СИСТЕМА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ НАДЗОННОГО ПРОСТРАНСТВА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
ULTRASONIC MONITORING SYSTEM OF NUCLEAR REACTOR OVER-THE-SKY AREA

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано для контроля состояния надзонного пространства ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем. Принцип работы системы ультразвукового контроля основан на возбуждении и ответном получении ультразвуковых сигналов, отражаемых от элементов конструкции, находящихся в пространстве (контролируемом зазоре) между верхним уровнем головок тепловыделяющих сборок и нижним уровнем поворотных пробок ядерного реактора, охлаждаемого непрозрачным теплоносителем, например, жидким натрием. Эта система служит для обнаружения в контролируемом пространстве (контролируемом зазоре) препятствий вращению поворотных пробок при перегрузочных операциях.
Системы, в которых сканирующий ультразвуковой луч распространяется в горизонтальном направлении, относится к системам горизонтального звуковидения. Они предназначены для получения аналогов оптического изображения предметов, находящихся или оказавшихся в надзонном пространстве реакторов, охлаждаемых непрозрачными жидкометаллическими теплоносителями. Контроль оптически непрозрачных надзонных пространств в реакторах может быть выполнен за счет использования ультразвуковых волн, распространяющихся в жидкометаллических теплоносителях. В этом качестве ультразвуковые сигналы применимы в реакторах с непрозрачными для света теплоносителями (натрий, свинец и др.) и могут обеспечить получение аналогов оптического изображения предметов с хорошим разрешением.
Для повышения надежности обнаружения элементов конструкции, в ядерный реактор устанавливают специальный отражатель ультразвука и по уменьшению сигнала от него судят о наличии предмета, попадающего в зону действия ультразвукового луча.
Как правило, системы контроля надзонного пространства реактора разрабатываются с учетом конструкции конкретного реактора и не могут быть перенесены на другой реактор без определенных переделок, связанных с адаптацией под конструктивные особенности надзонного пространства каждого конкретного аппарата.
Известна система горизонтального звуковидения для определения зазора между нижней частью органов СУЗ и головками ТВС (заявка №58-34799, Япония). Устройство содержит ультразвуковой преобразователь, размещенный на штанге, соединенный с ультразвуковым генератором и через усилитель с устройством обработки сигналов и идентификации, отражатель ультразвука. В этом устройстве вращают штангу с ультразвуковым преобразователем с постоянной угловой скоростью и перемещают по высоте после каждого оборота. В течение одного оборота последовательно излучают ультразвуковые импульсы, а в промежутках между ними принимают отраженные.
Недостатками данного технического решения является то, что не всегда можно определить наличие или отсутствие объекта в надзонном пространстве, когда отраженные от объекта лучи не попадают в плоскость преобразователя.
Известна система ультразвукового контроля за положением конструктивных элементов в надзонном пространстве ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем (патент США №4290849), включающая ультразвуковой преобразователь для излучения и приема импульсного ультразвукового сигнала, средство для поворота датчика на заданный угол, отражатели, основной и дополнительный, имеющие несколько плоскостей, орентированных в направлении сканирования, средство для подачи питания на преобразователь и средство для отображения ультразвукового сигнала. Падающая ультразвуковая волна последовательно отражается от дополнительного отражателя ультразвука, основного отражателя и объекта (если он там есть), находящегося в зазоре между органами СУЗ и головками ТВС, а затем возвращается к ультразвуковому преобразователю по уже пройденному пути. Для исключения интерференции сигналов падающих и отраженных ультразвуковых волн плоскости отражателей размещены на различных расстояниях от преобразователя.
В известном техническом решении в качестве места нахождения обнаруженного препятствия указываются два отрезка прямых линий, соответствующих пути ультразвукового луча от источника ультразвука до отражателя ультразвука и от отражателя ультразвука до приемника ультразвука, и не дается ответ, на каком из отрезков находится препятствие.
Задачей данного технического решения является повышение надежности обнаружения препятствий в контролируемом надзонным пространстве и определение нахождения.
Для решения этой задачи в системе ультразвукового контроля надзонного пространства ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, включающей отражатель ультразвука и сканирующий ультразвуковой механизм с приводами, содержащий несущую штангу с герметичными ультразвуковыми преобразователями, акустическая ось которых совпадает с одной из горизонтальных плоскостей, пересекающей заполненное жидкометаллическим теплоносителем пространство контролируемый зазор между нижними отметками расцепленных органов СУЗ и верхними отметками головок ТВС, отражатель ультразвука выполнен в виде кольца, на котором расположено не менее одного ряда вертикальных цилиндрических стержней, кольцо прикреплено к одному из тепловых экранов, окружающих активную зону, преимущественно ближнему к корпусу ядерного реактора, причем, шаг, с которым цилиндрические стержни расположены в ряду, меньше шага между сборками (шага решетки реактора).
Размещение отражателя ультразвука (кольца с цилиндрическими стержнями) на тепловом экране, находящемся на самом близком расстоянии от корпуса реактора, обеспечивает контроль положения штатных конструкций и обнаружение препятствий вращению поворотных пробок во всем контролируемом объеме надзонного пространства.
Цилиндрические стержни расположены в рядах на одинаковых расстояниях от центра этого кольца и равномерно по его окружности (для удобства осуществления автоматического контроля за уровнем отраженного сигнала при сканировании ультразвуковым лучом отражателя ультразвука из центральной ячейки).
Высота цилиндрических стержней такова, что они перекрывают весь зазор между верхним уровнем головок тепловыделяющих сборок и нижним уровнем поворотных пробок реактора и нижними отметками расцепленных органов СУЗ, и обеспечивают возможность выполнения послойного сканирования во всем контролируемом пространстве.
Один из цилиндрических стержней расположен на выделенном (меньшем или большем по отношению к остальным стержням) расстоянии от центра этого кольца и однозначно определяется при ультразвуковом сканировании по времени прихода эхоимпульса. Направление оси ультразвукового преобразователя на этот стержень удобно принять за начало отсчета угла поворота ультразвукового преобразователя использовать для более точного вычисления углов его поворота в процессе сканирования.
Шаг, с которым цилиндрические стержни расположены на кольце в ряду, меньше шага между сборками. В противном случае (при большем шаге) не будут обнаружены те всплывшие сборки, которые при сканировании ультразвуковым лучом отражателя ультразвука окажутся в просвете между цилиндрическими стержнями.
В случаях, когда всплывшая сборка не перекрывает весь контролируемый зазор, а вошла в него только верхней узкой частью (головкой) на высоту одного слоя ультразвукового сканирования, тень от головки может упасть в просвет между цилиндрическими стержнями, и всплытие не будет обнаружено системой. Для исключения таких случаев цилиндрические стержни последующего ряда расположены в просвете между цилиндрическими стержнями предыдущего ряда.
Для обеспечения возможности однозначного определения начала отсчета угла поворота ультразвукового преобразователя и более точного вычисления углов его поворота в процессе сканирования, один из цилиндрических стержней расположен на выделенном (меньшем или большем по отношению к остальным стержням) расстоянии от центра этого кольца.
Цилиндрические стержни закреплены на кольце таким образом, что они находятся на продолжениях линий, проходящих через центр активной зоны и центры головок дальних тепловыделяющих сборок.
Боковая поверхность цилиндрических стержней выполнена шероховатой, например, в форме крестообразной накатки, что увеличивает отражающую способность цилиндрических стержней и обеспечивают возврат ультразвукового сигнала на ультразвуковой преобразователь независимо от его места расположения (в центре или на периферии контролируемого пространства) в процессе контроля.
При длительной эксплуатации реактора геометрические размеры и форма его элементов изменяются, в том числе увеличивается отклонение образующей цилиндрической поверхности стержней от вертикали, что приводит к существенному уменьшению амплитуды эхосигнала и, как следствие, к снижению вероятности обнаружения всплывших дальних сборок.
Наличие шероховатости увеличивает вероятность обнаружения всплывших дальних сборок.
При использовании системы ультразвукового контроля надзонного пространства в «большом» реакторе целесообразно на боковой поверхности цилиндрических стержней сформировать уголковый отражатель, обладающий свойством возвращать падающий на него ультразвуковой луч в обратном направлении независимо от наличия небольшого угла между акустической осью уголкового отражателя и осью сканирующего ультразвукового луча. При формировании отражателя ультразвука необходимо размещать вертикальные цилиндрические стержни на кольце так, чтобы ось уголкового отражателя была направлена на центр кольца.
В качестве уголкового отражателя на боковой поверхности цилиндрических стержней выполнено не менее одного конического углубления с прямым углом при вершине, оканчивающегося сквозным отверстием, ось которого совпадает с осью конического углубления и направлением оси ультразвукового преобразователя и составляет с осью цилиндрических стержней прямой угол.
Цилиндрические стержни могут быть расположены в виде двух (или более) кольцевых рядов, смещенных относительно друг друга так, что стержни внешнего ряда находятся относительно направления на центр кольца между соседними стержнями внутреннего ряда.
Сканирующий ультразвуковой механизм с приводами, включающий несущую штангу с герметичными ультразвуковыми преобразователями (излучатель и приемник ультразвуковых сигналов) установливают в пространство, расположенное под каналом перегрузки ТВС, размещенном на периферии малой поворотной пробки реактора, или в пространство, освободившееся после извлечения из реактора закладной трубы, предназначенной для размещения по центру активной зоны петлевого канала или другого облучательного устройства.
Цилиндрические стержни установлены на кольце с определенным шагом, таким, чтобы при их поочередном сканировании ультразвуковые сигналы, отраженные от соседних стержней и достигшие ультразвукового преобразователя, перекрывались в пространстве по крайней мере на уровне 0,707 для того, чтобы исключить потерю информативного сигнала о наличии препятствия в пространстве между направлениями на соседние стержни, например, о наличии всплывшей сборки.
Шаг между цилиндрическими стержнями связан с шагом между сборками и диаметром ультразвукового луча на уровне 0,707, зависящим от устройства преобразователя, используемой частоты ультразвука, скорости его распространения в среде, и расстояния до облучаемого объекта, т.е. до соседних стержней, а именно, шаг между цилиндрическими стержнями установлен меньше шага между сборками и выбран таким, чтобы отраженные от соседних стержней ультразвуковые лучи перекрывались на приемной поверхности ультразвукового преобразователя.
Этим обеспечивается наличие информативного сигнала (уменьшение сигнала от отражателя ультразвука) при наличии препятствия на пути ультразвукового луча независимо от того, на каком расстоянии от ультразвукового преобразователя появилось препятствие и каков наклон его поверхности.
Система ультразвукового контроля надзонного пространства ядерного реактора иллюстрируется рисунками.
На рисунке 1 показан вертикальный разрез реактора с элементами системы звуковидения, размещенными вне поворотных пробок, где:
1 - большая поворотная пробка; 2 - малая поворотная пробка с органами СУЗ; 3 - направляющие трубы СУЗ; 4 - цилиндрический стержень; 5 - кольцо; 6 -тепловой экран; 7 - ТВС; 8 - зонд звуковидения; 9 - жидкометаллический теплоноситель; 10 - перегрузочный канал; 11 - корпус реактора; 12 - ультразвуковой преобразователь
На рисунке 2 показан горизонтальный разрез реактора с элементами системы ультразвукового контроля надзонного пространства ядерного реактора, размещенными вне поворотных пробок, где:
4 - цилиндрические стержни; 5 - кольцо; 11 - корпус реактора; 12, 13 - ультразвуковые преобразователи. А, Б, В, Г - сектора уверенного обнаружения препятствий вращению поворотных пробок, находящиеся в дальней зоне от соответствующего УЗП.
На рисунке 3 показан горизонтальный разрез ядерного реактора с элементами системы ультразвукового контроля надзонного пространства, где: 1 - большая поворотная пробка (показана условно); 2 - малая поворотная пробка (показана условно); 4 - цилиндрические стержни; 5 - кольцо; 11 - корпус реактора; 14 - центральный канал; 15 - перегрузочный канал; ультразвуковые преобразователи 12 и 13 установлены в каналы 14 и 15 соответственно.
На рисунке 4-7 показаны разные варианты конических углублений на боковой поверхности цилиндрических стержней, что особенно актуально для больших реакторов (диаметр активной зоны 4-9 м).
Устройство работает следующим образом.
Ультразвуковые преобразователи 12 и 13 излучают в жидкометаллический теплоноситель 9 последовательность ультразвуковых сигналов, распространяющихся по жидкометаллическому теплоносителю 9 вдоль акустической оси каждого ультразвукового преобразователя, локализованную в пространстве в виде ультразвукового луча, и в течение промежутков времени между возбужденными последовательно ультразвуковыми сигналами принимают ответные ультразвуковые сигналы, отражаемые от элементов конструкции, находящихся в надзонном пространстве ядерного реактора, а именно, в контролируемом зазоре между верхним уровнем головок тепловыделяющих сборок и нижним уровнем поворотных пробок (нижними отметками устройств, смонтированных на поворотных пробках). По уменьшению амплитуды эхосигналов от цилиндрических стержней 4 (так называемых донных сигналов) судят о наличии препятствия, затеняющего ультразвуковой луч, а по наличию эхосигнала, принятого в промежутке времени между излученным и донным сигналами, делают вывод о наличии предмета с поверхностью, отражающей часть энергии ультразвукового луча в обратном направлении. Фиксируя ультразвуковой преобразователь 12 на разных высотах и одновременно вращая зонд 8, выполняют послойное сканирование надзонного пространства ультразвуковым лучом.
Возможны два варианта размещения зонда звуковидения 8 в реакторе:
- стационарный (в специально предусмотренном месте вне поворотных пробок 1 и 2);
- выемной (из центрального канала реактора извлекают закладную трубу, в которой во время микрокампании находилось какое-либо облучательное устройство, а на ее место устанавливают зонд звуковидения 8).
Пример стационарного размещения зонда звуковидения 8 в реакторе приведен на рисунках 1 и 2, пример выемного варианта - на рисунке 3.
Система ультразвукового контроля за положением конструктивных элементов в надзонном пространстве ядерного реактора включается в работу на остановленном реакторе перед началом перегрузки сборок активной зоны с целью подтвердить отсутствие механической связи поворотных пробок с активной зоной.
При стационарном размещении зонда звуковидения 8 в реакторе ультразвуковой преобразователь 12 излучает в жидкометаллический теплоноситель 9 последовательность ультразвуковых сигналов и принимает отраженные сигналы, пришедшие в обратном направлении (эхосигнал от одного из цилиндрических стержней 4 («донный» сигнал) и эхосигналы от предметов, оказавшихся на пути ультразвукового луча, таких как нерасцепленные органы СУЗ, головка или корпус всплывшей или неосаженнной ТВС, колокольчики попакетного контроля, инструменты манипулирования и посторонние предметы. По времени распространения эхосигнала и азимуту ультразвукового преобразователя 12 определяют место предмета, оказавшегося на пути ультразвукового луча. Если этот предмет предмет не создает эхосигнала, выделяемого из фонового шума, то его обнаруживают по уменьшению амплитуды «донного» сигнала, а для определения местоположения имеют только азимут ультразвукового преобразователя 12. В случае обнаружения существенного уменьшения амплитуды «донного» сигнала, зафиксированного при сканировании надзонного пространства ультразвуковым преобразователем 13, пересечение ультразвуковых лучей, соответствующих зафиксированным азимутам, укажает наиболее вероятное местоположение предмета.
Для обеспечения амплитуды «донного» сигнала, многократно превышающей уровень фонового шума, цилиндрические стержни 4 ориентированы осями конических углублений на ось ультразвукового преобразователя, а угол при вершине конических углублений выполнен прямым для обеспечения зеркального отражения сканирующего луча (рисунок 6). Оси конических углублений цилиндрических стержней 4, расположенных в секторе В, направлены поочередно: четные - на ультразвуковой преобразователь 12, нечетные - на ультразвуковой преобразователь 13. Оси конических углублений цилиндрических стержней 4, расположенных в секторе Г, направлены на ультразвуковой преобразователь 13. Оси конических углублений цилиндрических стержней 4, расположенных в секторе Б направлены поочередно: четные - на преобразователь 13, нечетные - на преобразователь 12. Оси конических углублений цилиндрических стержней 4, расположенных в секторе А направлены на преобразователь 12.
Отражатель ультразвука, выполненный в виде прерывистого ряда цилиндрических стержней, обеспечивает более точное вычисление угла поворота преобразователя, чем отражатель ультразвука, выполненный непрерывным, в виде сплошного цилиндрического экрана.
Чтобы минимизировать вероятность пропуска сигнала о постороннем предмете, находящемся в надзонном пространстве, шаг между цилиндрическими стержнями должен быть соизмерим с шагом решетки реактора, а диаметр цилиндрических стержней - с диаметром головки ТВС.
Диаметр фокального пятна, в котором сконцентрирована основная энергия ультразвукового луча, целесообразно выбирать соизмеримым с видимым размером конического углубления. Он зависит от размера ультразвукового преобразователя, используемой частоты ультразвука, скорости распространения ультразвука в среде и расстояния до цилиндрического стержня. Минимально допустимый шаг между цилиндрическими стержнями, накрытыми одновременно фокальным пятном, соответствует критерию Пирсона, согласно которому эхосигналы от этих стержней считаются различимыми. Если совокупность влияющих факторов такова, что эхосигналы от соседних цилиндрических стержней трудноразличимыми, то шаг между соседними стержнями увеличивают, добавляют второй ряд таких стержней, расположенных по концентрической окружности большего диаметра в просветах между стержнями первого ряда.
Если позволяет высота контролируемого надзонного пространства, то в цилиндрических стержнях могут быть выполнены два и более конических углубления, каждое из которых ориентировано на свой ультразвуковой преобразователь (рисунок 7).
При выемном варианте размещения зонда звуковидения 8 в реакторе (рисунок 3) ультразвуковые преобразователи 12 и 13 устанавливают в центральный 14 и перегрузочный 15 каналы соответственно. На рисунке 3 большая поворотная пробка 1 и малая поворотная пробка 2 показаны условно. Цилиндрические стержни 4 могут быть выполнены гладкими с коническим углублением, ориентированным на центральный канал 14, или с частью боковой поверхности, свободной от конического углубления с прямым углом при вершине, и выполненной рельефной например, в виде крестообразной накатки (рисунки 5-7). Использование рельефной формы для боковой поверхности цилиндрических стержней позволяет применять зеркально-теневой метод и для ультразвукового преобразователя 13, размещенного в перегрузочном 15 или любом другом подходящем для установки зонда 8 канале.