КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к атомной промышленности, а именно к устройствам контроля структуры тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), и может быть использована для контроля столбов топливных таблеток.
Из уровня техники известна установка для контроля структуры ТВЭЛов, содержащая средства контроля и разбраковки по выявлению внутренних дефектов топливных таблеток, длины столба топливных таблеток, наличия фиксаторов, суммарных зазоров между топливными таблетками, разбракователь вывода с контроля бракованных тепловыделяющих элементов в контейнер-накопитель, средства контроля диаметра и кривизны, разбракователь вывода бракованного тепловыделяющего элемента с контроля в контейнер-накопитель, наклонные столы с отсекателями, сбрасывателями, датчиками наличия на позиции контроля тепловыделяющего элемента и механизм установки транспортной кассеты приемки проконтролированных тепловыделяющих элементов (см. RU 2256248 С2, 10.07.2005).
Недостатком известной установки является недостаточная производительность операций контроля и сложность конструкции.
Задачей заявленной полезной модели является создание устройства для проведения наиболее полного контроля качества ТВЭЛ.
Техническим результатом заявленной полезной модели является возможность проведения оперативного автоматизированного контроля качества ТВЭЛ по ряду характеристик, повышение достоверности результатов контроля, а также снижение временных затрат на проведения операции контроля.
Технический результат достигается за счет того, что комплекс контроля внутренней структуры тепловыделяющих элементов содержит, по меньшей мере, один модуль контроля, соединенный с системой управления для обработки результатов контроля, при этом модуль контроля выполнен с возможностью перемещения по нему столба топливных таблеток и включает последовательно расположенные многоканальный спектрометрический блок для анализа спектра собственного γ-излучения столба топливных таблеток, блок детектирования γ-излучения, прошедшего через столб топливных таблеток, с внешним источником γ-излучения, для контроля зазоров между топливными таблетками и блок вихретокового контроля наличия металлических комплектующих в столбе топливных таблеток.
Кроме того, указанный заявителем технический результат достигается за счет того, что:
- комплекс содержит два упомянутых модуля контроля.
- многоканальный спектрометрический блок включает сцинтилляционные устройства детектирования, расположенные в одну линию, и каждое из которых соединено с соответствующим одноплатным спектрометром, связанным с контроллером системы управления, причем сцинтиллятор каждого сцинтилляционного устройства детектирования представляет собой кристалл NaI(Tl) со сквозным боковым отверстием для прохода через него столба таблеток.
- многоканальный спектрометрический блок включает четырнадцать сцинтилляционных устройств детектирования, соединенных с четырнадцатью соответствующими одноплатными спектрометрами.
- внешний источник γ-излучения представляет собой изотоп Am241, а блок детектирования прошедшего через столб топливных таблеток γ-излучения содержит сцинтилляционное устройство детектирования, соединенное с дополнительным одноплатным спектрометром, связанным с контроллером системы управления.
- блок вихретокового контроля наличия металлических комплектующих в столбе топливных таблеток, включает вихретоковый преобразователь с измерительной катушкой для регистрации электрического сигнала, связанный с системой управления.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема заявленного комплекса; на фиг.2 - типичный вид «кривой обогащения» - уровень прошедшего γ-излучения для ТВЭЛ; на фиг.3 -упрощенная схема изменения частотного сигнала при выходном контроле внутренней структуры изделия, где ПФОН - значение скорости счета без изделия (используется для перестройки ниже перечисленных пороговых значений при изменении источника излучения, блока детектирования, конструкции измерительного блока), ПТС - пороговое значение скорости счета для столба; ПЗ - пороговое значение скорости счета для зазоров.
Заявленный комплекс позволяет:
- контролировать среднее обогащение столбов топливных таблеток ТВЭЛ;
- выявлять аномальные по обогащению единичные топливные таблетки в столбе (столбах);
- выявлять аномальные по обогащению участки столбов топливных таблеток,
- выявлять непредусмотренные конструкцией зазоры между топливными таблетками;
- определять наличие/отсутствие металлических комплектующих в топливном столбе ТВЭЛ.
В заявленном комплексе применяются три следующих блока, реализующие три метода контроля:
1) многоканальный спектрометрический блок 1 для анализа спектра собственного γ-излучения столба топливных таблеток;
2) блок 2 детектирования γ-излучения, прошедшего через столб топливных таблеток, с внешним источником γ-излучения, для контроля зазоров между топливными таблетками;
3) блок 3 вихретокового контроля наличия металлических комплектующих в столбе топливных таблеток.
1). Многоканальный спектрометрический блок 1 для анализа спектра собственного γ-излучения столба топливных таблеток позволяет анализировать состав ТВЭЛа (обогащение столба таблеток), и наличие в нем примесей. В данном блоке применяется спектрометрическая система, состоящая из компьютера 4 и установленных в него 14-ти одноплатных спектрометров, связанных с контроллером 5 системы управления. При этом блок также содержит четырнадцать сцинтилляционных устройств 6 детектирования, каждое из которых соединено с соответствующим спектрометром. Сцинтиллятор каждого сцинтилляционного устройства 6 детектирования представляет собой кристалл NaI(Tl) со сквозным боковым отверстием для прохода через него столба таблеток. Такая конструкция позволяет обеспечить детектирование излучения от ТВЭЛа в геометрии 4π, т.е. со всех сторон. Обеспечение измерения излучения в данной геометрии позволяет уменьшить количество блоков детектировании, а также уйти от зависимости полученных данных от положения ТВЭЛа относительно блоков детектировании в процессе его движения. Получение в процессе контроля ТВЭЛ (в отличие от других подобных сканеров) спектров излучения за короткий период времени (0,15 сек) позволяет непосредственно анализировать состав топлива с точки зрения его векового равновесия и наличия примесей, в случае если оно регенерированное. Таким образом, имеется возможность выделения из всего спектра излучения топливного столба только спектра излучения урана-235, площадь которого и определяет обогащение топливного столба, что позволяет уйти от проблемы смешивания различных партий топлива (с различным примесным изотопным составом, но с одинаковым обогащением).
2). Блок 2 детектирования γ-излучения, прошедшего через столб топливных таблеток позволяет контролировать длину зазоров между топливными таблетками. Блок 2 включает внешний источник γ-излучения, представляющий собой изотоп Am241 и сцинтилляционное устройство детектирования, соединенное с дополнительным одноплатным спектрометром, входящим в состав спектрометрической системы (компьютер 4) и связанным с контроллером 5 системы управления.
3). Блок 3 вихретокового контроля используется для контроля наличия металлических комплектующих (фиксатора, проставки, столбика) в столбе топливных таблеток. Принцип его действия основан на регистрации изменения электромагнитного поля, вызванного возбуждением вихревых токов в контролируемом изделии (ТВЭЛ). Блок 3 включает вихретоковый преобразователь с измерительной катушкой для регистрации электрического сигнала, связанный с системой управления.
Описанные блоки конструктивно объединены в модуль контроля. Заявленный комплекс содержит один или более таких модулей. При этом каждый модуль контроля выполнен с возможностью перемещения по нему столба топливных таблеток.
Наиболее предпочтительно, чтобы комплекс содержал два модуля контроля (фиг.1), что позволяет увеличить производительность комплекса за счет обеспечения контроля двух столбов топливных таблеток одновременно. В этом случае также возможна работа каждого измерительного модуля по отдельности, что позволяет обеспечивать работоспособность установки в случае неисправности какого-либо измерительного канала.
Комплекс работает следующим образом.
Столб 7 топливных таблеток с помощью транспортного механизма подается в многоканальный спектрометрический блок 1 для анализа спектра собственного γ-излучения, в котором он с постоянной скоростью протягивается через все отверстия устройств 6 детектирования. Каждый детектор контролирует весь столб 7 таблеток. При движении изделия в процессе контроля, плотность гамма-квантов, испускаемых участком столба 7 таблеток, с помощью сцинтилляционных устройств 6 детектирования, преобразуется в статистически распределенные последовательности электрических импульсов (от каждого устройства 6 детектирования своя), которые подаются на вход спектрометров типа SBS-77 и далее на вход компьютера 4, где производится запись в файл временной последовательности чисел зависимости Nоб(L), где:
Nоб - число импульсов за единицу времени;
L - координата участка ТВЭЛ, на которой получено значение N.
Спектрометры регистрируют интенсивность γ-излучения во всем спектре излучения. Сервисная программа данных спектрометров производит передачу спектров излучения в основную программу, где происходит его обработка до получения численных значений характеристик обогащения топливного столба ТВЭЛ.
Скорость движения ТВЭЛ при контроле массовой доли U-235 выбирается предварительно, исходя из необходимой статистической погрешности. После этого вычисляется площадь данной выбранной области спектра. Время набора спектра подобрано таким образом, чтобы на одной таблетке топливного столба 7 существовало не менее 4-х точек, где регистрируется спектр излучения.
Предварительная градуировка по СОПам (стандартный образец предприятия) с известным значением массовой доли U-235 в смеси изотопов урана дает соответствие полученных спектров сигнала в выбранном диапазоне - массовой доле U-235 (либо в единичных таблетках, либо в столбе).
Исходя из того, что в одном СОПе невозможно смоделировать все возможные комбинации попадания в топливный столб единичных таблеток с отклонением массовой доли U-235 в смеси изотопов урана для каждого номинального значения средней массовой доли U-235 в смеси изотопов урана выпускаемых стержневых ТВЭЛ, изготовлены СОПы, где установлены таблетки с отклонением по массовой доле U-235, по которым построена своя градуировочная зависимость вычисления массовой доли U-235 в смеси изотопов урана единичных таблеток с отклонением в диапазоне определяемым максимальным и минимальным значениями массовой доли U-235 единичных таблеток в данном СОПе.
Таким образом, в процессе работы установки, формируется «кривая обогащения» (фиг.2), по которой программным образом вычисляется среднее значение средней массовой доли U-235 в ТВЭЛ, значение массовой доли U-235 в единичных таблетках и зонах длиной более 150 мм.
После контроля обогащения, столб 7 топливных таблеток попадает в блок 2 детектирования прошедшего через столб 7 таблеток γ-излучения, в котором устройство 6 детектирования регистрирует прошедшее через изделие γ-излучение, а спектрометр выделяет из всего спектра излучения внешнего источника область аналитического пика 59 КэВ.
При движении столба 7 таблеток, в процессе контроля, плотность гамма-квантов (Nсиг. на фиг.2) от внешнего источника прошедших через столб 7, с помощью сцинтилляционного блока детектирования БДЭГ-25НП преобразуется в статистически распределенную последовательность электрических импульсов (Nимп. на фиг.3), которая подается на вход спектрометра SBS-77 и, после соответствующей обработки, подается на вход компьютера 4, где производится запись в файл временной последовательности чисел зависимости Nтс(L), где:
Nтс - число импульсов за единицу времени;
L - координата участка ТВЭЛ, на которой получено значение Nтс.
Длина зазора вычисляется по полученной градуировочной зависимости:
з
сиг
L=A+B∗F;
где А и В - градуировочные константы;
сиг
F - площадь сигнала регистрируемого на зазоре;
з
L - длина зазора.
Пороговые значения выбираются в процессе предварительных исследований.
Для определения длин зазоров используют пороговое значение для топливного столба (ПТС) и пороговое значение зазора (ПЗ) (фиг.3).
При анализе файла данных с помощью программы его обработки находится начало топливного столба (ПТС) далее программа начинает перебирать подряд все точки сканирования от начала топливного столба до точки его конца.
После получения сигнала, который больше или равен ПЗ, находится координата его окончания (величина сигнала <ПЗ). Этот участок ТВЭЛ определяется как зазор.
Далее, длина зазора вычисляется по градуировочной зависимости. После этого полученная длина зазора сравнивается с пороговым, (браковочным) значением длины зазора и принимается решение о годности изделия по данному контролируемому параметру.
После контроля длины зазоров столб 7 таблеток попадает в блок 3 вихретокового контроля наличия металлических комплектующих. При перемещении столба 7 топливных таблеток через вихретоковый преобразователь в измерительной катушке регистрируется электрический сигнал, зависящий от физических характеристик и химического состава контролируемого объекта. Регистрируемый сигнал обрабатывается прибором Elotest или ВЕКТОР с помощью амплитудно-фазового метода. Оптимальная фаза при настройке прибора выбрана таким образом, чтобы обеспечить максимальную чувствительность аппаратуры к выявлению комплектующих и наименьшую чувствительность к изменениям геометрических размеров оболочки. Если регистрируемый сигнал превышает пороговый уровень (при наличии фиксатора, проставки, столбика) на выходе прибора появляется логическая. Дискретные сигналы считываются контроллером. При этом по наличию и количеству перепадов в дискретно заданном временном интервале, судят о наличии или отсутствии комплектующих.
Результаты контроля, в первую очередь, зависят от свойств контролируемых в составе изделий комплектующих, типа вихретокового преобразователя, выбранных параметров чувствительности, частотной и фазовой настройки прибора.
Таким образом, совокупность элементов и их взаимосвязь в заявленном комплексе обеспечивают достижение указанного технического результата.