УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЧНОСТИ УСТАНОВКИ СБОРОК ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ
DEVICE FOR CONTROLLING ACCURACY OF INSTALLATION OF FUEL ASSEMBLIES IN NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к измерительной технике и ядерной энергетике и предназначено для осуществления контроля установки сборок из тепловыделяющих элементов (тепловыделяющих сборок) в ядерном реакторе типа ВВЭР. Предлагаемое устройство представляет собой специализированный оптикоэлектронный бесконтактный измеритель пространственных координат положения верхних частей площадок (головок) сборок тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), расположенных в зоне загрузки ядерного реактора типа ВВЭР-1000 во время выполнения операций первичной загрузки сборок ТВЭЛ. Устройство предназначено также для полуавтоматического дистанционного бесконтактного измерения уровня верхних площадок сборок тепловыделяющих элементов первого и второго годов выработки относительно новых устанавливаемых тепловыделяющих элементов. Измерение уровней верхних площадок сборок ТВЭЛ необходимо для выявления кассет ТВЭЛ, которые после загрузки имеют уровни, выступающие за пределы допустимого, и могут быть раздавлены после установки верхней защитной крышки (блока защитных труб). После выявления указанных сборок ТВЭЛ, имеющих недопустимый уровень положения верхних площадок, специальным устройством ядерного реактора осуществляется дополнительная переустановка данных сборок ТВЭЛ, до достижения допустимого уровня разброса высот положения площадок сборок ТВЭЛ, и повторный контроль уровней площадок установленных ТВЭЛ с помощью предлагаемого устройства. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение безопасности и надежности сборки ТВЭЛ и эксплуатации активной зоны ядерного реактора.
Длительное время после создания ядерных реакторов контроль установки сборок ТВЭЛ осуществлялся контактным методом с помощью специального металлического измерительного щупа, установленного на вертикальной штанге, положение которого управлялось дистанционно оператором ядерного реактора. Данный метод контроля установки сборок ТВЭЛ характеризуется целым рядом недостатков. Основным недостатком данного метода контроля является низкая точность измерения уровней высот площадок сборок ТВЭЛ, что обусловлено прежде всего большой длиной штанги щупа, составляющей порядка 5 метров, и малой величиной требуемой точности определения положения высот площадок сборок ТВЭЛ, составляющей порядка 1,5-2 миллиметра. Длина щуповой штанги порядка 5 метров обусловлена глубиной бассейна ядерного реактора, составляющей 5 метров. При длине измерительного инструмента (линейки) в 5 метров невозможно обеспечить высокую точность определения изменения высот в 2 миллиметра. Низкая точность измерения уровней высот площадок сборок ТВЭЛ обусловлена также самим контактным методом измерения, при котором невозможно точно определить факт достижения контакта измерительного щупа с контролируемой поверхностью (площадкой сборки ТВЭЛ) при дистанционном управлении измерительным механизмом в ядерном реакторе. К другим недостаткам известного метода контроля установки сборок ТВЭЛ следует отнести большую сложность и трудоемкость данного метода, а также большую длительность времени осуществления контроля всей сборки ТВЭЛ в ядерном реакторе. Для осуществления контроля всей сборки ТВЭЛ в ядерном реакторе оператору необходимо дистанционно с помощью специальных механизмов нацелить и установить измерительный щуп последовательно на каждой из 163 кассет ТВЭЛ в ядерном реакторе. (для реактора ВВЭР общее число сборок ТВЭЛ 200-450). При установке измерительного щупа на каждую кассету ТВЭЛ осуществляется прицеливание и контроль точности установки щупа, контроль достижения контакта щупа с площадкой сборки ТВЭЛ, измерение длины штанги щупа в состоянии контакта и регистрация полученной информации для каждой конкретной кассеты ТВЭЛ. Указанные операции являются весьма сложными и трудоемкими и требуют большого времени для получения надежных и достоверных результатов. Таким образом, к недостаткам известного контактного метода контроля установки сборок ТВЭЛ следует отнести низкую точность измерений, большое время проведения измерений (низкое быстродействие) и большую сложность и трудоемкость при проведении измерений.
Известны устройства для контроля топливных сборок ТВЭЛ по патентам США [1], Франции [2], содержащие блоки для крепления и перемещения сборок ТВЭЛ, штангу для крепления и перемещения измерительных элементов, в качестве которых применяются датчики электрического типа. К недостаткам данных устройств следует отнести невысокую точность измерения электрическими датчиками линейных размеров протяженных объектов. Известно устройство для контроля топливных сборок ядерного реактора по патенту РФ №2092917 [3], содержащее блоки для крепления и перемещения сборок ТВЭЛ, средства для перемещения вдоль ТВЭЛ модуля с измерительными датчиками индукционного типа. К недостаткам данного устройства следует отнести невысокую точность измерений, обусловленную низкой точностью измерений с помощью индукционных датчиков.
В качестве прототипа выбрано наиболее близкое по технической сущности и решаемой задаче устройство по авторскому свидетельству СССР №1467396 [4]. Данное устройство-прототип представляет собой лазерную щуповую головку и предназначено для осуществления измерений размеров изделий бесконтактным методом. Устройство содержит вертикальную несущую штангу, на конце которой укреплена собственно щуповая измерительная головка. Вертикальная штанга содержит блоки (средства) перемещения в горизонтальном и вертикальном направлениях. Щуповая головка содержит лазер, отражательные и полупрозрачные зеркала, образующие интерферометр Майкельсона, фотоприемник, усилитель, объектив, концевые контактные датчики, блок вычислений для счета интерференционных полос, два вогнутых полупрозрачных зеркала, образующих пассивный резонатор. Работа данного устройства основана на формировании с помощью пассивного резонатора гауссовых лазерных пучков для подсвета поверхности измеряемого или контролируемого объекта. Далее отраженное от объекта лазерное излучение фокусируется на входе фотоприемника, где образует спекл структуру от диффузно отражающей поверхности объекта. При перемещении щуповой головки перпендикулярно поверхности объекта происходит изменение размеров элементов спекл структуры. При этом в момент достижения максимума среднего размера спеклов выносится заключение о нахождении (или совпадении) поверхности исследуемой детали с фокальной плоскостью объектива, проектирующего лазерное излучение на поверхность объекта. Таким образом, лазерная щуповая головка является индикатором нахождения поверхности объекта на некотором фиксированном расстоянии от собственно штанги, на которой закреплена данная щуповая головка. Собственно измерение абсолютного положения поверхности исследуемого объекта от некоторой базовой поверхности осуществляется посредством несущей штанги, которая, по-видимому, снабжена собственными мерными делениями и средствами измерения. К недостаткам данного устройства следует отнести следующие факторы, препятствующие также и применению данного устройства для работы в составе ядерного реактора. Данное устройство характеризуется низкой точностью измерений вследствие сильной зависимости точности определения положения поверхности объекта в фокальной плоскости объектива от настройки и юстировки интерферометра Майкельсона и зеркал пассивного резонатора, которые в процессе работы подвержены разъюстировкам, вследствие влияния различных факторов, например, вибрации и слабым ударам при касании или перемещении щупа. Необходимо отметить низкую точность определения максимального (!) среднего размера спеклов, которые также зависят от точности настройки освещающего пучка лазерного излучения. Следует отметить невозможность работы некоторых элементов данного устройства в условиях радиационного излучения в составе ядерного реактора. К таким элементам относятся полупроводниковые фотоприемники, некоторые типы лазеров и вычислительных средств. Как недостаток данного устройства следует отметить его большую сложность, требующую специальной подготовки к работе в части юстировки его оптической схемы, а также большую трудоемкость и большую длительность осуществления измерений (низкое быстродействие), вследствие необходимости перемещения щуповой головки для поиска момента совпадения поверхности объекта с фокальной плоскостью объектива, которое определяется и индицируется по изменению спекл структуры отраженного лазерного излучения. Следует отметить также еще один недостаток данного устройства, связанный с самим принципом функционирования и сложностью устройства. Это низкая надежность, низкая достоверность и доверительность получаемой информации. В условиях ответственной работы, связанной с определением координат высотных отметок сборок ТВЭЛ в ядерном реакторе, доверие к информации, полученной на основе анализа интерферограммы или сложной спекл структуры, является, по-видимому, очень низким, что не позволяет использовать данное устройство для работы в ядерном реакторе.
Таким образом, существующие методы и средства не позволяют обеспечить при контроле положений площадок сборок ТВЭЛ высокую точность измерений, высокое быстродействие и одновременно высокую надежность, достоверность и доверительность получаемой информации. Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков, создание устройства для контроля уровней верхних площадок сборок ТВЭЛ в ядерном реакторе, обеспечивающего при бесконтактном методе измерений высокую точность измерений, высокое быстродействие, а также высокую достоверность, надежность и доверительность получаемой информации. Достигаемым новым техническим результатом является увеличение точности определения координат площадок сборок ТВЭЛ в ядерном реакторе, увеличение быстродействия при бесконтактном методе измерений, увеличение надежности и достоверности получаемой информации.
Указанный технический результат достигается следующим.
1. В устройстве, содержащем источник оптического излучения, установленный посредством кронштейна на первой вертикальной штанге в ее нижней части, снабженной блоками перемещения в вертикальном и горизонтальном направлениях, установленными на горизонтальной несущей штанге, введены передающая телевизионная камера, блок обработки телевизионных сигналов, блок формирования оптической диаграммы направленности, расположенный на оптической оси источника оптического излучения и оптически связанный с выходом источника оптического излучения, вторая вертикальная штанга с блоками перемещения в вертикальном и горизонтальном направлениях. установленными на горизонтальной несущей штанге и эталонная отражательная пластина, установленная на нижнем конце второй вертикальной штанги, плоскость эталонной отражательной пластины параллельна плоскости верхних площадок тепловыделяющих элементов, при этом передающая телевизионная камера установлена на нижнем конце первой вертикальной штанги на фиксированном расстоянии от источника оптического излучения, угол между оптической осью передающей телевизионной камеры и нормалью к плоскости верхних площадок сборок тепловыделяющих элементов составляет величину от нуля до 45 градусов, угол между оптической осью источника оптического излучения и нормалью к плоскости верхних площадок сборок тепловыделяющих элементов составляет величину от 60 до 30 градусов, оптические оси передающей телевизионной камеры и источника оптического излучения находятся в одной плоскости, перпендикулярной плоскости верхних площадок сборок тепловыделяющих элементов, причем указанные оптические оси пересекаются в точке, находящейся в плоскости верхних площадок сборок тепловыделяющих элементов, блок обработки телевизионных сигналов расположен вне рабочей зоны ядерного реактора и связан с выходом передающей телевизионной камеры электрическим кабелем.
2. В устройстве по пункту 1 передающая телевизионная камера и источник оптического излучения с блоком формирования оптической диаграммы направленности помещены в водонепроницаемые боксы, снабженные оптическими иллюминаторами.
3. В устройстве по пункту 1 источник оптического излучения выполнен на основе последовательно установленных на оптической оси рефлектора, лампы накаливания и конденсора.
4. В устройстве по пункту 1 блок обработки телевизионных сигналов содержит последовательно соединенные блок выделения телевизионной строки и блок определения промежутка времени смещения импульса видеосигнала от начала телевизионной строки.
5. В устройстве по пункту 1 блок формирования оптической диаграммы направленности содержит последовательно установленные на оптической оси оптическую диафрагму и формирующий объектив.
6. В устройстве по пункту 1 источник оптического излучения выполнен на основе инжекционного полупроводникового лазера, помещенного в бокс, предохраняющий от радиационного излучения ядерного реактора.
7. В устройстве по пункту 5 оптическая диафрагма выполнена на основе матричного управляемого модулятора света.
На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства в составе ядерного реактора. На фиг. 2 приведена схема, иллюстрирующая метод измерений, используемый в предлагаемом устройстве.
На фиг. 3 приведена схема изображения, регистрируемого передающей телевизионной камерой предлагаемого устройства.
На фиг. 4 приведена схема варианта расположения передающей телевизионной камеры 12, при котором угол (бетта) между оптической осью телекамеры и нормалью к плоскости верхних площадок ТВЭЛ составляет порядка 45-60 градусов.
На фиг. 5 приведена блок-схема источника оптического излучения и блока формирования оптической диаграммы направленности в данном устройстве.
На фиг. 6 и фиг. 7 приведены осциллограммы видеосигналов, полученные при испытаниях экспериментального образца предлагаемого устройства.
На фиг. 8 приведена схема (чертеж) установки сборок ТВЭЛ в зоне загрузки ядерного реактора - вид сверху со стороны верхней площадки ядерного реактора. Изображенная на данном фиг. 8 плоскость верхних площадок сборок ТВЭЛ обозначена позицией 11 на фиг. 1. Мелкими цифрами обозначены номера отдельных сборок (кассет) ТВЭЛ в отдельных секторах зоны загрузки ядерного реактора. Верхние площадки (головки) сборок ТВЭЛ имеют форму шестиугольника.
Блок-схема на фиг. 1 содержит следующие элементы.
1. Источник оптического излучения.
2. Первая вертикальная штанга.
3. Блок перемещения первой вертикальной штанги в вертикальном направлении.
4. Блок перемещения первой вертикальной штанги в горизонтальном направлении.
5. Горизонтальная несущая штанга.
6. Ядерный реактор в разрезе.
7. Уровень воды, заполняющей ядерный реактор.
8. Кронштейн для крепления источника оптического излучения и передающей телевизионной камеры на первой вертикальной штанге.
9. Сборка тепловыделяющих элементов ядерного реактора, далее называемая кассетой ТВЭЛ, или просто ТВЭЛ. Данные кассеты ТВЭЛ установлены рядами в ядерном реакторе. (см. схему установки кассет ТВЭЛ фиг. 8).
10. Верхняя площадка одного из ТВЭЛ 9 (сборки ТВЭЛ).
11. Плоскость расположения верхних площадок ТВЭЛ.
Далее указаны вновь введенные элементы.
12. Передающая телевизионная камера.
13. Блок обработки телевизионных сигналов.
14. Блок формирования оптической диаграммы направленности.
15. Вторая вертикальная штанга.
16. Блок перемещения второй вертикальной штанги в вертикальном направлении.
17. Блок перемещения второй вертикальной штанги в горизонтальном направлении.
18. Эталонная отражательная пластина.
19, 20. Водонепроницаемые боксы.
На фиг. 5 приведена совместная блок-схема источника оптического излучения и блока формирования оптической диаграммы направленности, где обозначены следующие элементы:
33. Рефлектор.
34. Оптическая лампа накаливания.
35. Конденсор.
36 Оптическая диафрагма.
37. Формирующий объектив.
Принцип действия устройства заключается в следующем.
Основным рабочим элементом ядерного реактора поз. 6 на фиг. 1 являются сборки тепловыделяющие (название по ГОСТу), состоящие из тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), называемые также кассетами тепловыделяющих элементов. Далее используется термин кассета ТВЭЛ или просто тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ), под которым подразумевается сборка ТВЭЛ в виде отдельной кассеты.
1
7
1
8
1
0
0
0
0
0
1
1
0
1
2
1
1
1
1
1
0
Тепловыделяющие элементы (кассеты ТВЭЛ) 9 устанавливаются в рабочей зоне ядерного реактора 6 в виде эквидистантно расположенных кассетных сборок (см. фиг. 1 поз. 9-21, и фиг. 8). Верхние площадки 10 ТВЭЛ в стандартном рабочем состоянии должны располагаться в некоторой условной плоскости 11. Отклонение высоты площадок ТВЭЛ 10 от указанной плоскости 11 не должно превышать некоторую фиксированную заданную малую величину порядка 1-1,5 миллиметров. В противном случае после установки верхней крышки реактора в процессе эксплуатации в кассете ТВЭЛ, площадка которой выступает за указанные пределы, могут возникнуть излишние напряжения, способные вызвать аварийную ситуацию. Задачей предлагаемого устройства является оперативное измерение высот верхних площадок ТВЭЛ в собственной системе координат ядерного реактора и определение кассет ТВЭЛ, площадки которых выступают за указанные допустимые пределы разброса по высоте от заданного уровня высотных координат. Измерение уровней (координат) верхних площадок ТВЭЛ осуществляется с помощью данного устройства сразу после первичной установки кассет ТВЭЛ при загрузке ядерного реактора, а также после дополнительной переустановки кассет ТВЭЛ с выступающими по высоте площадками для окончательного контроля установленных ТВЭЛ. Измерение координат площадок 10 ТВЭЛ 9 осуществляется с помощью измерительной части предлагаемого устройства, которая состоит из источника оптического излучения поз. 1, блока формирования оптической диаграммы направленности 14 и передающей телевизионной камеры 12, размещенных и укрепленных в нижней части первой вертикальной штанги 2. Указанная измерительная часть устройства располагается внутри ядерного реактора в непосредственной близости от плоскости расположения верхних площадок ТВЭЛ 9, но непосредственно не контактирует с ними. Рабочее пространство ядерного реактора заполнено водой до уровня 7, показанного на фиг. 1. Поэтому передающая телевизионная камера 12 и источник оптического излучения 1 с блоком формирования оптической диаграммы направленности 14 помещены в специальные водонепроницаемые боксы 19, 20. Источник оптического излучения 1 совместно с блоком формирования 14 формируют оптический пучок излучения специальной конфигурации, подсвечивающий плоскость верхних площадок ТВЭЛ 11. Передающая телевизионная камера 12 регистрирует изображение верхней площадки ТВЭЛ 10, которая в данный момент подсвечена пучком оптического излучения специальной формы. Далее видеосигнал с выхода передающей телевизионной камеры 12 по специальному кабелю передается в блок обработки телевизионных сигналов 13, находящийся вне рабочей зоны ядерного реактора. После обработки полученного видеосигнала в блоке обработки 13 формируется информация о координатах высоты наблюдаемой в этот момент времени площадки ТВЭЛ в системе координат ядерного реактора. Эта информация запоминается и выдается потребителю на центральный пульт управления ядерным реактором. Оптическая ось передающей телевизионной камеры 12 направлена по нормали к плоскости 11 расположения верхних площадок ТВЭЛ. В процессе измерения координат площадок ТВЭЛ оптическая ось передающей телевизионной камеры 12 направлена примерно в центр соответствующей площадки ТВЭЛ. Первая вертикальная штанга 2 служит для обеспечения перемещения измерительной части устройства над плоскостью расположения верхних площадок ТВЭЛ в горизонтальном направлении - в плоскости рисунка фиг. 1 от кассеты ТВЭЛ 9 до кассеты ТВЭЛ 21, которая является крайней кассетой в этом ряду. В перпендикулярном направлении перемещение измерительной части устройства осуществляется с помощью горизонтальной несущей штанги 5, которая перемещается по специальным направляющим 23, 24 линейными электродвигателями перемещения горизонтальной штанги. (на фиг. 1 не показаны). Перемещение вертикальной штанги 2 в горизонтальном направлении осуществляется с помощью блока перемещения 4, который укреплен на горизонтальной штанге 5 и имеет возможность с помощью специальных электродвигателей перемещаться вдоль направления горизонтальной несущей штанги 5. Таким образом, вертикальная штанга 2 имеет возможность перемещаться над плоскостью расположения верхних площадок ТВЭЛ 11 в двух перпендикулярных направлениях и нацеливать оптическую ось передающей телевизионной камеры 12 на любую площадку ТВЭЛ. Перемещение в горизонтальном направлении (в плоскости рисунка фиг. 1) осуществляется с помощью блока перемещения 4, а перемещение в перпендикулярном направлении осуществляется с помощью перемещения в этом направлении самой горизонтальной несущей штанги 5. Блок перемещения 3 вертикальной штанги 2 позволяет перемещать указанную штангу вверх, или вниз и, соответственно, позволяет приближать или удалять телевизионную передающую камеру 12 к плоскости расположения верхних площадок ТВЭЛ 11. Таким образом, блоки перемещения 3 и 4 связаны по своему положению непосредственно с горизонтальной несущей штангой 5., которая выполняет роль измерительной базы для первой вертикальной штанги 2 и закрепленной на ней измерительной части устройства. Собственно процесс измерения координат верхних площадок ТВЭЛ осуществляется следующим образом. Источник оптического излучения 1 совместно с блоком формирования оптической диаграммы направленности 14 формируют остронаправленный щелевой (ножевой) подсвечивающий световой пучок, который при падении на площадку сборки ТВЭЛ 10 образует узкую световую полосу. Передающая телевизионная камера 12 формирует и регистрирует изображение верхней площадки данной освещаемой ТВЭЛ совместно с указанной сформированной на поверхности площадки ТВЭЛ полосой светового пучка. Направления подсвечивающего пучка света и отраженного пучка света, формирующего изображение площадки ТВЭЛ, различны. Угол между оптической осью источника оптического излучения 1 и оптической осью Передающей телевизионной камеры 12 составляет от 60 до 30 градусов. Поэтому положение изображения полосы пучка излучения в структуре телевизионного растра передающей телевизионной камеры 12 будет различно в зависимости от расположения верхней площадки ТВЭЛ по вертикали, то есть от значения вертикальной координаты площадки ТВЭЛ в системе координат ядерного реактора. На фиг. 2 показана схема проведения измерений в предлагаемом устройстве. На данной схеме оптические оси передающей телевизионной камеры 12 и источника оптического излучения 1 с блоком формирования 14 оптической диаграммы направленности образуют угол альфа и пересекаются в некоторой точке О, расположенной на плоскости 11 верхних площадок ТВЭЛ. Оптическая ось источника оптического излучения показана линией О-O на фиг. 2 и фиг. 1. Оптическая ось передающей телевизионной камеры 12 показана линией O-O на фиг. 2 и фиг. 1. Данная плоскость поз 11, обозначенная на фиг. 2 линией А является некоторой заданной стандартной плоскостью положения верхних площадок ТВЭЛ в ядерном реакторе. Отклонение положения верхних площадок ТВЭЛ от данной плоскости А является предметом измерения и контроля в данном предлагаемом устройстве. На фиг. 1 позицией 22 отмечена кассета ТВЭЛ, верхняя площадка которой выступает за пределы заданной стандартной (штатной) плоскости положения площадок ТВЭЛ 11 (плоскость А). Данная кассета ТВЭЛ 22 обнаруживается с помощью предлагаемого устройства и в дальнейшем должна быть переустановлена с помощью перегрузочной машины ядерного реактора. Линия А обозначает след плоскости 11 в плоскости рисунка фиг. 2. Щелевой световой пучок, сформированный блоком формирования 14 оптической диаграммы направленности, имеет образующую, перпендикулярную плоскости рисунка фиг. 2 и параллельную плоскости 11 расположения верхних площадок ТВЭЛ. При расположении площадки освещаемой в данный момент времени ТВЭЛ точно в плоскости А падение щелевого светового пучка на поверхность данной площадки ТВЭЛ произойдет в точке О, как показано на фиг. 2. При этом изображение световой полосы в изображении, регистрируемом передающей телевизионной камерой 12, будет располагаться точно в центре площадки ТВЭЛ (в точке O). Если площадка ТВЭЛ расположена выше плоскости А на величину h, как это показано на фиг. 2, изображение световой полосы будет располагаться в точке пересечения О оптической оси источника оптического излучения с новым положением плоскости А верхней площадки ТВЭЛ. На фиг. 2 показано сечение положений изображений световой полосы и плоскости площадок ТВЭЛ плоскостью рисунка. При этом смещение изображения световой полосы в изображении, регистрируемом телевизионной камерой 12, относительно оптической оси телекамеры, составит величину d (в плоскости предметов), как это показано на фиг. 2. Согласно чертежу фиг. 2 отношение смещения световой полосы d в плоскости предметов, т.е. на поверхности площадки ТВЭЛ, к величине h смещения (отклонения) плоскости A верхней площадки ТВЭЛ от заданной плоскости А стандартного положения площадок ТВЭЛ равно тангенсу указанного угла альфа (α):
1
1
0
1
Отсюда непосредственно определяется измеряемая величина h смещения положения площадки ТВЭЛ A по вертикали относительно стандартного положения заданной плоскости площадок ТВЭЛ А в зависимости от наблюдаемой величины смещения световой полосы d непосредственно в плоскости данной площадки ТВЭЛ - в плоскости предметов объектива телевизионной передающей камеры 12:
0
2
2
0
0
1
1
1
2
4
6
4
6
4
1
4
0
4
1
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
0
Аналогично определяется величина смещения h2 площадки ТВЭЛ в сторону понижения ее высоты относительно стандартного заданного положения плоскости А, при котором смещение световой полосы в плоскости А площадки ТВЭЛ составляет величину d. (см. фиг. 2). Далее объектив, входящий в состав передающей телевизионной камеры 12, осуществляет формирование изображения площадки наблюдаемой ТВЭЛ совместно со световой полосой на этой площадке (плоскость предметов объектива телекамеры) в плоскости фоточувствительной площадки телекамеры. Передающая телевизионная камера 12 преобразует сформированное изображение наблюдаемой площадки ТВЭЛ в видеосигнал, который поступает в блок обработки 13 телевизионных сигналов, в котором определяется измеряемая величина отклонения верхней площадки данной наблюдаемой ТВЭЛ от положения стандартной заданной плоскости положения верхних площадок ТВЭЛ А. На фиг. 3 приведена схема изображения верхней площадки наблюдаемой ТВЭЛ, регистрируемого телевизионной передающей камерой 12. Здесь позицией 25 обозначено общее изображение, регистрируемое передающей телевизионной камерой, (структура телевизионного растра). Поз. 26 представляет изображение верхней площадки ТВЭЛ условно в виде квадрата. В ВВЭР реакторе форма верхней площадки сборки ТВЭЛ имеет форму шестиугольника, как это показано на фиг. 8. Поз. 27 представляет изображение световой полосы при расположении площадки наблюдаемой ТВЭЛ точно в плоскости А заданного стандартного положения площадок ТВЭЛ. При этом точка O на фиг. 3 соответствует точке O на фиг. 2. Соответственно, поз. 28 и 29 представляют положения световой полосы от источника оптического излучения в плоскости наблюдаемой площадки ТВЭЛ при смещении указанной площадки ТВЭЛ в большую, или в меньшую сторону по высоте, как это показано на фиг. 2. Величины смещения световой полосы d и d показаны условно не в масштабе. Определение указанных величин смещения световой полосы осуществляется в структуре телевизионного растра 25 в блоке обработки телевизионных сигналов 13 следующим образом. В блоке 13 с помощью специальной стандартной электрической схемы осуществляется выделение сигнала от одной строки, например, сигнала строки О-О на фиг. 3., где точками О и О обозначены начало и конец данной строки в структуре телевизионного растра. Далее с помощью другой специальной электрической схемы, входящей в блок обработки 13, определяется длительность промежутка времени между началом строки О и моментом времени появления импульсного сигнала, например, O от световой полосы, находящейся в плоскости верхней площадки данной наблюдаемой ТВЭЛ. Величина указанного промежутка времени, измеренная в структуре телевизионного растра относительно точки О, и является измеряемой величиной смещения положения световой полосы в плоскости площадки ТВЭЛ, характеризующей отклонение по вертикали положения данной площадки от заданной стандартной плоскости А положения площадок ТВЭЛ в ядерном реакторе. При калибровке данного устройства вся шкала временной длительности положений импульсов сигналов от световой полосы может быть отсчитываема или от начала строки в точке О, либо от некоторой точки O, принимаемой за точку соответствия высоте заданной стандартной плоскости расположения площадок ТВЭЛ 11 на фиг. 1. Далее информация о параметрах положения зарегистрированного импульса от световой полосы вдоль выделенной строки телевизионного растра запоминается в специальном блоке памяти, входящем в состав блока 13 обработки телевизионных сигналов и передается потребителю на центральную ЭВМ пульта управления ядерным реактором. На фиг. 6 и фиг. 7 представлены осциллограммы развертки строки от точки начала строки О4 на фиг. 3, полученные в эксперименте по исследованию функционирования экспериментального образца предлагаемого устройства, разработанного по материалам данной заявки. На фиг. 6 площадка ТВЭЛ, на которую была спроектирована световая полоса от источника оптического излучения поз. 1 на фиг. 1, находилась на более высоком уровне, чем площадка ТВЭЛ, соответствующая осциллограмме на фиг. 7. Различие по высоте положения указанных площадок ТВЭЛ составляло порядка 1,5 миллиметра. В соответствии с различием высот площадок ТВЭЛ электрические импульсы на фиг. 6 и фиг. 7 различаются по их положению по оси абсцисс, отсчитываемому от начала координат (начала строки на фиг. 3.). При этом разность величин значений координат указанных электрических импульсов на фиг. 6 и фиг. 7, отсчитываемых от начала координат, составляет порядка 7-8 элементов разрешения. Один элемент разрешения определяется шириной электрического импульса. Таким образом, различие высот площадок ТВЭЛ в 1,5 миллиметра приводит к смещению соответствующих электрических импульсов на величину порядка 7 элементов разрешения в блоке обработки телевизионных сигналов 13, что позволяет характеризовать точность измерения смещения высот площадок ТВЭЛ, определяемую величиной одного элемента разрешения (дискрета позиционирования), величиной порядка 0,2 миллиметра. Собственно время определения координат верхней площадки одной кассеты ТВЭЛ является весьма малым и соответствует величине длительности одной телевизионной строки в структуре телевизионного растра - порядка 64 микросекунд. Следует отметить, что для осуществления измерения координат положения одной площадки ТВЭЛ не требуется остановки и фиксации положения первой вертикальной штанги с укрепленной на ней измерительной частью устройства (поз. 1, 14, 12) над этой площадкой. Измерение координат верхних площадок ТВЭЛ, установленных последовательно в некотором ряду от поз. 9 до поз. 21 на фиг. 1, осуществляется при непрерывном равномерном движении измерительной части устройства и первой вертикальной штанги над плоскостью расположения верхних площадок ТВЭЛ 11, например, слева направо от первой кассеты ТВЭЛ 9 до последней кассеты ТВЭЛ 21 в этом ряду. При этом осуществляется непрерывное автоматическое определение положения площадок ТВЭЛ по высоте рассмотренным выше методом и запоминание полученных результатов для каждой кассеты ТВЭЛ в блоке памяти блока обработки телевизионных сигналов 13. Перемещение указанной измерительной части над плоскостью площадок ТВЭЛ осуществляется с помощью блока перемещения 4 первой вертикальной штанги в горизонтальном направлении по команде от главного компьютера ядерного реактора. Указанный блок перемещения поз. 4 перемещается вдоль горизонтальной несущей штанги 5, которая в этот момент времени зафиксирована над некоторым рядом установленных кассет сборок тепловыделяющих элементов поз. 9-21. Далее осуществляется перемещение и фиксация горизонтальной несущей штанги 5 над следующим рядом установленных сборок тепловыделяющих элементов. Таким образом осуществляется контроль положений всех верхних площадок в плоскости расположения площадок ТВЭЛ 11 при непрерывном перемещении измерительной части устройства без остановки над конкретной площадкой каждого ТВЭЛ. Этим обеспечивается высокое быстродействие предлагаемого устройства при осуществлении контроля установки ТВЭЛ в ядерном реакторе. Высокая точность определения высотных положений площадок ТВЭЛ обеспечивается оптическим объективом передающей телевизионной камеры 12 и источником оптического излучения 1 с блоком формирования оптической диаграммы направленности 14, составляющих единую измерительную часть предлагаемого устройства. Указанные элементы жестко закреплены в единой конструкции с помощью кронштейна 8 в нижней части первой вертикальной штанги 2, которая служит для перемещения указанной измерительной части над поверхностью верхних площадок ТВЭЛ 11 без допускания контакта с какой-либо из площадок ТВЭЛ. При любых перемещениях измерительной части и вертикальной штанги 2 вследствие указанного жесткого совместного крепления всех элементов измерительной части и вертикальной штанги 2 их взаимное положение остается неизменным, а точка пересечения оптических осей передающей телевизионной камеры 12 и источника оптического излучения 1 - точка O на фиг. 1 - сохраняет свое положение относительно первой вертикальной штанги 2. Таким образом, при перемещении вертикальной штанги 2 и измерительной части над установленными в ряды кассетами ТВЭЛ и над плоскостью верхних площадок ТВЭЛ точка O скользит по верхним площадкам ТВЭЛ вдоль некоторой плоскости, параллельной заданной стандартной плоскости 11 А верхних площадок ТВЭЛ. Для того, чтобы движение точки O происходило вдоль заданной плоскости А перед началом движения вдоль площадок ТВЭЛ осуществляется установление заданного положения точки O по высоте в системе координат ядерного реактора, например, относительно высоты (вертикальной координаты) горизонтальной несущей штанги 5, относительно которой устанавливается длина первой вертикальной штанги 2 до нижнего конца штанги и точки O, жестко фиксированной, как было указано выше, относительно вертикальной штанги 2. Подъем или опускание вертикальной штанги 2 осуществляется с помощью блока перемещения 3 штанги в вертикальном направлении, который снабжен специальным измерительным элементом, отмечающим величину подъема или опускания штанги 2 относительно горизонтальной несущей штанги 5. Таким образом, точка O устанавливается в заданное положение по высоте в системе координат ядерного реактора. В качестве заданной стандартной плоскости А может быть принята плоскость расположения верхней площадки одного из ТВЭЛ, например, первого из ТВЭЛ в ряду на фиг. 1 с поз. 9. В этом случае с помощью наблюдения посредством передающей телевизионной камеры 12 и блоков перемещения 3 и 4 оптическая ось передающей камеры нацеливается на верхнюю площадку указанного ТВЭЛ 9 и с помощью блока перемещения по вертикали поз. 3 подбирается такое положение по высоте телевизионной камеры 12 и точки O, при котором световая полоса располагается в центре изображения верхней площадки ТВЭЛ и занимает позицию 27 см. фиг. 3. Это означает, что точка O пересечения оптических осей передающей телевизионной камеры 12 и источника оптического излучения локализована на поверхности верхней площадки данного ТВЭЛ. Далее осуществляют фиксацию установленной высоты (общей длины) вертикальной штанги 2 с помощью блока 3 и осуществляют перемещение (сканирование) измерительной части устройства над поверхностью площадок ТВЭЛ. Величина отклонения площадки ТВЭЛ от заданной стандартной плоскости А связана с регистрируемым смещением изображения световой полосы в плоскости площадки ТВЭЛ соотношением по формулам (1) и (2) и зависит от угла альфа между оптическими осями передающей телекамеры и источника оптического излучения. Оптимальной величиной указанного угла является 45 градусов, при которой смещение световой полосы равно изменению высоты площадки ТВЭЛ относительно стандартной заданной плоскости А. Необходимая точность определения высотной координаты площадки ТВЭЛ, обусловленная эксплуатационными требованиями безопасной установки кассет ТВЭЛ, составляет 0,2 миллиметра по высоте установки. Следовательно, такую же точность определения смещения световой полосы в плоскости наблюдаемой площадки ТВЭЛ должен обеспечить объектив передающей телевизионной камеры 12 в пространстве предметов и передающая телекамера в регистрируемом изображении. В данном устройстве передающая телевизионная камера работает в монохроматическом режиме освещения при расстоянии от изображаемой плоскости ТВЭЛ до телекамеры не более 0,5 метра. В этом случае отображение плоскости наблюдения с разрешением порядка 5 линий на миллиметр, что соответствует указанной точности 0,2 мм, с глубиной резкости 50-70 мм, выполнимо с помощью стандартного штатного объектива телекамеры. В данном устройстве для работы с передающей телевизионной камерой разработан специальный объектив, приспособленный к работе в условиях водной среды с оптическим иллюминатором. Заданный диапазон отслеживаемых высот площадок ТВЭЛ составляет 50 миллиметров (от + 25 до - 25 мм). Таким образом, телевизионная система должна обеспечить регистрацию на одной строке 250 независимых положений (линий) импульсов от световой полосы, смещающейся в зависимости от изменения высоты смещения площадки ТВЭЛ. Стандартная телевизионная камера обеспечивает регистрацию изображения с числом строк телевизионного растра 625 строк и 800 элементов разложения в одной строке. Таким образом, современная телевизионная камера удовлетворяет требованиям, необходимым для использования в данном устройстве и обеспечения точности смещения площадок ТВЭЛ по высоте порядка 0,2 миллиметра. Источник оптического излучения совместно с блоком формирования оптической диаграммы направленности осуществляет формирование подсвечивающего светового пучка с тонкой щелевой (ленточной) диаграммой излучения. Размеры сечения сформированного светового пучка составляют (0,3 мм на 30 мм) и определяются размерами щелевой диафрагмы в блоке формирования оптической диаграммы направленности 14. Требуемая толщина сечения светового пучка должна составлять порядка 0,5 мм и не превышать эти пределы на расстоянии от точки O2 до О3 (см. фиг. 2) порядка 75 мм. Для данного устройства разработана специальная формирующая оптика для работы в условиях водной среды, обеспечивающая указанные требования. Следует отметить, что в данном устройстве не требуется особо тонкий световой пучок, так как определение смещения световой полосы осуществляется по переднему фронту видеоимпульса от зарегистрированного изображения. Следует отметить, что при работе оптических объективов в водной среде, как это отмечено в монографии [5], происходит увеличение наблюдаемого изображения в 1,33 раза, что только улучшает работу объектива телекамеры в предлагаемом устройстве. Разрешающая способность оптики в водных условиях не ухудшается по сравнению с работой в воздушной среде. Таким образом, разработанная для данного устройства оптика позволяет реализовать параметры, необходимые для работы в составе данного устройства и обеспечения указанной точности определения высот площадок ТВЭЛ.
В предлагаемом устройстве высокая точность и надежность получаемых результатов измерений обеспечивается за счет использования дополнительного средства-эталонной отражательной пластины поз. 18 на фиг. 1 Данная пластина установлена на второй вертикальной штанге 15, которая является полным аналогом первой вертикальной штанги 2 и также снабжена блоками перемещения штанги в вертикальном 16 и в горизонтальном 17 направлениях. Данная эталонная пластина представляет собой модель-аналог верхних площадок ТВЭЛ с различными уровнями смещения этих площадок по высоте относительно исходной базовой плоскости данной эталонной пластины. Эталонная пластина представляет собой выточенный из единого металлического образца измерительный шаблон, имеющий с верхней стороны, ряд ступенчатых площадок, которые различаются по высоте на фиксированную величину, например, порядка 0,3 миллиметра. Отражательные характеристики этих площадок соответствуют отражательным характеристикам верхних площадок реальных ТВЭЛ, что достигается выполнением их из одного и того же материала. Использование данной эталонной пластины 18 позволяет до начала сканирования и начала цикла измерений с помощью измерительной части устройства осуществить быструю и точную калибровку измерительной части устройства путем осуществления сканирования поверхности эталонной отражательной пластины 18 при передвижении измерительной части над эталонной пластиной 18 с помощью вертикальной штанги 2, как это было рассмотрено выше. При этом осуществляется точная калибровка положений импульсов от световой полосы в выделенной телевизионной строке поз. 28, 27, и 29, как это показано на фиг. 3, и осуществляется привязка этих положений импульсов телевизионных сигналов к точным величинам смещения площадок ТВЭЛ по высоте. Данный процесс контроля и калибровки можно осуществлять до проведения измерений и сканирования одного из рядов ТВЭЛ, а также после сканирования с помощью измерительной части устройства. Это позволяет повысить точность проведения измерений, а также повысить достоверность и надежность процесса измерений и получаемой информации. В любой момент времени с помощью телевизионной передающей камеры 12 на специальном мониторе системы управлением ядерного реактора, куда передается получаемый видеосигнал, можно наблюдать весь процесс проведения бесконтактных измерений при перемещении измерительной части устройства над поверхностью площадок установленных ТВЭЛ. На мониторе будет отображаться изображение площадки ТВЭЛ, соответствующее показанному на фиг. 3. При этом изображение верхней площадки ТВЭЛ поз. 26 будет медленно смещаться в соответствии с перемещением телевизионной передающей камеры 12 над площадкой ТВЭЛ в горизонтальном направлении, а изображение световой полосы будет неподвижным на экране монитора вследствие неизменности взаимного положения телевизионной передающей камеры 12 и источника оптического излучения 1 с блоком формирования 14. Положение указанной световой полосы в структуре растра характеризует уровень высоты расположения площадки ТВЭЛ. При необходимости оператор может остановить в этом месте над данной площадкой ТВЭЛ движение измерительной части, подвести к этому месту отражательную эталонную пластину 18 и проверить с помощью нее величину смещения световой полосы и, соответственно, величину смещения по вертикали данной площадки ТВЭЛ путем непосредственного сравнения с калиброванной величиной высоты эталонной пластины 18. Это позволяет повысить точность и доверительность получаемой информации.
0
Предлагаемое устройство выполнено на основе современных средств оптики и электроники, разработанных специально для работы в составе ядерного реактора и прошедших соответствующие испытания и сертификацию. Передающая телевизионная камера 12 работает в стандартном телевизионном формате, сертифицирована для работы в ядерном реакторе и помещена в специальный водонепроницаемый бокс 19, снабженный оптически прозрачным окном. На фиг. 1 показан вариант установки телевизионной камеры 12 на первой вертикальной штанге 2, при котором оптическая ось телевизионной камеры перпендикулярна плоскости верхних площадок ТВЭЛ 11 (А). При этом угол между указанной оптической осью и нормалью к плоскости площадок ТВЭЛ 11 равен нулю. Такое положение телевизионной камеры 12 является наилучшим, так как позволяет оператору ядерного реактора при проведении измерений координат площадок ТВЭЛ одновременно по монитору наблюдать фронтальное изображение площадок ТВЭЛ. Возможно использование установки передающей телевизионной камеры 12, при котором оптическая ось телекамеры будет направлена под углом к нормали плоскости площадок ТВЭЛ, как это условно показано на фиг. 4. Здесь оптическая ось телекамеры 12 составляет с нормалью к плоскости площадок ТВЭЛ 11 угол (β) равный 45 градусов. Такое расположение телекамеры 12 позволяет несколько расширить диапазон измерения высот площадок ТВЭЛ, за счет того, что наблюдение площадки ТВЭЛ осуществляется под углом (45 градусов) и в пределах телевизионной картинки (растра) будет умещаться более протяженная картина крайних положений смещения световой полосы вдоль площадки ТВЭЛ. При этом точность измерения смещения световой полосы практически не изменяется. Следует отметить, что для дальнейшего повышения точности и надежности получаемых результатов измерений возможно введение дополнительной второй передающей телевизионной камеры поз. 30, как это показано на фиг. 4, оптическая ось которой перпендикулярна плоскости верхних площадок ТВЭЛ 11. В этом случае регистрация световой полосы, сформированной источником оптического излучения 1 и блоком формирования 14 в плоскости площадки ТВЭЛ, осуществляется одновременно двумя телекамерами 12 и 30 под разными углами наблюдения. Это позволяет повысить точность измерения смещения световой полосы и надежность и достоверность получаемой информации о координатах верхних площадок ТВЭЛ, что весьма важно для обеспечения безопасности работы ядерного реактора.
2
3
В предлагаемом устройстве формирование подсвечивающего площадки ТВЭЛ светового пучка специальной конфигурации осуществляется с помощью источника оптического излучения 1 и блока формирования оптической диаграммы направленности 14. На фиг. 5 представлена совместная блок-схема указанных элементов, установленных на единой оптической оси. Источник оптического излучения состоит из рефлектора 33, лампы накаливания 34 и конденсора 35, концентрирующего оптический пучок на диафрагме 36. Блок формирования оптической диаграммы направленности состоит из щелевой оптической диафрагмы 36, выполненной из непрозрачного, например, металлического материала, и специального формирующего объектива 37, переносящего изображение щели на плоскость верхних площадок ТВЭЛ. В результате в месте расположения (на плоскости) площадок ТВЭЛ вдоль оптической оси источника оптического излучения 1 от точки О (см. фиг. 2) до точки О и далее вдоль оптической оси формируется плоский световой (щелевой) пучок, образующая линия которого перпендикулярна указанной оптической оси и параллельна плоскости расположения верхних площадок ТВЭЛ 11. Размер сечения щелевого светового освещающего пучка составляет порядка (0,3 на 30 миллиметров) и определяется размерами щелевой диафрагмы 36. Объектив 37 рассчитан для работы в водной среде совместно с оптическим иллюминатором, а также выполнен из стекла, допускающего работу в условиях радиации. Аналогично элементы источника оптического излучения поз. 33-35 сертифицированы для работы в составе ядерного реактора. Щелевая диафрагма 36 обеспечивает формирование плоской ножевой диаграммы направленности оптического излучения, которое в результате падения на плоскость верхних площадок ТВЭЛ образует световую полосу, по смещению которой в поле зрения передающей телевизионной камеры 12 определяют изменение высот площадок ТВЭЛ. В предлагаемом устройстве возможно использование и диафрагм 36 другой конфигурации, например, точечной диафрагмы. При использовании такой диафрагмы формируется тонкий световой луч с минимальным сечением, который при падении на плоскость площадки ТВЭЛ образует светящуюся точку, по смещению которой на плоскости площадки ТВЭЛ также можно с высокой точностью определять изменение высот площадок ТВЭЛ. Преимуществом использования щелевой диафрагмы является возможность определения координат смещения в нескольких телевизионных строках с последующим усреднением полученных результатов, что повышает точность измерения и позволяет исключить или ослабить влияние структуры поверхности на точность измерения. В качестве диафрагмы 36 возможно также использование управляемого матричного модулятора света (по типу жидкокристаллического неизлучающего дисплея), рабочая плоскость которого устанавливается в плоскости 36 диафрагмы. Данный матричный управляемый модулятор света позволяет формировать по команде от ЭВМ различные формы пропускающей свет формирующей диафрагмы, а также изменять положение пропускающей диафрагмы в плоскости 36, перпендикулярной оптической оси источника оптического излучения. Это приведет к управляемому смещению световой полосы в плоскости площадки ТВЭЛ и дополнительной возможности тестирования и калибровки процесса измерения высот площадок ТВЭЛ, что обеспечит дополнительную возможность увеличения точности определения высот площадок ТВЭЛ с помощью данного предлагаемого устройства. Один из вариантов выполнения такого управляемого модулятора света приведен в работе [6]. В качестве оптической диафрагмы 36 возможно также использование механического блока с набором диафрагм различной конфигурации, заменяемых и устанавливаемых в плоскости 36 с помощью специального шагового электродвигателя, управляемого по командам от центральной ЭВМ ядерного реактора. Источник оптического излучения и передающая телевизионная камера работают в видимом диапазоне длин волн в синей или зеленой областях спектра излучений, наиболее хорошо распространяющихся в водной среде, а также в монохроматическом режиме, так как предлагаемое устройство предназначено исключительно для технических целей. Это существенно упрощает разработку оптических элементов для данного устройства. Соответствующий узкополосный спектральный оптический фильтр входит в состав объектива передающей телевизионной камеры.
В предлагаемом устройстве в качестве источника оптического излучения возможно использование малогабаритного полупроводникового источника лазерного излучения - лазерного генератора на соответствующую длину волны, распространяющуюся в водной среде. В этом случае данный лазерный генератор необходимо поместить в специальный защитный бокс, обеспечивающий работу данного лазера в условиях ядерного реактора, а также обеспечить соответствующую сертификацию данного лазерного генератора.
В качестве блока обработки телевизионных сигналов 13 возможно использование стандартной персональной ЭВМ, снабженной специальным интерфейсом для подключения к выходу передающей телевизионной камеры 12. В этом случае на вход ПЭВМ непрерывно поступает телевизионный видеосигнал, представляющий собой изображение площадки ТВЭЛ, представленное на фиг. 3. Данное изображение подвергается оцифровке в реальном масштабе времени, после чего по изображению выделяется информация о положении и координатах световой полосы, например, поз. 27 в структуре телевизионного растра, по которой определяется величина смещения наблюдаемой площадки ТВЭЛ. Полученная информация отображается на экране ПЭВМ и передается различным потребителям информации на главном пульте управления ядерным реактором.
В предлагаемом устройстве для перемещения измерительной части устройства над зоной загрузки ядерного реактора используются стандартные средства в виде вертикальной штанги с блоками перемещения и горизонтальная несущая штанга 5, устанавливаемая и перемещаемая с помощью соответствующих механизмов, управляемых от главного компьютера ядерного реактора. Для перемещения в зоне установки кассет ТВЭЛ отражательной эталонной пластины 18 используется аналогично первой вертикальной штанге 2 вторая вертикальная штанга 15, снабженная блоками перемещения, также управляемыми от главного компьютера. Блоки перемещения обеих вертикальных штанг находятся в рабочей зоне реактора, но вне водной среды, как это показано на фиг. 1. Блоки перемещения 4 и 17 представляют собой механические муфты, надетые на горизонтальную несущую штангу 5 и перемещаемые по ней с помощью специальных прецизионных электродвигателей, управляемых от главной ЭВМ ядерного реактора. Блоки перемещения 3 и 16 представляют собой аналогичные механические муфты, надетые на вертикальные штанги 2 и 15 и обеспечивающие перемещение указанных штанг в вертикальном направлении с помощью специальных, входящих в их состав электродвигателей по команде от ЭВМ. Указанные блоки перемещения содержат специальные измерительные средства для регистрации величины перемещения вертикальных штанг 2 и 15 и величины перемещения блоков 4 и 17 вдоль горизонтальной штанги 5. Для перемещения измерительной части устройства в зоне загрузки ядерного реактора над плоскостью площадок ТВЭЛ возможно также использование загрузочной машины ядерного реактора, управляемой от ЭВМ с главного пульта управления ядерным реактором. Следует отметить, что для обеспечения высокой точности измерения высот площадок ТВЭЛ порядка 0,2 миллиметра при осуществлении перемещения измерительной части устройства над плоскостью верхних площадок ТВЭЛ используемые для этого перемещения механические средства должны обеспечивать в свою очередь высокую точность перемещения вдоль горизонтали по всей плоскости площадок ТВЭЛ (порядка тех же 0,2 мм) и с заданной скоростью перемещения., что является достаточно сложной технической задачей для механических средств. В противном случае ошибка неплоскостности перемещения измерительного устройства над поверхностью площадок ТВЭЛ войдет в точность определения высот площадок ТВЭЛ и ограничит реальную точность измерений, несмотря на потенциально высокую точность определения высот в предлагаемом устройстве. В настоящее время известны и выпускаются промышленностью высокоточные механические средства типа представленных в предлагаемом устройстве горизонтальной и вертикальных штанг с блоками перемещения, снабженных шаговыми электродвигателями, управляемые от ЭВМ, используемые для астрономических наблюдений.
Предлагаемое устройство предназначено для автоматического измерения повысотных отметок (уровней высот) головок тепловыделяющих сборок в зоне загрузки реактора типа ВВЭР. Схема (чертеж) установки сборок ТВЭЛ приведена на фиг. 8. На данной схеме условно показана плоскость верхних площадок сборок ТВЭЛ в зоне загрузки ядерного реактора вид по оптической оси O8-O1 передающей телевизионной камеры 12 (фиг. 1), которая перпендикулярна данной плоскости верхних площадок сборок ТВЭЛ. Указанная плоскость верхних площадок сборок ТВЭЛ, изображенная на фиг. 8, обозначена позицией 11 на фиг. 1. Сборки ТВЭЛ имеют верхние площадки (головки) шестиугольной формы. Указанные сборки ТВЭЛ расположены в отдельных шести секторах зоны загрузки ядерного реактора. В каждом из секторов расположены по 27 отдельных кассет (сборок) ТВЭЛ, пронумерованных мелкими цифрами по отдельности в каждом из секторов. Отдельно пронумерована центральная кассета ТВЭЛ, имеющая на данном чертеже фиг. 8 номер 1 (мелкими цифрами). Таким образом, в зоне загрузки реактора ВВЭР всего установлено 163 кассеты сборок ТВЭЛ (27×6+1=163). Предлагаемое устройство в процессе измерения уровней высот (повысотных отметок) площадок сборок ТВЭЛ осуществляет автоматическое перемещение измерительной части устройства над плоскостью верхних площадок сборок ТВЭЛ. Измерительная часть устройства перемещается последовательно вдоль каждого ряда сборок ТВЭЛ и осуществляет измерение относительной высоты (повысотных отметок) каждой площадки сборки ТВЭЛ, информация о которой непрерывно передается в главный компьютер управления ядерным реактором.
По материалам данной заявки разработан экспериментальный образец предлагаемого устройства и проведены исследования его эксплуатационных характеристик с реальными образцами верхних площадок ТВЭЛ без использования водной среды. Образец верхней площадки ТВЭЛ устанавливался на оптическом столике, снабженном узлом перемещения в вертикальном направлении и микрометрическим винтом. В результате исследований получены следующие результаты. Диапазон измерения изменений (перепада) по вертикали в рабочей зоне ядерного реактора высот площадок ТВЭЛ = 50 миллиметров (+ 25, -- 25 мм). Точность измерения высот площадок ТВЭЛ (величина одного дискрета) = 0,2 миллиметра. Быстродействие проведения измерения одной высотной отметки = 64 микросекунды. Максимальный диапазон разброса высот площадок ТВЭЛ при загрузке ядерного реактора не более 25 мм (+ 12,5 -- 12,5 мм). Максимальное расстояние от измерительной части устройства до плоскости расположения площадок ТВЭЛ не более 0,5 метра. Минимальное указанное расстояние (от иллюминатора бокса передающей телевизионной камеры) не менее 15 см. Полное время сканирования с помощью измерительной части устройства всей зоны загрузки ядерного реактора (163 кассеты ТВЭЛ) в непрерывном безостановочном режиме не превышает 20 минут и ограничено только скоростью перемещения измерительной части в водной среде и возникающей турбулентностью воды. На фиг. 6 и фиг. 7 представлены осциллограммы электрических сигналов, полученных в результате обработки телевизионных сигналов в блоке 13, для двух различных положений по высоте площадок ТВЭЛ, изменение высот которых устанавливалось и регулировалось с помощью микрометрического винта оптического стола с точностью установки порядка 0,1 мм., что позволило измерить точность определения высот площадок ТВЭЛ с помощью данного устройства. Указанная измеренная точность составила порядка 0,2 миллиметра по высоте. Следует отметить, что полученные результаты точности измерения высот площадок ТВЭЛ порядка 0,2 миллиметра по нормали к плоскости площадок ТВЭЛ в настоящее время могут быть обеспечены только методом, реализованным в предлагаемом устройстве. При использовании, например, локационного метода для определения изменений высот площадок ТВЭЛ с указанной точностью порядка 0,2 мм, потребовалось бы создание аппаратуры для приема и обработки локационных сигналов в среднем фемтосекундном диапазоне. Такой аппаратуры в настоящее время не существует. Недостатки использования для решения рассмотренной задачи интерферометрических и голографических методов изложены выше при анализе устройства-прототипа. Таким образом, можно утверждать, что предложенное устройство является наиболее адекватным средством для решения задачи оперативного контроля точности установки и загрузки кассет ТВЭЛ в ядерном реакторе. Предлагаемое устройство может быть использовано на реакторных установках типа ВВЭР-1000, ВВЭР-440, РБМК-1000. Предлагаемое устройство может также быть использовано для проведения различных высокоточных измерений расположения и размеров специальных средств и изделий непосредственно в рабочей зоне ядерного реактора. Следует отметить, что предлагаемое устройство обеспечивает полную автоматизацию производимых измерений в ядерном реакторе. Высокая точность, надежность и достоверность получаемой информации позволит при использовании предлагаемого устройства повысить безопасность работы ядерного реактора в составе атомной электрической станции.
Источники информации.
[1]. Патент США №4728483, кл. 376-258. 1982 г.
[2]. Патент Франции №2544540. G21c 17/06. 1983.
[3]. Патент РФ №2092917. Устройство для контроля топливной сборки ядерного реактора.
[4]. Авторское свидетельство СССР №1467396. G01b 21/02. 1989.23.03. Лазерная щуповая головка для размерного контроля. (Прототип).
[5]. Подводная фотография. Бабак Э.В. Изд.во «Машиностроение». 1969 г. Ленинград.
[6]. Пространственные модуляторы света. Васильев А.А., Компанец И.Н. Изд.во «Радио и связь». 1987 г. Москва. Стр. 53, рис. 2.1.