Устройство непрерывного контроля обогащения и содержания оксида гадолиния в пресспорошке ядерного топлива при его засыпке в устройство прессования топливных таблеток

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при изготовлении таблеток ядерного топлива для контроля обогащения U235 и содержания Gd2O3 в пресспорошках UO2. Устройство контроля обогащения U235, а также содержания Gd2O3 в пресспорошке ядерного топлива, содержащее бункер, соединенный засыпной трубой с устройством прессования таблеток, детектор собственного гамма-излучения, расположенный в непосредственной близости с боковой стенкой засыпной трубы. Устройство снабжено промышленным компьютером, содержащим спектрометр, позволяющий получать и анализировать спектральную характеристику зарегистрированного собственного гамма-излучения пресспорошка урана, содержащего оксид гадолиния. Изобретение позволяет обеспечить оперативный контроль обогащения U235, а также содержания Gd2O3 с учетом плотности измеряемой пробы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при изготовлении таблеток ядерного топлива для одновременного контроля обогащения U235 и содержания Gd2O3 в пресспорошках UO2 с учетом их плотности и с возможностью передачи сигнала в систему управления работой устройства прессования для регулировки подачи пресспорошка или его остановки.

Под обогащением урана принято понимать либо атомную, либо массовую концентрацию изотопов U235 в образце, выраженную в процентах (Фролов В.В. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 116). Под содержанием Gd2O3 принято понимать либо атомную, либо массовую концентрацию Gd2O3, выраженную в процентах. Непринципиальное различие между этими определениями для предлагаемого способа несущественно.

Известно устройство для контроля насыпной плотности и текучести сыпучих высокорадиоактивных материалов для производства твэлов ядерных реакторов, которое включает мерную воронку с шибером, размещенную в корпусе, весовую платформу, соединенную с компьютером, приемную емкость, размещенную под воронкой на весовой платформе (RU 2494371 С1, опубл. 27.09.2013). Установка предназначена для определения плотности порошка для изготовления таблеток ядерного топлива, но она не позволяет контролировать плотность пресспорошка непосредственно перед подачей на прессование.

Процесс производства топливных таблеток заключается в их прессовании на прессе из пресспорошка двуокиси урана. Данный пресспорошок под действием силы тяжести свободно сыпется из контейнера по вертикальной трубе в пресс. Из-за случайных ошибок состав пресспорошка может отличаться от заданных требований к технологическому процессу в виде отклонений по содержанию оксида гадолиния и U235 в составе общего урана, а также насыпной плотности. При свободном движении порошка по трубе периодически возникают ситуации, когда плотность двигающегося порошка по трубе может резко или постепенно уменьшиться. Это связано с разной текучестью пресспорошка, которая зависит от многих причин, таких как влажность пресспорошка, плотность пресспорошка в контейнере, однородность пресспорошка и др. Из-за различной текучести пресспорошка оператор вручную регулирует устройство дозирования его подачи в пресс-формы, следя за величиной усилия и величиной хода пуансонов пресса. Однако если усилие и величина хода пуансонов выходит за рамки выставленных уставок, то прессование останавливается и может быть продолжено только тогда, когда при запуске пресса в работу все параметры будут в норме.

Этот процесс уменьшения плотности пресспорошка может быть резким, тогда оператор быстро реагирует и останавливает пресс. Однако при постепенном уменьшении подачи пресспорошка (данный процесс является неконтролируемым, так как все это происходит внутри системы, которая является полностью закрытой), т.е. при постепенном забивании трубы выше пресса пресспорошком происходит уменьшение его плотности, что может сказаться на плотности «сырых» таблеток (так как процесс реагирования автоматики на усилие и ход пуансонов является инерционным). При этом количество таких таблеток может быть совсем небольшим, и они могут быть не выявлены при выборочном контроле их плотности и уйдут в годную продукцию, что является неприемлемым.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство непрерывного контроля плотности пресспорошка ядерного топлива при его засыпке в устройство прессования топливных таблеток (RU 2572241, опубл. 10.01.2016). Данное устройство содержит бункер с пресспорошком, который соединен вертикальной засыпной трубой с устройством прессования таблеток. Вблизи устройства прессования с противоположных сторон трубы установлены источник гамма-излучения, например, типа Cs 137 активностью 4,0⋅109 ГБк и блок детектирования, например, типа БОИ-4, который соединен с блоком регистрации, включающим преобразователь сигнала, например, типа РРП-3 и электронный графический регистратор, например, типа ЭЛМЕРО-ВИЭР-104К, последовательно соединенные линиями связи.

Устройство обеспечивает непрерывный контроль плотности пресспорошка ядерного топлива при его подаче на прессование топливных таблеток и, таким образом, контроль необходимой плотности, геометрии и сплошности получаемых таблеток ядерного топлива.

Однако данное устройство не позволяет одновременно осуществлять контроль содержания Gd2O3 в пресспорошке, а также содержание условной массовой доли U235, получать, формировать, обрабатывать и анализировать спектральную характеристику зарегистрированного гамма-излучения урана с примесью оксида гадолиния, источником которого является сам пресспорошок урана, без использования дополнительного источника ионизирующего излучения.

Данные недостатки отсутствуют в предлагаемом устройстве непрерывного контроля обогащения 235U и содержания Gd2O3 в пресспорошках ядерного топлива.

Существуют следующие методы контроля обогащения пресспорошка:

- масс-спектрометрический метод;

- радиационный метод;

- метод, основанный на относительных автоэмиссионных измерениях.

Масс-спектрометрический метод определения содержания в веществе атомов той или иной массы основан на разделении потоков ионизированных частиц, различающихся отношением массы к заряду (Цитович И.К. Курс аналитический химии. М.: Высшая школа, с. 330-331). Недостатком приведенного метода является его применение только в лабораторных условиях. Кроме того, метод чрезвычайно неоперативен, так как на отбор, передачу и анализ образцов требуется не менее суток, поэтому он неприменим для оперативного контроля свойств пресспорошков на технологической линии.

Радиационные методы контроля обогащения основаны на измерении фотонного спектра (рентгеновское и гамма-излучение). При этом используются спектрометры на основе как полупроводниковых, так и сцинтилляционных детекторов, и, кроме того, в силу ряда причин (сложность обслуживания, проблема долговечности и т.п.) полупроводниковые детекторы практически не применяются в производственных условиях (Фролов В.В. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 116-127).

В реальных условиях неизменность подчеркнутых параметров чрезвычайно трудно обеспечить, поэтому точность обычно бывает хуже, а также отсутствует возможность одновременного определения содержаний Gd2O3 и U235 и плотности в составе пресспорошков.

Метод, основанный на относительных автоэмиссионных измерениях, заключается в том, что при калибровке известному обогащению эталонных образцов сопоставляется отношение площадей основного аналитического пика и пика гамма-излучения дочерних продуктов U238 области 766 или 1001 КэВ, а при измерении обогащения неизвестного образца определяется отношение площадей соответствующих пиков и подставляется в калибровочную зависимость. Этот способ не столь чувствителен к идентичности параметров исследуемого и эталонных образцов, однако он позволяет достаточно точно и оперативно (за несколько минут) определить обогащение в образцах, в которых радиационное равновесие, нарушенное в процессе производства топлива, уже установилось. Период установления равновесия по продуктам распада U238 составляет около полугода, что для контроля технологии неприемлемо.

Задачей изобретения является создание высокоэффективного устройства контроля обогащения U235, а также содержания Gd2O3 с учетом плотности пресспорошков при произвольной степени нарушения радиационного равновесия с возможностью управления технологическим процессом прессования.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении одновременного оперативного контроля обогащения U235, а также содержания Gd2O3 с учетом плотности пресспорошков в измеряемой пробе, возможности управления технологическим процессом прессования таблеток, снижении брака в производстве порошков ядерного топлива.

Технический результат достигается устройством одновременного и непрерывного контроля обогащения U235, содержания Gd2O3 в пресспорошках ядерного топлива при их засыпке в устройство прессования топливных таблеток, содержащим бункер, соединенный засыпной трубой с устройством прессования таблеток, детектор гамма-излучения, расположенный в непосредственной близости с боковой стенкой засыпной трубы, промышленный компьютер для регистрации, управления и обработки результатов. Промышленный компьютер содержит спектрометр, позволяющий получать, формировать, обрабатывать и анализировать спектральную характеристику зарегистрированного гамма-излучения урана с примесью оксида гадолиния, источником которого является сам пресспорошок урана.

В качестве источника гамма-излучения используются пресспорошки ядерного топлива. Регистрацию излучения, исходящего от измеряемой пробы порошка ядерного топлива, осуществляют с помощью сцинтилляционного детектора по собственному гамма-излучению. Система контроля содержит один канал измерения, состоящий из блока детектирования, расположенного с одной стороны засыпной трубы, соединяющей бункер с пресспорошком с устройством прессования таблеток. Коммутационные соединения выводятся на промышленный компьютер, содержащий спектрометр. Измерения происходят в диапазоне энергий гамма-излучения от 0 до 500 кэВ.

На фиг. 1 изображена схема предложенного устройства.

На фиг. 2 изображены области интереса в спектре характеристического излучения изотопов. Области интереса выделены вертикальными линиями зеленого цвета, область 1 используется для определения содержания U235 в пресспорошке, области 2 и 3 используются соответственно для определения содержания Gd2O3 и плотности ядерного топлива.

На фиг. 3 изображены функции распределения характеристического излучения ядерного топлива во времени. Фиг. 3А иллюстрирует скачок U235 во время технологического процесса прессования таблеток ядерного топлива. Фиг. 3Б иллюстрирует скачок плотности во время технологического процесса прессования таблеток.

Устройство для одновременного контроля содержания U235 и оксида гадолиния с учетом плотности пресспорошка ядерного топлива содержит бункер с пресспорошком 1, который соединен засыпной трубой 2 с устройством прессования 3. Измерительный узел, который включает сцинтилляционный блок детектирования 4 с кристаллом (например, NaI(Tl)) 5, расположенный специальным образом с боковой стороны засыпной трубы перед устройством прессования таблеток для заданной геометрии измерений, который соединен с блоком регистрации, управления и обработки результатов измерения 5, включающим компьютер со специально установленным спектрометром (например, SBS-77) и коммутационными кабелями 6. Блок регистрации выполнен с возможностью передачи сигнала в систему управления работой пресса.

Блок детектирования 4 предназначен для регистрации гамма-излучения, исходящего из вертикальной засыпной трубы с движущимся пресспорошком ядерного топлива. Спектрометр (например, SBS-77) предназначен для получения, формирования, обработки и анализа спектрометрической информации об исходящем от пробы собственном гамма-излучении урана общего с примесью оксида гадолиния, характеризующего обогащение U235 и содержание Gd2O3 в пресспорошке, и установлен в корпус компьютера с выводом данных на монитор блока управления и обработки результатов измерения 5.

Устройство работает следующим образом.

Пресспорошок поступает из бункера 1 в устройство прессования таблеток 3 по вертикальной засыпной трубе 2. Осуществляют измерение собственного гамма-излучения пресспорошка урана с энергиями 98,43 кэВ и 185,7 кэВ в засыпной трубе 2 автоэмиссионным методом измерения. Собственное гамма-излучение измеряемой среды регистрируется блоком детектирования 4 типа БДЭГ с кристаллом NaI(Tl). Далее сигнал от блока детектирования по линиям связи 6 подается на промышленный компьютер 5, внутри которого установлен спектрометр 7. С его помощью получают, формируют, обрабатывают и анализируют спектральную характеристику зарегистрированного гамма-излучения урана для одновременного контроля содержания Gd2O3 , содержания U235 и плотности в составе измеряемого пресспорошка.

Оксид гадолиния определяется как обратная зависимость от площади набранного пика полного поглощения характеристического излучения пресспорошка с энергией 98,43 кэВ. Содержание изотопа урана 235U определяется как прямая зависимость от площади набранного пика полного поглощения характеристического излучения пресспорошка с энергией 185,7 кэВ, плотность оценивается как интеграл от общего счета импульсов с высокой энергией.

Предложенное устройство предназначено для анализа обогащения U235 и содержания Gd2O3 в пресспорошках, участвующих в технологическом процессе прессования таблеток ядерного топлива. Метод измерения - автоэмиссионный (регистрация по собственному излучению).

Геометрические размеры вертикальной насыпной трубы соответствуют необходимым требованиям для излучения гамма-квантов с «бесконечной толщины» пресспорошка ядерного топлива, тем самым обеспечивается независимость ослабления в материале пробы от плотности измеряемого пресспорошка с заданной геометрией измерений.

При измерении используется автоэмиссионный метод измерения собственного γ-излучения порошков ядерного топлива в диапазоне энергетических линий от 0 до 500 КэВ, при этом область от 230 до 500кэВ считается областью высоких энергий для контроля насыпной плотности.

Принцип действия установки при измерении обогащения U235 , содержания Gd2O3 и плотности в пресспорошках ядерного топлива заключается в регистрации собственного потока γ-квантов измеряемой пробы порошков, прошедшего через ограниченный коллиматором (входного отверстия блока защиты) участок контролируемой вертикальной засыпной трубы 2 для заданной геометрии измерений.

В процессе контроля площади пиков полного поглощения γ-квантов U235, U238, а также гамма-квантов с относительно высокой энергией в диапазоне от 0 до 500 КэВ, зарегистрированных с помощью сцинтилляционного блока 4 детектирования, преобразуются в статистически распределенную последовательность электрических импульсов, поступающих на плату спектрометрического анализатора (см. фиг. 2), где происходит соответствующее усиление и амплитудная дискриминация, а далее запись в файл временной последовательности чисел.

При анализе файла данных с помощью программы его обработки определяется кривая распределения пиков полного поглощения с соответствующими энергиями для контроля Gd2O3 - 98,43 кэВ, U235 - 185,7 кэВ при неизменном значении плотности анализируемого пресспорошка. Далее производится оценка количества импульсов, попавших в пик полного поглощения характеристического излучения урана общего, и в соответствии с полученными значениями определяется содержание U235 и содержание Gd2O3 в пресспорошке в вертикальной засыпной трубе.

Все измеренные значения записываются в базу данных программы, а также выводятся на экран компьютера.

Установка позволяет с высокой эффективностью одновременно определять обогащение U235 и содержание Gd2O3 в топливе, формировать базу данных по проконтролированным пробам с возможностью управления установкой прессования и выдавать полученные данные на экран компьютера или на печатающее устройство в процессе производства.

1. Устройство непрерывного контроля обогащения U235 и содержания оксида гадолиния в пресспорошках ядерного топлива при их засыпке в устройство прессования топливных таблеток, содержащее бункер, соединенный засыпной трубой с устройством прессования таблеток, детектор собственного гамма-излучения, расположенный в непосредственной близости с боковой стенкой засыпной трубы, промышленный компьютер для регистрации, управления и обработки результатов, отличающееся тем, что промышленный компьютер содержит спектрометр, позволяющий получать и анализировать спектральную характеристику зарегистрированного гамма-излучения пресспорошка урана, содержащего оксид гадолиния.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что детектор собственного гамма-излучения пресспорошка урана выполнен на основе кристалла NaI(Tl).

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что цифровая обработка спектра измерения позволяет определять содержание Gd2O3 в виде обратной линейной зависимости площади пика полного поглощения характеристического излучения изотопов урана с энергией 98,43 кэВ от процентного содержания оксида гадолиния, а также прямой пропорциональной зависимости площади пика полного поглощения характеристического гамма-излучения изотопа U235 с энергией 185,7 кэВ от процентного содержания U235 с учетом плотности в составе пресспорошка автоэмиссионным методом измерения с возможностью передачи сигнала управления на установку прессования и визуализацией протекающих процессов измерения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при контроле равномерности распределения топлива в тепловыделяющих элементах (твэлах) гамма-адсорбционным методом с помощью сцинтилляционного спектрометра.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть применено при изготовлении кольцевых тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов. Установка для контроля характеристик топливного столба кольцевых твэлов содержит расположенные в ряд блоки 1-4 детектирования собственного гамма-излучения топливного столба и блоки 5, 6 детектирования гамма-излучения, прошедшего через топливный столб.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов) для тепловыделяющих сборок ядерных реакторов.

Изобретение относится к электрическим нагревателям, предпочтительным применением которых является электрическое моделирование ядерных топливных стержней, предназначенных для соединения в сборки в силовых реакторах.

Предлагаемое изобретение относится к способам определения совместимости различных видов ядерного топлива и конструкционных материалов. Способ испытания на совместимость порошка ядерного топлива с материалом оболочки твэла заключается в отжиге диффузионной пары порошка ядерного топлива и оболочки твэла.

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при изготовлении таблеток ядерного топлива. Предложенное устройство содержит бункер 1 с пресс-порошком, который соединен вертикальной засыпной трубой 2 с устройством 3 прессования таблеток.

Изобретение относится к дожиганию водорода, входящего в состав газовой среды. Дожигатель состоит из корпуса, имеющего отверстия для подвода и отвода газовой среды, и наполнителя в форме оксида висмута Bi2O3 и/или оксида свинца, размещенного в корпусе.

Заявленное изобретение относится к способу проверки тепловыделяющих элементов. Способ включает определение давления гелия под оболочкой (9) тепловыделяющего элемента после его герметизации, при котором удерживают тепловыделяющий элемент (1) на позиции измерения в течение всего времени контроля, осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области (4) компенсационного объема, регистрируют временную зависимость температуры участков оболочки в месте нагрева (10) и на удаленном от места нагрева участке (12) оболочки в течение всего времени контроля.

Изобретение относится к средствам контроля тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Способ включает определение давления гелия под оболочкой (11) тепловыделяющего элемента после его герметизации, при котором удерживают тепловыделяющий элемент (1) на позиции измерения, осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области компенсационного объема (8), регистрируют временную зависимость температуры участков оболочки в месте нагрева (10) и на противоположной стороне оболочки, по ней оценивают давление гелия и состояние тепловыделяющего элемента.

Изобретение относится к области испытаний материалов, в частности, к испытаниям на коррозионную стойкость и водородостойкость циркониевых сплавов, разрабатываемых и используемых в качестве материалов элементов активной зоны легководных ядерных реакторов, в условиях, приближенных к реакторным.

Изобретение относится к атомной промышленности. Устройство экспресс-контроля обогащения урана в порошках содержит емкость, расположенную над сцинтилляционным детектором гамма-излучения, соединенным с блоком управления и обработки результатов измерения. Устройство снабжено блоком защиты от фона, который выполнен в виде цилиндра из свинца и размещен в стальном каркасе с возможностью сквозного вывода кабелей к блоку управления и обработки результатов измерения. Блок управления и обработки результатов измерения выполнен в виде компьютера с процессором импульсных сигналов. Изобретение позволяет обеспечить быструю (от единиц до одного-двух десятков минут) методику контроля обогащения 235U в порошках оксидов урана при произвольной степени нарушения радиационного равновесия, основанной на использовании легко адаптируемого к условиям производства сцинтилляционного детектора. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к устройствам для контроля поверхности цилиндрических объектов и, в частности, может быть использовано в производстве ядерного топлива при контроле внешнего вида торцевой поверхности топливных таблеток. Устройство содержит последовательно установленные на транспортерах два узла контроля торцов изделий, два узла разделения потока изделий, установленные по одному перед каждым узлом контроля торцов изделий, а также два узла сдува бракованных изделий, установленные после каждого узла контроля торцов изделий. Каждый узел разделения потока содержит средство для продольной подачи изделий на транспортер по одному с определенными промежутками. Каждый узел контроля торцов изделий содержит оптический датчик для обнаружения изделий, средство освещения контролируемых изделий, средство для формирования излучения видимого спектра и средство регистрации и передачи изображения торца изделия в аналитическое устройство. Каждый узел сдува бракованных изделий содержит оптический датчик для обнаружения изделий и средство сдува для формирования направленного потока воздуха. Технический результат - автоматизированный, оперативный, высоконадежный, бережный исключающий человеческий фактор контроль торцевых поверхностей на наличие и характер дефектов, высокая производительность технологической операции контроля. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к атомной промышленности. Способ контроля линейной плотности распределения топлива по длине топливного столба уран-засыпных и уран-заливных твэлов заключается в том, что регистрируют спектр собственного гамма-излучения топлива при движении с помощью механизмов перемещения контролируемого твэла, с помощью спектрометрических трактов гамма-излучения, установленных на линии контроля и состоящих из блоков детектирования и спектрометров, установленных в компьютер, где происходит обработка данного регистрируемого спектра с целью выделения и вычисления площади пика гамма-излучения U235. Автоматически вычисляют характеристики линейной плотности по единой градуировочной зависимости, полученной в результате соотношения величины значения амплитуды «чистого» U235, деленной на значение контролируемого в данный момент обогащения U235, и значения самой линейной плотности. Изобретение позволяет обеспечить массовый контроль уран-засыпных, уран-заливных твэл с различным топливным составом и геометрией изготовления по единой градуировочной зависимости. 4 ил.

Изобретение относится к способам испытаний высокотемпературных твэлов в исследовательском реакторе в составе ампульного облучательного устройства и может быть использовано при разработке и обосновании конструкции невентилируемых высокотемпературных твэлов, например, термоэмиссионного реактора-преобразователя наземной атомной станции малой мощности для использования в труднодоступных и удаленных районах. Способ включает размещение в ампульном облучательном устройстве вентилируемых твэлов, имеющих диаметральные размеры и материальный состав базовых твэлов, облучение и последующее измерение диаметральной деформации их оболочек. В ампульном облучательном устройстве дополнительно размещают и одновременно с вентилируемыми испытывают с последующим измерением деформации оболочек не менее трех невентилируемых твэлов с теми же диаметральными размерами и материальным составом, имеющих различные компенсационные объемы, величины которых отличаются друг от друга не менее чем в два раза. При этом внутреннюю полость вентилируемых твэлов заполняют инертным газом под давлением, которое в процессе испытаний поддерживают в диапазоне (0,4÷4)⋅104 Па. Техническим результатом является повышение надежности оценки работоспособности твэлов путем разделения вкладов в изменении характеристик оболочки от воздействия топлива и воздействия газообразных продуктов деления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при изготовлении таблеток ядерного топлива для контроля обогащения U235 и содержания Gd2O3 в пресспорошках UO2. Устройство контроля обогащения U235, а также содержания Gd2O3 в пресспорошке ядерного топлива, содержащее бункер, соединенный засыпной трубой с устройством прессования таблеток, детектор собственного гамма-излучения, расположенный в непосредственной близости с боковой стенкой засыпной трубы. Устройство снабжено промышленным компьютером, содержащим спектрометр, позволяющий получать и анализировать спектральную характеристику зарегистрированного собственного гамма-излучения пресспорошка урана, содержащего оксид гадолиния. Изобретение позволяет обеспечить оперативный контроль обогащения U235, а также содержания Gd2O3 с учетом плотности измеряемой пробы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх