СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ ТОПЛИВНОГО СТОЛБА ТВЭЛА И МЕСТА РАСПОЛОЖЕНИЯ ПРОБКИ, НЕ ПРОНИЦАЕМОЙ ДЛЯ ГАЗА Российский патент 1997 года по МПК G21C17/00 G21C17/06 

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при неразрушающих исследованиях отработавших тепловыделяющих элементов.

При эксплуатации твэлов инертные газы-продукты деления (Хе и Kr) выходят из топлива в специально предусмотренные свободные объемы, предназначенные для компенсации (снижения) газового давления.

Массоперенос компонентов топлива, миграция нуклидов деления, химические превращения с образованием продуктов меньшей плотности (например, Cs₂UO₄) способствуют появлению пробок в топливном столбе, непроницаемых для газа.

Это приводит к возрастанию газового давления до недопустимых пределов, разрушению защитной оболочки и выходу твэла из строя.

Для изучения этого опасного для работоспособности твэл эффекта необходим относительно простой неразрушающий и экспрессный метод контроля, позволяющий получить данные о аномалиях в топливном сердечнике твэлов многоэлементных ТВС.

Известны способы определения газопроницаемости, основанные на пропускании газов под давлением через контролируемое протяженное изделие и измерении количества прошедшего газа с помощью индикаторных устройств. В этом случае местоположение пробок, непроницаемых для газа, можно определять путем последовательного удаления (путем отрезания) частей протяженного изделия до тех пор, пока не появится натекание газа через изделие.

Очевидно, что эти способы не позволяют достичь поставленной цели, вследствие необходимости нарушения целостности объектов исследования, появления большого количества радиоактивных отходов, газов, аэрозолей и т. п.

Известен способ определения газопроницаемости топливного столба твэлов и места расположения пробки, непроницаемой для газа, заключающийся в последовательном нарушении и восстановлении герметичности его защитной оболочки по длине твэла с выбранным шагом при одновременном измерении параметров газа в свободных объемах, по изменению которых судят о газопроницаемости и место расположения пробки, непроницаемой для газа.

Нарушение и восстановления герметичности отработавшего твэла осуществляют дистанционно с помощью оптического лазера, работающего в режимах прокола и заварки образовавшегося отверстия в защитной оболочке.

Давление и состав газов, вышедших из твэла при проколе оболочки, определяют манометрическим и масс-спектрометрическим методами (Кириллович А. П. Пимонов Ю. И. и др. Применение масс-спектрометрического метода для исследования состава газовой фазы в облученных твэлах. Препринт НИИ атомных реакторов N 31 (439). Димитровград, 1980).

Давление газов рассчитывают по формуле

где Р_г давление газов под оболочкой твэлов;
P_c давление, установившееся в измерительной системе после прокола оболочки;
V_c известный объем измерительной системы;
V_г свободный объем твэла.

Свободный объем твэла определяют путем измерения падения давления в калиброванной емкости при присоединении к ней предварительно вакуумированного твэла.

Отобранный при проколе газ анализируют на масс-спектрометре. Коэффициенты относительной чувствительности регистрируемых компонентов газа определяют из анализа специальных аттестованных смесей чистых газов.

По измеренным параметрам V_г и Р_г в свободных объемах судят о газопроницаемости топливного столба твэла. Местоположение пробки, непроницаемой для газа, определяют по возникновению натекания атмосферного воздуха в верхней и нижней предварительно вакуумированные свободные объемы после последовательного прокола и заварки оболочки с выбранным шагом по длине активной части твэлов.

Способ определения газопроницаемости топливного столба твэла и местоположения пробки, непроницаемой для газа, достаточно точен, но непроизводителен, трудоемок, связан с эксплуатацией вакуумных систем в условиях защитных камер, а, кроме того, приводит к выбросу радиоактивного газа в атмосферу.

Расчеты показывают, что при нарушении герметичности штатных твэлов отработавшей ТВС энергетического быстрого реактора происходит выброс 0,5 10³ Ки радиоактивного Kr 85.

Эксперты МАГАТЭ предсказывают, что к 2000 году в околоземном пространстве будет содержаться 2 • 10⁹ Ки Kr-85, если не будут приняты меры по исключению выброса этого глобального радиоактивного нуклида.

Специалисты опасаются, что объемный заряд, создаваемый таким количеством Kr-85, может привести к сдвигу электромагнитных характеристик атмосферы и, как следствие, к непредсказуемых изменениям климата нашей планеты (Тертышник Э. Г. Корсаков А. Г. Темпы накопления ⁸⁵Kr в атмосфере. Атомная энергия, т. 68. вып. 4, апрель 1990).

В связи с вышеизложенным использование в послереактивных исследованиях способа прототипа, основанного на нарушении целостности твэлов, проблематично не только по технологическим, но и экологическим причинам.

Для более простого и чистого в экологическом отношении определения газопроницаемости топливного столба твэла и места расположения пробки, непроницаемой для газа, изменение параметров газа вызывают локальным охлаждением участков твэла до криогенных температур, а контроль за параметрами газа осуществляют по изменению активности Kr-85 в его свободных объемах.

Физические характеристики инертных газов продуктов деления таковы, что при охлаждении участка твэла до температуры жидкого азота происходит их конденсация в твердой фазе (табл. 1).

В предлагаемом техническом решении о газопроницаемости топливного столба твэла судят по скорости перетекания газовых продуктов деления (ГПД) из одного газосборника в другой, охлаждаемый жидким азотом. Наличие или отсутствие натекания газа из одного свободного объема в другой определяют по изменению активности Kr-85 в неохлаждаемом газосборнике.

Для повышения чувствительности и точности измерения активности Kr-85 в твэлах с малым содержанием ГПД под оболочкой целесообразно применение периодического охлаждения-размораживания и газосборника, просматриваемого через коллиматор гамма-спектрометром. В этом случае контроль за изменением параметров газа в свободном объеме можно осуществлять методом рентгеновской радиографии по уменьшению объема конденсата ксенона и криптона, полученного при локальном охлаждении газосборника.

Местоположение пробки, не проницаемой для газа, в твэле с несообщающимися газосборниками находят путем последовательного локального охлаждения участков твэла в районе топливного столба с одновременным контролем изменения активности Kr-85 в свободных объемах.

Охлаждение участка топливного столба приводит к конденсации Хе и Kr в зазоре топливо-оболочка, трещинах, стыках, внутреннем канале топливных таблеток. При этом количество ГПД в свободном объеме, сообщающимся с этим участком, уменьшается и активность Kr-85 падает.

Очевидно, что пробка, непроницаемая для газа, находится между участками твэла, охлаждение которых вызывает уменьшение активности Kr-85 сначала в одном, а затем в другом газосборнике.

На фиг. 1 представлен схематично одни из вариантов реализации предлагаемого технического решения.

Установка для определения газопроницаемости топливного столба и местоположения пробки, непроницаемой для газа, состоит из устройства перемещения исследуемого твэла по линии АВ (на фиг. 1 устройство перемещения не показано), коллиматора 1, расположенного в стенке 2 защитной камеры, гамма-спектрометра 3 и приспособлений 4 для локального охлаждения твэла жидким азотом.

Исследуемый твэл состоит из топливного сердечника 5, заключенного в защитную цилиндрическую оболочку 6. На краях твэла находятся торцевые герметизирующие заглушки 7. Топливный столб в твэле удерживается фиксаторами 8 так, что в твэле образуются верхний 9 и нижний 10 свободные объемы; сообщающиеся посредством центрального канала 11 в топливе или зазора между топливом и оболочкой 12.

Для определения газопроницаемости топливного столба исследуемый твэл устанавливают так, что коллиматор гамма-спектрометра просматривает участок нижнего свободного объема, затем измеряют активности Kr-85 в этом газосборнике, после чего охлаждают верхний газосборник, одновременно измеряя изменение активности криптона в нижнем свободном объеме. Если активности Kr-85 в нижнем газосборнике не меняется топливный столб газонепроницаем.

Местоположение пробки, не проницаемой для газа, определяют путем последовательного размещения приспособления для локального охлаждения 4 по длине топливного столба твэла с одновременным измерением активности Kr-85 в свободных объемах твэла. В районе расположения пробки (участок твэла 13, фиг. 1) происходит изменение активности Kr-85 сначала в одном, а затем в другом газосборнике.

Предлагаемое техническое решение было опробовано при изучении газопроницаемости топливного столба твэлов экспериментальной ТВС, облученной в исследовательском быстром реакторе до глубокого выгорания.

Топливом в твэлах служила смесь (U + Pu)O₂, в качестве оболочек использовались тонкостенные трубы из нержавеющей стали ферритно-мартенситного класса.

Анализ полученных результатов показал, что все твэлы сборки по газопроницаемости можно разбить на две группы. В твэлах первой группы NN 8, 16, 17 и 30 (фиг. 2а) активность Kr-85 в нижнем газосборнике не менялось после длительного охлаждения верхнего газосборника до криогенных температур. В твэлах второй группы NN 4, 11, 12 и 20 активность Kr-85 уменьшалась ГПД перетекали из одного газосборника в другой.

Во всех твэлах первой группы, кроме твэла N 17 пробки, непроницаемых для газа, находились в нижней части топливного столба. В твэле N 17 охлаждение различных участков топливного столба не вызывало изменения активности Kr-85 ни в одном из газосборников, а общее количество ГПД в газосборниках составляло около 50 от среднего содержания Хе и Kr в остальных твэлах сборки.

На основании этих результатов было сделано предложение, что твэл N 17 негерметичен и пробки, непроницаемые для газа, находятся на торцах топливного столба.

Поскольку по результатам реакторной системы КГО изучаемая сборка не содержала негерметичных твэлов, а кроме того в твэлах 8, 16, 17 и 30, наряду с незначительным вакансионным распуханием оболочки, наблюдалось значительное увеличение ее диаметра, вызванное высокотемпературной ползучестью ферритно-мартенситной стали (фиг. 3 5), были проведены измерения газопроницаемости и места расположения пробок, непроницаемых для газа путем прокола оболочки и измерения параметров твэльного газа монометрическим и масс-спектрометрическим методом.

Результаты, полученные на установке лазерного прокола, подтвердили газопроницаемость топливного столба твэлов NN 4, 11, 12, 20 и отсутствие сообщаемости верхнего и нижнего свободных объемов в твэлах NN 8, 16, 17 и 30 (табл. 2). Кроме того, в твэле N 17 было обнаружено аномально малое количество газа около 50 от среднего содержания его в остальных твэлах сборки.

Пробки, непроницаемые для газа, находились на краях топливного столба этого твэла. В районе топливного сердечника между пробками не было обнаружено заметной концентрации газовых продуктов деления.

Отсутствие 150 см³ газа свидетельствует о наличии микродефекта в оболочке этого твэла. Дополнительные исследования по измерению концентрации летучих и немигрирующих продуктов деления в твэлах ТВС показали убыль около 30 изотопов цезия из твэла N 17 (табл. 3).

Таким образом, появление пика увеличения диаметра в высокотемпературной части оболочки твэлов первой группы и разгерметизацию твэла N 17 можно связать с нарушением газопроницаемости топливного сердечника. Как это следует из таблицы 2, давление газа под оболочкой твэла N 30 достигало 100 атм при комнатной температуре, а при рабочей превышало 350 атм. (t_{оболочки} 650^oC, t_{топлива} 1800^oC), что недопустимо для твэлов быстрых реакторов.

Подводя итог вышеизложенному можно констатировать:
при эксплуатации высокотемпературных оксидных твэлов быстрых реакторов существует вероятность образования в топливе пробок, непроницаемых для газа;
отсечение компенсационных объемов от активной части твэлов газонепроницаемыми пробками приводит к возрастанию газового давления и разрушению защитных оболочек (хрупкому или пластическому в зависимости от остаточных механических характеристик нержавеющей ферритной или аустенитной стали на момент разрушения).

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при неразрушающих исследованиях отработавших тепловыделяющих элементов. Сущность изобретения: способ позволяет более просто и экологически чисто определять газопроницаемость топливного столба твэла, для чего изменение параметров газа в свободных объемах вызывают локальным охлаждением участка твэла до криогенных температур, а контроль за параметрами газа осуществляют по величине активности K_r-85 в свободных объемах твэла. 5 ил., 3 табл.

Способ определения газопроницаемости топливного столба твэла и места расположения пробки, не проницаемой для газа, заключающийся в измерении параметров газа в свободных объемах, по изменению которых судят о газопроницаемости и месте расположения пробки, не проницаемой для газа, отличающийся тем, что локально охлаждают участок твэла до криогенных температур, измеряют активность Kr-85 в свободных объемах твэла и по изменению активности Kr-85 судят о параметрах газа и наличию пробки.