DE2258727A1

DE2258727A1 - Verfahren fuer das zonenweise umsetzen von kernreaktorbrennelementen

Info

Publication number: DE2258727A1
Application number: DE19722258727
Authority: DE
Inventors: Rolf Drossel; Guenther Dipl-Phys Kaspar; Herbert Neidl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-11-30
Filing date: 1972-11-30
Publication date: 1974-06-06
Also published as: FR2209174A1; IT1001957B; NL7313663A; SE418428B; FR2209174B1; GB1448250A; US4072559A; CH567324A5; BE807732A; JPS4986789A

Description

Verfahren für das zonenweise Umsetzen von Kernreaktorbrenne lementen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für das zonenweise Umsetzen der Brennelemente eines Kernreaktors sowie die Überprüfung dieser Brennelemente auf während des Betriebes eingetretene Hüllrohrdefe'kte.

Das Umsetzen der Brennelemente eines Kernreaktors nach festgelegten Betriebsperioden ist notwendig, da diese je nach ihrer Lage im Reaktorkern unterschiedlich abgebrannt oder verbraucht sind. Die zunächst in der Zentralzone des Reaktors befindlichen Brennelemente sind dem stärksten Neutronenfluß ausgesetzt, daher am ehesten abgebrannt und werden normalerweise zuerst dem Reaktorkern entnommen und z.B. einer Wiederaufbereitung zugeführt. Die in ringförmigen Zonen um diese Zentralzone herum angeordneten Brennelemente werden dann dort eingesetzt und die freiwerdenden äußeren Brennelementpositionen mit neuen Brennelementen bestückt. Selbstverständlich dürfen nur intakte Brennelemente zur weiteren Verwendung in den Reaktorkern ein- bzw, umgesetzt werden* Ss ist daher^notwendig und üblich, sämtliche umzusetäsenden Kernbrennelemente vor ihrem Wiedereinsetzen in den Reaktorkern auf vorhandene Hüllrohrdefekte zu überprüfen.

Das bisher üblic&e umsetzverfahren bestand insbesondere bei Druckwasserreaktoren darin» zunächst sämtliche Brennelemente aus dem Reaktorkern herauszunehmen, im Brennelernentlagerbecken abzusetzen und nacheinander einzeln zu überprüfen» wie es z*B»

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in der deutschen Patentschrift 1 248 822 vorgeschlagen wird. Nachdem alle Brennelemente aus dem Lagerbecken überprüft und entsprechend aussortiert waren - die defekten Brennelemente werden ausgeschieden - wurden die übrigen wieder dem Lagergestell im Lagerbecken entnommen und nach einem bereits vorher ausgearbeiteten plan wieder auf neuen Positionen in den Reaktorkern eingesetzt. Bei einem Kernreaktor mittlerer Größe, wie z.B. dem Kernkraftwerk Obrigheim, ist für diesen Arbeitsgang ein Zeitbedarf von etwa 4 - 5 Tagen anzusetzen.

Da jeder Stillstandatag in Anbetracht der ausfallenden Stromlieferung für ein Kernkraftwerk mit großen finanziellen Verlusten verbunden ist, entstand das dringende Bedürfnis nach einer wesentlichen Abkürzung des Umsetzverfahrens, das natürlich auch mit einer spürbaren Vereinfachung desselben verbunden sein sollte.

Das entsprechend dieser Aufgabe verbesserte Umsetzverfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß von den umzusetzenden Brennelementen nacheinander jeweils ein einzelnes Brennelement aus seiner bisherigen Position im Reaktorkern entnommen, sofort auf Hüllrohrdefekte überprüft und anschließend entsprechend dem Ergebnis dieser prüfung in seine neue Position im Reaktorkern eingesetzt bzw. ausgeschieden wird. Ein zwischenzeitliches Absetzen der Brennelemente im Brennelementlagerbecken vor und nach dem Prüfvorgang findet also nicht mehr statt, was gegenüber dem bisherigen Zeitbedarf eine Ersparnis von etwa 2 Tagen erbringt. Dei* Bewegungsweg jedes Brennelementes bei dem neuen Umsetzverfahren besteht also lediglich darin, daß das Brennelement mit Hilfe der Lademaschine aus dem Reaktorkern gezogen wird, anschließend in die prüfvorrichtung eingesetzt und nach Ablauf der prüfung aus dieser Vorrichtung wieder entnommen und sofort wieder an die neue Position im Reaktorkern eingesetzt wird. Diese Vereinfachung in der Handhabung des Brennelementtransportes

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ist selbstverständlich auch mit einer ganz wesentlichen Verringerung des Auftretens von Störerscheinungen verbunden. Daraus ergibt sich also auch ein großer Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit.

Zur näheren Erläuterung dieses neuen "Ums etzve rf ahrens sei· anhand der Fig. 1 bis 3 das Beispiel eines Leichtwasserreaktors gewählt. Selbstverständlich läßt sich dieses neue Verfahren auch für andere Kernreaktorkonzepte, wie z.B. auch gasgekühlte Kernreaktoren, in entsprechender Abwandlung anwenden. Die Fig. 1 und 2 zeigen in einer Draufsicht sowie in einem Vertikalschnitt die Anordnung von Kernreaktor- und Brennelementlagerbecken eines leichtwassergekühlten Kernreaktors. Die Pig. 3 zeigt den schematischen Aufbau der Brennelementprüfeinrichtung, die in diesem Beispiel im bzw. am Brennelementlagerbecken selbst angeordnet ist.

In diesem Beispiel befindet sich innerhalb der Reaktorgrube der Reaktorkern 5, der in einem Druckgefäß 4 eingebaut ist. Dicht daneben ist das Brennelementlager- oder Abklingbecken angeordnet und durch eine Schleuse 3 für die Überführung der Brennelemente - unter Wasser - mit der Reaktorgrube 1 verbunden. Während des Brennelementwechsels ist nämlich nicht nur das Lagerbecken 2, sondern auch die Reaktorgrube mit Wasser gefüllt. Der Deckel des Druckgefäßes 4 ist abgenommen, so daß der Reaktorkern 5 mit den darin befindlichen Brennelementen 51 für den Zugriff der nicht dargestellten Lademaschine bereitsteht. Im Brennelementlagerbecken 2 ist das· Brennelementlagergestell 6 angeordnet, das die Aufnahme sämtlicher Brennelemente einer Kernladung ermöglicht, allerdings in einer solchen räumlichen Anordnung, daß das Auftreten eines kritischen Zustandes mit Sicherheit vermieden wird. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im Brennelementlagerbecken 2 zwei Prüfkammern 7 angeordnet, die über noch zu beschreibende Rohrleitungen mit der oberhalb des

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Lagerbeckens eingerichteten Meßeinrichtung 1O verbunden sind. Da Kernreaktoranlagen in dieser Art bereits mehrfach gebaut worden sind, kann auf eine nähere Beschreibung der Dimensionierung der dargestellten Einrichtungen verzichtet werden. Es wurde jedoch versucht, die gegenseitigen Relationen der einzelnen Abmessungen in den Fig. 1 und 2 einigermaßen zutreffend darzustellen. Es sei lediglich erwähnt, daß die Länge eines Brennelementes beispielsweise in der Größenordnung von 4 m liegt. Sein Querschnitt kann quadratisch sein, die Seitenlänge etwa 20 cm betragen. Beim neuen Brennelementwechselverfahren wird also jeweils ein Brennelement 51 aus dem Reaktorkern 5 entnommen, mit Hilfe der Lademaschine unter Wasser durch die Schleuse 3 in das Abklingbecken 2 transportiert und dort in einer Prüfkammer 7 abgesetzt. Nach Durchführung des noch zu beschreibenden Meßvorganges wird dieses Brennelement, von dem nunmehr sofort bekannt ist, ob es defekt ist oder nicht, wieder mit Hilfe der Lademaschine aus der Prüfkammer 7 herausgehoben und sofern es noch in Ordnung ist, wieder in die Reaktorgrube 1 transportiert und an die vorgesehene neue Position im Reaktorkern 5 eingesetzt.

Die Pig. 3 zeigt nun schematisch die zur Durchführung dieses Verfahrens benötigte Prüfvorrichtung. Im Brennelementlagerbecken sind in diesem Beispiel nebeneinander zwei Prüfkammern 7 angeordnet, selbstverständlich könnten es auch mehrere sein. In diesen befindet sich je ein Brennelement 51. Die mehrfache Anordnung derartiger Prüfkammern ist sinnvoll, da dadurch die Prüfung des nächsten Brennelementes bereits während der Transportzeit des bereits ausgemessenen stattfinden kann und somit die Gesamtdauer des Brennelementumsetzvorganges weiter verringert werden kann. Die prüfkammer 7 ist mit einem glockenförmigen Deckel 71 versehen, der durch eine nicht dargestellte Pernbedienungseinrichtung auf- und abgesetzt werden kann. Die Prüfkammern 7 sind auf ihrer Bodenseite mit dem Lagerbeckenwasser verbunden, so daß beim Abpumpen des Prüfkammerwassers zur Meßeinrichtung sofort neues Wasser nach-

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strömen kann. Während des Aufheizens allerdings muß eine Strömung innerhalb der prüfkammer unterbleiben» Zu diesem Zweck wird über die leitungen 72 und 73 sowie die Ventile 81, 82 und 85 Druckluft in den aufgesetzten Deckel 71 eingelassen, so daß sich in der Prüfkammer ein Lüftpolster oberhalb der darin eingesetzten Brennelemente bildet. Infolge der Nachzerfallsleistung des eingesetzten Brennelementes 51 erwärmt sich das Wasser innerhalb der Prüfkammer. Sollten einige Brennstäbe des Brennelementes defekt sein, werden dabei im erhöhten Maße radioaktive Spaltprodukte in das Kammerwasser austreten. Dieser Aufheizvorgang benötigt etwa eine Zeit von 2o Minuten. Anschließend wird das Luftpolster, indem sich nunmehr auch radioaktive Gase wie Xejion und Krypton befinden können, über die Leitungen 72 und 78 sowie die Ventile 83 und 84 in eine nicht dargestellte Gassammeieinrichtung, wie sie bei jeder Kernreaktoranlage sowieso vorhanden ist, abgeführt. Daraufhin wird durch Öffnen des ventiles 94 in dem Rohrsystem 75, .91 und 98 das Wasser aus der prüf kammer mit Hilfe der Wasserstrahlpumpe 96 abgesaugt. Diese Pumpe befindet sich nach diesem Beispiel im Beckenwasserkühlkreislauf, der bei jeder Kernreaktoranlage ebenfalls zum Stand der Technik gehört. (Selbstverständlich könnte hierfür auch ein eigener Kreislauf vorgesehen sein)» Damit wird das Wasser aus der Prüfkammer durch den Meßbehälter 9 als einem Teil dieses Rohrsystems hindurchgeführt. Der Meßbehälter befindet sich zusammen mit dem Gammadetektor Io, beispielsweise einem Germanium (Li)-Detektor - innerhalb der Bleiabschirmung 11. Diese ist notwendig, da die TTmgebungsstrahlung die Messung verfälschen, wenn .nicht unter umständen sogar unmöglich machen könnte. Die Durchführung der Messung kann während des Durchströmens des Prüfkammerwasservolumens erfolgen, es ist jedoch auch möglich, die strömung durch Betätigen entsprechender Ventile für die Zeitdauer der Messung anzuhalten. Die Durchführung solcher Messungen ist an und für-sieh bekänÄt,-siehe -ä-.B» die deutsche öffenleguagssehrift 2 037 796· Irgänaend sei erwähnt,

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daß sich innerhalb der Bleiabachinnung 11 außerdem noch der Kryostat 100 zur Kühlung des Detektors 10 mit flüssigem Stickstoff befindet. Außerhalb der Abschirmung befinden sich, mit 12 schematisch angedeutet, Verstärker und Analysatorsowie Auswertegeräte, an denen das Betriebspersonal sofort und ohne jede Zeitverzögerung ablesen kann, ob das ausgemessene Brennelement in Ordnung ist oder nicht.

Bei der Gestaltung des Meßbehälters 9 muß selbstverständlich dafür Sorge getragen werden, daß sich insbesondere radioaktive Korrosionsprodukte nicht absetzen und damit spätere Messungen verfälschen können. Aus diesem Grund ist die Innenwandung dieses Meßbehälters möglichst glatt poliert, außerdem sind Reinigungseinrichtungen 93 beispielsweise in Gestalt einer drehbaren Bürste vorgesehen, mit deren Hilfe eine Dekontamination dieses Raumes vorgenommen werden kann. Wie in der Figur dargestellt, ist der Meßbehälter 9 an die Zuführungsleitung 92 und die Abführungsleitung 91 angeschlossen. Außerdem ist eine Leitung 92 vorgesehen, die der Absaugung eines evtl. im Meßbehälter 9 entstehende Luftpolsters durch freiwerdende gelöste Gase dient. Zur Reinigung des Meßbehälters ist weiterhin eine Spüleinrichtung vorgesehen, die aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter für Deionat sowie der Leitung und dem Ventil 99 besteht. Dieses Wasser, das unter einem Druck von 6 atü steht, strömt nach öffnung des Ventils 99 durch den Meßbehälter 9 und über das Ventil 95 zurück zum Beckenwasser. Damit ist nach der Bürstenreinigung eine Spülung des Meßbehälters und eine praktisch 100 #ige Dekonta^ mination desselben möglich. Zur Entlüftung der gesamten Anlage iet die Leitung 77 mit dem zugehörigen Ventil vorgesehen.

Wie bereits erwähnt, ist für das Aufheizen des jeweiligen Brennelementes 51 in der prüfkammer 7 eine Zeit von etwa 20 Minuten erforderlich. Die Messung selbst mit Hilfe des Detektors 10 benötigt dabei nur eine Zeit von etwa 100 bis 200 aek. Das Meßergebnis kann am Auswertegerät 12 z.B. mit

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Hilfe eines Analogsichtgerätes aus der Kurvenform des Analysators sofort abgelesen werden» Sobald die Spitzen für ' bestimmte Radioisotope/wie z„B. Jod 131, Caesium 134 und Caesium 137, eine bestimmte Höhe überschreiten, ist mit Sicherheit auf ein defektes Brennelement zu schließen. Die Ergebnisse dieser Messung, können selbstverständlich auch · ausgedruckt werden, wofür zusätzlich nur etwa 50 sek·. benötigt werden.

Der hier dargestellte Aufbau kann selbstverständlich ent- ,_t sprechend den jeweiligen Bedürfnissen und Raumverhältnissen ., in entsprechender Weise abgewandelt werden, ohne von dem vorliegenden Erfindungsprinzip abzuweichen.

8 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

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Pa t e nt ans prüc he

\1 .^Verfahren für das zonenweise Umsetzen der Brennelemente eines Kernreaktors sowie die Überprüfung dieser Brennelemente auf während des Betriebes eingetretene Hüllrohrdefekte, dadurch gekennzeichnet, daß von den umzusetzenden Brennelementen nacheinander jeweils ein einzelnes Brennelement aus seiner bisherigen Position im Reaktorkern entnommen, sofort auf Hüllrohrdefekte überprüft und anschließend entsprechend dem Ergebnis dieser Prüfung in seine neue Position im Reaktorkern eingesetzt bzw. ausgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überprüfung auf Hüllrohrdefekte jedes Brennelement in eine der Form der Brennelemente angepaßte, mit flüssigem oder gasförmigem Kühlmittel gefüllte Prüfkammer gebracht wird und dieses Kühlmittel nach Ablauf einer festgelegten Verweilzeit der Brennelemente über ein geschlossenes Rohrsystem, an einem Gamma-Strahlungsdetektor mit angeschlossenem Analysator und Auswertegerät vorbei, in einen Vorratsbehälter geleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Wasser verwendet wird und die Verweilzeit in der Größenordnung von 20 Minuten liegt.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfkammer (7) in einem mit Wasser gefüllten Brennelementabkling- oder -lagerbecken (2) angeordnet ist, aus dem auch das Betriebswasser für diese entnommen und wieder zurückgeführt wird.

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5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die prüfkammer (7) auf ihrer Bodenseite mit dem Beckenwasser in Verbindung steht und einati glockenförmig übergreifenden fernbedienteren Deckel (71) besitzt, in dem zu Beginn der Prüfung ein luftpolster zur Unterbindung einer inneren Wasserströmung erzeugbar ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (71) über eine absperrbare Leitung mit einer an sich bekannten Gassammeleinrichtung zur Aufnahme des Luftpolsters nach jedem Prüfvorgang in Verbindung steht.
7. Einrichtung zur Durchführung des'Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Rohrsystem gegenüber dem Strahlungsdetektor (1o) zu einer Meßkammer (9) erweitert ist, die eine vorzugsweise polierte Innenwandung besitzt und mit einer einführbaren Reinigungseinrichtung (93), beispielsweise in Gestalt einer drehbaren Bürste, versehen ist.
8..Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückführung des Wassers aus der Prüfkammer (7) eine in den üblicherweise vorhandenen Beckenwasserkreislauf eingeschaltete Wasserstrahlpumpe (16) vorgesehen ist.

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