用超声波清理有辐射性的核子燃料组件的装置和方法 本申请享有对1999年4月8日提出的系列号为60/128 391的题为“用超声波清理有辐射性的核子燃料组件的装置和方法”的临时专利申请的优先权。
发明简要说明
本发明总的涉及核子动力站的维护，尤其涉及一种用超声波清理核子动力站的有辐射性的核子燃料组件的技术。
【发明背景】
在核子动力反应堆工作过程中，各种杂质和反应堆冷却剂的产物沉积在核子燃料组件上。这些沉积物可以多种方式影响核子动力站的工作和维护，例如：(a)这些沉积物的中子的性质可能对核子反应堆的性能有不利影响；(b)这些沉积物的耐热性，可使燃料棒的表面温度升高，从而可能导致燃料棒材料毁坏；(c)当这些沉积物在整个反应堆冷却剂系统中重新分配时，它们的放射性衰变会造成工作辐射暴露，尤其是在动力瞬变过程中更是如此；(d)这些沉积物使通过用肉眼和涡流方法检查这些有辐射性的核子燃料组件变得非常复杂；(e)从燃料棒上释出地沉积物，会降低消耗燃料池的可见度，严重地延迟在停止加燃料过程中在该燃料池中进行的其他工作；(f)一旦这些燃料组件重新装在该反应堆中，这些沉积物会第二次或第三次辐射；它们以有害的方式形成一批可以重新在新的燃料组件上分配的材料。目前，除了缓慢的手动方法以外，还没有有效的和廉价的清除有辐射性的核子燃料组件上的这种沉积物的方法。
近来报告，在加压水反应堆(PWRs)中有异常的轴向偏移现象(ACA)出现。ACA是由于反应堆和主要系统的局部热-液力条件与初级侧的流体杂质特性综合造成的，沉积物在燃料棒上形成金属包壳的一种现象。这些沉积物象毒物一样，作用于核子反应，并且沿着堆芯的轴线，造成不正常的动力分配，使在某些工作条件下的安全系统降低。AOA迫使某些核子动力站要长期地减小反应堆的功率水平。
由于AOA的问题，因此必需开发一种有效的、廉价的去除加压水反应堆(PWR)中的燃料沉积物的机构。为了将总的各种沉积物的辐射性减少至工厂人员能接受的较低的剂量率，改善燃料的检查，使燃料能够长期地干燥贮存，和便于收集杂质样品供分析使用，这种机构也是较理想的。
已经提出了几种清除PWR燃料沉积物的方法。一种方法是在原地，用化学方法清理反应堆中的燃料组件；或是取下至一个单独的清理室之后进行化学方法清理。这种方法有几个问题，即：成本、清理用的化学药品的腐蚀作用，和难以处理所产生的高度污染的化学物质。这种化学方法的最大缺点是耗费时间多，需要几个小时才能清理一个燃料组件。
所采用的另一种方法是使冰的碎屑在一个清理室中循环，这时，通过燃料棒的冰屑流，慢慢地将沉积物除去。这种方法有一些令人担忧的地方，这包括：清理的有效性，难以使冰屑通过某些燃料支承结构，需要制造大量的冰屑，低温对燃料棒结构整体性的影响，和硼在消耗的燃料池中的稀释。
过去，在制造过程中，曾经用通常的超声波来清理单个的燃料棒和燃料通道。然而，通常的超声波由于每单位体积所能产生的功率密度低，因此，在清理有辐射性的燃料组件中的大捆的燃料棒时，不是非常有效的。另外，通常的清理用的超声波传感器较大，难以在一般的核子动力站燃料池中实现。
考虑到上述的问题，因此非常需要提供一种省时、有效、成本低的清除有辐射性的核子燃料组件中的沉积物的方法。
发明概要
本发明包括一种用于清理有辐射性的核子燃料组件的装置。该装置包括一个容纳核子燃料组件的壳体。在该壳体上安置着一组超声波传感器，用以供给沿径向发射的全方位的超声波能量，以除去该核子燃料组件上的沉积物。
本发明的方法旨在清理一个有辐射性的核子燃料组件。该方法包括将一个核子燃料组件安置在靠近该壳体的地方的步骤。然后，从安置在该壳体上的传感器，将径向发全方位的超声波能量，送往该核子燃料组件，以除去该核子燃料组件上的沉积物。
附图简要说明
为了更好地了解本发明，可以参考以下结合附图进行的详细说明。其中：
图1为根据本发明的一个实施例制造的一种超声波清理装置的正视图；
图2表示根据本发明的一个实施例所使用的，用以产生沿径向方向发射的全方位能量的一种超声波传感器；
图3为图1所示的超声波清理装置的侧视图；
图4为一个核子燃料组件放在内面的图1所示的超声波清理装置的平面图；
图5表示根据本发明的一个实施例所使用的图1所示的超声波清理装置，和相应的泵与过滤设备；
图6(a)～6(c)表示将一个燃料组件放入本发明的超声波清理装置的壳体内的过程；
图7表示使用安置在对角线上的超声波传感器的本发明的一个实施例；
图8(a)～8(b)表示根据本发明的一个实施例的一种移动式超声波清理装置；
图9表示带有一个整体式的泵和过滤系统的本发明的超声波清理装置；
图10～图12表示与沸水反应堆共同使用的一种超声波清理装置。
在所有附图中，相同的标号表示相应的零件。
发明的详细说明
图1为根据本发明的一个实施例制造的一种超声波清理装置20的正视图。该装置20包括安装在一个壳体24上的超声波传感器22。在壳体24的顶部，安置着一个导向件28。一个核子燃料组件(图1中没有示出)通过该导向件28，进入该壳体24中。如下面所述，一旦将该核子燃料组件放入该壳体24内，通过使用从该超声波传感器22发出的超声波能量，可以清理该核子燃料组件。
可以利用组件反力支承26，将该壳体24安装在一个清理池的壁面上。另一种方式是，该壳体24可以由一台起重机或吊车支承。图1还表示了过滤管路32和一个紧急冷却孔30，供在上述过滤系统损坏时使用。在设备出现故障(例如泵损伤)的情况下，该紧急冷却孔30可通过自然对流，清除燃料通过中的核子燃料衰变放出的热量。如下面所述，过滤管路32用于将充满被除去的沉积物的水送至一个过滤装置。
上述超声波传感器22可以安装在传感器安装板34上。该传感器安装板34用于使该传感器22与上述壳体24连接起来。传感器隔套36用于将该传感器22安装在该安装板34的适当位置上。
图2表示在根据本发明的一个实施例中使用的传感器22。该传感器22包括安装在杆44相对二侧上的第一个压电式传感器或一堆传感器40，和第二个压电式传感器或一堆传感器42。该传感器40和42接收线路46上的控制信号。该传感器22的结构，可以产生从上述杆44，向所有方向发射的径向压力波。因此，将该径向发射的压力波称为全方位的压力波。
在根据本发明的一个实施例中使用的该全方位的压力波，与通常的超声波发生器的液体中振动时产生的单向的压力波大不相同。由于是由一个平面结构-例如固定该发生器的超声波发生池的壁面或底面-的运动产生的，因此，该单向压力波的波前名义上是平面形的。当该压力波碰到实际物体时，发射的能量就散射开来。这样，在一个核子燃料组件的燃料棒的情况下，由于很难使该单向压力波的超声能量一直进入该燃料组件的中心，因此难以使用通常的超声波。要做到这点所需的能量过大，可能会损坏燃料。
本发明的传感器22产生全方位的压力波。波前是由该二个压电式传感器40和42的锁相运动产生。如果在圆柱形表面上产生的压力波能使其沿着燃料棒轴线的节点结构之间的间隔，近似地与该燃料棒的间隔，或多个燃料棒的间隔相当，则该压力波可以容易地穿透多排燃料棒。因此，清理上述燃料捆内的内部燃料棒所需的能量输入，比采用通常的超声波来清理该内部燃料棒所需的能量输入小得多。换句话说，上述超声波传感器，它们的偏置安置及其反射器共同作用，产生在燃料组件内部具有足够能量的一个充满空间的能量场，可以快速地从屏蔽很好的燃料棒上清除掉沉积物，而不会将太多的能量传送至一根燃料棒，致使上述的沉积物金属包覆运动实际上将燃料芯块损坏。
本发明是使用德国，Staubenhtordt市的Martin WalterUltra-Schalltechnik，GMBH，销售的推拉式(Push-Pull)传感器实现的。这些传感器在美国专利5200 666号中作了说明，这里引入该专利供参考。超声波频率在20KHz-30KHz之间，和传感器功率在1000～1500W之间证明是成功的。这样产生的能量密度为20～30瓦特/加仑(W/gallon)，这对于清除一个有辐射性的燃料组件上的沉积物是特别有效的能量密度。这个能量密度比使用通常的超声波传感器时所需要的能量密度要小很多。
根据本发明，可以用来产生径向发射的全方位能量的其他传感器包括：telsonic辐射器(管)传感器和sonvtrode传感器(在一根燃料棒的一侧有一个传感器)。
在一个实施例中，传感器体44是由钛制成的，并且使用了不锈钠的端盖。该装置所带的各种密封垫片，钢丝绳和接头的形状，应满足在一个消耗燃料池内工作的要求，并且必须满足在核子动力站中通用的所有典型的兼容性需要和安全要求(例如，排除外来物质或FME的要求，在燃料搬运区中的要求)。
图3为图1所示装置20的侧视图。图3表示了燃料通道或壳体24，装置反力支承26，导向件28，过滤管路32，反射器50和一个装置安装梁52。反射器50用于增加输出至燃料组件的超声能量的数量；即：反射器50将超声波能量反射至燃料组件中。装置安装梁52用于将上述的传感器安装板34与装置反力支承26连接。如下面所述，装置反力支承26压在进行清理工作的燃料池的壁54上。
壳体24、传感器安装板34，隔套36和反射器50可由不锈钢制成。其他满足核子动力站一般的安全和材料兼容性要求的材料也可以使用。特别是，所选择的材料应适合用于核子动力站的包括上述的消耗燃料池和容器装载坑在内的燃料储存和运输区域。
最好，该壳体24的内表面经过电抛光，以减少放射性颗粒沉积在这些表面上，或积聚在这些表面的坑或裂隙中的机会。这可使拆卸和运输该壳体时，操作人员不会暴露在放射性颗粒的辐射之下。人们已经看到，上述超声波传感器22可以用于清理该壳体24，即：当壳体24排空时，该传感器22就启动，清除该壳体24的壁面上的沉积物。
图4为该超声波清理装置20的平面图。图4清楚地表示上述的下列零件：传感器22、壳体24、传感2器安装板34、传感器隔套36、和反射器50。图中还表示了壳体衬垫60，该衬垫60使超声波能量通入不面对传感器组的该装置的二个侧面。每一个反射器50都包括一个反射器的内表面56，和一个由气隙56隔开的外表面54。这种结构在反射超声波能量方面特别有效。
图4还表示安置在该壳体24内的一个燃料组件70。该燃料组件70包括多个单个的燃料棒72。沉积物74粘附在燃料棒72上。根据本发明，可以除去这种形式的沉积物。
图4表示一个17×17的燃料组件70。该壳体24的结构可以接受轻水反应堆燃料的所有设计方式。当然，该壳体也可以作成用于另外一些燃料源。
图1～4所示的装置提供了能量密度高的超声波，可以去除有辐射性的核子燃料组件上的粘附很牢固的沉积物。具体地说，该超声波传感器22产生可穿透进入上述燃料捆70的中心的功率密度和声场，从而可清理位于该声场中的燃料棒上的金属包壳。该二组传感器22沿着该燃料组件的二侧(例如，如图1所示)，安装在垂直方向上(轴的方向是水平的)。图1表示传感器22在该壳体24的顶部，因为这与大多数加压水反应堆中的沉积物的位置相适应。当然，该传感器22也可以沿着壳体24的整个长度安置，或放在几个有限的关键位置上。
一般，一个燃料组件70内的燃料棒的数目大于200，并排列成一个有一定间距的方形阵列(例如，17×17)。在一个要进行清理的燃料组件中，装有燃料芯块堆的金属包壳上覆盖着要清除掉的沉积物。对于每一组垂直安置的传感器，相邻的传感器在横向方向上是偏置的，使得在系统工作过程中，在一个传感器上的节点(即对于被激励的模态形状，位移为零的点)，与相邻的上端和下端的传感器上的最大位移的点在一直线上。另外，每一个传感器在轴向也是这样与位于该燃料组件的相对一侧上的传感器偏置的。换句话说，希望将传感器安置成，沿着被此面对的传感器的轴线，互相偏移半个波(或多个波)。传感器的这种位置，大大改善了超声波能量对燃料捆的穿透。
图5表示本发明的装置20放在一个燃料池80中的情况。该装置20是利用上述的装置反力支承26安装的。还可以用钢丝绳82支承该装置20。该装置20具有一个相应的泵和过滤组件90。该组件90包括至少一个泵92和一组过滤器94。最好，在该泵的入口处安置一个辐射传感器96。该辐射传感器96用于确定该燃料组件是否是清理的。具体地说，当该传感器96上的γ射线的放射性强度降低至原始值时，则不需要再清除燃料沉积物颗粒，因此，清理工作完成。
图5还表示了本发明的实施例所带的一个辅助控制设备100。该设备可以包括超声波功率发生器102、泵和过滤控制线路106和过滤与清理系统108。
图6(a)～6(b)表示将一个燃料组件70放入上述壳体24中的一个简图。该燃料组件70是使用一台吊车110放入的。图6(a)表示该燃料组件70在上述壳体24内、图6(b)表示该燃料组件70部分地以该壳体24中取出。图6(c)表示该燃料组件70已从该壳体24中取出。图6(a)～6(b)中的吊车110可以用在图5所示的系统中，将一个燃料组件70插入燃料池80中，和从该池中取出。在超声波清理过程中，也可以利用该吊车110来重新安置该燃料组件70，以便清理沿着该燃料组件70的轴向长度的不同区域。
一旦将一个燃料组件70放在该壳体24内，超声波清理工作就开始。使用频率大约为20～30KHz和传感器功率为1000～1500W的沿径向发射的全方位超声波，可以得到较成功的结果。从图5中可看出，泵92通过过滤器组件吸水，并用抽吸的水冲洗被上述传感器22产生的超声波能量除去的沉积物。由于水是通过上述壳体24向下流动的，因此不需要密封壳体24的顶部。
最好，该燃料组件70总是由该吊车110支承，这样，在清理过程中，该壳体24实际上不支承该燃料组件70的重量。如上所述，上述传感器22安装在上述壳体24的外面，使超声波能量可穿过该壳体的壁面。试验表明，上述壳体壁面的交错配置的主要作用是削弱超声波信号的低频部分。主要对清理工作的有效性起作用的超声波信号的高频部分(即：频率大于10KHz的部分)，通过设计恰当的壳体，衰减很小。
根据本发明的通常清理工作的顺序如下。吊车110从一个燃料存放架上提起一个燃料组件70。该吊车110所带的移动机械，将该燃料组件70运至燃料清理池80或某个其他的清理站。最好，在将该燃料组件70插入上述壳体24中时，将该燃料组件70拍摄成录相带。作为一个例子，图6(b)表示了一个安置在该壳体24的顶部，用于给该燃料组件70拍录相的照相机120。然后，给上述传感器22通电。最好，利用该吊车110，以二分钟的间隔，将该燃料组件70提上来和放下去(即提上去2分钟，放下去2分钟)。每一次提上放下的距离最好大约为几英寸。
γ射线辐射的放射性强度由传感器96监测。带有放射性燃料沉积物颗粒的水，由泵92通过过滤器94泵入，再回到上述燃料清理池80中。最好要监测上述过滤器94的总的放射性强度。一旦在上述传感器96上的γ射线放射性强度降低至原始值，则不再需要清除燃料沉积物颗粒，因此，清理工作就完成了。一段的清理工作需要7～10分钟。这与先前技术的持续几小时的化学清理方法形成鲜明的对比。通过增大传感器的功率，可以减少根据本发明的清理装置进行清理所需的时间。现有的实验结果表明，增加上述传感器的功率，不会损坏燃料芯块。
在清理的工作之后，将拍成录相带的该燃料组件70，从上述壳体24中取出。研究清理前和清理后的录相带，可以确信清理工作的成功。
然后，该吊车110将该燃料组件70运至上述燃料贮存架。现在，该清理系统可以接受下一个要清理的燃料组件70。在壳体24的支承很牢固和强有力的情况下，可以用一台吊车110去装载一组超声波清理装置20。这种结构可提高总的生产率。
本发明的方法在当停止加燃料时，按照本发明的方法进行处理的16个一次性使用的有辐射性燃料组件中，证明是成功的。然后，将清理过的燃料组件重新装入反应堆中，接受下一次的辐射。监测该燃料组件，看有无燃料芯块的整体性变坏的迹象；和有无造成轴向偏置异常现象的燃料沉积物可能没有充分清除掉的迹象。在反应堆启动时，燃料芯块受到最严重的应力作用。然而，在重新启动时，该应力对燃料芯块没有不利的影响；并且在反应堆连续工作过程中，该应力也没有不利的影响。另外，中子流图显示，在该燃料组件栅格下面的最关键区域上的燃料沉积物被完全清除，致使该燃料组件象新的燃料一样，没有异常的中子流减少的迹象。
除了显示本发明在使用中的有效性以外，本发明还成功地经受了各种各样的实验室试验。特别是，利用在空气中氧化(air-oxidized)的锆锡合金制的燃料包层的试件，进行了一系列的试验。具体地，是试验了一个17×17的燃料棒组件的实验室模型。试验表明，没有由于长时间地暴露在本发明的超声波清理作用下而造成燃料棒包层氧化物的金相组织损坏。这些试验表明，该燃料棒的包层(包含有燃料芯块的圆柱形金属壁，该二者综合起来构成燃料棒)不会因该燃料组件暴露在超声波清理过程中而受到不利影响。
本发明的超声波清理方法可以进行清理，而不会给燃料芯块加上一个潜在的损坏力。在根据本发明的实施例中使用的超声波，不会穿透在燃料芯块和其包层的内表面之间形成的气隙，因此，有害的振动能量传递给燃料芯块的唯一途径，是通过该包层的内表面在燃料芯块上的运动。试验结果表明，该包层的振动频谱，可以与在工作过程中，燃料所经历的振动频谱相比较。由于清理在上述燃料捆内的内部的燃料棒所需要的高得多的能量输入，对燃料芯块是有害的；因此，通常的超声波都不希望有这种受到反应堆中的工作条件限制的、有害的振动。
技术熟练的人们懂得，本发明可以有各种不同的实现方式。作为例子，图7～10表示了另外的一些实施例。
图7表示本发明的传感器22的方向，在垂直平面内成45°，而不是如先前的实施例中那样，是水平的。该传感器22可以放在安置托架122的一个安置块体120内。作为例子，图7的装置可以安装在图6(a)～6(c)中的壳体24的顶部。如图6(a)～6(c)所示那样，在本实施例中，在清理过程中、该燃料组件70被升高和降低，以上述传感器旁边经过。
应当指出，本发明的传感器可以安置在该壳体24的所有四个侧面上。这些实施例中的每一个传感器都包括有反射器。
图8(a)表明本发明的一个实施例，其中，传感器22安装在一个壳体130上。该壳体130在清理过程中升高和下降，同时该燃料组件70保持静止不动。本发明的这个实施例说明，该壳体130不需要包围着该燃料组件。在图1～5所示的实施例中，该壳体24保护着燃料，改善过滤和冷却，并装盛着除去的沉积物。该壳体也可以简单地支承该超声波传感器，如图8a所示那样。
图8a中的壳体130与一条提升钢丝绳132固定在一起。采用一个平衡配重134来平衡该壳体130的重量。该平衡配重134与一条提升钢丝绳133固定在一起。提升钢丝绳132由安置在一个支承梁138上的绞车136带动运动。可以使用一个制动器140来控制该壳体130的运动。
图8(b)为壳体130的详细结构图。在这个实施例中，传感器22安装在壳体130的导向件150上，该导向件150附带有一个反射器152。
图9表示用于接收本发明的超声波清理装置和一个相应的燃料组件的通道160。该通道160包括一个整体式泵162和整体式过滤器164与166。这样，在这个实施例中，单一一个整体或系统提供了清理和过滤功能。过滤器164为供内部循环使用的一个粗过滤器，而过滤器166可以是在最后清理过程中，将燃料排放至一个燃料池中的精过滤器。块体168表示该精过滤器166可以作成多个打褶的过滤器(例如，9个2英寸的滤芯是打褶的材料制成的过滤器)组成的一个块体。
图10～12表示用于沸水反应堆的本发明的一个实施例。具体地说，图10表示用于清理与沸水反应堆一起使用的带有通道的燃料的装置，在使用时不需要去除该燃料组件的通道。图10表示支承一组垂直安装的传感器22的壳体200。虽然图10中没有示出，该传感器可以分布在该壳体200的轴向全部长度上。
图11为沿着图10中的11-11线所取的壳体200的顶视图。图11表示包围着一个燃料组件202的多个垂直安装的传感器22。最好，该壳体200包括一个反射器204。图12表示包括一个内反射表面206和一个外表面208的反射器204。在该内反射表面206和外表面208之间有一个气隙210。
技术熟练的人们知道，本发明提供了一种省时、有效、紧凑，低成本的去除核子燃料组件上的沉积物的方法。本发明的方法与先前技术的化学清理方法比较，清理速度极其快速。
本发明还可以不需拆开上述燃料组件，来清理该燃料组件。本发明的方法不会产生可能威胁到有辐射性的燃料芯块的整体性的、不利的该芯块金属包层的位移。换句话说，本发明可以清理一个燃料组件中的内部沉积物，而不会在接下来的反应堆重新启动过程中带来任何不良后果。
本发明的另一个显著的优点是改善辐射的管理，和减少核子动力站人员暴露在放射线辐射中的机会。被清理过程除去的燃料沉积物颗粒，实际上是与停机时，由于在燃料芯块中的热/水力瞬变过程引起的，在冷却剂回路中分配的，对工作人员造成最大辐射剂量的同样的放射性物质。这样，通过清理该燃料，和将放射性的颗粒灌注在本身可以长时间地安全存放在燃料池中的过滤器上。同时，放射性强度衰减了，可以减小停机时的放射性剂量率和对人员的辐射剂量。因此，燃料的清理，作为放射性剂量率控制和减小放射性剂量率的一个战略措施，是降低辐射管理成本的一种有生命力的新方法。
以上的说明仅定为了说明的目的，利用了具体的实施例，以便彻底地理解本发明。然而，熟悉本技术的人们知道，为了实现本发明并不需要这些具体的细节。在另外一些情况下，为了避免不必要的分散对本发明的注意力，用方框图的形式来表示一些众所周知的线路和装置。因此，以上对本发明具体的实施例的说明，且是为了说明的目的。这些实施例并不是穷举的，并不要将本发明限制在所公开的精确形式中，而根据上述的说明，可以对本发明作许多改进和变更。选择和说明这些实施例是为了最清楚地说明本发明的原理，其及实际应用，从而使熟悉本技术的人们可以最好地将本发明和带有各种不同改进的各种的实施例应用到预期的特定的用途中。本发明的范围要由下述权利要求及其等同物限定。