Способ контроля давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора

 

Изобретение касается измерения давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора и может быть использовано при контроле давления газа в процессе изготовления твэлов. Цель - повышение точности измерения давления. Сущность изобретения: Контроль давления газа осуществляют измерением температуры нагревания оболочки 2 в течение процесса естественной конвекции заполняющего твэл газа, вызываемой нагреванием участка оболочки твэла. Отличительной чертой предлагаемого способа является одновременное измерение приращения температуры нагревания оболочки 2, соответствующего конвективной составляющей теплопередачи, являющейся функцией давления газа, и температуры нагревания оболочки 2, сокращающей погрешность измерения давления газа, причем оба измерения осуществляют одними и теми же датчиками температуры 5 и 6. Получены стабильные результаты контроля при изменении толщины оболочки или плотности витков пружинного фиксатора, заполняющего компенсационный объем твэла. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение касается измерению давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора и может быть использовано при массовом изготовлении твэлов для энергетических ядерных ректоров.

Известен способ контроля давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, заключающийся в размещении чувствительного к давлению газа магнитострикционного элемента внутри герметично закрытого твэла и измерительной катушки индуктивности, располагаемой с наружной стороны твэла [1].

Устройство для осуществления способа содержит чувствительный к давлению газа магнистострикционный элемент, измерительную катушку индуктивности и средство, регистрирующее изменение индуктивности катушки, возникающее вследствие воздействия давления газа на магнитострикционный элемент.

Недостатками способа и устройства являются необходимость неразрушающего контроля параметров чувствительного магнитострикционного элемента, находящегося внутри металлической оболочки тепловыделяющего элемента. Кроме того, вместе с твэлами в реактор должны вводиться инородные материалы, что не всегда возможно ввиду их ядерной несовместимости. Способ и устройство не позволяют достичь высокой точности измерений, поскольку магнитострикционный элемент экранирован от измерительной системы (например, катушки) металлической оболочкой твэла.

Известен способ определения давления газа в герметичных тонкостенных изделиях, который принят за прототип, заключающийся в том, что к внешней поверхности оболочки твэла прикладывают тепловой импульс и измеряют ее температуру на расстоянии от точки приложения импульса [2].

Для уменьшения погрешности измерения измерение температуры осуществляют в двух точках, равноудаленных от точки приложения теплового импульса и находящихся на прямолинейном участке оболочки. При этом точки измерения и точка приложения импульса расположена на одной вертикальной прямой, а давление определяют по максимальному значению разности измеренных температур.

Сущность известного способа заключается в возбуждении тепловым импульсом конвективного движения заполняющего твэл газа и измерении приращения температуры оболочки, соответствующего конвективной составляющей теплопередачи.

На фиг. 1 приведена схема измерения давления газа с помощью возбуждения естественной конвекции; на фиг. 2 - схема измерения данного способа; на фиг. 3 - 5 - графики зависимости измеряемого приращения температуры, где 1 и 2 - датчики температуры T₁, T₂; 3 - нагреватель оболочки Q; 4 и 5 - горячая и холодная ветви конвективного движения газа; 6 - оболочка твэла; g - вектор силы тяжести.

Технически очень трудно обеспечить стабильное нагревание оболочки накладными нагревателями 3 для схемы измерения на фиг. 1, вследствие большой зависимости выделяемой нагревателем в оболочке мощности от величины зазора между индуктором и оболочкой. Это не позволяет на практике достичь высокой точности контроля давления газа с помощью схемы на фиг. 1.

Известная схема имеет недостатки - низкую мощность потока конвекции газа в совокупности с накладным нагревателем, не обеспечивающим повторяемости нагреваний оболочки твэла с высокой точностью. Помимо этого, основным недостатком способа является зависимость результата измеренной разности температур от толщины оболочки, температуры нагревания и плотности витков пружинного фиксатора, заполняющего компенсационный объем твэла. Измеряемая разность температур является функцией давления газа, толщины оболочки твэла, температуры нагревания оболочки, плотности витков пружинного фиксатора, что не дает возможности получить точность измерения давления газа, требуемую при производстве твэлов 0,5 атм.

Предлагаемое изобретение решает задачу увеличения точности измерения давления газа, влияющего на качество твэла и продолжительность его работы в реакторе. Поставленная задача решается предлагаемым способом контроля давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, согласно которому к оболочке твэла прикладывают тепловой импульс, возбуждающий конвективное движение газа, и датчиками измеряют приращение температуры оболочки, соответствующее конвективной составляющей теплопередачи в области развитого конвективного течения заполняющего твэл газа, дополнительно измеряют температуру нагревания оболочки одновременно с измерением приращения температуры оболочки, оба измерения осуществляют одними и теми же датчиками, а величину давления газа определяют с учетом корректировки измеренного приращения температуры оболочки по результатам контроля температуры нагревания оболочки. Температуру нагревания оболочки определяют измерением приращения полусуммы температур датчиков, используемых для измерения приращения температуры оболочки, соответствующего конвективной составляющей теплопередачи.

Заявляемое решение, включающее дополнительную операцию измерения температуры нагревания оболочки одновременно с измерением температурного приращения, вызванного конвективным движением газа с последующей коррекцией результата контроля давления газа по температуре нагревания оболочки, повышает точность измерения давления газа.

Способ осуществляют следующим образом (фиг. 2).

С помощью индукционного нагревателя 1 к оболочке 2 твэла прикладывают тепловой импульс, нагревая за 4 - 5 с кольцевой участок оболочки твэла длиной 15-20 мм до 120-150^oC. Вращающийся конвективный поток газа возникает между нагретым и холодным участками оболочки. Во время вращения газа датчиками 5 и 6 измеряют приращение температуры участка оболочки, смываемого горячей ветвью 3 конвективного потока газа, по отношению к температуре участка оболочки, омываемого холодной ветвью потока 4, которое является функцией давления газа, температуры нагревания оболочки, толщины оболочки, плотности витков пружинного фиксатора.

Процесс образования приращения температуры нагревания оболочки, соответствующего конвективной составляющей теплопередачи для различных давлений газа P и температур нагревания оболочки изображен на фиг. 3,4. Одновременно датчиками 5 и 6 измеряют приращение полусуммы температур Δ (T₁+T₂)/2] нагревания оболочки в том же месте, где происходит контроль приращения температуры оболочки, связанный с конвективным движением газа. Процесс изменения полусуммы температур, измеряемых датчиками 5 и 6, Δ[(T₁+T₂)/2], для различных толщин оболочки δ, иллюстрируется фиг. 5.

Проведенные исследования показали, что приращение полусуммы температур Δ [(T₁+T₂)/2] практически не зависит от давления газа в твэле. При одинаковой мощности нагревателя, Δ [(T₁+T₂)/2] является температурой нагревания как заполненной, так и незаполненной газом оболочки.

Из измеренных значений T₁-T₂, (фиг. 3) и Δ [(T₁+T₂)/2] (фиг. 5) формируют параметр остающийся стабильным для твэлов с одинаковым давлением газа P и разной толщиной оболочки δ, и, как показали исследования, очень слабо реагирующем на 10%-ные колебания мощности нагревания оболочки.

Окончательно зависимость давления газа от измеренных параметров T₁-T₂, и Δ [(T₁+T₂)/2] определяют соотношениями: где P - давление газа в атмосферах; А, В и С - постоянные величины, определяемые при градуировке; K - показатель, значение степени К колеблется 1,8 до 2,2, в зависимости от чувствительности выбранных датчиков температуры. Этот параметр остается неизменным в течение всего периода работы измерительного модуля. Значение К выбирается таким, чтобы параметр V имел одинаковую величину при измерении твэлов с одним и тем же давлением газа и разной толщиной оболочки или шагом пружинного фиксатора.

Предлагаемое техническое решение помимо учета изменения толщины оболочки или плотности витков пружинного фиксатора позволяет стабилизировать результат контроля, обеспечивая неизменность градуировочных коэффициентов А, В, и С в течение нескольких месяцев эксплуатации установки в условиях цеха. Из-за подтирания контактной площадки датчиков 5 и 6 температуры (фиг. 2) вследствие промышленных вибраций измеряемая разность температур T₁-T₂ для твэлов с одним и тем же давлением газа в процессе эксплуатации медленно растет, однако этот рост длительное время компенсируется ростом приращения полусуммы температур Δ [(T₂+T₂)/2], оставляя параметр V практически неизменным в течение 6-8 месяцев эксплуатации.

Даже при производительности контроля 60 измерений в 1 ч, датчики 5 и 6 (фиг. 2) не успевают остыть после измерения до своей начальной температуры. Подогретые датчики 5 и 6 при последующем измерении дают завышенные показания приращения температуры оболочки, соответствующего конвективной составляющей теплопередачи T₁-T₂. Однако измеренное приращение полусуммы температур Δ [(T₁+T₂)/2] тоже увеличивается, оставляя параметр V стабильным. Это обстоятельство позволяет избежать дополнительных погрешностей измерений давления газа при работе установок в неритмичном режиме.

На практике степень коррекции основной функции давления газа уменьшается или увеличивается для наилучшего учета всех выше перечисленных факторов путем изменения показателя степени К в соотношении (1).

Погрешность неразрушаемого контроля давления газа предлагаемым способом уменьшена до приемлемой в использовании величины и составляет 0,5 атм.

Использование изобретения в технологическом процессе производства твэлов позволяет повысить качество выпускаемых твэлов. исключает возможность пропуска твэлов. не удовлетворяющих техническим условиям на твэл по давлению газа.

Предлагаемый способ реализуется в установках неразрушающего контроля давления газа, используемых в технологическом процессе изготовления твэлов ВВЭР-440 на ОАО "Машиностроительный завод" с 1996 г.

Источники информации: 1. Патент ФРГ N 2605756, кл. G 21 C 17/06, 1976.

2. SU, авторское свидетельство, 1306295, кл. G 01 L 11/00, 1991 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ контроля давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, заключающийся в том, что к оболочке тепловыделяющего элемента прикладывают тепловой импульс, возбуждающий конвективное течение газа, и датчиками измеряют приращение температуры оболочки, соответствующее конвективной составляющей теплопередачи в области развитого конвективного течения заполняющего тепловыделяющий элемент газа, по которой определяют давление газа, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру нагревания оболочки одновременно с измерением приращения температуры оболочки, соответствующего конвективной составляющей теплопередачи, причем оба измерения осуществляют одними и теми же датчиками температуры, а величину давления газа определяют с учетом корректировки измеренного приращения температуры оболочки по результатам контроля температуры нагревания оболочки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру нагревания оболочки определяют измерением приращения полусуммы температур датчиков, используемых для измерения приращения температуры оболочки, соответствующего конвективной составляющей теплопередачи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5