DE69204748T2

DE69204748T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von Kernbrennstäben unter Anwendung einer Ausrichtungsführung.

Info

Publication number: DE69204748T2
Application number: DE69204748T
Authority: DE
Inventors: Howard D Cross; Leo E Hansen; Richard G Mcclelland
Original assignee: Siemens Nuclear Power Corp
Current assignee: Framatome ANP Richland Inc
Priority date: 1991-06-05
Filing date: 1992-05-25
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2012-05-26
Also published as: ES2078586T3; EP0517064B1; EP0517064A1; US5215706A; JP3113739B2; FI922168A; FI922168A0; DE69204748D1; JPH05180980A

Description

HINTERGRUND DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

(a) Gebiet der vorliegenden Erfindung)

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Prüfung von Kernbrennstäben und insbesondere auf Verbesserungen bei der Prüfung von Kernbrennstäben nach Ultraschallmethoden.

(b) Stand der Technik

Die Verwendung von Ultraschallenergie zur Entdeckung von Fehlern in Kernbrennstäben ist bekannt. Die U.S. Patente 4,174,255 und 4,517,152 sind zwei Patente, die eine solche Verwendung von Ultraschallenergie zur Prüfung von Kernbrennstaben offenbaren.
In U.S. Patent 4,879,088, das auf die gleiche Person wie die vorliegende Erfindung übertragen worden ist, werden die Kernbreimstäbe mittels von einem Wandler ausgegebenen Ultraschallimpulsen auf Fehler geprüft. Solche Brennstäbe, die den Kern des Reaktors bilden, sind längliche Elemente. Typischerweise besitzen die Stäbe Durchmesser von etwa 9,5 bis 12,7 mm (3/8 bis 1/2 Zoll), sind ungefähr 3 is 3,66 in (10 bis 12 Fuß) lang und in allgemein quadratischen Bündeln gruppiert. Jeder Stab wird von einer Hülse aus Zirkonlegierung oder Edelstahl gebildet, die mit Urandioxid, typischerweise in Form von Tabletten, gefüllt ist. Der Rest des Raums innerhalb der Hülse wird gemeinhin mit Helium gefüllt. Im Betrieb des Reaktors können sich wegen Spannungen, Korrosion, Verschleiß oder fehlerhaften Schweißens an den Endstopfen, welche die Enden der Hüllrohre verschließen, Löcher in der Hülse bilden. In einem solchen Fall entweichen das Heliuia und die Spaltgase in das Kühlwasser des Reaktors, und das Wasser dringt in die Hüllrohre ein.
Nach dem Vorschlag von U.S. Patent 4,879,088 läßt man einen Wandler ein aus einer Gruppe von Brennstäben bestehendes Brennstabbündel traversieren. Während der Traversierung wird eine Reihe von Ultraschallimpulsen in Form eines Strahls von dem Wandler ausgesandt. Wenn der Strahl auf einen Brennstab auftrifft, wird er von der Außenfläche reflektiert. Wenn der Strahl genau normal zur Oberfläche ist, wird er zu einem maximalem Grad in den Wandler zurückreflektiert, was zu einem elektrischen Signal führt ("pulse-echo" - Technik). Ein Teil der Ultraschallenergie durchdringt die Hülse, aber der normale Stab läßt keine Ultraschallenergie durch (das Gas im Innenraum und das Urandioxid sind nichtleitend), was zu "Wandläuten" zwischen den Innen- und Außenwänden des Stabs führt. Das Wandläuten wird aufgezeichnet. Wenn der Stab mit Wasser gefüllt ist, erfolgt eine Übertragung der Ultraschallenergie aus der Rohrwand in das Wasser, wo sie effektiv zerstreut wird. Dadurch wird das Wandläuten stark gedämpft. Dies ist der Fall, gleich ob Urandioxid enthalten ist oder nicht. Die Dämpfung des Wandläutens bezeichnet einen fehlerhaften Brennstab.
In der Praxis haben Prüfungsergebnisse beim Einsatz der Ultraschallmethode zur Brennstabprüfung unter gewissen Umständen irrtümliche Ablesungen ergeben. Solche irrtümliche Ablesungen führen zu Schlußfolgerungen, daß spezielle Brennstäbe Versagen zeigen, wenn sie in Wirklichkeit korrekt funktionierten.
Eine weitere Untersuchung des Brennstabbüudels deutet an, daß Unterschiede in den Brennstab - und Führungsrohrdurchmessern (PWR-Brennstabbündel) und Brennstabverbiegung zu Ausrichtungsproblemen der Stäbe führen, was irrtümliche Ultraschallablesungen ergibt. Scharpenburg in U.S. Patent 4,847,037 anerkennt zwar, daß Verbiegung von Brennstäben stattfindet, macht aber keinen Vorschlag für vorherige Ausrichtung sämtlicher Brennstäbe eines Bündels, um solche Verbiegung zu korrigieren.

BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die durch Unterschiede in den Brrnnstab- und Führungsrohrdurchmessern und durch Brennstabverbiegung, welche bei der Ultraschallprüfung von Kernbrennstäben zu irrtümlichen Ablesungen führen, verursachte Fehlausrichtung in Brennstabbündeln zu beseitigen.
Eine weitere Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Methode zur Ultraschallprüfung eines Kernbrennstabbündels, die urtümliche Ablesung vermeidet, zur Verfügung zu stellen.
Bezüglich dieser Aufgaben ist eine Methode nach Anspruch 1 Gegenstand der Erfindung.
Es ist eine weitere Aufgabe vorliegender Erfindung, eine entsprechende Prüfanordnung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe führt zu einer Anordnung nach Anspruch 5.
Es ist noch eine weitere Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Apparatur zur Vorausrichtung von Brennstabbündeln zur Verfügung zu stellen, um irrtümliche Ablesungen bei der Ultraschallprüfung von Kernbrennstäben zu vermeiden. Gegenstand der Erfindung ist deshalb eine Führungsanordnung nach Anspruch 16.
Die Erfindung beruht auf einer Methode zur Ultraschallprüfung eines Kernbrennstabbüudels mit gleichzeitiger Unterdrückung irrtümlicher Ablesungen, bei der man schrittweise die einzelnen Stäbe eines Brennstabbündels gegenseitig ausrichtet, eine Ultraschallenergiequelle vorsieht und diese an einen Brennstab eines ausgerichteten Brennstabbündels anlegt und feststellt, ob ein Brennstab eines ausgerichteten Bündels betriebstüchtig ist, indem er ein Signal bildet, das die Fortleitung von Ultraschallenergie innerhalb des Stabs darstellt. In einer besonderen Form der Methode werden die Schritte des Vorsehens und Feststellens eines ausgerichteten Brennstabbündels für jeden Stab des Bündels wiederholt.
Eine entsprechende Vorrichtung für die Ultraschallprüfung eines Kernbrennstabbündels mit gleichzeitiger Unterdrückung irrtümlicher Ablesungen besteht aus Mitteln zum gegenseitigen Ausrichten der einzelnen Stäbe des Brennstoffbündels vor dessen Ultraschallprüfung, Mitteln zum Anlegen von Ultraschallenergie an einen Brennstab eines Brennstabbündels zur Prüfung, ob der Stab betriebstüchtig ist, Mitteln zur Bildung eines Signals, welches anzeigt, ob der Brennstab beim Anlegen von Ultraschallenergie an ihn betriebstüchtig ist, und Mitteln, um die Mittel zum Anlegen von Ultraschallenergie das Brennstabbündel traversieren zu lassen, damit jeder Stab des Bündels geprüft werden kann. Demgemäß unterdrückt die Ausrichtung des Brennstabbündels vor der Ultraschallprüfung Tendenzen zur Lieferung durch mechanische Abweichungen einzelner Brennstäbe verursachter irrtümlicher Prüfablesungen.
Zum besseren Verständnis vorliegender Erfindung wird auf die nachfolgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen verwiesen, während der Schutzumfang der Erfindung in den angefügten Ansprüchen bezeichnet wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Ultraschallprüfeinrichtung zur erfindungsgemäßen Prüfung der Betriebstüchtigkeit von Brennstäben,
Figur 2 eine Draufsicht der Überschallprüfeinrichtung nach Figur 1,
Figur 3 eine Schnittseitenansicht entlang A-A in Figur 2,
Figur 4 eine Seitenansicht bzw. Figur 5 eine Ansicht von oben eines erfindungsgemäßen Führungsstabs und
Figur 6 eine Seitenansicht bzw. Figur 7 eine Draufsicht einer feststehenden erfindungsgemäßen vorderen Führung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Zunächst mit Bezug auf Figuren 1, 2 und 3 zeigen dieselben einen Ultraschallprüfstand 10 zur Feststellung der Funktionstüchtigkeit einzelner Brennstäbe 21 eines Brennstabbündels 20.
Das Brennstabbündel 20 wird abgestützt von einer oberen Platte (nicht gezeigt), die an einem Deckenlaufkran befestigt ist. Das Bündel 20 ist innerhalb eines Positionierschachts 25 des Bündels angeordnet, welcher eine U-förmige Konstruktion mit rückziehbaren Seitenplatten 22 und einer Bodenplatte 23 ist. Das Bündel ist vorzugsweise als eine rechteckige Gruppierung von Brennstäben arrangiert.
Wie zuvor erörtert enthalten die Stäbe 21 Urandioxid und Heliumgas, die innerhalb einer metallischen Hülse (typischerweise Zirkonlegierung oder Edelstahl) angeordnet sind. Die Ultraschallprüfung auf Wassereintritt innerhalb der Stäbe erfolgt dadurch, daß man Ultraschallsonden 14 nacheinander neben jedem einzelnen Brennstab innerhalb des Bündels in Stellung bringt. Die Sonden 14 prüfen nur einen unteren Teil ("Prüfflecken") jedes Stabs. Es ist nicht nötig, den ganzen Stab zu prüfen.
Die Ultraschallsonden 14 (hier sind 4 in Zusammenarbeit gezeigt) sind mittels des X-Y-Tischs 12 in einer horizontalen Ebene bewegbar. Der X-Y-Tisch 12 positioniert die Ultraschallsonden 14 mittels der Antriebsmotoren 13. So konnen die Sonden eingesetzt und aus dem Brennstabbündel herausgezogen werden, um Prüfung jedes Brennstabbündels zu ermöglichen. Steuerung der Bewegung der Sonden 14 erfolgt von einem Steuerpult (nicht gezeigt) her, das über die Kabelverbindung 24 mit dem X-Y-Tisch verbunden ist, durch Drücken der entsprechenden Steuerschalter.
Die vorliegende Erfindung benutzt eine Mehrzahl paralleler Führungsstifte 31 zum Einstecken zwischen einzelnen Brennstäben vor dem Beginn jeder Ultraschallprüfung der Brennstäbe. Die Führungsstifte 31 sind Teil einer Führungsanordnung 30, zu der die Haltebasis 34, die Stifte 31, das Schachtelement 32, der Flansch 33, die vordere Führung 35, der Hebegriff 36, der Hydraulikzylinder 37 und Stifte 38 gehöhren.
Die Führungsstifte 31 sind vorzugsweise aus wärmebehandeltem Inconel konstruiert, das mit einem harten Überzug aus Titannitrid versehen ist, um Oberflächenabrieb hintanzuhalten. Die Führungsstifte 31 werden durch die Haltebasis 34 von 2 Stiften 38 in ihrer relativen Stellung gehalten. Eine vordere Führung 35, die relativ zu den beweglichen Führungsstiften 31 in Stellung fixiert ist, dient dazu, die Stifte in relativer Stellung zu halten, während man sie sich in das und aus dem Brennstoffbündel bewegen läßt. Die Führungsanordnung 30 wird von einem Schachtelement 32 abgestützt, das über den Flansch 33 am Rahmen 11 des X-Y-Tischs befestigt ist. Geradlinige Zwillings-Tragschienen 39 (siehe Figur 3) sind zur Abstützung der Führungsstifte an der Basis an der Unterseite des Schachtelementes 32 befestigt. Die feststehende vordere Führung 35 ist ebenfalls an der Unterseite des Schachtelements 32 angebracht. Die Kraft zum Herein- und Herausbewegen der Führungsstifte wird durch einen Hydraulikzylinder 37 geliefert. Die gesamte Führungsanordnung 30 ist mit Hilfe des Hebegriffs 36 aus dem Rahmen 11 entfernbar.
Im Betrieb hat es sich als nützlich erwiesen, eine Fernsehkamera 15 vorzusehen, die Teil eines Fernsehüberwachungssystems bildet, um die richtige Ausrichtung der Führungsstäbe 31 zwischen den Brennstäben des Brennstabbüudels sicherzustellen.
Es ist zu bemerken, daß die Führunsstäbe 31 vorzugsweise unmittelbar über den Prüfflecken, wo die Ultraschallsonden in das Brennstabbündel eintreten, in dieses eingesteckt werden. Dadurch wird die Brennstabanordnung im Brennstabbündel vor dem Einstecken der Ultraschallsonden vorübergehend verklemmt. Die Führungsstäbe werden vor der Ultraschallprüfung jeder einzelnen Reihe von Brennstäben vorzugsweise durch ein Brennstabbüudel ganz hindurchgesteckt.
In einer bevorzugten Anordnung, wie in Figur 4 und 5 gezeigt, besitzen die Führungsstäbe 31 die Form länglicher Klingen mit einer kleinen Breitenabmessung "A", entsprechend den Abständen zwischen Stäben, und einer erheblich größeren Höhenabmessung "B". Bei einer Ausführungsform beträgt die Höhenabmessung ungefähr 19 mm (0,75 Zoll). Die Breitenabmessung variiert von einem Brennstab zum anderen, liegt aber typischerweise im Bereich von 1,55 bis 3,15 mm (0,061 bis 0,124 Zoll).
Eine bevorzugte Form der feststehenden vorderen Führung 35 ist in Figuren 6 und 7 abgebildet.
In einer Prüfreihe wurden die Prüfungen von sechs Brennstabbündeln unter Einsatz einer erfindungsgemäßen Führungsanordnung wiederholt, nachdem in jedem Fall ein Brennstab bei der Ultraschallprüfung ohne die Führungsan ordnung Versagen gezeigt hatte. Nach der wiederholten Prüfung mit der Führungsanordnung erwiesen sich vier Brennstabbündel als "gut" (funktionstüchtig), während bei nur zwei das Versagen eines Brennstabs bestätigt wurde.
Die vorangehende Beschreibung und die Zeichnungen stellen zwar die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar, doch ist is für einen Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Anderungen und Modifikationen daran gemacht werden können, ohne von Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Methode zur Ultraschallprüfung eines Kernbrennstabbündels unter Vermeidung irrtümlicher Ablesungen, bei der man schrittweise:

vor der Ultraschallprüfung des Brennstabbündels (20) dessen einzelne Stäbe (21) gegenseitig ausrichtet,

eine Ultraschallenergieguelle vorsieht und diese an einen Brennstab des ausgerichteten Brennstabbündels anlegt und

feststellt, ob ein Brennstab des ausgerichteten Bündels betriebstüchtig ist, indem er ein Signal bildet, das die Fortleitung von Ultraschallenergie innerhalb des Stabs darstellt, wodurch die Ausrichtung des Brennstabbündels vor der Ultraschallprüfung Tendenzen zur Lieferung durch mechanische Abweichungen einzelner Brennstäbe verursachter irrtümlicher Prüfablesungen unterdrückt.

2. Methode nach Anspruch 1, einschließlich Wiederholung dieser Vorsehungs- und Feststellungsschritte des ausgerichteten Brennstabbündels für jeden Stab des Bündels.

3. Methode nach Anspruch 1 oder 2, worin man bei jenem Ausrichtungsschritt eine Mehrzahl Führungsstäbe (31) vorsieht und diese ganz durch das Bündel hindurchsteckt.

4. Methode nach Anspruch 3, worin das Einstecken dieser Führungsstäbe (31) unmittelbar über einen Teil jenes Bündels erfolgt, wo die Ultraschallenergie (14) an einen Brennstab angelegt wird.

5. Vorrichtung (10) zur Ultraschallprüfung eines Kernbrennstabbündels mit gleichzeitiger Unterdrückung irrtümlicher Ablesungen, bestehend aus:

Mitteln (30) zum gegenseitigen Ausrichten der einzelnen Stäbe (21) des Brennstabbündels vor dessen Ultraschallprüfung,

Mitteln (14) zum Anlegen von Ultraschallenergie an einen Brennstab eines Brennstabbündels zur Prüfung, ob der Stab betriebstüchtig ist,

Mitteln zur Bildung eines Signals, welches zeigt, ob der Brennstab beim Anlegen von Ultraschallenergie an ihn betriebstüchtig ist, und

Mitteln (12, 15), ob diese Mittel zum Anlegen von Ultraschall das Brennstabbündel traversieren zu lassen, damit jeder Stab dieses Bündels geprüft werden kann,

wodurch die Ausrichtung des Brennstoffbündels vor der Ultraschallprüfung Tendenzen zur Lieferung durch mechanische Abweichungen einzelner Brennstäbe verursachter irrtümlicher Prüfablesungen unterdrückt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin diese Ausrichtungsmittel eine Mehrzahl länglicher Führungsstäbe (31), vorzugsweise Führungsstäbe in Gestalt von Klingen, zum Einstecken in Zwischenräume zwischen den Brennstäben des Brennstabbündels zur Ausrichtung der Brennstäbe einschließen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin diese Führungsstäbe an Haltemitteln (38) befestigt und hydraulische Einrichtungen (37) zum Bewegen dieser Haltemittel in jenes Brennstabbündel und aus diesem heraus vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin jenes Bündel (20) in rechteckiger Gestalt mit jenen Stäben (21) in Reihen und Kolonnen verteilt angeordnet ist und worin jene Ausrichtungsmittel (30) es ermöglichen, jene Führungsstäbe (31) vor der Ultraschallprüfung ganz durch jenes Brennstabbündel hindurchzustecken.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin feststehende Führungen (35) vorgesehen sind, um die relative Stellung der Führungsstäbe bei deren Einstecken und Entfernen aus dem Brennstabbündel aufrechtzuerhalten.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, worin diese Führungsstäbe unmittelbar über einem Teil jenes Brennstabbündels angeordnet sind, wo die Ultraschallprüfung eines Brennstabs stattfindet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, einschließlich Mitteln zum Einsatz von Betriebsfernsehen (15) zur Überwachung des Einsteckens der Führungsstäbe in das Brennstabbündel und des Entfernens daraus.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüch 5 bis 11, bestehend aus:

einem Rahmen (11),

einem darauf abgestützten X-Y-Tisch (12),

wobei jene Mittel zur Lieferung von Ultraschallenergie und jene Mittel zur Bildung eines Signals einen mittels dieses X-Y-Tischs (12) beweglichen Ultraschallaufbau darstellen, wobei dieser Aufbau eine Mehrzahl Ultraschallsonden (14) zur Prüfung von Brennstäben des Brennstabbündels zur Feststellung von deren Funktionstüchtigkeit aufweist,

wobei jene Mittel zur Ausrichtung eine Führungsanordnung (30) darstellen, die auf diesem Rahmen über jenem Ultraschallaufbau montiert sind, wobei diese Führungsanordnung folgendes einschließt:

einen Träger,

eine auf diesem Träger montierte Basis (34,38) zum Bewegen jener Führungsstäbe zu einem Brennstabbündel hin und von diesem hinweg, wobei diese Führungsstäbe auf dieser Basis zum Einstecken zwischen Brennstäben eines Brennstabbündels und zum Entfernen daraus montiert sind, und

auf jenem Träger montierte Mittel (37) zum Bewegen jener Basis mit jenen Führungsstäben zu einem Brennstabbündel hin und von diesem hinweg.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, ferner umfassend eine feststehende Führung (35), die auf jenem Träger zur Aufrechterhaltung der relativen Stellung der Führungsstäbe montiert ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, worin jene Führungsstäbe (31) im wesentlichen einander parallel und jeweils im gleichen Abstand von unmittelbar benachbarten Stäben liegen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, worin jene Ausrichtungsmittel lösbar auf jenem Rahmen montiert sind.

16. Führungsanordnung (30) zur Unterdrückung irrtümlicher Prüfablesungen in einer Einrichtung zur Ultraschallprüfung eines Kernbrennstabbündels, umfassend:

einen Träger,

eine auf diesem Träger montierte Basis (34) zum Bewegen zu einem Brennstabsbündel hin und von diesem hinweg,

eine Mehrzahl auf dieser Basis (34) montierter länglicher Führungsstäbe (31) zum Einstecken zwischen Brennstäben eines Brennstabbündels zum Ausrichten der Brennstäbe des Bündels vor der Ultraschallprüfung und

auf jenem Träger (11) montierte Mittel (37) zum Bewegen jener Basis mit jenen Führungsstäben zu dem Brennstabbündel hin und von diesem hinweg.

17. Führungsanordnung nach Anspruch 16, ferner umfassend eine feststehende Führung (35), die auf jenem Träger (11) zur Aufrechterhaltung der relativen Stellung der Führungsstäbe montiert ist.

18. Führungsanordnung nach Anspruch 16, worin jene Führungsstäbe (31) im wesentlichen einander parallel und jeweils im gleichen Abstand von unmittelbar benachbarten Stäben liegen.

19. Führungsanordnung nach Anspruch 16, worin jene Führungsstäbe (31) mit reduzierten Oberflächenabriebeigenschaften ausgeführt sind.

20. Führungsanordnung nach Anspruch 16, worin jene länglichen Führungsstäbe die Gestalt von Klingen aufweisen.

21. Führungsanordnung nach Anspruch 19, worin diese Führungsstäbe aus wärmebehandeltem, mit einem harten Überzug aus Titannitrid versehenem Inconel bestehen.