DE2016206A1 - Einrichtung zur zerstörungsfreien Ab brandbestimmung von Kernreaktorbrennele menten - Google Patents

Description

Einrichtung zur zerstörungsfreien Abbrandbestimmung von Kernreaktorbrennelementen _;

Sie vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur zer~ störungsfreien Abbrandbestimmung von Kernreaktorbrennelementen mit Hilfe eines hochauflösenden Gammastrahlungsspektrometer-s*

i)ie Feststellung des Abbrandes der in den Brennelementen von Kernreaktoren befindlichen Kernbrennstoffe ist für den wirtschaftlichen Betrieb von Kernkraftwerken von wesentlicher Bedeutung. Da in federn Reaktorsystem die Leistungsverteilung im Reaktorkern aus neutronenphysikalischen Gründen weder in horizontaler, noch in vertikaler Richtung homogen ISt₅ sondern "beträchtliche Gradienten aufweisen kann, wird das spaltbare Material innerhalb der Brennelemente ungleichmäßig ausgenützt^ der Abbrand desselben also unterschiedlich sein.. Zur Verricgemag dieser Kachteile - d.h. zu einer besseren Ausnutzung e-.?s Brennstoffes und damit Vergleichmäßigung des Abbrandes - ist es bekannt, einen £eil der weniger belasteten Brennelemente aus. den äußeren Zonen des Reaktorkernes gegen hooiibelastete Brennelemente aus der Zentralzone des Reaktorkernes auszutauschen. Dieter ÄHatausehvorgang läßt sich jedoch nur dann mit optimaler Wirkung durchführen, wenn es möglich, ist, die Abbrandverhältnisse äi>. äen gegeneinander auszutauschenden Brennelementen rasch und serstö'rungafrei festzustellen ο Die zerstörungsfrei® Abbrand,:»®-» Stimmung ist eelbstverständlich auch für jeae Brenaelameatp., dlts aus 'dem- Esaki orkern entfarnt wer-ösiij, -you grogsm int-src rs®.-

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Für die aerstörungsfreie Abbrandbestimmung sind schon verschiedene Möglichkeiten bekanntgeworden. 80 ist es grundsätzlich möglich, die während des Reaktorbetriebes vom Kühlmittel aus einem definierten Teil des Reaktorkernes transportierte Wärmemenge kalorimetrisch au messen. Diese Messung ist jedoch ungenau und ergibt nur Mittelwerte. Über den örtlichen Verlauf des Äbbrandes entlang der Brennelemente ergibt sie keinen Auf yc

In Laboruntersuchungen zur zerstörungsfreien Abbrandbestimmung von Brennst off proben bzw. einzelnen Brennstäben (sjäie Nuclear Materials Management, p.p. 829-849, Wien 1966 und Atomkernensrgie 14-63 (333-341) 1969) hat sich die Messung der ^ -Aktivität von geeignet ausgewählten Spaltprodukten mit einer hochauflösenden lithiumgedrifteten Germanium-Halbleiterdiode, die hen~0 in ;hc /V* -Spektroskopie iölfach Verwendung findet, gut l!i^v»v;j.;·.:;t, g? Ist aehr schv^icrig diese Methode auf eins susge-· dehnte Anuriiiing, wie sie ein Brennelement darstellt, das u.U. auü mehreren Hunöert Ein&elstärnjr* besteht, auszudehnen. Die inh.;r;o_fovne Äöa^andverteiluiig innerhalb eines Brennelementes, ver-Du;;ü;tt mit di.T unübersichtlioh-i: Absorption der /^ -Strahlung .irr- .i ibbiinuwj. und den verwiesenen Geometrieverhältnissen, lassen 'k.-ri'r,. ?ine Korrelation zi*vs»chen '¹W nach außen tretenden /ν· --Strahlung und dem mivtleren Abbrand des Brennelementes zu.

k.J.. ,er Ba3i3 dieser by^annten üviLmeth-jde mit einer hoa Ü^tiden ö^(Tji)-Halbleiterdiodft wvrie von BÜKER (3. Niürleonik 3--C ;51, 1957) eine aut^atisch arbe-lten-ie Anordnung zur Ab-

iig .^ron Br-ea-...3t.:-ffcugvln eines Xugelhaufenrr«aktors

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

In Anbetracht dieses Standes der Technik erhebt sich das.Bedürfnis nach einer Einrichtung für eine rasche und serstörungsfreie AbbrandbeStimmung von einzelnen Brennelementen, insbesondere hinsichtlich der Abbrandverteilung in Längsrichtung derselben. Die gewonnenen Daten würden eine direkte und optimale | Beeinflussung des Brenneiement-Umsetzplanes ermöglichen. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in Wandnähe innerhalb eines wassergefüllten Brennelementabklingbeckens eine Führungskonstruktion für eine exakte vertikale Vorbeibewegung eines darin eingesetzten und über seine ganze Länge zu untersuchenden Brennelementes an wenigstens einem Gammastrahlungsspektrometer vorgesehen ist, das hinter der Beckenwand im Anschluß an wenigstens einen diese durchdringenden und auf daa su untersuchende Brennelement gerichteten Gammastrahlungskollimator angeordnet ist. Zur weiteren meßtechnischen Verbesserung dieser Anordnung ist es zweckmäßig, zwischen der inneren Beek@nauskleidung, die die vordere Öffnung des Kollimators verdeckt₉ und der Pührungskonstruktion ein zum Kollimator koaxiales^wasser- | freies Rohr vorzusehen. Damit wird eine zusätzliche Strahlsaagsabsorption im Beckenwasser zwischen der Strahlungsquelle₉ also dem zu untersuchenden Brennelement und dem Kollimator vermieden.

Mit dieser Einrichtung ist es möglich, die Strahlung 'Brennstäbe abzutasten. Dies gilt insbesondere für Brennelemente mit rechteckigem Querschnitt, wie sie für wassergekühlte Ksrareaktoren üblich sind. Bei diesen ist es besonders einfach^ file Bckbrennstäbe der Brennelemente abzutasten bzw. die Strahlung

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benachbarter Brennstäbe auszuschalten. Für die Untersuchung derartiger Brennelemente ist es zweckmäßig, daß die Seitenflächen derselben in einem Winkel von 45° zur Kollimatorachse verlaufen und die Kollimatorachse auf einen Eckbrennstab des Brennelementes gerichtet ist. In solchen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, swei Meßeinrichtungen, bestehend aus Strahlungekollimator und Strahlungsspektrometer einzusetzen und damit gleichzeitig zwei diagonal gegenüberliegende Eckbrennstäbe abzutasten. Aus der so gewonnenen Kenntnis der Abbrandverteilung in einzeln Brennatäben kann zuverlässig auf die entsprechenden Verhältnisse im ganzen Brennelement geschlossen werden.

Zur näheren Erläuterung dieser Einrichtung zur Abbrandbestimmung von Kernreaktorbrennelementen wird auf ein in den Figuren 1 bis 3 dargestelltes Ausführungsbeispiel verwiesen. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Abklingbecken einer Kernreaktoranlage mit der darin eingebauten erfindungsgemäßen Einrichtung. Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die eigentliche Meßeinrichtung, bestehend aus Gammastrahlungsspektrometer und Kollimator und Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch diese Anordnung in Höhe des Kollimators, entsprechend der Linie III-III in Fig. 1, wobei dia gleichzeitige Abtastung von 4 diagonal gegenüberliegende Sckbrennstäbm eines quadratischen Brennelementes dargestellt ist.

Das in Fig. 1 im Längsschnitt 'dargestellte Brennelementabklingbecken 1 ist :sit Wasser gefüllt und befindet sich in nächster Nähe des eigentlichen Kernreaktors. Die aus dem Kernreaktor entnommenen Brennelemente können mit der Lademaschine über dieses Becken gsfahren und in einem Brennelemsntgestell am Grunde desselben abgesetzt werden. Erst nach dem Abklingen

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der kurzlebigen Nuklide werden 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 erfindungsgemäßen Einrichtung auf ihren Abbrandzustand unter— .sucht und dementsprechend wieder in andere Brennelementpositionen im Reaktorkern eingesetzt.

Diese Einrichtung besteht zunächst aus einer Führungskonstruktion 31 am Grunde des Abklingbeckens 1 von praktisch gleicher " Höhe wie des Brennelementgestell, das aua Übersichtlichkeitsgründen hier nic'ht dargestellt ist. Die Lademaschine oder ein anderes für die Vorbeibewegung der zu untersuchenden Brenne elemente an der eigentlichen Meßeinrichtung geeignetes Geräfe ist mit 7 bezeichnet. In der Höhe des oberen Endes der Führungs·= konstruktion 31 ist die benachbarte Beckenwand 11 durchbohrt und an dieser Stelle mit einem Kollimator 2 versehen. Die ieiiss dieses Kollimators ist genau auf das in der Fü^rungskonstraction 31 befindliche Brennelement, spezieller auf den aus die reis ausgewählten Brennstab gerichtet. Zur Einstellung der Sollste des auszumessenden Brennstabes kann die Führungskonstrukixon iß den dazu hotwendigen Grenzen justiert werden. Damit die -.m λ Gammaspektrometer 4 auszumessende Strahlung nicht durch dit fasserschicht im Abklingbaken infolge Absorption geschwäch*; wird die Strahlung innerhalb des Beekenraumes in einem gesok ^snen wasserfreien Rohr 21 geführt. Dieses ist zweckmäßigem--%'eise mit der Führungekonstruktion 31 starr verbunden. Dami^ erübrigt sich eine Verbindung- mit- des-Auskleidung 12 des Al>älingbeekens 1 _g di® aß dieser Stelle saoh- ä,&n Strelil«snk&aa?. Isllimetors 2 überfeafet«, Wie in -Figo 2 &&β©σ- dargestellt ±l \-, iat der" Steahlenkaiaai ia seinem- Querectoiti; cmroh Blsndea 2d<,

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24 unci .;;> aus Blei nach Breite und Höhe einstellbar. Der Einst eliaeohaniaaus 27 und 28 ist durch die rückwärtige Abschirmung b nach außen geführt. In dem hier dargestellten Beispiel sind oie Blenden 22 und 25 fest eingestellt und haben beispielsweise eine L&uulöffnung von 25 x 45 mm. Die dazwischenliegenden Blenden P5 und 24 sind dagegen durch die genannten Einrichtungen \exateilbar, z.B. zwischen 0 und 40 bzw. O und 20 ma. Zwischen den Blenden 23 und 24 13t eine starre Blende 26 aus Plexiglas für die Abschirmung ei.aer eventuell vorhandenen /^-Strahlung vorgesehen. V/ie in.der Zeichnung dargestellt, ist dieser rohrförmige Kollimator ntarr in der Bohrung der Bakenwendung Π befestigt, in dieser z.B. einbetoniert. Auf der dem Bi.ckeniaiiiä abgewandten Seite befindet sich die Ge (Li)-Di ode 4 mit ihren Versorgungseinrichtungen, wie z.B. dem Vorratsbehälter für flüssigen Stinkstoff 41, sowie die nicht dargestellte.·« lOiieügetterpumpen mit .Spannungsversorgung, der ladungse^c^j Indische Vorverstärker und die anderen elektrischen Einriß Ui r^j.;.. die in ihrer Qest^thcLx erst die eigentliche Spektro at'eranordnung bilden. Der Aufbau einer solchen ist jedoch 'llrrs.i i£r Technik und %xrd üah^r hier nicht näher beschrieben. Jv._: . licr..er dargesteil^:.*e und gewählte Sinetellmöglichkeit cK :■■ K.oiliaators 2 kann em tft^a reproduzierbares Volumen aus :"f.3>. TiiS£Ui26Ssenden Brenr^tab ctranlungamäßig erfaßt werden, sy-Harden wird durch die ibschirRungen dafür gesorgt, daß auf c: r becücrurngsseite des Kollimt+ors keine unzulässig hohen :.:!w.ä:^. ηLi)Iastungen cuftrste- l:önner. Wie oere.ts erahnt, ist

bei Brenneieiaenten ?

tig ?5wei Eckbr ^ns -*-.ngi>konfltruk tion'j· '.η

ϊ rechteckigem Querschnitt .O b?,w. bei Anordnung der B<ke <Ien Bronne.! ementebkling-Ur TSnVhrennstäbe 30 auszusBass :j

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6 Patentansprüche
3 !Figuren

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siehe Fig. 3. Selbstverständlich ist es auch möglich«, die Kollimatoren 2 nicht parallel zueinander, wie .in Fig. 3 dargestellt, sondern auch schräg auf die anzumessenden Brenastäbe 30 zu richten, wenn dies aus räumlichen Gründen notwendig sein sollte. In dieser Fig, ist außerdem deutlich der Querschnitt der Führungskonstruktion 31 zu sehen, an die die vier Eolire angeschweißt 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 Abklingbscken beispielsweise eine Tiefe von 11m besitzt, bei einer Dicke der Außenwände 11 von 1,8 m. Der Kollimator 2, dessen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 20 cm liegt, hat dann ein© entsprechende Länge von 1,8 in,

Abschließend sei erwähnt, daß bei gleichzeitigem Einsatz zweier oder mehrerer Spektrometeranordnungen, die nicht auf die ¥erwendung von Ge(Li)-Dioden beschränkt sein müssen, nicht nur eine gleichzeitige Ausmessung verschieden im Brennelement auge- M ordneter Brennstäbe möglich ist, vielmehr ist auch durch &eg@n~ einanderschaltung der Ausgänge dieser Spektrometer eine Differenzmessung möglich, um sofort eine Aussage über Abbrandunterschiede senkrecht zur Längsachse des Brennelementes zu erhalten.

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Claims (6)

1. 7?λ 7Ο/94Η

   - 8 Patentansprüche

   • ■ ή Einrichtung zur zerstörungsfreien AbbrandbeStimmung von Kernreaktor brenn 9 leine nt en mit Hilfe eines hochauflösenden Gammaapektrometera, dadurch gekennzeichnet, daß in Wandnähe innerhalb eines wassergefüllten Brennelementabklingbeclcens (i)eine Führungskonstruktion (31) für eine exakte vertikale Vorbeibewegung sines darin eingesetzten und über seine gesamte Länge zn untersuchenden Brennelementes (3) an wenigstens einem xammastrahlungsspektrometer (4) vorgesehen ist, das hinter der Beckenwand im Anschluß an wenigstens einem diese durchdringenden und auf das zu untersuchende Brennelement gerichteten Gammaatrahlungakollimator (2) angeordnet ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der inneren Beckenauskleidung (12) und der Pührungakonstruktion (31) ein zum Kollimator (2) koaxiales wasserfreies Rohr (21) zur Vermeidung einer Strahlungsabsorption im Beckenwasser vorgesehen ist.
3. 3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskonstruktion (31) für Brennelemente mit rechteckigem Querschnitt so angeordnet ist, daß die Seitenflächen derselben in einem Winkel von 45° zur Kollimatorachse verlaufen und die Kollimatorachse auf einen Eckbrennstab das Brennelementes gerichtet ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß zwei Strahlangakolliiaatoren (2} aowie in Verlängerung der Achsen derselben je ein wasserfreies Rohr (21) vorgesehen und auf je einen Eckbrennatab (30 des Brennelementes (3) gerichtet

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5. 5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekernt zeichnet, daß die Brennelementlademaschine (7) bzw. ein anderes fernbedienbares Hubwerkzeug für die vertikale Bewegung des zu überprüfenden Brennelementes (3) vorgesehen ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS im Gammaspektrometer eine lithiumgedriftete Germaniumdiode Verwendung findet. "