МАНИПУЛЯТОР КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ОБОЛОЧЕК ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к области ядерной техники, в частности, к оборудованию ультразвуковых методов контроля для обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов, и может быть использована при проверке герметичности тепловыделяющих элементов отработавших тепловыделяющих сборок, находящихся под слоем воды, например, в бассейне выдержки атомных электростанций (АЭС).
В основе ультразвуковых методов обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов лежит принцип регистрации воды, попавшей под оболочку негерметичного тепловыделяющего элемента во время его эксплуатации в составе тепловыделяющей сборки или во время хранения тепловыделяющей сборки в бассейне выдержки.
Известен метод обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов, заключающийся в том, что ультразвуковую волну возбуждают со стороны верхней заглушки тепловыделяющего элемента, и волна распространяется вдоль оболочки до нижней заглушки, после отражения от которой ее регистрируют на верхней заглушке (Boschiero M. et al. On site fuel examination equipment in EDF PWR//Proceedings of a technical committee meeting. Paris. 3-6 November, 1987. Vienna: IAEA. TC-625/15). Одним из преимуществ этого метода является то, что волна распространяется по всей оболочке тепловыделяющего элемента и результат контроля не зависит от места расположения воды в негерметичном тепловыделяющем элементе.
Для реализации указанного метода используется ультразвуковой датчик, работающий в эхоимпульсном режиме, который с помощью специального манипулятора поочередно надевается на верхнюю заглушку каждого тепловыделяющего элемента в тепловыделяющей сборке.
Ультразвуковой датчик в способе обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов (Патент РФ №2262757, G21C 17/06, G21C 17/07, опубл. 20.10.2005) обеспечивает возбуждение ультразвуковых волн в оболочке тепловыделяющего элемента в направлении ее продольной оси со стороны верхней заглушки тепловыделяющего элемента. Датчик специальным манипулятором устанавливается симметрично относительно продольной оси оболочки поочередно на верхние заглушки каждого тепловыделяющего элемента в тепловыделяющей сборке. Для точного позиционирования датчика относительно тепловыделяющего элемента необходимо использовать специальное оборудование для его перемещения и установки, а также специальное оборудование, например, видеокамеры для ведения наблюдения и контроля точности установки датчика.
Недостатком устройства является низкая производительность контроля герметичности тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющей сборки, сложность точного позиционирования датчика и необходимость использования специального оборудования как для перемещения и установки датчика, так и для контроля точности установки датчика.
Заявляемая полезная модель позволяет устранить указанные недостатки и обеспечивает многократное повышение производительности контроля герметичности тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющей сборки без использования дополнительного специального оборудования для позиционирования датчиков относительно тепловыделяющих элементов.
Технический эффект достигается тем, что манипулятор контроля герметичности оболочек тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющей сборки содержит корпус с установленными в нем ультразвуковыми датчиками и направляющими элементами для позиционирования датчиков относительно тепловыделяющих элементов, при этом количество и взаимное расположение датчиков выбрано из условия размещения тепловыделяющих элементов в тепловыделяющей сборке, а датчики подпружинены, причем величина перемещения датчиков в направлении оси тепловыделяющей сборки превышает удлинение тепловыделяющих элементов за время эксплуатации.
Направляющие элементы установлены для позиционирования датчиков преимущественно относительно верхних заглушек тепловыделяющих элементов.
Направляющие элементы могут быть выполнены в виде штырей, размеры которых выбраны из условия обеспечения возможности их установки внутрь направляющих каналов тепловыделяющей сборки.
Штыри могут быть выполнены с заходным конусом и различной длины.
Количество ультразвуковых датчиков преимущественно выбрано кратным 1/6 от количества тепловыделяющих элементов в тепловыделяющей сборке при размещении тепловыделяющих элементов по треугольной решетке, и выбрано кратным 1/4 от количества тепловыделяющих элементов в тепловыделяющей сборке при размещении тепловыделяющих элементов по квадратной решетке.
Форма поперечного сечения корпуса преимущественно соответствует форме поперечного сечения тепловыделяющей сборки.
Корпус может быть дополнительно закрыт защитным кожухом, при этом защитный кожух установлен с возможностью свободного перемещения вдоль корпуса.
Манипулятор выполнен с возможностью установки на тепловыделяющей сборке в различной ориентации, причем количество ориентаций, по меньшей мере, равно отношению количества тепловыделяющих элементов в тепловыделяющей сборке к количеству ультразвуковых датчиков.
Корпус выполняет роль несущей конструкции для ультразвуковых датчиков и направляющих элементов и используется для предварительной ориентации манипулятора относительно тепловыделяющей сборки после удаления с нее головки. Для улучшения ориентации манипулятора и совмещения с тепловыделяющей сборкой форму поперечного сечения корпуса выполняют соответствующей форме поперечного сечения тепловыделяющей сборки.
Ультразвуковые датчики, установленные на тепловыделяющие элементы, обеспечивают поочередно возбуждение ультразвуковых волн со стороны верхних заглушек тепловыделяющих элементов, и регистрируют отраженные от нижних заглушек сигналы, по величине которых судят о герметичности тепловыделяющих элементов.
Количество и взаимное расположение ультразвуковых датчиков позволяет осуществлять контроль всех тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющей сборки при установке манипулятора на тепловыделяющей сборке в различных ориентациях, количество которых, по меньшей мере, равно отношению количества тепловыделяющих элементов к количеству ультразвуковых датчиков. Оптимальным является выбор количества ультразвуковых датчиков, исходя из симметрии размещения тепловыделяющих элементов в тепловыделяющей сборке, а именно, кратным 1/6 от количества тепловыделяющих элементов в тепловыделяющей сборке при размещении тепловыделяющих элементов по треугольной решетке и кратным 1/4 от количества тепловыделяющих элементов в тепловыделяющей сборке при размещении тепловыделяющих элементов по квадратной решетке.
Установка датчиков подпружиненными обеспечивает возможность использования манипулятора для контроля герметичности оболочек тепловыделяющих элементов в тепловыделяющей сборке и в том случае, когда удлинение тепловыделяющих элементов различно. Для этого величину перемещения подпружиненных ультразвуковых датчиков в направлении оси тепловыделяющей сборки выбирают превышающей возможное удлинение тепловыделяющих элементов за время эксплуатации тепловыделяющей сборки. Кроме того пружины создают необходимое усилие для плотного контакта датчика и тепловыделяющего элемента или датчика и верхней заглушки тепловыделяющего элемента, на которую датчик устанавливается.
Направляющие элементы установлены в корпусе для позиционирования датчиков относительно тепловыделяющих элементов, преимущественно относительно верхних заглушек тепловыделяющих элементов.
Выполнение направляющих элементов в виде штырей, выбор их размеров и размещение в корпусе обеспечивает возможность установки штырей внутрь направляющих каналов тепловыделяющей сборки при заданных ориентациях манипулятора. Для облегчения введения внутрь направляющих каналов штыри выполнены с заходным конусом и различной длины.
Для защиты ультразвуковых датчиков при хранении и транспортировке корпус может быть дополнительно закрыт защитным кожухом, при этом установка защитного кожуха с возможностью свободного перемещения вдоль корпуса не препятствует размещению манипулятора на тепловыделяющей сборке.
На Фиг. 1 представлен продольный разрез манипулятора, на Фиг. 2 представлена схема размещения датчиков и направляющих элементов на картограмме тепловыделяющей сборки при размещении тепловыделяющих элементов по треугольной решетке.
Манипулятор содержит корпус (1), выполненный, например, в виде плит, соединенных стяжками. Поперечное сечение корпуса (1) манипулятора, предназначенного для контроля герметичности тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющей сборки с шестиугольным поперечным сечением, представляет собой шестиугольник, соответствующий сечению тепловыделяющей сборки.
В корпусе (1) установлены ультразвуковые датчики (2) с использованием пружин (3) и направляющие элементы (4) с заходными конусами (5). Вместо пружин могут быть использованы другие известные упругие элементы, обеспечивающие перемещение датчиков на заданную величину, превышающую возможное удлинение тепловыделяющих элементов в процессе эксплуатации.
Манипулятор устанавливается на тепловыделяющую сборку после удаления с нее головки. Установка производится в определенной ориентации, контролировать которую можно, например, по меткам, нанесенным на грани корпуса (1) и продублированным на защитном чехле (на схеме не изображен). При этом направляющие элементы (4), выполненные в виде штырей, входят внутрь направляющих каналов (на Фиг. 2 размещение штырей совпадает с размещением направляющих каналов). Вхождение штырей в направляющие каналы облегчается за счет заходных конусов (5), выполненных на их концах, и размеров штырей, поскольку за счет различной длины штыри входят в направляющие каналы не одновременно. При дальнейшем проникновении штырей (4) в направляющие каналы ультразвуковые датчики (2) устанавливаются на верхние заглушки тепловыделяющих элементов, при этом за счет пружин (3) обеспечивается плотный контакт каждого датчика и соответствующего тепловыделяющего элемента даже в том случае, если длина тепловыделяющих элементов в процессе эксплуатации изменилась по-разному.
Каждый датчик линией связи соединен с ультразвуковым дефектоскопом или любым другим известным прибором, обеспечивающим возбуждение ультразвуковых колебаний в датчике и регистрацию отраженного сигнала.
Датчики поочередно подключаются к дефектоскопу в соответствии с программой, задаваемой автоматической системой управления или в ручном режиме.
Осуществив контроль тепловыделяющих элементов, количество которых соответствует количеству датчиков, манипулятор поднимают над тепловыделяющей сборкой. При этом датчики выходят из контакта с тепловыделяющими элементами, а штыри извлекаются из направляющих каналов. Меняя ориентацию манипулятора, например, поворачивая его, снова устанавливают манипулятор на тепловыделяющую сборку и производят контроль следующей части тепловыделяющих элементов (приспособления для перемещения и поворота манипулятора на схеме Фиг. 1 не изображены). Для осуществления контроля всех тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющей сборки количество ориентаций манипулятора, по меньшей мере, равно отношению количества тепловыделяющих элементов к количеству ультразвуковых датчиков.
Например, для обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющей сборки реактора ВВЭР-1000 в манипуляторе может быть 52 ультразвуковых датчика, что соответствует 1/6 части от общего количества тепловыделяющих элементов. В этом случае для контроля всех 312 тепловыделяющих элементов, расположенных по треугольной решетке, манипулятор будет переустановлен на тепловыделяющей сборке в 6 ориентациях с поворотом на угол 60°. При этом предпочтительно устанавливать в манипуляторе 18 штырей, что соответствует количеству направляющих каналов в тепловыделяющей сборке. Величину перемещения подпружиненных ультразвуковых датчиков в направлении оси тепловыделяющей сборки выбирают не менее 40 мм, что обеспечивает возможность выполнения измерений при разности высот тепловыделяющих элементов в тепловыделяющей сборке до 30 мм.
Для обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющей сборки реактора PWR с квадратной решеткой 17×17 в манипуляторе может быть 66 ультразвуковых датчика, что соответствует 1/4 части от общего количества тепловыделяющих элементов. В этом случае для контроля всех 264 тепловыделяющих элементов, расположенных по квадратной решетке, манипулятор будет переустановлен на тепловыделяющей сборке в 4 ориентациях с поворотом на угол 90°. При этом предпочтительно устанавливать в манипуляторе 24 штыря, что соответствует количеству направляющих каналов в тепловыделяющей сборке.
В манипуляторе применен ультразвуковой датчик с дисковым пьезоэлементом, диаметром 8 мм, выполненным из пьезокерамики цирканат-титанат-свинца-19 (ЦТС-19). Датчик соединялся с помощью экранированного кабеля с ультразвуковым дефектоскопом УД2-12.
При использовании для обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющей сборки реактора ВВЭР-1000 устройства с одним датчиком затрачивается приблизительно 12 часов. Применение заявляемой полезной модели сокращает время исследования до 1,5-2 часов.
Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает многократное повышение производительности контроля герметичности тепловыделяющих элементов составе тепловыделяющей сборки без использования дополнительного специального оборудования для позиционирования датчиков относительно тепловыделяющих элементов.
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической информации не было обнаружено решений, содержащих всю совокупность предлагаемых признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию "новизна".
Заявляемая полезная модель соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость", поскольку ее реализация возможна при использовании существующего оборудования и с применением известных технологий.