СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕГЕРМЕТИЧНЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ СБОРОК ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
METHOD FOR DETECTING LEAKY THERMAL ELEMENTS OF ASSEMBLIES OF NUCLEAR REACTOR WITH LIQUID METAL HEAT CARRIER

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для обнаружения тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, в которых имеются негерметичные тепловыделяющие элементы (твэл).
Твэлы ядерного реактора работают в напряженных нейтронных, температурных и гидродинамических условиях, которые могут вызвать образование дефектов в оболочке твэлов. Через эти дефекты продукты деления (например, инертные радиоактивные газы Кr и Xe) поступают в первый контур теплоносителя реактора и далее - через возможные негерметичности контура - попадают в атмосферу.
Мониторинг герметичности твэл можно осуществлять путем отслеживания изменения концентрации продуктов деления либо в газовоздушных выбросах, либо в теплоносителе реакторной установки. Однако способ обнаружения ТВС с поврежденным твэл путем отбора газообразных продуктов деления из паровоздушных выбросов, в частности турбины, не может быть использован для реакторной установки с жидкометаллическим теплоносителем, так как паровая турбина в таких установках используется во втором или третьем контуре, куда не попадают продукты деления ядерного топлива даже при разгерметизации твэлов.
Известны способы обнаружения ТВС с поврежденным твэлами путем контроля за изменением концентрации продуктов деления в теплоносителе ядерного реактора. В предлагаемых способах контроля используется свойство металлов растворять инертные газы, т.е. теплоноситель является как бы сборником газообразных продуктов деления, выделяющихся из дефектных твэлов.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является способ обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов сборок ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, заключающийся в том, что измеряют уровень радиоактивности газообразных продуктов деления, выделяющихся в теплоноситель из разгерметизировавшихся тепловыделяющих элементов сборки, и, если уровень радиоактивности превышает фоновые значения, делают вывод о разгерметизации тепловыделяющих элементов (Авторское свидетельство СССР №490376, кл. G21С 17/06, опублик. 1976 г.)
Согласно вышеуказанному способу сначала останавливают ядерный реактор. Это необходимо сделать, в первую очередь, из соображений безопасности, поскольку для того, чтобы устройство контроля герметичности могло быть задействовано, с поворотных пробок, на которые оно устанавливается, необходимо удалить привода СУЗ (поворотные пробки могут вращаться только, если на них нет приводов СУЗ). Затем на ТВС наводят устройство контроля герметичности, представляющее собой направляющую трубу, внутри которой выполнена трубка подвода газа. Штангу уплотняют ниже отверстий для теплоносителя в головке ТВС и по трубке подают продувочный газ, который, барботируя через жидкометаллический теплоноситель, захватывает газообразные продукты деления, растворенные в нем (в случае разгерметизации оболочек твэл), и поступает в систему контроля, где определяют по уровню активности газа степень герметичности твэл.
Поочередную диагностику ТВС проводят в отношении всей активной зоны, что приводит к длительной остановке реактора.
Частые и длительные остановы реактора с целью диагностики ТВС нежелательны, так как это влечет за собой экономические потери. Кроме того, контроль герметичности на остановленном реакторе будет недостаточно достоверным, т.к. отсутствует наработка продуктов деления и короткоживущие продукты деления с помощью этого способа контроля обнаружить нельзя.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение экономичности эксплуатации ядерных реакторов с жидкометаллическим теплоносителем и повышение точности контроля герметичности твэлов тепловыделяющих сборок.
Техническим результатом изобретения является сокращение простоя реактора, связанного с поиском тепловыделяющих сборок с поврежденными твэлами, и расширение спектра контролируемых продуктов деления.
Технический результат достигается тем, что согласно способу обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов сборок ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, заключающемуся в том, что с помощью устройств контроля герметичности тепловыделяющих сборок, выполненных в виде трубы, внутри которой расположена барботажная трубка, в теплоноситель подают под давлением газ, который вместе с растворенными в теплоносителе газообразными продуктами деления затем выводят из реактора к датчикам контроля радиоактивности, измеряют уровень радиоактивности газообразных продуктов деления, находившихся в теплоносителе, и, если уровень радиоактивности превышает допустимые значения, делают вывод о разгерметизации твэл, в трубу устройства контроля дополнительно вставляют цилиндрическую пробку из материала, защищающего от ионизационного излучения, с каналами для прохода барботажной трубки и выхода газа, и устанавливают N устройств контроля герметичности тепловыделяющих элементов сборки, причем число устройств N выбирают не менее 4, одно устройство размещают над центральной ТВС, а остальные устройства располагают вокруг этого устройства на расстоянии Rn, где Rn - расстояние от центральной ТВС до ТВС первого, или второго, … или последнего ряда активной зоны, a n=1, 2, 3…k - номер ряда ТВС активной зоны, проводят контроль радиоактивности газообразных продуктов на работающем на мощности реакторе и, если уровень радиоактивности превышает допустимые значения, делают вывод о разгерметизации твэл в той части активной зоны, из которой газообразные продукты деления поступают в устройство контроля герметичности, зафиксировавшее наибольшее значение превышение уровня радиации над допустимым значением, после этого реактор останавливают и проводят поочередную диагностику ТВС в части активной зоны с повышенным уровнем активности газообразных продуктов деления.
Предлагаемый способ обнаружения дефектных тепловыделяющих сборок ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем реализуют следующим образом.
Над ТВС активной зоны ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем размещают не менее 4 (четырех) устройств контроля герметичности тепловыделяющих элементов тепловыделяющих сборок, выполненных в виде трубы с барботажной трубкой внутри нее. По барботажной трубке, проходящей по каналу в пробке, изготовленной из материла, защищающего от ионизационного излучения, в жидкометаллический теплоноситель сверху-вниз подают продувочный газ, например аргон, который, барботируя через слой жидкометаллического теплоносителя, захватывает газообразные продукты деления, растворенные в теплоносителе в случае разгерметизации твэл, и поступает в канал для выхода газа, которым снабжена пробка. По этому каналу газообразные продукты деления поднимаются вверх к датчикам контроля радиоактивности устройства контроля герметичности, которые непрерывно измеряют уровень их радиоактивности. В случае если обнаруживается, что уровень радиоактивности газов превышает фоновые значения, делают вывод о разгерметизации твэлов в тепловыделющей сборке, причем можно также сразу обнаружить часть (сектор) активной зоны, в которой расположена сборка с разгерметизированым твэлом, т.к. не менее 4 устройств контроля герметичности и расположение одного устройства над центральной ТВС, а остальных - вокруг него на расстоянии Rn, где Rn - расстояние от центральной ТВС до ТВС первого, или второго, ... или последнего ряда активной зоны, a n=1, 2, 3…k - номер ряда ТВС, позволяют «разграничить» активную зону на части (сектора) так, что становится возможным определить, в какой части активной зоны находится дефектный твэл, а в какой (каких) части (ях) зоны дефекты в твэлах отсутствуют, т.к. единичный дефект может вызвать срабатывание не более чем 3 устройств контроля герметичности (одного - в центре и двух, установленных вокруг него над ТВС первого, или второго, или третьего, … или последнего ряда ТВС активной зоны).
Превышение измеряемых активностей над нормой свидетельствует о появлении в области размещения устройства негерметичного твэла и позволяет измерять активность газа сразу после его выхода из теплоносителя. Оценка активности газообразных продуктов деления в максимально короткое время после их выхода из теплоносителя значительно повышает точность измерения.
Обнаружение части (сектора) активной зоны с повышенным выходом радиоактивных газов сокращает время дальнейшей поочередной диагностики ТВС, так как количество ТВС, подлежащих проверке, сокращается с целой активной зоны на часть активной зоны. Сокращение количества диагностируемых ТВС уменьшает время простоя реактора. Кроме того, обнаружение повышенного выхода радиоактивных газов в теплоносителе ядерного реактора при работе реакторной установки на мощности повышает эффективность поиска ТВС с поврежденным твэл за счет возможности измерения активности короткоживущих продуктов деления.
Кроме сокращения времени на поиск негерметичной ТВС данный способ позволяет отличать единичные дефекты твэлов от опасного массового разрушения оболочек твэлов по общей причине (например, перегрев, ускорение коррозии и т.п.).
Таким образом, данный способ позволяет не только определить появление разгеметизированных твэлов, но и сократить площадь зоны поиска, в которой сборка с этим разгерметизированным твэлом расположена, причем, чем больше устройств контроля герметичности будет установлено, тем меньше будет площадь поиска сборки с негерметичным твэлом. После того, как устройство контроля герметичности зафиксировало превышение уровня радиации над фоновым значением, реактор останавливают и проводят поочередную диагностику (контроль) ТВС в той части активной зоны, за которую «отвечает» то устройство контроля твэл, которое обнаружило превышение уровня радиации газообразных продуктов деления над фоновым значением, до выявления сборки с разгерметизированным твэлом.