Способ контроля герметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем



Способ контроля герметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем
Способ контроля герметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем
Способ контроля герметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем
Способ контроля герметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем
Способ контроля герметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем
Способ контроля герметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем
Способ контроля герметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем

 


Владельцы патента RU 2547447:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Открытое акционерное общество "Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля" (ОАО "НИКИЭТ") (RU)

Заявленное изобретение относится к способу контроля герметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. Способ основан на регистрации изменения показателя газосодержания в первом контуре вследствие потери герметичности теплообменной поверхности парогенератора и барботирования теплоносителя пароводяной смесью. При стационарной работе реакторной установки используемый для компенсации расширения теплоносителя защитный газ - аргон - очищают от паров и аэрозолей и прокачивают через измерительную емкость, проводят последовательные измерения температуры, давления газа, а также спектрометрические измерения активности его компонента 41Ar в измерительной емкости, вычисляют приведенную к нормальным условиям объемную активность 41Ar и определяют ее стационарную величину. Далее негерметичность теплообменной поверхности парогенератора диагностируют по превышению приведенной активности 41Ar ее стационарного значения. Техническим результатом является повышение чувствительности средств выявления негерметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. 1 ил.

 

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к способам контроля герметичности теплообменной поверхности парогенераторов ядерных энергетических установок, в которых для охлаждения активной зоны используется тяжелый жидкометаллический теплоноситель, например свинец или расплав свинца с висмутом.

Для данного типа установок предложены двухконтурные схемы. Давление во втором пароводяном контуре у них значительно выше, чем в первом контуре, поэтому гипотетическая ситуация с потерей герметичности теплообменной поверхности парогенератора будет приводить к проникновению пароводяной среды в первый контур и барботированию жидкометаллического теплоносителя.

В рассматриваемых установках в верхней части реакторного пространства над зеркалом жидкометаллического теплоносителя предусматривают защитную газовую подушку из аргона, которая служит компенсатором теплового расширения жидкометаллического теплоносителя и коллектором выходящего из него газа или водяного пара в случае течи парогенератора.

Оперативный и надежный контроль межконтурной герметичности парогенераторов имеет большое значение для обеспечения безопасной эксплуатации установок данного типа. Между тем использование жидкометаллического теплоносителя усложняет проведение такого диагностирования и сужает круг технических решений, которые можно было бы для этого применить.

Известен нейтронно-шумовой способ диагностирования негерметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки со свинцово-висмутовым теплоносителем (С.А. Морозов «Применение реактивностных методов диагностирования попадания пара и нерастворенного газа в теплоноситель в активной зоне реактора стенда 27ВТ/5». Третья межотраслевая научно-практическая конференция «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях». Обнинск, 2010, сборник трудов, т.1, с.29-42). В способе используется эффект изменения реактивности ядерного реактора при замене части объема теплоносителя в активной зоне паровыми пузырьками. При этом проводят спектральный анализ нейтронных шумов реактивности ядерного реактора или взаимно корреляционный анализ шумов реактивности и давления в первом контуре. Недостатком известного способа является его относительно низкая чувствительность. Она оказывается недостаточной для диагностирования нарушения герметичности теплообменной поверхности парогенератора на ранней стадии развития сквозного дефекта.

Известен также индукционно-пузырьковый способ, выбранный в качестве наиболее близкого к заявляемому. Он применен в устройстве контроля газа в жидкометаллическом теплоносителе для диагностирования негерметичности парогенераторов типа вода - жидкий свинец или вода - расплав свинца с висмутом (RU 2426111 C1, опуб. 10.08.11). В этом решении жидкометаллический теплоноситель прокачивают через трубопровод, на котором предварительно устанавливают измерительно-сигнальное устройство в виде обмотки возбуждения и индуктивно связанных с ней измерительных обмоток, а внутри трубопровода устанавливают вихреобразующий обтекатель. С помощью постоянных измерений в реальном масштабе времени отслеживают показатель газосодержания в жидкометаллическом контуре. При возникновении барботирования регистрируют изменение этого показателя и принимают решение о наличии течи в парогенераторе.

Недостатком данного способа является его привязка к трубопроводам первого контура, внутри которых требуется установка дополнительных конструктивных элементов - вихреобразующих обтекателей, необходимость дублирования, то есть применения его на каждом парогенераторе для обеспечения нужной чувствительности, а также использование измерительных датчиков, которые должны работать в условиях высоких температур и повышенного радиационного облучения. Указанные обстоятельства ограничивают надежность и безопасность данного способа.

Задачей настоящего изобретения является улучшенная по сравнению с известным решением совокупность свойств - повышенная надежность, безопасность, чувствительность и простота реализации.

Достигаемый при этом технический результат состоит в том, что предложенный способ позволяет диагностировать потерю герметичности без использования сложных конструктивных, измерительных устройств внутри контура жидкометаллического теплоносителя, например профилирующих элементов, как в прототипе, или отборов проб, не требует дублирования, то есть установки одинаковых измерительных устройств у каждого парогенератора.

В основе предложенного способа лежат физические явления, проявляющиеся безотносительно от того, какой выбрана конструкция реакторной установки и ее технологическая схема и как расположены трубопроводы первого контура. То есть реализация способа не привязана к конструктивным особенностям реакторной установки.

Как будет показано ниже в примере его конкретного применения, способ обеспечивает на порядок большую чувствительность диагностирования межконтурной негерметичности парогенератора, чем известные способы, в частности нейтронно-шумовые.

Надежность способа связана также с его высокой избирательностью, исключающей принятие ложных заключений о негерметичности под влиянием сторонних факторов. Поскольку в нем применен иной диагностический признак, чем в известных способах, то его одновременное использование с этими способами повысит достоверность регистрации негерметичности теплообменной поверхности парогенератора.

В предложенном способе в отличие от известных решений в качестве диагностического признака используется такое проявление эффекта барботирования теплоносителя пароводяной средой, как вымывание растворенных в нем инертных газов - газообразных продуктов деления и активации. При работе реакторной установки в стационарном режиме большинство радиоактивных газообразных продуктов деления и активации достигают равновесной активности в средах первого контура в течение нескольких суток. Течь парогенератора сопровождается барботированием теплоносителя, растворенные в нем газы посредством диффузии переходят в объем паровых пузырей, переносятся с пузырями по контуру теплоносителем и затем выносятся в подушку защитного газа над зеркалом теплоносителя.

Помимо прочих компонентов, среди газообразных продуктов активации имеется изотоп 41Ar, продукт активации растворенного в жидкометаллическом теплоносителе защитного газа аргона, поэтому одним из проявлений негерметичности теплообменной поверхности парогенератора будет рост содержания данного изотопа и, следовательно, его активности в газовой системе первого контура, что может быть зафиксировано спектрометрическими измерениями, обладающими высокой чувствительностью и надежностью.

Основой предложенного способа является регистрация роста активности изотопа 41Ar в газовой системе как диагностического признака негерметичности теплообменной поверхности парогенератора. Как будет показано ниже, использование именно этого изотопа в качестве реперного обусловлено уникальной комбинацией его свойств, проявляющихся в предложенном способе и обеспечивающих его реализацию.

Сущность заявленного способа состоит в следующем. Оперативный контроль герметичности теплообменной поверхности парогенератора осуществляют путем постоянного отслеживания показателя активности изотопа 41Ar. Для этого в газовой системе первого контура используют измерительную емкость. В емкости имеются датчики для измерения температуры и давления аргона. Кроме того, с наружной стороны емкости размещают спектрометрические датчики для измерения активности содержащегося в ней изотопа 41Ar.

При работе реакторной установки в стационарном режиме, то есть при постоянном уровне мощности и постоянном расходе теплоносителя, некоторое количество защитного газа первого контура - аргона - очищают от паров и аэрозолей и прокачивают через измерительную емкость. При этом измеряют активность изотопа 41Ar A и з м k (Бк), температуру T и з м k (К) и давление P и з м k (Па) аргона в емкости. Регистрируют измеренные величины. По этим величинам рассчитывают объемную активность изотопа 41Ar, приведенную к нормальным условиям (P0=1,01·105 Па, T=293 К):

где k - порядковый номер измерения, VЕИ - объем измерительной емкости, м3.

Объемную активность a k используют в качестве реперного показателя для контроля герметичности теплообменной поверхности парогенератора.

Измерения и расчеты приведенной активности a k продолжают проводить с заданной периодичностью. Сравнивая получаемые данные с предыдущими, фиксируют установление стационарного значения активности a стац.

Продолжают повторять измерения и расчеты, сравнивая вновь получаемые значения a k со стационарным значением a стац.

Заключение о негерметичности теплообменной поверхности парогенератора принимают в случае, когда расчетная приведенная объемная активность изотопа 41Ar превысит свое стационарное значение на некоторую заданную величину, определяемую порогом погрешности.

Промышленная применимость заявленного способа и достижение технического результата могут быть подтверждены следующими аргументами.

При работе реакторной установки теплоноситель первого контура содержит растворенные в нем инертные газы: аргон из газовой системы и газообразные продукты деления, попадающие в теплоноситель в результате деления урана, содержащегося как примесь в теплоносителе, в сталях элементов активной зоны и в поверхностном загрязнении оболочек твэлов топливной композицией.

Газообразные продукты деления также могут поступать в теплоноситель из тепловыделяющих элементов при возникновении сквозного дефекта оболочек. Эти растворенные инертные газы циркулируют по контуру установки, активируются в активной зоне, их изотопы посредством диффузии выходят через зеркало теплоносителя в газовую систему. Газообразными продуктами активации аргона являются изотопы 37Ar, 39Ar и 41Ar, а газообразными продуктами деления - изотопы криптона и ксенона. В стационарном режиме работы установки, то есть при постоянном уровне мощности и постоянном расходе теплоносителя в его объеме и в газовой системе первого контура устанавливаются равновесные концентрации большинства радиоактивных изотопов этих элементов.

Если к указанным процессам применить камерную расчетную модель, то баланс активности i-го изотопа инертного газа в теплоносителе и в газовой системе можно описать системой уравнений

с нулевыми начальными условиями A i т н ( 0 ) = A 0 i т н , A i г с ( 0 ) = A 0 i г с ,

где A i т н - активность i-го изотопа в теплоносителе, Бк; A i г с - активность i-го изотопа в газовой системе, Бк; q i т н - скорость поступления i-го изотопа в теплоноситель, Бк/с; λi - постоянная распада, с-1; ν - относительная скорость дегазации (постоянная дегазации) теплоносителя, с-1, равная отношению скорости выхода газа из теплоносителя в газовую систему к его содержанию в теплоносителе; ς - относительная скорость утечки газа из газовой системы, с-1.

К газовым системам первого контура предъявляются высокие требования по герметичности, ограничивающие утечку уровнем не более 10-12 с-1. При расчете активности рассматриваемых изотопов в газовой системе утечкой из нее можно пренебречь и тогда решение системы уравнений (2) для активности i-го изотопа в газовой системе принимает вид:

Таким образом, при стационарном режиме работы по прошествии определенного промежутка времени устанавливаются равновесные значения активности большинства изотопов в газовой системе.

Равновесие нарушается при барботировании, когда возникает сквозной микродефект теплообменной поверхности парогенератора. Пароводяная смесь из второго контура проникает в жидкометаллический теплоноситель, образуются паровые пузырьки, т.е. развивается внутренняя межфазная поверхность. Через нее содержащиеся в теплоносителе инертные газы диффундируют во внутренний объем паровых пузырьков, циркулируют вместе с ними по контуру и при всплытии пузырьков к зеркалу теплоносителя выходят в газовую систему. В результате возрастает активность газообразных продуктов активации и деления в газовой системе первого контура.

Если предположить, что величина ν прямо пропорциональна поверхности выхода газа из жидкого металла, то относительную скорость дегазации теплоносителя в условиях барботирования можно описать следующим выражением

где: Sзерк - площадь зеркала теплоносителя (поверхности раздела) м2; Sбарб - площадь межфазной поверхности, образуемой пузырьками, м2; νo - постоянная дегазации теплоносителя при отсутствии барботирования, с-1; νбарб - постоянная дегазации теплоносителя при барботировании, с-1.

В условиях динамического равновесия активность i-го изотопа инертного газа в газовой системе может быть выражена формулой

Поскольку при любых условиях νбарбo, то значение A i г с при барботировании будет больше, чем в отсутствие барботирования, если скорость поступления изотопа в теплоноситель q i т н постоянна. Причем, чем меньше период полураспада изотопа, тем заметнее будет увеличение его активности в газовой системе при барботировании теплоносителя. Как показывают расчеты, для реакторов с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем νo имеется величина порядка 10-6 с-1, а νбарб - от 10-6 до 10-4 с-1. Оптимальная для диагностирования величина постоянной распада реперного изотопа λi находится в интервале от 10-5 до 10-4 с-1. Вне этого интервала либо не достигается нужная чувствительность измерений, либо не хватает запаса времени для их проведения.

Данному условию удовлетворяет изотоп 41Ar, у которого λ=1,05·10-4 с-1. Он не является продуктом деления и в случае разгерметизации тепловыделяющих элементов рост активности защитного газа произойдет за счет вклада других изотопов, в частности ксенона и криптона, но не 41Ar. Поэтому измерение активности именно 41Ar позволяет избежать ложного вывода о течи парогенератора при разгерметизации тепловыделяющих элементов.

Изотоп 41Ar наряду с оптимальным значением постоянной распада и тем, что он не является продуктом деления, характеризуется еще одним необходимым для реализации предложенного способа свойством, которым не обладают другие газообразные продукты активации аргона, а именно наличием ярко выраженной (выше 0,5 МэВ) линии гамма-излучения. Эта особенность позволяет использовать для измерения его активности гамма-спектрометрический метод, который отличается высокой надежностью и чувствительностью и не требует размещения датчиков непосредственно внутри газовой системы первого контура. У изотопа 41Ar энергия гамма-излучения составляет 1,29 МэВ, что позволяет применить обычные промышленные датчики-спектрометры и разместить их с наружной боковой поверхности измерительной емкости. Для повышения надежности измерений и обеспечения ремонтопригодности желательна установка двух или более датчиков. При этом подачу аргона в емкость необходимо проводить после его предварительной очистки от паров и аэрозолей, с тем чтобы они не накапливались в емкости и не создавали паразитного фонового излучения.

При определении расчетного стационарного значения объемной активности 41Ar в измерительной емкости ее следует приводить к нормальным условиям, т.к. при измерениях могут быть различия в давлении и температуре газа в емкости и, следовательно, может изменяться его плотность. Поэтому нормировка (расчетное приведение к нормальным условиям) уменьшает ошибку измерений. В качестве величины порогового превышения приведенной стационарной активности может быть принято значение порядка 10%, соответствующее погрешности измерений. При превышении этой пороговой величины принимается решение о наличии негерметичности парогенератора.

В качестве примера конкретного применения способа можно рассмотреть его реализацию на работающей в стационарном режиме реакторной установке со свинцовым теплоносителем, при постоянном уровне тепловой мощности 600 МВт и постоянном расходе теплоносителя 3,84-104 кг/с. Скорость поступления активности изотопа 41Ar в теплоноситель в данном случае может быть оценена величиной 1,47·107 Бк/с.

Объем газовой системы первого контура реакторной установки такого типа достигает 300 м3. Соответствующее указанному режиму работы стационарное значение объемной активности изотопа 41Ar в газовой системе, определенное по формуле (2), равно 5,82·106 Бк/м3. Соответствующая стационарная активность данного изотопа в теплоносителе составляет 1,38·1011 Бк.

Площадь зеркала теплоносителя оценивается в 130 м2. При отсутствии барботирования относительная скорость выхода аргона из теплоносителя, определенная с помощью закона Фика и формулы Эйнштейна-Стокса для коэффициентов диффузии в жидкости, составляет 1,34·10-6 с-1.

Расчеты показывают, что в результате возникновения негерметичности одной трубки парогенератора в свинцовый теплоноситель будет поступать пароводяная смесь с массовым расходом около 1,16·10-4 кг/с (10 кг/сут), что составляет 5,7·10-10 от расхода парогенератора. В первом контуре возникнет пузырьковый режим двухфазного течения.

Соответствующий режиму течения в первом контуре эффективный радиус парового пузырька Rэфф составит 0,5 мм, а время жизни пузырька τ будет примерно равным среднему времени циркуляции теплоносителя по первому контуру tц и будет достигать 250 с, удельный объем пара υ (для средних значений температуры и давления свинца в первом контуре) составит 0,485 м3/кг, а объемный расход течи g - 5,62·10-5 м3/с.

Межфазная поверхность пузырей, определенная по формуле (4), равна 83 м2. Относительная скорость дегазации, определяемая по формуле (3), в результате течи парогенератора увеличится до величины 2,17·10-6 с-1.

Способ диагностирования негерметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки со свинцовым теплоносителем включает следующие операции.

При работе реакторной установки со свинцовым теплоносителем в указанном выше режиме постоянной мощности некоторое количество защитного газа-аргона подвергают очистке от паров и аэрозолей и затем направляют в измерительную емкость объемом 10 л. Для очистки можно использовать холодные ловушки и фильтры, а контроль активности проводить на штатной системе контроля герметичности оболочек тепловыделяющих элементов, которая оснащена гамма-спектрометрическим оборудованием. При этом два или более спектрометров гамма-излучения, состоящие, например, из германиевого детектора GC-1518 и анализатора типа DSA-1000 фирмы "Canberra", размещают в специальных гнездах на наружной поверхности измерительной емкости.

С периодичностью один час измеряют активность 41Ar в измерительной емкости, при этом время измерения составляет около 600 с. Одновременно измеряют температуру и давление газа в измерительной емкости. В данном случае температура газа принята равной 50°C, давление - 1,05·105 Па.

По показаниям спектрометров, датчиков давления и температуры газа в измерительной емкости, зная ее объем, рассчитывают среднее значение объемной активности изотопа 41Ar в измерительной емкости, приведенное к нормальным условиям. Описанную процедуру повторяют до установления стационарного значения объемной активности 41Ar, которое в данном случае составит 6,11·106 Бк/н-м3.

Далее с заданной периодичностью продолжают выполнять описанные выше измерения и расчет объемной активности 41Ar, приведенной к нормальным условиям.

Получаемые значения объемной активности сравнивают со стационарным значением, принимая во внимание при этом возможную погрешность измерений.

Предельная относительная ошибка может быть, например, выбрана равной 10%.

Ошибка измерений в данном случае составит 6,11·105 Бк/н-м3. Если измеренное значение объемной активности 41Ar превысит 6,72·106 Бк/н-м3, то негерметичность теплообменной поверхности парогенератора (течь парогенератора) считается установленной.

Изменение объемной активности изотопа 41Ar в газовой системе в результате возникновения течи парогенератора, рассчитанное по формуле (2), представлено на фигуре. Если указанная течь парогенератора возникла в момент времени, соответствующий на графике трем часам, то при следующем измерении (через час) можно установить факт наличия течи парогенератора. При этом газосодержание в теплоносителе составляет ~1.3·10-5, что подтверждает более высокую чувствительность предлагаемого способа по сравнению с известными, например нейтронно-шумовыми, у которых порог чувствительности соответствует газосодержанию 10-4.

Способ контроля герметичности теплообменной поверхности парогенератора реакторной установки с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, в котором проводят измерения, рассчитывают показатель газосодержания в контуре жидкометаллического теплоносителя и по изменению этого показателя, вызванного барботированием теплоносителя пароводяной смесью, диагностируют потерю герметичности, отличающийся тем, что при стационарной работе реакторной установки, в которой используют аргон для компенсации расширения теплоносителя, аргон очищают от паров и аэрозолей, прокачивают через измерительную емкость, в которой проводят измерения его температуры и давления, а также спектрометрические измерения активности его компонента 41Ar, рассчитывают приведенную к нормальным условиям объемную активность 41Ar, выбранную в качестве показателя газосодержания, определяют ее стационарную величину, а потерю герметичности теплообменной поверхности парогенератора диагностируют по превышению приведенной активности 41Ar ее стационарного значения.



 

Похожие патенты:

Способ и устройство предназначены для разовой проверки и постоянного контроля изгиба труб 1 технологических каналов в ядерных установках. Устройство содержит гибкую измерительную штангу 2.

Изобретение относится к контролю каналов реактора, а именно к средствам индикации изгиба технологического канала реактора большой мощности РБМК в процессе его эксплуатации.

Изобретение относится к мониторингу объектов атомной энергетики. Технический результат - определение оценки риска объекта атомной энергетики.

Изобретение относится к области эксплуатации канальных ядерных реакторов, в частности реакторов типа АДЭ, и может быть использовано для непрерывного контроля искривления технологических каналов.

Изобретение относится к области контрольной и измерительной техники и предназначено для проведения технологических операций. .

Изобретение относится к ядерной технике. .

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к устройствам для контроля геометрических параметров технологических каналов ядерных реакторов типа РБМК.

Изобретение относится к области измерительной техники и служит для измерения параметров технологических каналов ядерных реакторов типа РБМК. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в народном хозяйстве для определения расхода течей теплоносителя акустического происхождения, в частности для контроля и диагностики герметичности трубопроводов (.с теплоизоляцией и без теплоизоляции) и оборудования с реакторами РБМК, ВВР на АЭС.

Изобретение относится к средствам разовой проверки и постоянного контроля изгиба труб технологического канала в ядерных установках, находящихся в эксплуатации при ограниченном доступе. Устройство содержит гибкую измерительную штангу (2). Штанга состоит из секций (3), последовательно соединенных муфтами (4). Торец секции (3) заужен и свободно расположен внутри сопрягаемой секции, где связан со связующим телом. Тело пропущено внутри штанги и связано с датчиком (7) перемещения. Датчик перемещается связующим телом (5). Выставляют датчик на нулевую отметку перед началом контроля. Размещают штангу в разгруженной трубе (1). При изменении межсекционного изгиба штанги в стыке на угол α переводят изгиб в линейное смещение Δ конца секции. Смещение Δ переводят в пропорциональное смещение датчика. После запуска реактора контролируют дальнейшее искривление трубы. Техническим результатом является увеличение чувствительности устройства к искривлению технологического канала и повышение информативности способа измерения при непрерывном контроле. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство для накопления, изоляции, отображения и отвода накопленного газа в трубе системы с текучей средой включает в себя основное трубное соединительное устройство, прикрепленное к трубе системы, в которой просверлено отверстие. Вертикальная труба, прикрепленная к трубному соединительному устройству, вмещает в себя магнитный поплавок. Индикатор уровня магнитного поплавка снаружи трубы отображает уровень магнитного поплавка. Клапан, прикрепленный к вертикальной трубе над магнитным поплавком, обеспечивает управляемый отвод газа из вертикальной трубы и, таким образом, из системы трубопроводов. Газ из трубы системы, накапливающийся в вертикальной трубе, удаляется из первичного пути потока текучей среды трубы системы. В вертикальной трубе, по мере снижения поверхности раздела жидкости/газа, поплавок опускается до заданного уровня, при котором пользователь отводит газ из системы трубопроводов, заставляя магнитный поплавок подниматься, отображая, что газ в системе трубопроводов снова находится на допустимых уровнях. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 11 ил.
Наверх