СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ КАНАЛОВ ВОДОГРАФИТОВОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2001 года по МПК G21C17/00 

Изобретение относится к технике эксплуатации атомных станций с реакторами типа РБМК и предназначено для контроля целостности технологических каналов и состояния зазоров между технологическими каналами и графитовой кладкой.

Известен способ контроля целостности технологических каналов (ТК), основанный на измерении параметров газа (температуры, влажности) в импульсных (измерительных) трубках, в которые он попадает после прохода через газовые тракты ТК (зазоры между технологическими каналами и графитовой кладкой) [1].

Основой данного способа является то, что он основан на концепции "течь перед разрушением", которая дает возможность определять наличие течи в канале по повышенной температуре и влажности газа. В то же время из-за взаимосвязи газовых трактов соседних ТК между собой через неплотности в графитовой кладке возможно повышение температуры и влажности газа одновременно сразу в нескольких газовых трактах ТК, что затрудняет поиск и локализацию ТК с течью.

Предлагаемый способ контроля целостности каналов водографитового ядерного реактора позволяет снять этот недостаток, так как в основу его положен принцип разделения газа, контролируемого в импульсных трубках, на фракции: на газообразную и на фракцию твердых частиц, наличие которой в газе обусловлено, в случае образования течи в ТК, выбросами в газ продуктов коррозии (в виде микрочастиц, образующихся, например, в результате разрушения стенок ТК и графитовой кладки в месте течи из ТК), - и оценки соотношения этих фракций как для одного ТК, так и для всех контролируемых ТК в целом. В этом случае, например, увеличение соотношения фракций в сторону фракции твердых частиц в газовом тракте ТК будет указывать на наличие разрушений в данном ТК, тогда как в соседних ТК это соотношение будет меньше за счет фильтрации газа в графитовой кладке. Одновременно предлагаемый способ позволяет осуществить при контроле целостности ТК новую концепцию - концепцию контроля за процессом выноса радиоактивных твердых частиц с внешней поверхности ТК перед появлением течи через него, а именно определить начало процесса "растрескивания" канала перед течью, то есть способ позволяет за счет оценки числа твердых частиц в газе (продуктов коррозии) определить на ранней стадии (до начала течи через канал) наличие процесса коррозии. Анализ же соотношений фракций позволяет оценить состояние зазора между каналом и графитовой кладкой.

Сопоставительный анализ данного технического решения с прототипом позволил выявить отличительные признаки, что доказывает соответствие заявляемой совокупности признаков критерию изобретения "Новизна".

При поиске аналогов и прототипа не обнаружены технические решения, сходные с отличительными признаками изобретения, что доказывает соответствие заявляемой совокупности признаков критерию изобретения "изобретательский уровень".

Суть предлагаемого способа контроля целостности каналов водографитового ядерного реактора заключается в следующем.

Предлагаемый способ контроля целостности каналов водографитового ядерного реактора основан на измерении радиоактивности газа, применяемого для обдувки трактов каналов и графитовой кладки. Основные цели, которые ставятся при этом: повышение точности, быстродействия и надежности определения относительной величины нарушения целостности каналов, состояния зазоров между каналами и графитовой кладкой и, соответственно, местоположения контролируемых каналов с выявленными отклонениями от режима нормальной эксплуатации. Для достижения этих целей производят одновременное измерение следующих величин (для каждого из контролируемых ТК):
f_Σi - суммарная интенсивность распадов продуктов активации газа для i-го ТК;
f_ai - интенсивность распадов продуктов коррозии для i-го ТК;
f_gi - интенсивность распадов продуктов активации газовой фракции для i-го ТК;
f_Nai - величина, характеризующая концентрацию продуктов коррозии в газе для i-го ТК.

Необходимо отметить взаимосвязи между этими параметрами, которые будут полезны при дальнейшем рассмотрении способа:
- f_gi - величина интенсивности распадов продуктов активации газовой фракции определятся как
f_gi = f_Σi-f_ai; (1)
- a f_Nai - величина, характеризующая концентрацию продуктов коррозии в газе, определяется как
f_Nai = F(f_ai), (2)
где F - функция преобразования интенсивности распадов продуктов коррозии в число твердых частиц.

Наряду с измерениями указанных величин одновременно вычисляют их средние значения для всех контролируемых ТК по соотношениям:
- среднее значение суммарной интенсивности распадов продуктов активации газа определяется как

где M - число контролируемых ТК;
- среднее значение интенсивности распадов продуктов активации газовой фракции определяется как

- среднее значение величины, характеризующей концентрацию продуктов коррозии в газе

При этом о состоянии ТК и зазора судят по следующим соотношениям:
1. При следующих соотношениях величин
f_Σср ≈ f_Σi
f_gcp ≈ f_gi
f_Nacp ≈ f_Nai
и их отношений
f_Σi/f_Σср≈1 (6)
f_gi/f_gcp≈1
f_Nai/f_Nacp≈1
f_gcp/f_Σср≈f_gi/f_Σi
f_Nacp/f_Σср≈f_Nai/f_Σi
f_Nacp/f_gcp≈f_Nai/f_gi
можно судить о нормальном состоянии i-го ТК.

2. При следующих соотношениях величин
f_Σср>f_Σi
f_gcp≈f_gi
f_Nacp>f_Nai
и их отношений
f_Σi/f_Σср<1 (7)
f_gi/f_gcp≈1
f_Nai/f_Nacp<1
f_gcp/f_Σср<f_gi/f_Σi
f_Nacp/f_Σср<f_Nai/f_Σi
f_Nacp/f_gcp≈f_Nai/f_gi
также можно судить о нормальном ("некорродированном") состоянии i-го ТК с уменьшенным значением примесей твердых частиц в газе с большим, по сравнению со средним, значением газового зазора.

3. При следующих соотношениях величин
f_Σcp<f_Σi
f_gcp>f_gi
g_Nacp<f_Nai
и их отношений
f_Σi/f_Σcp>1 (8)
f_gi/f_gcp<1
f_Nai/f_Nacp>1
f_gcp/f_Σср>f_gi/f_Σi
f_Nacp/f_Σср<f_Nai/f_Σi
f_Nacp/f_gcp<f_Nai/f_gi
можно судить о наличии процесса "коррозии" у i-го ТК с одновременно уменьшенным, по сравнению со средним, значением газового зазора.

4. При следующих соотношениях величин
f_Σcp>f_Σi
f_gcp>f_gi
f_Nacp>f_Nai
и при
f_Σi/f_Σcp<1 (9)
f_gi/f_gcp<1
f_Nai/f_Nacp<1
f_gcp/f_Σср>f_gi/f_Σi
f_Nacp/f_Σср<f_Nai/f_Σi
f_Nacp/f_gcp<f_Nai/f_gi
также можно судить о наличии процесса "коррозии" у i-го ТК с одновременно еще более уменьшенным, по сравнению с п. 3, значением газового зазора.

5. При следующих соотношениях величин
f_Σcp<f_Σi
f_gcp>f_gi
f_Nacp<f_Nai
и при
f_Σi/f_Σcp>1 (10)
f_gi/f_Nacp<1
f_Nai/f_Nacp>1
f_gcp/f_Σср<f_gi/f_Σi
f_Nacp/f_Σср>f_Nai/f_Σi
f_Nacp/f_gcp<f_Nai/f_gi
можно судить о наличии течи в i-м ТК.

6. При следующих соотношениях величин
f_Σcp<f_Σi
f_gcp>f_gi
f_Nacp<f_Nai
и при
f_Σi/f_Σcp>1 (11)
f_gi/f_Nacp<1
f_Nai/f_Nacp>1
f_gcp/f_Σср<f_gi/f_Σi
f_Nacp/f_Σср>f_Nai/f_Σi
f_Nacp/f_gcp<f_Nai/f_gi
можно судить о наличии течи в i-м ТК с одновременным выносом твердой фракции.

Сущность предлагаемого способа контроля целостности каналов водографитового ядерного реактора можно раскрыть на примере устройства, реализующего данный способ. Блок-схема устройства контроля целостности каналов (для одного из контролируемых каналов) приведена на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:
1 (блок N 1) - Детектор γ-излучения, предназначенный для измерения суммарной интенсивности распадов продуктов активации газа f_Σi.
2 (блок N 2) - Блок вычисления среднего значения суммарной интенсивности распадов продуктов активации газа f_Σср в соответствии с соотношением (3).

3 (блок N 3) - Блок вычисления отклонений Δf_Σi текущей величины суммарной интенсивности распадов продуктов активации газа f_Σi дл i-го контролируемого канала от среднего значения f_Σср, то есть
Δf_Σi = f_Σср-f_Σi. (12)
4 (блок N 4) - Блок временной задержки с временем задержки, равным τ, осуществляющий сдвиг f_Σi на время τ, то есть f_Σi_→f_Σi(τ).
5 (блок N 5) - Блок вычитания, определяющий разность Δf_1τ между суммарной интенсивностью распадов продуктов активации газа и ее значением, задержанным на время τ, и определяемую по соотношению
Δf_1τ = f_Σi-f_Σi(τ). (13)
6 (блок N 6) - Блок временной задержки с временем задержки, равным τ, осуществляющий сдвиг Δf_1τ на время τ, то есть Δf_1τ_→Δf_2τ.
7 (блок N 7) - Схема совпадений, осуществляющая определение интенсивности распадов продуктов коррозии (твердой фракции) для i-го ТК f_ai в соответствии с преобразованием
f_ai = Δf_1τ∩Δf_2τ, (14)
где ∩ - знак логического умножения.

8 (блок N 8) - Формирователь последовательности импульсов, частота следования которых f_Nai пропорциональна концентрации твердых частиц (продуктов коррозии) N_ai в газе для i-го ТК.

9 (блок N 9) - Блок вычитания, определяющий разность между суммарной интенсивностью распадов продуктов активации газа f_Σi и интенсивностью распадов продуктов коррозии f_ai, то есть определяющий интенсивность распадов продуктов активации газовой составляющей f_gi в соответствии с соотношением (1)
10 (блок N 10) - Блок вычисления среднего значения интенсивности распадов продуктов активации газовой фракции f_gcp в соответствии с соотношением (4).

11 (блок N 11) - Блок вычисления отклонений Δf_gi текущей величины интенсивности распадов продуктов активации газовой составляющей f_gi для i-го контролируемого канала от среднего значения f_gcp по соотношению
Δf_gi = f_gcp-f_gi. (15)
12 (блок N 12) - Блок вычисления среднего значения частоты следования импульсов f_Nacp, пропорциональной средней концентрации твердых частиц (продуктов коррозии) в газе N_acp, в соответствии с соотношением (5).

13 (блок N 13) - Блок вычисления отклонений Δf_Nai текущего значения частоты следования импульсов, пропорциональной концентрации твердых частиц (продуктов коррозии) в газе f_Nai, от ее среднего значения f_Nacp по соотношению
Δf_Nai= f_Nacp-f_Nai. (16)
14 (блок N 14) - Вычислительное устройство, анализирующее состояние ТК и зазоров в соответствии с соотношениями (6)-(11).

Устройство работает следующим образом.

Сигнал с блока 1 (устройство имеет М блоков 1 - по числу контролируемых технологических каналов) в виде частоты следования импульсов (в дальнейшем - просто частоты), пропорциональный суммарной интенсивности распадов продуктов активации газа f_Σi, поступает на вход N 1 блока 2, на вход N 1 блока 3, на вход N 1 блока 4 и на вход N 1 блока 5. Остальные входы блока 2, который имеет М входов - по числу блоков 1, подсоединены к их выходам, а выход блока 2 связан со входом N 2 блока 3 (устройство имеет М блоков 3 - по числу контролируемых каналов). Блок 2 производит определение среднего значения частоты импульсов f_Σcp, пропорциональной суммарной интенсивности γ-распадов продуктов активации газа.

При нормальном режиме эксплуатации канала частоты импульсов, поступающие на входы N 1 и N 2 блока 3 и пропорциональные суммарной интенсивности γ-распадов продуктов активации газа в i-м контролируемом канале f_Σi и их среднему значению по всем контролируемым каналам соответсттенно f_Σcp, будут практически близки друг к другу (фиг. 2-1) или их отличие друг от друга будет находиться в пределах установленного коридора допусков. В этом режиме мы имеем сигнал на выходе N 1 блока 3, что показано на фиг. 2-1, свидетельствующий о нормальном режиме эксплуатации канала.

На фиг. 2-2 приведены временные диаграммы для режима работы канала, когда суммарная интенсивность γ-распадов продуктов активации газа в контролируемом канале f_Σi превышает их среднее значение f_Σcp. В этом случае мы имеем устойчивый сигнал на выходе N 2 блока 3, что показано на фиг. 2-2, который свидетельствует о нарушении в режиме эксплуатации канала. Эти нарушения могут быть вызваны или процессом "растрескивания" канала и, соответственно, выносом с его поверхности радиоактивных твердых микрочастиц (имеется в виду процесс "растрескивания" канала перед образованием течи через него), или непосредственно течью через канал с выносом в газовый контур канала радиоактивных теплоносителя и продуктов коррозии.

На фиг. 2-3 приведены временные диаграммы для режима работы канала, когда суммарная интенсивность γ-распадов продуктов активации газа f_Σi в i-м контролируемом канале ниже их среднего значения f_Σcp. В этом случае мы имеем устойчивый сигнал на выходе N 3 блока 3, что показано на фиг. 2-3, который свидетельствует о нарушении в режиме эксплуатации канала. Эти нарушения могут быть вызваны сужением зазора между стенками канала и графитовой кладкой.

Таким образом, работа блоков 1-3 по анализу суммарной интенсивности γ-распадов продуктов активации газа f_Σi в i-м контролируемом канале по сравнению с их средним значением f_Σcp уже позволяет определить нарушения в режиме эксплуатации канала.

Теперь рассмотрим работу блоков 4-9, позволяющих выделить из суммарной интенсивности γ-распадов продуктов активации газа f_Σi в i-м контролируемом канале следующие составляющие :
f_gi - величину интенсивности γ-распадов продуктов активации газовой фракции,
f_ai - величину интенсивности γ-распадов продуктов коррозии,
а также определить частоту следования импульсов f_Naii, пропорциональную концентрации твердых частиц (продуктов коррозии) N_ai в газе.

При нормальном режиме эксплуатации канала (фиг. 3-1) частоты импульсов, поступающие на входы N 1 и N 2 блока 5 и пропорциональные суммарной интенсивности γ-распадов продуктов активации газа f_Σi в контролируемом канале и этому же значению f_Σi(τ)., только задержанному на время τ, соответственно, будут практически близки друг к другу (или их отличие друг от друга будет находиться в пределах установленного коридора допусков). В этом случае при отсутствии в сигналах поступающих на входы N 1 и N 2 блока 5 частотных сгустков (пачек импульсов), обусловленных
наличием в газе радиоактивных твердых частиц, на выходах блоков 5, 6 и 7 будет нулевая (или флуктуирующая около нуля) частота следования импульсов.

При появлении в сигналах, поступающих на входы N 1 и N 2 блока 5 частотных сгустков (пачек импульсов), обусловленных наличием в газе радиоактивных твердых частиц, за счет их сдвига во времени на время τ (фиг. 3-2), с помощью блоков 5, 6, 7 происходит выделение интенсивностей радиоактивного распада продуктов активации твердых частиц в виде частотных сгустков (пачек импульсов) f_ai, которые блоком 8 преобразуются в одиночные импульсы. Частота импульсов на выходе блока 8 f_Nai, таким образом, будет пропорциональна концентрации твердых частиц в газе N_ai.

Выход блока 7, на котором мы имеем частотные сгустки (пачки импульсов), обусловленные наличием в газе твердых частиц, кроме входа блока 8 связан со входом N 1 блока 9, вход N 2 которого подключен к выходу временной задержки (блок N 4). В результате на выходе блока 9 мы имеем частоту импульсов, равную разности между сигналами входов N 2 и N 1 блока 9 соответственно, которая прямо пропорциональна интенсивности γ-распадов продуктов активации газовой фракции f_gi.

В результате при отсутствии в газе твердых частиц частоты импульсов сигналы, поступающие на входы N 1 и N 2 блока 11 и пропорциональные интенсивности γ-распадов продуктов активации газовой фракции f_gi в контролируемом канале и их среднему значению f_gcp, вычисляемому блоком 10 по всем контролируемым каналам, соответственно, будут практически близки друг к другу (фиг. 4-1) или их отличие друг от друга будет находиться в пределах установленного коридора допусков. В этом режиме мы имеем сигнал на выходе N 1 блока 11, что показано на фиг. 4-1, который свидетельствует о нормальном состоянии канала.

При наличии в газе твердых частиц частоты импульсов, поступающие на входы N 1 и N 2 блока 9, за счет блоков 5, 6 и 7 синхронизованы во времени, что позволяет выделить на его выходе интенсивность распадов газовой составляющей f_gi в чистом виде. В результате сигналы, поступающие на входы N 1 и N 2 блока 11 и пропорциональные интенсивности γ-распадов продуктов активации газа в контролируемом канале f_gi и их среднем значению f_gcp, соответственно, будут практически близки друг к другу (фиг. 4-2) или их отличие друг от друга будет находиться в пределах установленного коридора допусков. В этом случае мы имеем сигнал на выходе N 1 блока 11, что показано на фиг. 4-2, который свидетельствует о нормальном состоянии канала.

Естественно, что рассмотренные режимы, диаграммы которых представлены на фиг. 4.1 и 4.2, характеризуют отсутствие течи в канале.

При наличии течи в канале (фиг. 4-3) интенсивность распадов его газовой составляющей f_gi значительно выше средней f_gcp и, в этом случае, мы имеем устойчивый сигнал на выходе N 2 блока 11. Совпадение во времени сигнала на выходе N 2 блока 11 с сигналом на выходе N 2 блока 3 будет свидетельствовать о наличии устойчивой течи в канале.

И, в случае сужения зазора, интенсивность распадов газовой составляющей данного контролируемого канала f_gi будет ниже среднего значения f_gcp, что подтвердится появлением устойчивого сигнала на выходе N 3 блока 11 (фиг. 4-4). Совпадение во времени сигнала на выходе N 3 блока 11 с сигналом на выходе N 3 блока 3 будет подтверждать наличие сужения зазора между каналом и графитовой кладкой.

Наконец, блоки 8, 12 и 13 осуществляют анализ сигналов, пропорциональных концентрациям твердых частиц в газе.

Так, на фиг. 5-1 представлены временные диаграммы, характеризующие работу этих блоков в режиме, когда средняя частота f_Nacp, вычисленная блоком 12 по всем контролируемым каналам, и частота f_Nai в данном контролируемом канале практически одинаковы. В этом режиме мы имеем устойчивый сигнал на выходе N 1 блока 13, который свидетельствует о практически "бескоррозионном" режиме эксплуатации канала. Совпадение во времени сигнала на выходе N 1 блока 13 с сигналами на выходе N 1 блока 3 и выходе N 1 блока 11 свидетельствует о нормальном режиме эксплуатации канала.

Фиг. 5-2 характеризует режим работы канала с концентрацией твердых частиц в газе, превышающей среднее значение, то есть при f_Nai, большем f_Nacp. В этом режиме мы имеем сигнал на выходе N 2 блока 13, который свидетельствует о "коррозионном" режиме эксплуатации канала. Совпадение во времени сигнала на выходе N 2 блока 13 с сигналом на выходе N 2 блока 3 свидетельствует о "коррозионном" режиме эксплуатации канала. И, наконец, совпадение во времени сигнала на выходе N 2 блока 13 с сигналами на выходе N 2 блока 3 и выходе N 2 блока 11 свидетельствует не только о "коррозионном" режиме эксплуатации канала, но и о наличии течи в нем.

Фиг. 5-3 характеризует режим работы канала с концентрацией твердых частиц в газе, имеющей значение ниже среднего. В этом режиме мы имеем устойчивый сигнал на выходе N 3 блока 13, который свидетельствует о наличии сужения зазора между каналом и графитовой кладкой. Совпадение во времени сигнала на выходе N 3 блока 13 с сигналами на выходе N 3 блока 3 и выходе N 3 блока 11 подтверждает наличие сужения зазора между каналом и графитовой кладкой.

Более детальный анализ состояния контролируемого канала осуществляется блоком 14 с использованием соотношений (6)-(11), которые позволяют по отношениям величин f_Σi/f_Σcp; f_gi/f_gcp; f_Nai/f_Nacp; f_gcp/f_Σcp;f_Nacp/f_Σcp; f_Nacp/f_gcp; f_gi/f_Σi; f_Nai/f_Σi и f_Nai/f_gi учесть как неравномерности энерговыделения по ТК, так и разницу в интегральных флюенсах нейтронов по ТК, то есть более точно восстановить состояние ТК и зазора независимо от абсолютного значения активностей. С этой целью выводы блоков 1, 8 и 9 также связаны с соответствующими входами блока 14.

Литература
1. Конструирование ядерных реакторов: Учеб. пособие для вузов/И.Я. Емельянов, В.И. Михан, В.И. Солонин; Под. общ. ред. акад. Н.А. Доллежаля. - М.: Энергоиздат, 1982. - С. 224.

Использование: при эксплуатации атомных станций с реакторами типа РБМК для повышения точности, быстродействия и надежности определения относительной величины нарушения целостности каналов, состояния зазоров между каналами и графитовой кладкой, местоположения контролируемых каналов с выявленными отклонениями от режима нормальной эксплуатации. Сущность изобретения: одновременно для всех контролируемых каналов измеряют суммарную интенсивность распадов продуктов активации газа, интенсивность распадов продуктов активации газовой фракции и величину, характеризующую концентрацию продуктов коррозии в газе, определяют по измеренным параметрам их отношения и отношения их средних величин и по полученным данным оценивают состояние каналов. 10 ил.

Способ контроля целостности каналов водографитового ядерного реактора, основанный на измерении радиоактивности газа, применяемого для обдувки трактов каналов и графитовой кладки, отличающийся тем, что одновременно измеряют для каждого i-го канала суммарную интенсивность распадов продуктов активации газа, интенсивность распадов продуктов активации газовой фракции и величину, характеризующую концентрацию продуктов коррозии в газе, определяют по измеренным величинам отношение интенсивности распадов продуктов активации газовой фракции для i-го канала к суммарной интенсивности распадов продуктов активации газа для i-го канала и отношение их средних величин, отношение величины, характеризующей концентрацию продуктов коррозии в газе для i-го канала, к суммарной интенсивности распадов продуктов активации газа для i-го канала и отношение их средних величин, отношение величины, характеризующей концентрацию продуктов коррозии в газе для i-го канала, к интенсивности распадов продуктов активации газовой фракции для i-го канала и отношение их средних величин, и по отклонениям значений отношений интенсивности распадов продуктов активации газовой фракции для i-го канала к суммарной интенсивности распадов продуктов активации газа для i-го канала, величины, характеризующей концентрацию продуктов коррозии в газе для i-го канала, к суммарной интенсивности распадов продуктов активации газа для i-го канала, величины, характеризующей концентрацию продуктов коррозии в газе для i-го канала, к интенсивности распадов продуктов активации газовой фракции для i-го канала от соответствующих значений отношений их средних величин оценивают состояние каналов.