СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЕЛИЯ В ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕМ ЭЛЕМЕНТЕ
METHOD FOR MEASURING HELIUM CONCENTRATION IN A FUEL ELEMENT

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов (твэлов), а именно при проведении неразрушающего контроля концентрации гелия в смеси газов, находящихся при атмосферном давлении под оболочкой твэла, тепловым методом.
Известен разрушающий выборочный способ контроля гелия под оболочкой твэла, в котором из определенной партии твэлов отбирают твэл, делают прокол его оболочки и определяют состав газов. /Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов, /Книга2, по ред. Ф.Г. Решетникова, - М: Энергоатомиздат, 1995 г., стр. 286-288/.
Недостатком выборочного контроля твэлов является тот факт, что выборочный контроль не гарантирует, что вся партия твэлов соответствует/не соответствует установленным требованиям по концентрации гелия в твэле. Кроме того, способ требует издержек, связанных с разрушением готового твэла.
Известен «Способ контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов и устройство для его осуществления» / патент RU №2261489, опубликовано 27.09.2005.
Способ включает размещение твэла на позиции измерения и удержание его в течение всего времени контроля, локальный импульсный нагрев оболочки твэла в области компенсационного объема, регистрацию изменения температуры участков оболочки твэла при его повороте на 180° в начале и конце интервалов времени после нагрева и поворота.
Способ обеспечивает повышение качества изготовления твэлов за счет своевременного выявления и отбраковки твэлов с негерметичной оболочкой. Недостатком способа является отсутствие возможности выявления твэлов, под оболочкой которых, кроме гелия находится загрязняющий газ, воздух или азот, в недопустимой концентрации, снижающий эксплуатационные характеристики твэлов.
Также известен «Способ контроля тепловыделяющего элемента, патент RU 2552526, опубликовано 10.06.2015. Способ включает операции удержания твэла на позиции измерения, выдержку в течение времени до выравнивания температуры твэла с температурой окружающей среды, проведение локального импульсного нагрева в области компенсационного объема, охлаждение твэла до температуры окружающей среды ниже 0°, повторение циклов операции нагрев - измерение и получение временных зависимостей при разных температурах с калибровочными значениями полученные для разных давлений гелия с разными уровнями содержания воздуха в гелии в твэле.
Способ обеспечивает повышение качества изготовления твэлов за счет выявления наличия «загрязнения» гелия воздухом, отрицательно влияющего на эксплуатационные характеристики. Однако способ не обеспечивает определение концентрации гелия в твэле на количественном уровне, который требует современный уровень технологии изготовления твэлов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому способу является «Способ измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе» патент RU 2634309, Заявка: 2016144956 от 15.11.2016, опубликовано 25.10.2017 МПК:G21C 17/00 - прототип.
Указанный способ включает проведение операций: размещение участка оболочки твэла в области газового объема на позицию измерения, регистрацию температуры окружающего воздуха и начальной температуры участка оболочки твэла, проведение импульсного нагревания участка оболочки твэла, регистрацию временной температурной зависимости участка оболочки твэла и сравнение полученной временной температурной зависимости с калибровочными зависимостями, полученными при различных концентрациях гелия в твэле, температурах окружающего воздуха и начальных температурах участка оболочки твэла.
Способ обеспечивает определение концентрации гелия при его нормальном атмосферном давлении под оболочкой при проведении сплошного контроля твэлов в жестких временных рамках конвейерного производства.
Недостатком способа измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе, изложенном в прототипе, является то, что достигнутая в нем точность измерения концентрации гелия в твэле не удовлетворяет возросшим требованиям для перспективных ядерных энергетических установок.
Основным источником погрешности результатов измерения концентрации гелия в твэлах является наличие неисключенной случайной составляющей погрешности измерения информативного признака концентрации гелия в твэле. Наличие указанной составляющей погрешности связано, преимущественно, с конструктивными особенностями твэлов, таких как несоосность трубки поддержки топливного столба и оболочки твэла, наличие навивки на оболочке твэла и др.
Задачей изобретения является устранение указанного недостатка, а именно снижение неисключенной случайной составляющей погрешности измерения концентрации гелия в твэле до величины, приемлемой для использования их в перспективных ядерных энергетических установках.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе (твэле), включающем размещение участка оболочки газового объема твэла на позиции измерения ее температуры, регистрацию начальной температуры участка оболочки твэла, последующий нагрев участка оболочки газового объема твэла, регистрацию температуры оболочки твэла при нагреве и остывании оболочки твэла, обработку полученных температурных зависимостей и расчет по ним концентрации гелия в твэле с учетом полученных ранее значений калибровочных коэффициентов, согласно изобретению, нагревание участка оболочки газового объема твэла выполняют многократным циклическим, предпочтительно, не менее шестнадцати раз, с периодическим чередованием операций нагревания и остывания, причем при упомянутом циклическом нагревании-остывании оболочки твэла обеспечивают монотонное повышение температуры нагревания упомянутой оболочки от цикла к циклу за счет получения температуры остывания упомянутой оболочки, по крайней мере, в одном цикла, предпочтительно, во всех, выше ее исходной температуры нагревания, при этом при последнем цикле остывания обеспечивают плавное уменьшение температуры оболочки твэла до требуемой, при этом нагрев участка оболочки газового объема твэла проводят до допустимого значения температуры нагревания оболочки в течение всего времени проведения операции измерения концентрации гелия в твэле, при этом при обработке получаемых данных дополнительно используют статистические методы.
Критерий «не менее шестнадцати раз» выбран исходя из того, что при его уменьшении происходит увеличение погрешности, а при его увеличении происходит уменьшение погрешности измерений. Проведенные аналитические и экспериментальные исследования показали, что наиболее оптимальные условия по трудоемкости и временным затратам достигаются именно при указанном количестве циклов «нагревания-остывания».
Техническим результатом изобретения является повышение качества изготовления твэлов и безопасности их эксплуатации в активных зонах перспективных ядерных энергетических установок.
Для достижения заявленного технического результата в способе измерения концентрации гелия в твэле, включающем размещение участка оболочки газового объема твэла на позицию измерения, регистрацию начальной температуры участка оболочки твэла, нагрев участка оболочки газового объема твэла, регистрацию температуры участка оболочки твэла при нагреве и остывании оболочки твэла, обработку полученных температурных зависимостей и расчет по ним концентрации гелия в твэле с учетом ранее полученных калибровочных коэффициентов, предлагается:
- нагрев участка оболочки газового объема твэла проводить многократным, предпочтительно, не менее N=16, с периодическим чередованием операции нагревания и остывания;
- нагревание участка оболочки газового объема твэла проводить до максимально допустимого значения температуры оболочки твэла в воздушной среде;
- многократное нагревание и остывание участка оболочки газового объема проводить в течение всего времени, отпущенного регламентом на проведение операции по измерению концентрации гелия в твэле;
- методы обработки полученных данных дополнить статистическими методами обработки.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан график изменения температур участка оболочки газового объема твэла во время его пребывания на позиции измерения в измерительной установке.
0
д
i
График, представленный на фиг. 1, иллюстрирует изменение температур участка оболочки газового объема твэла во время его пребывания на позиции измерения в измерительной установке. На оси ординат графика (Т, °С) фиксируют значения, начальной температуры оболочки твэла (Т), допустимой температуры нагрева оболочки в месте измерения (Т), а также значение температур при очередном нагреве T(i=1...16) и температур перед очередным тепловым импульсом нагрева
i
T (i=1…15). По оси абсцисс графика фиксируют допустимое время
д
0
0
i
i
пребывания твэла на позиции измерения (t), и момент времени окончания измерения начальной температуры участка оболочки газового объема твэла (t), совпадающего с моментом подачи первого теплового импульса нагрева (t'), а также моменты времени t (i=1…16), фиксации максимального значения температуры нагрева оболочки твэла и моменты времени t' (i=1…15) подачи очередного импульса нагрева оболочки газового объема твэла.
Способ осуществляют следующим образом.
В измерениях концентрации гелия в твэле используют установку, которая включает камеру, внутри которой размещают и фиксируют на позицию измерения участок оболочки газового объема твэла, индукционный нагреватель, выполненный в виде блока индуктора (катушки индуктивности) и его высокочастотного источника питания, первичные преобразователи дистанционного измерения температуры оболочки твэла (оптика блока пирометров). За пределами камеры установки размещены вторичные преобразователи (усилители-преобразователи) пирометров, вычислительное устройство (промышленный компьютер), блок исполнения команд компьютера и источники питания технических средств установки. Вычислительное устройство позволяет выполнять операции от приема сигналов от пирометров до выдачи потребителю результатов измерения концентрации гелия в твэле.
Способ включает проведение операции: размещение участка оболочки газового объема твэла на позицию измерения, регистрацию начальной температуры оболочки, нагревание участка оболочки газового объема, который проводят многократными периодическими чередованиями операций нагревов и остывания. Нагревание проводят до максимально допустимого значения температуры оболочки твэла в воздушной среде, при этом многократные нагревание и остывание, а также регистрацию температуры проводят в течение всего отпущенного регламентом времени на проведение операции по измерению концентрации гелия в твэле.
Способ рекомендует проводить нагрев до максимально допустимой температуры участка оболочки несколькими импульсами нагрева и остывания, но, предпочтительно, не менее, чем за 16 операций нагревов и остываний, что позволяет провести полноценный статический анализ получаемых исходных данных, в частности исключить данные, имеющие аномальное отклонение.
В качестве информативного признака концентрации гелия в твэле могут быть выбраны температурные зависимости: интегральные значения подогревов/остываний, кумулятивные суммы подогревов/остываний и другие, но, предпочтительно, значения максимальных подогревов, определяемые как разность максимального значения температуры при очередном нагреве и значения температуры перед очередным тепловым импульсом нагревания.
Определение концентрации гелия в твэле проводят сравнением информативных признаков, полученных в каждой операции нагревания и остывания с соответствующими информативными признаками, полученными в калибровочных измерениях при идентичных условиях проведения измерений. Обработку полученных данных проводят с использованием статистических методов обработки результатов измерений.
Таким образом, технический результат достигнут за счет применения предложенной в способе измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе схемы нагревания участка оболочки твэла при рекомендованном числе циклов нагревания/остывания, не менее N=16, при сохранении условий проведения измерений способа, выбранного в качестве прототипа, позволяет существенно, не менее чем в  снизить неисключенную случайную составляющую погрешности измерения концентрации гелия в твэле, по сравнению с соответствующей погрешностью способа, выбранного за прототип, в котором нагревание участка оболочки до допустимой температуры осуществляют за один тепловой импульс.
Техническая реализуемость изобретения подтверждена расчетами и экспериментами. Промышленная применимость изобретения обосновывается тем, что в предложенном способе измерения концентрации гелия в твэле не используются технические средства и технологии, не известные до момента подачи заявки
Пример промышленного применения.
Заявителями и авторами исследован твэл, при этом нагревание проводилось до максимальной температуры не более 150°С, количество циклов составило 16. Точность измерения максимального значения доверительных границ неисключенной случайной составляющей погрешности измерения концентрации гелия, для твэлов с газовой полостью с контактирующей пружиной составляет ±0,63%, с газовой полостью с поддержкой ±2,26%, при обычной точности ±5%.
Использование предложенного технического решения позволит повысить качество изготовления твэлов и безопасность их эксплуатации в активных зонах перспективных ядерных энергетических установок.