Способ контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов) для тепловыделяющих сборок ядерных реакторов. Техническим результатом изобретения является повышение качества изготовления твэлов за счет выявления и изоляции твэлов с негерметичной оболочкой, надежности эксплуатации тепловыделяющих элементов в реакторе. Твэл на позиции измерения фиксируют датчиком. По его сигналу зажимают и удерживают, осуществляя локальный импульсный нагрев в области компенсационного объема. Регистрируют изменение температуры при повороте в начале и конце интервалов нагрева и поворота. Приведены значения диапазонов давления гелия и погрешности контроля давления. Узел определения давления устройства контроля выполнен из четырех функциональных устройств, содержащих пневматический распределитель, первичный преобразователь, генератор индукционного нагрева, модуль обработки и управления на базе промышленного компьютера. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов) для ядерных реакторов, преимущественно ВВЭР-1000, ВВЭР-440.

В процессе изготовления твэлов, снаряженные таблетками диоксида урана с обогащением по урану 235 до 5% оболочки, герметизируют контактной стыковой сваркой заглушки к снаряженной оболочке под давлением гелия под оболочкой.

Показателем надежности твэла, т.е. его герметичности является устойчивое давлением гелия под оболочкой, а падение давления под оболочкой твэла характеризует твэл как не герметичный.

В связи с этим контроль давления приобретает весьма важное значение.

Основным методом контроля является технологический контроль давления гелия, подаваемого в твэл перед окончательной герметизацией. Однако возможные утечки гелия из негерметичных твэлов или сбои заполнения твэлов гелием требуют проведения контроля гелия в твэлах.

Известен разрушающий метод контроля, при котором из определенной партии отбирают твэл, и давление в нем измеряют прокалыванием оболочки. Ненадежность выборочного метода контроля и издержки, связанные с разрушением готового твэла, стимулировали разработку неразрушающих методов контроля давления под оболочкой твэла. Среди разработанных методов контроля давления гелия наибольшее применение получили ультразвуковой и тепловой методы.

Известный способ ультразвукового контроля давления в твэле основан на измерении интенсивности ультразвукового импульса в зависимости от давления гелия при диаметральном «прозвучивании» твэла в районе его «газосборника» - компенсационного объема (см. «Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов». Книга 2 под ред. Ф.Г.Решетникова - М.: Энергоатомиздат, 1995 г., стр.286-288). Наиболее близким является способ контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, включающий технологический контроль давления гелия, подаваемого в тепловыделяющий элемент перед окончательной герметизацией и определение тепловым методом давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации (см. «Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 2. Под ред. Ф.Г.Решетникова - М.: Энергоатомиздат, 1995 г., стр.287-288).

Способ-прототип не раскрывает сущности теплового метода определения давления под оболочкой твэла без ее разрушения.

Известно устройство контроля и разбраковки твэлов, включающее узел контроля давления гелия, подаваемого в твэл перед окончательной герметизацией и узел определения тепловым методом давления гелия под оболочкой твэла после его герметизации (см. там же, стр.287-288).

Известное устройство конструктивно не раскрыто и не содержит узлов вывода бракованных твэлов из технологического потока.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, содержащее узел контроля давления гелия, подаваемого в твэл перед окончательной герметизацией, узел определения давления гелия под оболочкой твэла после его герметизации, транспортные средства проводки, датчики, сбрасыватели, разбракователи вывода бракованных твэлов (см. «Автоматическая линия изготовления тепловыделяющих элементов и их разбраковки» по заявке 2001127981/06 (029757) от 15.10.2001, на которую выдано решение о выдаче патента на изобретение 7 мая 2003 года).

В устройстве-прототипе узел контроля давления гелия, подаваемого в твэл, предусматривает технологический контроль давления по манометру, установленном на баллоне с гелием. Однако конструктивно узел определения давления гелия под оболочкой твэла после его герметизации не раскрыт.

Технической задачей является повышение качества изготовления твэлов за счет своевременного выявления и изоляции твэлов с негерметичной оболочкой и надежности эксплуатации в ядерном реакторе.

Эта техническая задача решается тем, что в способе контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, включающем технологический контроль давления гелия, подаваемого в тепловыделяющий элемент перед окончательной герметизацией и определение тепловым методом давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации;

согласно изобретению тепловыделяющий элемент на позиции измерения фиксируют датчиком, по сигналу которого его зажимают и удерживают в течение всего времени контроля, осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области компенсационного объема, регистрируют изменение температуры участков оболочки тепловыделяющего элемента при его повороте на 180° в начале и конце интервалов времени после нагрева и поворота, при котором передача тепловой энергии через гелий внутри тепловыделяющего элемента приводит к возникновению разности температур на участках оболочки тепловыделяющего элемента, пропорциональных давлению гелия в тепловыделяющем элементе.

Другим отличием является то, что контролируют тепловыделяющие элементы с диапазонами давлений гелия, МПа:

- для твэлов ВВЭР-440 - 0,4-0,7;

- для твэлов ВВВЭР-1000 - 1,6-2,6

при погрешности контроля давлений с доверительной вероятностью 095, МПа, не более:

- для твэлов ВВЭР-440 с втулочным фиксатором - 0,04;

- для твэлов ВВЭР-440 с пружинным фиксатором - 0,06;

- для твэлов ВВЭР-1000 с втулочным фиксатором - 0,06;

- для твэлов ВВЭР-1000 с пружинным фиксатором - 0,09,

временем контроля давления гелия, с не более:

- для твэлов ВВЭР-440 с втулочным фиксатором - 40;

- для твэлов ВВЭР-440 с пружинным фиксатором - 60;

- для твэлов ВВЭР-1000 с втулочным фиксатором - 40;

- для твэлов ВВЭР-1000 с пружинным фиксатором - 60

с индикацией, хранением, документированием результатов контроля и с выводом их на печатающее устройство.

Эта техническая задача решается тем, что в устройстве контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, содержащем узел контроля давления гелия, подаваемого в тепловыделяющий элемент перед окончательной герметизацией, узел определения давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации, транспортные средства проводки, датчики, сбрасыватели, разбракователи вывода бракованных тепловыделяющих элементов;

согласно изобретению узел определения давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации выполнен из четырех функционально и конструктивно законченных устройств, содержащих:

- пневматический распределитель;

- первичный преобразователь, включающий модуль измерения с двумя термопарами, нагреватель, пневматические узлы цангового механизма, механизма подъема термопар, узел обдува термопар, усилитель, датчик наличия тепловыделяющего элемента и механизм поворота;

- генератор индукционного нагрева;

- модуль обработки и управления, выполненный на базе промышленного компьютера.

Такое выполнение способа контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов и устройства для его осуществления позволит решить поставленную техническую задачу по повышению качества изготовления тепловыделяющих элементов за счет своевременного выявления и изоляции твэлов с негерметичной оболочкой и повысить надежность эксплуатации в ядерном реакторе.

На чертежах представлено устройство для осуществления способа контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, где

- на фиг.1 - общий вид устройства;

- на фиг.2 - твэл;

- на фиг.3 - узел определения давления гелия под оболочкой твэла.

Устройство для осуществления способа контроля и разбраковки твэлов содержит:

- узел 1 контроля давления гелия, подаваемого в твэл 2 перед окончательной герметизацией в установке 3 контактной стыковой сварки заглушки 4 к снаряженной таблетированным ядерным топливом 5 оболочке 6 с фиксацией столба таблетированного ядерного топлива 5 пружинным 7, либо втулочным 8 фиксатором с образованием между столбом таблетированного ядерного топлива 5 и заглушкой 4 компенсационного объема 9 в оболочке 6;

- узел 10 определения давления гелия под оболочкой 6 твэла 2 после его герметизации в установке 3;

- транспортные средства 11 проводки твэлов 2;

- датчики 12, сбрасыватели 13, разбракователи 14 вывода бракованных твэлов 2.

Узел 10 определения давления гелия под оболочкой 6 твэла 2 после его герметизации в установке 3 выполнен из четырех функционально и конструктивно законченных устройств, содержащих:

- пневматический распределитель 15;

- первичный преобразователь 16, включающий модуль измерения 17 с двумя термопарами 18, 19, нагреватель 20, пневматические узлы цангового механизма 21, механизма 22 подъема термопар 18, 19, узел обдува 23 термопар 18, 19, усилитель 24, датчики 25 наличия твэла 2 и механизм 26 поворота;

- генератор 27 индукционного нагрева;

- модуль 28 обработки и управления, выполненный на базе промышленного компьютера.

Способ контроля и разбраковки твэлов в устройстве осуществляют следующим образом.

На узле 1 по манометру осуществляют технологический контроль давления гелия, подаваемого в твэл 2 перед окончательной герметизацией в установке 3 контактной стыковой сварки заглушки 4 к снаряженной таблетированным ядерным топливом 5 оболочке 6 с зафиксированным столбом таблетированного ядерного топлива 5 пружинным 7, либо втулочным 8 фиксатором с образованием между столбом таблетированного ядерного топлива 5 и заглушкой 4 компенсационного объема 9 в оболочке 6.

Транспортным средством 11 проводки твэл 2 направляют на узел 10 определения давления гелия под оболочкой твэла 2 тепловым методом после его герметизации в установке 3, где фиксируют датчиком 12, твэл 2 зажимают и удерживают в течение всего времени контроля цанговым механизмом 21, а механизм 22 подъема термопар 18, 19 опускает термопары 18, 19, которые прижимаются к оболочке 6 твэла 2.

Осуществляют локальный импульсный нагрев твэла 2 в области компенсационного объема 9 нагревателем (индуктором) 20 от генератора 27 индукционного нагрева. Загружаемый в первичный преобразователь 16 твэл 2 фиксируется датчиком 25.

По его сигналу регистрируют модулем 17 измерения температуры участков оболочки 6 тепловыделяющего элемента при его повороте на 180° механизмом 26 поворота в начале и конце интервалов времени после нагрева и поворота, при котором передача тепловой энергии через гелий внутри твэла 2 приводит к возникновению разности температур на участках оболочки 6 твэла 2, пропорциональных давлению гелия в твэле 2.

Контролируют твэлы 2 с диапазонами давлений, МПа:

- для твэлов ВВЭР-440 - 0,4-0,7;

- для твэлов ВВЭР-1000 - 1,6-2,6

при погрешности контроля давлений с доверительной вероятностью 0,95, МПа, не более:

- для твэлов ВВЭР-440 с втулочным фиксатором - 0,04;

- для твэлов ВВЭР-440 с пружинным фиксатором - 0,06;

- для твэлов ВВЭР-1000 с втулочным фиксатором - 0,06;

- для твэлов ВВЭР-1000 с пружинным фиксатором - 0,09, временем контроля давления гелия, с не более:

- для твэлов ВВЭР-440 с втулочным фиксатором - 40;

- для твэлов ВВЭР-440 с пружинным фиксатором - 60;

- для твэлов ВВЭР-1000 с втулочным фиксатором - 40;

- для твэлов ВВЭР-1000 с пружинным фиксатором - 60.

Сбрасыватели 13 используются при подаче снаряженных ядерным топливом 5 оболочек 6 на транспортное средство ввода на герметизацию в установку 3 контактной стыковой сварки заглушки 4 к оболочке 6, а разбракователи 14 для вывода на изоляцию твэлов 2 при несоответствии давления гелия под оболочкой 6.

Пневматический распределитель 15 обеспечивает работу пневматических исполнительных узлов всего устройства.

Первичный преобразователь 16 осуществляет локальный импульсный нагрев твэла 2 в области компенсационного объема 9, регистрацию изменений температуры участков оболочки 6 твэла 2, поворот твэла 2 совместно с термопарами 18, 19 на 180°. Узел 23 обдува термопар 18, 19 и усилитель 24 также входят в состав первичного преобразователя 16. Генератор 27 индукционного нагрева формируют высокочастотные высоковольтные импульсы для нагрева оболочки 6 твэла 2.

Модуль 28 обработки и управления осуществляет обработку информации и управление работой всего устройства во всех режимах и связь с технологической линией изготовления твэлов 2, индикацией, хранением, документированием результатов контроля с выводом их на печатающее устройство.

1. Способ контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, включающий технологический контроль давления гелия, подаваемого в тепловыделяющий элемент перед окончательной герметизацией, и определение тепловым методом давление гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации, отличающийся тем, что тепловыделяющий элемент на позиции измерения фиксируют датчиком, по сигналу которого его зажимают и удерживают в течение всего времени контроля, осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области компенсационного объема, регистрируют изменение температуры участков оболочки тепловыделяющего элемента при его повороте на 180° в начале и конце интервалов времени после нагрева и поворота, при котором передача тепловой энергии через гелий внутри тепловыделяющего элемента приводит к возникновению разности температур на участках оболочки тепловыделяющего элемента, пропорциональных давлению гелия в тепловыделяющем элементе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контролируют тепловыделяющие элементы с диапазоном давлений гелия, МПа: для тепловыделяющих элементов ВВЭР-440 0,4-0,7; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-1000 1,6-2,6;

- при погрешности контроля давлений с доверительной вероятностью 0,95 МПа,

не более: для тепловыделяющих элементов ВВЭР-440 с втулочным фиксатором 0,04; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-440 с пружинным фиксатором 0,06; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-1000 с втулочным фиксатором 0,06; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-1000 с пружинным фиксатором 0,09;

временем контроля давления гелия, с не более: для тепловыделяющих элементов ВВЭР-440 с втулочным фиксатором 40; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-440 с пружинным фиксатором 60; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-1000 с втулочным фиксатором 40; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-1000 с пружинным фиксатором 60,

с индикацией, хранением, документированием результатов контроля и с выводом их на печатающее устройство.

3. Устройство контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, содержащее узел контроля давления гелия, подаваемого в тепловыделяющий элемент перед окончательной герметизацией, узел определения давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации, транспортные средства проводки, датчики, сбрасыватели, разбракователи вывода бракованных тепловыделяющих элементов, отличающееся тем, что узел определения давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации выполнен из четырех функционально и конструктивно законченных устройств, содержащих пневматический распределитель; первичный преобразователь, включающий модуль измерения с двумя термопарами, нагреватель, пневматические узлы цангового механизма, механизм подъема термопар, узел обдува термопар, усилитель, датчик наличия тепловыделяющего элемента и механизм поворота; генератор индукционного нагрева; модуль обработки и управления, выполненный на базе промышленного компьютера.