Способ контроля линейной плотности распределения топлива по длине топливного столба уран-засыпных и уран-заливных тепловыделяющих элементов
METHOD OF CONTROLLING LINEAR DENSITY OF FUEL DISTRIBUTION ALONG LENGTH OF FUEL COLUMN OF URANIUM-FILLED AND URANIUM-FUELLED HEAT-PRODUCING ELEMENTS

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при контроле равномерности распределения топлива по длине топливного столба в тепловыделяющих элементах (твэлах), заполненных уран-засыпным или уран-заливным ядерным керамическим топливом.
2
Для нормальной работы реактора, в том числе, для исключения искажений нейтронного и температурного полей каждый твэл в составе тепловыделяющей сборки (ТВС) должен содержать строго заданное количество ядерного топлива, равномерно распределенного по длине топливного столба твэла. При снаряжении твэлов происходит засыпка порошка диоксида урана (UO) в оболочку твэла с заданным значением массовой доли урана-235 в смеси изотопов урана (обогащение). При этом не исключены случаи, когда топливо распределится по длине топливного столба неравномерно. Учитывая важность такой характеристики, как равномерность распределения топлива по топливному столбу твэла, возникает необходимость ее неразрушающего контроля перед сборкой в ТВС. Равномерность распределения топлива по топливному столбу твэла определяется характеристиками линейной плотности (средней и локальной).
2
При выходном контроле характеристик качества топливного столба стержневых изделий, где топливом является порошок UO, засыпанный внутрь оболочки ТВЭЛ и пропитанный теплопроводящей матрицей, основными параметрами являются:
- средняя линейная плотность распределения урана по длине топливного столба ТВЭЛ (Plcp.);
- локальная линейная плотность распределения топлива на длине 10 мм (Pll).
Для определения указанных выше характеристик известны несколько способов.
Известен гамма-абсорбционный способ определения линейной плотности, который представляет собой систему с источником гамма-излучения, который просвечивает топливный столб и по проникающей способности этого гамма-излучения судят о плотности распределения урана в топливном столбе твэл (RU 2603017 С1, опубл. 20.11.2016). Главным недостатком данного способа является наличие самого радиоактивного источника, которое предъявляет дополнительные требования к безопасности по работе. Кроме того, источник имеет очень ограниченный ресурс работы из-за его распада, что приводит к плавному нарастанию погрешностей измерения. Дополнительно к этому, из-за специфики изготовления топливного столба данного типа твэла для определения неравномерности в полном сечении необходимо просвечивать топливный столб как минимум в четырех плоскостях, что потребует установки дополнительных измерительных блоков.
Известен также рентгеновский способ определения линейной плотности, при котором топливный столб просвечивается на рентгеновской установке рентгеновскими лучами и делается его снимок по всей длине на рентгеновской пленке. Затем снимок анализируется по величине засветки по определенной методике. Данный способ является очень дорогостоящим и неоперативным и применим только для выборочного контроля изделий и твэлов (Дуров B.C. Эксплуатация и ремонт компрессоров, М.: Химия, 1980).
Известен также способ контроля линейной плотности распределения топлива по длине топливного столба уран-засыпных и уран-заливных твэлов на пассивном сканере, основанный на регистрации потока собственного гамма-излучения от уранового топлива, загруженного в твэл (RU 89752 С1, опубл. 10.12.2009). Однако данный поток собственного гамма-излучения от уранового топлива, загруженного в твэл, зависит и от обогащения твэл (т.е. при одной и той же линейной плотности, но при различном обогащении показания будут разными). Это связано с тем, что при увеличении обогащения топлива увеличивается интенсивность гамма-квантов, испускаемых ураном 235), и от значений линейной плотности распределения топлива (т.е. при одном и том же обогащении, но при разной линейной плотности показания будут разными). Это связано с тем, что при увеличении массы загруженного топлива также топлива увеличивается интенсивность гамма-квантов, испускаемых ураном.
Поэтому при контроле распределения топлива по топливному столбу для однозначного ответа по значению характеристик линейной плотности топливного столба необходимым условием является равенство обогащения контролируемых твэлов. Так как ряд таких обогащений очень разнообразен, то для каждого обогащения необходимо изготавливать свои настроечные образцы линейной плотности. Это приводит к значительному увеличению их числа и возможности их перепутывания при эксплуатации. Так как типов твэлов по значению обогащения огромное количество, а для каждого его значения требуется как минимум 3 стандартных образца с различной линейной плотностью, то таких стандартных образцов скапливалось большое количество. Кроме этого, при изготовлении топлива из неравновесного и регенерированного урана возможны дополнительные погрешности, вплоть до полного искажения результатов контроля.
Задачей настоящего изобретения является создание способа контроля характеристик линейной плотности распределения топлива по длине топливного столба уран-засыпных и уран-заливных твэлов вне зависимости от обогащения и состава топлива, с выдачей заключения об их качестве изготовления на установке пассивного контроля.
Техническим результатом изобретения является обеспечение массового контроля уран-засыпных, уран-заливных твэл с различным топливным составом и геометрией изготовления по единой градуировочной зависимости.
235
235
235
Технический результат достигается способом контроля линейной плотности распределения топлива по длине топливного столба уран-засыпных и уран-заливных твэлов, заключающимся в том, что регистрируют спектр собственного гамма-излучения топлива при движении с помощью механизмов перемещения контролируемого твэла, с помощью спектрометрических трактов гамма-излучения, установленных на линии контроля и состоящих из блоков детектирования и спектрометров, установленных в компьютер, где происходит обработка данного регистрируемого спектра с целью выделения и вычисления площади пика гамма-излучения U. После этого автоматически происходит вычисление характеристик линейной плотности по единой градуировочной зависимости, полученной в результате соотношения величины значения амплитуды «чистого» U, деленной на значение контролируемого в данный момент обогащения U, и значения самой линейной плотности.
На фиг. 1 приведена схема установки пассивного контроля.
На фиг. 2 приведен типичный спектр гамма-излучения урана.
На фиг. 3 приведен преобразованный спектр после обработки.
На фиг. 4 показана единая линейная градуировочная зависимость вычисления линейной плотности распределения урана.
Контроль линейной плотности распределения топлива по длине топливного столба осуществляется следующим образом.
Перед началом контроля строятся градуировочные зависимости измерения линейной плотности от уровня сигнала от гамма-излучения топлива. Данные градуировочные зависимости строятся по стандартным образцам для каждого конкретного значения обогащения, но с разными известными заранее значениями линейной плотности. Далее твэл механизмами перемещения Д1 и Д2 из положения 1 с постоянной скоростью V перемещается через блоки детектирования D1-D4 в положение 2. Блоки детектирования регистрируют интенсивность собственного гамма-излучения, испускаемого урановым топливом, которое прямо пропорционально его распределению (линейной плотности) по топливному столбу. Далее, данные с блоков детектирования по кабелям связи передаются в спектрометрическую систему, которая преобразует полученный сигнал в спектр гамма-излучения.
В данном спектре выделяется область излучения ответственная за гамма-излучение урана (50-250 кэВ). Площадь спектра, полученная за все время прогона изделия, деленная на длину активной части изделия, определяет его среднюю линейную плотность. Площадь спектра, полученная на единице длины изделия, деленная на длину этой единицы длины, определяет локальную линейную плотность (см. фиг. 1).
Для того чтобы обеспечить контроль линейной плотности твэлов различных типов вне зависимости от обогащения и состава топлива, при прогоне каждого изделия для получения данных о распределении топлива в топливном столбе используются современные спектрометрические тракты, которые преобразовывают поток гамма-излучения от топлива в его энергетический спектр за очень короткие интервалы времени - шаги сканирования (при этом каждый шаг сканирования соответствует длине топливного столба. равного 10 мм).
235
238
235
Каждая область получаемых спектров показывает и визуально, и численно вклад в общее излучение урана - U, U и его продуктов распада, наличие (если оно существует) продуктов, оставшихся после регенерации топлива. Исходя из этого, появляется возможность вычислять площадь спектра, относящегося к излучению U (аналитическая линия спектра 185.7 кэВ).
235
Значение отношения площади пика излучения U к его фактическому обогащению - постоянно и не зависит от обогащения урана.
Данное исследование было проведено для твэлов типа «труба» и типа «крест», где было доказано, что данная независимость от обогащения сохраняется независимо от типа контролируемых твэлов.
235
235
235
235
235
Поэтому, зная значение обогащения U топлива,  вычислив отношение площади пика U его заданному заранее обогащению и соотнеся это отношение к распределению линейной плотности распределения общего урана (а соотношение между линейной плотности общего урана и распределения линейной плотности U отличается только на коэффициент обогащения U в топливе контролируемого изделия), можно вычислять линейную плотность распределения общего урана для любого заданного обогащения U в твэл.
Практическая реализация данного способа была проведена на установке АКР-2-2.
Необходимым условием реализации предлагаемого способа измерения линейной плотности является возможность получения на каждом шаге сканирования твэла спектра собственного гамма-излучения урана. Это обеспечивается применением современных спектрометров гамма-излучения, входящих в состав установки.
235
235
212
За основу расчета берется амплитуда урановой гауссианы (U) (см. фиг. 3). Процесс расчета урановой гауссианы заключается в математическом разложении спектра в области 120-300 кэВ на три составляющие, обусловленные основными линиями U, Pb и комптоновским излучением продуктов распада урана.
235
212
При этом выбирается область спектра (нормированного на живое время измерения), в которой содержатся пики основных аналитических линий U и Pb. На фиг. 3 это интервал от 120 до 300 канала. Спектр в этой области с помощью метода наименьших квадратов представляется суммой постоянной составляющей (символизирующей комптоновский пьедестал) и двух единично-нормированных гауссиан (с коэффициентами - амплитудами). Выражение для единично-нормированной гауссианы  следующее:
U
Pb
U
где n - номер канала (независимая переменная), m - номер канала максимума пика (центроида), W - параметр, характеризующий ширину пика. Центроида пика уже известна, и если надо - ее правильное значение обеспечено применением функции трансформации спектра; ширина W - характеристика разрешения пары детектор - спектрометр при данной энергии; наконец, значения W и W связаны между собой известным для сцинтилляционных детекторов соотношением. Поэтому для применения в составе программной библиотеки была написана соответствующая функция, а необходимые для ее применения значения параметра W определялись заранее.
235
Первый пик отвечает за излучение U, второй пик отвечает за излучение фоновой подставки, третий пик отвечает за излучение продуктов деления, оставшихся после регенерации топлива (если топливо регенерированное).
235
235
235
При этом в зависимости от состояния топлива («старое» или «молодое» топливо (по времени его изготовления), регенерированное или нет) пик фоновой подставки и пик, отвечающий за степень регенерации, могут быть различны, а пик, отвечающий за обогащение U топлива, остается неизменным. Оптимальными границами пика являются границы, взятые на его полуширине. Далее площадь пика делится на значение соответствующего ему обогащения и эта величина для данного значения линейной плотности является неизменной для любого обогащения. Далее строятся градуировочные зависимости вычисления линейной плотности в контролируемых диапазонах для каждого конкретного обогащения U, которые могут использоваться для других обогащений в этих же диапазонах контроля линейной плотности (т.е. для каждого диапазона контроля линейной плотности существует одна градуировочная зависимость для ее измерения, которая не зависит от обогащения U в этом диапазоне ее изменения).