СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕГЕРМЕТИЧНЫХ ТВЭЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G21C17/06 

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано на АЭС и на других объектах, связанных с изготовлением, эксплуатацией, переработкой и хранением ядерного топлива.

Известен способ идентификации негерметичных твэлов, так называемый "мокрый" метод [1] основанный на регистрации продуктов деления и/или их радиоактивности, выходящих при саморазогреве топлива через дефектные оболочки твэлов в изолированный объем воды.

Недостатком известного способа является неудовлетворительная надежность обнаружения поврежденных твэлов, так как независимо от герметичности на внешних поверхностях оболочек всех твэлов имеются отложения детектируемых нуклидов, а регистрируемые детекторами активности сигналы относительно невелики из-за ограничений по величине и темпу разогрева твэлов в воде. Кроме того, контроль этим способом требует много времени и частого проведения повторного испытания.

Известен способ контроля герметичности оболочек твэлов, так называемый "сухой" метод [2] в котором жидкий теплоноситель в испытательных герметичных контейнерах заменяется газом, например, воздухом. Уровень и темп разогрева в этом случае могут быть значительно выше и соответственно больше регистрируемых детекторами активности сигналов, выше надежность этого метода.

Недостатками известного способа являются большая вероятность оболочек твэлов из-за отсутствия эффективного хладоагента, неполная вероятность обнаружения дефектов, например, при малой степени разгерметизации оболочек твэлов, при медленном разогреве топлива с малым выгоранием, а также из-за ограничений по температуре и темпу разогрева и еще большая длительность процесса, в том числе из-за необходимости повторных проверок.

Известен способ идентификации дефектных ТВС, основанный на применении "маркированных" газов, в соответствии с которым в газовую полость каждого твэла в процессе изготовления добавляют смесь с определенным содержанием, например, стабильных изотопов Xe и Kr, причем во все твэлы одной ТВС добавляется одинаковая смесь [3]
Недостатком известного способа является сложность процесса проверки, особенно для реакторов с большим количеством ТВС (например, в реакторах типа ВВЭР число ТВС более 160), неполная вероятность обнаружения дефектов, длительность процесса обнаружения.

Ближайшее техническое решение способ обнаружения негерметичных твэлов, основанный на извлечении из-под разгерметизированных оболочек твэлов газообразных продуктов деления за счет перепада давления [4] так называемый вакуумный метод. Проверяемый твэл или тепловыделяющую сборку (ТВС) устанавливают в исследуемом объеме, наполненном водой, над которой создается газовая полость. Из этой полости берут пробы, которые затем проверяют на детекторе активности. Истечение газов через неплотности в оболочках твэлов происходит под действием разряжения, создаваемого в испытательном контейнере с помощью вакуумного насоса. Этот метод сочетает относительно высокую чувствительность "сухого" и безопасность "мокрого" методов. Проверка одной ТВС длится 8-10 мин.

Недостатком известного технического решения является неполная вероятность обнаружения дефектных твэлов, что имеет место, например, для топлива с небольшим выгоранием при малых темпе и величине разрежения, при малой степени разгерметизации. Кроме того, к недостаткам следует отнести большую длительность испытаний, при этом не исключена повторная проверка, а также необходимость иметь относительно мощную вакуумную систему, с чем связано снижение безопасности и надежности этого метода.

Технический результат предложения -увеличение эффективности обнаружения негерметичных твэлов, сокращение длительности процесса испытания, увеличение безопасности и надежности процесса.

Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения негерметичных твэлов, включающем уменьшение внешнего по отношению к твэлам давления в испытуемом объеме и измерение выхода радионуклидов, предварительно увеличивают внешнее давление до величины не более максимального давления в реакторе, выдерживают его, а затем сбрасывают до первоначального уровня и по регистрируемому качку выхода радионуклидов при сбросе давления судят о разгерметизации твэлов.

Большинство используемых видов ядерного топлива имеет пористую структуру, причем часть пор является открытой [5] Пористость увеличивается при выгорании топлива, при его разогреве, зависит от темпа нагрева и охлаждения, от количества циклов нагрева за время эксплуатации и т.д. причем доля открытых пор при этом увеличивается. Поры заполняются газами "технологическим" газом (или "маркированным" газом, и/или конденсированной фазой), заполняющим поры при изготовлении твэлов; газообразными продуктами деления (ГПД), нарабатываемыми при эксплуатации твэлов (облучении); газами или жидкостями из внешней по отношению к твэлам среды (теплоноситель первого контура, атмосфера контейнмента и пр.), что может происходить при соответствующем перепаде давлений (когда внешнее давление больше давления газов в открытых порах).

Понятие о пористой структуре топлива позволяет правильно оценить некоторые аномальные явления по выходу продуктов деления из облученного ядерного топлива [6] Сюда следует отнести увеличение скорости выхода продуктов деления на начальной стадии разогрева, существенно превышающее скорости, лимитируемые диффузионными процессами в твердом теле; эффект "выжигания" продуктов деления, заключающийся в существенном понижении выхода, если наблюдение ведется при температуре ниже температуры предыдущего отжига или температуре облучения. В вакуумном методе диагностики дефектных твэлов косвенно используют свойства пористого топлива при разряжении (без нагрева топлива) из топлива выходят ГПД, находящиеся в открытых порах. В других методах ("мокрый", "сухой") вытеснение ГПД из пор происходит за счет нагрева топлива. Причем "сухой" метод по сравнению с "мокрым" позволяет получить заметно больший нагрев и темп нагрева топлива (саморазогрев за счет остаточного тепла). Поэтому выход ГПД и соответственно активности будет больше. Кроме того, при относительно большом разогреве заметный вклад на суммарный выход активности будут давать различные механизмы выхода продуктов деления из твердого тела концентрационная диффузия, диффузия в неоднородных полях напряжений и температур и др. [7]
Неточность в определении дефектных твэлов или ТВС (не все дефектные твэлы или ТВС идентифицированы или за дефектный приняты "нормальные" твэлы, пригодные для эксплуатации) может быть обусловлена многими причинами, например:
отложение детектируемых нуклидов на внешних поверхностях твэлов или наличие их в испытуемом объеме внутренняя поверхность контейнера, рабочее тело (вода, воздух и др.) и пр. что в целом может давать существенное искажение сигналов на детекторе;
малое количество ГПД в топливе при проверке, например, из-за малого его выгорания или из-за утечки до проверки;
малая степень разгерметизации оболочек твэлов;
малая величина влияющих параметров (температура в "сухом" и особенно в "мокром" методах проверки; давление разряжения в вакуумном методе) или малый темп их изменения, что может привести к слишком плавному изменению выхода радиоактивности, трудно идентифицируемому.

В предлагаемом способе обнаружения негерметичных твэлов предварительно перед разряжением увеличивают внешнее по отношению к твэлам давление. Происходит поджатие ГПД в открытых порах разгерметизированных твэлов в сторону внутренних областей пористого топлива, внешнее рабочее тело (вода, воздух и пр. ) проникает по открытым порам внутрь топлива, вытесняя находящиеся там ранее ГПД и концентрируя их во внутренних областях. Граница между внешним рабочим телом и газом в открытых порах смещается от поверхности внутрь топлива. Происходит как бы запирание ГПД в центре топлива. При этом саморазогрев топлива (и ГПД) во внутренней области ускоряется. Вероятность перегрева оболочек твэлов уменьшается. Если далее сбросить внешнее давление до прежнего уровня (а тем более создать разряжение, как это делается в вакуумном методе), произойдет быстрое расширение нагретых ГПД в порах топлива и выход их из разгерметизированных твэлов, который значительно более точно идентифицируется. Необходимость в вакуумной системе отпадает. Наддув испытуемого объема и последующий сброс давления можно осуществить проще и быстрее, безопасней и надежней. Причем чем больше будут давление наддува, скорость наддува, время выдержки, скорость сброса давления и меньше его новое значение, тем больше будет скачок активности для разгерметизированных твэлов даже при малом исходном количестве ГПД в топливе и малой степени разгерметизации. Очевидными ограничениями по величине этих влияющих параметров служат ограничения по прочности оболочек неразгерметизированных твэлов, соответствующей максимальному давлению в реакторе и прочности оболочки испытуемого объема.

Способ обнаружения негерметичных твэлов рассмотрим на примере реакторов типа ВВЭР, РБМК и др. в которых выгрузку твэлов (ТВС) сопровождают сбросом внешнего по отношению к твэлам давления. В корпусных реакторах (ВВЭР) давление порядка 160 атм сбрасывают перед снятием крышки во всем реакторе (первом контуре); в канальных реакторах (РБМК) сброс давления порядка 70 атм производят в специальных контейнерах с размещением в них ТВС [8] В это время и происходит основной выход ГПД из-под оболочек и из открытых пор топлива разгерметизированных твэлов (для твэлов с достаточно большим выгоранием топлива, в которых давление ГПД в порах устанавливаемого внешнего давления). Это наиболее удачное время для измерения выхода радиоактивности и проверки герметичности оболочек твэлов предлагаемым способом, так как предварительный наддув в этом случае, очевидно, не нужен. Если это по тем или иным причинам не было сделано либо заметного выхода активности не было зарегистрировано (например, из-за малого выгорания топлива и соответственно малого давления ГПД в порах), то перед последующей проверкой по предлагаемому способу целесообразно сменить рабочее тело в испытуемом объеме. Далее производят в нем наддув, например, до 10 атм со скоростью порядка 1 атм/с, выдержку в течении времени τ и сброс давления до первоначального уровня. При этом регистрируют выход детектируемых нуклидов и их радиоактивность, резкий скачок величины которой свидетельствует о разгерметизации. Время t можно оценить по формуле [6]

где L характерный размер (радиус) твэла, м;
μ[Пa•c] вязкость газов (ГПД);
P давление, Па;
K коэффициент проницаемости пористой среды, м².

При радиусе твэла L 3,065 • 10^-3 м, давлении P 10⁶ Па (порядка 10 атм), вязкости ГПД μ ≈ 25 • 10^-6Па • с и проницаемости K ≈ 10^-18 м² время t будет t ≥ 100 с.

Суммарное время проверки t_s можно оценить из условия
τ_s ≈ 3•τ ≈ 300 c.
Это время примерно в 1,5-2,0 раза меньше времени проверки, характерного для вакуумного метода.

Использование изобретения позволит:
увеличить эффективность обнаружения разгерметизированных твэлов, так как создаются условия для более резкого изменения выхода активности из разгерметизированных твэлов;
уменьшить время проверки в 1,5 раза и более, так как не требуется длительный процесс разряжения за счет вакуумной системы откачки и интенсифицируется процесс разогрева топлива в разгерметизированных твэлах;
уменьшить вероятность перегрева твэлов из-за уменьшения времени проверки и уменьшения тепловой нагрузки на оболочки и вероятности кризиса теплоотдачи;
отказаться от относительно мощной вакуумной системы, упростить систему изменения давления в испытуемом объеме;
улучшить безопасность и надежность процесса проверки твэлов;
улучшить радиационную безопасность объектов ядерной энергетики.

Источники информации
1. Атомная техника за рубежом, 1990, N 2, с. 3.

2. Атомная техника за рубежом, 1990, N 2, с. 3 4.

3. Уолтер А. Рейнольдс А. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах. М. Энергоатомиздат, 1986, с. 347, 348.

4. Атомная техника за рубежом, 1990, N 2, с. 3 4.

5. Дегальцев Ю.Г. и др. Поведение высокотемпературного ядерного топлива при облучении. М. 1987, с. 31 35.

6. Ivanov A.S. Initial stage of the fission gas release out of fuel.

7. Дегальцев Ю.Г. и др. Поведение высокотемпературного ядерного топлива при облучении. М. 1987.

8. Ядерные энергетические установки./Под ред. Н.А. Долежаля. М. 1983, с. 434 447.

Использование: изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано на АЭС и других объектах, связанных с изготовлением, эксплуатацией, переработкой и хранением ядерного топлива. Сущность изобретения: способ заключается в том, что предварительно увеличивают внешнее давление до величины не более максимального давления в реакторе, выдерживают его, а затем сбрасывают до первоначального уровня, по регистрируемому скачку выхода радионуклидов при сбросе давления судят о разгерметизации твэлов.

Способ обнаружения негерметичных твэлов, включающий уменьшение внешнего по отношению в твэлам давления в испытуемом объеме и измерение выхода радионуклидов, отличающийся тем, что предварительно увеличивают внешнее давление до величины не более максимального давления в реакторе, выдерживают его, а затем сбрасывают до первоначального уровня и по регистрируемому скачку выхода радионуклидов при сбросе давления судят о разгерметизации твэлов.