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Verfahren zum Feststellen
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eines Kühlwasserlecks in einem wassergekühlten Atomkernreaktor Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum schnellen und genauen Feststellen eines Kühlwasserlecks
in einem wassergekühiten Atomkernreaktor, falls das Kühlwasserleck während des Betriebes
des Reaktors auftritt.
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Bei einem wassergekühlten Atomkernreaktor wird das primäre SEhlwasser
gewöhnlich in einem primären Kühikreislauf unter einer hohen Temperatur und unter
einem hohen Druck umlaufen gelassen, um die durch die Kernspaltungsreaktion im Reaktorkern
erzeugte Wärme abzuführen, die Turbinen zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt
wird. Wenn während des Betriebs eines derartigen wassergekühlten Atomkernreaktors
in den Wänden einer LeitungXeines Kessels oder eines anderen Bauelementes, das den
Druck aufnimmt, ein Fehler auftritt und dieser Fehler durch die Wände des den Druck
aufnehmenden Bauelementes hindurchgeht, kann das durch den Kühikreislauf umlaufende
Kühlwasser nach außen austreten. Wenn der Betrieb unter diesen Umständen weitergeht,
werden sich die Fehler weiter entwickeln, was dazu führt1 daß sich KEhlwasser mit
einer relativ hohen Radioaktivität am Boden des Sammelbehälters ansammelt, was eine
aufwendige Nachbehandlung erforderlich macht und dazu führt, daß die Gefahr von
Unfällen, beispielsweise eines abfalls des Durcnsatzes des Kühlmittels, oder eines
Verlustes des Kühlmittels selbst besteht. Es ist daher wünschenswert, Kühlwasserlecks
in einer frühen Phase festzustellen.
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Beiherkömmlichen Verfahren wird das Kühlwasserleck jedoch auf der
Grundlage der Zunahme der Radioaktivität und der Luftfeuchtigkeit
im
Sammelbehälter oder auf der Grundlage der Zunahme der am Boden des Sámmelbehalters
angesammelten Wassermenge festgestellt. In jedem Fall wird das Kühlwasserleck solange
nicht festgestellt, bis die Menge des ausgelaufenen Wassers im Sammelbehälter ein
gewisses Ausmaß erreicht hat. Die herkömmlichen Verfahren zeigen daher eine geringe
Ansprechgeschwindigkeit.
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Das Ziel der Erfindung besteht daher darin, die oben erwähnten Mängel
herkömmlicher Verfahren zu beseitigen und ein Verfahren zu liefern, mit dem schnell
und genau ein Kühlwasserleck in einem wassergekühlten Atomkernreaktor wahrend des
Betriebes festgestellt werden kann.
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Dabei wird erfindungsgemäß davon ausgegangen, daß dann, wenn in einem
Wandelement1 das eine Druckbegrenzung bildet, an der Innenseite, an der Wasser unter
hoher Temperatur und hohem Druck umläuft, ein Loch auftritt, das auf einer hohen
Temperatur befindliche und auf hohem Druck stehende Wasser zur Außenseite der Wand
selbst dann ausläuft, wenn das Loch sehr klein ist, wodurch ein starkes Geräusch
erzeugt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Feststellen eines Kühlwasserlecks
in einem wassergekühlten Atomkernreaktor wird ein akusto-elektrisches Wandlerelement
verwandt, das an der Wand eines Bauelementes, das die Druckbegrenzung des Kühlkreislaufes
bildet1 oder an einer Zusatzeinrichtung der Wand angebracht ist.
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Mit Hilfe des akusto-elektrischen Wandlerelementes werden akustische
Schwingungen festgestellt, die durch das Lecken des Kühlwassers zur Außenseite der
Wand verursacht werden, und werden die akustischen Schwingungen in elektrische Signale
umgewandelt. dnschließend werden elektrische Signale mit einer Frequenz von 0,1
bis 1 Ez ausgewählt. Wenn die in dieser Weise ausgewählten elektrischen Signale
einen vorbestimmten Pegel erreichen, der über dem Pegel des Untergrundrauschens
liegt, wird ein Alarmsignal erzeugt, um ein KUhlwasserleck anzuzeigen.
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Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert: Fig. 1A zeigt ein Beispiel eines gemessenen Frequenzspektrums
des vom Leckwasser verursachten Geräusches.
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Fig. 1B zeigt ein Beispiel des gemessenen Frequenzspektrums des Untergrundrauschens.
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Fig. 2 zeigt schematisch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf einen Druckkesselreaktor.
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Fig. 3 zeigt schematisch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf einen Druckrohrreaktor.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Feststellen
und Messen eines Kühlwasserlecks zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einem Blockschaltbild.
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Um ein Kühlwasserleck über die Aufnahme akustischer Schwingungen sicher
festzustellen und Grundinformationen zur Auslegung einer entsprechenden Vorrichtung
zu erhalten, wurden die folgenden Versuche durchgeführt. Bei einer Vorrichtung mit
einem geschlossenen Kühlkreislauf, der den Primärkühlkreislauf eines Atomkernreaktors
simuliert, wurde ein piezo-elektrischer Wandler, insbesondere ein Piezo-Transistor
oder PZT-Element, d.h.
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eine Art eines piezo-elektrischen Elementes an die Außenfläche einer
Leitung geheftet, wurde ein Loch in einen Teil der Leitung geschlagen und wurde
durch das PZT-Element das Geräusch aufgenommen, das dann erzeugt wird, wenn Wasser
unter hohem Druck und auf hoher Temperatur aus der Leitung ausfloß, um das Frequenzspektrum
unter Verwendung eines Frequenzanalysators
zu ermitteln. Fig. 1A
zeigt ein Beispiel des Frequenzspektrums des Geräusches, wenn Wasser durch ein rundes
Loch mit einem Durchmesser von 5 mm bei einem Druck im Kreislauf von 70 Atmosphären
und bei Sättigungstemperatur ausfluß. Der Kreislauf wurde unter Kuhlwasserdrucken
von 0 bis 70 Atmosphären und Sättigungstemperatur bei jedem Druck betrieben, um
ein Frequenzspektrum für runde Löcher mit einem Durchmesser von 0,5 bis 5,0 mm und
zickzackförmigen Löchern zu ermitteln. In beiden Fällen verlief das Frequenzspektrum
des durch das Lecken des Kühlwassers erzeugten Geräusche breit über einen Frequenzbereich
von 0,1 bis 1 MHz, wie es in Fig. 1A dargestellt ist. Der einzige Unterschied bestand
darin, daß die Frequenzen der Spitzenwerte im Spektrum sich etwas in Abhängigkeit
vom Druck und der Form und Größe des Loches änderten. Fig. 1B zeigt andererseits
das gemessene Frequenzspektrum des Untergrundrauschens, wenn der Kreislauf ohne
Leckstelle arbeitet. Diese Messung basieht auf einem Druck von 50 Atmosphären bei
Sättigungstemperatur und einem Wasserdurchsatz von 15 t/h durch eine Leitung mit
einem Durchmesser von 63 mm. Der größte Teil des Untergrundrauschens verteilt sich
über einen Bereich unterhalb von 0,15 i'4Hz, was anzeigt, daß dieses Untergrundrauschen
ein mechanisches Rauschen ist, das von einer rotierenden Pumpe erzeugt wird. Die
Rauschanteile oberhalb des Bereiches von 0,15 bis 1,O MHz bestehen aus einem elektronischen
Rauschen der Meßschaltung und dem Rauschen des strömenden Wassers. Der Rauschpegel
ist in diesem Fall jedoch beträchtlich geringer als der Pegel des mechanischen Rauschens
bei Freauenzen unterhalb von 0,15 MHz und weiterhin beträchtlich geringer als der
Pegel des Signals, das durch das Leckwasser erzeugt wird, wie es in Fig.
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1A dargestellt ist. Aus einem Vergleich der Fig. 1A und 1B ist daher
ersichtlich, daß dann, wenn nur akustische Schwingungen im Frequenzbereich von 0,1
bis 1,0 FEz über ein Filter ausgewählt werden, ein Signalrausdiverhältnis erhältlich
ist, das über 20 dB liegt. Das vom Leckwasser erzeugte Geräusch kann vom Untergrundrauschen
unterschieden werden, um dadurch zuverlässig
das Leck festzustellen.
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Fig. 2 zeigt schematisch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf einen Druckkesselreaktor. Ein Atomkernreaktor von diesem Typ besteht aus einem
Druckkessel 2, der einen Reaktorkern 1 aufnimmt,sowie einer Druckeinheit 3, einem
Dampfgenerator 4 und einer Umlaufpumpe 5. Diese Bauteile stehen über eine Leitung
6 in Form eines Kreislaufs miteinander in Verbindung. Mittels der Umlaufpumpe 5
wird als Kühlmittel dienendes Wasser unter hoher Temperatur und unter einem hohen
Druck im Kreislauf umlaufen gelassen. Piezo-elektrische Elemente lOa, 10b,10c, die
akusto-elektrische Wandlerelemente sind, werden-in engem Kontakt an passende Teile
der Wände, die die Druckgrenzen bilden, beispielsweise an den Druckkessel 2, die
Leitung 6 und ähnliche Bauelemente, geheftet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin auf einen Druck rohrreaktor
angewandt werden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.
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Bei diesem Reaktortyp ist eine Anzahl von Druckrohren 19 vorgesehen,
die durch eine Heizkammer 12 mit einem Reaktorkern 11 hindurchgehen, wobei die einzelnen
Druckrohre 19, eine Dampftrommel 17, eine Umlaufpumpe 15 und ein Einlaßverteiler
18 über Leitungen 16 miteinander verbunden sind. Durch das Anheften piezo-elektrischer
Elemente lOd,1Oe,10f an die Außenflächen der Dampftrommel 17, des Einlaßverteilers
18 und der Leitungen 16 ist es möglich, ein Leck nicht nur in diesen Bauelementen
und Leitungen, sondern auch in vielen anderen Leitungen festzustellen, die den Auslaß
und den Einlaß des Reaktorkerns verbinden, der mit der Dampftrommel und dem unteren
Verteiler in Verbindung steht. Wenn die piezo-elektrischen Elemente an Bauteilen
in Bereichen angebracht werden sollen, in denen sich die Bauteile stark zusammendrängen,
beispielsweise in denen viele Leitungen an dem Auslaß oder Einlaß des Reaktorkerns
zus>mmenführen, werden feine Metalldrähte (Wellenleiterdrähte) 20 mit ihrer einen
Seite an die einzelnen Leitungen durch Verschweissen oder durch ein mechanisches
Druckverfahren angebracht und
an ihrer anderen Seite an ein Stück
einer Metallplatte 21 geschweißt,wobei ein piezo-elekrisches Element 10g an der
Metallplatte 21 angebracht ist.
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Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Schaltung zur Verarbeitung der Signale,
die vom piezo-elektrischen Element 10 erhalten werden.
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Das piezo-elektrische Element 10, beispielsweise ein PZT-Element,
wandelt die akustischen Schwingungen in elektrische Signale um. Die elektrischen
Signale werden durch einen Vorverstärker 32 verstärkt und einer Meßschaltung zugeführt,
die im Uberwachungsraum des Atomkernreaktors vorgesehen ist. Anschliessend werden
nur die Signale im Frequenzbereich von 0,1 bis 1 Hz durch ein Filter 33 ausgewählt,
über einen Hauptverstärker 34 verstärkt und durch ein Voltmeter 35 zur Messung der
Effektivspannung gemessen. Wenn die in dieser Weise erhaltenen Signale einen vorbestimmten
Pegel erreichen, der über dem Pegel des Untergrundrauschens liegt, wird durch eine
Alarmschaltung 36 ein Alarmsignal erzeugt. Wenn das Alarmsignal erzeugt wird, wird
erforderlichenfalls das Ausgangssignal des Hauptverstärkers 34 einem Frequenzanalysator
37 eingegeben, der die Frequenzen analysiert, um sicherzustellen, daß der richtige
Alarm ausgelöst ist.
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Mit dem im Obigen beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zum Feststellen
eines Kühlwasserlecks in einem Atomkernreaktor ist es möglich, zuverlässig das Leck
nahezu ohne Zeitverzögerung festzustellen, wenn das Kühlwasser aufgrund irgendwelcher
Fehler austritt, die in Wänden auftreten, die Druckbegrenzungen für das Kühlmittel
bilden, so daß das erfindungsgemäße Verfahren einen ausgezeichneten Beitrag zur
Aufrechterhaltung der Sicherheit von Kernreaktoren liefert.
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