用于对燃料棒盒实施密封度检测的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于对包含至少一个燃料棒和试验气体的燃料棒盒实施密封度检测的装置，其包括构造成用于容纳至少一个燃料棒盒的测试容器，该测试容器可下沉到核技术设施的充满水的池中。此外，本发明还涉及一种利用这种装置对包含至少一个燃料棒和试验气体的燃料棒盒实施密封度检测的方法。

已公知的是，核反应堆的燃料棒在运行时可能是密封性差的，即水可能会渗入其中。一旦识别燃料棒具有这种缺陷，则通常在水下将其封装在燃料棒盒中，以防止放射性裂变产物，特别是放射性气体逸出。在此，燃料棒的封装在足够的深度中进行，使得燃料棒盒的打开和关闭借助合适的操纵器远程控制来实现。打开燃料棒盒并引入燃料棒之后，渗入燃料棒盒中的水被鼓入的试验气体挤出，并且燃料棒盒被传送到封装装置中。在该封装装置中，位于燃料棒盒中的燃料棒通过用热的试验气体流经燃料棒盒来加热，从而使燃料棒中的水蒸发。通过烘干试验气体或用干燥的试验气体更换潮湿的气体来除去封装装置中的水蒸汽之后，燃料棒盒被封闭并在封闭位置被焊接。将已焊接的并从而已密封的燃料棒盒从封装装置移除之后还需对其进行密封度检测。此外如有必要，在将燃料棒盒输送到最终处置库或后处理设施之前，将容纳燃料棒的燃料棒盒暂存在注有水的存储池中。

公知的是检查燃料棒本身的密封度或检查包含至少一个燃料棒的燃料棒盒的密封度。

例如从de19542330a1中公知一种用于对燃料棒进行密封度检测的方法，其中对从燃料元件中逸出的气体的气态的裂变产物的含量进行分析。

wo2007/071337描述了对包含至少一个燃料棒的燃料棒盒的检测。燃料棒盒被引进测试容器中，该测试容器位于水面下在核技术设施的已被充满的池内。借助水下摄像机来检测泄漏，其中借助所检测到的气泡的数量和大小来估计泄漏率。

从该现有技术出发，本发明的任务在于对燃料棒盒实施密封度检测进行如下改进，致使能够特别精确地确定泄漏率。

在装置方面，该任务通过具有专利权利要求1的进一步特征的前述类型的用于实施密封度检测的装置得以实现。

本发明的有利的实施形式是从属权利要求的主题。

用于对包含至少一个燃料棒和试验气体的燃料棒盒实施密封度检测的装置包括被构造成用于容纳至少一个燃料棒盒的测试容器，该测试容器可下沉到核设施的充满水的池中。根据本发明，质谱仪可与测试容器的内部流体连接，使得可向质谱仪供给气流用于检测从燃料棒盒扩散到测试容器中的试验气体的浓度。

因此，密封度检测的整个过程也和燃料棒的封装过程一样可在水下实施。为此，测试容器被下沉在池中，例如被下沉在核电厂的存储池中。除包含至少一个燃料棒外，燃料棒盒还包含处于已知的预定压力下的试验气体。试验气体通过可能存在于燃料棒盒中的泄漏处扩散到测试容器内部中。测试容器的内部通过管路和必要时布置在其间的阀与质谱仪相连，从而在建立流体连接之后，试验气体能够供给至质谱仪。借助质谱仪进行选择性探测试验气体能实现特别精确地确定气流中所含的试验气体的浓度。因此，由试验气体的以这种方式确定的浓度推断出来的泄漏率具有提高的精确度。

通常使用氦气作为试验气体来进行根据常规工业标准的密封度检测。但在本应用情况下使用与此不同的氩气作为试验气体被证明是特别有利的。因此，优选将质谱仪构造成用于检测从燃料棒盒中扩散出来的氩气的浓度。在水下将燃料棒封闭在燃料棒盒中之后，并未排除燃料棒盒内仍留存着一定的残余湿气。这同样适用于测试容器本身，其通常在引进燃料棒盒时被池中的水淹没。因此，在检验密封性之前，燃料棒盒内部或测试容器可能是不完全干燥的。特别地，如果要借助质谱法检测从中扩散出来的氦气的浓度时，这会很有问题，因为氦和来源于残余湿气中的氢具有类似的原子质量。因此，如果使用氦气作为试验气体，则测量结果会有比较大的不准确性。若在燃料棒盒内以定义的压力下填充具有明显不同于氢的原子质量的氩气作为试验气体，那么经此就避免了该问题。

替代地，也可以使用其它惰性气体作为试验气体。

在优选的实施例中，测试容器可以如下方式构造成可排气的(evakuierbar)，使得在测试容器内部中，相对于由测试容器四周的水引起的流体静压力而减小的内部压力是可调节的。换而言之，测试容器的内部可以特别通过阀布置或以类似的方式与环境的流体静压力隔离，使得例如可以借助真空泵将测试容器的内部中的内部压力调节到适合密封度检测的值。这是在确定泄漏率时特别为了指定定义的边界条件所期望的，其中燃料棒盒的内部与测试容器的内部之间的压力差必须已知。相对于燃料棒盒的内部的压力，适当地降低测试容器内的内部压力辅助试验气体从燃料棒盒扩散出来，从而使试验过程占用更少的时间。

优选地，测试容器在其下端具有通向池的内部的连接设备。该连接设备被用作存在于测试容器中的在引进至少一个燃料棒盒时渗入其中的水的排出口。为此，特别设置成将处于压力下的冲洗气体(spülgas)引入测试容器的内部，该冲洗气体将水排挤出来并将其通过布置在测试容器的最低点的连接设备排放到池中。为此，冲洗气体至测试容器的输送例如可以借助真空泵以相应的输送功率得以实现。特别是在使用氩气作为试验气体的实施例中，尽可能地排空测试容器的水是期望的。氩气具有相对良好的水溶性，从而使得测试容器中残存的剩余水可以显著地影响测试结果并使测试结果大大失真。

特别优选地，测试容器的上端可与第一储器流体连接，冲洗气体可在一定的压力下贮存在该第一储器中。冲洗气体在第一储器中处于如此大的压力下，使得被水充注的测试容器能够完全被冲洗气体充满，方式是例如通过打开阀提供第一储器与测试容器之间的流体连接。为此有必要的是，第一储器内的压力大于由测试容器四周的水产生的流体静压力。由于避免了使用维修工作量大的输送设备，特别是真空泵来输送冲洗气体，所以这样构造的装置具有特别简单且坚固的结构形式。

优选地，第一储器可与质谱仪的取样点流体连接。因此，允许用冲洗气体冲洗且如有必要烘干将气流引导至质谱仪的管路。

在本发明的改进形式中设置了第二储器，测试气体可在压力下贮存其中。第二储器也可以例如经由适当的阀位置(ventilstellung)与取样点流体连接。在这种情况下以校准质谱仪为目的实现至取样点的供给。测试气体在已知的压力下贮存在第二储器中且可控制地供给到取样点，使得质谱仪的校准在定义的条件下实现。测试气体含有具有少量比例的试验气体的冲洗气体。在这种情况下，冲洗气体中所含有的试验气体的浓度略高于质谱仪的检测极限，从而质谱仪能够通过控制性地供给测试气体被校准。

优选地，取样点与第一储器之间和/或取样点与第二储器之间至少有一个体积调节阀，以便调节冲洗气体或测试气体的体积流量。借助用于测试气体的至少一个体积调节阀可改变体积流量并可将体积流量调节到一定数值，从而确保质谱仪的精确校准。

此外，设置在测试容器下端的连接设备在优选的实施例中还可以用于用池中的水控制性地淹没测试容器。在本实施例中，测试容器的内部在上端例如借助阀布置或类似布置与质谱仪的取样点流体连接，从而通过将水引导通过连接设备来实现存在于测试容器中的气柱至取样点的输送。因此，根据本实施形式能够利用周围的水的流体静压力，以便将存在于测试容器中的并且在有泄漏处时的含有试验气体的气柱以如下方式实际上完全供给至质谱仪，即控制性地用池中的水淹没测试容器。

在具体的实施例中，用于控制性地淹没测试容器的连接设备具有换气设备。该换气设备包括内部容器，第二容器倒扣在该内部容器上。内部容器中有来自池中的可能含有间或溶解的氩气的水。用冲洗气体，特别是氮气排空测试容器时，冲洗气体被鼓入内部容器中，由此实现水中的气体交换。在这种情况下特别是绝大部分的氩气能够被氮气替换。通过将冲洗气体鼓入内部容器使环绕在四周的第二容器被冲洗气体充注。其结果是，通过外部的容器存在与环绕在四周的池的严密式分离。第一容器和第二容器的容量可以如下方式确定，即在位于内部容器中的水回流到测试容器的过程期间(测量阶段)，在测试容器中的水位达到池水位的水平之前，没有水从池中经由外部的容器渗透进内部容器。这在使用氩气作为试验气体时特别有益，原因在于溶解的氩气可以是在水中一直存在的。

优选地，可借助控制设备，例如借助至少另一个体积调节阀或真空泵来改变，特别是控制或调节供给至质谱仪的取样点的气流的体积流量。为此，在取样点上的取样优选在恒定的压力下进行，以避免使测量结果失真。为了控制或调节取样点处的压力可相应地改变真空泵的泵功率和/或体积调节阀的通道。

特别优选地，控制设备，特别是其它体积调节阀或真空泵与用于测量取样点处压力的压力传感器连接。

根据可能的实施例，测试容器被构造成用于容纳仅单个的燃料棒盒。在替代性的实施例中以如下方式确定测试容器的尺寸，使得能够容纳多个燃料棒盒。

优选地，可经由布置在端侧的可封闭的开口将至少一个燃料棒盒引进测试容器中。可使用螺纹连接来封闭燃料棒盒，但是通常也使用特别地材料配合的焊接。

为了精确地确定泄漏率，尽可能准确地获悉其他的状态参数，特别是温度是期望的。因此，优选在装置的各种部件上设置温度传感器以便检测温度。

根据本发明的可能的实施形式，该装置包括布置在水下的池内的部件，特别是管路和/或管路节段(leitungsabschnitte)，以及布置在池外的部件。由于燃料的衰变热功率，在池内主要是略微升高的且几乎恒定在约为30℃至40℃的温度。因此，布置在池外的部件由于较冷的周围环境通常具有更低的温度，该更低的温度在将气流供给至取样点期间促使气流冷凝。但这种类型的冷凝可能会使测量结果失真。因此优选地在装置的总体范围中是尽可能恒定的温度。为了确保这一点，给装置的布置在池外的部件至少部分地配备隔热绝缘。

在本发明的改进形式中设置加热设备，借助该加热设备可至少部分地加热布置在池外的部件。由此至少减少产生的温度梯度，以便阻止特别是取样点的区域中的冷凝。优选地，取样点处的温度可借助加热设备被调节到池中的温度。

在方法方面，该任务通过具有专利权利要求15的附加特征的前述类型的用于实施密封度检测的方法得以实现。

在用于对包含至少一个燃料棒和试验气体的燃料棒盒实施密封度检测的方法中使用上述装置中的一种，从而首先参考先前的实施形式。

为了进行密封度检测，将至少一个燃料棒盒引进已沉入到核设施的被充满的池内的测试容器中。根据本发明，向质谱仪供给含有从燃料棒盒扩散到测试容器中的试验气体的气流。此外，借助质谱仪检测在气流中的从燃料棒盒扩散到测试容器中的试验气体的浓度以确定泄漏率。

为此特别设置成间接地确定泄漏率。为了证明未超出允许的泄漏率，检测到的试验气体的浓度在先前确定的测量周期(试验气体释放到测试容器中的持续时间)结束之后须低于预定的阈值，其中必须确保待测量的试验气体的浓度高于质谱仪的检测极限。

在使用氩气作为试验气体的情况下，质谱仪的检测极限通常介于10ppb(十亿分之几)和1ppm(百万分之几)之间。

优选地，将至少一个燃料棒盒在水下引进测试容器中并且用冲洗气体置换渗透进测试容器中的水。为此将处于压力下的冲洗气体引入测试容器。

优选地，向质谱仪供给含有冲洗气体和从燃料棒盒扩散出来的试验气体的气流之前，冲洗气体在可给定的时间段内保留在测试容器中。在给定的包括单个部件上的压力和温度的边界条件中，可从检测到的浓度确定泄漏率并根据燃料棒盒的密封度对检测过的燃料棒盒进行分类。

在特别优选的实施例中，用池中的水淹没测试容器以便产生气流。特别是在可给定的时间段到期后控制性地淹没测试容器，以便向取样点供给含有试验气体的气流。

优选地，供给至质谱仪的取样点的气流在其体积方面以如下方式进行调节，使得在取样点处为恒定的压力。

在优选的实施例中，向取样点控制性地供给含有试验气体和冲洗气体的预定混合比例的气体混合物。供给预定混合比例的气体混合物可以在质谱仪运行之前实施以便校准质谱仪。

优选地，布置在池外的装置的部件，特别是管路和/或管路段，在运行期间被至少部分地加热。由此可以阻止出现相当大的、促使气流中冷凝的温度梯度。

可以使用惰性气体作为试验气体。特别优选地，使用氩气作为试验气体。如果将燃料棒封装进燃料棒盒中在核技术设施的同一池中进行，则设置成在池内的不同地方实施封装和密封度检测。其原因在于，氩气具有相对较好的水溶性。因此，测试容器中留存的、含有氩气的残余湿气可能会使测量结果失真。通过使包括封装和密封度检测的过程空间上分离使该影响至少被减小到最低程度。

优选地，测试容器中的水被尽可能完全去除。这例如可通过使用高品质的氮气作为冲洗气体来实现。

下面参考附图对本发明的可能的实施例进行更详细的阐述。图中显示：

图1示出了根据本发明的第一实施例的用于对包含至少一个燃料棒和试验气体的燃料棒盒实施密封度检测的装置，

图2示出了根据本发明的第二实施例的用于对包含至少一个燃料棒和试验气体的燃料棒盒实施密封度检测的装置。

相互对应的部件在所有图中用相同的参考标记表示。

图1示出了根据本发明的第一实施例的用于对包含至少一个燃料棒2和试验气体p的燃料棒盒3实施密封度检测的装置1的示意性结构。

在示出的实施例中，燃料棒盒3填充了氩气作为试验气体p。燃料棒盒3内的内部压力为约2.5至3.5bar。

燃料棒盒3放置在位于核技术设施的池5中的测试容器4中。池5被水充注并且测试容器4被下沉至池5中的水面下。

测试容器4在端侧具有可闭合的开口6，燃料棒盒3可以通过该开口被引进位于水下的测试容器4中。在可闭合的开口6的区域中布置了用于测量测试容器4内的温度的第一温度传感器7。

连接设备8被设置在测试容器4的下端，该连接设备提供到池的内部的连接。在图1所示的实施例中，连接设备8包括阀9和换气设备10。通向池5的内部的连接设备8被用于渗透进测试容器4内的水的排出口。此外，连接设备8还能实现用池5中的水控制性地淹没测试容器4，以便将位于测试容器4内的气柱经由管路11、12向着质谱仪14的取样点13的方向输送。

装置1具有分配给分析单元15的布置在池5外的部件。分配给分析单元15的部件特别地包括管路11的一部分和管路12、16、17、18。此外，分析单元15还包括压力传感器19、20、阀21、22、23、24、体积调节阀25、26、27、取样点13和质谱仪14。分析单元15的部件配备了隔热绝缘28，用于特别防止在实施密封度检测时气流中的冷凝。第二温度传感器29被设置成用于检测分析单元15内的温度。

布置在通向取样点13的入口处的体积调节阀25与压力测量传感器20相连(以虚线所示)。可借助体积调节阀25和压力测量传感器20控制取样点处的压力，并且特别是调节取样点处的压力，使得气流在基本上恒定的压力下被供给至质谱仪14得以实现。

第一储器30中在压力下存储有冲洗气体，在所示实施例中为氮气。另一个第二储器31包含在压力下的测试气体，在这里示出的实施例中为氮气，其具有少量比例的作为试验气体p的氩气。可经由管路12、17、18向取样点13供给冲洗气体或测试气体，特别是用于冲洗或校准质谱仪14。为此，可借助体积调节阀22、23来调节冲洗气体和测试气体的体积流量。

用于对燃料棒盒3实施密封度检测的方法是在使用图1所示装置1的情况下进行，过程如下：

首先，将所有的阀9、21、22、23、24关闭，并用水充注换气设备10。接着将测试容器4的端侧开口6打开，并在水下将燃料棒盒3引进测试容器4中。在这之后再次将测试容器4的开口6关闭并且将渗透进测试容器4中的水尽可能地除去。这是通过打开阀9、21并馈入来自第一储器30的冲洗气体来实现的。因此，位于测试容器4中的水被排挤掉并经由连接设备8排放到池中。为了充分减少被水内侧润湿测试容器4，用冲洗气体充分地冲洗测试容器4。剩余的冲洗气体经由连接设备8离开装置1。冲洗时将冲洗气体引入换气设备10的含水的内部第一容器中。在这种情况下实现溶解在水中的气体的气体交换。因此特别地，溶解的氩气被氮气替换。此外，在冲洗时至少部分地用冲洗气体充注换气设备10的包围第一容器的第二容器。在此，换气设备10的第一容器和第二容器被设计成使得在淹没测试容器4时，没有水从池5流入测试容器。

接着关闭阀9、21。在换气设备10的圆顶区域保留气体接收器(gasvorlage)，该气体接收器阻止池5中的水溢出。位于换气设备10中的水基本上不含空气和/或氩气。阀24打开后，测试容器4内的内部压力减小。在这里示出的实施例中，内部压力设定成约1bar。在这之后再次关闭阀24。

为了致使测试容器4中的试验气体p的浓度增加，在将位于测试容器4中的气柱供给至质谱仪14以便分析之前，等待可给定的时间段，在本示例性的实施例中等待1小时。在此时间段期间，阀22被打开并用冲洗气体冲洗管路12，从而使得没有空气能够从外部经由管路12的端侧出口32渗入。

设置在冲洗气体供给处的体积调节阀22以如下方式调节，即可以经由布置在通向取样点13的入口处的体积调节阀25来实现调节。特别地，以这样的方式调节气流，使得在质谱仪14运行期间，由压力传感器20测得的压力保持在几乎恒定的水平上。

在可给定的、主要用于在测试容器4内累积试验气体p的时间段期间，优选实现质谱仪14的校准。为此，在关闭阀22之前，首先打开阀23。然后取样点13与试验气体p在压力下贮存在其中的第二储器31流体连接。在这种情况下如此调节体积调节阀23，使得可以借助另一个体积调节阀25来进行调节，从而使大体恒定的压力作用在取样点13处。

质谱仪13校准之后，在关闭阀23之前，首先再次打开阀22。在预定的时间段期满后打开阀9、24并关闭阀22，以便让池5中的水经由换气设备10流入测试容器4中。由于流体静压力，水流进测试容器4并向着取样点13的方向输送位于测试容器4中的气柱。质谱仪14检测气流中的试验气体p的浓度，这里为氩气的浓度。在此要注意测量系统的惯性，即最小的测量时间。在此，体积流量被如此调节，使得取样点13处存在恒定的压力。由检测到的浓度牵涉所测得的压力和温度来计算泄漏率。

在测量之后，再次关闭阀24，打开测试容器4并再次取出燃料棒盒3。

图2示出了用于根据本发明的第二实施例的用于实施密封度检测的装置1。所示实施例的工作原理基本上对应于第一实施例的装置，从而使得首先参考与此相关的描述。

图2所示的实施例具有用于将气流供给至质谱仪14的真空泵42。此外，还设置了阀33、34、43，其被构造成球阀用于提供管路11、12、35、36、37、40、41、43之间的流体连接。

用于实施密封度检测的方法是在使用第二实施例的图2所示的装置1的情况下进行，过程如下：

首先通过端侧的开口6将燃料棒盒3引进测试容器4中。为此，将构造成球阀的阀33在测试容器4的方向上打开。阀9也在流向方向上打开。被引进在测试容器4中的燃料棒盒3延伸到略低于阀33。

接着，将置入燃料棒盒3时渗透进测试容器4中的水从测试容器4排出。为此，首先关闭阀33，打开阀9。在入口38上连接包含处于压力下的冲洗气体的储器，特别是储气瓶。阀34被如此调节，使得管路35和管路12彼此流体连接。在这之后通过鼓入冲洗气体，特别是氮气，将水从测试容器4经由连接设备8排出到池5中。接着管35经由管路37并通过阀34的换向与管路35流体连接。管路34、36也通过鼓入冲洗气体被吹干净。当测试容器4或管路34、35、36、37仅含有少量的剩余水时，关闭阀9。

为了在测试容器4中产生负压，首先以如下方式调节阀34，使得在管路11、12之间提供流体连接。相应地如此调节阀39，使得实现管路40、41的连接。然后运行真空泵42。在燃料棒盒3的内部与测试容器4的内部之间所需的压力差达到之后，停止排气，并将阀39转换成使得管路40、43相互流体连接。

真空泵42即使在达到测试容器4内所需的负压之后仍继续运行，以便将具有测试容器4的可能被释放的试验气体的比例的冲洗气体持续地输送至质谱仪14并再次输送回来。借助质谱仪14就所含有的试验气体的比例对输送的气流进行分析。然后由所测得的浓度和试验时间考虑其余的状态变量来确定泄漏率。

在上文中已参照优选的实施例对本发明进行了描述。然而很显然，本发明并不局限于所示实施例的具体的实施形式，更确切地说，有关技术人员可以借助该描述推断出变型，而不偏离本发明主要的基本思想。

参考标记列表

1装置23阀

2燃料棒24阀

3燃料棒盒25体积调节阀

4测试容器26体积调节阀

5池27体积调节阀

6开口28绝缘

7温度传感器29温度传感器

8连接设备30储器

9阀31储器

10换气设备32出口

11管路33阀

12管路34阀

13取样点35管路

14质谱仪36管路

15分析单元37管路

16管路38入口

17管路39阀

18管路40管路

19压力传感器41管路

20压力传感器42真空泵

21阀43管路

22阀p试验气体