NORGE (iv) [NO] STYRET FOR DET INDUSTRIELLE RETTSVERN [B] (12, UTLEGNINGSSKRIFT (i» NR. 153468 (51) lm. Cl.' G 01 T 116 (21) Patentsoknad nr. (22) Inngivelsesdag (24) Lopedag 820759 1Q.03.82 10.03.82 (86) Internasjonal soknad nr. (86) Internasjonal inngivelsesdag ' (85) Videreforingsdag (62) Avdeltutskilt tra søknad nr. (71)(73) SokerPatenthaver SCANDP0WER AS, Os Allé 9, 1750 Halden. (41) Ålment tilgjengelig (ra 12.09.83 (44) Utlegningsdag 16.12.85 (72) Oppfinner ROBERT D. SMITH, Bethesda, MD, USA. (74) Fullmektig Siv.ing. Henrik Levkowetz, J.K. Thorsens Patentbureau AS, Oslo. (30) Prioritet begjært Ingen. (54) Oppfinnelsens benevnelse ANORDNING FOR EFFEKTMÅLING I HØYTTRYKKSOMGI VELSER. (57) Sammendrag Zircaloy-metall benyttes til å danne det varmegenererende legeme (kjernen) og den indre kledning av høytrykks-barrieren i et gamma-termometer. Den indre kledning, som har mindre tverrsnitt enn kjernen, utgjør en hydrogengass-barriere som forhindre svékkelse av den lave termiske ledningsevne i den termiske motstands-regionen i termometeret. (56) Anførte publikasjoner Norsk (NO) ålment tilgjengelig patentsøknad nr. 780568, 781773, Svensk (SE) uti.skrift nr. 395861.
1 153468 Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for effektmåling ved absorpsjon av gammastråler og for anvendelse i høyttrykksomgivelser i kjernereaktorer av trykkvannstype. En anordning av denne art betegnes ofte som et "gammastråletermometer" og er for eksempel beskrevet i norske patentskrifter nr. 147.162 og 148.577. Gammastråletermometre arbeider etter det prinsipp at varme utvikles i et indre varmelegeme eller en kjerne som følge av legemets absorpsjon av gammastråling. Den således utviklede varme overføres så langs regulerte varmestrømningsbaner til et varmesluk. Sådan varmestrømning frembringer et temperatursprang som er målbart og hovedsakelig proporsjonalt med den absorberte strålingsmengde pr. tidsenhet. Temperaturmålingen utføres ved hjelp av et temperaturfølende element som frembringer et elektrisk utgangssignal, slik som et termoelement. Dette utgangssignal kan avvike fra lineær proporsjonalitet som følge av manglende temperaturfølsomhet av det termisk ledende material som anvendes samt eventuell varmelekkasje langs andre baner enn de regulerte varmeledningsbaner. Det er gjort forsøk på å hindre uregulert varmelekkasje ved infrarød stråling samt ved gassledning fra varmelegemet eller temperaturføleren. Varmetap ved stråling kan da nedsettes ved at termometeret bringes til å arbeide innenfor begrensede temperaturområder. I lettvannsmodererte reaktorer holdes således følertemperaturer for eksempel under 450 C, således at strålingstapene utgjør en ubetydelig andel av den totale varmestrømning. Nedsettelse av varmetap som skriver seg fra gassledning er imidlertid et vanskeligere problem. For å nedsette gassledningstapene gjennom varmemofsfandsområdene i et gammastråletermometer er disse områder påført lavt trykk. Utgangssignalet fra vedkommende gammastråletermometer oppviser imidlertid en forandring med tiden i disse tilfeller. For å unngå dette er det da benyttet en fyllgass med lav termisk ledningsevne i varmemotstandsområdene. Skjønt det da blir oppnådd et stabilt utgangssignal, lekket imidlertid en betraktelig andel av varmen ut ved gassledning. Ved sådan anvendelse av fyllgass for å
153468 2 unngå signalforandringer med tiden er det videre funnet at forandringer i omgivelsetemperaturen likevel har frembragt en uønsket forandring av utgangssignalet. Det ble imidlertid etterhvert funnet at gassledningstap fra. gammastråletermometre i høy grad skrev seg fra hydrogengassforurensning av de termiske motstandsområder, slik som for eksempel evakuerte eller gassfylte kammere ved tidligere gammastråletermometre eller aksiale gap i varmelegemet ved gammatermometre av den type som er angitt i de ovenfor angitte norske patentskrifter. Sådan hydrogenforurensning fremkommer ved anvendelse av rustfritt austenitt-stål eller kromnikkellegeringsmetaller, slik som Iconel, som er gjennomtrengelige for hydrogengassmolekyler. Videre er sådanne metaller under høyt vakuum gjenstand for en utgasningsprosess, således at evakuerte områder av et gammastråletermometer i en kjernereaktor raskt opptar hydrogengassmolekyler som drastisk øker den termiske ledningsevne av vedkommende evakuerte område. I forbindelse med gassfylte områder av gammatermometre, forandres også disse områders termiske ledningsevne betraktelig ved opptak av hydrogengass i disse områder. Et metall som er vanlig brukt i raktorkjernekonstruksjoner er Zircaloy, da dette metall.oppviser lav oppfangning av termiske nøytroner. Zircaloy har også alle de termiske egenskaper som er nødvendig for den indre kjerne eller det legeme hvor varme frembringes i gammastråletermometeret. I tillegg er oksyderte overflater av Zircaloy forholdsvis ugjennomtrengelig for hydrogengass, og materialet i seg se!v absorberer faktisk hydrogenmolekyler ved høy temperatur og danner sammen med disse zirkonium-hydrid. I form av et tynt hylster eller som trykkbarriere er imidlertid Zircaloy ikke egnet for anvendelse i lengere tid under de påkjenningsforhold som foreligger i en trykkvannsreaktor, på grunn av dets forholdsvis lave mekaniske fasthet. Det er derfor et viktig formål for foreliggende oppfinnelse å
3 153468 frembringe et gammatermometer hvor hydrogenforurensning av termometerets termiske motstandsområder i høy grad er nedsatt, eventuelt ved bruk av Zircaloy, men likevel er i stand til å opprettholde trykkisoleringen av sådanne områder fra reaktoromgivelsene innenfor de dimensjonsgrenser som foreligger ved en sådan installasjon. Oppfinnelsen gjelder således en anordning for effektmåling i høyttrykksomgivelser ved absorpsjon av gammastråling og tilsvarende varmeutvikling i et målelegeme med forholdsvis høy ledningsevne og minst et termisk motstandsområde, idet en høytrykksskjerm er anordnet omkring målelegemet for å avskjerme motstandsområdet mot høyttrykksomgivelsene. På denne bakgrunn av kjent teknikk har så anordningen i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at trykkskjermen utgjøres av en ytre del med forholdsvis høy mekanisk fasthet og et indre sperresjikt for hydrogengass og med forholdsvis lav mekanisk fasthet. Fortrinnsvis utgjøres nevnte hydrogensperresjikt av en Zircaloy-muffe som danner en foring på innsiden av den ytre del, som omgir motstandsområdet. Målelegemet er også fortrinnsvis utført i Zircaloy og har et aksialt gap som danner motstandsområdet. Denne dobbeltsjiktutførelse av trykkskjermen gir den nødvendige styrke til å motstå påkjenningene ved de driftsforhold som foreligger i et brenselelement i en trykkvannreaktor innenfor de nødvendige dimensjonsbegrensninger ved en sådan installasjon. Trykkskjermens indre foring, som fortrinnsvis er utført i Zircaloy med mindre tverrsnittsdimensjon enn målelegemets indre kjerne, hindrer hydrogengassforurensning av det termiske motstandsområde, enten dette omfatter et evakuert eller gassfylt omhyldningsrom. Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av ut-
153468 4 førelseeksempler og under henvisning til de vedlagte tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser et lengdesnitt av et gammatermometer i henhold til en utførelse av foreliggende oppfinnelsen. Fig. 2 viser en del av et lengdesnitt gjennom en annen utførelse. Fig. 3 viser et lengdesnitt gjennom en tidligere type gammatermometer, og som anskueliggjør ennå en ytterligere utførelse av foreliggende oppfinnelse. Det skal nå nærmere henvises til fig. 1 som angir et gammastråletermometer av den type som er vist og beskrevet i norsk patentskrift nr. 147.162. Denne anordning er i sin helhet angitt ved henvisningstallet 10. Gammastråletermometeret er anbragt i høyttrykksomgivelser, slik som inne i et brenselelement i en kjernereaktor av trykkvannstype, og omfatter følgelig en ytre trykkskjerm som i sin helhet er angitt ved henvisningstallet 12. Beskyttende omgitt av den rørformede trykkskjerm er det anordnet et gammastråleabsorberende legeme 14 i form av en langstrakt fast kjerne hvori varme utvikles. Legemet 14 har sirkulær tverrsnittform, idet visse områder med konstant diameter er avbrudt av aksialt adskilte målesoner med nedsatt diameter og som danner termiske motstandsgap 16. En termoelementkabel 18 med flere skjøtepunkter er montert inne i en midtutboring i målelegemet for å kunne avgi temperatur - differansesignaler som gir uttrykk for den lokale vamrestrømning i de forskjellige målesoner. De termiske motstandsgap 16 er enten evakuert eller fylt med gass, slik som for eksempel argon, for å frembringe et motstandsområde med forholdsvis lav termisk ledningsevne sammenlignet med den høye termiske ledningsevne for legemet 14. For å kunne opprettholde høyt vakuum innenfor motstandsgapene eller å forhindre tap av lav termisk ledningsevne hvis et gassfylt rom benyttes, er den rørformede trykkskjerm 12 utført på en spesiell måte i henhold til foreliggende oppfin-
153468 5 neise. Den rørformede trykkskjerm omfatter en ytre del 20 av et material som for eksempel rustfritt stål eller Iconel og med den påkrevede mekaniske fasthet til å understøtte gammastråletermometeret og beskytte dets indre mot det omgivende høye trykk. Denne ytre del av trykkskjermen er imidlertid gjennomtrengelig for hydrogengass og avgir dessuten i blant sådan gass ved høy temperatur, hvilket tidligere har ført til termisk nedbrytning av motstandsgapene. Et sperresjikt 22 i form av en tynn muffe utført i ugjennomtrengelig material for hydrogengass, slik som Zircaloy., er derfor anordnet som en indre del av den rørformede trykkskjerm 12 omkring motstandsgapene 16. Skjønt muffen 22 i seg seiv vanligvis er uégnet for lengre tids anvendelse i konstruksjoner med høy påkjenning under drift, kan den likevel med hell benyttes i kombinasjon med den ytre del 20 av den rørformede trykkskjerm. Zircaloy-materialet i muffen har alle de ønskede egenskaper både for å opprettholde vakuum i motstandsgapene og for å hindre hydrogenforurensning av den fyllgass som eventuelt benyttes, da Zircaloy absorberer enhver hydrogengass som trenger gjennom den ytre dél 20. Ved en annen utførelse av foreliggende oppfinnelsegjenstand og som er vist i fig. 2, danner en ytre rørformet kappe 20' av rustfritt stål eller Iconel en ytre trykkbarriere for et antall aksialt adskilte indre følerseksjoner 24 som er bærende montert i kappen. Disse følerseksjoner er sammenkoblet ved hjelp av en felles termoelementkabel 18' med flere skjøtepunkter. Da følerseksjonene bare er innbyrdes sammenkoblet over kabelen 18', er de ute av stand til å utøve store kraftvirkninger på kappen 20' på grunn av innbyrdes forsk jeller i termisk utvidelsekoeffisient, samtidig som de befinner seg i god termisk kontakt med kappen. Hver følerseks jon omfatter et Zircaloy-legeme 14' som er utformet med et motstandsgap 16'. Dette gap er omgitt av en tynn Zircaloymuffe 22' som gjør tjeneste som et sperresjikt,for hydrogengass for derved å hindre hydrogennedbrytning av gapets termiske motstand.
153468 6 I fig. 3 er det vist et gammestråletermometer 24 av konvensjonell type, og som omfatter en ytre trykkbarriere 28 av rustfritt stål eller Iconel og som er innvendig foret med et sperresjikt 30 for hydrogen og 1 utført i Zircaloy-material, for derved samtidig å frembringe den nødvendige mekaniske styrke og immunitet for hydrogennedbrytning av kammeret 32 med lav termisk ledningsevne. Dette kammer er enten evakuert eller fylt med en gass som har lav termisk ledningsevne. Inne i kammeret er det anbragt et varmeutviklende legeme 34 av Zircaloy. Videre er et termoelement 36 med to skjøtepunkter innleiret i legemet 34. Ved hver av de beskrevne utførelser danner Zircaloy-foringen det indre sperresjikt for hydrogengass. Skjønt dette Zircaloy-sjikt har et forholdsvis lite tverrsnitt sammenlignet med den varmeutviklende kjerne, vil den sammen med den ytre del av trykkskjermen danne en sammenstilling med tilstrekkelig høy mekanisk fasthet, på tross av de dimensjonsbegrensninger som foreligger ved reaktorkonstruksjoner av den art som foreliggende oppfinnelsegjenstand er tilordnet.
7 153468 PATENTKRAV: 1. Anordning for effektmåling i høyttrykksomgivelser ved absorpsjon av gammastråling og tilsvarende varmeutvikling i et målelegeme (14) med forholdsvis høy ledningsevne og minst et termisk motstandsområde (16), idet en høytrykkskjerm (12) er anordnet omkring målelegemet for å avskjerme motstandsområdet mot høyttrykksomgivelsene, k a r a k t e r i s e r t ved at trykkskjermen (12) utgjøres av en ytre del (20) med forholdsvis høy mekanisk fasthet og et indre sperresjikt (22) for hydrogengass og med forholdsvis lav mekanisk fasthet. 2. Anordning som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t ved at nevnte hydrogensperresjikt (22) utgjøres av en Zircaloy-muffe som danner en foring på innsiden av den ytre del (20), som omgir motstandsområdet (16). 3. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, k a r a k t e r i s e r t ved at nevnte målelegeme (14) er utført i Zircaloy og med et aksialt gap (16) som danner motstandsområdet. 4. Anordning som angitt i krav 1-3, k a r a k t e r i s e r t ved at den ytre del (20) av trykkskjermen (12) er utført i rustfritt stål. 5. Anordning som angitt i krav 3 eller 4, k a r a k t e r T~s é r t ved at nevnte motstandsgap (16) er et evakuert rom som holdes under høyt vakuum av hydrogensperresjiktet (22). 6. Anordning som angitt i krav 3 eller 4, k a r a k t e r i s e r t ved at nevnte motstandsgap (16) er fylt med gass med lav varmeledningsevne.
153468 8 7. Anordning som angitt i krav 1-6, k a r a k t e r i s e r t ved at en bøyelig termoelementkabel (18) strekker seg gjennom målelegemet (14). 8. Anordning som angitt i krav 1-7, k a r a k t e r i s e r t ved at nevnte målelegeme utgjøres-av et langstrakt ensartet kjernestykke, idet flere motstandsområder er utformet i kjernestykket i form av gap i innbyrdes aksial avstand samt omgitt av hydrogensperresjiktet som strekker seg kontinuerlig mellom nevnte aksialt adskilte gap. 9. Anordning som angitt i krav 7, k a r a k t e r i s e r t ved at flere målelegemer med motstandsområder danner et antall innbyrdes adskilte temperaturtølere omgitt av en rørformet trykkskjerm. og sammenkoblet ved hjelp av termoelementkabelen. 10. Anordning som angitt i krav 1-9, k a r a k t e r i s e r t ved at nevnte hydrogensperresjikt har en tverrsnittsflate som er vesentlig mindre enn målelegemets tverrsnittsflate, idet både målelegemet og hydrogensperres jiktet er utført i Zircaloy.
153468 FIG. I. FIG. 2. i > V 1 's N > w f i -24 20' 22 FIG. 3: