Способ измерения давления газа в газосборнике тепловыделяющего элемента ядерного реактора
Владельцы патента RU 2300746:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Научно-исследовательский институт атомных реакторов" (RU)
Сущность: способ предусматривает заполнение двух дополнительных полостей, одна из которых соединена с газосборником тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ), определенным газом. Каждая из полостей снабжена центральной трубкой с размещенным в ней нагревателем. Центральные трубки одновременно нагревают нагревательными элементами в первой и второй дополнительных полостях, охлаждают и измеряют разность температур между центральной трубкой с нагревательным элементом в первой и второй дополнительных полостях и теплоносителем, омывающим эти полости. Определяют темп одновременного охлаждения коаксиально расположенных центральных трубок с нагревательными элементами первой и второй дополнительных полостей, определяют теплопроводность смеси газов в дополнительных полостях. С учетом зависимости теплопроводности от объемной доли газов определяют объемную долю выделившихся газообразных продуктов деления в первой дополнительной полости, в соответствии с которой определяют давление газов в первой дополнительной полости и газосборнике ТВЭЛа. Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано для контроля и измерения давления газов в газосборнике твэлов и количества выделившихся газообразных продуктов деления (ГПД).
Техническими результатами являются: повышение точности измерений и расширение области применения измерителей давления газов и измерителей количества ГПД в газосборнике твэла.
Большое значение в технике и научных исследованиях в ядерной энергетике имеет определение давления, количества и состава газообразных продуктов деления в твэлах контейнерного типа на основе диоксида урана.
Известен способ измерения давления газов под оболочкой твэла [Бурукин А.В., Валиуллин Ф.Х., Котов Н.П. и др. "Измерение физических параментов твэлов в процессе их испытаний в реакторе МИР". Сборник докладов международной конференции "ДДАЭС - 20002", г.Пенза 11-13 сентября 2002 г. Пенза, ФГУП НИИФИ, 2002, с.193-197], использующий сильфонный датчик давления на основе дифференциально-трансформаторного преобразователя.
Чувствительный элемент датчика - однослойный сильфон 11х 10×0,12 из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, внутренняя полость сильфона соединена с компенсационном объемом твэла. Величина компенсационного объема в твэле выбирается такой, чтобы обеспечить работоспособность сильфона в расчетном диапазоне перепада давления на сильфоне с учетом выделяющихся ГПД. Защитная оболочка сильфона и чехол сердечника преобразователя образуют замкнутую полость для обеспечения компенсации исходного давления в твэле противодавлением.
Изменение давления газов в твэле и противодавления в процессе работы твэла вызывает перемещение датчика сильфона и сердечника дифференциально-трансформаторного преобразователя, что регистрируется измерительной системой.
Недостатком такого способа измерения давления является низкая надежность дифференциально-трансформаторного преобразователя, обусловленная его конструктивными особенностями, и прочностные характеристики материала сильфона. Это ограничивает температуру (<600°С), при которой можно производить измерение давления ГПД, время измерения и диапазон измеряемых давлений газов, что в свою очередь ограничивает область применения такого способа. К недостатку такого способа можно отнести и сложность технологии изготовления и калибровки измерителя давления.
Известен способ измерения давления газа в газосборнике тепловыделяющего элемента ядерного реактора [Куров Д.А., Валиуллин Ф.Х., Самигуллин Б.А., Александров К.А., Сухих А.В. (АС СССР №1309710 от 01.04.1985 г., БИ №36, 2001 г.).
Измерение давления газов внутри оболочки твэла осуществляют путем охлаждения конца твэла со стороны газосборника в хладогенте, имеющем температуру ниже температуры конденсации газов, давление которых измеряют. При этом с помощью термоэлектрического преобразователя следят за изменением температуры оболочки твэла в районе газосборника со стороны топливного сердечника. По характеру изменения температуры на оболочке судят о давлении газов внутри оболочки твэла. Путем последовательного погружения твэла в хладагенты с различной температурой определяют компоненты газовой смеси внутри оболочки.
Недостатком этого способа является невозможность определения давления ГПД в твэле, когда твэл находится в работающем ядерном реакторе, что существенно снижает область применения этого способа.
Вышеуказанные недостатки устраняют тем, что в способе измерения давления в газосборнике тепловыделяющего элемента заполняют первую дополнительную полость, соединенную с газосборником твэла, определенным газом, заполняют вторую дополнительную полость определенным газом, причем каждая из полостей снабжена центральной трубкой с размещенным в ней нагревателем, одновременно нагревают центральные трубки нагревателем в первой и второй дополнительных полостях, охлаждают, измеряют разность температур между центральной трубкой с нагревателем в первой и второй дополнительных полостях и теплоносителем, омывающим эти полости, определяют темп одновременного охлаждения коаксиально расположенных центральных трубок с нагревателями первой и второй дополнительных полостей, определяют теплопроводность смеси газов в первой дополнительной полости, определяют теплопроводность газа во второй дополнительной полости, с учетом зависимости теплопроводности от объемной доли газов определяют объемную долю выделившихся газосборных продуктов деления в первой дополнительной полости, в соответствии с которой определяют давление газов в первой дополнительной полости и газосборнике твэла, причем нагревают коаксиально расположенные центральные трубки в первой и второй полостях выше температуры теплоносителя на 30÷50°C.
Основные существенные признаки заявляемого изобретения это совокупность следующих действий.
Заполнение соединенной с газосборником твэла, первой полости, имеющей вид кольцевого зазора, образованного коаксиально расположенными центральной трубкой с нагревательным элементом и трубчатой оболочкой, определенным газом.
Заполнение определенным газом второй дополнительной полости герметично изолированной от первой полости, также имеющей вид кольцевого зазора, образованного коаксиально расположенными трубкой с нагревательным элементом и трубчатой оболочкой и герметично изолированной от первой полости.
Одновременное нагревание коаксиально расположенных центральных трубок в первой и второй полостях выше температуры теплоносителя на 30÷50°С.
Измерение разности температур в зависимости от времени между температурой коаксиально расположенной центральной трубкой первой дополнительной полости и температурой теплоносителя ядерного реактора, омывающего твэл.
Измерение разности температур в зависимости от времени между температурой коаксиально расположенной центральной трубки во второй дополнительной полости, имеющей вид кольцевого зазора, и температурой теплоносителя ядерного реактора, омывающего твэл, с дополнительными полостями в процессе одновременного охлаждения коаксиально расположенных центральных трубок в первой и второй дополнительных полостях.
Определение темпов охлаждения коаксиально расположенных центральных трубок с нагревательными элементами первой и второй дополнительных полостей.
Определение теплопроводности смеси газа в первой дополнительной полости, соединенной с газооборником твэла.
Определение объемной доли выделившихся ГПД в первой дополнительной полости, соединенной с газооборником твэла.
Сравнение заявляемого способа с прототипом позволяет установить соответствие его критерию новизна.
В процессе облучения в твэлах контейнерного типа на основе диоксида урана выделяются газообразные продукты деления, состав которых более чем на 90% состоит из газа ксенона (Хе). Количество выделившегося в компенсационный объем твэла ксенона и давление смеси газов возникшего в компенсационном объеме твэла можно определить по теплопроводности газа в компенсационном объеме. Если перед началом облучения твэл энергетического реактора, газосборник которого соединен с кольцевым зазором первой дополнительной полости, образованной коаксиально расположенными центральной трубкой с нагревательным элементом и трубчатой оболочкой, заполнить определенным нейтральным газом, например гелием, Не, то при выходе ГПД и перемешивании газов в результате диффузии и конвенции, в конкретном примере основном Хе, теплопроводность газовой смеси в компенсационном объеме твэла и в кольцевом зазоре первой дополнительной полости существенно изменится, см. фиг.1. По изменению теплопроводности смеси газов в газовой прослойке в кольцевом зазоре определяется количество выделявшегося ксенона и давление газов, возникшее в твэле.
Теплопроводность газовой смеси в кольцевом зазоре первой дополнительной полости определяют с применением метода регулярного режима. Для чего производят нагревание центральной, коаксиально расположенной трубки первой дополнительной полости при помощи нагревателя до температуры, превышающей температуру оболочки твэла (теплоносителя) на 30÷50°С. Затем нагревание прекращается и производится измерение разности температур в зависимости от времени между температурой центральной коаксиально расположенной трубки первой дополнительной полости и температурой трубчатой оболочки (теплоносителя) первой дополнительной полости при остывании центральной трубки.
Известно, что температура образца в процессе охлаждении при регулярном тепловом режиме и граничных условиях третьего рода изменяется во времени по экспоненциальному закону:
Θ=T(X1Y1Z)-T0=e-mt,
где Т - температура охлаждаемого образца (в нашем случае центральной трубки);
Т0 - температура среды (в нашем случае температура трубчатой оболочки, равная температуре теплоносителя);
m - темп охлаждения
где α - коэффициент теплоотдачи к среде;
λ - коэффициент теплопроводности материала образца;
S - поверхность образца;
V - объем образца;
Срγ - объемная теплопроводность образца.
Темп охлаждения образца (центральной, коаксиально расположенной трубки с нагревательным элементом первой дополнительной полости) равен:
где λгаза - коэффициент теплопроводности газа в кольцевом зазоре первой дополнительной полости;
r1 - наружный радиус центральной коаксиально расположенной трубки с нагревательным элементом первой дополнительной полости;
r2 - внутрений радиус трубчатой оболочки.
Т.к. геометрические размеры r1 и r2 можно считать постоянными, то:
где λ1газ и m1 - коэффициенты теплопроводности и темп охлаждения определенного газа, которым была заполнена в нормальных условиях кольцевая область первой дополнительной полости и газосборник твэла перед облучением твэла. В данном случае это газ гелий.
λ0газ и m0 - определенные в лабораторных условиях;
ϕ - теплопроводность (в относительных единицах) смеси газов, полученная в нормальных условиях. Из известной или полученной экспериментально зависимости теплопроводности смеси æ газов от объемной доли газов находим объемную долю выделившегося газа. Зная æ, определяем объем выделившегося газа, приведенный к нормальным условиям. В конкретном случае определяем процентное содержание газа ксенона в кольцевой области первой дополнительной области из зависимости представленной на фиг.1. Объем выделившегося газа, приведенный к нормальным условиям:
где Vo - объем гелия, заполнившего при нормальных условиях первую дополнительную полости и газосборник твэла.
Давление смеси газов при рабочей температуре в газосборнике твэла и первой дополнительной полости определяется по формуле:
P0 - давление газа в газосборнике и первой дополнительной полости после их заполнения при нормальных условиях;
Т0 - температура газа в нормальных условиях при заполнении им газосборника и первой дополнительной области;
Траб. - температура смеси газов в рабочих условиях.
Определение количества выделившегося газа и его давления таким образом можно производить только при постоянной температуре внешней оболочки первой дополнительной полости, что равносильно постоянной температуре теплоносителя. Такие условия соблюдаются только при работе ядерных реакторов на стационарной мощности.
Однако теплопроводность газов, а следовательно, и темп охлаждения зависят от различных факторов, и в том числе от температуры, давления, состава и т.д. Поэтому коэффициент теплопроводности λ0 и темп охлаждения m0, определенные в лабораторных условиях, будут отличаться от тех значений, которые были бы получены в условиях активной зоны ядерного реактора, где располагается первая дополнительная полость. В результате чего вышеприведенный способ определения данных дает погрешность, особенно в переходных и аварийных режимах.
Для уменьшения этих погрешностей таким же газом, которым заполняется твэл и кольцевая область первой дополнительной полости, в данном конкретном случае гелием, заполняется и кольцевая область с известными размерами второй дополнительной полости. Вторая дополнительная полость герметично теплоизолирована от первой дополнительной полости. Вторая дополнительная полость, так же как и первая дополнительная полость, имеет кольцевую область известных размеров, образованную коаксиально расположенными центральной трубкой с нагревательным элементом и трубчатой оболочкой, омываемой теплоносителем ядерного реактора.
Нагревание центральной коаксиально расположенной трубки во второй дополнительной полости производится одновременно с нагреванием центральной коаксиально расположенной центральной трубкой первой дополнительной полости до температуры, превышающей на 30÷50°С температуру защитной трубки, которая равна температуре теплоносителя.
Охлаждение центральной, коаксиально расположенной трубки во второй дополнительной полости производится также одновременно с охлаждением центральной, коаксиально расположенной трубкой в первой дополнительной полости. При этом, как и в первом случае, производится измерение разности температур в зависимости от времени между температурой центральной коаксиально расположенной трубки второй дополнительной полости и температурой ее защитной трубки, равной температуре теплоносителя, омывающего эту защитную трубку. Из полученной зависимости разности температур от времени находится темп охлаждения mк, скорректированный с учетом влияния излучения на элементы конструкции измерителя или нестационарной температуры теплоносителя из-за особенностей работы ядерного реактора при измерении давления газов в газосборнике твэла и количества выделившихся ГПД. Коэффициент mк подставляем в формулу (1) и с использованием имеющихся зависимостей температурной смеси от объемной доли газов получаем:
,
где 
, и mк - коэффициент теплопроводности и темп охлаждения гелия, которым была заполнена кольцевая область второй дополнительной полости, определенные в момент определения 
и m1;
ϕк - скорректированная теплопроводность смеси газов (в конкретном примере гелия и ксенона).
По известной ϕк определяем æ - объемную долю выделившегося газа (в нашем примере ксенона) и находим Vвыд из формулы (2) и давление смеси газов Pt из формулы (3).
Пример схемы устройства, реализующего предлагаемый способ, представлен на фиг.2:
1 - первая дополнительная полость, образованная коаксиально расположенной центральной трубкой 2с нагревателем 3 из окисной копелевой проволоки. Трубчатая оболочка первой дополнительной полости 4 соединена с газосборником исследуемого твэла - 5, 6 - герметичная, теплоизолирующая прокладка, разделяющая первую и вторую дополнительные полости, 7 - вторая дополнительная полость. Герметизация от теплоносителя осуществляется сваркой защитной и центральных труб с нижним переходником - 8 и верхним гермовводами 9 и 10. Один конец нагревателя сварен с коаксиально расположенной центральной трубкой по торцу, второй -14 через гермоввод выведен и присоединен к измерительной схеме. К оболочке 4 приварена еще одна копелевая проволока -13, которая также присоединена к измерительной схеме. В паре эти два провода образуют дифференциальный термоэлектрический термометр для измерения температуры коаксиально расположенной центральной трубки 2 относительно температуры трубчатой оболочки 4 в первой дополнительной полости 1.
Измерение разности температур между температурой центральной трубки 2 и температурой трубчатой оболочки 4 во второй дополнительной полости 7 производится дифференциальным термоэлектрическим термометром, составляющим из копелевой проволоки 11, введенной через гермоввод 10 и приваренной к коаксиально расположенной трубке 2 и копелевой проволоки 12, приваренной к трубчатой оболочке 4.
Перед началом облучения твэла газосборник твэла, а также первая и вторая дополнительные полости заполняются гелием.
1. Способ измерения давления газов в газосборнике тепловыделяющего элемента (твэл) ядерного реактора, заключающийся в том, что заполняют первую дополнительную полость, соединенную с газосборником твэла, определенным газом, заполняют вторую дополнительную полость определенным газом, причем каждая из полостей снабжена центральной трубкой с размещенным в ней нагревателем, одновременно нагревают центральные трубки нагревателем в первой и второй дополнительных полостях, охлаждают, измеряют разность температур между центральной трубкой с нагревателем в первой и второй дополнительных полостях и теплоносителем, омывающим эти полости, определяют темп одновременного охлаждения коаксиально расположенных центральных трубок с нагревателями первой и второй дополнительных полостей, определяют теплопроводность смеси газов в первой дополнительной полости, определяют теплопроводность газа во второй дополнительной полости, с учетом зависимости теплопроводности от объемной доли газов определяют объемную долю выделившихся газообразных продуктов деления в первой дополнительной полости, в соответствии с которой определяют давление газов в первой дополнительной полости и газосборнике твэла.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно нагревают центральные трубки до температуры, на 30÷50°С превышающей температуру теплоносителя.
