DE2016206B2 - Einrichtung zur zerstoerungsfreien abbrandbestimmung von kernreaktorbrennelementen - Google Patents

Description

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ifjAustauschvorppiirhäler Wirkung vAbbrandverhält-Brennele-

\j. festzustellen. Die ist selbstver-

'öf\ großem Interesse.

geworden.

So ist es grundsätzlich möglich, die während des Reaktorbetriebes vom Kühlmittel aus einem difinierten Teil des Reaktorkernes transportierte Wärmemenge kalorimetrisch zu messen. Diese Messung ist jedoch

daß die Seitenflächen der Brennelemente in einem 25 ungenau und ergibt nur Mitte werte Über den örtlichen

Verlauf des Abbrandes entlang der Rreonelemente ergibt sie keirwn Aufschluß.

In Laboruntersuchungen zur zerstörungsfreien Abbrandbestimmung von Brennstoffproben bzw. einzelnen

Spektrometer, zur gleichzeitigen Abbrandbestim- 30 Brennelementen (siehe Nuclear Materials Management.

S. 829 bis 849. Wien 1966 und Atomkernenergie 14 bis 63. S. 333 bis 341 1969) hat sich die Messung der y-Aktivität von geeignet ausgewählten Spaitprodukten mit einer hochauflösenden lithiumgedrifteten Germani-

Winkel von 45° zur Kollimatorachse stehen.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßeinrichtungen, bestehend jeweils aus Kollimator und

mung an mehreren Eckbrennstäben eines Brennelementes vorgesehen sind.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskonstruk( d lbklibk

tion (31) in einer Ecke des Brennelementabklingbek- 35 um-Halbleiterdiode, die heute in der y-Spektroskopie

vielfach Verwendung findet, gut bewährt. Es ist sehr schwierig, diese Methode auf eine ausgedehnte Anordnung, wie sie ein Brennelement darstellt, das u. U. aus mehreren hundert Einzelstäben besteht, auszudehnen.

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kens (1) so angebracht ist, daß die Seitenflächen eines eingesetzten rechtwinkeligen Brennelementes (3) in einem Winkel von 45° zu den Beckenwänden (I I) stehen und daß zur gleichzeitigen Abmessung d l jd

der vier Eckbrennstäbe des Brennelementes an jeder 40 Die inhomogene Abbrandverteilung innerhalb eines der dort aneinandergrenzenden Beckenwände zwei
parallel zueinander angeordnete Meßeinrichtungen
vorgesehen sind (F i g. 3).
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

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Absorption der y-Strahlung im Stabbündel und den verwickelten Geometrieverhältnissen, lassen kaum eine Korrelation zwischen der nach außen tretenden

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der inneren 45 y-Strahlung und dem mittleren Abbrand des Brennele-Beckenauskleidung (12) und der Führungskonstruk- mentes zu. Zur Ermittlung der Abbrandverteilung tion (31) je ein zu einem Kollimator (2) koaxiales wurden die Brennelemente in axialer Richtung und quer wasserfreies Rohr(21) vorgesehen ist. dazu abgetastet. Wie in Fig. 11 der erstgenannten

Literaturstelle dargestellt, wurden große Aktivitätsän-

5° derungen wegen der unterschiedlich erfaßten Strahlung

von Teilen des Brennelementes festgestellt, so daß kein eindeutiger Rückschluß auf die tatsächlichen Abbrandverhältnisse möglich ist.

Auf der Basis dieser bekannten Meßmethode mit einer hochauflösenden Ge(Li)-Halbleiterdiode wurde von Büker (s. NukSeonik 9 346 bis 351, 1967) eine automatisch arbeitende Anordnung zur Abbrandbestimmung von Brennstoffkugeln eines Kugelhaufenreaktors entwickelt, 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 Technik stellt sich &5 das Bedrüfnis nach einer Einrichtung für eine rasche und zerstörungsfreie Abb^randbestimmung von einzelnen aus Brennstäben bestehenden Brennelementen, insbesondere hinsichtlich der Abbrandverteilung in Längs-

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Abbrandbestimmung von aus einer Vielzahl von Brennstäben bestehenden Kernreaktörbrennelementen, vorzugsweise rechteckigen Querschnitts, mit Hilfe eines die Strahlung von Teilen des Brennelementes erfassenden hochauflösenden Gammaspektrometer, bei der das zu untersuchende Brennelement im Inneren eines Brennelementabklingbeekens angeordnet ist und die Meßeinrichtung aus einem Kollimator innerhalb und einem Spektrometer außerhalb der Beckenwandung besteht.

Die Feststellung des Abbrandes, der in den Brennelementen von Kernreaktoren befindlichen Kernbrennstoffe ist für den wirtschaftlichen Betrieb von Kernkraftwerken von wesentlicher Bedeutung. Da in jedem Reaktorsystem die Leistungsverteilung im Reaktorkern aus neutronenDhvsikalischen Gründen weder in hori-

richtung derselben. Mit einer solchen Einrichtung sollten Me§ergebnisse erzielbar sein, die direkt und .eindeutig dein jeweiligen Meßort zuzuordnen sind und nicht-.durch Strahlungen aus benachbarten Bereichen des Brennelementes verfälscht sind und damit mißdeu-,te*' werden körinten. Die gewonnenen Daten würden dann eine direkte und optimale Beeinflussung des Brennelementumsatzpianes ermöglichen und somit die Wirtschaftlichkeit eines Kernkraftwerkbetriebes günstig beeinflussen. - Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das über seine-gesamte Länge zu untersuchende Brennelement in seiner Längsrichtung vertikal innerhalb einer Führungskonstruktion an der Meßeinrich tung vorbei bewegbar ist und daß der Kollimator der Meßeinrichtung so eingestellt und ausgerichtet ist, daß er nur die Strahlung jeweils eines Eckbrennstabes, aufnimmt. Es ist dabei zweckmäßig, die Führungskon- stmktioa in einer Ecke des Brennelementabklingbekkens so anzubringen, daß die Seitenflächen eines eingesetzten rechtwinkeligen Brennelementes in einen Winkel von 45° zu den Beckenwänden stehen und zur gleichzeitigen Ausmessung der vier Eckbrennstäbe dieses Brennelementes an jeder der dort aneinander grenzenden Beckenwände zwei parallel zueinander angeordnete Meßeinrichtungen vorzusehen. Zur weiteren meßtechnischen Verbesserung dieser einfachen bzw. vierfachen Anordnung der Meßeinrichtung ist es zweckmäßig, zwischen der inneren Beckenauskleidung, die die vordere öffnung des Kollimators verdeckt, und der Führungskonstruktion in an sich bekannter Weise je ein zu einem Kollimator koaxiales, wasserfreies Rohr vorzusehen. Damit wird, wie bekannt, eine zusätzliche Strahlungsabsorption im Beckenwasser zwischen der Strahlungsquelle, also dem zu untersuchenden Brennelement, bzw. einem Einzelbrennstab desselben und dem jeweiligen Kollimator vermieden.

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. Bsi diesen ist es besonders einfach, die Eckbrennstäbe der Brennelemente abzutasten bzw. die Strahlung 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, zwei Meßeinrichtungen, bestehend aus Strahlungskollimator und Strahlungsspektrometer einzusetzen und damit gleichzeitig zwei diagonal gegenüberliegende Eckbrennstäbe abzutasten. Aus der so gewonnenen Kenntnis der Abbrandverteilung in einzelnen Brennstäben 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 F i g. 1 bis 3 dargestelltes Ausführungsbeispiel verwiesen.

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Abklingbekken einer Kernreaktoranlage mit der darin eingebauten erfindungsgemäßen Einrichtung. F i g. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die eigentliche Meßeinrichtung, bestehend aus Gammastrahlungsspektrometer und Kollimator und Fig.3 zeigt einen Querschnitt durch diese Anordnung in Höhe des Kollimators, entsprechend der Linie III-III in Fig. 1, wobei die gleichzeitige Abtastung von vier diagonal gegenüberlie genden Eckbrennstäben eines quadratischen Brennelementes 3, dessen Brennstäbe mit 30 bezeichnet sind, dargestellt ist

Das in Fig, 1 im Längsschnitt dargestellte Brennelementabklingbecken 1 ist mit Wasser gefüllt und befindet sich in nächster Nähe des eigentlichen Kernreaktors. Die aus dem Kernreaktor entnommenen Brennelemen te können mit der Lademaschine über dieses Becken gefahren und in einem Brennelementgestell am Grand desselben abgesetzt werden. Erst nach dem Abklingen 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 untersucht und dementsprechend wieder in andere Brennelementpositionen im Reaktorkern eingesetzt

Diese Einrichtung besteht zunächst aus einer Führungskonstruktion 31 am Grunde des Abklingbekkens 1 von praktisch gleicher Höhe wie das Brennelementgestell, das aus Übersichtlichkeitsgründen hier nicht dargestellt ist. Die Lademaschine oder ein anderes für die Vorbeibewegung der zu untersuchenden Brennelemente an der eigentlichen Meßeinrichtung geeignetes Gerät ist mit 7 bezeichnet. In der Höhe des oberen Endes der Führungskonstruktion 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 der Führungskonstruktion 31 befindliche Brennelement und zwar auf einen aus diesem ausgewählten Eckbrennstab gerichtet. Zur Einstellung der Sollage des auszumessenden Brennstabes kann die Führungskonstruktion in den dazu notwendigen Grenzen justiert werden. Damit die im Gammaspektrometer auszumessende Strahlung nicht durch die Wasserschicht im Abklingbecken infolge Absorption geschwächt wird, wird die Strahlung innerhalb des Beckenraumes in einem geschlossenen wasserfreien Rohr 21 geführt. Dieses ist zweckmäßigerweise mit der Führungskonstruktion 31 starr verbunden. Damit erübrigt sich eine Verbindung mit der Auskleidung 12 des Abklingbeckens 1, die an dieser Stelle auch den Strahlenkanal des Kollimators 2 überdeckt. Wie in F i g. 2 näher dargestellt ist, ist der Strahlenkanal in seinem Querschnitt durch Blenden 22,23,24 und 25 aus Blei nach Breite und Höhe einstellbar. Der Einstellmechanismus 27 und 28 ist durch die rückwärtige Anschirmung 5 nach außen geführt In dem hier dargestellten Beispiel sind die Blenden 22 und 25 fest eingestellt und haben beispielsweise eine Kanalöffnung von 25 χ 45 mm Die dazwischenliegenden Blenden 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 ist eine starre Blende 26 aus Plexiglas für die Abschirmung einer eventuell vorhandenen jS-Strahlung vorgesehen. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist dieser rohrförmige Kollimator s.arr in der Bohrung der Beckenwandung 11 befestigt, in dieser z. B. einbetoniert. Auf der dem Beckenraum abgewandten Seite befindet sich im Raum 6 die Ge(Li)-Diode 4 mit ihren Versorgungseinrichtungen, wie z. B. dem Vorratsbehälter für flüssigen Stickstoff 41, sowie die nicht dargestellten lonengetterpumpen mit Spannungsversorgung, der ladungsempfindliche Vorverstärker und die anderen elektrischen Einrichtungen, die in ihrer Gesamtheit erst die eigentliche Spektro-

meteranordnung bilden. Der Aufbau einer solchen ist jedoch Stand der Technik und wird daher hier nicht näher beschrieben. Durch die hier dargestellte und gewählte Einstellmöglichkeit des Kollimators 2 kann ein stets reproduzierbares Volumen aus dem auszumessenden Eckbrennstab 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 bzw. bei Anordnung der Führungskonstruktion 31 in einer Ecke des Brennelementabklingbeckens sogar gleichzeitig alle vier Eckbrennstäbe auszumessen, siehe F i g. 3. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kollimatoren 2 nicht parallel zueinander, wie in Fig.3 dargestellt, sondern auch schräg auf die anzumessenden Eckbrennstäbe zu richten, wenn dies aus räumlichen Gründen notwendig sein sollte. In dieser Figur ist außerdem deutlich der Querschnitt der Führungskonstruktion 31 zu sehen, an

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die die vier Rohre 21 angeschweißt sind. Die innere Auskleidung des Abklingbeckens ist mit 12 bezeichnet und wird von diesen Rohren 21 nicht berührt.

Zur nähereren Veranschaulichung der Größenabmessungen der hier beschriebenen Anlagen sei erwähnt, daß das Abklingbecken beispielsweise eine Tiefe von 11 m 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 eine entsprechende Länge von 1,8 m.

Abschließend sei erwähnt, daß bei gleichzeiiigcm Einsatz zweier oder mehrerer Spektrometeranordnungen, die nicht auf die Verwendung von Ge(Li)-Diodcn beschränkt sein müssen, nicht nur eine gleichzeitige Ausmessung verschieden im Brennelement angeordneter Eckbrennstäbe möglich ist, vielmehr ist auch durch Gegeneinanderschaltung der Ausgänge dieser Spektrometer eine Differenzmessung möglich, um soforl eine Aussage über Abbrandunterschiede senkrechi; zur Längsachse des Brennelementes zu erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

1. homogen ist, h kann,wird Brennelemente desselben also

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   eingestellt und ausgerichtet ist. daß er nur die Strahlung jeweils eines Eckbrennstabes aufnimmt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle rechteckiger Brennelemente (3) die Führungskonstruktion (31) so angeordnet ist,

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   Brennstoffes