Способ измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе
METHOD OF MEASURING HELIUM CONCENTRATION IN FUEL ELEMENT

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов (твэлов) на этапе проведения контроля концентраций гелия в них, в частности, в условиях конвейерного производства твэлов.
Известен разрушающий выборочный способ контроля состава газа под оболочкой твэла, при котором из определенной партии твэлов отбирают твэл, делают прокол его оболочки и определяют состав газов /Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 2, под ред. Ф.Г. Решетникова. – М.: Энергоатомиздат, 1995, стр. 286-288/.
Недостатком выборочного контроля твэлов является то, что он не гарантирует, что вся партия твэлов соответствует/не соответствует установленным требованиям. Кроме того, способ требует издержек, связанных с разрушением готового твэла.
Известен «Способ контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов и устройство для его осуществления» /патент РФ №2261498/.
Способ включает технологический контроль давления гелия, подаваемого в тепловыделяющий элемент перед окончательной герметизацией, и определение тепловым методом давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации. Для этого тепловыделяющий элемент на позиции измерения фиксируют датчиком, по сигналу которого его зажимают и удерживают в течение всего времени контроля. Далее осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области компенсационного объема, регистрируют изменение температуры участков оболочки тепловыделяющего элемента при его повороте на 180° в начале и конце интервалов времени после нагрева и поворота (регистрируют временную зависимость температуры). При этом передача тепловой энергии через гелий внутри тепловыделяющего элемента приводит к возникновению разности температур на участках оболочки тепловыделяющего элемента, пропорциональных давлению гелия в тепловыделяющем элементе.
Недостатком аналога является невозможность выявления твэла, под оболочкой которого, кроме гелия, находится загрязняющий газ (воздух или азот), снижающий эксплуатационные характеристики твэлов.
Известен «Способ проверки тепловыделяющих элементов» /патент РФ №2552839/.
Способ включает определение давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации, при котором удерживают тепловыделяющий элемент на позиции измерения в течение всего времени контроля, осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области компенсационного объема, регистрируют временную зависимость температуры участков оболочки в течение всего времени контроля, по ней судят о давлении гелия и состоянии тепловыделяющего элемента, согласно которому перед локальным нагревом по всему периметру части оболочки в области компенсационного объема обеспечивают исключение теплопередачи непосредственно по телу оболочки вдоль ее длины в другую сторону от участка нагрева, при этом удаленный участок выбирают на другой стороне области компенсационного объема, далее тепловыделяющий элемент выдерживают до выравнивания его температуры с температурой окружающей среды, а после завершения контроля создают температуру окружающей среды ниже 0°С, перед локальным нагревом тепловыделяющий элемент выдерживают до выравнивания его температуры с новой температурой окружающей среды, повторяют цикл нагрев-измерения с исключением теплопередачи по телу оболочки от места нагрева к удаленному участку и сравнивают полученные временные зависимости температур поверхности места нагрева и удаленного участка при разных температурах окружающей среды с калибровочными зависимостями для разных давлений гелия и с разными уровнями содержания воздуха в нем.
Способ проверки тепловыделяющих элементов обеспечивает выявление наличия воздуха под оболочкой твэла и определение давления газовой среды в твэле.
Недостатком способа является неудовлетворительная производительность при использовании его для сплошного контроля твэлов в жестких временных рамках конвейерного производства.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому изобретению является «Способ контроля тепловыделяющих элементов» /патент РФ №2552526/.
Способ контроля тепловыделяющих элементов включает определение давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации, при котором удерживают тепловыделяющий элемент на позиции измерения в течение всего времени контроля, осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области компенсационного объема, регистрируют временную зависимость температуры участков оболочки в месте нагрева и на противоположной стороне оболочки в течение всего времени контроля, по ней судят о давлении гелия и состоянии тепловыделяющего элемента, согласно которому перед локальным нагревом тепловыделяющий элемент выдерживают до выравнивания его температуры с температурой окружающей среды, а после завершения контроля создают температуру окружающей среды ниже 0°С, перед локальным нагревом тепловыделяющий элемент выдерживают до выравнивания его температуры с новой температурой окружающей среды, повторяют цикл нагрев-измерения и сравнивают полученные временные зависимости давлений при разных температурах с калибровочными зависимостями для разных давлений гелия и с разными уровнями содержания воздуха в нем.
Недостаток способа-прототипа заключается в его низкой производительности. Она обусловлена многократным проведением времязатратных операций «выдержки твэла до выравнивания его температуры с температурой окружающей среды», «создание температуры окружающей среды ниже 0°С», что не позволяет использовать способ для оценки концентрации гелия в смеси с загрязняющим газом при сплошном контроле твэлов в жестких временных рамках их конвейерного производства.
Настоящее изобретение направлено на устранение недостатка способа-прототипа, а именно на разработку способа измерения концентрации гелия в смеси с воздухом или азотом в твэле, обладающего производительностью, необходимой для осуществления сплошного контроля твэлов в жестких временных рамках конвейерного производства.
Для решения поставленной задачи в способе измерения концентрации гелия в твэле, включающем подачу твэла в установку на позицию измерения, проведение локального импульсного нагрева участка оболочки твэла в области его компенсационного объема, измерение временных температурных зависимостей и определение концентрации гелия в твэле, предлагается:
дополнительно перед подачей твэла в установку на позицию измерения измерить температуру воздуха в установке, после размещения твэла на позицию измерения измерить температуру оболочки твэла;
дополнительно измерить температурные зависимости стандартных образцов в зависимости от температуры воздуха в установке, температуры оболочки и эффекта взаимодействия этих температур;
х
объемную концентрацию гелия в контролируемом твэле (С) определить по формуле
0
1
0
1
в
об
в,х
об,х
_
где C, C - объемные концентрации гелия в стандартных образцах; ,  функциональные параметры временных температурных зависимостей  стандартных образцов соответственно с концентрацией С и С при температуре воздуха в установке t и температуре оболочки твэла t;  - параметр временной температурной зависимости контролируемого твэла с неизвестной концентрацией гелия (х) при измеренной температуре воздуха в установке t и температуре оболочки твэла t.
Сущность предложенного способа измерения концентрации гелия в твэле поясняется графическим материалом.
На фиг. 1 показан общий вид установки для реализации способа.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - корпус установки; 2 - тепловыделяющий элемент; 3 - узел фиксации твэла на позицию измерения; 4 - компенсационный объем твэла; 5 - индукционный нагреватель; 6 - дистанционный измеритель температуры; 7 - приспособление для измерения температуры воздуха в установке.
Способ осуществляют следующим образом. Физической основой способа измерения концентрации гелия в смеси с воздухом, находящейся под оболочкой твэла, является существенное различие теплопроводностей гелия и воздуха. Это различие свойств газов проявляется при локальном импульсном нагреве участка оболочки твэла, в частности, в виде зависимости температуры нагрева от концентрации гелия в твэле.
Способ использует относительный метод измерения, при котором концентрация гелия в контролируемом твэле определяется относительно стандартных образцов. В качестве стандартных образцов используют два имитатора твэла, один из которых имеет 100% концентрацию гелия под его оболочкой, другой - 100% концентрацию воздуха, оба газа под оболочками стандартных образцов находятся при давлении, равном давлению в контролируемом твэле.
Температурные условия проведения измерений с контролируемыми твэлами характеризуются непостоянством температур воздуха в установке и оболочки твэла в области его компенсационного объема, к тому же температура оболочки твэла имеет повышенную температуру, обусловленную проведением предыдущих операций по изготовлению твэла. Исключения влияния различающихся температурных условий в процессе проведения измерений со стандартными образцами и контролируемыми твэлами на конечный результат измерений - определение концентрации гелия в твэле - достигают приведением температурных условий измерений со стандартными образцами к температурным условиям измерений с контролируемыми твэлами. Для этого, во-первых, измерения с контролируемыми твэлами дополняют измерениями температуры воздуха в установке и температуры оболочки твэла и, во-вторых, измерения со стандартными образцами выполняют с возможностью получения функциональных зависимостей параметров временных температурных зависимостей от температуры воздуха в установке, температуры оболочки твэла и эффекта взаимодействия этих температур.
Измерения временных температурных зависимостей с каждым стандартным образцом проводят при всех сочетаниях допускаемых нижних и верхних уровней температур воздуха в установке и оболочки контролируемого твэла. Результат совместных измерений описывают зависимостью, связывающую параметр, количественно характеризующий временную температурную зависимость, с температурой воздуха в установке, температурой оболочки твэла и эффектом взаимодействия этих температур. Необходимость учета влияния эффекта взаимодействия температур обосновывается свойством неаддитивности температуры как физического понятия. Наиболее эффективно этот этап реализации способа выполняется с использованием математического планирования двухфакторного эксперимента с учетом влияния эффекта взаимодействия факторов /Зажигаев Л.С., Кимьянов А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. М.: Атомиздат, 1978, с. 232/.
В измерениях с контролируемыми твэлами температуру воздуха в установке измеряют до введения контролируемого твэла 2 на позицию измерения с использованием дистанционного измерителя температуры 6 и приспособления 7, представляющего собой рамку с закрепленной по ее периметру фольгой, температура которой находится в равновесии с температурой воздуха в установке. Температуру оболочки твэла 2 измеряют после его установки на позицию измерения, при этом контролируемый твэл закрывает поверхность фольги приспособления 7, а его оболочка оказывается в поле зрения дистанционного измерителя температуры.
В измерениях со стандартными образцами изменения температур воздуха в установке и оболочке твэла в диапазоне допускаемых технологических значений осуществляют с использованием внешних устройств, например камер холода, кондиционеров и различного рода нагревателей. Локальный импульсный нагрев участка оболочки компенсационного объема 4 твэла 2 осуществляют по всему его периметру с использованием индукционного нагревателя 5.
Таким образом, в предложенном способе в отличие от способа-прототипа отсутствуют времязатратные операции. Время измерения без учета установки твэла на позицию измерения и удаления твэла из установки после измерений составляет не более 20 секунд. Измерения со стандартными образцами - это разовые измерения, и проводятся они на этапе пусконаладочных работ, и поэтому их продолжительность не влияет на производительность способа. Достигнутая производительность способа позволяет организовать сплошной контроль твэлов в условиях их конвейерного производства.
Технический результат - повышение качества изготовления твэлов за счет предоставленной изобретением возможности реализовать сплошной контроль содержания гелия в твэлах в условиях их конвейерного производства, надежности эксплуатации твэлов в ядерных энергетических установках.
Промышленная применимость способа обосновывается тем, что все используемые технические средства для реализации способа известны до создания настоящего изобретения.