemesstechnik: lift-off measurement techniques) eingesetzt werden. Solche Standardtechniken messen einen Parameter (zum Beispiel den Abhebevektor), der durch die Zirkoniumoxidschicht erzeugt wird und der dann mit der Dicke der Zirkoniumoxidschicht in Beziehung gesetzt wird.
Das Reaktorkühlmittel kann jedoch gelöste Teilchen von Reaktorkühlsystemkomponenten und vom Rohrleitungssystem transportieren und solche gelösten Teilchen auf den Brennstäben ablagern.
In Siedewasserreaktoren (BWR: Boiling Water Reactor), die seewasserfeste Sondermessingkomponenten in Dampfkühlern aufweisen und in den BWR und Druckwasserreaktoren (PWR: Pressurized Water Reactor), die Zinkinjektionswasserchemie einsetzen, bildet sich ebenfalls eine ferromagnetische Korrosionsschicht auf den Brennstäben. Zum Beispiel in Reaktoren, die Zinkinjektionschemie einsetzen, bilden eine Schicht aus Zinkspinell (ZnFe₄O₂) sowie aus Hämatit eine hartnäckige Korrosionsschicht oben auf der Zirkoniumoxidschicht. Aufgrund des Vorhandenseins von Eisen ist diese Korrosionsschicht ferromagnetisch. Weiterhin beeinflusst die durch Eisen und Zink gebildete Legierung die Leitfähigkeit und die Permeabilität der Korrosionsschicht. Das Messen der Dicke sowohl der Korrosionsschicht als auch der Dicke der Oxidschicht sind entscheidend für die exakte Bewertung der thermisch-hydraulischen Leistungsfähigkeit von Brennstäben sowie das Einhalten der Grenzwerte für den Betrieb von Brennstäben und deren Lebensdauer.
Das ferromagnetische Material in der Korrosionsschicht wirkt jedoch störend auf die Standardwirbelstrom-Abhebemessung, die zur Bestimmung der Dicke der Brennstabummantelungsoxidschicht eingesetzt wird. Die ferromagnetisches Material aufweisende Korrosionsschicht wurde durch die Verfahren nach dem Stand der Technik nicht genau gemessen, die zu einer zu hohen Bestimmung der Dicke der Ummantelungsoxidschicht geführt haben.
Standard Abhebemessungen zum Messen der Dicke einer Korrosionsschicht oder von -schichten setzen eine Sonde ein, die eine Spule(n) aus leitendem Draht aufweist, die auf der Oberfläche des Brennstabs angeordnet wird (werden). Wenn die Spule von der Oberfläche der Versuchsprobe abgehoben wird, ändert sich der Scheinwiderstand der Spule in Abhängigkeit von der abnehmenden Wirkung der in dem Teil der Versuchsprobe gebildeten Wirbelströme. Die Spur, die die Spule erzeugt, wird der Abhebevektor genannt. Beim Testen von Brennstäben verändert sich die Leitfähigkeit der Basis oder des Ummantelungsmaterials nicht, was daher den Rücklaufweg der Abhebekurve nicht beeinflusst. Die Veränderung des Scheinwiderstandes sollte in direkter Relation zu der Entfernung stehen, in der die Wirbelstromspule von der Versuchsprobe abgehoben wird. Wie in einem Scheinwiderstandsdiagramm gezeigt und aufgezeichnet in 1, befinden sich das ferromagnetische Material und seine zugeordnete Permeabilitätsortslinie (als der Teil von 1 eingezeichnet, der von Punkt A nach Punkt C führt) in der gleichen Grundrichtung wie die Abhebekurve (als der Teil von 1 eingezeichnet, der von Punkt B nach Punkt A führt) für nicht magnetisches Basismaterial (d.h. die Brennstabummantelung). Durch die ferromagnetische Korrosionsschicht wird eine Verschiebung der Richtung der Abhebeortslinie und eine Größenänderung erzeugt. Wenn diese Verschiebung der Richtung der Abhebeortslinie und die Größenänderung zur Abhebeortslinie des nicht magnetischen Basismaterials hinzuaddiert werden, wie dies typisch bei Vorrichtungen aus dem Stand der Technik ist, wird die Oxiddicke auf dem Brennstab dahingehend falsch bestimmt, dass sie zehnmal dicker als in Wirklichkeit ist.
Die Verfahren nach dem Stand der Technik zur Messung der Dicke der Schicht der ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosion und der Zirkoniumoxidschicht auf der Brennstabummantelung umfassen die Notwendigkeit der Verwendung eines Korrekturfaktors, der auf zu erwartende Einflüsse der ferromagnetischen Korrosionsschicht basiert. Der Korrekturfaktor wird unter der Annahme bestimmt, dass die Einflüsse der ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosionsschicht eine lineare Funktion der Dicke sind. Diese Voraussetzung repräsentiert jedoch keine korrekte oder sogar eine genaue Darstellung des gegenwärtigen Zustandes der Korrosionsschicht, deren Dicke, Zusammensetzung und Permeabilität entlang der axialen Länge der Brennstabummantelung wechselt. Entsprechend bringen dieser Korrekturfaktor und die Voraussetzungen selbst wesentliche Abweichungen hinsichtlich der aktuellen Dicke gegenüber der angezeigten Dicke. Dieser Korrekturfaktor wird von den erfassten Daten subtrahiert und gibt lediglich eine virtuelle Gesamtdicke der Korrosionsschicht und der Zirkoniumoxidschicht an. Die Dicke jeder der ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosionsschichten und der Zirkoniumoxidschicht kann durch solche Verfahren nach dem Stand der Technik nicht bestimmt werden.
Es wäre somit vorteilhaft gegenüber Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik, die Dicke einer auf einer Brennstabummantelung gebildeten ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosionsschicht genau zu messen.
Es wäre somit weiterhin vorteilhaft gegenüber Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik, die Dicke einer auf der Oberfläche einer Brennstabummantelung gebildeten Zirkoniumoxidschicht zu messen.
Es wäre somit noch ein weiterer Vorteil gegenüber Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik die Dicke von jeder ferromagnetisches Material enthaltenden Schicht und der auf der Oberfläche der Brennstabummantelung gebildeten Zirkoniumoxidschicht genau zu messen.
Zusammenfassung der Erfindung, die die unabhängigen Ansprüche 1, 3 einschließt
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke einer Schicht aus im wesentlichen Oxidmaterial auf der Oberfläche der Ummantelung eines Brennstabs bereitgestellt, wenn die Schicht aus im wesentlichen Oxidmaterial eine darüber liegende Schicht aus im wesentlichen ferromagnetischem Material aufweist, wobei die Schicht aus im wesentlichen Oxidmaterial eine unbekannte Dicke hat, umfassend die Schritte: Anbringen eines Fühlers eines Wirbelstromsensors auf der Oberfläche der Schicht aus im wesentlichen ferromagnetischem Material, wobei der Fühler eine Spule hat, die mit einem Wechselstrom erregt wird, der eine erste Frequenz aufweist, die dazu ausgewählt ist, nur in die Schicht aus im wesentlichen ferromagnetischem Material einzudringen, und ein erster komplexer Scheinwiderstand des Fühlers erzeugt wird, der repräsentativ für die Veränderung der Permeabilität und die Veränderung der Dicke sowie für die Veränderung der Leitfähigkeit der Schicht aus im wesentlichen ferromagnetischem Material ist, wobei die Spule mit einem Wechselstrom erregt wird, der eine zweite Frequenz aufweist, die dazu ausgewählt ist, in die ferromagnetisches Material enthaltende Schicht und in die Oxidmaterialschicht und die Ummantelung des Brennstabs einzudringen, wobei ein zweiter komplexer Scheinwiderstand des Fühlers erzeugt wird, der repräsentativ für die Veränderung der Permeabilität und für die Veränderung der Dicke sowie für die Veränderung der Leitfähigkeit der ferromagnetisches Material enthaltenden Schicht und die gemessene Veränderung beim Abheben ist, die durch die Schicht aus im wesentlichen Oxidmaterial erzeugt wird; Erregung des Fühlers mit einem Wechselstrom, der die erste und die zweite Frequenz hat; Messung des ersten komplexen Scheinwiderstandes und des zweiten komplexen Scheinwiderstandes; Phasenverschiebung des ersten komplexen Scheinwiderstandes, so dass seine Polarität 180° von dem zweiten komplexen Scheinwiderstand beträgt; und Addition des zweiten komplexen Scheinwiderstandes zum phasenverschobenen ersten komplexen Scheinwiderstand, wobei die Addition einen resultierenden komplexen Scheinwiderstand erzeugt, der repräsentativ für die Dicke der Schicht aus im wesentlichen Oxidmaterial ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm eines komplexen Scheinwiderstandes, in dem der induktive Blindwiderstand gegen den Widerstand für einen von der Brennstabummantelung getrennten Wirbelstromfühler aufgetragen ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Wirbelstromspule bei einer ersten Frequenz, typischerweise 10 MHz, betrieben. Die Tiefe der Wirbelstromdurchdringung steht in umgekehrter Beziehung zur Frequenz:

in der
S = Standard-Penetrationstiefe (wo die Wirbelstromdichte auf 37 % ihres Oberflächenwertes abgenommen hat);
f = Betriebsfrequenz des Wirbelstromfühlers;
μ₀ = universale magnetische Permeabilität oder Permeabilität von Luft;
μ = relative magnetische Permeabilität der Versuchsprobe oder des Materials; und
σ = Leitfähigkeit der Versuchsprobe oder des Materials.

Aufgrund der Auswahl einer hohen Frequenz von 10 MHz messen die Veränderungen des Scheinwiderstandes der Wirbelstromspule nur die Permeabilität, Dicke und Leitfähigkeit der Korrosionsschicht, da diese Frequenz ausreichend hoch ist, dass sie nicht tief genug durchdringt, um von der Leitfähigkeit des Brennstabummantelungsmaterials, typischerweise Zircaloy, beeinflusst zu werden. Aus dieser Messung werden die Dicke, die Permeabilität und die Veränderung der Leitfähigkeit der ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosionsschicht gemessen. Dieses Verfahren ist genauer als die Verfahren nach dem Stand der Technik, da nur in die ferromagnetisches Material enthaltende Korrosionsschicht eingedrungen wird und da bei dem Verfahren die aktuellen und Veränderungscharakteristiken der ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosionsschicht gemessen werden, um aktuelle Dickedaten für das auftretende spezifische ferromagnetische Material und nicht von ferromagnetischen Materialien zu erhalten, die lediglich denen ähneln, die tatsächlich auf der Brennstabummantelung gefunden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine zweite Frequenz an die gleiche Spule angelegt, was die Wirbelströme dazu bringt, in die Korrosionsschicht und in die Oxidschicht und in mindestens eine Standard-Penetrationstiefe in die Brennstabummantelung einzudringen. Die Durchdringungstiefe des Wirbelstroms in Abhängigkeit von der Frequenz wird wieder einmal durch Gleichung 1 bestimmt. Alternativ kann statt einer Spule eine zweite Spule eingesetzt werden.
Durch den Einsatz einer niedrigeren zweiten Frequenz, bevorzugt von 2–3 MHz, die ausgewählt wurde, um in die Korrosionsschicht, die Oxidschicht und die Brennstabummantelung einzudringen, setzen sich die Veränderungen des Scheinwiderstandes der Wirbelstromspule aus dem Zirkoniumoxidschicht-Abhebevektor (konstante Leitfähigkeit der Brennstabummantelung vorausgesetzt) und den Leitfähigkeits-, Dicke- und Permeabilitätsvektoren der ferromagnetischen Korrosionsschicht zusammen.
Beim Einsatz von Standard-Wirbelstrommesstechniken sind der induzierte Wirbelstrom in der nicht magnetischen Brennstabummantelung und der durch den Wirbelstromfühler erzeugte induzierte Wirbelstrom einander entgegengesetzt. Wenn die Brennstabummantelung eine darüber liegende Korrosionsschicht aufweist, die ferromagnetisches Material umfasst, sind die induzierten Wirbelströme in der darüber liegenden Korrosionsschicht viel größer als der Wirbelstrom der in der nicht magnetischen Brennstabummantelung erzeugt wurde und in Phase mit diesem (d.h. additiv). Dies führt dazu, die Messung der Dicke der Schicht(en), die über der Brennstabummantelung liegt/liegen zu beeinflussen, wobei suggeriert wird, dass die Schichten) dicker ist/sind als in Wirklichkeit.
Durch die vektorielle Subtraktion (a) der gemessenen Parameter d.h. der Permeabilität und der Ortslinien der Permeabilität und der Dicke der ferromagnetischen Korrosionsschicht, die erhalten wurden, indem eine Wirbelstromspule bei einer höheren Frequenz betrieben wurde, von (b) den gemessenen Parametern, die die Dicke des Zirkoniumoxids (d.h. Abhebeortslinie) und der ferromagnetischen Korrosionsschicht (d.h. die kombinierten Orstlinien der Permeabilität und der Dicke) wiedergeben, die durch den Betrieb einer Wirbelstromspule bei der niedrigeren Frequenz erhalten wurden, stellt gemäß der vorliegenden Erfindung das resultierende Scheinwiderstandssignal nur Daten von dem Zirkoniumoxidschicht-Abhebevektor dar, wobei die Einflüsse der ferromagnetischen Korrosionsschicht ausfallen. Der oben erwähnte Fehler oder Einfluss wird dabei beseitigt, wobei Daten erzielt werden, die die tatsächliche Dicke der Zirkoniumoxidschicht wiedergeben. Die Messung unter Einsatz einer hohen Frequenz zur Induzierung von Wirbelströmen im ferromagnetischen Material umfasst keinen Fehler, da es keine Wechselwirkung zwischen den induzierten Wirbelströmen des ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Materials gibt.
Beim Einsatz eines Mehrfrequenzwirbelstromprüfers mit entweder einer doppelten oder einer einzelnen Spule, wird die Information aus der höheren Frequenz aus der Information des Gesamtsignals aus höherer und niedrigerer Frequenz ermittelt, indem Filter in dem Wirbelstromprüfer verwendet werden. Die Information von dem höheren-Frequenz-Signal ist phasenverschoben, so dass seine Polarität 180° von dem niedrigeren-Frequenz-Signal beträgt. Das hohe-Frequenz-Signal und das niedrige-Frequenz-Signal werden dann amplitudenkorrigiert, phasenaddiert und gefiltert. Das resultierende Scheinwiderstandssignal stellt nur Daten des Zirkoniumoxid-Abhebevektors dar, wobei die Einflüsse der ferromagnetischen Korrosionsschicht wegfallen. Zusätzlich kann der Dickevektor (in 1 als die Dünnungsortslinie gezeigt, die in dem Diagramm zwischen den Punkten C und E dargestellt ist) der ferromagnetischen Korrosionsschicht mit einem Standard verglichen werden, um die Dicke der Korrosionsschicht zu bestimmen. Wenn es irgendeine Veränderung in der Zusammensetzung der ferromagnetischen Korrosionsschicht gibt, wie sie durch das Vorhandensein von Kobalt oder Nickel auftreten kann, können solche Veränderungen entweder der Permeabilitätsortslinie (1, Punkt A zu Punkt C) oder der Leitfähigkeitsortslinie (1, Punkt C zu Punkt D) durch Phasenverschiebungen bei den Permeabilitäts- und/oder den Leitfähigkeitsortslinien festgestellt werden. Alternativ dazu kann die Phasenaddition offline an einem Computer durchgeführt werden.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen darin, dass die tatsächlichen Veränderungen in der Beschaffenheit und der Dicke der ferromagnetischen Korrosion direkt gemessen werden können. Verfahren nach dem Stand der Technik basieren auf simulierte Korrosionsdicke und Beschaffenheit, was die Genauigkeit von Messungen beeinflusst. Die Methodik der vorliegenden Erfindung wendet keine falsche Schätzung an, um Korrosionsschicht- und Oxidschichtdaten zu erhalten. Erfindungsgemäß werden eher jeweils die Dicke der ferromagnetischen Korrosionsschicht und der Zirkoniumoxidschicht gemessen, als dass sie unter Anwendung von Korrekturfaktoren angenähert werden, wobei eine aktuelle Messung zur Bewertung der Brennstoffleistung und des Betriebsspielraums zur Verfügung gestellt wird.
Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung die genaue Messung:

(a) der Dicke einer ferromagnetischen Schicht variierender Dicke und Permeabilität, die eine nicht elektrisch leitfähige Oxidschicht bedeckt;
(b) der Dicke einer Oxidschicht unter einer ferromagnetischen leitfähigen Schicht;

Weiterhin kann die vorliegende Erfindung für jede Messung einer Mehrlagenbeschichtung auf einer nicht ferromagnetischen leitfähigen Basis durch eine ferromagnetische Oberschicht hindurch angewendet werden.

Claims

Ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke einer Schicht eines ferromagnetischen Materials, das auf der Oberfläche eines Brennstabs ausgebildet ist, umfassend die Schritte: a1) Anbringen eines Fühlers eines Wirbelstromsensors auf der Oberfläche der Schicht aus im wesentlichen ferromagnetischem Material; a2) Erregung einer Spule des Fühlers mit einem Wechselstrom, der eine erste Frequenz hat, die dazu ausgewählt ist, nur in die Schicht aus im wesentlichen ferromagnetischem Material einzudringen; a3) Messung eines ersten komplexen Scheinwiderstandes des Fühlers, der repräsentativ für die Veränderung der Permeabilität und die Veränderung der Dicke sowie für die Veränderung der Leitfähigkeit der Schicht aus im wesentlichen ferromagnetischem Material ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messung durch Abheben (lift-off) durchgeführt wird.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke einer Oxidmaterialschicht auf der Oberfläche der Hülle eines Brennstabs, wenn die Oxidmaterialschicht eine darüber liegende ferromagnetisches Material enthaltende Korrosionsschicht (crud layer) aufweist, wobei die Oxidmaterialschicht eine unbekannte Dicke hat, umfassend die Schritte: b1) Anbringen eines Fühlers eines Wirbelstromsensors auf der Oberfläche der ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosionsschicht, b2) Erregung einer Spule des Fühlers mit einem Wechselstrom, der eine erste Frequenz aufweist, die dazu ausgewählt ist, nur in die ferromagnetisches Material enthaltende Korrosionsschicht einzudringen; b3) Messung eines ersten komplexen Scheinwiderstandes des Fühlers, der repräsentativ für die Veränderung der Permeabilität und die Veränderung der Dicke sowie für die Veränderung der Leitfähigkeit der ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosionsschicht ist; b4) Erregung der Spule mit einem Wechselstrom, der eine zweite Frequenz aufweist, die dazu ausgewählt ist, in die ferromagnetisches Material enthaltende Korrosionsschicht und die Oxidmaterialschicht sowie die Hülle des Brennstabs einzudringen; und b5) Messung eines zweiten komplexen Scheinwiderstandes des Fühlers, der repräsentativ für die Veränderung der Permeabilität und die Veränderung der Dicke sowie für die Veränderung der Leitfähigkeit der ferromagnetisches Material enthaltenden Korrosionsschicht und für die Schicht aus im wesentlichen Oxidmaterial; b6) Subtraktion des ersten komplexen Scheinwiderstandes von dem zweiten komplexen Widerstand, wobei ein resultierender komplexer Scheinwiderstand erzeugt wird, der repräsentativ für die Dicke der Schicht aus im wesentlichen Oxidmaterial ist.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Oxidmaterial der Oxidmaterialschicht ein Oxid von Zirkonium ist.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei die zweite Frequenz 2–3 MHz beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Frequenz 10 MHz beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zweite Frequenz 2–3 MHz beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Oxidmaterial der Schicht aus im wesentlichen Oxidmaterial ein Oxid von Zirkonium ist.