Egy kicsit többet időzünk a primerköri hőmérsékletméréseken, mivel semmi sem mutatja jobban annak komplexitását mind atomerőművi szempontból, mind szenzortechnikai szempontból, mint ez a téma. Az persze első hallásra is természetes, hogy nincs is annál fontosabb információ, mint hogy mennyi hő termelődik az aktív zónában, amit elsősorban a hőmérséklet megméréséből tudhatunk meg. De hogyan mérjük a hőmérsékletet a primerkörben? Azt azonnal belátja mindenki, hogy higanyos hőmérő szóba sem jöhet. Bármi, ami sérülékeny, törékeny szóba sem jöhet. Maradnak a robosztus megoldások, és azok közül is elsősorban az elektromosak és a fém alapúak. Két ilyet használnak az atomerőművekben: a hőellenállást és a hőelemeket. A hőellenállás mérését a hallgatók jól ismerik: a fémek a hőmérséklet hatására lineárisan változtatják ellenállásukat. Ezt használjuk ki, általában hídkapcsolásba kötve. Itt is számos probléma merül fel. Nézzük meg a 6.2.1. ábrát!
6.2.1. ábra
Látható, hogy a szenzor egy üvegtestre bifilárisan tekercselt vékony huzal, elég hosszú, hogy érzékelhető ellenállás-változás legyen akár már 0,01 °C-nál, a kettős tekercselés az elektromágneses indukcióval közvetített zavarokat hárítja el (mert ami az egyik szálban hozzáadódik, a másikban kivonódik). De ezt az érzékeny szenzort valamiféle védőtokba kell tenni, hogy le ne szakadjon, meg ne sérüljön.
6.2.2. ábra
Ezt a tokozást érzékelteti a védőköpeny rajza, amelybe mint száraz tokba az érzékelőt behelyezzük, és rugóval szorítjuk a fémtok belső végéhez, hogy a hőátadás „jobb” legyen. Ez számos hőkapacitás-, tehetetlenségi problémát és átviteli problémát jelenthet. A hallgató feladata, hogy ezeket végiggondolja!
A hőelemek (idegenebb néven: termoelem, termopár, thermocouple) két fém érintkezésénél alakul ki. Az azonos hőmérsékleten lévő két fémben potenciálkülönbség, tehát a két különböző fajtájú drót végein feszültség alakul ki, ami arányos a hőmérséklettel. Nem teljesen lineáris a kalibrációs görbéje, de vagy felvesszük a görbét, vagy megelégszünk azzal, hogy kis szakaszon (néhány száz fokig) közel lineáris (lásd az alábbi ábrát!).
6.2.3. ábra
Az igazi „atomerőművi probléma akkor jön elő, amikor feltesszük a kérdést: hogyan mérjük meg az aktív zóna hőmérsékletét? A hőellenállás (RTD) nem elég sugárálló, önmagában törékeny az elem, ha a fent vázolt tokba tesszük, akkor nem tudjuk betenni a reaktorba, mert elzárja a hűtőcsatornákat. A hőelem, két fém ponthegesztése, sokkal robosztusabb, sugárállóbb. De ezt is be kell tokozni, mert különben letörik a nagy hűtőközeg-áramtól. Ahhoz, hogy tudjuk, mit is mérünk, tekintsük át a hőelem működését! A hőelem szerkezetileg egymással összehegesztett vagy forrasztott, két különböző fém- vagy fémötvözethuzalból áll. Ha a
kötés helyét hűtjük vagy melegítjük, a szabad végek között termofeszültség mérhető, amely a hőelem anyagától, továbbá a kötési hely és a szabad végek közötti hőmérséklet-különbségtől függ.
6.2.4. ábra
A hidegpont többnyire távol esik az érzékelési ponttól, ezért a hőelemet kompenzációs vezetékpárral csatlakoztatjuk a hidegpontba, mert a hőelem anyaga drága. A kompenzációs vezetékpár termoelektromos szempontból azonosan viselkedik a hőelem anyagával, így a hőelemfejben nem keletkezik parazita hőelem.
6.2.5. ábra
A hidegpontban (ahol a kompenzációs vezetékpár a rézvezetékkel csatlakozik) a hidegponti hőmérséklet mérésére legtöbbször ellenállás-hőmérőt alkalmazunk.
A mérő-feldolgozó egység méri a hőelem microV jelét és a hidegponti hőmérsékletet. A hőelem microV jeléből kiszámítja a meleg- és hidegponti hőmérséklet-különbséget (az atomerőműben legjobban elterjedt kromel-kopel, Cr-K hőelem). Ehhez az értékhez hozzáadja a hidegponti hőmérsékletet, így képzi le a melegponti (mérendő) hőmérsékletet.
6.2.6. ábra
6.2.7. ábra
A hőelemes érzékelőnél (lásd a 6.2.5.−6.2.7. ábrákat) a tok kerámia vagy fém lehet. A leggyakrabban a fém védőburkolatot alkalmazzák. Az utóbbi kivitelnél az érzékelő egészen vékony (1,5−4 mm) és hosszú lehet (több méter), ezt köpenyhőelemnek nevezzük.
Az igazi, váratlan újdonság a zónakilépő hőelemeknél vár ránk. Ebből 218 van a reaktor felett. Ez az egyetlen hely, ahová még be tudunk juttatni hőelemet. Vegyük elő a reaktor leírását! A tartályba behelyezzük először a reaktoraknát, amely egy henger, és felülről lóg lefelé. Ebbe eresztjük be az eliptikus feneket, amelynek az alján, a „szitán” számos lyuk van, hogy az aknán kívül lefelé áramló hűtőközeg ezeken keresztül jusson be az alsó fenékrészen keresztül később a zónába. Az eliptikus fenékbe kerül a fékezőcső blokk, amelynek feladata, hogy a szabályozó és biztonságvédelmi kételemes kazetták alsó, fűtőelem részét befogadják, illetve ezek leejtésekor felfogják az esést a fékezőtüskék segítéségével, no meg a lassabb vízkiszorítással. Erre kerül rá a zónatartó kosár. Ebbe helyezik be a fűtőelem-kazettákat.
És még nincs egyetlen mérőműszerünk sem a zónában! Hogy is lehetne? Hiszen akkor hogy vezetnénk ki a kábelét? Ezért találták ki az ún. védőcső-blokkot, amelynek egyetlen feladata, hogy megfelelő védőcsöveken keresztül oda vezesse a hőelemeket, és a zónán belüli neutrondetektorokat, ahol a helyük van. A hőelemek, mint említettük, 218 darab kazetta kilépő csatornájában az aktív zóna szintje felett 50 mm-rel kerültek elhelyezésre,
pontosabban itt végződnek azok a kissé meghajlított védőcsövek, amelyek aztán egy felső, 6 mérőelemet kivezető tömetőcsatornán keresztül törik át a reaktortetőt, és hagyják el a reaktort. Ezeken a csöveken keresztül tolják be (kézzel!), egy védőcsőbe öltöztetett hőelemeket, az előbb említett pozícióba, amelynek egyszerűsített rajzát mutatjuk a következő, 6.2.8. ábrán. És most jön a meglepetés! A fűtőelem-kazettákból kilépő kb. 279 C-fokos víz nem melegíti, hanem hűti a hőelemeket. Az 50 mm távolság az aktív zónától azt jelneti, hogy jelentős gamma-radiációs felmelegedés éri a hőelemeket, ha a hőelem vége nem ül bele a bevezető cső végébe (a cső vége speciálisan elkeskenyedik, hogy addig viszonylag könnyen lehessen betolni, és ott viszonylag szoros illesztés legyen a jobb hőátadás érdekében, szóval ha nem ül be ebbe a végbe szorosan, akkor a kívülről a csövet mosó hűtőközeg nem tudja elég hatékonyan hűteni, és a hőelem többet fog mutatni, szélsőséges esetben, ha nem is éri a cső belső falát, akkor akár több fokkal is).
6.2.8. ábra