DE2440741A1

DE2440741A1 - Verfahren und einrichtung zur messung des abbrandes von kernbrennstoffen in einem kernreaktor

Info

Publication number: DE2440741A1
Application number: DE2440741A
Authority: DE
Inventors: Carl M Fleck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-08-27
Filing date: 1974-08-26
Publication date: 1975-03-13
Also published as: US4024017A

Description

PATENTANWÄLTE

26. Aug.
P 8517

Dozent carl M. Fleck in Wien (Österreich)
Goldegg-Gasse 1/13

Verfahren und Einrichtung zur Messung des Abbrandes von Kernbrennstoffen

in einem Kernreaktor

Die genaue Kenntnis des lokalen Abbrandzustandes in einem Leistungsreaktor ist aus sicherheitstechnischen und ökonomischen Gründen von großer Bedeutung, da einerseits unzulässige Leistungsdichtespitzen mit größerer Zuverlässigkeit vermieden werden können und andererseits die Erstellung optimaler Brennelement-Umsetzpläne nur möglich ist, wenn der örtliche Brennelementabbrand des Cores bekannt ist.

Außerdem ist das inhärente Stabilitätsverhalten
des Reaktors abhängig von der Form der Neutronenflußverteilung und damit vom Abbrandzustand.

Die herkömmlichen on-line Methoden der Abbrandbestimmung beruhen im wesentlichen auf der Bildung des Fluß-'

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Zeit-Integrales bzw. des zeitlichen Integrales der Leistungsdichte, was aber die dauernde Messung des Flußverlaufes im Core und das Speichern der Daten erfordert. Der Nachteil dieser Methode ist, abgesehen von evtl. Schwierigkeiten bei Verlust von Daten, ihre üngenauigkeit, wenn zwischen den einzelnen Messungen große langzeitliche Regelstabbewegungaa erforderlich waren, z.B. beim Fahren unregelmäßiger Zyklen oder bei Spitzenlastausregelung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches diese Nachteile bekannter Verfahren beseitigt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mindestens zwei Meßsignale gewonnen werden, deren Größe durch den Fluß bzw. Flußdichte verschiedener Neutronengruppen bzw. Neutronenenergien bestimmt wird und aus deren Vergleich der Abbrand errechnet wird.

Das Prinzip dieser Methode beruht auf der Änderung des Grobspektrums oder eines ähnlichen Verhältniswertes mit dem Abbrandzustand eines Reaktorbereiches.

Die Erfindung wird nun näher unter- Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, aus welchem die Abhängigkeit des Grobspektrums vom Abbrandzustand eines borkorrigierten Reaktors ersichtlich ist.

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Fig. 2 ein Diagramm, aus welchem der Bor- und Strukturkorrekturfaktor -für das Grobspektrum ersichtlich ist.

Fig. 3 schematisch ein Kugelmeßsystem Fig. 4 die Zerfallskurve der Kugelaktivität Fig. 5 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Abbrandmessung; und

Fig. 6 ein Diagramm, in welchem die Meßergeb- ■ nisse bekannter Verfahren mit dem anmeldungsgemaßen Meßverfahren verglichen sind.

Die Verknüpfung zwischen den Meßsignalen und dem lokalen Abbrand kann jedoch nicht nur über das Grobspektrum errechnet werden, sondern auch über jeden anderen Verhältniswert von Flußdichten zweier entsprechend gewählter Neutronengruppen. Der lokale Abbrand ändert in bestimmter Weise das lokale Grobspektrum. Als GrobspektrumΓ (χ) sei hier das Verhältnis der Flüsse der schnellen und der thermischen Energiegruppe definiert:

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-ι- 24Α07Λ1

Rt)-

Φ MdB

Csr -C(L

wobei bedeuten:

/ [J^) = ortsabhängiges Grobspektrum

(w Xj = orts- und energieabhängiger Neutronenfluß

= thermische Grenzenergie
jS (F) ⁼ ortsabhängiger schneller Neutronenfluß ψέ-hO^J - ortsabhängiger thermischer Neutronenfluß

Der Zusammenhang zwischen Grobspektrum/⁷ und Abbrand A ist aber nicht über den gesamten Abbrandbereich monoton, da der Borgehalt P-. des Kühlmittels mit zunehmendem Abbrand aus Reaktivitätsgründen verändert wird.

Weitere Einflüsse, die den eindeutigen Zusammenhang Grobspektrum-Abbrand stören, werden von Strukturmaterialien, den Regelstäben und der Ortsabhängigkeit der Kühlmitteltemperatur hervorgerufen.

Diese Störungen können durch Einflußrechnungen mit einem Diffusionsprogramm eliminiert werden. Man kann die Änderung des Grobspektrums '^ IX/ im Xenon-Gleichgewichtszustand unter Vernachlässigung Glieder höherer Ordnung in

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guter Näherung darstellen als

wobei bedeutet:
A = der Abbrand

= die Borkonzentration

\T_SK = or-tsabhängige Einflüsse von Strukturmaterialien, Kontrollstäben, Temperatur etc.

Stellt/ (x, t ) eine Eichspektrummessung zum Zeitpunkt t dar, so erhält man nach Gleichung (1) für den Abbrand A(x,t) zum Zeitpunkt t die formale Beziehung

In der Praxis kann die Änderung des Grobspektrums aus Rechnungen mit einem Abbrandprogramm einschließlich der Störterme

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T)FIx)

ξ*

erstellt werden, sodaß das Grobspektrum /(x,t) in der bor- und strukturkorrigierten Form/ (x,t) erhalten werden kann, die eine eindeutige, monotone Funktion des Abbrandes ist (Fig. 1):

rotM>) = />

wobei

ein Gesamtkorrekturfaktor

ist, welcher bei Vernachlässigung von Größen höherer Ord nung sich wie folgt ergibt: (siehe Fig. 2)

β (maι

1-Ll

Unter Benützung dieser Beziehung ergibt sich aus Gl. (2) die folgende einfache Form

(¹I)

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Der lokale Abbrand A (x,t) kann also durch Messen des Grobspektrums unter Berücksichtigung des Borgehaltes und Struktureinflusses bestimmt werden.

Die Erfindung wurde bereits im Kernkraftwerk Obrigheim, Bundesrepublik Deutschland (KWO) getestet. Die Bestimmung von /ix,t) erfolgte in einem einzigen Meßprozeß durch Aktivieren einer Kugelsäule des im Kernkraftwerk Obrigheim installierten Kugelmeßsystems (Fig. 3), in der die Indikatornuklide Ni-58 und Mn-55 enthalten sind und durch die Trennung der beiden Aktivitäten Co-58 (schnelle Aktivierung von Ni-58) und Mn-56 (thermische Aktivität) . durch ihre Halbwertszeiten von 72 d bzw. 2,57 h /2/. Das dabei verwendete Kugelmaterial "Incoweld" hat die folgen- · de Zusammensetzung:

Ni 70%, Cr 15 bis 17 %, Fe 8%, Ti 2,75 bis 3,35%, Mn 2 bis 2,75%, Rest Cu, C, Al, Si, S.

Eine Abklingkurve von aktivierten "Inco-weld" Kugeln ist in Fig. 4 dargestellt. Dieses Sondenmaterial ist vorteilhaft wegen seines hohen Nickelgehaltes, der eine

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ausreichende Schwellensondenaktivität liefert. Ein weiterer Grund ist die ungefähr gleiche-Energie der Zerfalls-Gammalinie von Co-58 und Mn-56 (0,81 und 0,85 MeV), die eine Beibehaltung der Einstellung der Diskriminatorschwelle der Meßelektronik erlaubt.

Am Ausgang der Meßeinrichtung 8 (Fig. 3) werden zu zwei verschiedenen Zeitintervallen t-, t„ (siehe Fig. 4) zwei Ausgangsinformationen 20, 20a gewonnen, die durch Impulsraten A¹ , A'_th dargestellt sind.

Die Bestrahlung-, Abkling- und Meßzeiten sind jeweils so abzustimmen, daß der Meßkanal einerseits nicht übersteuert wird, die Impulsraten groß genug für eine ausreichend gute Statistik sind, der Störeinfluß der komplementären Aktivität hingegen kleiner als 1 % ist.

Die Meßeinrichtung des im KWO (Kernkraftwerk Obrigheim) verwendeten Kugelmeßsystems erlaubt ein Ausmessen der Kugelsäule in Abschnitten zu 5,5 cm, sodaß die Reaktorhöhe von 2,7 m in 50 axiale Parzellen aufgeteilt wird.

Nach Fig. 3 enthält der Reaktor 1 einen Kern 2, in welchem eine Röhre 3 für die Meßkugeln 12 mündet.. Das Rohr ist bei 3¹ abgeschlossen. Das andere Ende der Röhre 3 endet in einer drehbaren Speichertrommel 5, in welcher auch ein Ende eines zweiten Rohres 7 endet. Am anderen Ende des Rohres 7 befindet sich eine Meßeinrichtung 9 mit einem Ausgang 20, 20a und eine Führungseinrichtung 10 für die Meßkugeln 12. Die Führungseinrichtung besitzt eine drehbare Trommel 14, auf

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welcher ein relativ steifer Draht 13 aufgewickelt ist. Das eine Ende des Drahtes reicht in das Rohr 7 und hält die Meßkugeln 12 in ihrer Lage. Durch Drehen der Trommel 14 werden die Kugeln 12 durch die Meßeinrichtung bewegt. Durch Magnetventile 4, 6 und 11 wird Druckluft in das Rohrsystem eingeführt, wodurch die die Meßkugeln 12 vom Reaktorkern 2 in die Speichertrommel 5 und von dieser zum Meßgerät 9 und wieder zurückgeführt werden können. Anstelle einer Kugelsäule kann auch eine Spiralfeder verwendet werden.

Da der Meßeffekt, die Grobspektrumänderung, zwischen neuem und abgebranntem Kern nur etwa 20 bis 30 % vom Ausgangszustand beträgt (bei Einsatz von Pu-Elementen etwas mehr), müssen die zur Bestimmung des Grobspektrums verwendeten Impulsraten der Indikatornuklide eine ausreichend gute Statistik haben. Die Grobspektren/ (x,t) ergeben sich aus den Verhältnissen der zum Zeitpunkt t ermittelten Impulsraten der Aktivierung des Nickels durch schnelle Neu-

s
tronen (Kr^) durch die Reaktion

58 58 Ni (n,p)Co

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und der Aktivierung des Mangans durch thermische Neutronen

th
(Aj. ) durch die Reaktion

durch die folgende Gleichung:

uL-τ* Ai ¹

bei einer Mn-Ni Indikatornuklid-Paarung. Bei einer Kombina tion von thermischen Absorbern mit verschieden großen epithermischen Aktivierungsanteilen, z.B. Mn-V gilt

Γ =

ASS.- τ«

wobei bedeutet:

I^res = Resonanzintegral

I^s = über den schnellen Fluß 0 gemittelter Querschnitt der

Schwellenreaktion
cf = thermischer Aktivierungsquerschnitt.

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In Fig. 5 werden mit bekannten Größen die Impulsraten A¹ , A'. auf spezifische Sättigungsaktivitäten umgerechnet (Block 21). Darauf wird nach Gleichung (6) das Grobspektrum ermittelt (Block 22). Als nächstes wird der Quotient gebildet (Block 24), indem aus einer Bibliothek (Block 23) der ortsabhängige Wert/c (x j geholt wird. Nun wird als Zusatzinformation die Borkonzentration j B (Eingang 25) während der Messung benötigt. Mit Hilfe dieser Borkonzentration und unter Berücksichtigung des Meßortes (x) wird aus einer Bibliothek (Block 26) der dazugehörige Korrekturfaktor B aufgerufen und die Borkorrektur durchgeführt (Block 27). Nun wird nach Gleichung (5) vorgegangen (Block 29), indem der Rechner sich aus einer Bibliothek (Block 28) jene Werte A(x)

OA (±)
und 1Hx¹*' holt, die Gleichung (5) erfüllen. Der aus einer Bibliothek (Block 30) geholte Abbrandzüstand der Referenzmessung A₀ erlaubt nun die Festlegung des tatsächlichen lokalen Abbrandes A. Ein weiteres Programm (Block 31) extrapoliert auf das gesamte Core und damit auf den örtlichen Äbbrandzustand jedes einzelnen Brennelementes.

Fig. 6 stellt den axialen Abbrandverlauf in einem Brennelement des Kerns des Kernkraftwerkes Obrigheim (KWO) dar. Die Ergebnisse mehrerer bekannter Abbrandmeßverfahren werden mit dem anmeldungsgemäßen Verfahren verglichen. Schon bei Einsatz eines nur eindimensionalen

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Diffusionsabbrandprogrartimes zur Berechnung der Beziehung h{P) zeigen die erhaltenen Ergebnisse gute Übereinstimmung mit den klassischen Methoden (γ-scan, Leistungsdichteintegration) . Die Abweichungen sind kleiner als 3%. Die erforderliche Meßzeit· für eine Abbrandmessung des ganzen Kerns beträgt bei diesem Kugelmeßsystem etwa 60 Stunden und ist im wesentlichen durch die notwendige Abklingzeit (siehe Fig. 4) bestimmt.

Für das Kugelmeßsystem des Kernkraftwerkes Stade in der Bundesrepublik Deutschland (KKS) bieten sich als Indikatornuklide Mn und V an. Dies erlaubt eine Reduzierung der Gesamtmeßzeit auf etwa 2 Stunden, wobei wieder 1,4 Stunden auf das Abklingen der V-Aktivität entfallen.

Besonders günstig ist eine Kombination der Indikatornuklide Vanadium und Nickel mit Meßzeiten für den gesamten Kern von ebenfalls 2 Stunden.

Versuche haben auch gezeigt, daß die Meßzeit durch die Verwendung nichtlinearer Filter weiter reduziert werden kann.

Die Erfindung ermöglicht es auch, den Abbrand in bereits in Betrieb befindlichen Siedewasserreaktoren zu messen, welche mit ortsfest angeordneten Spaltkammern und diesen zugeordneten Eichkammern ausgestattet sind, welche während des Betriebes in Über den Kern verteilten Rohren verfahren werden. Dies wird etwa dadurch erreicht> daß zwei te, mit einem anderen Spaltetoff belegte Spaltkammern zur

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Messung der den Abbrand festlegenden Vergleichswerte in das jeweilige Rohr eingefahren werden, wobei die Vergleichswerte abgenommen werden, wenn die verfahrbare zweite Spaltkammer sich auf gleicher Höhe mit der jeweiligen ortsfesten Spaltkammer befindet.'Ebenso können natürlich auch zwei oder mehrere entsprechende Spaltkammern, die konstruktiv in eine Einheit zusammengefaßt sein können, gleichzeitig im Kern·verfahren werden.

Jedenfalls erfolgt die experimentelle Messung ■des Abbrandes durch den Vergleich von mindestens 2 Meßsignalen, die man aus Detektoren, etwa Spaltkammern, erhält, die im Reaktorkern eingefahren werden und/oder fest montiert sein können. Die Detektoren besitzen.eine für verschiedene Neutronengruppen unterschiedliche Empfindlichkeit, sodaß aus dem Vergleich von mindestens 2 Detektorsignalen das Grobspektfum oder ähnliche mit dem Abbrand korrelierte Größen gebildet werden können.

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Claims

Patentansprüche:

[1.7 Verfahren zur Messung des Abbrandes von Kernbrennstoffen in Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Meßsignale gewonnen werden, deren Größe durch den Fluß bzw. Flußdichte verschiedener Neutronengruppen oder Neutronenenergien bestimmt wird und aus deren
Vergleich der Abbrand errechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine aktivierbare Probe, welche mit
mindestens zwei verschiedenen Neutronengruppen zeitlich oder energiemäßig trennbare Aktivitäten liefert, in den Kern des Reaktors eingebracht wird, eine vorgegebene Zeit im Reaktor belassen wird, danach einer die Aktivitäten messenden Meßeinheit zugeführt wird und aus dem Vergleich von mindestens zwei Aktivitäten der Abbrand errechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-• net, daß bei Verwendung einer Probe mit energiemäßig trennbaren Aktivitäten die Impulszahl in mindestens zwei den Aktivitäten zugeordneten Meßkanälen festgestellt wird und aus den ermittelten Impulszahlen der Abbrand vorzugsweise in
einem Rechner errechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, bei Verwendung einer Probe mit zeitlich trennbaren Ak-r tiyitäten, mindestens zwei Aktivitätsmessungen in mindestens zwei vorgegebenen Zeitintervallen durchgeführt werden und der Abbrand auf Grund der beiden Messungen vorzugsweise in einem Rechner errechnet wird.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Probe eine aus mehreren Kugeln gebildete Säule verwendet wird, welche in über den Kern des Reaktors verteilte Pührungsrohre eingebracht wird.
6. Verfahren'nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da-, durch gekennzeichnet, daß die Probe Ni und Mn oder Vanadium und.Mangan oder Gold und Mangan oder Vanadium und Nickel enthält.
7. Verfahren nach Anspruch'6, dadurch gekennzeichnet,, daß die Probe zusätzlich Fe, Cr und/oder Titan enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichr net, daß die Meßsignale von Spaltkammern, die mit verschiedenen Spaltstoffen belegt sind, erhalten werden, welche Spaltkammern im Kern ortsfest angeordnet sind/oder zur ' Messung in den Kern eingebracht werden. "
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder S, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltkammern gemeinsam, d.h. zugleich im Kern ortsfest angeordnet sind und/oder zur Messung in den Kern eingebracht bzw. verfahren werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Spaltkammern konstruktiv in eine Einheit zusammengefaßt werden, sei dies als Kompensationskammer oder zur Bildung von Verhältnissen der Meßsignale.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 6 und 10,. für einen Reaktor mit ortsfest angeordneten Spaltkammern · und diesen zugeordneten Eichkammern, die während des Be-

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triebes in über den Kern verteilten Rohren verfahren werden, dadurch gekennzeichnet, daß weitere mit einem anderen Spaltstoff belegte Spaltkammern zur Messung der den Abbrand festlegenden Vergleichswerte in das jeweilige Rohr eingefahren werden, wobei die Vergleichswerte abgenommen warden, wenn die verfahrbaren weiteren Spaltkammern sich auf gleicher Höhe mit der jeweiligen ortsfesten Spaltkammer befinden.
12. Einrichtung zum Messen des Abbrandes von Kernbrennstoffen in Kernreaktoren, gekennzeichnet durch mindestens zwei Spaltkammern mit unterschiedlicher Empfindlichkeit in Bezug auf das lokale Neutronenspektrum des Reaktors, wobei die Ausgänge der Spaltkammern an einem Rechner angeschlossen sind, welcher aus den Ausgangssignalen einen Wert errechnet> der dem lokalen Abbrand zugeordnet werden kann.
13. Einrichtung zum Messen des Abbrandes von Kernbrennstoffen in Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß im Kernreaktor ein an sich bekanntes Kugelmeßsystem mit einem Kugelmaterial vorgesehen ist, welches mindestens zwei Legierungskomponenten enthält, die mit mindestens zwei verschiedenen Neutronengruppen zeitlich oder energiemäßig trennbare Aktivitäten liefert, und die Kugelneiner Detektoreinheit zuführbar sind, welche diesen Aktivitäten zugeordnete Ausgangssignale-liefert, und der Ausgang der Detektoreinheit an einen Rechner angeschlossen ist, welcher aus den Ausgangssignalen einen Wert errechnet, welcher dem lokalen Abbrand zugeordnet werden kann.

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