УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ РАБОЧИХ КАССЕТ И ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ
DEVICE FOR ULTRASOUND CLEANING OF WORKING HOLDERS AND FUEL ASSEMBLIES OF NUCLEAR REACTORS

Изобретение относится к устройствам для ультразвуковой обработки изделий в жидкой среде и может быть использовано в атомной энергетике для очистки тепловыделяющих сборок атомных реакторов, а также в машиностроении, электронной, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности, связанных с очисткой изделий, травлением, экстракцией и другими видами ультразвукового технологического воздействия.
Известно устройство, в котором пьезокерамический преобразователь погружного типа представляет собой металлический цилиндр, выполненный в виде толстостенной трубы, внутренняя поверхность которой цилиндрическая, а наружная поверхность имеет форму многогранника, разделенного продольными по граням и кольцевыми пазами на излучающие участки. Эти участки образуют с закрепленными на них пьезокерамическими элементами и четвертьволновыми накладками составные полуволновые вибраторы. На внутренней поверхности толстостенной трубы установлена тонкостенная коррозионностойкая гильза, длина которой превышает длину толстостенной трубы. Материал толстостенной трубы имеет низкое акустическое сопротивление, а четвертьволновая накладка служит для отражения ультразвуковых колебаний. Глубина пазов составляет не менее половины толщины трубы во избежание потерь акустической энергии. В длинных преобразователях толстостенная труба может быть составлена из отдельных кольцевых элементов, состоящих из одного и более рядов радиально расположенных вибраторов, установленных на одной гильзе. Наружная поверхность цилиндра в виде многогранника может представлять собой, например, шестигранник и пазы на ней выполняются путем механической обработки (см. Патент РФ на изобретение №2222387, B06B 1/06, опубл. 27.01.2004 г.). Данное устройство реализовано в ультразвуковом реакторе для производства лекарственных средств в ветеринарии, а конкретно используется для дисперсии биологически активных веществ.
В этом устройстве излучаемая преобразователем в озвучиваемую жидкость ультразвуковая энергия используется не с максимальным КПД, т.к. излучение проходит через коррозийностойкую гильзу, в которой дополнительно имеют место потери мощности. К недостаткам этого устройства следует отнести и большой объем механической обработки сложных внешних и внутренних форм поверхности корпуса преобразователя, что значительно повышает себестоимость его изготовления. И в целом, устройство имеет узкий диапазон применения и не может быть использовано эффективно для очистки поверхности трубок с ядерным топливом, находящихся в специальном корпусе блока тепловыделяющей сборки (ТВС).
Известна установка ультразвуковой очистки изделий, в частности трубок ТВС на атомных станциях, содержащая технологическую ванну в виде пенала, на внешней стороне которой расположены пьезокерамические ультразвуковые преобразователи и демпфер паразитных изгибных колебаний (на чертеже не показан). Пенал имеет два патрубка с клапанами и находится в герметичном корпусе, а его параметры и расположение пьезокерамических преобразователей обеспечивает работу в резонансном режиме. Технологическая ванна, выполненная в виде пенала круглой формы, имеет определенные параметры, обеспечивающие его режим работы на резонансной частоте. Пьезокерамические преобразователи электрически связаны с блоком управления, обеспечивающим индивидуальное, погрупповое или совместное их включение. Для удаления сильных загрязнений между внутренней стороной пенала и корпусом с обрабатываемыми деталями имеются акустические проводники, выполненные в виде съемных или зажимных вставок, настроенных в резонансном режиме с корпусом (см. Патент РФ №2368435, B08B 3/12, опубл. 27.09.2009 г.).
Известно также устройство ультразвуковой очистки элементов тепловыделяющих сборок (ТВС) атомных станций, содержащее камеру мойки, выполненную в виде патрубков-резонаторов, на внешней стороне которых крепятся ультразвуковые излучатели и камера загрузки изделий, которая крепится к крайнему верхнему патрубку-резонатору. Крепление патрубков-резонаторов между собой и к камере загрузки изделий осуществляется посредством фланцев, при этом между фланцами имеются упругоэластичные прокладки, являющиеся элементами акустической развязки патрубков-резонаторов. К патрубкам-резонаторам герметично крепятся также герметичные кожухи с хорошими звукоизоляционными свойствами (см. Патент РФ №2393928 B08B 3/12, опубл. 10.07.2010 г.). Данный аналог, как и предыдущий схожи с заявляемым изобретением только по назначению, а именно очистке трубок ТВС с использованием ультразвука, но имеют с ним принципиально иное конструктивное построение и поэтому последний аналог может быть принят в качестве прототипа только по функциональности его действия.
Однако и этим устройствам присущи недостатки, которые не позволяют обеспечить эффективную очистку элементов тепловыделяющих сборок атомных реакторов.
Дело в том, что в атомных реакторах при теплообмене на поверхности трубок ТВС содержащих ядерное топливо происходит образование твердых отложений, что приводит к их перегреву и потере КПД. Более того, при перегреве трубок из-за образовавшихся твердых отложений из использованной в качестве носителя тепла воды возможно нарушение их целостности, что категорически недопустимо, поэтому дорогостоящие трубки приходится заменять, несмотря на то, что ядерное топливо в них еще не выработало свой ресурс. Сложность решения задачи удаления отложений с поверхности трубок заключается в том, что они находятся внутри шестигранного неразборного пенала-корпуса ТВС. А, так как ультразвуковые преобразователи аналога размещены на наружной стороне камеры мойки, имеющей цилиндрическую форму, то уже на ее границе будут иметь место потери мощности ультразвукового излучения. Более того, излучатели, расположенные по окружности трубы вокруг шестигранного пенала ТВС не могут работать эффективно, так как для того, чтобы ультразвуковой энергии проникнуть через стенку пенала, необходимо чтобы расстояние от поверхности каждого излучателя до стенки шестигранного пенала было равным половине длины волны ультразвуковых колебаний в жидкости, а так как поверхности излучателей расположены по окружности, а пенал ТВС имеет шестигранную форму, то соблюсти это условие невозможно, т.к. расстояние от шестигранной поверхности до цилиндрической поверхности является переменной величиной. Поэтому большая часть ультразвуковой энергии отразится от стенок пенала наружу. Таким образом, очистить трубки, находящиеся внутри пенала при такой конструкции практически невозможно или в лучшем случае малоэффективно.
Задача по устранению недостатков аналогов решается путем создания устройства для ультразвуковой очистки рабочих кассет тепловыделяющих сборок атомных реакторов иной конструкции, при которой излучатели ультразвуковых преобразователей, в частности пьезокерамических, размещены непосредственно в водной среде, строго против обрабатываемых поверхностей шестигранного пенала с трубками ТВС.
Технический результат - повышение эффективности очистки поверхностей трубок с ядерным топливом, находящихся в пеналах блоков ТВС на атомных станциях, достигается за счет того, что устройство имеет корпус, n ультразвуковых преобразователей и стойку управления, включающую ультразвуковые подающие генераторы с функцией амплитудно-частотной модуляции и девиацией частоты. Корпус устройства выполнен в виде многогранного каркаса из жестко соединенных между собой вертикальных стоек и горизонтальных стяжек, на гранях которого размещены преобразователи, подключенные каждый к своему генератору стойки управления, связанной с компьютером. При этом каждая грань многогранного каркаса по форме копирует противолежащую поверхность обрабатываемого изделия и размещена относительно нее на расстоянии, равном половине длины волны ультразвуковых колебаний в рабочей жидкости, в верхней же части каркаса коаксиально его граням для установки обрабатываемых изделий (ТВЕЛОВ) размещено установочно-направляющее гнездо. Выполненные герметичными из коррозионно-стойкого материала, в частности из титана, преобразователи с их излучателями плотно установлены на каждой грани каркаса с возможностью контактирования излучателей непосредственно с озвучиваемой жидкостью, в которой находится обрабатываемое изделие, создавая в нем сплошное плотное ультразвуковое поле.
Для снижения негативного воздействия друг на друга расположенных напротив преобразователей, создания вихревых потоков в рабочей жидкости, повышения ее химической активности и повышения, таким образом, эффективности отмывки поверхностей трубок, преобразователи, расположенные на каждой паре смежных граней подсоединены к ультразвуковым генераторам стойки управления с разнесением по фазам.
Повышению эффективности очистки ТВЕЛОВ способствует и поступающий с ультразвукового генератора стойки управления на преобразователи импульсный амплитудно-частотный модулированный сигнал.
2
Для обеспечения одинакового расстояния от поверхностей излучателей до граней пенала ТВС (половина длины ультразвуковой волны в омывающей жидкости) вдоль всей длины пенала излучатели размещены на гранях корпуса, копирующего форму пенала ТВС, внутри которого находятся очищаемые трубки. Для этого же, с целью обеспечения точного центрирования тепловыделяющей сборки внутри корпуса установочно-направляющее гнездо выполнено коаксиально корпусу с числом граней, соответствующим форме пенала ТВС и корпуса устройства (например - шестигранным), при этом длина его составляет предпочтительно одну пятую часть общей длины корпуса установки. Для эффективного удаления солей и накипей с поверхностей трубок, находящихся в пенале ТВС, интенсивность ультразвукового излучения должна находится в интервале от 1,0 до 2,0 Вт/см, а расстояние между излучателями в преобразователе должно быть как можно меньшим, предпочтительно оно должно находиться в пределах одной четвертой длины волны ультразвуковых колебаний.
На этот технический результат работает и выбор материала корпуса излучателей, так как в этом случае титан является не только лучшим проводником ультразвука, но и обладает высокой антикоррозионной стойкостью при использовании его в агрессивной среде. В целях соблюдения только антикоррозионных свойств корпус установки может быть выполнен из нержавеющей стали, поскольку устанавливается в отсек бассейна выдержки заполненного водой.
Повышает эффективность обработки и выбранное расстояние от излучающей поверхности преобразователей до поверхности обрабатываемого изделия (поверхности ТВС), которое находится в пределах длины полуволны ультразвуковых колебаний.
Расстояние между горизонтальными стяжками корпуса установки выбрано равным длине корпуса преобразователя (которая составляет около 300 мм).
Для наглядности информации стойка управления подключена к компьютеру.
Устройство для ультразвуковой очистки рабочих кассет и тепловыделяющих сборок атомных реакторов является новым, поскольку в источниках информации, в том числе патентной совокупность предложенных признаков, отраженных в формуле изобретения не обнаружена.
Предложенное устройство как техническое решение обладает изобретательским уровнем, так как с учетом использования в условиях ядерной энергетики его конструктивное исполнение не является очевидным ввиду того, что все известные из информационных источников устройства имеют иную компоновку своих элементов, а, следовательно, и принципиальное построение, которое не обеспечивает должной эффективности очистки поверхности ТВЕЛОВ ядерных реакторов, испускающих гамма-излучение.
Изготовление и испытание устройства, проведенные на атомной станции, показали его работоспособность, получены положительные результаты в достижении технического эффекта, указанного в описании изобретения, что соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение проиллюстрировано чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид корпуса устройства для ультразвуковой очистки рабочих кассет и тепловыделяющих сборок атомных реакторов в аксонометрии, на фиг.2 показан вид сверху устройства с преобразователями, подключенными к ультразвуковым генераторам стойки управления с разнесением по фазам, на фиг.3 отражен разрез по А-А на фиг.1, на фиг.4 показана фасадная часть преобразователя с излучателями (Узел 1), а на фиг.5 изображено устройство, установленное в отсеке бассейна с водой.
Устройство для ультразвуковой очистки рабочих кассет и тепловыделяющих сборок атомных реакторов содержит корпус 1, пьезокерамические преобразователи 2 (далее преобразователи) с излучателями 3, стойку управления 4 с ультразвуковыми генераторами 5, блоком 6 автоподстройки частоты и блоком 7 амплитудной модуляции. Корпус 1 выполнен в виде многогранного каркаса из жестко соединенных между собой вертикальных стоек 8 и горизонтальных поперечных стяжек 9. В верхней части корпуса 1 имеется установочно-направляющее гнездо 10 для размещения в нем обрабатываемого изделия в виде многогранного неразборного пенала 11 с ядерным топливом, при этом внешний контур установочно-направляющего гнезда 10 симметрично повторяет форму многогранного корпуса 1 и многогранного пенала 11 и соединен с корпусом 1 радиальными стяжками 12. Такое коаксиально-параллельное расположение всех граней корпуса 1 относительно поверхности обрабатываемого изделия - многогранного пенала 11 позволяет обеспечить постоянство расстояния между ними, равное половине длины волны ультразвуковых колебаний, которое рассчитывается по формуле:
L=n·C/2f, где n=1, 2, 3, 4, 5…
С - скорость звука в промежуточном слое жидкости, м/с
f - частота ультразвуковых колебаний, Гц
Например, расчетным путем установлено и экспериментально подтверждено, что это расстояние в устройстве составляет 30 мм при частоте ультразвуковых колебаний равной 25 кГц. Выбор указанных режимов и расстояние позволяет снизить потери энергии при прохождении ультразвуковой волны через стенки пенала 11 за счет значительного снижения коэффициента отражения при преодолении ею границы раздела двух сред, а, следовательно, и снизить требуемую мощность ультразвуковых излучателей 3. Кроме того, выбранное коаксиально-параллельное расположение рабочих поверхностей пенала 11 и преобразователей 2 позволяет обеспечить направление вектора ультразвуковых колебаний строго под углом 90°, что гарантирует, таким образом, максимум возможной интенсивности излучения.
Так как устройство постоянно находится при эксплуатации в водной среде, то преобразователи 2 с излучателями 3 выполнены герметично с помощью сварки из коррозионностойкого материала, в частности из титана и установлены на горизонтальных стяжках 9 каждой грани корпуса 1. Расстояние между стяжками 9 равно длине корпуса преобразователя 2. Преобразователи 2 смонтированы вдоль граней вплотную друг к другу с возможностью контактирования излучателей 3 непосредственно с озвучиваемой жидкостью, создавая в ней плотное сплошное ультразвуковое поле, что позволяет даже при выходе из строя отдельных преобразователей сохранять надлежащую работоспособность устройства.
3
На поверхности мембраны 13 и преобразователя 2 закреплены с помощью сварного шва 14 (фиг.4) в два ряда шесть излучателей 3 с общей потребляемой мощностью 300 Вт, что дает возможность получить интенсивность ультразвукового излучения в пределах от 1,0 до 2,0 Вт/см, обеспечивающую высокую производительность и качество удаления отложений с поверхностей тепловыделяющих трубок с ядерным топливом. Сварные швы 14, выполняющие дополнительную функцию гашения паразитных изгибных колебаний мембраны 13 от преобразователей 2, дают возможность располагать излучатели 2 достаточно близко друг к другу, предпочтительно на расстоянии, равном ј длины волны, т.е. 7-8 мм, что также обуславливает повышение интенсивности ультразвуковых колебаний, способствующих качественной очистке изделий.
Стойка 4 управления, включает платы ультразвуковых генераторов 5, снабженных каждый из них в виде известного схемного решения блоком 6 автоподстройки частоты колебаний и блоком 7 амплитудной модуляции, которые позволяют модулировать подаваемый на преобразователи 2 сигнал по амплитуде каждого из n имеющихся генераторов и регулировать его по частоте и скважности импульсов амплитудной модуляции [4]. При этом все n преобразователей 2, расположенных на смежных гранях 15-16 и 17-18, и 19-20, подсоединены к n генераторам 5, подключенным к трехфазной сети напряжением 380 B с разнесением по фазам А, В и С (фиг.2), что создает эффект «бегущей волны», снижающий негативное воздействие друг на друга преобразователей 2, расположенных на противоположных гранях, стимулируя создание направленных вихревых потоков в рабочей жидкости, активизирующих повышение ее химической активности.
Устройство в рабочем положении устанавливается в технологической ванне 21, которая заполнена жидкостью, преимущественно водой и имеет входные и выходные патрубки 22 и 23, по которым поступает в пенал 11 обрабатывающая жидкость.
Технологическая ванна 21 не входит в состав устройства для ультразвуковой очистки рабочих кассет и тепловыделяющих сборок атомных реакторов, так как предназначена для обеспечения дополнительных условий, не связанных собственно с процессом очистки трубок ТВС. Для осуществления дистанционного управления стойка 4 управления подключена к компьютеру 24.
Устройство для ультразвуковой очистки рабочих кассет и тепловыделяющих сборок атомных реакторов работает следующим образом.
Корпус 1 устройства помещается в технологическую ванну 21 отсека бассейна, заполненного жидкостью (например водой), где жестко фиксируется по месту размещения (на фиг. не показано), после чего через установочно-направляющее гнездо 10 в корпус 1 загружают пенал И с тепловыделяющими трубками внутри, и ванну 21 заполняют также жидкостью, при этом в пенал через патрубок 22 подают на проход рабочую жидкость, которая, омывая трубки внутри пенала 11, уходит через патрубок 23. Затем с плат ультразвуковых генераторов 5 стойки управления 4 на пьезокерамические преобразователи 2 поступает электрический сигнал частотой 20-25 КГц, который преобразуется излучателями 3 в механические колебания той же частоты. При совпадении частоты генератора с собственной частотой излучателя 3 (условие резонанса) частота генератора фиксируется и остается на оптимальном режиме. Собственная частота излучателей 3 в условиях реальной работы меняется вследствие изменения нагрузки, температуры, давления. Поэтому блок 6 автоподстройки частоты постоянно за счет обратной связи «опрашивает» излучатели 3, подавая переменную ультразвуковую частоту, выбирая при этом оптимальную частоту, которая обеспечивает работу излучателей 3 в резонансе в данный момент времени.
Блок 7 амплитудной модуляции управляет амплитудой ультразвуковых колебаний с частотой, равной удвоенной частоте переменного тока питающей сети, а именно равной 100 Гц.
Таким образом, амплитуда ультразвуковых колебаний рабочей жидкости меняется от 0 до максимума с этой же частотой (100 Гц). Это способствует уменьшению явления экранирования (образования пузырьков на границе жидкости и мембраны излучателя), а также создает более мощные акустические течения в жидкости, колебания которых передаются непосредственно в жидкость, заполняющую технологическую ванну 21, вызывая в ней кавитацию, что способствует интенсификации очистки поверхности обрабатываемых изделий.
Стойка управления 4 предполагает как ручной, так и дистанционный режим управления.
Дистанционный режим управления осуществляется с центрального компьютера 24, где программно задаются необходимые по технологии режимы обработки изделий и анализируется работоспособность отдельных узлов установки. С каждой из имеющихся плат генераторов 4 на компьютер поступают сигналы, дающие информацию о работоспособном состоянии определенной платы и соответствующего ей преобразователя, после чего дается команда на запуск процесса обработки. По истечении времени, необходимого для обработки изделий на платы генераторов поступает запрещающий сигнал, отключающий процесс ультразвуковой обработки (фиг.3).
Эффективность ультразвуковой обработки изделий подтверждена испытаниями разработанного и изготовленного образца «Установки ультразвуковой очистки рабочих кассет и тепловыделяющих сборок атомных реакторов» который передан в эксплуатацию на Нововоронежскую атомную станцию.
Использование предложенного изобретения только в атомной энергетике позволит продлить срок эксплуатации дорогостоящих тепловыделяющих сборок на атомных станциях, что даст значительную экономию денежных средств и материалов.
Источники информации
1. Патент на полезную модель РФ №55308, B08B 3/12, опубл. 10.08.2006 г.
2. Патент на полезную модель РФ №104491, B06B 3/00, опубл. 20.05.2011 г., Бюл. №14
3. Авторское свидетельство СССР №710676, B08B 3/12 опубл. 25.01.1980 г.Бюл. №3
4. Авторское свидетельство СССР, №1752444 B06B 1/00 опубл. 07.08.1992 г., Бюл. №29
5. Патент РФ №2260484, B08B 3/12, опубл. 20.09.2005 г.
6. Патент РФ №2287381, B08B 3/12, опубл. 10.03.2006 г.
7. Патент РФ №2346760, B08B 3/12, опубл. 10.06.2008 г.
8. Патент РФ №2344886, B08B 3/12, опубл. 27.01.2009 г.
9. Патент США №4699665, B08B 3/12, опубл. 26.12.1984 г.
10. Заявка Франции №2580198, B08B 3/12, опубл. РИ №6, 1987
11. Заявка Японии №62-5676, B08B 3/12, опубл. ИСМ №1, 1988 г.