DE7012365U - Einrichtung zur zerstoerungsfreien abbrandbestimmung von kernreaktorbrennelementen. - Google Patents

Description

Berlin und Hünchen

Uns; r ... ο ici.'

Einrichtung zur zerstörung Jr e ie η .Atbrandbest in^un^ von Kernreaktorbrenne lementen

Die vorliegende Neuerung betriiit eine Einrichtung ζν-τ zerstörungsfreien Abbrandbestimmung von Kernreaktorbrennelementen mit Hilfe eines hochauflösenden Gammastrahlungsspekxrometers.

Die Peststellung des Abbrandes der in den Brennelementen von Kernreaktoren befindlichen Kernbrennstoffe ist für den wirtschaftlichen Betrieb von Kernkraftwerken von wesentlicher Bedautung. La in jedem Reaktorsystem die Leistu^tr, νrt eilung im Reaktorkern aus neutronenphysikalischen Gründe τ weder in horizontaler, noch in vertikaler Richtung homogen ist, sondern beträchtl:; ?.h.e Gradienten aufweisen kann, wird d- s spaltbare Material innerhalb der Brennelemente ungleichmäßig ausgenützt, der Abbrand desselben also unterschiedlich sein. Zur Verringerung dieser Nachteile - d.h. zu einer besseren Ausnutzung des Brennstoffes und damit Vergleichmäßigung des Abbrandes - ist es bekannt, einen Teil der weniger belasteten Brennelemente aus den äußeren Zonen des Reaktorkernes gegen hochbelastete Brennelemente aus der Zentralzone des Reaktorkernes auszutauschen. Dieser Austauschvorgang läßt sich jedoch nur dann mit optimaler Wirkung durchführen, wenn es möglich ist, die Abbrandverhältnisse in den gegeneinander auszutauschenden Brennelementen rasch und zerstörungsfrei festzustellen. Die zerstörungsfreie Abbrandbeatimmung ist selbstverständlich auch für jene Brennelemente, die ganz aus dem Reaktorkern entfernt werden, von großem Interesse.

-2-

5. NOV.

/ VPA 70/9414

PÜr die zerstil'T'nngRfrfli ρ AbbrandbeHtinmmng sind schon verschiedene Möglichkeiten bekanntgeworden. So ist es grundsätzlich möglich, die während des Reaktorbetriebes vom Kühlmittel aus einem definierten Teil des Reaktorkernes transportierte Wärmemenge kalorimetrisch zu messen. Diese Messung ist jedoch ungenau und ergibt nur Mittelwerte. Über den örtlichen Verlauf des Abbrandes entlang der Brennelemente ergibt sie keinen Aufschluß.

In Lnboruntersuchungen zur zerstörungsfreien AbbrandbeStimmung von Brennstoff proben bzw. einzelnen Brennstäben (siehe Nuclear Materials Management, p.p. 829-849, Wien 1966 und Atomkernenergie 14-63 (333-341) 1969) hat sich die Messung der ff -Aktivität von geeignet ausgewählten Spaltprcdukten mit einer hochauflbeenden lithiumgedrifteten Germanium-Halbleiterdiode, die heute in der Ar -Spektroskopie vielfach Verwendung findet, gut bewährt. Es ist sehr schwierig, diese Methode auf eine ausge-' dehnte Anordnung, wie sie ein Brennelement darstellt, das u.U. , aus mehreren Hundert Einzelstäben besteht, auszudehnen, Die inhomogene Abbrandverteilung innerhalb eines Brennelementes, verbunden mit der unübersichtlichen Absorption der /^ -Strahlung φ im Stabbündel und den verwickelten Geometrieverhältnissen, lassen kaum eine Korrelation zwischen der nach außen tretenden /V- -Strahlung und dem mittleren Abbrand des Brennelementes zu.

Auf der Basis dieser bekannten Meßmethode mit einer hochauflösenden Ge(Li^Halbleiterdiode wurde von BÜKER (s. Nukleonik 346-351, 1967) eine automatisch arbeitende Anordnung zur Abbrandbestimmung von Brennstoffkugeln eines Kugelhaufenreaktors entwiekelt, die über einer bestimmten Abbrandgrenze liegende

Kugeln aus dem Brennstoffkreislauf aussondert. Es liegt in der Problemstellung begründet, daß dabei nur Aussagen über den mittleren Abbrand der gemessenen Kugel von Interesse sind.

In Anbetracht dieses Standes der ieohnik erhebt ach. das Bedürfnis nach einer Einrichtung für eine rasche und zerstörungsfreie Abbrandbeatimmung von einzelnen Brennelementen, insbesondere hinsichtlich der Abbrandverteilung in Längsrichtung derselben. Die gewonnenen Daten sollten eine direkte und optimale Beeinflussung des Brennelement-Umsetzplanes ermöglichen. Dieses Ziel wird neuerungsgemäß dadurch erreicht, daß die Einrichtung aus einer Führungskonstruktion für eine exakte Vorbeibewegung einea darin eingesetzten und über seine gesamte Länge zu untersuchenden Brennelementes mit einem seitlich derart angebauten Gammaspektrometer besteht, daß jeweils nur die Strahlung ^inea Eckbrennstabeβ des zu untersuchenden Brennelementes erfaßt wird.

Mit dieser Einrichtung ist es möglich, die Strahlung einzelner Brennstäbe abzutasten. Dies gilt insbesondere für Brennelemente mit rechteckigem Querschnitt, wie sie für wassergekühlte Kernreaktoren üblich sind. Bei diesen ist es besonders einfach, die Eckbrennstäbe der Brennelemente abzutasten und die Strahlung benachbarter Brennstäbe auszuschalten. Pur diese gezielte Erfassung der Eckbrennstäbe ist es zweckmäßig, zwischen den Gammaspektrometern und der Pührungskonstruktion entsprechend gerichtete Gammastrahlungskollimatoren einzusetzen. Es ist weiterhin vorteilhaft , durch den Anbau mehrerer Gammastrahlungsspektrometer gleichzeitig die Strahlung mehrerer Eckbrennstäbe getrennt zu erfassen und aus der so gewonnenen Kenntnis der Abbrandverteilung in einzelnen Brennstäben zuverlässig auf die entsprechenden Verhältnisse im ganzen Brennelement zu schließen.

Wegen der Eigenstrahlung der zu untersuchenden Brennelemente ist es notwendig, diese neuerungsgemäße Einrichtung innerhalb abgeschirmter Räume aufzubauen, bzw. sie duoh an sich bekannte

-4-

VPA 70/9414

Mittel nach außen abzuschirmen. Eine besonders einfache Abschirmung smethode besteht darin, diese Einrichtung in Verbindung mit der Wasserfüllung eines Brennelementabklingbeckens zu verwenden, wobei das Wasser gleichzeitig der Abführung der Nachzerfallswärme aus den einzelnen Breimstauen dienen kann.

Zur näheren Erläuterung dieser Neuerung zur AbbrandbeStimmung von Kernreaktürbrennelementen wird auf ein in den Pig. 1-5 dargeatelltee Ausführungsbeispiel verwiesen, bei dem diese Einrichtung in Verbindung mit dem Abklingbecken einer Kernreaktoranlage eingesetzt ist. Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die neuerungsgemäße Einrichtung innerhalb des Abklingbeokens, die Pig. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die eigentliche Meßeinrichtung, bestehend aus Gammastrahlungsapektrometer und Kollimator und die Pig. 3 einen Querschnitt durch diese Anordnung in Höhe des Kollimators, entsprechend der Linie III-III in Pig. 1, wobei die gleichzeitige Abtastung von vier diagonal gegenüberliegenden Eckbrennstäben eines quadratischen Brennelementes dargestellt ist.

Das in Pig. 1 im Längsschnitt dargestellte Brennelementabklingbeoken 1 ist mit Wasser gefüllt und befindet sich in nächster Nähe des eigentlichen Kernreaktors. Die aus dem Kernreaktor entnommenen Brennelemente können mit der Lademaschine über dieses Becken gefahren und in einem Brennelementgestell am Grunde desselben abgesetzt werden. Erst nach dem Abklingen

■ - b - : VPA /0/9414 \

der kurzlebigen Nuklide worden die verbrauchten Brennelemente aus diesem Gestell entnommen und können weiter transportiert werden. Jene Brennelemente jedoch, die für den weiteren Einsatz im Reaktorkern vorgesehen sind, werden zunächst in der erfindungsgemäSon Einrichtung auf ihren Abhrand^u.gtan^ v^r.prsucht und dementsprechend wieder in andere Brennelementpositionen im Reaktorkern eingesetzt.

Diese Einrichtung besteht zunächst aus ein r Pührurekonstruktion 31 am Grunde des Abklingbeckens 1 von praktisch gleicher Höhe wie das Brennelementgestell, das aus Übersichtlichkeitsgründen hier nicht dargestellt ist. Die Lademaschine oder ein anderes für die /orbeibewegung der zu untersuchenden Brennelemente an der ei entliehen Meßeinrichtung geeignetes Gerät ist mit 7 bezeichne t. In der Höhe des oberer: Endes der Pührungskonstruktion 31 ist die benachbarte Beckenwand 11 durchbohrt und an dieser Stelle mit einem Kollimator 2 versehen. Die Achse dieses Kollimators ist genau auf das in aer Pührun^skonstruktion 31 befindliche Brennelement, spezieller auf den aus diesem ausgewählten Brennstab gerichtet. Zur Einstellung der Soilage des auszumessenden Brennstabes kann die Puhrungsk^n^truktion in den dazu notwendigen Grenzen justiert werden. Damit die im Gammaspektrometer 4 auszumessende Strahlung nicht durch die Wasserschicht im Abklingbecken infolge Absorption geschwächt wird, wird die Strahlung innerhalb des Beckenrandes in einem geschlossenen wasserfreien Rohr 21 geführt. Dieses ist zweckmäßigerweise mit der Führungskonstruktion 31 sowie über die Auskleidung 12 des Abklingbeckens mit dem Kollimator 2 starr verbunden. Wie in Pig. 2 näher dargestellt ist, ist der Strahlenkanal in seinem Querschnitt durch Blenden 22, 23,

VPA 70/94H

24 und .?5 aus Blei nach Breite und Höhe einstellbar. Der Einet el Ir.i_:chanisnu3 21 und 28 ist durch die rückwärtige Abschirmung b m-c'r. au3on geführt. In dem hier dargestellten Beispiel sind die Blenden 22 und 25 fest eingestellt und haben beispielsweise c.nc Kanalöffnung von 25 χ 45 mm. Die dazwischenliegenden Blender, 23 und 24 sind dagegen durch die genannten Einrichtungen verstellbar, z.B. zwischen 0 und 40 bzw. 0 und 20 mm. Zwischen den Blenden 23 und 24 i3t eine starre Blende 26 aus Plexiglas für die Abschirmung einer eventuell vorhandenen /3-Strahlung vorgesehen. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist dieser rohrförmige Kollimafor starr in der Bohrung der Baäcenwandung 11 befestigt, in dieser z.B. einbetoniert. Auf der dem Beckenraum abgewandten Seite befindet sich die Ge(Li)-Diode 4 mit ihren Versorgungseinrichtungen, wie z.B. dem Vorratsbehälter für flüssigen Stickstoff 41, sowie die nicht dargestellten Ioncngetterpumpen mit Spannungsversorgung, der ladungsempfindliche Vorverstärker und die anderen elektrischen Einrichtungen, die in ihrer Gesamtheit erst die eigentliche Spektrometeranordnung bilden. Der Aufbau einer solchen ist jedoch Stand der Technik und wird daher hier nicht näher beschrieben. Durch diehier dargestellte und gewählte Einstellmöglichkeit des Kollimators 2 kann ein stets reproduzierbares Volumen aus dem aufzumessenden Brennstab strahlungsmäßig erfaßt werden, außerdem wird durch die Abschirmungen dafür gesorgt, daß auf der Bedienungsseite des Kollimators keine unzulässig hohen Strahlungsbelastungen auftreten können. Wie bereits erwähnt, ist es möglich, bei Brennelementen mit rechteckigem Querschnitt gleichzeitig zwei Eckbrennstäbe 30 bzw. bei Anordnung der Führungskonatruktion 31 in einer Ecke des Brenneleraentabklingbeckens sogar gleichzeitig alle vier Eckbrennstäbe 30 auszumessen,

- 7 - ■ :' . *?PA 70/9414

siehe Pig. 3. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kollimatoren 2 nicht parallel zueinander, wie in Fig. 3 dargestellt, sondern auch schräg auf die anzumessenden JBrennstäbe 30 3U richten, wenn dies aus räumlichen Gründen notwendig sein sollte. In dieser Figur ist außerdem deutlich der Querschnitt der Führungskonstruktion 31 zu sehen, an die die vier Rohre anges*hweißt sind. Die innere Auskleidung des Abklingbeckens ist mit 12 bezeichnet und wird von diesen Rohren 21 nicht berührt .

Zur näheren Veranschaulichung der Größenabmessungen der hier beschriebenen Anlagen sei erwähnt, daß das Abklingbaiken beispielsweise eine Tiefe von 11 m besitzt, bei eins r Dicke der Außenwände 11 von 1,8 m. Der Kollimator 2, dessen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 20 cm liegt, hat dann eine entsprechende Länge von 1,8m.

Abschließend sei erwähnt, daß bei gleichzeitigem Einsatz zweier oder mehrerer Spektrometeranordnungen, die nicht auf die Verwendung von Ge(Li)-Dioden beschränkt sein müssen, nicht nur eine gleichzeitige Ausmessung verschieden im Brennelement angeordneter Brennstäbe möglich ist, vielmehr ist auch durch Gegeneinander st el lung der Ausgänge dieser Spektrometer eine Differenzmessung möglich, um sofort eine Aussage über Abbrandunterschiede senkrecht zur Längsachse des Brennelementes zu erhalten. Auch sei nochmals darauf hingewiesen, daß der Einsatz dieser Einrichtung - wie bereits erwähnt - auch außerhalb des Brennelernentabklingbeckens vorgenommen werden kann.

3 Schutzaneprüche
3 Figuren

Claims (1)

1. - 8 - VPA 70/94H

   Neugefaßte · . y>:,.anspräche

   . Einrichtung zur zerstörungsfreien AbbrandbeStimmung von Kernreaktorbrennelementen mit Hilfe eines hochauflösenden Gammaspektrometers, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Führungskonstruktion für eine exakte Vorbeibewegung eines darin eingesetzten und über seine gesamte Länge zu untersuchenden Brennelementes mit einem seitlich derart angebauten Gammaspektrometer besteht, daß jeweils nur die Strahlung eines Eckbrennstabes des zu untersuchenden Brennelementes erfaßt wird.

   2. Einrichtung :iach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 mehrere seitlich angebaute Gammaspektrometer zur gleich-23itigen Erfassung mehrerer Eckbrennstäbe vorgesehen sind.

   5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Führungskonstruktion und Gammaspektrometer jeweils ein entsprechend gerichteter Gammastrahlungskollimator vorgesehen ist.