NO822079L - Anordning for aa maale lokal effektutvikling inne i en kjernereaktors brenselladning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår gammastrålefølsomt utstyr for å bestemme lokal effektutvikling i en kjernereaktor. I norske patentskrifter 147.162 og 148.577 er det beskrevet flere forskjellige utførelser av gammastråleabsorberende utstyr for lokal effektmåling. Dette utstyr omfatter et langstrakt ensartet legeme av gammastråleabsorberende material, hvor termoelementer er montert i flere aksielt adskilte målesoner i legemet for å måle temperaturdifferanser. Disse temperaturdifferanser er da direkte avhengig av den midlere varmestrøm-ning gjennom vedkommende målesone, som i sin tur er direkte avhengig av den lokale effektutvikling på vedkommende sted.

De ovenfor nevnte patentskrifter beskriver da gammastråleabsorberende utstyr hvor aksiale varmestrømningsmønstre er opprettet for å frembringe temperaturforskjeller innenfor hver målesone i en kjernereaktor av trykkvannstype, hvor plassen for anbringelse av måleutstyret er begrenset i sådan grad at ytterdiameteren av det nevnte langstrakte gammastråleabsorberende legeme f.eks. høyst kan være 7,5 mm. De nevnte temperaturforskjeller frembringes i hver målesone ved hjelp av et termisk motstandsområde eller gap i legemet, som er omgitt av et ytre varmeslukrør i varmeledende forbindelse med utsiden av det langstrakte stråleabsorberende legeme, som har konstant ytterdiameter. Ved et sådant arrangement vil det resulterende aksiale varmestrømningsmønster være slik at vedkommende termoelements varme målepunkt befinner seg i området med høy termisk motstand, mens elementets kolde målepunkt befinner seg i avstand fra dette område. Gapet med høy termisk motstand har en aksial lengdeutstrekning som har direkte sammenheng med det temperaturforskjellssignal som avgis fra måleutstyret, hvis man ser bort fra varmetap i gapet, og antar ensartet varmesluktemperatur for måleutstyret. Målelegemets ytterdiameter har ingen direkte innflytelse på utgangssignalnivået. Det ble derfor antatt at bare et målelegeme med aksial varmestrøm kunne gi tilstrekkelig signalnivå på utgangssiden ved begrenset monteringsplass på måleutstyret, nemlig ved passende valg av den aksiale lengdeutstrekning av motstands-gapet. Det har imidlertid vist seg at utgangssignalet fra gammastråleabsorberende utstyr av ovenfor angitt art og med aksial varmestrømning ikke alltid var pålitelig, da nedbrytning av den høye termiske motstand i det aksiale gap fører til øket varmetap fra gapet, og etterhvert dårligere kontakt mellom følerlegemet og det ytre varmesluk fører til varia-sjoner i varmesluktemperaturen.

Det viktigste formål for foreliggende oppfinnelse er derfor å frembringe en gammastråleabsorberende måleanordning for å måle lokal effektutvikling i en kjernereaktor, og som er mer pålitelig med hensyn til korrekt utgangssignal, men likevel er i stand til å frembringe et tilstrekkelig utgangssignalnivå samt oppviser den nødvendige fysiske materialfasthet under de rådende forhold for installasjonen. I tillegg er det et formål for oppfinnelsen å frembringe en sådan forbedret gammastråleabsorberende måleanordning som fremdeles gir muligheter for direkte elektrisk kalibrering.

Oppfinnelsen gjelder således en anordning for å måle lokal effektutvikling inne i en kjernereaktors brenselladning, idet anordningen omfatter et gammastråleabsorberende langstrakt legeme av varmeledende og elektrisk ledende material med utstrekning langs en akse samt med en ytre overflate som utgjør et varmesluk i direkte kontakt med reaktorens kjølemid-del, og en midtre utboring hvori det er montert termoelementer med målepunkter for avføling av temperaturforskjeller innenfor flere lokale målesoner fordelt langs legemets akse, og hvor legemet innenfor hver målesone har et parti med nedsatt diameter for å opprette et avvik med hensyn til legemets elektriske og termiske motstand innenfor målesonen, og som gir seg til kjenne ved radial varmestrømning i målesonen omkring målepunktene, samt en temperaturforskjell som er avhengig av den lokale effektutvikling mellom målepunktene, idet det kolde målepunkt er anordnet i flukt med sonepartiet med nedsatt diameter, og det varme målepunkt er plassert innenfor et område av legemet som befinner seg tett inntil avviket eller partiet med nedsatt diameter.

På bakgrunn av denne prinsippielt kjente teknikk fra de ovenfor angitte norske patentskrifter 147.162 og 148.577 har så anordningen i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at den omfatter forsterkningsfinner av godt varmeledende material som strekker seg radialt utover fra partiene med nedsatt diameter.

En sådan måleanordning vil være i stand til å avgi et temperaturforskjellssignal som bare er en direkte funksjon av målelegemets ytterdiameter. På grunn av den større tilgjengelige plass for målelegemets i en reaktor av kokendevann-type, kan temperaturforskjeller opp til 22°C oppnås ved mulig bruk av målelegemer med større diameter, sammenlignet med bare 4°C for målelegemer med radial varmestrømning innsatt i den mindre tilgjengelige plass i en reaktor av trykkvannstype.

Måleanordningen med radial varmestrømning i henhold til

foreliggende oppfinnelse er ikke bare av lignende konstruksjon som angitt i de ovenfor nevnte patentskrifter, men unngår også de ulemper som er forbundet med aksial varmestrømning, nemlig eventuell nedbrytning av den termiske motstand i det omhyllede aksiale gap og utvikling av dårlig kontakt mellom målelegemet og det ytre varmeslukrør. For å sikre konstruksjonsfasthet for det foreliggende målelegeme med radial varmestrømning og som ikke er utstyrt med noe ytre varmeslukrør, er tynne forsterk-nings finner av godt varmeledende material anordnet over det ringformede område rundt partiene med nedsatt diameter på målelegemet. Materialet i og dimensjonen av disse finner er slik at de har en ubetydelig virkning på det frembragte temperaturforskjellssignal.

En av fordelene ved det gammastråleabsorberende måleutstyr som er omtalt i de ovenfor angitte patentskrifter er det forhold at elektrisk kalibrering kan utføres ved å lede elektrisk strøm i lengderetningen gjennom måleanordningens langstrakte målelegeme for å utvikle indre varme som simulerer den varme som frembringes i bruk ved absorbering av gammastråling. Da imidlertid målelegemets partier med nedsatt diameter har høyere elektrisk motstand og derfor frembringer mer varme enn partiene med større diameter, vil den elektriske varmevirkning bli motsatt den virkning som oppnås ved gammastråleoppvarming i et målelegeme med aksial varmestrømning. For å bibeholde fordelen ved direkte elektrisk kalibrering også for målelegemet med radial varmestrømning, må visse kalibreringstiltak utføres i samsvar med en annet aspekt av foreliggende oppfinnelse, med det formål å frembringe konstant elektrisk varmeutvikling langs hele målelegemet.

Oppfinnelsen gjelder således også en fremgangsmåte for kalibrering av en måleanordning som angitt ovenfor, idet elektrisk strøm ledes gjennom det langstrakte legeme i dets lengderetning for oppvarming av legemet, den avfølte temperaturforskjell mellom de to målepunkter registreres, og oppvarmingsstrømmen varieres for å fastlegge sammenhengen mellom utviklet varmeeffekt i legemet og den avfølte og registrerte temperaturforskjell.

Fremgangsmåtens særtrekk i henhold til oppfinnelsen ligger da i at et fyllmaterial med bedre elektrisk ledningsevne enn materialet i legemet, f.eks. sølvlodd ved et legeme av zircaloy eller 316 rustfritt stål, anbringes i partiene med nedsatt diameter på legemet før oppvarmingsstrømmen ledes gjennom legemet, for derved å frembringe konstant spenningsfall pr. lengdeenhet langs legemets lengdeutstrekning, hvorpå fyllmaterialet fjernes etter fullført kalibrering. Fortrinnsvis benyttes da i henhold til oppfinnelsen et fyllmaterial med lavt smeltepunkt og som nedsmeltes når det skal fjernes fra legemet.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av et utførelseeksempel og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser sett fra siden og delvis i snitt en måleanordning i henhold til oppfinnelsen installert i en kokendevann-reaktor. Fig. 2 viser forstørret et tverrsnitt tatt langs et plan angitt ved snittlinjen 2-2 i fig. 1. Fig. 3 viser et lengdesnitt tatt langs et plan angitt ved

snittlinjen 3-3 i fig. 2.

Fig. 4 viser grafisk temperaturgradienten langs det parti

av målelegemet som er vist i fig. 3.

Fig. 5 viser et lengdesnitt gjennom en del av et målelegeme som er behandlet for elektrisk kalibrering før det installeres i en reaktor. Fig. 6 viser grafisk spenningsfallet langs målelegemet

under elektrisk kalibrering.

Fig. 7 viser grafisk kalibreringskurver som er oppnådd ved

kalibrering i henhold til oppfinnelsen.

På tegningene viser fig. 1 en typisk installasjon av en gammastråleabsorberende måleanordning, som i sin helhet er angitt ved henvisningstallet 12 i en typisk kokende vann-reaktor, som i sin helhet er angitt ved henvisningstallet 10. Måleanordningen 12 innfores i reaktoren ovenfra ved hjelp av en gripekonus 14 på en måte som er velkjent innenfor det foreliggende fagområde. Etter innføringen i reaktoren vil den nedre ende av måleanordningen rage ut fra reaktorbeholderens bunn 16 gjennom en høytrykkspakning 18, og er ved hjelp av en stikkontaktkobling 20 forbundet med en målesignalkabel 22 som er ført frem til reaktorens instrumenteringspanel.

Måleanordningen 12 er som vist anordnet vertikalt mellom nærliggende brenselenheter 24 med langstrakte vertikale kanaler 26 som omgir bunter av brenselstaver 28. Disse brenselenheter strekker seg vertikalt inne i reaktorbeholderen mellom en øvre brenselføringsanordning 30 og et nedre gitter 32, som måleanordningen strekker seg gjennom i retning nedover. Noen av fisjonsproduktene fra brenselstavene absorberes under reaktorens effektproduksjon i form av gammastråling av måleanordningen 12 innenfor et antall vertikalt fordelte målesoner. I praksis foreligger mellom fire og ti sådanne målesoner, og temperaturmålinger som uttrykk for lokal effektutvikling utledes fra hver måleanordning. Måleanordningens ytre diameter er gjort så stor som praktisk mulig av hensyn til den tilgjengelige plass mellom de nærliggende brenselenheter, og anordningens utside befinner seg i direkte kontakt med en kjølemiddelmengde inne i reaktorbeholderen, for derved å opprette en ensartet varmesluktemperatur for måleanordningen.

Som det vil klarere fremgå av figurene 2 og 3, som viser et forstørret parti av måleanordningen 12, omfatter denne et langstrakt sammenhengende gammastråleabsorberende legeme 34 utført i et passende material, slik som rustfritt stål nr. 316 eller zircaloy, som utvikler varme når det utsettes for gammastråling, uten at dets materialegenskaper forandres. Den således utviklede varme strømmer radialt utover til målelegemets ytre overflate 36, som holdes på varmesluktemperatur ved hjelp av kjølemiddelet, f.eks. vann, i direkte kontakt med overflaten. Flere termoelementkabler 38 er anordnet inne i legemet 34 samt tilkoblet instrumentkabelen 22 på utsiden av legemet for å kunne måle temperaturforskjeller i de forskjellige aksialt adskilte målesoner, hvorav en er vist i figurene 2 og 3. Måleanordningen er således forsynt med par av termoelementoverganger 40 og 42 innenfor hver målesone, slik som vist i fig. 3.

Termoelementkablene er ført frem inne i en sentral utboring 44 i det langstrakte legeme 34 langs dets lengdeakse. Målelegemet er hovedsakelig sylinderformet og har konstant diameter langs en stor del av sin lengdeutstrekning, avbrudt av partier med nedsatt diameter 46 innenfor hver målesone. Disse aksiale avbrytelser av legemets ellers konstante diameter danner ved partiene 46 med nedsatt diameter kolde områder hvor termoelementovergangene eller målepunktene 42 er anbragt. Som en følge av denne utførelse vil temperaturgradienten langs en målesone følge den kurve 48 som er vist i fig. 4.

Som vist i figurene 3 og 4, er den kolde termoelementovergang 42 plassert omtrent midtveis inne i det kolde område som omgir partiet 46 med nedsatt diameter. Den varme termoelementovergang som befinner seg nær ytterenden av termoelementkabelen 38 er anbragt i flukt med den ende av partiet med konstant diameter av legemet 34 som befinner seg nær inntil partiet 46 med nedsatt diameter, i aksial avstand fra den kolde overgang 42. De temperaturmålinger som utføres ved hjelp av termoelementkabelen vil således bli påvirket av en-dimensjonal radial varmestrømning gjennom legemet 34 under reaktorens effektproduksjon ved de forskjellige aksiale posisjoner for termoelementovergangene 40 og 42. Temperaturforskjellen,

AT, mellom det indre av legemet 34 og varmeslukflaten for en sådan radial varmestrømning vil tilnærmet være AT = qr<2>/4K, mens den tilsvarende ligning som gjelder for aksial varme-strømning er AT = qL<2>/8K.

I ligningene ovenfor er q varmeutviklingen pr. tidsenhet frembragt av gammastråleabsorpsjonen, r radien av legemets hoveddel, K den termiske ledningsevne, og L den aksiale lengde av legemets parti med nedsatt diameter. Både for trykkvanns-reaktorer og kokendevann-reaktorer vil således det oppnådde temperaturforskjellssignal som oppnås fra en måleanordning med aksial varmestrømning være en funksjon av den aksiale lengde av partiet med nedsatt diameter på anordnignens målelegeme. Ved anvendelse av en måleanordning med radial varmestrømning i henhold til foreliggende oppfinnelse, vil imidlertid det oppnådde temperaturforskjellssignal være en funksjon av den ytre diameter eller radius r av målelegemet. Ved å benytte en måleanordning med større diameter i forbindelse med den større plass som er tilgjengelig i en kokendevann-reaktor sammenlignet med en trykkvannsreaktor, er således et høyere utgangssignalnivå teoretisk mulig. I praksis vil den målte temperaturforskjell ved radial varmestrømning være opp til 4°C i en trykkvannsreaktor og opp til 22°C i en kokende vann-reaktor.

De ovenfor angitte ligninger er bare tilnærmede, idet de utelater en mindre viktig faktor som er avhengig av radius av målelegemets parti med nedsatt diameter, samt ikke tar hensyn til de varmetap som bare er ubetydelige ved en måleanordning med radial varmestrømning. Disse varmetap unngås fordi hele den ytre overflate av målelegemet 34 befinner seg i direkte varmeledende kontakt med kjølemiddelet, hvilket innebærer en ensartet varmesluktemperatur over hele legemets overflate. En mer nøyaktig og pålitelig temperstursignalmåling av den lokale effektutvikling kan da oppnås. Den eneste ulempe ligger da eventuelt i den begrensning av temperaturforskjellen som følger med plassbegrensningen for måleanordningen i en trykkvannsreaktor. Om denne ulempe er av vesentlig betydning vil avhenge av det signalstøynivå som foreligger.

Ved konstruksjon og utførelse av måleanordningen 12 er dimensjonene av partiene 46 med nedsatt diameter ikke av vesentlig betydning når det gjelder det oppnådde signalnivå, slik som påvist ovenfor, men påvirker likevel måleanordningens konstruksjonsfasthet. For å øke anordningens fasthet og motvirke svekningsvirkningen av partiene med nedsatt diameter, er radiale forsterkningsfinner 50 anordnet, slik det klarest er vist i fig. 2. Disse finner er utført i et material med høy fasthet og høy varmeledningsevne, således at de vil ha en ubetydelig virkning på varmesluktemperaturen og den radiale varmestrømning.

Den oppnådde målenøyaktighet ved bruk av måleanordningen 12 vil også være avhengig av dens kalibrering før den installeres. Denne kalibrering utføres ved å føre en elektrisk strøm i lengderetningen gjennom målelegemet 34, som tilkobles en elektrisk effektkilde 52, slik som skjematisk vist i fig. 5, hvilket frembringer elektrisk oppvarming av legemet. Et uensartet spenningsfall vil da normalt opptre langs målelegemets lengdeutstrekning, slik som angitt ved kurven 54 i fig. 6, på grunn av den høyere elektriske motstand innenfor partiene 46 med nedsatt diameter. Spenningsfallet blir derfor modifisert slik at det blir jevnt fordelt langs legemet, slik som angitt ved kurven 56, ved at det opprettes strømbaner i parallell med partiene 46 med nedsatt diameter under den elektriske oppvarming for kalibreringsformål. For dette formål anbringes en rundtgående ring 5 8 av fyllmaterial omkring målelegemets partier med nedsatt diameter, slik som vist i fig. 5. Fyllmaterialet har da høy termisk og elektrisk ledningsevne såvel som lavt smeltepunkt. Sølvlodd e.l. vil således være egnet. Mengden av anvendt fyllmaterial avpasses da slik at spenningsfallet pr. lengdeenhet over partiene 46 med nedsatt diameter gjøres lik tilsvarende spenningsfall langs partiene med større diameter for derved å oppnå ensartet spenningsfall pr. lengdeenhet av legemet, slik som vist ved kurven 56 i fig. 6. Fyllmaterialets høye varmeledningsevne vil hindre enhver tilleggsoppvarming av legemet 34. Videre vil fyllmaterialets lave smeltepunkt gjøre lett fjerning av materialet mulig ved nedsmelting etter at kalibreringen er fullført.

Etter at legemet 34 er forbehandlet og elektrisk oppvarmet slik som angitt ovenfor, oppnås et temperaturforskjellssignal mellom termoelementovergangene 40 og 42, slik som antydet i fig. 5, og variasjon av oppvarmingsstrømmen for opptegning av signalnivået AT som funksjon av strømmens varmevirkning vil da gi de kalibreringskurver 60 som er angitt i fig. 7. Helningen av disse kurver opptegnet separat for hver måleanordning, utgjør da følsomhetsfaktorer uttrykt ved °C pr. watt og gram. I praksis ligger følsomhetsfaktoren for måleanordninger med radial varmestrømning mellom 4 og 40°C/watt/gram.

Claims (2)

1. Anordning for å måle lokal effektutvikling inne i en kjernereaktors brenselladning, idet anordningen omfatter et gammastråleabsorberende langstrakt legeme (34) av varmeledende og elektrisk ledende material med utstrekning langs en akse samt med en ytre overflate som utgjør et varmesluk i direkte kontakt med reaktorens kjølemiddel, og en midtre utboring (44) hvori det er montert termoelementer med målepunkter (40, 42) for avføling av temperaturforskjeller innen-

for flere lokale målesoner fordelt langs legemets akse, og hvor legemet innenfor hver målesone har et parti (46) med nedsatt diameter for å opprette et avvik med hensyn til legemets elektriske og termiske motstand innenfor målesonen og som gir seg til kjenne ved radial varmestrømning i målesonen omkring målepunktene samt en temperaturforskjell som er avhengig av den lokale effektutvikling mellom målepunktene (40, 42), idet det kolde målepunkt (42) er anordnet i flukt med sonepartiet (46) med nedsatt diameter og det varme målepunkt (40) er plassert innenfor et område av legemet (34) som befinner seg tett inntil avviket eller partiet med nedsatt diameter, karakterisert ved at anordningen videre omfatter forsterkningsfinner (50) av godt varmeledende material som strekker seg radialt utover fra partiene med nedsatt diameter.

2. Fremgangsmåte for kalibrering av en anordning som angitt i krav 1, idet elektrisk strøm ledes gjennom det langstrakte legeme i dets lengderetning for oppvarming av legemet (34), den avfølte temperaturforskjell mellom de to målepunkter (40, 42) registreres, og oppvarmingsstrømmen varieres for å fastlegge sammenhengen mellom utviklet varmeeffekt i legemet og den avfølte og registrerte temperaturforskjell, karakterisert ved at et fyllmaterial (58) med bedre elektrisk ledningsevne enn materialet i legemet (34), f. eks. sø lvlodd ved et legeme av zircaloy eller 316 rustfritt stål anbringes i partiene med nedsatt diameter på legemet før oppvarmingsstrø mmen ledes gjennom legemet (34), for derved å frembringe konstant spenningsfall pr. lengdeenhet langs legemets lengdeutstrekning, hvorpå fyllmaterialet (58) fjernes etter fullført kalibrering. 3- Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at det benyttes et fyllmaterial (58) med lavt smeltepunkt og som nedsmeltes når det skal fjernes fra legemet (34).