NORGE (19) [NO] STYRET FOR DET INDUSTRIELLE RETTSVERN [B] 02> UTLEGNINGSSKRIFT <n) Jfr. 158596 (51) int. ci. 4 G 21 C 17/10, G 01 L 13/06 (21) Patentsøknad nr. 831274 (22) Inngivelsesdag 22.11.83 (24) Lepedag 22.11.83 (62) Avdelt/utskilt (ra søknad nr. (7l)(73) Soker/Patenthaver AGIP NUCLEARE S.P.A., P.le E. Mattei 1, Roma, Italia. (J4) Internasjonal søknad nr. (86) Internasjonal inngivelsesdag (85) Videratøringsdag (41) Ålment tilgjengelig fra 23.D5.85 (44) Utlegningsdag 27.06.88 (72) Opptinner SAVERI0 GRANATA, Pisa, Italia. (74) Fullmektig Siv.ing. Henrik Levkowetz, (JO) Prioritet begjært Ingen. J.K. Thorsens Patentbureau A/S, Oslo. (54) Oppfinnelsens benevnelse TRTKKHALER FOR KJERNEBRENSEL- ELEMENTER. (57) Sammendrag En miniatyrisert trykkmåler som er innrettet for å måle trykket fra fisjonsgasser som utvikler i det indre av kjernebrenselelementer, har den grunnleggende egenskap at både dens kalibrering og følsomhet bibeholdes uforandret seiv etter å ha vært utsatt for bestråling i lengre tid. Måleren består av en syinderformet metallbeholder med to endeplugger og som inneholder to metallbelger, en bevegelig skive innlagt mellom belgene, en magnetisk kjerne forbundet med skiven samt to fjarer som under belastning ligger henholdsvis an mot hver sin side av skiven samt med den motsatte fjærende mot topp-pluggen eller bunnpluggen. Rett ut for disse indre deler av måleren er det på utsiden av beholderen anordnet on differensialtransformator for avføling av magnetkjernens bevegelse under varierende trykkpåvirkning av belgene. (56) Anforte publikasjoner Ingen.
1 15 8 5 9 6 Foreliggende oppfinnelse angår en miniatyrisert trykkmåler beregnet for måling av trykket fra fisjonsgasser som utvikles i det indre av kjernebrenselelementer. Bestemmelse av fisjonsgasstrykket tjener til kontroll av de indre forhold i kjernebrenselet, og denne kontroll kan finne sted under rutinemessige brenselinspeksjonsprøver som utføres periodisk i en kjerneeffektinstallasjon. Hovedformålet for foreliggende oppfinnelse er å frembringe en miniatyrisert trykkmåler for måling av fisjonsgasstrykk, og som har det grunnleggende særtrekk at kalibreringen og følsomheten av en sådan måler forblir upåvirket seiv etter å ha vært utsatt i lengre tid for bestråling, således at målingene kan utføres uten skade på de berørte brenselelementer. I henhold til konvensjonell måleteknikk, kan gasstrykket i det indre av en hermetisk forseglet beholder måles uten å skade beholderen. For dette formål kan det anvendes forskjellige typer trykkomformere, og når det gjelder kjernebreselelementer kan det anvendes trykkomformere av "differensialtransformator"-type med en bevegelig magnetisk kjerne. Prinsippet for sådant tidligere kjent teknikk er vist i fig. 1, som angir et vanlig kjernebrenselelement i varierende skala. I "plenum", hvilket vil si det øvre indre hulrom i brenselelementet, er det i tillegg til en fjær 2 for låsning av kjernebrenselelementet 1, også anordnet en bevegelig magnetisk kjerne 3 for differensialomformeren og som er sveiset til den nedre ende av en hermetisk avtettet metallbelg 4. Denne metallbelg er i sin tur i et stykke med topp-pluggen 5 for brenselelementet. Enhver trykkforskjell som frembringes i det indre av brenselelementet frembringer en krympning av metallbelgene 4 og således en forskyvning av den magnetiske kjerne 3.
5 8596 2 På utsiden av brenselelementet og uten forbindelse med dets indre er det i hensiktsmessig posisjon anordnet en elektrisk differensialtransformator, som består av en primærvikling 6 som tilføres vekselsstrøm, samt to sekundærviklinqer 7 oq 8 ende mot ende. Hvis kjernen 3 har en elektromaqnetisk symmetrisk plasserinq i omformeren, vil potensial forskjellen mellom viklingsendene 9 og 10 være null. Enhver forskyvning av kjernen bort fra en sådan null-stilling gir seg til kjenne ved at det opptrer en potensial-forskjell mellom uttakene 9 og 10, og som har en størrelse forskjellig fra null samt er proporsjonal (innenfor et vist område) med størrelsen av kjernenes forskyvning. Ved denne kjente tekniske løsning er imidlertid det foreliqqende måleproblem bare tilsynelatende løst, da visse omgivelsefaktor er er virksomme i kjernebrenselelementer, på sådan måte at målinger av ovenfor angitt art blir lite pålitelige, fremfor alt på grunn av skader som opptrer ved bestrålning av de foreliggende materialer. Det elastiske parti av metallbelgen taoer sine egenskaper fordi den hele tiden er utsatt for nøytronbombardement når den er i drift i det indre av reaktoren. Da oopholdstiden i reaktorens indre kan anslås til noen år og intet under denne tid kan utskiftes i det indre av brenselelementet, vil en kontinuerlig ettergivenhet av metallbelgens elastiske parti finne sted med tiden, hvilket gjør at måleenheten air feilaktige målesignaler når trykket øker, hvilket vil si under utvikling av fissjonsgass. Oqså det forhold at arbeidstemperaturen for metallbelgen kan anslås til omkrinq 400 C er en skadelig faktor for denne ettergivenhet, således at trvkkmålinqene etterhvert som tiden går vil bli ganske upålitelige. En annen ulempe er at transformatorene må anbringes på
3 158596 utsiden av brenselelementet når målinger skal finne sted, slik som under utførelsen av en brenselinspeksjon. Dette forhold medfører en ustabilitet av nullpunktet, således at målingene også av denne grunn blir mer og mer upålitelige. Det er imidlertid overraskende funnet at den miniatyr iser te trykkmåler i henhold til foreliggende oppfinnelse opphever de ulemper som foreligger ved den ovenfor angitte kjente teknikk oq gir pålitelige måleavlesninqer. Seiv om en sådan måleenhet også er utsatt for skader på grunn av ettergivenheten av de elastiske komponenter (fjæren og belgen), beholder den likevel sin følsomhet og nullinnstilling i drift, idet minste innenfor visse grenser. Dette forholder seg slik på grunn av det forhold at det følsomme oarti av den miniatyr iser te måler, hvilket vil si den indre del, er oppdelt i to soner av forskjellige metallbelger som er montert koaksialt i forhold til to metallfjærer og er forbundet med et skillediafragma (en skive) som kan svinge fritt omkring sin likevekt stilling (slik det best fremgår av fig. 2a). Den skade som frembringes ved bestråling og den som oppstår på grunn av oppvarming er omtrent like store og av motsatt fortegn for de to fjærer som virker på skiven og den frembrakte etterqivenhet av de elastiske komponenter virker således i motsatte retninger oq nøytraliseres således. Den miniatyr iser te måler i henhold til foreliggende oppfinnelse innføres i plenum av ferske brenselelementer i en kjernereaktor for effektproduksjon (før bestrålinq), slik som angitt i fiq. 2b. Det blir da mulig å måle fissjonsgassenes trykk i det indre av elementet ved bare å fjerne brenselelementet fra reaktorkjernen og overføre det til betjeningsbassenget, oq denne
158596 4 prosess er ikke skadelig for vedkommende brenselelement. Den miniatyriserte måler kan således qjentatte ganger anbringes i betjeninqsbassenget ved å hekte opp elementet i punkt 19. B:enselelementet kan så bringes tilbake i kjernen og/eller utsettes for spesielle effektramoebehandlinger eller varmcelleanalyse. Den miniatyr iser te måler i henhold til oppfinnelsen omfatter: a) en sylinderformet metallbeholder med to plugger i sine ytterender, idet den nedre pluqg er gjennomboret i eller nær sitt midtpunkt, b) to metallbelger i det indre av den sylinder formede beholder og med en diameter vesentliq mindre enn sylinderens innerdiameter, idet nevnte metallbelger i sin helhet befinner seg i det indre av beholderen oq strekker seq hovedsakelig langs hele beholderens lengde, c) en skive innlagt mellom de to metallbelger, idet det nedre parti av den øvre metallbelg er forbundet med skivens overside, mens undersiden av skiven står i forbindelse med topp-partiet av den nedre metallbelg, d) en maqnetisk kjerne av passende lengde og forbundet med nevnte skive i tilslutning til dens underside i nærheten av skivens senter og perpendikulært anordnet oa nevnte underside, e) to fjærer som under trykk eller strekk henholdsvis virker mellom oversiden av skiven og innsiden av topppluggen, samt, når det gjelder den annen fjær, spenner mot undersiden av skiven og innsiden av den nedre plugg, og
5 158596 f) en elektrisk diffenrensialtransformator som er i stand til å avføle forskyvninger av trykkvariasjoner, av magnetkjernen som en funksjon Topp-pluggen for det sylinder formede metallhylster har i eller nær sitt midtpunkt en gjennombor ing som oppretter forbindelse mellom det indre av den øvre metallbelg og utsiden, idet nevnte utboring fortrinnsvis fortsetter i et forlengelserør. Dette rør, eller utboringene alene, anvendes for å føre inn i det indre av den øvre metallbelg en inert gass under passende trykk. Når denne inerte gass er ført inn i det indre av den øvre belg avstenges røret eller utboringen hermetisk på vanlig måte. Det foretrekkes at metallbelgene når de ikke er i drift har samme lengde, men hvis så ønskes kan de også har forskjellig lengde, idet da fjærene i de to deler velges tilsvarende. De to fjærer kan eventuelt utelates, og metallbelgene kan da seiv være elastiske og ha elastiske egenskaper av fjærtype. De to metallbelger er fortrinnsvis forbundet med pluggene og skiven ved hjelp av sveising, men de kan også være skrudd fast til fremspring på pluggene og skiven, eller forbundet med disse deler på hvilken som helst annen hensiktsmessig måte. Magnetkjernen foreligger vanligvis i form av en stav av bløtt jern eller en stav av et passende sintret material. Hvis den øvre plugg har et utragende rør på utsiden, hvilket er hensiktsmessig for kalibreringsformål eller for innføring av gassen, kan røret i henhold til den foretrukkede utførelse av oppfinnelsen være forsynt med en skruegjenge for feste til pluggen på brenselelementet, således at den miniatyriserte måler kan installeres på enkel og billig måte i det indre av brenselelementet.
158596 6 Den miniatyr iser te trykkmåler i henhold til oppfinnelsen kalibreres og utprøves før den innføres i brenselelementet. Målerens indre trykk, som frembringes ved å tilføre helium eller en annen gass gjennom røret 1, samt påfølgende avkapping og sveising ved 12, fastlegges til en hensiktsmessig verdi på forhånd og opprettes (se fig. 2). Apparatet i henhold til oppfinnelsen er vist i detalj i den vedføyde fig. 2, som imidlertid ikke må betraktes som begrensende for foreliggende oppfinnelse. Henvisningstallet 1 angir røret for innføring av inert gass for kalibrering og utprøvningsfor mål. Henvisningstallet 2 er sveisesømmen som forbinder røret 1 med pluggen 4 på den miniatyr i ser te trykkmåler. Sveisesømmen 3 forbinder pluggen 4 med den rørformede beholder 7. Ved 4 og 11 er angitt henholdsvis topp-pluggen og bundpluggen for den rørformede beholder 7, som inneholder den følsomme del av den miniatyriserte trykkmåler. To metallbelger 5 er sveiset såvel til en skive 8 som hver sin av pluggene 4 og 11. Ved 6 er det angitt en fjar som metallskiven 8 er opphengt i, mens 9 angir en magnetkjerne som er anordnet i et stykke med skiven 8. Sveisesømmen 10 forbinder den nedre plugg 11 med den rørformede beholder 7. Det angitte punkt 7 er det sted hvor røret 1 på måleren kuttes av og avtettes før plasser ingen av måleren. I fig. 2b er måleren 17. vist inne i brenselelementet, som er avtettet ved sin topp-plugg 16. Henvisningstallet 15 angir, brenselelementets ytre hylster, mens 14 angir kjernebrenselbrikettene, 13 er en fjær som forspenner brikettene inne i brenselelementet og 18 er den differensialtransformator som er mekanisk festet til punktet 19. Utboringen 20 er den passasje som den utviklede gass i det indre av
7 159238 brenselelementet trenger inn i beholderen gjennom, som således kan måle trykkets størrelse. PATENTKRAV 1. Miniatyrisert trykkmåler for å måle trykk fra fissjonsgasser som utvikles i det indre av kjernebrenselelementer, k a r a k t e r i s e r t ved at måleren omfatter: a) eri sylinderformet metallbeholder (7) med to endeplugger (4,11), idet den nedre plugg (11) er gjennomboret i eller nær sitt midtpunkt, b) to metallbelger (5) i det indre av den sylinderformede beholder og med diameter vesentlig mindre enn innerdiameteren av den sylinderformede beholder (7), idet metallbelgene i sin helhet befinner seg innvendig i beholderen og strekker seg hovedsakelig langs hele beholderens lengde, c) en skive (8) innlagt mellom de metallbelgene (5), idet den nedre del av den øvre metallbelg er forbundet m.ed oversiden av skiven, mens undersiden av skiven er forbundet med det øvre parti av den nedre metallb.elg, d) en magnetisk kjerne (9) av passende lengde forbundet med nevnte skive (8) på dens underside, samt i nærheten av skivens midtpunkt og perpendikulært på nevnte underside, e) to fjærer (6) hvorav den første under trykk eller strekk ligger an mot oversiden av skiven (8) og innsiden av topp-pluggen (4), mens den annen fjær under trykk eller strekk ligger an mot undersiden av skiven og innsiden av den nedre plugg (11), og f) en elektrisk differensialtransformator (18) som er i stand til å avføle.forskyvninger av magnetkjernen (9) som en
158596 8 funksjon av trykkvariasjoner. 2. Trykkmåler som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t ved at topp-pluggen (4) for den sylinderformede metallbeholder (7) har en gjennomboring i eller nar sitt midtpunkt for å opprette forbindelse mellom det indre av den øvre metallbelg og den ytre atmosfære, idet nevnte utboring fortrinnsvis er forlenget med et ytre rør (1). 3. Trykkmåler som angitt i krav 1 og 2, k a r a k t e r i s e r t ved at røret (1) eller utboringen er innrettet for innføring av en inert gass under hensiktsmessig forut fastlagt trykk i det indre av den øvre metallbelg, hvoretter røret eller utboringen hermetisk. avtettes 4. Trykkmåler som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t ved at metallbelgene (5) i hvilestilling fortrinnsvis har samme lengde, eller eventuelt forskjellige lengder idet fjærene (6) i de to deler av måleren velges tilsvarende. 5. Trykkmåler som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t ved at de to metallbelger (5) er forbundet med hver sin plugg (4,11) samt med skiven (8), fortrinnsvis ved sveising eller fastskruing på fremspring på skiven og pluggene. 6. Trykkmåler som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t ved at magnetkjernen foreligger i form av en stav (9) av bløtt jern. 7. Trykkmåler som angitt i krav 1-6, k a r a k t e r i s e r t ved at den er anbrakt i det indre av en kjernereaktor med det formål å måle trykket av utviklet fissjonsgass under brenselinspeksjonsprøver i et spesialutrustet betjeningsbasseng uten skadelig virkning
9 158596 på vedkommende brenselelement. 8. Trykkmåler som angitt i krav 1-7, k a r a k t e r i s e r t ved at metallbelgene (5) har en iboende elastisitet av fjærelastisitetstype, (6) er utelatt. mens fjærene
158596