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EP 0 106 959 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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22.04.1987 Patentblatt 1987/17 |
(22) |
Anmeldetag: 11.08.1983 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC)4: G21F 9/00 |
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Verfahren und Einrichtung zum Entfernen von Ablagerungen auf den Oberflächen der Bauteile
einer wassergekühlten Kernreaktoranlage
Process and device for removing deposits from surfaces of components in a water-cooled
nuclear plant
Procédé et installation pour enlever les dépôts sur les surfaces des composants d'une
installation nucléaire refroidie à l'eau
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Benannte Vertragsstaaten: |
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BE CH DE FR IT LI NL SE |
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Priorität: |
21.10.1982 DE 3238886
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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02.05.1984 Patentblatt 1984/18 |
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Anmelder: ABB Reaktor GmbH |
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D-68167 Mannheim (DE) |
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Erfinder: |
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- Scharpenberg, Rainer, Ing.grad.
D-6948 Waldmichelbach (DE)
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Vertreter: Rupprecht, Klaus, Dipl.-Ing. et al |
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c/o ABB Patent GmbH,
Postfach 10 03 51 68128 Mannheim 68128 Mannheim (DE) |
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Entgegenhaltungen: :
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Reinigen der Oberfläche eines Kernreaktorbrennelementes,
das in einem flüssigkeitsgefüllten Behälter angeordnet ist, wobei der Behälter unfangsseitig
mehrere Ultraschall-Schwinger trägt, deren Schallwellen in Richtung Brennelement gerichtet
sind.
[0002] Eine derartige Einrichtung ist aus der Zeitschrift «Nucleonics», Ausgabe Juli 1958
bekannt. Dort sind auf verschiedenen Ebenen am Umfang des Behälters Ultraschall-Schwinger
angeordnet. In der jeweiligen Ebene wird das Brennelement offenbar nur aus einer Richtung
beschallt. Bei der Ultraschallreinigung von Metallteilen wird mit Frequenzen oberhalb
von 18 Khz gearbeitet. Da zum Reinigen die Teile unter Wasser angeordnet sind, hat
man es mit Longitudinalwellen zu tun, die zur periodischen Verdichtung der Materie
Wasser führen. Aufgrund der grossen Energie reisst das Wasser während der Zugphase
an Instabilitätsphasen auseinander. In der folgenden Druckphase brechen die Bläschen
mit grosser Geschwindigkeit in sich zusammen, wobei in der nächsten Umgebung dieser
sehr kleinen Bläschen Energie frei wird, die sich als Überdruck der Grössenordnung
von über 1000 bar und als Mikroströmung bemerkbar macht. Die Grenzflächen von Flüssigkeit
zu Festkörper stellen Instabilitätsstellen und somit Kavitationskeime dar. Dieser
Vorgang wird mit Mikroschruppen bezeichnet, da auch die kleinsten Fremdteilchen von
der Festkörperoberfläche durch rein mechanische Kräfte entfernt werden. Aufgrund der
grossen Energien, die bei einer Beschallung aus einer Richtung auf das Brennelement
auftreffen, sind Beschädigungen an den in den Hüllrohren der Brennstäbe angeordneten
Brennstofftabletten sowie an anderen Bauteilen des Brennelementes nicht auszuschliessen.
Bei der in der Zeitschrift «Nucleonics» dargestellten Einrichtung lässt es sich nicht
vermeiden, dass die von der Brennelementoberfläche bereits entfernten Ablagerungspartikel
die Intensität des weiteren Reinigungsvorganges beeinträchtigen oder nach ausserhalb
des Behälters gelangen. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn der Behälter
aus Abschirmgründen in einem Wasserbecken angeordnet ist.
[0003] Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben,
die bei schonender Behandlung des Brennelementes bereits während des Reinigungsvorgang
die Entfernung der Ablagerungspartikel aus dem Behälter sicherstellt und diese Partikel
aus dem den Behälter umgebenden Wasser fernhält.
[0004] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch, dass die Ultraschall-Schwinger
an wenigstens zwei gegenüberliegenden Aussenseiten des in einem Wasserbecken angeordneten
wassergefüllten Behälters befestigt sind, dass die jeweils gegenüberliegenden Ultraschall-Schwinger
auf einer gemeinsamen Mittenachse liegen, dass der Behälter mit einer Leitung zur
Umwälzung des innerhalb desselben befindlichen Wassers versehen ist und dass in der
Leitung eine Umwälzpumpe und ein Filter in Reihe geschaltet sind.
[0005] Durch die gewählte Anordnung der Ultraschall-Schwinger heben sich die auf das Brennelement
wirkenden Kräfte gegenseitig auf, so dass Beschädigungen sicher vermieden werden.
Die während des Reinigungsvorganges anfallenden Ablagerungspartikel werden ausgefiltert,
so dass weder eine Beeinträchtigung der Ultraschallintensität noch eine Verunreinigung
des den Behälter umgebenden Wassers auftritt.
[0006] Das Brennelement kann in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen in einem oben
offenen oder in einem geschlossenen Behälter angeordnet sein.
[0007] Nach einer weiteren Ausführung ist in der dem Behälter zugeordneten Leitung in Durchflussrichtung
gesehen vor dem Filter eine Vorrichtung zur Überprüfung des Reinheitsgrades des den
Behälter verlassenden Wassers vorgesehen. Sobald ein vorgebbarer Reinheitsgrad des
Wassers erreicht ist, wird der Beschallungsvorgang beendet.
[0008] Ein Verfahren zum Reinigen der Oberfläche eines Kernreaktorbrennelements, wobei eine
Einrichtung nach der Erfindung verwendet wird, läuft in folgenden Schritten ab:
a) Das Brennelement wird gleichzeitig von gegenüberliegenden Seiten aus mit UltraschallSchwingern
gleicher Leistung beschallt.
b) Das Behälterwasser wird während dem Reinigungsvorgang umgewälzt.
[0009] Dadurch wird eine schonende Behandlung des Brennelementes erzielt und ein nachteiliger
Einfluss auf die Intensität des Ultraschall-Schwingers sowie auf die Umgebung des
Behälters vermieden.
[0010] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens verbleibt das Brennelement nach
dem Abschluss des Reinigungsvorganges im Behälter und wird dort einem Sippingtest
unterzogen.
[0011] Damit wird sichergestellt, dass eventuell in den Ablagerungen enthaltene Radioaktivitäten,
die aus anderen defekten Brennelementen des ursprünglichen Kernverbandes stammen nicht
zu Fehlschlüssen bei dem Sippingtest führen. Ausserdem wird durch die Kombination
der Reinigung mit dem Sippingtest eine erhebliche Zeitersparnis erzielt, wodurch die
Verfügbarkeit der Kernreaktoranlage erhöht wird.
[0012] Anhand von Ausführungsbeispielen und der schematischen Zeichnungen der Figur 1,1
a und 2 wird die erfindungsgemässe Einrichtung und ein Verfahren zum Einsatz einer
derartigen Einrichtung beschrieben. Dabei zeigen die
Fig. 1 ein in einem geschlossenen Behälter angeordnetes Brennelement,
Fig. 1a einen Schnitt entlang der Linie a-a der Figur 1 und
Fig. 2 ein in einem offenen Behälter angeordnetes Brennelement.
[0013] Die Figur 1 zeigt einen Teilbereich eines Wasserbeckens 1, das zur Aufbewahrung von
abgebrannten Brennelementen unter Wahrung ausreichender Abschirmbedingungen durch
das Wasser dient. Bekanntlich ist hierzu eine Wasserschicht erforderlich, die oberhalb
der eingelagerten Brennelemente noch eine Dicke von mehreren Metern aufweist. Am Boden
2 des Wasserbeckens ist ein Behälter 3 zur Aufnahme eines Brennelementes 4 wassergekühlter
Kernreaktoren angeordnet. Das komplett montierte Brennelement 4 war bereits im Reaktorkern
eingesetzt und soll nach erfolgter Entfernung der auf den Oberflächen seiner Bauteile
haftenden Ablagerungen auf seine Wiederverwendbarkeit im Reaktorkern überprüft werden.
Es besteht aus dem Fuss 5 und dem Kopfstück 6, die über nicht dargestellte Steuerstabführungsrohre
miteinander verbunden sind und das Gerippe des Brennelementes bilden. Zwischen dem
Fuss- und dem Kopfstück erstreckt sich eine Vielzahl von ca. vier Meter langen Hüllrohren
7, die eine grosse Anzahl von Brennstofftabletten aus Urandioxid enthalten und an
ihren Enden mit nicht dargestellten Endstopfen verschlossen sind. Mehrere über die
Länge der Hüllrohre verteilte Abstandshaltegitter 8 halten die Hüllrohre in ihrer
Position. Insbesondere die Brennstofftabletten und die mit feingliedrigen Federungen
ausgestatteten Abstandshaltegitter sind durch die zur Reinigung erforderlichen energiereichen
Frequenzen einer schädlichen Belastung ausgesetzt. Durch die gleichzeitige Beschallung
mit gegenüber angeordneten Ultraschall-Schwingern gleicher Leistung, werden die auf
die Bauteile des Brennelementes einwirkenden Kräfte gegenseitig aufgehoben bzw. zumindest
reduziert. Wie aus der Fig. 1a zu ersehen ist, sind an den vier Seitenwänden 9, 10,
11 und 12 des aus Stahl bestehenden geschlossenen Behälters 3 Schwingerplatten 13
befestigt. Jede Schwingerplatte trägt neun Ultraschall-Schwinger 14 gleicher Leistung
und gleicher geometrischer Anordnung. Jeweils vier paarweise gegenüberliegende Schwingerplatten
13 sind auf gleicher Höhe angeordnet, so dass sich die von ihnen getragenen Ultraschall-Schwinger
14gegenüberliegen. Der Behälter ist mit drei mal vier solcher Schwingerplatten ausgerüstet,
die in ihrer senkrechten Erstreckung betrachtet einen solchen Abstand zueinander haben,
dass eine optimale Reinigung der Oberflächen des Brennelementes erfolgt. Ein mit Drehgelenken
15 ausgestattetes Halteelement 16 trägt einen hydraulisch betätigten Zylinder 17 und
ist mit seinem einen Ende 18 am Behälter 3 und mit seinem anderen Ende 19 an einem
Deckel 20 zum Verschliessen des Behälters 3 befestigt. Die Steuerleitungen 21 des
Zylinders 17 sind mit einer ausserhalb des Wasserbekkens 1 befindlichen Steuereinheit
22 verbunden, so dass der Deckel 20 zur Be- bzw. Entladung des Behälters mit einem
Brennelement ferngesteuert geöffnet oder geschlossen werden kann. Auch die Ultraschall-Schwinger
werden, wie mit der Verbindungsleitung 23 angedeutet, von der Steuereinheit bedient.
Damit die aufgrund der Ultraschalleinwirkung bereits entfernten und in dem innerhalb
des Behälters angeordneten Wasser vorhandenen Ablagerungspartikel den Reinigungsprozess
nicht stören, weist der Behälter eine mit einem Filter und einer Umwälzpumpe versehene
Leitung 26 auf. Die Leitung 26 ist mit ihrem einen Ende in der Nähe des Behälterbodens
27 und mit ihrem anderen Ende in der Nähe des Deckels 20 mit dem Behälter 3 verbunden.
Die Umwälzpumpe 25 bewirkt einen Umlauf des im Behälter befindlichen und zur Ultraschallreinigung
erforderlichen Wassers, so dass darin enthaltene Partikel im Filter 24 zurückgehalten
werden. Eine über die Kabelverbindung 28 mit der Steuereinheit 22 verbundene und in
Durchflussrichtung gesehen vor dem Filter in die Leitung 26 eingebaute Vorrichtung
29 dient zur Überwachung des Reinheitsgrades des im Behälter 3 angeordneten Wassers.
Das Erreichen eines vorgebbaren Reinheitsgrades ist ein Indiz dafür, wie weit die
Ablagerungen von den Oberflächen des Brennelementes entfernt sind. Ist das den Anforderungen
entsprechende Ergebnis erreicht, wird die Beschallung beendet und das gereinigte Brennelement
entnommen.
[0014] Die in den Fig. 1 und 1a beschriebene Einrichtung ist besonders vorteilhaft, wenn
als Behälter 3 ein in wassergekühlten Reaktoranlagen üblicherweise bekannter Sippingbehälter
verwendet wird. Der Sippingbehälter nimmt ebenfalls ein Brennelement auf. Durch die
Wirkung der Nachzerfallswärme treten aus defekten Hüllrohren radioaktive Spaltprodukte
in das Behälterwasser aus. Eine Wasserprobe ergibt dann Aufschluss darüber, ob Hüllrohre
des Brennelementes defekt sind und ausgetauscht werden müssen. Ein solcher Sippingbehälter
wäre nur mit Ultraschall-Schwingern 14 und der Leitung 26 zu ertüchtigen, um zusätzlich
für die Ultraschallreinigung verwendbar zu sein. Bei einer solchen kombinierten Anwendung
ist es von Vorteil, zuerst die Ultraschallreinigung vorzunehmen und dann erst den
Sippingtest durchzuführen. Diese Vorgehensweise ist folgerichtig, da in den an den
Oberflächen des gerade im Sippingbehälter befindlichen Brennelements anhaftende Ablagerungen
aktivitätsführende Stoffe enthalten sein können, die aus anderen beschädigten Brennelementen
des Kernverbandes stammen. Ein Brennelement könnte als defekt bezeichnet werden obwohl
es gar keine defekten Hüllrohre enthält. Werden die Ablagerungen jedoch vor dem Sippingtest
entfernt und im Filter festgehalten, so werden falsche Aussagen des Sippingtestes
vermieden.
[0015] Die Fig. zeigt eine andere Ausbildung einer Einrichtung. Damit sollen die Oberflächen
eines Brennelementes nur im unteren Drittel ihrer Höhenerstreckung von Ablagerungen
befreit werden, um eine in diesem Bereich erforderliche Prüfung nach defekten Hüllrohren
zu ermöglichen. Der Behälter 3 besteht aus Stahl und ist an seiner Oberseite 30 offen.
Seine Seitenwände 9a, 10a, 11a, 12a sind so hoch, dass ein Drittel der Höhenerstreckung
des Brennelements in den Behälter eingetaucht ist. Der Öffnungsquerschnitt des Behälters
ist so gross gewählt, dass zwischen den Innenseiten des Behälters und den an der Peripherie
des Brennelements angeordneten Hüllrohren jeweils ein Spalt von ca. 50 Millimeter
besteht. An jeder Seitenwand 9a, 10a, 11a, 12a des quaderförmigen Behälters 3 ist
in zueinander gleicher geometrischer Anordnung eine Schwingerplatte 13 befestigt,
die jeweils neun Ultraschallschwinger 14 trägt. Dabei liegen zumindest die gegenüberliegend
angeordneten Ultraschallschwinger 14 auf einer gemeinsamen Mittenachse 31. Dagegen
können die etwa in einem rechten Winkel zueinander angeordneten Ultraschall-Schwinger
auch eine unterschiedliche Höhenlage einnehmen. Dadurch wird insgesamt das beschallte
Volumen vergrössert und die Reinigung verbessert. Damit die entfernten Ablagerungspartikel
nicht in das Wasserbecken 1 gelangen, führt in der Nähe des Behälterbodens 27 eine
Leitung 32 von dem Behälter 3 weg, die mit ihrem freien Ende 23 in das Wasserbecken
1 mündet. Durch die in der Leitung 32 angeordnete Umwälzpumpe 25 findet eine ständige
Erneuerung des im Behälter 3 enthaltenen Beckenwassers statt. Der in Reihe zur Umwälzpumpe
25 in der Leitung 32 eingebaute Filter 24 hält die Ablagerungspartikel zurück. Ebenso
wie bei der Ausführung nach Fig.1 ist in Durchflussrichtung gesehen vor dem Filter
24 eine Vorrichtung 29 zur Überprüfung des Reinheitsgrades des den Sippingtest verlassenden
Wassers vorgesehen. Über eine nicht dargestellte, ausserhalb des Wasserbeckens angeordnete
Steuereinrichtung lassen sich die Ultraschallschwinger 14 als auch die Umwälzpumpe
25 fernbedient betätigen.
1. Einrichtung zum Reinigen der Oberflächen eines Kernreaktorbrennelementes (4), das
in einem flüssigkeitsgefüllten Behälter (3) angeordnet ist, wobei der Behälter (3)
umfangsseitig mehrere Ultraschall-Schwinger (14) trägt, deren Schallwellen in Richtung
Brennelement (4) gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Schwinger
(14) an wenigstens zwei gegenüberliegenden Aussenseiten (9, 12) des in einem Wasserbecken
(1) angeordneten wassergefüllten Behälters (3) befestigt sind, dass die jeweils gegenüberliegenden
Ultraschall-Schwinger (14) auf einer gemeinsamen Mittenachse (31) liegen, dass der
Behälter (3) mit einer Leitung (26, 32) zur Umwälzung des innerhalb desselben befindlichen
Wassers versehen ist und dass in der Leitung (26, 32) eine Umwälzpumpe (25) und ein
Filter (24) in Reihe geschaltet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3) geschlossen
oder nach oben offen ausgebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung
(26, 32) in Durchflussrichtung gesehen vor dem Filter (24) eine Vorrichtung (29) zur
Überprüfung des Reinheitsgrades des den Behälter (3) verlassenden Wassers vorgesehen
ist.
4. Verfahren zum Reinigen der Flächen eines Kernreaktorbrennelementes (4), wobei eine
Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennelement (4) gleichzeitig von gegenüberliegenden Seiten aus mit Ultraschallschwingern
(14) gleicher Leistung beschallt wird und dass das Behälterwasser während des Reinigungsvorganges
umgewälzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschluss des
Reinigungsvorganges das Brennelement (4) im Behälter (3) verbleibt und einem Sippingtest
unterworfen wird.
1. Arrangement for cleaning the surfaces of a nuclear reactor fuel assembly (4) which
is disposed in a container (3) filled with liquid, the container (3) peripherally
carrying several ultrasonic vibrators (14) whose acoustic waves are directed in the
direction of the fuel assembly (4), characterized in that the ultrasonic vibrators
(14) are attached to at least two exterior sides (9, 12), situated opposite each other,
of the water-filled container (3) which is disposed in a water tank (1), in that the
ultrasonic vibrators (14), situated opposite each other in each case, are located
on a common central axis (31), in that the container (3) is provided with a pipeline
(26, 32) for circulating the water situated within the container and in that a circulating
pump (25) and a filter (24) are connected in series in the pipeline (26, 32).
2. Arrangement according to Claim 1, characterized in that the container (3) has a
closed construction or one which is open at the top.
3. Arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that a device (29) for
checking the degree of purity of the water leaving the container (3) is provided in
the pipeline (26, 32) upstream of the filter (24) as viewed in the flow direction.
4. Method for cleaning the faces of a nuclear reactor fuel assembly (4), an arrangement
according to Claims 1 to 3 being used, characterized in that the fuel assembly (4)
is simultaneously acoustically irradiated from sides situated opposite each other
with ultrasonic vibrators (14) of the same power and in that the container water is
circulated during the cleaning operation.
5. Method according to Claim 5, characterized in that, after the termination of the
cleaning operation, the fuel assembly (4) remains in the container (3) and is subjected
to a sipping test.
1. Dispositif pour le nettoyage des surfaces d'un assemblage combustible (4) de réacteur
nucléaire qui est installé dans une cuve (3) remplie de liquide, la cuve (3) portant
sur sa périphérie plusieurs émetteurs d'ultrasons (14) dont les ondes sonores sont
dirigées sur l'assemblage combustible (4), caractérisé par le fait que les émetteurs
d'ultrasons (14) sont fixés sur au moins deux côtés extérieurs opposés (9, 12) de
la cuve (3) remplie d'eau placée dans une piscine (1), que les émetteurs d'ultrasons
(14) respectivement opposés sont situés sur un axe médian commun (31), que la cuve
(3) est munie d'une conduite (26, 32) pour la circulation de l'eau se trouvant à l'intérieur
de celle-ci et qu'une pompe de circulation (25) et un filtre (24) sont montés en série
dans la conduite (26, 32).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la cuve (3) est
fermée ou est réalisée ouverte sur le dessus.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'un dispositif
(29) pour la surveillance du degré de pureté de l'eau quittant la cuve (3) est installé
dans la conduite (26, 32) devant le filtre (24) vu dans le sens de l'écoulement.
4. Procédé pour le nettoyage des surfaces d'un assemblage combustible (4) de réacteur
nucléaire avec emploi d'un dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé
par le fait qu'à partir de côtés opposés, on soumet simultanément l'assemblage combustible
(4) à l'action d'ultrasons au moyen d'émetteurs d'ultrasons (14) de même puissance
et que l'on fait circuler l'eau de la cuve pendant le processus de nettoyage.
5. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'à la fin du processus
de nettoyage, on laisse l'assemblage combustible (4) dans la cuve (3) et on le soumet
à un sipping-test.