Способ диагностики состояния топливных элементов активной зоны апериодического импульсного ядерного реактора

Изобретение относится к физике исследовательских импульсных ядерных реакторов, а именно апериодических импульсных реакторов (АИР), и может быть использовано в автоматизированных системах диагностики состояния активной зоны (A3) ядерного реактора в процессе его эксплуатации. Предложенный способ диагностики состояния топливных элементов активной зоны АИР в процессе эксплуатации при генерации импульсов на мгновенных нейтронах основан на определении целостности топливных элементов по анализу спектральной характеристики затухающих колебаний мощности в медленной части импульса делений. Способ заключается в регистрации формы импульса делений на мгновенных нейтронах в каждом импульсе, определении спектральных характеристик колебаний мощности в медленной части зарегистрированного импульса делений и последующем анализе на соответствие критериям дефектности топливного элемента. Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении контроля состояния A3 в процессе его эксплуатации без разборки A3. 9 ил.

 

Изобретение относится к технической физике, физике исследовательских импульсных ядерных реакторов, а именно апериодических (АИР), и может быть использовано в автоматизированных системах диагностирования состояния активной зоны (АЗ) ядерного реактора. Целью изобретения является контроль целостности топливных элементов (ТЭ) АЗ АИР без приостановки его эксплуатации, то есть в штатном режиме работы установки такого типа.

Известен способ контроля топливных элементов на отсутствие внутренних дефектов с помощью пассивной ультразвуковой дефектоскопии (АС СССР 1210092, Бюллетень №5, 1986). Недостаток способа заключается в необходимости разборки АЗ реактора, что влечет за собой повышенные дозовые нагрузки на обслуживающий персонал и требует длительных остановок реактора для снижения остаточного гамма-излучения. Кроме того, способ предполагает использование оборудования дефектоскопии с привлечением соответствующих специалистов.

Известен способ определения аномальных состояний в системе с ядерным реактором (АС СССР 1689995, Бюллетень №41, 1991), не требующий разборки реактора. Способ заключается в том, что по показаниям детекторов нейтронов измеряют с интервалом времени, меньшим половины минимального периода собственных или вынужденных колебаний механической системы, последовательность значений мощности ядерного реактора при фиксированном уровне средней мощности. Измерение осуществляют в течение интервала времени, превышающего максимальный период коррелирующих колебаний мощности. Затем определяют среднее значение мощности, спектральную плотность колебаний мощности и по величинам среднеквадратических отклонений уровня (амплитуды) колебаний мощности на коррелирующих частотах от среднего значения судят о работе системы ядерного реактора. Недостаток способа состоит в невозможности его использования для диагностики состояния импульсных реакторов апериодического типа, так как в данном типе реакторов не поддерживается фиксированная мощность периодического характера, а затухающие колебания мощности возникают вследствие осцилляции топливных элементов, вызванных тепловым ударом.

АИР представляют интерес для исследователей как установки, используемые в экспериментах по изучению взаимодействия радиации с материалами, приборами и биологическими системами. Кроме того, с помощью АИР могут быть получены сведения по кинетике критических сборок, физике запаздывающих нейтронов и гамма-квантов, дозиметрии, радиобиологии, радиационной химии. АЗ таких реакторов обычно представляют собой сборку из нескольких блоков, которые в свою очередь могут быть набраны из ТЭ различной формы (в основном применяются дисковые и кольцевые ТЭ). Задача разработки способа диагностирования состояния АЗ связана с обеспечением безопасности работы АИР с АЗ из металлического материала, работающих в условиях теплового удара при генерации импульсов на мгновенных нейтронах.

Технический результат заключается в обеспечении контроля состояния ТЭ АЗ в процессе эксплуатации АИР без разборки АЗ.

Данный технический результат достигается тем, что предложен способ диагностирования состояния ТЭ активной зоны АИР в процессе эксплуатации, основанный на определении целостности топливных элементов по анализу спектральной характеристики затухающих колебаний мощности в медленной части импульса делений на мгновенных нейтронах, заключающийся в регистрации формы импульса делений на мгновенных нейтронах в каждом импульсе, определении спектральных характеристик колебаний мощности в медленной части зарегистрированного импульса делений и последующем сравнении на совпадение полученных спектральных характеристик со спектральными характеристиками колебаний мощности в медленной части импульса, зарегистрированными для исходного состояния активной зоны, а также со спектральными характеристиками колебаний мощности, являющихся опорными, полученными в результате полномасштабных нейтронно-кинетических расчетов для активной зоны с топливными элементами, содержащими дефекты и без них, причем сравнение спектральных характеристик производят по амплитудам на коррелирующих частотах, соответствующих собственным частотам механических колебаний топливных элементов в составе активной зоны, полученных в результате численного моделирования механических реакций топливных элементов всех типоразмеров, на быстрый разогрев в результате импульса делений, совпадающего по уровню энерговыделения с зарегистрированным в процессе эксплуатации.

То есть способ заключается в регистрации формы импульса в каждом импульсе делений на мгновенных нейтронах, определении спектральных характеристик колебаний мощности в его медленной части, и последующем сравнении полученных спектральных характеристик с опорными построениями и спектральными характеристиками колебаний мощности в медленной части импульса, зарегистрированными для исходного (все ТЭ не имеют дефектов) состояния активной зоны. Критерием целостности ТЭ является совпадение эксплуатационных спектральных характеристик со спектральными характеристиками исходного состояния АЗ и опорными построениями.

Опорные построения производятся для каждой конструкции АИР однократно, и затем они служат базовыми при диагностике состояния ТЭ АЗ. Опорные построения включают в себя полномасштабные нейтронно-кинетические расчеты реактора и численное моделирование динамического поведения ТЭ в АЗ с целью получения связи спектра механических колебаний ТЭ в составе АЗ со спектром мощности реактора при введении дефектов в разные ТЭ. Модель экспериментально калибруется путем построения спектральных характеристик колебаний мощности в медленной части импульсов, зарегистрированных для различных уровней начального возмущения реактивности при заданном состоянии топливных элементов в АЗ.

Особенность работы исследуемого типа реакторов (апериодических) заключается в том, что эксплуатация подобных установок неразрывно связана с проблемой теплового удара как результата импульсного теплового нагружения реактора в процессе его эксплуатации. Термоупругие и инерциальные напряжения в каждом ТЭ АЗ реактора, возникающие в результате импульса делений на мгновенных нейтронах, формируя эффект теплового удара, ограничивают возможность увеличения энерговыделения за импульс и реально снижают безопасность эксплуатации и ресурс этих реакторов. Тепловыделение в АИР на быстрых нейтронах, например, с металлической АЗ, содержащей в своем составе топливные элементы различных форм (дисковые, кольцевые и др.) и типоразмеров, настолько интенсивно и происходит за такое короткое время, что расширение металла из-за механической инерции отстает от роста температуры. Часть тепловой энергии импульса преобразуется в энергию осцилляции топливных элементов. Механические напряжения, возникающие в пульсирующих ТЭ, накладываются на термоупругие напряжения, вызванные пространственной неоднородностью поля температур. Суммарные напряжения в топливных элементах могут достигать значений, сравнимых с пределом прочности материала, а при особо интенсивных вспышках делений и превзойти его, что способствует образованию или развитию дефектов в топливных элементах. Последовательные сжатия и расширения ТЭ в медленной части импульса продолжаются, пока энергия колебаний не будет поглощена за счет внутреннего трения; обычно время затухания для разных установок составляет от нескольких единиц до нескольких десятков миллисекунд. После этого остаются лишь термомеханические напряжения, обусловленные неравномерным нагревом, так как теплопередача за такое короткое время несущественна.

Во время генерации импульса делений на мгновенных нейтронах каждый ТЭ приходит в колебательное движение со своей собственной частотой и в процессе смещений вносит свой вклад в изменение реактивности системы, что связано с изменением плотности потока нейтронного излучения.

Предложенная методика диагностирования состояния ТЭ основана на следующих положениях:

- Спектр колебаний мощности реактора в медленной части импульса однозначно связан со спектром механических колебаний АЗ.

- Спектр механических колебаний изменяется при появлении в ТЭ дефектов.

Базируясь на таком представлении о процессах, происходящих в топливных элементах АЗ АИР в процессе эксплуатации, предложенный способ диагностики состояния ТЭ АЗ основан на определении целостности топливных элементов по анализу спектральной характеристики затухающих колебаний мощности в медленной части импульса делений. Анализ именно этой части регистрируемого импульса делений, формируемого в процессе эксплуатации реактора, позволяет получить необходимую информацию. Сама методика диагностики состоит в проведении сравнения эксплуатационных спектральных характеристик колебаний мощности, полученных в результате проведения спектрального анализа формы зарегистрированного импульса делений, со спектральными характеристиками колебаний мощности в медленной части импульса, зарегистрированными для исходного состояния активной зоны, взятыми из опыта эксплуатации реактора, и с опорными построениями.

Опорные построения производятся для каждой конструкции АИР однократно, и затем они служат базовыми при диагностике состояния ТЭ АЗ. Опорные построения включают в себя полномасштабные нейтронно-кинетические расчеты реактора и численное моделирование работы АЗ с целью получения связи спектра механических колебаний ТЭ в составе АЗ со спектром мощности реактора при введении дефектов в разные ТЭ. Модель экспериментально калибруется путем построения спектральных характеристик колебаний мощности в медленной части импульса, зарегистрированных для различных уровней начального возмущения реактивности при заданном состоянии топливных элементов в АЗ. Критерием целостности ТЭ является совпадение эксплуатационных спектральных характеристик со спектральными характеристиками исходного состояния АЗ и опорными построениями.

Рассмотрим этот подход на примере АИР БР-1.

На фиг.1 приведена схема осевого разреза АЗ АИР БР-1, где 1 - верхний блок АЗ, 2 - нижний блок АЗ, 3 - импульсный блок, 4 - регулирующий блок, 5 - топливный элемент.

На фиг.2 приведена типичная зависимость мощности АИР БР-1 от времени в относительных единицах для импульса делений на мгновенных нейтронах, где а - быстрая часть импульса делений («колокол»), b - медленная часть импульса делений («хвост»),

На фиг.3 приведена типичная трехмерная спектрограмма колебаний мощности в медленной части импульса делений.

На фиг.4 представлены усредненные по времени спектрограммы для расчетных зависимостей колебаний мощности в медленной части импульса делений, как для бездефектной АЗ, так и для АЗ, содержащей ТЭ с дефектом, где с - спектрограмма для АЗ с ТЭ без дефектов, d - спектрограмма для АЗ, содержащей ТЭ наибольшего типоразмера с дефектом.

На фиг.5 приведена схема размещения детекторов относительно АЗ АИР БР-1, где 6 - детектор №1, 7 - детектор №2, 8 - детектор №3.

На фиг.6 представлена типичная осциллограмма сигнала с детектора.

На фиг.7 представлена зависимость тока от времени, где стрелками показан выбранный для спектрального анализа участок, где е - участок для совместного время-частотного анализа.

На фиг.8 представлена характерная зависимость тока от времени в медленной части импульса после исключения медленно меняющейся экспоненциальной составляющей для выбранного участка обработки.

На фиг.9 представлена усредненная по времени спектрограмма зарегистрированных колебаний мощности в медленной части импульса делений, где f - спектрограмма для исходного состояния АЗ, g - спектрограмма для АЗ с установленным ТЭ наибольшего типоразмера с дефектом.

Конструкция данного АИР БР-1 приведена на фиг.1, где 1 - верхний блок АЗ, 2 - нижний блок АЗ, 3 - импульсный блок, 4 - регулирующий блок, 5 - топливный элемент. Более подробно конструкция данного АИР описана в [Павловский А.И., Малинкин А.А., Колесов В.Ф. и др. Бустер-реактор БР-1. ВАНТ. Сер. Импульсные реакторы и простые критические сборки, 1985, Вып. 1, с.3-13].

Основным режимом работы АИР БР-1 является генерирование импульсов делений на мгновенных нейтронах. Типичная форма такого импульса приведена на фиг.2. Как видно из фиг.2, импульс АИР БР-1 состоит из двух частей: быстрой части («колокола») и медленной части («хвоста»), при этом мощность на заднем фронте быстрой части уменьшается более чем на три порядка.

1 этап. Проведены полномасштабные нейтронно-кинетические расчеты импульсов делений в АЗ АИР БР-1, которые осуществлялись путем решения уравнений точечной кинетики для скорости делений. Результатом проведения данных расчетов явилось получение зависимости мощности АИР от времени для импульса делений на мгновенных нейтронах. Расчетные зависимости были получены как для АЗ, не содержащей ТЭ с дефектами, так и для АЗ с различным количеством ТЭ с дефектами. Характер и локализация дефектов, вносимых в расчетную модель, принимались с учетом опыта предыдущей эксплуатации АИР БР-1 и других установок подобного типа. Полученные расчетные зависимости мощности от времени явились входными данными для проведения совместного время-частотного анализа. В результате проведения спектрального анализа была получена трехмерная спектрограмма колебаний мощности реактора в медленной части импульса (фиг.3). Спектр колебаний мощности представлен в осях частота-время-амплитуда колебаний. Анализ спектральной характеристики показал, что спектральные пики, соответствующие ТЭ трех наибольших типоразмеров, наиболее удобно сравнивать по усредненной по времени спектрограмме, а для спектральных пиков ТЭ двух наименьших типоразмеров, амплитуда которых имеет малый статистический вес, необходимо производить срезы спектрограммы в определенные моменты времени. Кроме того, ось спектральной мощности отображена в квадратичной форме для визуального увеличения различий в спектральных характеристиках при наличии в АЗ ТЭ с дефектом и при отсутствии дефектов в ТЭ АЗ (бездефектная АЗ).

На фиг.4 представлены усредненные по времени спектрограммы мощности для вариантов расчета как бездефектной АЗ, так и АЗ, содержащей дефектный ТЭ наибольшего типоразмера, расположенный согласно схеме на фиг.1. Из фиг.4 видно, что в области частот 2,7 кГц наблюдается значительное уменьшение амплитуды спектрального пика. При этом при других частотах изменений мощностей спектральных пиков не происходит. Раздвоение спектрального пика, наблюдаемое на фиг.4, объясняется конструктивными особенностями ТЭ АИР БР-1 и заложенными в расчетную модель средними радиусами для частей ТЭ с большим и меньшим диаметрами. То есть для конструкции АЗ АИР БР-1 критерием при сравнении эксплуатационных спектральных характеристик с опорными служит амплитуда спектрального пика.

2 этап. На втором этапе была разработана компьютерная модель АЗ для определения собственных частот колебаний ТЭ, находящихся в составе АЗ, используемая для численного моделирования механических реакций ТЭ на быстрый разогрев в результате импульса на мгновенных нейтронах. Численное моделирование проведено в двумерной осесимметричной постановке на основе пакета прикладных программ ДИНАМИКА-2 [В.Г.Баженов, С.В.Зефиров, А.В.Кочетков, С.Ф.Крылов и др. Пакет прикладных программ «Динамика-2». Прикладные проблемы прочности и пластичности. Всесоюзный межвузовский сборник, ГГУ, 1987 г., с.4-13].

Результаты моделирования показали, что частоты радиальных колебаний ТЭ совпадают с частотами, соответствующими максимумам на спектре колебаний мощности.

Результаты этапов 1 и 2 указывают на однозначную связь спектра колебаний мощности реактора со спектром механических колебаний АЗ и зависимости характеристик спектра от наличия дефектов в деталях АЗ.

3 этап. Произведена разработка каналов регистрации колебаний мощности в медленной части импульса. При разработке к каналу регистрации предъявлялись такие требования, как высокая чувствительность к излучению реактора и избирательность к его отдельным составляющим, возможность регистрации с перекрытием более чем четырех порядков величины сигнала с детектора и высоким временным разрешением канала. Согласно с вышеизложенными требованиями был создан канал регистрации с временным разрешением - 0,5 МГц, что обеспечило интервал времени при регистрации менее 1/10 части минимального периода колебаний мощности в медленной части импульса. Требование высокого временного разрешения регистрации выдвигается из условия проведения дальнейшего время-частотного анализа. Перекрытие нескольких порядков регистрируемой величины с поддержанием высокой дискретности измерения обеспечивается динамически переключаемым диапазоном регистрации, реализованным блоком переключаемой нагрузки, изменяющим величину нагрузочного сопротивления в заданные моменты времени, тем самым увеличивая соотношение «полезный сигнал - шум» канала регистрации. На фиг.5 приведена схема размещения детекторов нейтронного потока относительно АЗ АИР БР-1. Для каждого детектора (6), (7), (8) излучения реактора организован независимый канал регистрации.

4 этап. Используя созданные каналы, произведена регистрация зависимости мощности от времени для АИР БР-1. На фиг.6 приведена типичная осциллограмма сигнала с детектора. Скачки на осциллограмме соответствуют моментам времени переключения диапазона регистрации. Дальнейшим шагом стало преобразование зарегистрированной осциллограммы напряжений с учетом нагрузочных сопротивлений в характерную зависимость тока от времени (фиг.7). Далее из зависимости тока от времени исключена медленно меняющаяся экспоненциальная составляющая (фиг.8). Данная процедура необходима для подготовки входных данных для совместного время-частотного анализа.

5 этап. Была проведена серия экспериментов на АИР БР-1 при различных энерговыделениях, в АЗ которого был вставлен один ТЭ (5) с известным дефектом. При разборке АЗ АИР БР-1 из нижнего блока (НБ) (2) был удален целый ТЭ наибольшего типоразмера, а на его место установлен ТЭ этого же типоразмера, содержащий дефект. Дефектный ТЭ был помещен в НБ АЗ (фиг.1) в соответствии с требованиями ядерной безопасности.

6 этап. Далее был произведен совместный сравнительный время-частотный анализ колебательного процесса в медленной части импульса на критерий дефектности. Как видно на усредненной спектрограмме (фиг.9), амплитуда спектрального пика на частоте 2,78 кГц, соответствующей ТЭ наибольшего типоразмера при замене его на ТЭ с дефектом, уменьшается в ˜2,2 раза. Этот эффект слабо зависит от величины энерговыделения в АЗ реактора и служит критерием дефектности ТЭ наибольшего типоразмера в соответствии с результатами выполненных нейтронно-кинетических расчетов динамики АЗ АИР БР-1. Это свидетельствует о том, что проведение совместного сравнительного анализа эксплуатационных и опорных построений с учетом выбранного критерия показывает наличие или отсутствие дефекта в ТЭ соответствующего типоразмера.

Осуществление предложенного способа диагностики позволяет проконтролировать состояния ТЭ АЗ АИР в процессе эксплуатации без разборки реактора путем определения целостности ТЭ по анализу спектральной характеристики затухающих колебаний мощности в медленной части импульса делений. Предложенная методика безопасна и не влияет на работу АИР в штатных режимах эксплуатации.

Способ диагностики состояния топливных элементов активной зоны апериодического импульсного ядерного реактора в процессе эксплуатации при генерировании импульсов делений на мгновенных нейтронах в условиях теплового удара, основанный на определении целостности топливных элементов по анализу спектральной характеристики затухающих колебаний мощности в медленной части импульса делений, заключающийся в регистрации формы импульса делений на мгновенных нейтронах в каждом импульсе, определении спектральных характеристик колебаний мощности в медленной части зарегистрированного импульса делений и последующем сравнении на совпадение полученных спектральных характеристик со спектральными характеристиками колебаний мощности в медленной части импульса, зарегистрированными для исходного состояния активной зоны, а также со спектральными характеристиками колебаний мощности, являющимися опорными, полученными в результате полномасштабных нейтронно-кинетических расчетов для активной зоны с топливными элементами, содержащими дефекты и без них, причем сравнение спектральных характеристик производят по амплитудам на коррелирующих частотах, соответствующих собственным частотам механических колебаний топливных элементов в составе активной зоны, полученных в результате численного моделирования механических реакций топливных элементов всех типоразмеров на быстрый разогрев в результате импульса делений, совпадающего по уровню энерговыделения с зарегистрированным в процессе эксплуатации.