СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПАРОГЕНЕРАТОРА РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ С ТЯЖЕЛЫМ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
METHOD OF TIGHTNESS MONITORING AT HEAT EXCHANGE SURFACE OF STEAM GENERATOR OF REACTOR PLANT WITH HEAVY LIQUID METAL HEAT CARRIER

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к способам контроля герметичности теплообменной поверхности парогенераторов ядерных энергетических установок, в которых для охлаждения активной зоны используется тяжелый жидкометаллический теплоноситель, например свинец или расплав свинца с висмутом.
Для данного типа установок предложены двухконтурные схемы. Давление во втором пароводяном контуре у них значительно выше, чем в первом контуре, поэтому гипотетическая ситуация с потерей герметичности теплообменной поверхности парогенератора будет приводить к проникновению пароводяной среды в первый контур и барботированию жидкометаллического теплоносителя.
В рассматриваемых установках в верхней части реакторного пространства над зеркалом жидкометаллического теплоносителя предусматривают защитную газовую подушку из аргона, которая служит компенсатором теплового расширения жидкометаллического теплоносителя и коллектором выходящего из него газа или водяного пара в случае течи парогенератора.
Оперативный и надежный контроль межконтурной герметичности парогенераторов имеет большое значение для обеспечения безопасной эксплуатации установок данного типа. Между тем использование жидкометаллического теплоносителя усложняет проведение такого диагностирования и сужает круг технических решений, которые можно было бы для этого применить.
Известен нейтронно-шумовой способ диагностирования негерметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки со свинцово-висмутовым теплоносителем (С.А. Морозов «Применение реактивностных методов диагностирования попадания пара и нерастворенного газа в теплоноситель в активной зоне реактора стенда 27ВТ/5». Третья межотраслевая научно-практическая конференция «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях». Обнинск, 2010, сборник трудов, т.1, с.29-42). В способе используется эффект изменения реактивности ядерного реактора при замене части объема теплоносителя в активной зоне паровыми пузырьками. При этом проводят спектральный анализ нейтронных шумов реактивности ядерного реактора или взаимно корреляционный анализ шумов реактивности и давления в первом контуре. Недостатком известного способа является его относительно низкая чувствительность. Она оказывается недостаточной для диагностирования нарушения герметичности теплообменной поверхности парогенератора на ранней стадии развития сквозного дефекта.
Известен также индукционно-пузырьковый способ, выбранный в качестве наиболее близкого к заявляемому. Он применен в устройстве контроля газа в жидкометаллическом теплоносителе для диагностирования негерметичности парогенераторов типа вода - жидкий свинец или вода - расплав свинца с висмутом (RU 2426111 C1, опуб. 10.08.11). В этом решении жидкометаллический теплоноситель прокачивают через трубопровод, на котором предварительно устанавливают измерительно-сигнальное устройство в виде обмотки возбуждения и индуктивно связанных с ней измерительных обмоток, а внутри трубопровода устанавливают вихреобразующий обтекатель. С помощью постоянных измерений в реальном масштабе времени отслеживают показатель газосодержания в жидкометаллическом контуре. При возникновении барботирования регистрируют изменение этого показателя и принимают решение о наличии течи в парогенераторе.
Недостатком данного способа является его привязка к трубопроводам первого контура, внутри которых требуется установка дополнительных конструктивных элементов - вихреобразующих обтекателей, необходимость дублирования, то есть применения его на каждом парогенераторе для обеспечения нужной чувствительности, а также использование измерительных датчиков, которые должны работать в условиях высоких температур и повышенного радиационного облучения. Указанные обстоятельства ограничивают надежность и безопасность данного способа.
Задачей настоящего изобретения является улучшенная по сравнению с известным решением совокупность свойств - повышенная надежность, безопасность, чувствительность и простота реализации.
Достигаемый при этом технический результат состоит в том, что предложенный способ позволяет диагностировать потерю герметичности без использования сложных конструктивных, измерительных устройств внутри контура жидкометаллического теплоносителя, например профилирующих элементов, как в прототипе, или отборов проб, не требует дублирования, то есть установки одинаковых измерительных устройств у каждого парогенератора.
В основе предложенного способа лежат физические явления, проявляющиеся безотносительно от того, какой выбрана конструкция реакторной установки и ее технологическая схема и как расположены трубопроводы первого контура. То есть реализация способа не привязана к конструктивным особенностям реакторной установки.
Как будет показано ниже в примере его конкретного применения, способ обеспечивает на порядок большую чувствительность диагностирования межконтурной негерметичности парогенератора, чем известные способы, в частности нейтронно-шумовые.
Надежность способа связана также с его высокой избирательностью, исключающей принятие ложных заключений о негерметичности под влиянием сторонних факторов. Поскольку в нем применен иной диагностический признак, чем в известных способах, то его одновременное использование с этими способами повысит достоверность регистрации негерметичности теплообменной поверхности парогенератора.
В предложенном способе в отличие от известных решений в качестве диагностического признака используется такое проявление эффекта барботирования теплоносителя пароводяной средой, как вымывание растворенных в нем инертных газов - газообразных продуктов деления и активации. При работе реакторной установки в стационарном режиме большинство радиоактивных газообразных продуктов деления и активации достигают равновесной активности в средах первого контура в течение нескольких суток. Течь парогенератора сопровождается барботированием теплоносителя, растворенные в нем газы посредством диффузии переходят в объем паровых пузырей, переносятся с пузырями по контуру теплоносителем и затем выносятся в подушку защитного газа над зеркалом теплоносителя.
41
Помимо прочих компонентов, среди газообразных продуктов активации имеется изотоп Ar, продукт активации растворенного в жидкометаллическом теплоносителе защитного газа аргона, поэтому одним из проявлений негерметичности теплообменной поверхности парогенератора будет рост содержания данного изотопа и, следовательно, его активности в газовой системе первого контура, что может быть зафиксировано спектрометрическими измерениями, обладающими высокой чувствительностью и надежностью.
41
Основой предложенного способа является регистрация роста активности изотопа Ar в газовой системе как диагностического признака негерметичности теплообменной поверхности парогенератора. Как будет показано ниже, использование именно этого изотопа в качестве реперного обусловлено уникальной комбинацией его свойств, проявляющихся в предложенном способе и обеспечивающих его реализацию.
41
41
Сущность заявленного способа состоит в следующем. Оперативный контроль герметичности теплообменной поверхности парогенератора осуществляют путем постоянного отслеживания показателя активности изотопа Ar. Для этого в газовой системе первого контура используют измерительную емкость. В емкости имеются датчики для измерения температуры и давления аргона. Кроме того, с наружной стороны емкости размещают спектрометрические датчики для измерения активности содержащегося в ней изотопа Ar.
41
41
5
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
0
При работе реакторной установки в стационарном режиме, то есть при постоянном уровне мощности и постоянном расходе теплоносителя, некоторое количество защитного газа первого контура - аргона - очищают от паров и аэрозолей и прокачивают через измерительную емкость. При этом измеряют активность изотопа Ar
(Бк), температуру
(К) и давление
(Па) аргона в емкости. Регистрируют измеренные величины. По этим величинам рассчитывают объемную активность изотопа Ar, приведенную к нормальным условиям (P=1,01·10 Па, T=293 К):
ЕИ
3
где k - порядковый номер измерения, V - объем измерительной емкости, м.
a
k
Объемную активность  используют в качестве реперного показателя для контроля герметичности теплообменной поверхности парогенератора.
a
a
k
стац
Измерения и расчеты приведенной активности  продолжают проводить с заданной периодичностью. Сравнивая получаемые данные с предыдущими, фиксируют установление стационарного значения активности .
a
a
k
стац
Продолжают повторять измерения и расчеты, сравнивая вновь получаемые значения  со стационарным значением .
41
Заключение о негерметичности теплообменной поверхности парогенератора принимают в случае, когда расчетная приведенная объемная активность изотопа Ar превысит свое стационарное значение на некоторую заданную величину, определяемую порогом погрешности.
Промышленная применимость заявленного способа и достижение технического результата могут быть подтверждены следующими аргументами.
При работе реакторной установки теплоноситель первого контура содержит растворенные в нем инертные газы: аргон из газовой системы и газообразные продукты деления, попадающие в теплоноситель в результате деления урана, содержащегося как примесь в теплоносителе, в сталях элементов активной зоны и в поверхностном загрязнении оболочек твэлов топливной композицией.
37
39
41
Газообразные продукты деления также могут поступать в теплоноситель из тепловыделяющих элементов при возникновении сквозного дефекта оболочек. Эти растворенные инертные газы циркулируют по контуру установки, активируются в активной зоне, их изотопы посредством диффузии выходят через зеркало теплоносителя в газовую систему. Газообразными продуктами активации аргона являются изотопы Ar, Ar и Ar, а газообразными продуктами деления - изотопы криптона и ксенона. В стационарном режиме работы установки, то есть при постоянном уровне мощности и постоянном расходе теплоносителя в его объеме и в газовой системе первого контура устанавливаются равновесные концентрации большинства радиоактивных изотопов этих элементов.
Если к указанным процессам применить камерную расчетную модель, то баланс активности i-го изотопа инертного газа в теплоносителе и в газовой системе можно описать системой уравнений
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mi>i</mi><mrow><mi>т</mi><mi>н</mi></mrow></msubsup><mrow><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>A</mi><mrow><mn>0</mn><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>т</mi><mi>н</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mi>i</mi><mrow><mi>г</mi><mi>с</mi></mrow></msubsup><mrow><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>A</mi><mrow><mn>0</mn><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>г</mi><mi>с</mi></mrow></msubsup></mrow>
с нулевыми начальными условиями
,
,
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mi>i</mi><mrow><mi>т</mi><mi>н</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mi>i</mi><mrow><mi>г</mi><mi>с</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>q</mi><mi>i</mi><mrow><mi>т</mi><mi>н</mi></mrow></msubsup></mrow>
i
-1
-1
-1
где
- активность i-го изотопа в теплоносителе, Бк;
- активность i-го изотопа в газовой системе, Бк;
- скорость поступления i-го изотопа в теплоноситель, Бк/с; λ - постоянная распада, с; ν - относительная скорость дегазации (постоянная дегазации) теплоносителя, с, равная отношению скорости выхода газа из теплоносителя в газовую систему к его содержанию в теплоносителе; ς - относительная скорость утечки газа из газовой системы, с.
-12
-1
К газовым системам первого контура предъявляются высокие требования по герметичности, ограничивающие утечку уровнем не более 10 с. При расчете активности рассматриваемых изотопов в газовой системе утечкой из нее можно пренебречь и тогда решение системы уравнений (2) для активности i-го изотопа в газовой системе принимает вид:
Таким образом, при стационарном режиме работы по прошествии определенного промежутка времени устанавливаются равновесные значения активности большинства изотопов в газовой системе.
Равновесие нарушается при барботировании, когда возникает сквозной микродефект теплообменной поверхности парогенератора. Пароводяная смесь из второго контура проникает в жидкометаллический теплоноситель, образуются паровые пузырьки, т.е. развивается внутренняя межфазная поверхность. Через нее содержащиеся в теплоносителе инертные газы диффундируют во внутренний объем паровых пузырьков, циркулируют вместе с ними по контуру и при всплытии пузырьков к зеркалу теплоносителя выходят в газовую систему. В результате возрастает активность газообразных продуктов активации и деления в газовой системе первого контура.
Если предположить, что величина ν прямо пропорциональна поверхности выхода газа из жидкого металла, то относительную скорость дегазации теплоносителя в условиях барботирования можно описать следующим выражением
зерк
барб
o
барб
2
2
-1
-1
где: S - площадь зеркала теплоносителя (поверхности раздела) м; S - площадь межфазной поверхности, образуемой пузырьками, м; ν - постоянная дегазации теплоносителя при отсутствии барботирования, с; ν - постоянная дегазации теплоносителя при барботировании, с.
В условиях динамического равновесия активность i-го изотопа инертного газа в газовой системе может быть выражена формулой
барб
o
o
барб
i
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mi>i</mi><mrow><mi>г</mi><mi>с</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>q</mi><mi>i</mi><mrow><mi>т</mi><mi>н</mi></mrow></msubsup></mrow>
-6
-1
-6
-4
-1
-5
-4
-1
Поскольку при любых условиях ν>ν, то значение
при барботировании будет больше, чем в отсутствие барботирования, если скорость поступления изотопа в теплоноситель
постоянна. Причем, чем меньше период полураспада изотопа, тем заметнее будет увеличение его активности в газовой системе при барботировании теплоносителя. Как показывают расчеты, для реакторов с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем ν имеется величина порядка 10 с, а ν - от 10 до 10 с. Оптимальная для диагностирования величина постоянной распада реперного изотопа λ находится в интервале от 10 до 10 с. Вне этого интервала либо не достигается нужная чувствительность измерений, либо не хватает запаса времени для их проведения.
41
-4
-1
41
41
Данному условию удовлетворяет изотоп Ar, у которого λ=1,05·10 с. Он не является продуктом деления и в случае разгерметизации тепловыделяющих элементов рост активности защитного газа произойдет за счет вклада других изотопов, в частности ксенона и криптона, но не Ar. Поэтому измерение активности именно Ar позволяет избежать ложного вывода о течи парогенератора при разгерметизации тепловыделяющих элементов.
41
41
Изотоп Ar наряду с оптимальным значением постоянной распада и тем, что он не является продуктом деления, характеризуется еще одним необходимым для реализации предложенного способа свойством, которым не обладают другие газообразные продукты активации аргона, а именно наличием ярко выраженной (выше 0,5 МэВ) линии гамма-излучения. Эта особенность позволяет использовать для измерения его активности гамма-спектрометрический метод, который отличается высокой надежностью и чувствительностью и не требует размещения датчиков непосредственно внутри газовой системы первого контура. У изотопа Ar энергия гамма-излучения составляет 1,29 МэВ, что позволяет применить обычные промышленные датчики-спектрометры и разместить их с наружной боковой поверхности измерительной емкости. Для повышения надежности измерений и обеспечения ремонтопригодности желательна установка двух или более датчиков. При этом подачу аргона в емкость необходимо проводить после его предварительной очистки от паров и аэрозолей, с тем чтобы они не накапливались в емкости и не создавали паразитного фонового излучения.
41
При определении расчетного стационарного значения объемной активности Ar в измерительной емкости ее следует приводить к нормальным условиям, т.к. при измерениях могут быть различия в давлении и температуре газа в емкости и, следовательно, может изменяться его плотность. Поэтому нормировка (расчетное приведение к нормальным условиям) уменьшает ошибку измерений. В качестве величины порогового превышения приведенной стационарной активности может быть принято значение порядка 10%, соответствующее погрешности измерений. При превышении этой пороговой величины принимается решение о наличии негерметичности парогенератора.
4
41
7
В качестве примера конкретного применения способа можно рассмотреть его реализацию на работающей в стационарном режиме реакторной установке со свинцовым теплоносителем, при постоянном уровне тепловой мощности 600 МВт и постоянном расходе теплоносителя 3,84-10 кг/с. Скорость поступления активности изотопа Ar в теплоноситель в данном случае может быть оценена величиной 1,47·10 Бк/с.
3
41
6
3
11
Объем газовой системы первого контура реакторной установки такого типа достигает 300 м. Соответствующее указанному режиму работы стационарное значение объемной активности изотопа Ar в газовой системе, определенное по формуле (2), равно 5,82·10 Бк/м. Соответствующая стационарная активность данного изотопа в теплоносителе составляет 1,38·10 Бк.
2
-6
-1
Площадь зеркала теплоносителя оценивается в 130 м. При отсутствии барботирования относительная скорость выхода аргона из теплоносителя, определенная с помощью закона Фика и формулы Эйнштейна-Стокса для коэффициентов диффузии в жидкости, составляет 1,34·10 с.
-4
-10
Расчеты показывают, что в результате возникновения негерметичности одной трубки парогенератора в свинцовый теплоноситель будет поступать пароводяная смесь с массовым расходом около 1,16·10 кг/с (10 кг/сут), что составляет 5,7·10 от расхода парогенератора. В первом контуре возникнет пузырьковый режим двухфазного течения.
эфф
ц
3
-5
3
Соответствующий режиму течения в первом контуре эффективный радиус парового пузырька R составит 0,5 мм, а время жизни пузырька τ будет примерно равным среднему времени циркуляции теплоносителя по первому контуру t и будет достигать 250 с, удельный объем пара υ (для средних значений температуры и давления свинца в первом контуре) составит 0,485 м/кг, а объемный расход течи g - 5,62·10 м/с.
2
-6
-1
Межфазная поверхность пузырей, определенная по формуле (4), равна 83 м. Относительная скорость дегазации, определяемая по формуле (3), в результате течи парогенератора увеличится до величины 2,17·10 с.
Способ диагностирования негерметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки со свинцовым теплоносителем включает следующие операции.
При работе реакторной установки со свинцовым теплоносителем в указанном выше режиме постоянной мощности некоторое количество защитного газа-аргона подвергают очистке от паров и аэрозолей и затем направляют в измерительную емкость объемом 10 л. Для очистки можно использовать холодные ловушки и фильтры, а контроль активности проводить на штатной системе контроля герметичности оболочек тепловыделяющих элементов, которая оснащена гамма-спектрометрическим оборудованием. При этом два или более спектрометров гамма-излучения, состоящие, например, из германиевого детектора GC-1518 и анализатора типа DSA-1000 фирмы "Canberra", размещают в специальных гнездах на наружной поверхности измерительной емкости.
41
5
С периодичностью один час измеряют активность Ar в измерительной емкости, при этом время измерения составляет около 600 с. Одновременно измеряют температуру и давление газа в измерительной емкости. В данном случае температура газа принята равной 50°C, давление - 1,05·10 Па.
41
41
6
3
По показаниям спектрометров, датчиков давления и температуры газа в измерительной емкости, зная ее объем, рассчитывают среднее значение объемной активности изотопа Ar в измерительной емкости, приведенное к нормальным условиям. Описанную процедуру повторяют до установления стационарного значения объемной активности Ar, которое в данном случае составит 6,11·10 Бк/н-м.
41
Далее с заданной периодичностью продолжают выполнять описанные выше измерения и расчет объемной активности Ar, приведенной к нормальным условиям.
Получаемые значения объемной активности сравнивают со стационарным значением, принимая во внимание при этом возможную погрешность измерений.
Предельная относительная ошибка может быть, например, выбрана равной 10%.
5
3
41
6
3
Ошибка измерений в данном случае составит 6,11·10 Бк/н-м. Если измеренное значение объемной активности Ar превысит 6,72·10 Бк/н-м, то негерметичность теплообменной поверхности парогенератора (течь парогенератора) считается установленной.
41
-5
-4
Изменение объемной активности изотопа Ar в газовой системе в результате возникновения течи парогенератора, рассчитанное по формуле (2), представлено на фигуре. Если указанная течь парогенератора возникла в момент времени, соответствующий на графике трем часам, то при следующем измерении (через час) можно установить факт наличия течи парогенератора. При этом газосодержание в теплоносителе составляет ~1.3·10, что подтверждает более высокую чувствительность предлагаемого способа по сравнению с известными, например нейтронно-шумовыми, у которых порог чувствительности соответствует газосодержанию 10.