СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ОБОЛОЧЕК ОБЛУЧЕННЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD OF DETERMINING INTEGRITY OF CASING OF IRRADIATED FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к области ядерной техники и может быть использовано при контроле состояния твэлов после облучения их в ядерном реакторе.
Известен способ определения целостности твэлов, основанный на проколе защитных оболочек с последующим манометрическим и масс-спектрометрическим определением количества и состава вышедшего газа, основанными компонентами которого является гелий, ксенон и криптон [Сулаберидзе Б.Ш., Самсонов Б.В., Кириллович А.П. и др. Исследование выхода газообразных продуктов деления под оболочку твэлов с компактной двуокисью урана: препринт: НИИАР-26(541). - Димитровград 1982].
Нарушение герметичности высокорадиоактивных объектов и сложность технического исполнения - основные недостатки этого способа, широко используемого как в нашей стране, так и за рубежом.
Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым техническим решением по наибольшему количеству существенных признаков, является способ определения целостности оболочек облученных твэлов, заключающийся в размещении твэла в юстирующем устройстве, определении в области газосборника интенсивности гамма-излучения радиоактивного изотопа криптона (Кr-85) и сравнения этой интенсивности с интенсивностью излучения эталонного твэла, на основании чего определяют состояние оболочки твэла [Горский В.В. Роль неразрушающего контроля в решении проблемы повышения выгорания ядерного топлива в реакторах PWR // Атомная техника за рубежом, 1983. № 1. с.11-19.].
Низкие чувствительность и точность - основные недостатки этого способа. Большая погрешность измерения интенсивности излучения Kr-85 связана с его малой удельной активностью и наличием в газосборниках твэлов фоновых гамма-излучателей - летучих изотопов цезия Cs-134 и Cs-137.
Малая удельная активность газообразного изотопа Kr-85 обусловлена незначительной концентрацией его в свободном объеме твэла и низким выходом гамма-квантов с энергией 514 кэВ на акт бета-распада (0,4%). Поскольку изотопы цезия на стенках газосборника находятся в конденсированном состоянии, а выход гамма-излучения с энергией 605, 661 и 796 кэВ составляет около 90%, активность их на единицу длины газосборника существенно (в 10-100 раз) выше. Высокая загрузка гамма-спектрометра, большой комптоновский пьедестал от излучения изотопов цезия не только ухудшают точность определения площади пика полного поглощения гамма-квантов изотопа Kr-85 с энергией 514 кэВ, но зачастую делают вообще невозможным его измерение.
Заявляемое техническое решение позволяет устранить указанные недостатки и обеспечивает достижение большей достоверности определения целостности оболочек твэлов из-за увеличения точности измерения интенсивности гамма-излучения изотопа Kr-85 в газосборнике.
Вышеуказанные недостатки устранены в способе определения целостности оболочек облученных твэлов, включающем размещение твэла в юстирующем устройстве, измерение в области газосборника интенсивности гамма-излучения радиоактивного изотопа Kr-85 и сравнение ее с интенсивностью излучения эталонного твэла, на основании чего судят о состоянии контролируемого твэла, нагревают контролируемый участок газосборника до температуры, обеспечивающей удаление конденсата цезия, затем охлаждают и измеряют интенсивность гамма-излучения изотопа Kr-85 на этом участке с последующим ее сравнением с эталонным.
Контролируемый участок газосборника нагревают до фиксированной температуры, не достигающей точек фазовых переходов материала оболочки твэла, затем охлаждают ниже температуры плавления криптона.
Проведенные исследования показали, что нагревание до температуры 400-600°С приводит к практически полному очищению от цезия участка газосборника твэла, на котором проводится измерение интенсивности излучения изотопа Kr-85 (фиг.1). Для отечественных твэлов реакторов на тепловых и быстрых нейтронах оптимальной является температура 600°С, которая существенно ниже точек фазовых переходов циркониевого сплава Э110 (цирконий - 1% ниобия) и нержавеющей стали (ЧС-68).
В твэлах с малым выгоранием или небольшим выходом ГПД из топлива существенное повышение точности измерения интенсивности излучения изотопа Kr-85 достигается путем охлаждения участка газосборника ниже точки плавления криптона. Физические свойства этого инертного газа таковы (см. табл.), что при температуре жидкого азота (-195,8°С) происходит быстрая конденсация криптона в твердой фазе на стенках охлаждаемого участка газосборника твэла.
Таблица
Точка плавления, °С
Точка кипения, °С
Количество газа в 1 дм<sup>3</sup> конденсата, л
-157,3
-153,4
644
Погрешность измерения площади пика полного поглощения, расположенного на комптоновском фоне аппаратурного гамма-спектра, определяется из выражения
,
где С - относительное стандартное отклонение площади фотопика;
А - скорость счета гамма-линии;
В - скорость счета мешающего фона под пиком;
t - время измерения.
Поэтому как снижение уровня фона В, так и увеличение скорости счета полезного сигнала А приводит к повышению чувствительности и точности измерения интенсивности гамма-излучения изотопа Kr-85 в газосборнике твэла.
На фиг.1 представлены сканограммы интенсивности гамма-излучения Cs-137 с энергией 661 кэВ по длине газосборника твэла до (13) и после (14) нагрева его участка длиной 170 мм.
Фиг.2. иллюстрирует уменьшение комптоновского пьедестала, а следовательно, и снижение загрузки спектрометра, под пиком полного поглощения гамма-излучения Kr-85 после очистки газосборника от цезия. На фиг.2а показан спектр гамма-излучетелей на отметке 80 мм от низа твэла до нагрева, на фиг.2б - после нагрева.
На фиг.3. показаны спектры гамма-излучения в районе газосборника до (а) и после (б) локального охлаждения участка твэла реактора БОР-60 с выгоранием ~1% т.а.
Устройство, с помощью которого реализуется заявляемый способ, изображено на фиг.4, где:
1 - топливный сердечник твэла;
2 - защитная оболочка твэла;
3 - торцевые заглушки;
4 - юстирующее устройство;
5 - коллиматор;
6 - гамма-спектрометр;
7 - газосборник твэла;
8 - нагревательное устройство;
9 - конденсат криптона;
10 - корпус устройства охлаждения;
11 - узлы герметичности;
12 - хладагент (жидкий азот).
Устанавливают топливный сердечник 1 в защитной оболочке 2, герметизированной торцевыми заглушками 3, вертикально в юстирующем устройстве 4 напротив коллиматора 5 гамма-спектрометра 6, просматривающего участок газосборника ниже торцевой заглушки. Газосборник - свободный объем, предназначенный для компенсации давления ГПД, выходящих из топливного сердечника при эксплуатации твэлов. Наряду с ксеноном и криптоном в газосборник мигрируют летучие продукты, в частности изотопы Cs-134 и Cs-137.
54
58
60
85
Перед проведением измерений интенсивности гамма-излучения изотопа Kr-85 с помощью съемного нагревательного блока 8 нагревают газосборник 7 до температуры ниже точек фазовых переходов материала оболочки твэла (фиг.4а), для очистки его изотопов цезия, затем твэл помещают в устройство охлаждения и охлаждают (фиг.4б) до температуры ниже плавления криптона - (-157,3°С). Поскольку в массивной заглушке нейтронами активируются радиоактивные продукты (Мn, Со, Со и т.п.), вносящие вклад в величину комптоновского фона, конденсацию и измерение скорости счета гамма-излучения Kr производят на некотором расстоянии (~100 мм) от торца газосборника твэла.
Повышение температуры на локальном участке газосборника может быть достигнуто с помощью омического, индукционного, СВЧ и т.п. нагрева. Для получения конденсата Kr-85 (9) используется устройство охлаждения, состоящее из корпуса 10, двух узлов герметичности 11 и хладагента 12, например жидкого азота. Узлы герметичности из белой вакуумной резины выдерживают сотни циклов замораживаний-размораживаний участка газосборника. При использовании устройства охлаждения с корпусом из прочного пенопласта для сохранения конденсата Kr-85 на время контрольных измерений достаточно 200 мл жидкого азота. Применение специального сосуда Дьюара существенно уменьшит расход хладагента на одно измерение.