СПОСОБ КОНТРОЛЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕМ ЭЛЕМЕНТЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
METHOD OF GAS PRESSURE CONTROL IN FUEL ELEMENT OF NUCLEAR REACTOR

Изобретение касается измерения давления газа в тепловыделяющем элементе и может быть использовано при контроле давления газа в процессе массового изготовления тепловыделяющих элементов ядерного реактора.
Известен способ определения давления газа в герметичных тонкостенных изделиях, заключающийся в том, что к внешней поверхности оболочки тепловыделяющего элемента прикладывают тепловой импульс и измеряют ее температуру на расстоянии от точки приложения импульса, при этом для уменьшения погрешности измерения измерение температуры осуществляют в двух точках, равноудаленных от точки приложения теплового импульса и находящихся на прямолинейном участке оболочки. При этом точки измерения и точка приложения импульса расположены на одной вертикальной прямой, а давление определяют по максимальному значению разности измеренных температур (см. a.c. SU №1306295).
Недостатком данного способа является то, что технически очень трудно обеспечить стабильное нагревание оболочки накладными нагревателями вследствие большой зависимости выделяемой нагревателем в оболочке мощности от величины зазора между индуктором и оболочкой. Это не позволяет на практике достичь высокой точности контроля давления газа. Кроме того, вертикальное позиционирование тепловыделяющего элемента в технологическом процессе сопряжено с лишними операциями кантования, требующими дополнительного оборудования и снижающими производительность.
Наиболее близким к заявляемому является способ контроля давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора (см. патент RU №2109259) - прототип, сущность которого заключается в контроле давления газа измерением температуры нагревания оболочки в течение процесса естественной конвекции заполняющего тепловыделяющий элемент газа, вызываемой импульсным нагреванием участка оболочки тепловыделяющего элемента. Отличительной чертой способа является одновременное измерение приращения температуры нагревания оболочки, соответствующее конвективной составляющей теплопередачи, являющейся функцией давления газа, и температуры нагревания оболочки, причем оба измерения осуществляют одними и теми же накладными датчиками температуры.
Недостатками данного способа являются:
- низкая тепловая мощность конвекции газа вследствие горизонтального расположения тепловыделяющего элемента;
- импульсный нагрев оболочки, не обеспечивающий высокой энергии выходного сигнала, поскольку температура нагрева ограничена пределом структурного изменения в материале оболочки и требованием отсутствия возможности термомеханических повреждений;
- невозможность обеспечения надежного теплового контакта вследствие использования накладных датчиков температуры, что при изменении теплового контакта одного из датчиков приводит к искажению выходного сигнала по конвективной составляющей.
Технической задачей изобретения является повышение точности контроля давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора.
Поставленная задача решается тем, что в способе контроля давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, заключающемся в том, что к оболочке тепловыделяющего элемента подводят контролируемый тепловой поток, передающий по газу, находящемуся внутри оболочки под давлением, тепловую энергию на периферию тепловыделяющего элемента согласно изобретению, измеряют скорость линейного теплового расширения тепловыделяющего элемента, нагреваемого тепловым потоком, в длину, и по скорости линейного теплового расширения тепловыделяющего элемента в длину определяют давление газа.
Таким образом, скорость линейного теплового расширения тепловыделяющего элемента в длину является функцией от мощности подводимого теплового потока, мощности теплового потока, передаваемого газом, зависящей от давления, мощности теплового потока, передаваемого по оболочке, мощности теплового потока, передаваемой от периферии тепловыделяющего элемента в окружающую среду.
Кроме того, стабильность температуры подводимого к оболочке тепловыделяющего элемента теплового потока в процессе контроля значительно снижает погрешность измерения давления от изменения толщины оболочки тепловыделяющего элемента, так как мощность теплового потока, передаваемого по оболочке на периферию тепловыделяющего элемента, изменяется пропорционально толщине оболочки. Независимость результата контроля давления газа от наличия пружинного фиксатора в зоне контроля обеспечивается тем, что теплоемкость фиксатора постоянна и может быть учтена коэффициентом, определенным эмпирически.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на которой представлен тепловыделяющий элемент 1, устройство 2 подачи тепловыделяющего элемента 1 в зону контроля, заглушка 3 тепловыделяющего элемента 1, датчик перемещения 4, источник 5 теплового потока 6, контролируемый датчиком температуры 7, тепловой поток 8 по оболочке тепловыделяющего элемента 1 и газу под оболочкой, тепловые экраны 9, тепловой поток 10 от оболочки тепловыделяющего элемента, датчики температуры 11, 12, контролирующие тепловые потоки 8, 10, вычислитель 13.
Способ осуществляется следующим образом.
Тепловыделяющий элемент 1 с помощью устройства 2 подачи устанавливают в зоне контроля так, что заглушка 3 тепловыделяющего элемента 1 позиционируется в датчике перемещения 4. Источник 5 теплового потока подводит тепловой поток 6, контролируемый датчиком температуры 7, к участку оболочки тепловыделяющего элемента 1 в зоне нагрева. Тепловой поток 6 передается из зоны нагрева оболочки на периферию тепловыделяющего элемента 1 тепловым потоком 8 по оболочке и по газу, находящемуся под давлением внутри оболочки. Периферийные участки тепловыделяющего элемента расположены в тепловых экранах 9, в полости которых передается тепловой поток 10 от оболочки тепловыделяющего элемента. В течение времени контроля (30-40 с) происходит линейное тепловое расширение тепловыделяющего элемента 1, и величина данного теплового расширения по длине тепловыделяющего элемента 1 измеряется датчиком перемещения 4. Сигналы датчиков температуры 7, 11, 12, и датчика линейного перемещения 4 подаются на вычислитель 13.
Скорость линейного теплового расширения тепловыделяющего элемента 1 в длину вычисляют по измеренной датчиком 4 величине перемещения заглушки 3 за определенное время измерения.
Пример осуществления способа.
Результат измерения давления газа в тепловыделяющем элементе 1 зависит от начальной температуры оболочки тепловыделяющего элемента 1, равной температуре окружающей среды, от температуры источника 5 теплового потока и температуры стенок тепловых экранов 9, нагреваемых тепловым потоком 10, как величин, определяющих баланс тепловых потоков 6, 8 и 10. Градуировочную зависимость результата измерения давления газа в тепловыделяющем элементе 1 от скорости линейного теплового расширения тепловыделяющего элемента 1 в длину определяют экспериментально, с помощью эталонных образцов давления, изготовленных в соответствии с конструкцией тепловыделяющих элементов и из тех же материалов.
Давление газа в тепловыделяющем элементе 1 определяют с помощью вычислителя 13 по градуировочной зависимости давления газа от скорости теплового расширения тепловыделяющего элемента 1, с учетом температуры источника 5 теплового потока, измеряемой датчиком температуры 7, температуры окружающей среды, измеряемой датчиком температуры 11, и температуры теплового экрана 9, измеряемой датчиками температуры 12.
Практически одним из видов реализации способа с точки зрения технических средств является следующий:
- в качестве датчика 4 линейного перемещения использован бесконтактный гамма-абсорбционный измеритель перемещения тела заглушки 3 в коллиматоре датчика (возможно также использование, например, бесконтактного оптического, индукционного, емкостного сенсора);
- в качестве датчиков температуры 7 и 12 использованы терморезисторы и термопары, надежно зафиксированные в теле нагревателя и теплового экрана;
- устройство 2 подачи тепловыделяющего элемента 1 реализовано в виде рольганга с позиционирующим электроприводом;
- источником 5 теплового потока служит электрический источник теплового излучения со стабилизатором температуры нагрева, в обратной связи которого включен датчик температуры 7;
- тепловой экран 9 выполнен в виде металлического цилиндра с высокими теплопроводными свойствами с постоянной характеристикой коэффициента поглощения теплового излучения;
- процесс контроля может быть полностью автоматизирован с помощью компьютера (вычислитель 13).
Экспериментальные исследования предлагаемого способа на эталонных образцах давления показали, что тепловое расширение тепловыделяющего элемента в длину при температуре оболочки в зоне нагрева не более 200°С составляет от 40 мкм до 48 мкм для давлений от 1,7 МПа до 2,3 МПа соответственно, а максимальная погрешность контроля давления не превысила 50 кПа.
Предлагаемый способ может быть использован в установках неразрушающего контроля давления газа в технологических линиях изготовления тепловыделяющих элементов ядерного реактора типа ВВЭР.