Способ контроля длин составных частей топливного столба тепловыделяющих элементов и установка для его осуществления
METHOD FOR CONTROLLING THE LENGTHS OF THE COMPONENTS OF THE FUEL COLUMN OF FUEL ELEMENTS AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к ядерной энергетике и может найти применение на предприятиях по производству тепловыделяющих элементов (твэлов), в том числе разнообразной формы и конструкции (стержневые твэлы с ребрами, твэлы сложной формы и кольцевые твэлы) с различным назначением и видом ядерного материала (дисперсионного типа, в виде неметаллических соединений делящихся материалов, в виде однородных металлов или сплавов) и состоящих из нескольких частей, где активной частью является топливный столб, изготовленный из делящегося материала. Изобретение предназначено для одновременного контроля частей длин твэла (длины топливного столба (активная часть), длин холостого конца: длин от начала заглушки до начала (конца) активной части твэла и от конца активной части твэла до конца заглушки).
Примером таких твэлов являются изделия для реакторов типа ПИК-1; ПИК-2, СМ-2, которые могут включать следующие составные части топливного столба: неядерная подсыпка - активная часть из ядерного материала - неядерная подсыпка.
Согласно технической документации на вышеуказанные твэлы контролируемыми характеристиками являются (фиг. 2):
- длина активной части «La»;
1
- длина «холостого конца 1» Lxk (длина твэла от начала заглушки 4 до начала активной части 2);
2
- длина «холостого конца 2» Lxk (длина от начала заглушки 5 до начала активной части 2).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен метод получения рентгеновского изображения с помощью рентгеновского аппарата по всей длине твэла на рентгеновской пленке, которое затем анализируется по величине засветки по определенной методике (Ю.К. Федосеенко и др. Неразрушающий контроль. Справочник: Машиностроение, 2003, Т2 - кн. 2).
Данный метод также является дорогостоящим, что обусловлено стоимостью рентгеновской пленки и самого рентгеновского аппарата и применим только для выборочного контроля выпускаемых твэлов. При этом границы топливного столба на снимках получаются «размытыми», что осложняет визуальный процесс определения длин частей топливного столба.
Известно устройство для измерения твэла, которое содержит источник излучения, механизмы перемещения и вращения твэлов, систему измерения и систему управления. Устройство выполнено с двумя разметчиками и узлом настройки, а система измерения снабжена цифровым каналом регистрации излучения. Система управления состоит из электродвигателей разметчиков, датчика линейного перемещения, блока согласования, устройство параллельного обмена, соединенного с компьютером (RU 2154315, опуб. 10.08.2000).
Недостатком данного устройства является наличие сложной, дорогостоящей рентгенотелевизионной установки для регистрации рентгеновского излучения. Данное устройство позволяет определить только границы топливного столба (длину активной части твэла).
Известна установка для контроля характеристик топливного столба кольцевого тепловыделяющего элемента, содержащая 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 детектирования и с механизмом перемещения твэла. 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. Установка включает два блока детектирования гамма-излучения, прошедшего через топливный столб, расположенные с противоположных сторон от оси перемещения твэла (RU 2603017, опуб. 20.11.2016).
Недостатком данной установки является наличие высокоактивного радиоактивного источника, которое предъявляет дополнительные требования к безопасности при работе с данной установкой. Кроме того источник имеет ограниченный ресурс работы из-за скорости высокоактивного радиоактивного распада, что приводит к плавному нарастанию погрешности измерения технических характеристик твэлов.
Известна установка для контроля характеристик виброуплотненных тепловыделяющих элементов, содержащая расположенные в ряд блоки детектирования гамма-излучения, держатели верхней и нижней заглушки твэла, установленные с противоположных сторон вдоль оси перемещения твэла, источник гамма-излучения, механизм перемещения твэла и блок управления, связанный с блоком детектирования и механизмом перемещения твэла. Блок детектирования имеет боковое отверстие в кристалле для регистрации гамма-излучения от всей поверхности твэла, а источник гамма-излучения в герметично закрытом отверстии, выполненном в корпусе держателя нижней заглушки твэла (RU 2671819, опуб. 07.11.2018).
Недостатком данной установки является необходимость использования реперного радиоактивного источника на основе диоксида урана с высоким обогащением, т.к. это ухудшает радиационную обстановку и регламентировано выполнением длительных и достаточно строгих требований по учету и контролю ядерных материалов и обращению с ними. Также, использование реперного источника в механизме перемещения твэла ограничивает эффективную длину держателей верхней и нижней заглушки и требует значительного отступа от места установки источника до начала активной части контролируемых изделий, для исключения искажения в регистрируемом блоком детектирования спектре гамма-излучения. Кроме того, повышение длины механизма транспортировки приводит к увеличению длительности времени, требуемого для проведения контроля, а использование шагового двигателя в транспортной системе, как правило, обусловлено пропуском шагов и приводит к потере точности транспортировки и позиционированию перемещаемых изделий.
К недостаткам также следует отнести необходимость ручной загрузки и выгрузки изделий, а также переналадки подвижной рамы под конкретный тип изделия для проведения автоматизированного контроля длин составных частей, как следствие, невозможность использования установки в составе автоматизированной линии.
Наиболее близким аналогом изобретения является установка для контроля альфа-загрязненности тепловыделяющих элементов, содержащая последовательно расположенные модуль загрузки и модуль выгрузки ТВЭЛов, каждый из которых включает в себя неподвижную раму с ложементами, датчики положения ТВЭЛов, измерительный модуль, расположенный между модулем загрузки и модулем выгрузки, который включает в себя блоки детектирования альфа-излучения с поверхности ТВЭЛов, пневматические цилиндры с датчиками положения штоков для подачи образцов с источником альфа-излучения. Модуль загрузки снабжен подвижной автоматизированной кареткой с ложементами для подачи ТВЭЛов на измерительный модуль и далее на модуль выгрузки. Модули загрузки и выгрузки снабжены подвижными рейками для укладки ТВЭЛов по ложементам модулей и каретки. В качестве источника альфа-излучения для настройки измерительного модуля используются образцы с природными изотопами урана (RU 2696001, опуб. 30.07.2019).
К недостаткам данной установки относится отсутствие вибрационных скатов и механизма поперечного перемещения твэлов, что делает невозможным проведение контроля твэлов сложной геометрической формы. Также, на данной установке нельзя определять длины составных частей топливного столба твэлов.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание способа и автоматизированной установки для контроля длин составных частей топливного столба твэлов с разнообразной конструкцией, формой, видом и назначением ядерного топлива, осуществляющей автоматические операции загрузки, контроля характеристик и выгрузки твэлов и позволяющей в процессе контроля определять одновременно за один проход твэла параметры:
- длину активной части;
- длину «холостого конца 1»;
- длина «холостого конца 2».
Технический результат изобретения в части способа заключается в повышении производительности контроля, точности измерения и обеспечении возможности определения длин составных частей топливного столба (активной части, длин «холостых концов») твэлов в составе автоматизированной линии по изготовлению твэлов. Технический результат изобретения в части установки заключается в обеспечении автоматизированной продольной и поперечной транспортировки твэлов сложной геометрической формы с возможностью осуществления автоматизированного контроля длин составных частей твэлов.
КМ
АМ
a
xk1
xk1
xk2
xk1
xk2
АМ
А
Технический результат изобретения достигается в способе контроля длин составных частей топливного столба тепловыделяющих элементов (твэлов) который заключается в том, что регистрируют спектры собственного гамма-излучения активной части твэла при помощи спектрометра. Одновременно с этим при помощи сервопривода регистрируют общее время перемещения твэла Т, мс с заданной длиной L, мм относительно спектрометра с учетом границ временных отрезков Т, мс длины активной части топливного столба твэла L, мм; границ временных отрезков от начала перемещения изделия до начала активной части T, мс с длиной L, мм; границ временных отрезков T, мс от конца активной части изделия до конца перемещения твэла длиной мм. Затем при помощи компьютера осуществляют наложение отрезков времени перемещения составных частей топливного столба твэла T, T, Т, а также отрезка времени регистрации спектров активной части топливного столба твэла Т, мс, и формируют градуировочные зависимости для поиска коэффициентов A и B; C и D; E и F b системе линейных уравнений:
где i=1…n, N - количество измерений эталонного образца;
j=1…m, М - количество используемых эталонных образцов.
Также, технический результат изобретения достигается в установке для контроля длин составных частей топливного столба тепловыделяющих элементов (твэлов), которая содержит последовательно расположенные входной модуль и выходной модуль, каждый из которых включает в себя накопитель твэлов, подвижную и неподвижную рамы с ложементами, датчики положения твэлов, измерительный модуль, расположенный между входным модулем и выходным модулем, который включает в себя неподвижную раму с ложементами, датчики положения твэлов, спектрометр. Входной и выходной модули снабжены вибрационными скатами для перемещения твэлов на подвижную раму с ложементами входного модуля и на накопитель твэлов выходного модуля, а измерительный модуль снабжен механизмом поперечного перемещения твэлов с держателями для автоматического захвата твэлов, при этом измерительный модуль снабжен серводвигателем с датчиком для измерения характеристик вращения вала серводвигателя. Подвижная рама осуществляет перемещение твэлов по неподвижной раме с помощью шагового двигателя по сигналу от датчика положения твэлов. Вибрационный скат представляет собой наклонную раму с пневматическим вибратором. Поперечное перемещение твэлов осуществляется с помощью сервопривода, включающего контроллер для управления серводвигателем. Обработка сигналов от датчиков положения твэлов и передача сигналов управления на все исполнительные механизмы осуществляется при помощи контроллера. Управление спектрометром осуществляется при помощи компьютера.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 приведена функциональная схема установки для контроля длин составных частей топливного столба твэлов.
На фиг. 2 показаны составные части твэла.
Поз 37, 38, 39, 40, 41 - подсыпка, активная часть, подсыпка, нижняя и верхняя заглушки соответственно;
xk1
L - суммарная длина длин нижней заглушки и примыкающей к ней подсыпки;
xk2
L - суммарная длина длин верхней заглушки и примыкающей к ней подсыпки.
На фиг. 3 показан график зависимости регистрируемого гамма-излучения от времени прогона составных частей твэла.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Установка работает следующим образом:
0
k
Твэлы 1 размещаются на вибрационном скате 2 с пневматическим вибратором 3 накопителя твэлов 4. О наличии твэлов на накопителе 4 контроллеру 5 сигнализирует датчик положения твэлов 6. Контроллер 5 включает шаговый двигатель 7 для запуска подвижной рамы 8 входного модуля 9 с транспортировкой твэлов по неподвижным рамам 10 с учетом сигналов от датчиков положения 6. Датчики положения твэлов 11 измерительного модуля 12 передают электромагнитный сигнал контроллеру 5 и 13 для запуска шагового двигателя 14 подвижной рамы 15. Подвижная рама 15 осуществляет транспортировку твэлов по неподвижным рамам 16 с учетом сигналов с датчиков положения твэлов 11. При заполнении неподвижных рам 16 измерительного модуля 12 контролер 5 с учетом сигнала с датчика начального положения 17 подвижной рамы 18, осуществляет захват изделий с использованием пневматических исполнительных механизмов 19. Далее контроллер 5 передает электромагнитный сигнал на коммуникационную плату 20 в составе компьютера 21 для синхронизации начального момента времени регистрации гамма-излучения сцинтилляционными детекторами 22 и спектрометрическими платами 23, входящих в состав спектрометра, с начальным моментом времени t запуска серводвигателя 24 через передачу мгновенного электромагнитного сигнала платы ввода-вывода 25 в составе компьютера 21 на контроллер 13 серводвигателя 24. Контроллер 13 серводвигателя 24 передает электромагнитные сигналы (такты, мс) для пошагового вращения вала серводвигателя 24 и поперечной транспортировки подвижной рамы 18 с твэлами через боковые отверстия сцинтилляционных детекторов 22 гамма-излучения до датчика конечного положения 26 подвижной рамы 18 с отсчетом количества совершаемых тактов серводвигателя 24 (мс) в качестве сигналов цифровой обратной связи от датчика вращения вала (энкодера) 27, установленного на валу серводвигателя 24. Датчик конечного положения 26 подвижной рамы 18 передает электромагнитный сигнал контроллеру 5 для синхронизации времени окончания регистрации гамма-излучения спектрометрическими платами 23 с временем остановки t серводвигателя 24. Контроллер 13 серводвигателя 24 через коммуникационную плату 20 передает в компьютер 21 расчетную величину накопленных тактов, полученных за время прогона изделий (мс). В результате произведенных действий компьютер 21 производит расчет длин составных частей твэлов и при помощи платы ввода-вывода 25 осуществляет связь с контроллером 13 для включения серводвигателя 24 и возвратного поперечного движения подвижной рамы 18 с твэлами к датчику начального положения 17. При достижении датчика начального положения 17 подвижной рамы 18, контроллер 5 с использованием пневматических исполнительных механизмов ослабляет держатели твэлов 28 и запускает шаговый двигатель 14 подвижной рамы 15 для транспортировки контролируемых твэлов к выходному модулю 29. Контроллер 5 с учетом сигналов с датчиков положения твэлов 30 включает шаговый двигатель 31 подвижной рамы 32, транспортирует твэлы по неподвижным рамам 33 к вибрационному скату 34 с пневматическим вибратором 35 для транспортировки твэлов к выходному накопителю 36.
Способ контроля длин составных частей твэлов реализуется с помощью заявленной установки следующим образом:
Способ основан на использовании зависимости длины получаемого профиля изделия от времени его перемещения (фиг. 3).
Где: N, имп - общее число зарегистрированных спектров собственного гамма-излучения урана активной части при прогоне ТВЭЛ;
N1, имп - число зарегистрированных гамма-квантов собственного гамма-излучения, определяющих окружающий фон;
a
2
1
N2, имп - амплитуда зарегистрированных спектров собственного гамма-излучения урана, определяющая длину активной части ΔL топливного столба твэла на участке L-L, мм;
L, мм - длина изделия;
Т, мс - количество времени, затраченного серводвигателем на перемещение изделия с длиной L, мм.
Для регистрации времени и длин прогона отдельных частей твэлов используется сервопривод на основе серводвигателя 24, контроллера 13 с датчиком вращения вала 27, для расчета времени контроля длин при прогоне отдельных частей твэлов используется спектрометрическая система устройства на основе сцинтилляционных детекторов 22 и спектрометрическими платами 23 в составе ПК 21. Время прогона длин твэлов серводвигателем 24 и время контроля длин твэлов сцинтилляционными детекторами 22 синхронизируются в ПК 21 при помощи коммуникационной платы 20, платы ввода-вывода 25, контроллеров 5 и 13.
Контроль длин частей топливного столба осуществляется следующим образом:
2
1
a
a
АМ
a
А
АМ
Разность координат L и L определяет длину активной части топливного столба ТВЭЛ ΔL, мм и зависит от времени регистрации сигналов гамма-излучения при прогоне активной части ТВЭЛ через кольцевое отверстие в кристаллическом соединении детектора. Однако, разность координат ΔL, мм также зависит и от времени прогона изделия серводвигателем 24 (электромагнитный такт контроллера равен одному шагу серводвигателя, мс) через кольцевое отверстие детекторов 22 ΔТ, мс. Таким образом, величина ΔL, мм пропорциональна отношению величин ΔТ/ΔТ,
А
АМ
где ΔТ; мс - соответствует времени регистрации гамма-излучения ядерного материала активной части твэла блоками детектирования 22; ΔТ, мс - время прогона активной части изделия через кольцевое отверстие детектора гамма-излучения в тактах длительности электромагнитных импульсов контроллера 6, управляющего серводвигателем 24 в области возрастания и области понижения сигналов регистрации гамма-излучения блоками детектирования 22.
А
АМ
a
Таким образом, используя отношение ΔТ/ΔТ, получаемое при помощи эталонных образцов ТВЭЛ позволяет определять ΔL согласно (1):
где А и В - коэффициенты градуировки и могут быть найдены из системы уравнений методом наименьших квадратов согласно (2):
1
0
xk1
xk1
0М
1
a
1
xk1
1
0M
Разность координат L и L соответствует величине длины холостого хода нижней заглушки ΔL, мм и представляет собой длину неядерной части топливного столба твэлов, состоящую из нижней заглушки и подсыпки до начала активной части изделия. Величина ΔL, мм зависит от времени начала движения изделия Т и времени начала регистрации гамма-излучения координаты L детектором (начала длины активной части ΔL) в момент времени Т при прогоне ТВЭЛ через кольцевое отверстие ΔT=T-T.
xk1
Таким образом, величина ΔL, мм с использованием эталонных образцов твэлов определяется согласно:
где С и D - коэффициенты градуировки и могут быть найдены из системы уравнений методом наименьших квадратов согласно:
xk2
xk2
xk2
КМ
A
xk1
Разница координат L и L2 соответствует величине ΔL, мм и представляет собой длину части топливного столба ТВЭЛ, состоящую из верхней заглушки и неядерной подсыпки (длина верхнего холостого конца). Величина ΔL, мм пропорциональна времени ΔT прогона длины холостого хода верхней заглушки и выражается разницей общего времени прогона изделия серводвигателем Т и суммы временных отрезков прогона длины активной части и длины холостого конца нижней заглушки ΔT+ΔT при прогоне ТВЭЛ через кольцевое отверстие детектора 29 согласно формуле:
xk2
Таким образом, величина ΔL, мм с использованием эталонных образцов ТВЭЛ определяется согласно (6):
где Е и F - коэффициенты градуировки и могут быть найдены из системы уравнений методом наименьших квадратов согласно:
Таким образом, предложенные способ и установка позволяют определять длины составных частей топливного столба твэлов сложной геометрической формы в составе автоматизированной линии по изготовлению таких твэлов.