СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СНИМАЕМОЙ АЛЬФА-ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ТВЭЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
FUEL RODS ALPHA CONTAMINATION READING AUTOMATIC CONTROL METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к атомной энергетике, может быть использована на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов (твэл) для тепловыделяющих сборок (твс) энергетических ядерных реакторов, преимущественно для контроля снимаемой альфа-загрязненности с тепловыделяющих элементов (твэл).
В процессе изготовления тепловыделяющих элементов возможно загрязнение радиоактивной пылью в момент их снаряжения топливными таблетками в открытый конец оболочки, и соответственно, загрязнение тепловыделяющих сборок. Транспортирование загрязненных радиоактивными материалами тепловыделяющих сборок не допускается. Поэтому в состав автоматических линий включаются посты контроля альфа-загрязненности наружных поверхностей тепловыделяющих элементов.
Известны линия контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов по патенту РФ №2242297, дата приоритета 02.09.2002, опубл. 20.03.2004, кл. МПК В07С 5/04, и автоматизированная линия сборки твэл для энергетических ядерных реакторов типа БН по патенту РФ №2094866, дата приоритета 02.08.1994, опубл. 27.10.1997, кл. МПК G21C 21/00, имеются детекторы альфа-излучений, располагаемые над оболочкой.
Недостатками известных технических решений является то, что невозможно выявить незафиксированную долю загрязнения, которая может быть удалена последующей дезактивацией. Кроме того, габариты твэла не позволяют производить одномоментный контроль всей его поверхности, что приводит к большим затратам времени на выполнение данной технологической операции. На достоверность контроля также может повлиять фоновое излучение от таблеток, находящихся внутри оболочки, например, при использовании топлива, имеющего в своем составе высокоактивные компоненты. В подобных случаях рекомендуется применять метод мазков, то есть перенос загрязнения на промежуточный носитель, где производится концентрация загрязнения и последующий контроль его радиоактивности детекторами альфа-загрязнений. Данный метод регламентируется методическими указаниями по методам контроля загрязнения нуклидами поверхностей рабочих помещений, оборудования, транспортных средств и других объектов (МУК 2.6.1.016-99), где предусматривается выбор промежуточного носителя, способы протирки, приводятся коэффициенты переноса загрязнений, способы измерения радиоактивности промежуточного носителя. При несоответствии размеров чувствительных элементов альфа-радиометра и размерами промежуточного носителя предусматривается его концентрация путем обугливания термическим либо химическим способом. Важную роль для воспроизводимости результатов контроля загрязнения играет сила прижатия промежуточного носителя к контролируемой поверхности в процессе ее протирки.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству для его осуществления является способ автоматического контроля снимаемой альфа-загрязненности твэлов и устройство для его осуществления по патенту РФ №2615036, кл. G01T 1/16. Этот способ и устройство для его осуществления принят в качестве прототипа.
Способ характеризуется тем, что твэл подают на позицию контактирования его поверхности с материалом, выполненным в виде тканевой ленты, которую поперечно направляют к твэлу, при этом поверхность твэла механически плотно обжимают лентой с нормированным усилием, не превышающим предела прочности тканевой ленты и твэла, но достаточным для перехода на нее альфа-частиц. Твэл протягивают через ленту до получения сухого мазка (пятна), снимают поджимающее механическое усилие и перемещают ленту с полученным пятном под блок детектирования альфа-радиометра, регистрирующий наличие загрязненности, причем обзорная возможность блока детектирования альфа-радиометра должна превышать размер пятна контакта, после чего уровень загрязнения твэла определяют в установленном порядке с использованием известного измерительного оборудования, размер полученного пятна с альфа-излучением составляет 40×30 мм.
А устройство для контроля снимаемой альфа-загрязненности на поверхности твэла содержит раму, на которой установлены две катушки питающая и приемная с бязевой лентой, с роликом, включающим датчик определения длины промотки ленты, направляющие ролики с датчиком усилия натяжения ленты, выполненным в виде ролика с тензометрическом датчиком, размещенные над лентой со смещением от позиции контактирования ленты с твэлом, связанный с измерительной аппаратурой блок детектирования альфа-радиометра и размещаемый под лентой механизм обжима ленты к поверхности твэла, включающий два подвижных ролика обжима лентой твэла с механизмом обжима.
Недостатками прототипа являются:
1. Необходимость замены устройства обжима при контроле твэлов разных диаметров.
2. Невозможность снятия качественного мазка с твэла, имеющего дистанционирующую проволоку, например, твэл для реактора БН-800.
3. Неравномерность съема радиоактивного загрязнения приводит к снижению точности измерения, так как равномерность усилия обжима по периметру окружности твэла лентой не гарантируется.
4. При использовании в качестве носителя ленты сменной кассеты возникает необходимость в отдельном рабочем месте, пригодном для работы с загрязненными радиоактивными веществами лентами при перезарядке кассет. Кроме того, в предлагаемой конструкции механизм обжима твэла и сменная кассета совмещены, что вынуждает встраивать механизм обжима в кассету. Датчики также установлены в кассете. Соответственно необходимо несколько комплектов сменных кассет.
Технической задачей заявляемой группы изобретений является автоматизированное измерение степени снимаемой (незафиксированной) альфа-загрязненности наружной поверхности твэла на линии выходного контроля.
Техническим результатом, на который направлена группа изобретений, является создание способа и устройства для определения поверхностного загрязнения твэла с высокой степенью достоверности, повышение скорости контроля и возможностью встраивания устройства в автоматическую линию комплексного контроля твэлов, как гладких, так и с проволокой.
Для подтверждения указанного выше представляем описание заявленного способа и конкретного конструктивного выполнения устройства.
Заявляемая группа изобретений иллюстрируется следующими чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - общий вид сверху, на фиг. 3 - схема движения твэла и тканевой ленты относительно друг друга, на фиг.4 - зависимость сил давления ленты на оболочку от угла обхвата - Ni=N е (ft ∝), на фиг. 5 - узел подачи твэла.
Способ автоматического контроля альфа-загрязненности твэлов заключается в том, что твэл 1 подают на позицию контактирования его поверхности с материалом, выполненным в виде бязевой ленты 2, которую поперечно направляют к твэлу 1, при этом поверхность твэла 1 охватывают лентой 2 с нормированным усилием, затем твэл 1 протягивают через ленту 2 до получения сухого мазка (пятна), и перемещают ленту 2 с полученным пятном под блок детектирования 3 альфа-радиометра, регистрирующий наличие загрязненности, причем обзорная возможность блока 3 детектирования альфа-радиометра должна превышать размер пятна контакта, после чего уровень загрязнения твэла 1 определяют в установленном порядке с использованием известного измерительного оборудования, причем габаритные размеры полученного пятна с альфа-излучением составляют ширину бязевой ленты на длину охватываемой окружности твэла.
Способ отличается тем, что охват контролируемой поверхности твэла производится под углом от 10 до 270° в плоскости, перпендикулярной оси твэла. А твэл 1 подают при снятии мазка поступательно-вращательно на позицию контактирования его поверхности с материалом. Прижатие ленты к твэлу производится путем ее натяжения двигателем 4, наматывающим ленту на катушку 5. Усилие натяжения ленты задается силой торможения ленты на входе узла 6 охвата и контролируется тензометрическим датчиком 7, связанным с одним из направляющих роликов 8. Положение ленты перед срабатыванием узла 6 охвата задается направляющим роликом 9.
Способ осуществляется с помощью устройства автоматического контроля альфа-загрязненности твэлов, который состоит из основания 10, на котором закреплена вертикальная рама 11, узел 12 входной и узел 13 выходной подачи твэла 1, узел 14 подачи образцов активности для калибровки измерительного канала, узел 15 крепления приемной катушки 5 и питающей катушки 16. К раме 11 крепится блок 3 детектора альфа-радиометра и панель 17, которая может перемещаться по вертикали на величину, необходимую для срабатывания узла 6 охвата. Перемещение данной панели 17 производится актуатором 18 (линейный двигатель). На панели 17 расположены направляющие ленту ролики 19 и 20, обеспечивающие процесс смотки и намотки ленты, и узел 6 охвата твэла 1. Один из направляющих роликов 8 соединяется с панелью 17 через тензометрический датчик 7. Один из роликов 8, составляющих узел 6 охвата твэла 1 имеет колодочный тормоз 21 для натяжения ленты 2. Ролик 20, направляющий ленту на приемную катушку 5, снабжен энкодером 23 (датчик угла поворота, который измеряет угол поворота ролика 20) и устройством 24 прижима ленты, предназначенного для обеспечения вращения ролика 20 при отсутствии натяжения. Узлы 12,13 подачи твэла состоят из трех валков 25, 26, 27, развернутых относительно оси твэла 1 на угол, обеспечивающий необходимый шаг перемещения твэла 1, элементов их крепления и основания 28. Один из валков 25 предназначен для поджима твэла 1 к двум остальным, второй валок 26 приводится во вращение шаговым двигателем 29 и предназначен для перемещения твэла, третий валок 27 свободно вращается относительно своей оси.
Автоматизация процесса определения загрязненности обеспечивается системой управления.
Заявляемое устройство работает следующим образом:
- при первом включении производится установка питающей катушки 16 и ручное протягивание ленты до приемной катушки 5, и закрепление в ней ленты 2;
- транспортной системой производится совмещение начала твэла 1 с лентой 2;
- производится подъем панели 17 и охват лентой твэла 1;
- включением привода приемной катушки 5 производится предварительное натяжение ленты, величина натяжения определяется силой трения ленты о колодочный тормоз 21;
- производится съем мазка путем протягивания твэла 1 через узел 6 охвата на фиксированную длину, тензометрический датчик 7 фиксирует изменение натяжения ленты, необходимое для расчета коэффициента трения;
- производится перемещение снятого мазка на позицию контроля альфа-загрязненности, причем контроль длины промотки ленты производится сигналом, снятым с энкодера 23, соединенного с направляющим роликом 20. Зона загрязнения ленты при этом оказывается в зоне чувствительности блока 3 детектирования альфа-радиометра, где и происходит измерение степени загрязненности ленты и, следовательно, твэла 1;
- производится опускание панели и извлечение твэла 1 с позиции контроля;
- производится расчет удельной загрязненности, при этом учитывается отношение общей площади к площади, с которой снят мазок, отношение количества распавшихся частиц к количеству зафиксированных блока 3 детектирования альфа-радиометра. По результатам расчетов принимается решение о годности твэла. После того, как закончится лента на питающей катушке 16, устанавливается новый рулон ленты и начало новой ленты соединяется с концом старой. После промотки ленты через установку производится разрез ленты возле места стыка, использованный рулон ленты с приемной катушки 5 удаляется, конец новой ленты крепится к катушке 16. Этой операцией исключается ручная заправка ленты в устройство (протаскивание ленты по всему тракту ее перемещения).
Стабильность усилия прижатия промежуточного носителя к контролируемой поверхности параметра обеспечивает стабильность коэффициента съема загрязнения, которая необходима в измерительных системах. В предлагаемом устройстве сила прижима ленты к твэлу обеспечивается контролем и регулированием двух параметров:
- стабильностью натяжения ленты со стороны узла 6 охвата, то есть постоянным усилием прижима колодочного тормоза 21 к ленте;
- контролем натяжения ленты тензометрическим датчиком 7 со стороны ролика 8.
Связь сил натяжения ленты 2 и сил прижима ленты к твэлу связана зависимостями:
где ft - коэффициент трения скольжения,
t
F- сила трения, возникающая при вращении твэла -
N - сила нормального давления (средняя);
S1 - натяжение ленты на сбегающей набегающей ветви;
S2 - натяжение ленты на набегающей ветви
где ∝ - угол обхвата лентой твэла
Следовательно, сила нормального давления составит:
Таким образом, измерив тензометрическим датчиком 7 силу натяжения S2, можно определить и настроить силу давления ленты 2 на твэл 1 в соответствии с рекомендациями МУК 2.6.1.016-99.
Стабилизация усилия прижима ленты 2 к твэлу 1 в данной установке производится путем изменения усилия предварительного натяжения ленты датчиком 7, а контроль -измерением усилия протягивания твэла, которое осуществляется измерением силы тока, питающего двигатели 29 узлов 12, 13 подачи твэла.
Для увеличения достоверности измерения степени загрязненности предусмотрена калибровка измерительного канала при помощи эталонных образцов альфа-активности, размещаемых поочередно в зоне чувствительности блока 3 детектирования альфа-радиометра специальным устройством.
Преимущества, достигаемые при реализации группы изобретений:
- определение поверхностного загрязнения твэл с высокой степенью достоверности;
- автоматизированное измерение степени снимаемой (незафиксированной) альфа-загрязненности наружной поверхности твэл на линии выходного контроля;
- повышение скорости контроля и возможность встраивания устройства в автоматическую линию комплексного контроля твэл как гладких, так и с проволокой;
- снятие качественного мазка с твэла, имеющего спирально навитую проволоку, например твэл для реактора БН-800;
- повышение экономического эффекта, за счет упрощения конструкции, и отказа от изготовления комплекта кассет.