УСТАНОВКА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТОПЛИВНОГО СТОЛБА КОЛЬЦЕВОГО ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА
APPARATUS FOR CONTROLLING CHARACTERISTICS OF FUEL COLUMN ANNULAR FUEL ELEMENT

Изобретение относится к ядерной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению кольцеобразных тепловыделяющих элементов (твэлов), изготовленных в виде труб, заполненных уран-засыпным или уран-заливным ядерным керамическим топливом, для тепловыделяющих сборок ядерных реакторов (ТВС). Изобретение предназначено для контроля параметров кольцевых твэлов различного диаметра и различного обогащения с выдачей заключения о качестве их изготовления.
2
Известно, что для нормальной работы реактора, исключения искажений нейтронного и температурного полей каждый кольцевой твэл в составе ТВС должен содержать строго заданное количество ядерного топлива - делящегося изотопа уран-235, равномерно распределенного по длине топливного столба твэла. При снаряжении твэлов происходит засыпка порошка UO в кольцевой зазор со строго заданным значением массовой доли урана-235 в смеси изотопов урана (обогащение). При этом не исключены случаи, когда топливо распределится по длине топливного столба неравномерно или технология его сборки будет нарушена. При этом длина топливного столба, масса засыпанного топлива, обогащение топливного столба и другие характеристики будут отличаться от их номинальных значений. С учетом важности этих характеристик твэла возникла необходимость контроля твэлов и их разбраковки перед сборкой в ТВС.
2
При выходном контроле характеристик качества топливного столба кольцевых изделий, где топливом является порошок UO, засыпанный между оболочками коаксиальных цилиндров различных диаметров (разница в диаметрах этих цилиндров образует кольцевой зазор), контролируемыми параметрами являются следующие.
Первый параметр - это средняя поверхностная плотность распределения топлива (Plsr) (масса засыпанного топлива на единицу площади поверхности).
1
4
Второй параметр - это локальная поверхностная плотность распределения топлива на длине 10 мм (Pll). При этом при засыпке топлива оно может произвольным образом сформироваться в кольцевом зазоре. Поэтому для реальной картины распределения топлива необходимо производить контроль локальной поверхностной плотности по секторам равным / от полной поверхности на длине 1 см.
Однако в процессе производства изделий и их нейтронно-физических испытаний выяснилось, что порой возникают эффекты, которые при допустимых значениях вышеуказанных параметров приводят к повышенному энерговыделению. Поэтому для того, чтобы исключить все возможные причины этого, необходимо ввести дополнительные параметры контроля, а именно:
- идентификация изделий по типу обогащения (R);
- масса топлива, закруженного в оболочку (Mu);
- длина топливного столба (La).
Известен комплекс контроля внутренней структуры тепловыделяющих элементов (твэлов) в виде столба топливных таблеток, содержащий, по меньшей мере, один модуль контроля, соединенный с системой управления для обработки результатов контроля, при этом модуль контроля выполнен с возможностью перемещения по нему столба топливных таблеток и включает последовательно расположенные многоканальный спектрометрический блок для анализа спектра собственного гамма-излучения столба топливных таблеток, блок детектирования гамма-излучения, прошедшего через столб топливных таблеток, с внешним источником гамма-излучения для контроля зазоров между топливными таблетками и блок вихретокового контроля наличия металлических комплектующих в столбе топливных таблеток. Многоканальный спектрометрический блок включает сцинтилляционные устройства детектирования, расположенные в одну линию, каждое из которых соединено с соответствующим одноплатным спектрометром, связанным с контроллером системы управления, причем сцинтиллятор каждого сцинтилляционного устройства детектирования представляет собой кристалл NaI(Tl) со сквозным боковым отверстием для прохода через него столба таблеток. Внешний источник гамма-излучения представляет собой изотоп Am241, а блок детектирования прошедшего через столб топливных таблеток гамма-излучения содержит сцинтилляционное устройство детектирования, соединенное с дополнительным одноплатным спектрометром, связанным с контроллером системы управления (RU 89752 U1, 10.12.2009).
Комплекс позволяет: контролировать среднее обогащение столбов топливных таблеток ТВЭЛ; выявлять аномальные по обогащению единичные топливные таблетки в столбе (столбах); выявлять аномальные по обогащению участки столбов топливных таблеток; выявлять непредусмотренные конструкцией зазоры между топливными таблетками и определять наличие/отсутствие металлических комплектующих в топливном столбе стержневого твэла.
Комплекс не позволяет осуществлять контроль кольцевых твэлов, которые могут иметь неравномерное распределение топлива не только по длине, но и по секторам кольцевого зазора.
Задачей изобретения является создание установки автоматического контроля параметров кольцевых твэлов, позволяющей определять все вышеуказанные параметры в одной установке одновременно за один проход твэла и уменьшить объем последующих внутриреакторных испытаний.
Для контроля R применяется гамма-эмиссионный метод.
Для контроля Plsr; Pll; Mu; La применяется гамма-абсорбционный метод.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности определения равномерности распределения топлива в кольцевом зазоре кольцевого твэла и среднего обогащения кольцевого твэла.
Технический результат достигается установкой для контроля характеристик топливного столба кольцевых твэлов, содержащей расположенные в ряд блоки детектирования собственного гамма-излучения топливного столба и блоки детектирования гамма-излучения, прошедшего через топливный столб, источник гамма-излучения, механизм перемещения твэла и блок управления, связанный с блоками измерения и с механизмом перемещения твэла, в которой, согласно изобретению, источник гамма-излучения закреплен на конце штанги, предназначенной для ввода в полость твэла, механизм перемещения твэла выполнен с возможностью обеспечения поступательного перемещения твэла вдоль своей оси и включает механизма захвата и поворота твэла вокруг своей оси на 90 градусов, причем установка включает два блока детектирования гамма-излучения, прошедшего через топливный столб, расположенные с противоположных сторон от оси перемещения твэла.
На фиг. 1 приведена схема предложенной установки.
На фиг. 2 показан кольцевой твэл с введенной в него штангой с источником гамма-излучения.
На фиг. 3 приведен график временной зависимости плотности потока гамма-квантов, прошедших через топливный столб твэла.
Установка для контроля характеристик топливного столба кольцевого твэла содержит измерительный узел, включающий блоки детектирования 1-6. Блоки 1-4 детектирования собственного излучения топливного столба твэла расположены в ряд и предназначены для измерения обогащения твэла. Перед ними расположены блоки 5, 6 детектирования гамма-излучения, прошедшего через топливный столб, которые предназначены для измерения характеристик равномерности распределения топлива.
Механизм перемещения твэла включает двигатель 7, связанный с механизмом 8 захвата и поворота твэла.
Блок управления (не показан) связан с механизмом перемещения твэла и обеспечивает перемещение твэла в продольном направлении через измерительный узел, поворот твэла на 90°, снятие информации с блоков 1-6 о структуре топливного столба.
Блок управления реализован на промышленном компьютере ADVANTEG с установленной платой коммуникационного процессора СР5611 и платами спектрометров типа SBS-77 и на контроллере SIMATIC S7-300.
Установка работает следующим образом.
Кольцевой твэл 9 захватывается механизмом 8 захвата и поворота за его заглушку, и из положения 10 двигатель 7 с постоянной скоростью начинает его перемещать через блоки детектирования 1-6 в положение 11 (фиг. 1). При этом штанга 12 с закрепленным на ее конце источником 13 гамма-излучения вводится в полость твэла 9 (фиг. 2) таким образом, что источник 13 гамма-излучения находится между блоками 5 и 6 детектирования, расположенными друг напротив друга по обе стороны от оси перемещения твэла. При этом посредством блоков 5, 6 детектирования происходит измерение характеристик равномерности распределения топлива в первой и третьей четвертях твэла.
В положении 11 твэл останавливается, и происходит измерение среднего обогащения топливного столба посредством блоков 1-4 детектирования.
Затем механизмом 8 захвата и поворота твэл 9 поворачивается на 90° и с той же скоростью возвращается в положение 10. При этом происходит измерение характеристик равномерности распределения топлива во второй и четвертой четвертях твэла 9.
По окончании цикла измерения механизм 8 захвата и поворота расцепляется с заглушкой твэла 9, и твэл 9 выгружается с позиции 10.
Далее цикл повторяется в автоматическом режиме для последующих изделий.
Гамма-излучение от источника 13 проходит через топливное кольцо твэла 9 и регистрируется блоками 5 и 6 детектирования. Блоки 5, 6 детектирования подключены к соответствующим платам спектрометров гамма-излучения, которые из всего спектра его излучения выделяют главную аналитическую линию и по ее интенсивности судят о распределении топлива в секторе твэла 9, через который проходит гамма-излучение. Применение спектрометров позволяет из всего спектра излучения (в который входит гамма-излучение самого топлива, фоновое гамма-излучение, рассеянное гамма-излучение и все энергетические линии источника гамма-излучения) выделить необходимый энергетический диапазон. В качестве источника 13 гамма-излучения используется изотоп Co57 с энергетической линией излучения 122 Кэв. Данная линия является наиболее подходящей для контроля урана, так как при ней соотношение поглощения и не поглощения для урана является максимальным (более чем в 10 раз). По изменению интенсивности регистрации гамма-квантов можно судить о распределении топлива в кольцеобразном зазоре твэла 9.
При движении твэла 9 в процессе контроля плотность потока гамма-квантов, прошедшего через топливный слой твэла 9, с помощью сцинтилляционного блока 5 (6) детектирования преобразуется в статистически распределенную последовательность электрических импульсов, поступающих на плату спектрометрического анализатора, где происходит соответствующее усиление и амплитудная дискриминация, а далее запись в файл временной последовательности чисел зависимости N(L), где:
N - количество импульсов за единицу времени (скорость счета);
L - координата участка топливного столба твэла.
На фиг. 3 обозначены:
ПФОН - значение скорости счета «на воздухе»;
ВПП - верхнее пороговое значение скорости счета для порогового значения линейной плотности, расположенной в топливном столбе;
НПП - нижнее пороговое значение скорости счета для порогового значения линейной плотности, расположенной в топливном столбе.
ТС - значение скорости счета для топливного столба, определяющее начало и конец топливного столба.
Пороговые значения выбирают в процессе предварительных исследований.
Для расчета длины топливного столба определяется расстояние между точками начала и конца топливного столба (ТС) и по соответствующей линейной градуировочной зависимости, полученной с помощью стандартных образцов средней поверхностной плотности, определяется длина топливного столба. В данных образцах аттестованными параметрами являются: масса загруженного топлива; длина активной части; средняя линейная плотность; средняя поверхностная плотность. Стандартные образцы изготавливаются таким образом, чтобы совместить указанные выше характеристики в одном образце, а количество образцов выбирается таким, чтобы перекрыть необходимые диапазоны измерения указанных выше характеристик. При этом наиболее важным является выбор критерия начала и конца топливного столба, так как при засыпке топлива граница получается «размытой». Данные критерии выбираются путем дифференцирования кривой распределения временной зависимости N(L) (фиг. 3). Точки, где производная стремится к нулю, соответствуют началу и концу топливного столба.
Для расчета массы загруженного топлива по тем же стандартным образцам строится линейная градуировочная зависимость определения средней линейной плотности. Поэтому, определяя при контроле значение линейной плотности и длину топливного столба, простым умножением значения полученной длины и значения полученной средней линейной плотности определяют массу загруженного в твэл топлива.
Данные процедуры вычисления происходят автоматически в блоке управления при движении твэла 9. При этом полученную информацию можно выводить для анализа и в численном, и в графическом виде.
При прямом проходе твэла 9 данные характеристики измеряются в двух противоположных четвертях (секторах) кольцевого твэла.
При обратном проходе твэл 9 автоматически поворачивается на 90 градусов, и измерения проводятся в двух других противоположных четвертях.
Измерение среднего обогащения твэла осуществляется следующим образом.
Так как на вид кольцевые твэлы 9 различного обогащения совершенно одинаковые, то возможно их перепутывание при формировании активной зоны. Поэтому для контроля среднего обогащения устанавливаются несколько спектрометрических каналов для измерения собственного гамма излучения топливного столба - блоки 1-4 детектирования.
Как только процедура измерения равномерности блоками 5 и 6 детектирования будет завершена, твэл 9 оказывается в районе работы блоков 1-4 детектирования. При этом твэл 9 останавливается в положении 11 на короткое время (не более 10-ти секунд), и происходит измерение спектра собственного излучения топливного столба. Численное значение площади спектра в районе аналитической линии U235 185Кэв определяет значение обогащения. Так как изделие засыпное, то порошок топлива в одном изделии может быть только одного обогащения. Поэтому, измеряя (для достаточной статистики при коротком времени измерения) площадь спектра в нескольких точках топливного столба и усреднив ее, можно идентифицировать твэл по обогащению.
Таким образом, за один проход твэла 9 производится измерение всех возможных параметров, необходимых для оценки качества изготовленного твэла 9.
Разработанная установка позволяет за один проход кольцевого твэла получить все необходимые характеристики качества его изготовления и сократить до минимума их стендовые испытания.