УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СПЛОШНОСТИ ТОПЛИВНОГО СТОЛБА Российский патент 1998 года по МПК G21C17/00 G01N9/24 G01N23/08 

Изобретение относится к области контроля твэлов ядерных реакторов, а именно к измерению сплошности топливного столба твэлов, изготовленных в виде труб заполненных таблетками ядерного топлива. Зазоры между таблетками и сколы на поверхности таблеток нарушают сплошность топливного столба.

Известен ряд устройств, используемых для измерения величины зазоров, смотри Duckart A.C. e.a. Nuclear fuel performance. Proceedings International Conference, London, 1973, p. 70.1-70.4.

Foster B. E. aud Snyder E.D. Evaluation of variables in the measurement of fuel concentration variations in nuclear fuel roads. Materials evaluation, vol. 26., N 2. 1968, p. 27-32, включающих в себя блок источника гамма-излучения, блок детектирования с коллиматором, блок регистрации и устройство перемещения твэла. Работа указанных устройств основана на различном поглощении гамма-излучения в зазоре и в таблетке. Скорость счета импульсов на детекторе при прохождении зазора перед коллиматором возрастает, при прохождении таблетки падает. Регистрирующее устройство измеряет временные интервалы, когда скорость счета импульсов с детектора высокая. Эти интервалы пропорциональны величине зазора.

Недостатком этих устройств является то, что погрешность определения зазора зависит от постоянства скорости перемещения контролируемого твэла. Любое случайное изменение скорости увеличивает погрешность измерений.

Наиболее близким техническим решением - прототип, является устройство для измерения зазоров, авторское свидетельство СССР N 830867, кл. G 01 N 23/08, 1982 содержащее блок источника гамма-излучения, блок детектирования, размещенные в защитных экранах с коллиматорами, генератор импульсов управляемой частоты, вентильное устройство, блок регистрации, устройство отображения результатов измерения и устройство перемещения контролируемого твэла; при этом выход блока детектирования соединен с управляющим входом вентильного устройства, управляющий вход генератора импульсов управляемой частоты связан с контролируемым твэлом, а выход через вентильное устройство соединен с блоком регистрации, выход, которого соединен с блоком регистрации, выход, которого соединен с входом устройство отображения результатов измерения.

Устройство перемещения передвигает контролируемый твэл, при этом он просвечивается коллимированным пучком гамма-квантов. При перемещении контролируемый твэл воздействует на управляющий вход генератора импульсов, например, ролик, скорость вращения которого пропорциональна скорости перемещения контролируемого твэла. Скорость вращения ролика определяет частоту импульсов на выходе генератора, которая также пропорциональна скорости перемещения контролируемого твэла. В тот момент, когда на пути гамма-квантов оказывается зазор (то есть ослабление пучка резко уменьшается), а на выходе блока детектирования появляется сигнал, который открывает вентильное устройство, и импульсы с генератора поступают на блок регистрации. По окончании зазора сигнал на выходе блока детектирования уменьшается, вентильное устройство закрывается, прекращая поступление импульсов с генератора на блок регистрации. Количество зарегистрированных импульсов определяет величину зазора. Полученные в блоке регистрации результаты поступают на устройство отображения.

Недостатком известного устройства является малая вероятность регистрации несплошностей в виде сколов, когда скол расположен не в проекции коллиматора пучка гамма-квантов. Кроме того, изменение активности источника гамма-квантов во времени, требует постоянной подстройки порогов срабатывания вентильного устройства. Недостатком известного устройства является и то, что точность результатов измерения зависит от состояния приводного ролика генератора управляемой частоты. По мере износа ролика частота вырабатываемых генераторов импульсов изменяется, что ведет к возрастанию погрешности измерения зазоров.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении точности измерений.

Для этого устройство содержит второй блок источника гамма-излучения с блоком детектора, коллимационные каналы которых распложены перпендикулярно коллимационным каналам первого источника и блока детектирования, например в вертикальной и горизонтальной осях, генератор управляемой частоты, датчики начала и конца базового участка, устройство перемещения твэла, компьютер, с видеомонитором и системой шиной ввода/вывода, блок ввода/вывода с четырьмя счетчиками, генератором опорной частоты и регистром ввода/вывода дискретных сигналов, при этом выходы блоков детектирования соединены с входами второго и третьего счетчика блока ввода/вывода, выход генератора управляемой частоты соединен с входом четвертого счетчика блока ввода/вывода, выходы датчиков начала и конца базового участка соединены с первым и вторым входом регистра ввода дискретных сигналов блока ввода/вывода, управляющий выход первого счетчика соединение с управляющими входами второго и третьего счетчиков, системная шина ввода/вывода компьютера соединена с системой шиной блока ввода/вывода.

Указанная совокупность признаков является новой и обладает изобретательским уровнем, что подтверждается изложенным ниже.

Использование двух взаимно перпендикулярных пучков гамма-излучения позволяет регистрировать несплошности столба в виде сколов таблеток независимо от расположения скола путем сравнения суммы скоростей счета импульсов с обоих детекторов гамма-излучения с порогом регистрации зазора. Кроме того, суммарное значение скоростей счета импульсов уменьшает ошибку измерений, связанную со статистическим характером излучения источника гамма-квантов, примерно раз.

Для твэлов энергетических ядерных реакторов максимальное изменение потока гамма-излучения в зазоре и при перекрытии пучка гамма-квантов таблеткой топлива достигается при использовании источника излучения кобальта-57 с энергией квантов 122 кэВ. Для коррекции порога регистрации зазора производится измерение скорости счета импульсов с детектора в процессе перемещения твэла, в момент перекрытия потока гамма-излучения компенсационным зазором, в котором таблетки отсутствуют. Таким образом исключается ошибка измерений связанная с уменьшением активности источника гамма-излучения во времени.

Исключение ошибки измерений, связанной с износом ролика генератора импульсов управляемой частоты, достигается за счет измерения количества импульсов, поступающих за время перемещения твэла между датчиками начала и конца базового участка, расположенных на известном расстоянии. Отношение этого расстояния к зарегистрированному количеству импульсов вводится в расчет длины зазоров в виде масштабного коэффициента.

Таким образом, реализация изобретения дает новый технический результат, заключающийся в повышении вероятности регистрации зазоров в виде сколов таблетки и увеличение точности измерений за счет суммирования интенсивностей двух потоков гамма-излучения, а также повышение точности измерений за счет коррекции порога регистрации зазора при уменьшении активности источника гамма-излучения во времени и коррекции результатов измерения длины зазоров по мере износа ролика генератора управляемой частоты.

На фиг. 1 изображена схема устройства контроля сплошности топливного столба.

Устройство содержит компьютер 1, блок ввода-вывода 2, в состав которого входят генератор опорной частоты 3, счетчики импульсов 4, 5, 6, 7, регистр ввода дискретных сигналов 8, регистр вывода дискретных сигналов 9. Устройство содержит также датчик конца базового участка 10, детектор вертикального пучка гама-излучения с коллимационным каналом 11, детектор горизонтального пучка гамма-излучения с коллимационным каналом 12, датчик начала базового участка 13, генератор импульсов управляемой частоты 14, устройство перемещения твэла 15, источник горизонтального пучка гамма-излучения коллимационным каналом 16, источник вертикального пучка гамма-излучения с коллимационным каналом 17. На фиг. 1 показан твэл 18 на позиции измерений, внутри которого расположены таблетки ядерного топлива 19, таблетки ядерного топлива со сколом 20, фиксирующий элемент 21, компенсационный зазор 22.

Устройство перемещения 15 передвигает твэл 18 вдоль оси, при том твэл просвечивается коллимированным пучком гама-квантов и воздействует на ролик генератора управляемой частоты 14. В начале на пути гамма-квантов оказывается компенсационный зазор 22, затем фиксирующий элемент 21 с малым коэффициентом поглощением гамма-квантов, и далее следуют топливный столб, состоящий из таблеток ядерного топлива 19, 20, между которыми могут появляться локальные зазоры - несплошности столба.

В процессе перемещения твэла на позиции контроля производится формирование массива параметров в памяти ЭВМ по следующему алгоритму. В момент подачи твэла на позицию контроля срабатывает датчик начала базового участка 13, сигнал которого через регистр ввода 8 блока 2 запускает программу считывания информации со счетчиков 5, 6, 7 и регистра 8. В процессе контроля импульсные сигналы с детекторов гамма-излучения 11 и 12 поступают на счетные входы счетчиков 5 и 6 соответственно. При этом на управляющие входы 5 и 6 подается стробирующий сигнал со счетчика 4, запрограммированного на пересчет импульсов генератора опорной частоты 3. Таким образом, стробирующие импульсы задают фиксированное время накопления импульсов с детектором гама-излучения и, в счетчиках 5, 6 формируются числа, пропорциональные скорости счета импульсов (величине потоков гамма-квантов). Одновременно импульсы с генератора управляемой частоты 14 подаются на счетчик 7, где формируется число, пропорциональное расстоянию, на которое переместился твэл. Синхронно с появлением стробирующего импульса производится считывание информации со счетчиков 5, 6, 7 и регистра 8 в массив записей, в память компьютера. Формирование массива завершается при срабатывании датчика конца базового участка 10. Таким образом, по завершении процесса контроля в памяти компьютера содержится массив записей. Каждая запись содержит 4 элемента:
Nb - скорость счета импульсов с детектора вертикального пучка гамма-квантов;
Nr - скорость счета импульсов с детектора горизонтального пучка гамма-квантов;
C - количество импульсов генератора управляемой частоты;
B, E - биты дискретного состояния датчиков начала и конца базового участка.

При этом первая запись массива соответствует такому положению твэла, когда на пути коллимированных пучков гамма-излучения находится компенсационный зазор 22 и твэл входит в датчик начала базового участка 13, а последняя запись, когда на пути коллимированных пучков гамма-излучения находится концевик твэла и его торец выходит из датчика конца базового участка 10.

Далее производится обработка массива записей по алгоритму, представленному на фиг. 2.

В начале запоминается координата L по элементу C1 первой записи (координата появления твэла в датчике начала базового участка и вычисляется порог регистрации зазора N_т по скорости счета импульсов N_в и N_г:
L = C1,
N_т = N•P + n,
где
N = N_г + N_в - сумма скоростей счета импульсов с детектором вертикального и горизонтального пучков гамма-квантов;
P = N•exp(-μρd); ;
μ - коэффициент массового поглощения гамма-излучения материалом
таблетки;
ρ - плотность материала таблетки;
в - диаметр таблетки;
n - гистерезис.

Затем производят поиск записи, где элемент N меньше N_т, соответствующей моменту появления первой таблетки на пути коллимированных пучков гамма-квантов. Далее программа работает в цикле обработки массива записей до его окончания, когда счетчик массива M = 0. В начале цикла ведется проверка появления элемента N_i со значением больше порота N_т. Одновременно в этом же цикле проверяются элементы записи с битом датчика начала базового участка B_i = 0. Если N_i становится больше порога N_т, то запоминается координата появления зазора 1 = C_i. Затем в цикле определяется запись, где N_i становится меньше N_т, то есть зазор выходит из коллимированных пучков гамма-квантов, производится расчет длины зазора: 1 = C_i - 1 и определяется максимальный зазор l_m: l_m = l_i, если l_i > l_m,
вычисляется суммарный зазор S: S = S + l_i.

Одновременно в этим же цикле проверяется элемент записи с битом датчика конца базового участка - E_i. Если в циклах сравнения N_i с порогом N_т появляется запись с элементом E_i = 0, то есть запись соответствующая моменту выхода твэла из датчика конца базового участка, то производится определение и запоминание количества импульсов поступивших с генератора управляемой частоты за время перемещения твэла на известное расстояние:
L = C_i - L.

По завершении цикла обработки всего массива производится коррекция значений максимального l_mk и суммарного S_k значений:
l_mk = l_m•A/L;
S_k = S•A/L,
где
A = L_тв - L_ве,
L_тв - длина твэла,
L_ве - расстояние между датчиками начала и конца базового участка.

Таким образом, результаты обработки массива представляют значения максимального и суммарного зазоров, не зависящие от активности источников гамма-излучения, износа ролика генератора управляемой частоты и расположения сколов на поверхности таблеток. Максимальный и суммарный зазоры являются определяющими характеристиками сплошности топлива столба в твэлах ядерных реакторов.

Величина суммарного и максимального зазоров отображаются на экране монитора компьютера и могут использоваться для отбраковки твэлов с зазорами, превышающими допустимые.

Использование: изобретение относится к области контроля твэлов ядерных реактороа, а именно к измерению сплошности топливного столба твэлов, изготовленных в виде труб заполненных таблетками ядерного топлива. Сущность изобретения: устройство контроля сплошности топливного столба содержит блок источника гамма-излучения, блок детектирования, размещенные в защитных экранах с коллимационными каналами, генератор импульсов управляемой частоты и устройство перемещения твэла. Управляющий вход генератора импульсов управляемой частоты связан с контролируемым твэлом. Устройство дополнительно содержит второй блок источника гамма излучения, второй блок детектирования, размещенные в защитных экранах с коллимационными каналами, расположенными перпендикулярно коллимационным каналам первого блока источника гамма-излучения и блока детектирования. Устройство также содержит датчик начала и конца базового участка, компьютер, блок ввода/вывода с четырьмя счетчиками, регистром ввода дискретных сигналов, регистром вывода дискретных сигналов и генератором опорной частоты. При этом выход первого блока детектирования соединен со счетным входом второго счетчика, выход второго блока детектирования соединен со счетным входом третьего счетчика, выход генератора опорной частоты соединен со счетным входом первого счетчика, а выход первого счетчика соединен с управляющим входом второго и третьего счетчиков. Выход генератора управляемой частоты соединен со счетным входом четвертого счетчика, выходы датчиков начала и конца измерений соединены со входами регистра ввода дискретных сигналов, выход регистра вывода дискретных сигналов соединен со входом устройства перемещения твэла, а системная шина ввода/вывода компьютера соединена с системной шиной блока ввода/вывода. 2 ил.

Устройство контроля сплошности топливного столба, содержащее блок источника гамма-излучения, блок детектирования, размещенные в защитных экранах с коллимационными каналами, генератор импульсов управляемой частоты и устройство перемещения твэла, при этом управляющий вход генератора импульсов управляемой частоты связан с контролируемым твэлом, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй блок источника гамма-излучения, второй блок детектирования, размещенные в защитных экранах с коллимационными каналами, расположенными перпендикулярно коллимационным каналам первого блока источника гамма-излучения и блока детектирования, датчики начала и конца базового участка, компьютер, блок ввода/вывода с четырьмя счетчиками, регистром ввода дискретных сигналов, регистром вывода дискретных сигналов и генератором опорной частоты, при этом выход первого блока детктирования соединен со счетным входом второго счетчика, выход второго блока детектирования соединен со счетным входом третьего счетчика, выход генератора опорной частоты соединен со счетным входом первого счетчика, выход первого счетчика соединен с управляющим входом второго и третьего счетчиков, выход генератора управляемой частоты соединен со счетным входом четвертого счетчика, выходы датчиков начала и конца измерений соединены с входами регистра ввода дискретных сигналов, выход регистра вывода дискретных сигналов соединен с входом устройства перемещения твэла, системная шина ввода-вывода компьютера соединена с системной шиной блока ввода/вывода.