INSTALLATION FOR CONTROLLING CHARACTERISTICS OF VIBRO-PACKED FUEL RODS
Установка для контроля характеристик виброуплотненных тепловыделяющих элементов

Изобретение относится к ядерной энергетике и может найти применение на предприятиях по производству тепловыделяющих элементов (твэлов), изготовленных в виде труб, крестов и состоящих из нескольких частей, где активной частью является виброуплотненный топливный столб. Изобретение предназначено для одновременного контроля равномерности распределения топлива (линейной плотности) и частей длин твэлов (длины то топливного столба, длин заглушек, длин от начала (конца) твэла до начала (конца) топливного столба).
Примером такого твэла является твэл для реактора типа СМ-2 (см. фиг. 1), который состоит из следующих частей: подсыпка - виброуплотненный урановый столб - подсыпка. Под виброуплотненным топливным столбом понимается топливный столб, изготовленный из порошка UO2 путем его засыпки в оболочку в процессе ее вибрации (вибрация необходима для придания плотности топлива необходимого значения).
Согласно технической документации на данные твэлы контролируемыми характеристиками являются:
- средняя линейная плотность «Lp»; коэффициент неравномерности «Кт» (равномерность распределения топлива по длине топливного столба твэл);
Под линейной плотностью понимается отношение массы загруженного топлива в оболочку к длине, на которой оно распределено.
Под коэффициентом неравномерности понимается отношение линейной плотности на коротком участке к средней линейной плотности.
- длина активной части «La»;
1
- длина «холостого конца 1» Lxк (длина твэла от начала заглушки 5 до начала активной части 2);
2
- длина «холостого конца 2» Lхк (длина от начала заглушки 4 до начала активной части 2).
Известно устройство для измерения твэл, которое содержит источник излучения, механизмы перемещения и вращения твэлов, систему измерения и систему управления. Устройство выполнено с двумя разметчиками и узлом настройки, а система измерения снабжена цифровым каналом регистрации излучения. Система управления состоит из электродвигателей разметчиков, датчика линейного перемещения, блока согласования, устройство параллельного обмена, соединенного с компьютером (RU 2154315, опуб. 10.08.2000). Недостатком данного устройства является наличие сложной, дорогостоящей рентгенотелевизионной установки для регистрации рентгеновского излучения. Данное устройство позволяет определить только границы топливного столба (длину активной части твэл).
Известен метод получения рентгеновского изображения с помощью рентгеновского аппарата по всей длине твэла на рентгеновской пленке, которое затем анализируется по величине засветки по определенной методике (Ю.К. Федосеенко и др. Неразрушающий контроль. Справочник: Машиностроение, 2003, Т2-кн.2). Данный метод также является очень дорогостоящим из-за стоимости рентгеновской пленки и самого рентгеновского аппарата и применим только для выборочного контроля выпускаемых ТВЭЛ.
При этом границы топливного столба на снимках получаются размытыми и определить длины частей топливного столба довольно трудно. Пример такого рентгеновского снимка изображен на Фиг. 2. На этом снимке видно, что граница раздела подсыпка - топливный столб по снимку является размытой и ее определение является непростой задачей и производится по определенной методике для снижения погрешности измерения.
Наиболее близкой к предполагаемому изобретению является установка для контроля характеристик топливного столба кольцевых тепловыделяющих элементов, которая содержит расположенные в ряд блоки детектирования собственного гамма-излучения топливного столба и блоки детектирования гамма-излучения, прошедшего через топливный столб, источник гамма-излучения, механизм перемещения твэла и блок управления. Источник гамма-излучения закреплен на конце штанги, предназначенный для ввода в полость твэла, механизм перемещения твэла выполнен с возможностью обеспечения поступательного перемещения твэла вокруг своей оси на 90 градусов (RU 2603017, опуб. 20.11.2016). Недостатком данной установки является наличие самого радиоактивного источника, которое предъявляет дополнительные требования к безопасности по работе с данной установкой. Кроме того источник имеет очень ограниченный ресурс работы из-за его распада, что приводит к плавному нарастанию погрешностей измерения. Также, для того, чтобы определить неравномерность в полном сечении топливного столба необходимо просвечивать топливный столб как минимум в четырех плоскостях, что потребует установки дополнительных измерительных блоков.
Задачей изобретения является создание установки для автоматического контроля характеристик виброуплотненных твэл, позволяющей определять одновременно такие параметры как равномерность распределения топлива, длин, включающих длину засыпки + длину заглушки и длину топливного столба в одной установке за один проход твэла.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности определения равномерности распределения топлива и длин топливного столба (активной части и длин «холостых концов») виброуплотненных твэлов.
Технический результат изобретения достигается установкой для контроля характеристик виброуплотненных тепловыделяющих элементов (твэлов), содержащая расположенные в ряд блок детектирования гамма-излучения, держатели верхней и нижней заглушки твэла, установленные с противоположных сторон вдоль оси перемещения твэла, источник гамма-излучения (реперный источник гамма-излучения с активностью меньше минимально-значимой), механизм перемещения твэла и блок управления, связанный с блоком детектирования и механизмом перемещения твэла. Блок детектирования имеет боковое отверстие в кристалле для регистрации гамма-излучения от всей поверхности твэла, а источник гамма-излучения с активностью меньше минимально-значимой расположен в герметично закрытом отверстие, выполненным в корпусе держателя нижней заглушки твэла.
На фиг. 1 показана типичная схема виброуплотненного твэла для реактора СМ-2.
1
Поз. 1+4: Часть топливного столба состоящая из нижней заглушки и подсыпки (например: смесь меди и бронзы)- Lxк.
Поз.2: Виброуплотненная активная часть топливного столба состоящая из диоксида урана - La.
2
Поз. 3+5: Часть топливного столба состоящая из верхней заглушки и подсыпки (например: смесь меди и бронзы) - Lхк.
На фиг. 2 показан рентгеновский снимок того же ТВЭЛа.
На фиг. 3 показана схема движения твэлов через блоки детектирования регистрирующие собственное гамма - излучение топливного столба (для увеличения производительности можно контролировать одновременно несколько твэлов).
На фиг. 4 показана подробная схема расположения твэла при движении через блок детектирования регистрирующего собственное гамма излучение топливного столба и основные механизмы устройства контроля.
На фиг. 5 показан профиль сигнала от собственного гамма излучения зарегистрированного блоком детектирования при контроле линейной плотности твэла, который закреплен обычными держателями.
На фиг. 6 изображена конструкция держателя с установленным в нем точечным реперным источником.
На фиг. 7 показан профиль сигнала от собственного гамма излучения зарегистрированного блоком детектирования при контроле линейной плотности твэла, который закреплен держателями, в одном из которых установлен «реперный» источник.
Установка для автоматического контроля характеристик виброуплотненных твэл (фиг. 4) содержит шаговый двигатель 5; держатель нижней заглушки твэла 1, держатель верхней заглушки твэла 2; блок детектирования 3 с боковым отверстием в кристалле; компьютер 6 с установленной в нем платы спектрометра для обработки сигналов от блока детектирования и программой расчетов и контроллер 7 для управления шаговым двигателем. Блок детектирования с боковым отверстием в кристалле обеспечивает регистрацию гамма квантов собственного гамма излучения топливного столба в геометрии 4П, что позволяет судить о состоянии топливного столба во всем его сечении. Плата спектрометра, установленная в персональный компьютер, позволяет получать спектр автоэмиссионного излучения и программными средствами выделять из него либо спектр U235, либо спектр урана общего. Это необходимо для расчета характеристик равномерности распределения либо U235, либо урана общего.
Установка работает следующим образом:
Твэлы перемещаются механизмом протяжки 5 с постоянной скоростью через отверстия в сцинтилляционных кристаллах 3. При этом, чтобы обеспечить равномерность перемещения, твэлы жестко зажимаются в держателях верхней и нижней заглушки 1, 2.
Типичная картина получаемого профиля контролируемого твэл при контроле на пассивном сканере изображена на фиг. 5.
Где: N - число зарегистрированных гамма - квантов собственного гамма-излучения урана топливного столба при прогоне твэл;
N1 - число зарегистрированных гамма - квантов собственного гамма-излучения определяющих окружающий фон;
N2 - число зарегистрированных гамма- квантов собственного гамма-излучения урана определяющий активную часть топливного столба.
Получаемые значения N; N1; N2 служат для расчета характеристик линейной плотности твэла;
L - координата процесса измерения от его начала до его конца. L измеряется в условных единицах (временных шагах). Расстояние между точками L1 и L2 определяет длину активной части топливного столба твэл.
Контроль характеристик линейной плотности осуществляется следующим образом:
По стандартным образцам различной линейной плотностью - Lp загруженного урана строится градуировочная характеристика зависимости линейной плотности от величины N2- N1 (фиг. 5), по которым вычисляется линейная плотность для контролируемого твэла, а по отношению среднего значения величины N2-N1 к локальному его значению вычисляется коэффициент неравномерности по всей длине твэла. Данные вычисленные значения автоматически сравниваются с их браковочными уровнями и выдается заключение о годности или негодности проконтролированного твэла по характеристике «линейная плотность».
Контроль длин частей топливного столба осуществляется следующим образом:
Расстояние между точками L0-L1 численно не определено и включает в себя длину части топливного столба состоящего из нижней заглушки и подсыпки плюс значение неопределенной длины держателя твэла. Длина является неопределенной, так как существуют только одни определенные точки отсчета - это точки начала и конца топливного столба (точки L1; L2 фиг. 5). Эти точки являются определенными, так как они определяют начало и конец топливного столба (сигнал на блоке детектирования резко увеличивается и резко падает). По данной картине измерения, возможно определить только длину топливного столба (одновременно с ее измерением происходит измерение равномерности распределения топлива по топливному столбу). Для расчета всех необходимых длин твэла (длины от начала заглушек до начала топливного столба (поз. 4 + поз. 1; поз.3 + поз. 5 (Фиг. 1), длину топливного столба) необходима вторая точка расчета. Однако заглушки и подсыпки твэлов изготовлены из нерадиоактивного материала и невозможно определить ее начало. Поэтому для определения точки отсчета и вычисления с помощью нее расстояния от начала заглушки до начала топливного столба была изменена конструкция держателя 1 (фиг. 4).
В корпусе держателя было проделано отверстие. В данное отверстие было заложено (~150 мг) двуокиси урана высокого обогащения которое потом было герметично запрессовано. Данная запрессованная двуокись урана по сути является закрытым гамма-источником (реперным источником) с активностью меньше МЗА (Минимально значимой активностью, т.е. с такой активностью, которая не требует выполнения требований норм радиационной безопасности и выполнения требований санитарных норм). Картина получаемого профиля контролируемого твэл при контроле на пассивном сканере изображена на фиг. 7, где N1 - число зарегистрированных гамма - квантов собственного гамма-излучения определяющих окружающий фон; N2 - число зарегистрированных гамма квантов от реперного источника; N3 - число зарегистрированных гамма - квантов собственного гамма-излучения урана определяющих активную часть топливного столба твэл. Теперь, имея точки начала и конца отсчета можно определить длину (длина засыпки + длина заглушки) по градуировочной зависимости:
Длина (длина засыпки + длина нижней заглушки) = A*(L2-L1)+В, где
А и В - градуировочные константы, определяемые по стандартным образцам по методу наименьших квадратов с заранее известными значениями длин (длина засыпки + длина нижней заглушки).
Длина (длина топливного столба) = A*(L2-L1)+В, где А и В градуировочные константы, определяемые по стандартным образцам по методу наименьших квадратов с заранее известными значениями длины топливного столба. Длина (длина засыпки + длина верхней заглушки) = Длина твэла - Длина (длина топливного столба) - Длина (длина засыпки + длина нижней заглушки).