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Verfahren zum Überprüfen der Abmessungen eines Brennelementes für Kernreaktoren - Dokument DE3542200C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3542200C2 27.10.1988
Titel Verfahren zum Überprüfen der Abmessungen eines Brennelementes für Kernreaktoren
Anmelder Brown Boveri Reaktor GmbH, 6800 Mannheim, DE
Erfinder Scharpenberg, Rainer, Dipl.-Ing., 6948 Wald Michelbach, DE
DE-Anmeldedatum 29.11.1985
DE-Aktenzeichen 3542200
Offenlegungstag 04.06.1987
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.10.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.10.1988
IPC-Hauptklasse G21C 17/06
IPC-Nebenklasse G01B 17/00   
Zusammenfassung Ein derartiges Brennelement (2) besteht aus einem Bündel längserstreckter Brennstäbe (5), die unter Belassung von Zwischenräumen in Reihen angeordnet sind. Das Brennelement (2) ist dabei in einer Wasservorlage (1) angeordnet. Seither lassen sich die Abstände zwischen zwei Brennstäben (5) nur an den am Rand des Brennstabbündels angeordneten Brennstäben ermitteln. Zur Bestimmung des Abstandes zwischen allen Brennstäben eines Brennelementes wird daher vorgesehen, daß Sonden (6) von der Seite her in die Räume zwischen den Brennstäben (5) eingefahren werden. Dabei ist jeweils eine Brennstabreihe zwischen den Fingern der Sonde (6) angeordnet. Die freien Fingerenden tragen an gegenüberliegenden Seiten Ultraschallprüfköpfe (8, 9), wobei jeweils ein Prüfkopf als Sender und ein Prüfkopf als Empfänger wirkt. Während der Sondenbewegung entlang einer Brennstabreihe wird kontinuierlich beschallt. Dabei wird die Höhe und/oder Breite einer der Wasserstrecke zwischen Sende- und Empfängerprüfkopf zugeordneten Amplitude zur Bestimmung des Abstandes verwendet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen der Abmessungen eines Brennelementes für Kernreaktoren, das aus einem Bündel längserstreckender Brennstäbe besteht, die unter Belastung von Zwischenräumen in Reihen angeordnet sind, mit zwei parallel erstreckten von der Seite her in die Zwischenräume einfahrbaren Sonden, die an ihren freien Enden je einen Ultraschallprüfkopf tragen und beim Einfahren in die Zwischenräume jeweils eine Brennstabreihe zwischen sich aufnehmen, wobei der eine Ultraschallprüfkopf die Ultraschallwellen aussendet und nach dem Durchlaufen einer Wasserstrecke der andere Ultraschallprüfkopf die Ultraschallwellen empfängt und wobei während der Sondenbewegung ein wiederholtes Beschallen mit Ultraschall-Impulsen erfolgt.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Zeitschrift "Atomwirtschaft", 1983, Seite 150 bis 153 bekannt. Dort soll durch Einbeziehung der Umlaufechos, d. h. von Signalen die nach dem Durchlaufen der Rohrwandung eines Brennstabs an den Empfangsprüfkopf gelangen, die Ausmessung der Abstände zwischen den einzelnen Brennstäben möglich sein. Wegen der unterschiedlichen Streuung der Schallwellen bei Brennstäben mit und ohne Wassereingabe ist die Erzielung zuverlässiger Werte in Frage zu stellen.

Weiterhin ist aus der US-PS 44 64 332 eine Einrichtung zur Kontrolle von Brennelement-Abmessungen bekannt. Dort werden Sonden eingesetzt, die über optische Signale die Dimensionen überprüfen. Außerdem wird zur Erleichterung der Positionierung der Sonden ein mechanischer Fühler, mit deren Hilfe auch eine Verbiegung der dem Fühler zugewandten ersten Brennstabreihe erkennbar ist, vorgesehen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß unter alleiniger Verwendung des Wassersignals die Stabposition bestimmt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe zum einen erfindungsgemäß durch die Kombination der nachfolgend aufgeführten Verfahrensschritte:

  • a) Vom Sendeprüfkopf werden Ultraschallstrahlen ausgesandt, die breiter sind als die größte zu erwartende Spaltbreite zwischen zwei Brennstäben, und
  • b) die vom Empfängerprüfkopf registrierte Intensitäten der durch die Wasserspalte übertragenen Ultraschallstrahlen werden mit einer dem Sollabstand zwischen zwei Brennstäben entsprechenden Intensität verglichen, wobei die Intensitätswerte als Maßstab für die Spaltbreite dienen.


Durch diese Maßnahmen gelingt allein mit der Auswertung der Schalldruckänderung im Bereich einer Wasserstrecke zwischen Sende- und Empfängerprüfkopf eine zuverlässige Aussage über die Änderung der Spaltbreite zwischen zwei Brennstäben. Mit der wiederholten Beschallung mit Ultraschallimpulsen lassen sich eindeutige Aussagen über die Spaltbreite gewinnen, da die Signale, die einen Brennstab durchlaufen, leicht von denjenigen, die die Wasserstrecke zwischen Sende- und Empfängerprüfkopf durchlaufen, unterscheiden lassen.

Eine andere Lösung der Aufgabe ist durch die Kombination folgender Verfahrensschritte gekennzeichnet:

  • a) Die Sonden werden von einer parallel zur Brennelement- Achse verlaufenden Basislinie aus solange bewegt, bis die Intensität des empfangenen Ultraschallsignals durch einen zwischen den beiden Sonden liegenden Brennstab vermindert wird,
  • b) der Abstand zur Basislinie wird registriert und
  • c) die Fahrweise und Registrierung wird auf verschiedenen in Achsrichtung des Brennelements betrachteten Ebenen zum gleichen Brennstab hin durchgeführt, um die Abweichung des axialen Verlaufs des Brennstabes gegenüber der Achse des Brennelements zu ermitteln.


Die Änderung des vom Empfängerprüfkopf aufgenommenen Signals ist hier ein Indiz dafür, daß der freie Schallweg in der Wasserstrecke durch einen Brennstab gestört wird. Die Positionen der Signaländerung eines Brennstabes auf mehreren Ebenen in Achsrichtung des Stabes betrachtet, ergibt ein Bild über die Erstreckung des Brennstabes relativ zu einer gedehnten Nullinie. Abweichungen der Staberstreckung von der Nullinie weisen auf eine Verbiegung hin.

Anhand von Ausführungsbeispielen und den Fig. 1 bis 3a werden die erfindungsgemäßen Verfahren erläutert. Dabei zeigt die

Fig. 1 ein in einer Wasservorlage angeordnetes Brennelement in einer Vorderansicht,

Fig. 1a einen Querschnitt der Fig. 1 entlang der Linie I-I,

Fig. 2a-2f verschiedene Meßphasen zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Brennstäben,

Fig. 3 die Bestimmung von Brennstabverbiegungen und

Fig. 3a einen Querschnitt durch ein Brennelement entlang der Linie III-III der Fig. 3.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Teil eines Wasserbeckens bezeichnet, in dem ein Brennelement 2 angeordnet ist. Das Brennelement besteht aus einem oberen und einem unteren Endstück 3, 4 zwischen welchen sich eine Vielzahl von Brennstäben 5 erstrecken. Wie aus einem Querschnitt des Brennelementes zu ersehen ist, sind die Brennstäbe 5 in Reihe angeordnet und weisen einen zueinander durch nicht dargestellte Halteelemente bestimmten Abstand auf. Fingerartige Ultraschall-Sonden 7, 7a tragen an ihren freien Enden gegeneinandergerichtete Ultraschallprüfköpfe 8, 9, wovon einer zum Senden und der andere zum Empfangen der Schallwellen eingesetzt wird. Die Stärke, die Länge und der Abstand der Finger zueinander ist so ausgelegt, daß beim Einfahren der Sonden in Pfeilrichtung 10 jeweils ein Brennstab 5 bzw. eine Brennstabreihe zwischen den Fingern 7, 7a angeordnet ist. Die Sonden sind mittels eines nicht dargestellten Sondenträgers neben der Pfeilrichtung 10 noch in Pfeilrichtung 11 und 12 verfahrbar um auch in andere Brennstabreihen sowie in verschiedenen Ebenen, in Achsrichtung der Brennstäbe betrachtet, einfahren zu können.

Das Prüfen der Abstände zwischen den einzelnen Brennstäben wird anhand der Fig. 2a bis 2f erläutert. Die Fig. 2a, 2c und 2e zeigen jeweils zwei aus der Fig. 1a in einem größeren Maßstab dargestellten Brennstäbe 5. Während nach der Fig. 2a die Brennstäbe in einem Sollabstand zueinander angeordnet sind, weisen die Brennstäbe nach der Fig. 2c einen gegenüber dem Sollabstand geringeren und die Brennstäbe nach der Fig. 2e einen größeren Abstand auf. Eine derartige Abstandsänderung ist in der Regel auf Brennstabverbiegungen zurückzuführen, die während des Einsatzes des Brennelementes im Kernreaktor gelegentlich auftreten können.

Zum Prüfen des Abstandsmaßes fahren die Finger 7, 7a in die Gassen zwischen den Brennstäben 5 ein. Dabei werden vom Sendeprüfkopf 8 wiederholt Ultraschallwellen 13 ausgesandt, die vom Empfängerprüfkopf 9 aufgenommen werden. Durch das wiederholte Beschallen läßt sich in Zusammenhang mit einem Oszillographen die relative Position der Prüfköpfe in den Brennstäben bestimmen, da sich das empfangene Signal nach einem Durchlaufen der Brennstäbe von dem nach einem Durchlaufen einer Wasserstrecke unterscheidet. Sobald die Prüfköpfe 8, 9 mit ihrer Symmetrieachse 14 die Mittenposition des tatsächlichen Abstandes zwischen zwei Brennstäben erreicht hat, wird die Intensität, die bei der an dieser Position von den Schallwellen durchlaufenen Wasserstrecke 15 empfangen wird, zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Brennstäben verwendet. Die Linien 16 in den Fig. 2a, 2c und 2e symbolisieren einen vom Sendeprüfkopf 8 ausgehenden Schallstrahl, der in seinen Randbereichen je nach Spaltbreite (Abstand zwischen zwei Brennstäben) mehr oder weniger geschwächt wird und in verminderter Intensität zum Empfängerprüfkopf 9 gelangt. Dies drückt sich in einer unterschiedlichen Höhe 17 aus, wie sie in den Fig. 2b, 2d und 2f zu erkennen ist. Dabei ist der Fig. 2a die Fig. 2b, der Fig. 2c die Fig. 2d und der Fig. 2e die Fig. 2f zugeordnet. Die Fig. 2b, 2d und 2f stellen Bildschirmausschnitte eines Oszillographen dar. Ein Sendeimpuls 19 trifft nach einer mit 20 symbolisierten Laufzeit beim Empfangsprüfkopf 9 ein. Die Höhe 17 steht in einem bestimmten Verhältnis zum Abstand zwischen zwei Brennstäben. Einem großen Abstand zwischen zwei Brennstäben 5 ist eine größere Höhe 17 zugeordnet als einem kleinen Abstand. Das Breitenmaß der Prüfköpfe 8, 9 ist dabei so zu wählen, daß bei der größten zu erwartenden Spaltbreite (Abstandsmaß) der Schallstrahl breiter ist als diese größte Spaltbreite. Bei entsprechender Eichung des Bildschirmes oder eines anderen Aufnahmegerätes läßt sich der tatsächliche Abstand mit einer Genauigkeit von einem Zehntel Millimeter ablesen.

Verkörpert die Fig. 2a den Sollabstand zwischen zwei Brennstäben, so bildet die Amplitude 17 nach der Fig. 2b die zugehörige Sollamplitude. Ein Vergleich der jeweils ermittelten Amplituden für die Wasserstrecke zwischen dem Sendeprüfkopf und dem Empfangsprüfkopf (z. B. Fig. 2d und 2f) mit dieser Sollamplitude erlaubt auf einfache Weise die Feststellung der Abweichung nach der einen oder anderen Richtung.

Nach einem anhand der Fig. 3 und 3a zu erläuternden Verfahren läßt sich der Verbindungsgrad eines Brennstabes über seine Längserstreckung ermitteln. Dort ist ein Brennelement 2 dargestellt, bei dem alle Brennstäbe 5 beispielsweise aufgrund eines unsachgemäßen Transportes des Brennelementes die gleiche Verbiegung aufweisen. In einem solchen Fall reicht es zur Bestimmung der Verbiegung aus, wenn die Brennstäbe einer äußeren Brennstabreihe überprüft werden. Die in Zusammenhang mit der Fig. 1 näher beschriebenen Ultraschallsonden 7, 7a werden nach den Fig. 3 und 3a von einer frei gewählten Basislinie 21 aus in Pfeilrichtung 10 verfahren, so daß die Finger 7, 7a einen Brennstab 5 zwischen sich aufzunehmen vermögen. Während der Sondenbewegung in Pfeilrichtung 10 verlaufen wiederholt Sendeimpulse 19 vom Sendeprüfkopf 8 zum Empfangsprüfkopf 9. Auf einem Bildschirm 22 wird daher so lange eine der Wasserstrecke zwischen den Prüfköpfen 8, 9 entsprechende Amplitude 17 dargestellt bis das Wassersignal von einem Brennstab gestört wird und sich dann eine geringere Amplitudenhöhe 17a einstellt. Der Weg, den die Sonden von der Basislinie 21 bis zu ersten Änderung des Wasserstreckensignals zurücklegen wird mit X1 bezeichnet und ist auf einer am rechten Rand der Fig. 3 dargestellten Schreiberaufzeichnung 23 dokumentiert. Die Sonden, die diese erste Messung aus der Position 1 am unteren Brennstabende vorgenommen haben, werden nunmehr in Pfeilrichtung 12 bis zur Position 2 verfahren. Jetzt werden wiederum die Sonden unter wiederholtem Schallen vom Sendeprüfkopf 8 zum Empfangsprüfkopf 9 von der Basislinie 21 in Pfeilrichtung 10 verfahren bis das Wasserstreckensignal durch den Brennstab eine Störung erfährt. Die dadurch ausgelöste Amplitudenänderung ist aus dem der Position 2 zugeordneten Bildschirm 22a zu erkennen. Der von der Basislinie 21 bis zur Änderung des Wasserstreckensignals zurückgelegte Weg ist mit X2 bezeichnet und ebenfalls in dem Schreiberausdruck dokumentiert. Nachdem die Sonden in eine dem oberen Brennstabende zugeordnete Position 3 in Pfeilrichtung 12 verfahren worden sind, erfolgt die Vermessung nach dem gleichen Verfahren wie zu Position 1 und 2 beschrieben. Der von der Basislinie 21 bis zur Änderung des Wasserstreckensignals zurückgelegte Weg ist mit X3 bezeichnet und in dem Schreiberausdruck entsprechend dokumentiert. Eine Verbindung der gefundenen Wegpunkte 23, 24 und 25 mit einer Linie 26 zeigt bei maßstabgerechter Aufzeichnung den Verlauf der Stabverbiegung.

Nach dem beschriebenen Verfahren lassen sich neben den äußeren Brennstäben einer Reihe auch die restlichen Brennstäbe des Brennelementes vermessen. Dazu wird jeder weitere Brennstab ebenfalls von der Basislinie 21 aus angefahren. Die zwischen dem zu vermessenden Brennstab und der Basislinie 21 liegenden Brennstäbe bleiben dabei unberücksichtigt. Maßgebend ist die Wasserstrecke, die vor Erreichen des zu prüfenden Brennstabes durchschallt wird. In der Schreiberaufzeichnung wird dann nur der Fahrweg festgehalten, den die Sonden von der Basislinie 21 bis zur Änderung des dem zu prüfenden Brennstab vorgeordneten Wasserstreckensignals zurücklegen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Überprüfen der Abmessungen eines Brennelementes (2) für Kernreaktoren, das aus einem Bündel längserstreckter Brennstäbe (5) besteht, die unter Belassung von Zwischenräumen in Reihen angeordnet sind, mit zwei parallel erstreckten von der Seite her in die Zwischenräume einfahrbaren Sonden (7, 7a), die an ihren freien Enden je einen Ultraschallprüfkopf (8, 9) tragen und beim Einfahren in die Zwischenräume jeweils eine Brennstabreihe zwischen sich aufnehmen, wobei der eine Ultraschallprüfkopf (8) die Ultraschallwellen aussendet und nach dem Durchlaufen einer Wasserstrecke der andere Ultraschallprüfkopf (9) die Ultraschallwellen empfängt und wobei während der Sondenbewegung ein wiederholtes Beschallen mit Ultraschall-Impulsen erfolgt, dadurch gekennzeichnet,

    1. a) daß vom Sendeprüfkopf (8) Ultraschallstrahlen ausgesandt werden, die breiter sind als die größte zu erwartende Spaltbreite zwischen zwei Brennstäben, und
    2. b) daß die vom Empfängerprüfkopf (9) registrierten Intensitäten der durch die Wasserspalte übertragenen Ultraschallstrahlen mit einer dem Sollabstand zwischen zwei Brennstäben entsprechenden Intensität verglichen werden, wobei die Intensitätswerte als Maßstab für die Spaltbreite dienen.


  2. 2. Verfahren zum Überprüfen der Abmessungen eines Brennelementes (2) für Kernreaktoren, das aus einem Bündel längserstreckter Brennstäbe (5) besteht, die unter Belassung von Zwischenräumen in Reihen angeordnet sind, mit zwei parallel erstreckten von der Seite her in die Zwischenräume einfahrbaren Sonden (7, 7a), die an ihren freien Enden je einen Ultraschallprüfkopf (8, 9) tragen und beim Einfahren in die Zwischenräume jeweils eine Brennstabreihe zwischen sich aufnehmen, wobei der eine Ultraschallprüfkopf (8) die Ultraschallwellen aussendet und nach dem Durchlaufen einer Wasserstrecke der andere Ultraschallprüfkopf (9) die Ultraschallwellen empfängt und wobei während der Sondenbewegung ein wiederholtes Beschallen mit Ultraschall-Impulsen erfolgt, dadurch gekennzeichnet,

    1. a) daß die Sonden (7, 7a) von einer parallel zur Achse des Brennelements verlaufenden Basislinie (21) aus solange bewegt werden, bis die Intensität des empfangenen Ultraschallsignals durch einen zwischen den beiden Sonden liegenden Brennstab vermindert wird,
    2. b) daß der Abstand zur Basislinie registriert wird und
    3. c) daß die Fahrweise und Registrierung auf verschiedenen in Achsrichtung des Brennelements betrachteten Ebenen zum gleichen Brennstab hin durchgeführt wird, um die Abweichung des axialen Verlaufs des Brennstabes gegenüber der Achse des Brennelementes zu ermitteln.






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