Способ измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе
METHOD FOR MEASURING HELIUM CONCENTRATION IN A FUEL ELEMENT

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов (твэлов) на этапе проведения контроля концентраций гелия в них, в частности, в условиях конвейерного производства твэлов.
Известен «Способ контроля тепловыделяющих элементов» /патент РФ №2552526/.
Способ контроля тепловыделяющих элементов, включает определение давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации, при котором удерживают тепловыделяющий элемент на позиции измерения в течение всего времени контроля, осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области компенсационного объема, регистрируют временную зависимость температуры участков оболочки в месте нагрева и на противоположной стороне оболочки в течение всего времени контроля, по ней судят о давлении гелия и состоянии тепловыделяющего элемента, согласно которому перед локальным нагревом тепловыделяющий элемент выдерживают до выравнивания его температуры с температурой окружающей среды, а после завершения контроля создают температуру окружающей среды ниже 0°С, перед локальным нагревом тепловыделяющий элемент выдерживают до выравнивания его температуры с новой температурой окружающей среды, повторяют цикл нагрев-измерения и сравнивают полученные временные зависимости давлений при разных температурах с калибровочными зависимостями для разных давлений гелия и разными уровнями содержания воздуха в нем.
Недостаток способа-аналога заключается в его низкой производительности. Она обусловлена многократным проведением время затратных операций «выдержки твэла до выравнивания его температуры с температурой окружающей среды», «создание температуры окружающей среды ниже 0°С», что не позволяет использовать способ для оценки концентрации гелия в смеси с загрязняющим газом при сплошном контроле твэлов в жестких временных рамках их конвейерного производства.
Наиболее близким аналогом является патент №2634309.
Для решения поставленной задачи в способе измерения концентрации гелия в твэле, включающего подачу твэла в установку на позицию измерения, проведение локального импульсного нагрева участка оболочки твэла в области его компенсационного объема, измерение временных температурных зависимостей и определение концентрации гелия в твэле, предлагается:
- дополнительно, перед подачей твэла в установку на позицию измерения измеряют температуру воздуха в установке, после размещения твэла на позицию измерения измеряют температуру оболочки твэла;
- дополнительно измеряют температурные зависимости стандартных образцов в зависимости от температуры воздуха в установке, температуры оболочки и эффекта взаимодействия этих температур;
х
- объемную концентрацию гелия в контролируемом твэле (С) определяют по формуле
0
1
0
в,х;
об.х
1
в.x;
oб.х
в,х
oб.х
0
1
в
об
x
в.х;
об.х
в.х
об.х
где C,C - объемные концентрации гелия в стандартных образцах; P(tt), P(tt) - функциональные параметры временных температурных зависимостей t,t стандартных образцов, соответственно с концентрацией С и C при температуре воздуха в установке t и температуре оболочки твэла t; P(tt) - параметр временной температурной зависимости контролируемого твэла с неизвестной концентрацией гелия (х), при измеренной температуре воздуха в установке t и температуре оболочки твэла t.
Недостатками способа-прототипа является следующее:
- влияние температуры воздуха в установке на результаты измерения;
- сплошность реализации набора контрольных образцов с известной концентрацией гелия в силу его сверхтекучести;
- влияние навивки дистанционирующей проволоки и ленты на результаты измерения.
Для решения поставленной задачи в способе измерения концентрации гелия в твэле, включающего подачу твэла в позицию измерения, проведение локального импульсного нагрева участия оболочки твэла в области компенсационного объема измерение временных температурных зависимостей и определение концентрации гелия в твэле предлагается:
- индукционный нагреватель выполнить двухсекционным и выполнить нагрев в двух точках, симметричных относительно контрольного сечения;
- в плоскости контрольного сечения температуру измерять несколькими измерителями с получением среднего значения по n измерителем в каждый текущий момент времени
- в качестве контрольных образцов использовать носитель контрольного газа, заправляемый эталонным газом с нужной концентрацией перед контрольным измерением;
- твэл с навивкой дистанционирующей проволокой или лентой в процессе измерения вращать вокруг продольной оси с определенной угловой скоростью;
- объемную концентрацию гелия в контролируемом твэле определить по формуле
0
1
где C,C - объемные концентрации гелия в носителе контрольного газа;
в.х
об.х
0
1
B
oб
- средние функциональные параметры временных температурных зависимостей t,t эталонных концентраций гелия в носителе контрольного газа с концентрацией С, С, при температуре t в установке и температуре оболочки твэла t;
в.x
oб.x
- средний временной параметр температурной зависимости контролируемого твэла с неизвестной концентрацией гелия (х), при температуре воздуха в установке t и температуре оболочки твэла t.
Сущность предложенного способа измерения концентрации гелия в твэле поясняется графическим материалом.
На фигуре 1 изображена установка для реализации способа.
На фигуре 1 приняты следующие обозначения: 1 - корпус установки; 2 - тепловыделяющий элемент (твэл); 3 - узел фиксации и обеспечения вращения твэла; 4 - компенсационный объем; 5 - индукционный нагреватель; 6 - дистанционный измеритель температуры в контрольном сечении; 7 - измеритель температуры воздуха.
Способ осуществляют следующим образом.
Физической основой способа измерения концентрации гелия в смеси с воздухом, находящейся под оболочкой твэла, является существенное различие теплопроводностей гелия и воздуха.
Это различие свойств газов проявляется при канальном импульсном нагреве участка оболочки и скорости изменения температуры в контролируемом сечении твэла, отстоящим от участка нагрева в виде функциональной зависимости от концентрации гелия в твэле.
Способ использует относительный метод измерения, при котором концентрация гелия в контролируемом твэле определяется относительно стандартных образцов. В качестве стандартных образцов используют имитатор твэла, оснащенный заправочным и стравливающим штуцерами, заправляемый эталонными газами (смесь гелия и азота) с известной концентрацией гелия, т.е. имитатор является носителем контрольного газа. Для формирования шкалы измерений гелия от 90 до 100% через 2%, исходя из предельно допустимой концентрации 94%.
Температурные условия проведения измерений с контролируемыми твэлами характеризуются непостоянством температур воздуха в установке и начальных температур твэла.
С целью минимизации влияния воздушного теплопереноса применяется двухсекционный индуктивный нагреватель, осуществляющий теплоперенос в твэле к контрольному сечению с двух сторон, тем самым вдвое повышая информативность полезного сигнала относительно воздушного теплопереноса.
Для снижения случайной составляющей погрешности при измерении функции температуры во времени в контрольном сечении применены несколько бесконтактных измерителей температуры с определением среднего значения по их показаниям в каждый момент времени.
С целью минимизации шунтирующего действия навитой на твэл дистанционирующей проволоки или ленты осуществляется вращение твэла вокруг продольной оси при помощи приводных люнетов с базой шага навивки дистанционирующей проволоки, с определенной угловой скоростью, определяемой динамикой теплопереноса в зоне между точками нагрева и контрольным сечением.
Исходные временные зависимости теплопереноса от концентрации гелия в носителе контрольного газа в диапазоне 90÷100% через 2% и от температуры воздуха и начальной температуры твэла получают в процессе классического многофакторного эксперимента. Данные зависимости используются в методике измерений, реализуемой вычислительным устройством измерительной установки.
При измерениях с контролируемыми твэлами может транспортной системой производственной линии вводиться в установку на позицию измерения, определяемую выдвигаемым узлом фиксации и обеспечения вращения твэла 3. При помощи измерителя температуры воздуха в корпусе установки 7 измерителя температуры внутри установки, а при помощи дистанционных измерителей 6 определяется среднее значение исходной температуры поверхности твэла в контрольном сечении.
ix
При помощи индукционного нагревателя 5 производится, нагрев твэла в течение нормированного интервала времени, в точках, равноотстоящих от контрольного сечения. В контрольном сечении получается временная зависимость температуры  которая используется для определения концентрации гелия в твэле. При измерениях с твэлами, оснащенными дистанционирующей проволокой или лентой дополнительно обеспечивается вращение твэла вокруг продольной оси. При этом в методике измерений используются температурные зависимости, полученные при помощи носителя контрольного газа, исполненного с дистанционирующей проволокой и лентой с концентрацией 90÷100% через 2% гелия в носителе при его вращении. Вращение позволяет усреднять в контрольном сечении температуру поверхности твэла, возмущаемую в зоне дистанционирующей проволоки в виде зоны с пониженной температурой при экстремуме температурной зависимости P(τ).
Предлагаемая схема измерения и последовательности действий позволили повысить точность измерения с 13% у прототипа до 2%.
Источники информации
1. Патент РФ №2552526 G21C 17/06, опубл. 10.06.2015 г.
. Патент РФ №2634309 G21C 17/00, опубл. 25.10.2017 г.