УСТАНОВКА КОНТРОЛЯ И РАЗБРАКОВКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2000 года по МПК G21C17/06 

Изобретение относится к ядерной энергетике и может найти применение на предприятиях изготовления тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и сборки их в тепловыделяющие сборки (ТВС) для ядерного реактора.

Известно, что для нормальной работы реактора, исключения искажений нейтронного и температурного поля в каждом ТВЭЛе должно быть строго заданное количество ядерного топлива (делящегося изотопа) и равномерное его распределение по длине ТВЭЛа. Это должно обеспечиваться и, как правило, обеспечивается технологией. На снаряжение ТВЭЛов поступают таблетки из диоксида урана со строго заданным обогащением по урану 235. На каждый ТВЭЛ набирают топливный столб установленной длины, что при заданной плотности и определяет массу топлива в ТВЭЛе. Кроме того, в ряде случаев все топливо дополнительно определяется прямым взвешиванием его в ТВЭЛе
Тем не менее не исключены случаи попадания в снаряженный ТВЭЛ топливных таблеток с другим обогащением и таблеток с обогащением по урану 235 с отклонением от заданной величины. Учитывая важность этой характеристики ТВЭЛа возникла необходимость контроля ТВЭЛ и их разбраковки перед сборкой в ТВС.

Известна установка контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, содержащая механизмы загрузки, разгрузки, разбраковки тепловыделяющих элементов, транспортное средство проводки тепловыделяющих элементов через гамма-сканер, накопители тепловыделяющих элементов, поступающих на контроль и с контроля, ЭВМ и систему автоматики.

Установка разработана фирмой ASEA-ATOM (Швеция) смотри (Santen Aart van. QA/QC for nuclear fuel fabrication at ASEA- ATOM, Sweden p.249-276).

Установка определяет отклонения в обогащении каждой таблетки, среднего обогащения, длины столба таблеток и зазоров между ними с выдачей протокола.

Недостатком установки является то, что загрузка на стол накопитель ТВЭЛов и съем ТВЭЛов со столов накопителей после контроля не автоматизированы.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является установка контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, содержащая станицу, механизмы загрузки и разгрузки тепловыделяющих элементов, транспортное средство с приводным механизмом проводки тепловыделяющих элементов через канал гамма- сканера с источником нейтронов в биологической защите, накопители для ТВЭЛов, поступающих на контроль и с контроля, электронно- вычислительную машину (ЭВМ) и систему автоматики (см. книгу 2 Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Ф. Г. Решетников, Ю.К.Бибилашвили, И.С.Головнин. Под редакцией Ф.Г.Решетникова).

М. , Энергоатомиздат. 1995 год, стр.284-285, рис.21.14, а также Горский B. B. Неразрушающий контроль содержания делящихся материалов и гадолиния в ТВЭЛах Атомная техника за рубежом. 1983 г. N 6 с.3-9).

Установка AQU-5 (Франция) предназначена для контроля обогащения UO₂ таблеток (3-7%) и суммарного содержания 235U в столбе таблеток ТВЭЛов диаметром 8-13,5 мм и длиной 4 м, а также содержания Gd₂O₃ в (U, Gd) О₂-таблетках. В блоке облучателя γ - сканер) находятся два источника нейтронов (0,7 мг ²⁵²CF). Плотность потока тепловых нейтронов (замедлитель-полиэтилен) в зоне нахождения ТВЭЛа 10⁵-10⁶ нейтронов/ (см²•с), доля быстрых нейтронов 1,2%. Контролируемый ТВЭЛ перемещается вдоль оси облучателя со строго постоянной скоростью. Контроль ведется по запаздывающему γ - излучению. Детектор - кольцевой (175х100х25 мм) NaJ с тремя фотоумножителями, размещенными по окружности. Процентное содержание 235U вычисляется по формуле 235U=e(N+a)/b, где
N-скорость счета,
a и b - калибровочные постоянные.

Погрешность определения содержания 235U оценивается в ± 0,6%. Относительная погрешность измерения обогащения UO₂ - таблеток в диапазоне 3-7% не превышает 5%. Результаты контроля обрабатываются на ЭВМ и представляются в виде протокола.

В установке-прототипе и в известной установке поверхность станины является накопителем, а механизм загрузки и разгрузки выполнены в виде отсекателей поштучной подачи ТВЭЛ с поверхности станины на позицию транспортных роликов и после контроля с позиции транспортных роликов на накопитель, т.е. на поверхность станины.

Подача же ТВЭЛ непосредственно на накопитель перед контролем и после контроля с накопителя не механизированы. Транспортное средство проводки ТВЭЛ на контроль и с контроля выполнено в виде транспортных роликов, вызывающих истирание поверхности циркониевой оболочки ТВЭЛа в процессе их проводки через γ-сканер. Известно, что цирконий отличается скоростью к разъедающей коррозии, появляющейся в результате истирания циркония между соприкасающимися поверхностями даже при отсутствии коррозионной среды под влиянием колебаний при очень малых амплитудах, а в некоторых случаях при незначительных нагрузках (см.Металлургия циркония. Перевод с английского, под редакцией Г.А.Меерсона и Ю.В.Гагаринского. М., Издательство иностранной литературы. 1959 г., стр.298, Разъедание.).

Разъедающая коррозия циркониевой оболочки ТВЭЛа не исключает его разгерметизации в ядерном реакторе, а отсутствие механизации загрузки ТВЭЛ на накопитель и с накопителя после контроля требует применения ручного труда, что ухудшает условия труда при обслуживании установки.

Технической задачей изобретения является исключение истирания оболочки ТВЭЛа в процессе контроля на гамма-сканере, улучшение условий труда за счет механизации загрузки ТВЭЛ на контроль и с контроля и увеличить количество ТВЭЛ на накопителе без увеличения его площади.

Эта техническая задача решается тем, что в установке контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, содержащей станину, механизмы загрузки, разгрузки и разбраковки тепловыделяющих элементов в циркониевой оболочке в виде отсекателей их поштучной подачи на контроль и с контроля, транспортное средство с приводным механизмом проводки тепловыделяющих элементов через канал в γ-сканере с источником нейтронов в биологической защите, накопители на станине для тепловыделяющих элементов, поступающих на контроль и с контроля, электронно-вычислительную машину и систему автоматики;
согласно изобретению транспортное средство выполнено в виде непрерывной металлической конвейерной ленты с малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов, равным поперечному сечению поглощения тепловых нейтронов оболочки тепловыделяющего элемента, накопитель для тепловыделяющих элементов, поступающих на контроль, выполнен в виде наклонного реечного стола с уклоном в сторону транспортного средства и съемной многоручьевой кассеты, являющейся накопителем для тепловыделяющих элементов, снабженной механизмом ее вертикального шагового перемещения, а накопитель для проконтролированных тепловыделяющих элементов выполнен в виде двускатного наклонного реечного стола с сбрасывателем тепловыделяющих элементов с транспортного средства с уклоном от транспортного средства в сторону второй и третьей съемных многоручьевых кассет, являющихся накопителями для годных тепловыделяющих элементов и бракованных тепловыделяющих элементов, снабженных соответственно вторым и третьим механизмами их вертикального шагового перемещения.

Другими отличиями является то, что непрерывная металлическая конвейерная лента выполнена из циркония, наклон столов выполнен равным 5-10^o
Выполнение транспортного средства в виде непрерывной циркониевой конвейерной ленты позволит исключить истирание оболочки из циркония тепловыделяющего элемента, перенести контакт с роликами на циркониевую ленту. Хотя лента тоже будет подвергаться истиранию, но она работает не в таких ответственных условиях как тепловыделяющий элемент в ядерном реакторе, и соответственно не будет таких последствий как разгерметизация тепловыделяющего элемента в ядерном реакторе.

Выполнение циркониевой ленты с малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов, равным поперечному сечению тепловых нейтронов циркониевой оболочки позволит не увеличить погрешность при определении содержания 23 5U в тепловыделяющем элементе за счет равного поглощения тепловых нейтронов лентой и оболочкой тепловыделяющего элемента.

Выполнение накопителя тепловыделяющих элементов в виде наклонного стола с уклоном в сторону транспортного средства с размещением с другой стороны съемной многоручьевой кассеты для тепловыделяющих элементов, снабженной механизмом шагового вертикального перемещения, позволит увеличить количество тепловыделяющих элементов на накопителе без расширения его площади и улучшить условия труда за счет механизации подачи ТВЭЛ на накопитель и съема с него после контроля.

Выполнение накопителя ТВЭЛ после контроля в виде двускатного стола с уклоном в стороны двух многоручьевых кассет для бракованных и годных ТВЭЛ с механизмами шагового перемещения позволит механизировать операции съема ТВЭЛ со стола, увеличить количество ТВЭЛ на накопителе без увеличения площади накопителя, а уклон 5-10^o является оптимальным.

Использование многоручьевых съемных кассет позволит механизировать транспортировку ТВЭЛа как на установку, так и с нее, что особенно важно для персонала при работе с радиоактивным материалом.

Установка контроля и разбраковки ТВЭЛ представлена на чертежах, где
на фиг. 1 - общий вид установки (вид сбоку),
на фиг. 2 - вид установки с торца загрузки,
на фиг. 3 - вид установки с торца выгрузки
Установка контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов в циркониевой оболочке содержит станину 1, механизмы 2 загрузки и выгрузки в виде отсекателей поштучной подачи ТВЭЛа 3 на контроль и с контроля, транспортное средство 4 в виде непрерывной циркониевой ленты с малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов, равным поперечному сечению поглощения тепловых нейтронов циркониевой оболочки ТВЭЛа 3, приводной механизм 5 проводки ТВЭЛа 3 через канал 6 в γ -сканере 7 с источником 8 нейтронов в биологической защите 9, накопители 10 на станине 1 для тепловыделяющих элементов 3, поступающих на контроль и с контроля, электронно-вычислительную машину 11 и систему автоматики.

В качестве источника 8 нейтронов использован Cf-252 с номиналом 1,2 мг.

В качестве замедлителя нейтронов 12 использован бериллиевый замедлитель, а в качестве биологической защиты 9 использован свинец.

Для измерения зазоров между таблетками двуокиси урана и длин таблеток ТВЭЛа 3 использован денситометр 13.

Для определения наличия ограничителей фиксаторов использован детектор 14
Для контроля запаздывающего гамма-излучения использован детектор 15, состоящий из восьми BGO-сцинтиляторов, восьми фотоумножительных трубок с делителями напряжения и восьми быстрых предусилителей ("NNC") и детектор 16 запаздывающих нейтронов.

Накопитель 10 для тепловыделяющих элементов 3, поступающих на контроль, выполнен в виде наклонного реечного стола с уклоном 5-10^o в сторону транспортного средства 4 в виде циркониевой ленты и съемной многоручьевой кассеты 17, являющейся накопителем для тепловыделяющих элементов 3, снабженных механизмом 18 ее вертикального шагового перемещения, а накопитель 10 для проконтролированных ТВЭЛов 3 выполнен в виде двускатного наклонного реечного стола с уклоном 5-10^o в сторону второй и третьей многоручьевых кассет 17, являющихся накопителями для годных тепловыделяющих элементов 3 и бракованных тепловыделяющих элементов 3, снабженных соответственно вторым и третьим механизмами 18 их вертикального шагового перемещения.

Каждая кассета 17 имеет шарнирно-поворотные полки 19 Г-образной формы, посредством которых в закрытом состоянии ТВЭЛы 3 удерживаются при транспортировке.

Электронно-вычислительная машина 11 электрически связана системой автоматики со всеми узлами установки (датчики не показаны). Для сброса ТВЭЛа 3 с транспортной циркониевой ленты 4 предусмотрен сбрасыватель 20.

Установка контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов работает следующим образом. Тепловыделяющие элементы 3, размещенные между Г-образными полками 19, в многоручьевой кассете 17 транспортируются на установку контроля и разбраковки ТВЭЛ, где кассета устанавливается на механизм 18 шагового вертикального перемещения, так, чтобы верхний ручей с ТВЭЛами 3 был на одном уровне с накопителем 10 на станине 1, открывается полка 19 верхнего ручья и ТВЭЛы 3 по рейкам накопителя 10 - наклонного реечного стола скатываются до отсекателей 2 поштучной подачи ТВЭЛа на контроль. Механизм загрузки - отсекатель 2 поштучно выдает ТВЭЛы 3 и последние, скатываясь, по наклонным рейкам поступают на циркониевую непрерывную конвейерную ленту 4, приводимую в движение приводом 5. Находясь на транспортном средстве - циркониевой ленте 4 ТВЭЛ 3, имеющий поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов оболочкой, равное поперечному сечению поглощения тепловых нейтронов циркониевой лентой, перемещается через канал в γ -сканере, где проходит контроль ТВЭЛа и определяются:
вес топливного столба;
обогащение по U235,
топливные таблетки с нестандартным обогащением,
длина топливного столба;
длина компенсационного зазора;
зазоры в топливном столбе;
наличие фиксаторов.

Контролируемый ТВЭЛ 3 перемещается вдоль оси облучателя - источника нейтронов 8 денситометра 13, детектора 14, детектора 15 и детектора 16 запаздывающих нейтронов со строго постоянной скоростью. Данные контроля с денситометра 13, детектора 14, детектора 15 и детектора 16 поступают в ЭВМ 11, обрабатываются и подается сигнал на срабатывание сбрасывателя 20 отсекателя 2 для годных ТВЭЛов 3, которые по одной из сторон двускатного реечного стола 10 скатываются во вторую многоручьевую кассету 17, заполняют ручей, полка 19 закрывается, второй механизм 18 опускает вторую кассету 17 на один ручей и открывается поворотная полка 19. В случае, если ТВЭЛ 3 забракован, то из ЭВМ 11 подается сигнал на срабатывание сбрасывателя 20, отсекателя 2 и бракованные ТВЭЛы 3 скатываются по другой стороне двускатного реечного стола 10 в третью многоручьевую кассету 17, заполняют ручей, полка 19 закрывается, третий механизм 18 опускает третью кассету 17 на один ручей и открывается поворотная полка 19. Подается сигнал на механизм 18 шагового подъема многоручьевой кассеты 17 и выдачи ТВЭЛ 3 из очередного ручья многоручьевой кассеты 17 и цикл повторяется. Бракованные ТВЭЛы подвергают повторному контролю и, если результаты повторились, то ТВЭЛ 3 выводят из производственного цикла на переработку. Пропускная способность установки 2 ТВЭЛа/мин, диапазон скорости конвейера 8-10 м/с, номинальная скорость сканирования 9 м/мин. Испытания установки проведены, и получены положительные результаты. На каждый ТВЭЛ и партию выдается паспорт с указанием всех проконтролированных параметров.

Использование: в ядерной энергетике при изготовлении тепловыделяющих элементов, преимущественно для энергетических реакторов ВВЭР, для исключения истирания оболочки тепловыделяющего элемента, улучшения условий труда за счет механизации загрузки тепловыделяющих элементов на контроль и с контроля и увеличения количества тепловыделяющих элементов на накопителе без увеличения его площади. Транспортное средство выполнено в виде непрерывной металлической циркониевой конвейерной ленты с малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов, равным поперечному сечению поглощения тепловых нейтронов оболочки тепловыделяющего элемента, накопитель для тепловыделяющих элементов, поступающих на контроль, выполнен в виде наклонного реечного стола с уклоном в сторону транспортного средства и съемной многоручьевой кассеты, являющейся накопителем для тепловыделяющих элементов, снабженной механизмом ее вертикального шагового перемещения, а накопитель для проконтролированных тепловыделяющих элементов выполнен в виде двускатного наклонного реечного стола со сбрасывателем тепловыделяющих элементов с транспортного средства с уклоном от транспортного средства в сторону второй и третьей съемных многоручьевых кассет, являющихся накопителями для годных тепловыделяющих элементов и браковочных тепловыделяющих элементов, снабженных соответственно вторым и третьим механизмами их вертикального шагового перемещения. Установка также содержит гамма-сканер с источником нейтронов в биологической защите ЭВМ и систему автоматики. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Установка контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов для ядерного реактора, содержащая станину, механизм загрузки и разбраковки тепловыделяющих элементов в циркониевой оболочке в виде отсекателей их поштучной подачи на контроль и с контроля, транспортное средство с приводным механизмом проводки тепловыделяющих элементов через канал γ-сканера с источником нейтронов в биологической защите, накопители на станине для тепловыделяющих элементов, поступающих на контроль и с контроля, электронно-вычислительную машину и систему автоматики, отличающаяся тем, что транспортное средство выполнено в виде непрерывной металлической конвейерной ленты с малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов, равным поперечному сечению поглощения тепловых нейтронов оболочки тепловыделяющего элемента, накопитель для тепловыделяющих элементов, поступающих на контроль, выполнен в виде наклонного реечного стола с уклоном в сторону транспортного средства и съемной многоручьевой кассеты, являющейся накопителем для тепловыделяющих элементов, снабженной механизмом ее вертикального шагового перемещения, а накопитель для проконтролированных тепловыделяющих элементов выполнен в виде двускатного наклонного реечного стола с сбрасывателем тепловыделяющих элементов с транспортного средства с уклоном от транспортного средства в сторону второй и третьей многоручьевых кассет, являющихся накопителями для годных тепловыделяющих элементов и бракованных тепловыделяющих элементов, снабженных соответственно вторым и третьим механизмами их вертикального шагового перемещения. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что металлическая конвейерная лента выполнена из циркония. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что наклон столов выполнен равным 5 - 10^o.