СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИМИТАТОРОВ ТВЭЛ Российский патент 2001 года по МПК G21C17/06 

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для контроля работоспособности имитаторов твэл в процессе работы их в составе сборки, а именно имитаторы твэл используются в качестве модельных элементов при исследовании температурных режимов тепловыделяющих элементов при различных режимах работы реактора, в том числе и аварийных. Имитатор твэл, фиг. 1, состоит из корпуса имитатора - оболочки поз. 1, выполняемого из нержавеющей стали и служащего для размещения внутри него нагревательного элемента, поз. 3 в виде проволоки или стержня, по которому пропускают ток от источника тока. В качестве материала нагревательного элемента используют нихром, сталь и т. п. Нагревательный элемент установлен в верхний токоподводящий узел, поз. 8, который выполнен заодно с корпусом имитатора. Между корпусом имитатора твэл и нагревательным элементом размещен электроизолирующий материал, поз. 4. В качестве последнего используют, как правило, порошок (наполнитель) MgO - периклаз. Выход нагревательного элемента из корпуса осуществляется через узел герметизации, поз. 6. Внутри оболочки установлены термопары, поз. 6, горячие спаи которых касаются вогнутой поверхности оболочки, а удлинительные провода выходят через узел герметизации. (авт. свид. 1340441 СССР. Имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора С.М. Балашов, А.С. Коньков, А.М. Павлов // Открытия. Изобретения. 1987), фиг. 1.

Имитаторы твэл используются, как правило, в составе сборок. Число имитаторов в сборке в зависимости от решаемой задачи может быть различным и лежит в пределах от 3 до 400. Основные причины выхода из строя имитаторов твэл следующие: при превышении температуры нагревательного элемента выше допустимой происходит его расплавление и отключение от источника питания, при этом остальные имитаторы могут работать в нормальном режиме; в случае касания внутреннего электрода и оболочки имитатора происходит короткое замыкание, образование дугового разряда, распространение дуги на остальные имитаторы, в этом случае возможно расплавление сборки - это наиболее опасная авария, приводящая к полному выходу сборки из строя; к этому же результату приводит ситуация, когда в электроизолирующем слое появляются локальные участки с большим содержанием влаги и, соответственно, низким электросопротивлением (в нормальном состоянии сопротивление электроизоляции не меньше 1 МОм). Локальные участки с наличием влаги могут появиться либо при появлении трещин в оболочке, либо за счет перераспределения влаги, имеющейся в имитаторе. Последнее может иметь место вследствие неблагоприятных температурных градиентов, возникающих в сборке при проведении исследований.

Известен способ контроля работоспособности имитаторов в составе сборки, заключающийся в том, что в процессе проведения исследований на сборке измеряют температуру оболочек имитаторов (Болтенко Э.А. и др. Исследование кризиса теплообмена в моделях ТВС ВВЭР при наличии необогреваемых элементов по сечению сборки: Препринт ФЭИ N 2608, Обнинск, 1997).

Основной недостаток такого способа заключается в том, что способ не позволяет выявить дефекты, указанные выше, и, следовательно, предотвратить аварийную ситуацию. Последнее связано с тем, что повышение температуры оболочки не коррелирует с возникновением, например, короткого замыкания оболочки и (или) появлением локальных участков с высоким влагосодержанием.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ контроля работоспособности имитаторов, заключающийся в том, что измеряют падение напряжения на сборке имитаторов, состоящей из n имитаторов, измеряют ток через сборку (Болтенко Э.А. и др. Исследование кризиса теплообмена в моделях ТВС ВВЭР при наличии необогреваемых элементов по сечению сборки: Препринт ФЭИ N 2608, Обнинск, 1997).

Недостаток такого способа заключается в том, что точность такого способа мала. Способ позволяет выявить некоторые дефекты, например обрыв внутреннего электрода имитатора вследствие его расплавления только лишь при малом количестве стержней в сборке. Рассмотрим изменение сопротивления сборки при обрыве внутреннего электрода одного имитатора. Число имитаторов в сборке n. Электрическое сопротивление сборки равняется R_сб = R_им/n, где R_им - осредненное по сборке электрическое сопротивление имитатора. После обрыва одного имитатора электрическое сопротивление сборки становится равным R_сб = R_им/(n-1). Изменение электрического сопротивления сборки равняется
ΔR_сб = R_им/(n(n-1)) (1)
Как видно из формулы (I) с увеличением числа имитаторов в сборке ΔR_сб быстро падает и практически не может быть зафиксировано.

Можно показать, что определение других типов аварийных ситуаций с помощью измерения падения напряжения на сборке и тока через сборку неэффективно.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности определения момента наступления аварийного режима, что обеспечивается тем, что измеряют падение напряжения на активной части каждого имитатора U_имi, измеряют падение напряжения на пассивной части имитатора U_тпi, определяют ток через имитатор из предварительно полученной зависимости I_имi = f(U_тпi, определяют активное сопротивление имитатора R_имi = U_имi/I_имi, определяют неработоспособный имитатор путем сравнения измеренного активного сопротивления имитатора R_имi, с номинальным его значением R_нi, повторяют периодически весь цикл измерений в процессе работы сборки
U_имi - падение напряжения на активной части имитатора твэл
U_тпi - падение напряжения на пассивной части имитатора твэл
I_имi - ток через имитатор
R_имi - активное сопротивление имитатора твэл
R_нi - номинальное сопротивление имитатора
i - от 1 до n
n - число имитаторов в сборке
Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения аварийного режима, обеспечивается тем, что в течение работы сборки контролируют активное сопротивление каждого имитатора. Номинальное сопротивление имитатора известно и практически не изменяется в процессе работы сборки. Небольшие изменения номинального сопротивления имеют место за счет изменения температуры имитатора и могут быть учтены расчетным путем. При любой аварийной ситуации активное сопротивление имитатора изменяется. В случае обрыва внутреннего электрода активное сопротивление имитатора R_имi становится бесконечным.

В случае, например, короткого замыкания электрода на оболочку R_имi также изменяется. Величина изменения зависит от места замыкания.

На фиг. 2 показана схема сборки. На схеме показаны те измерения, которые необходимы для осуществления способа. На фиг. 3 показана эквивалентная электрическая схема имитатора твэл. Эквивалентное сопротивление имитатора записывается следующим образом:
R_эк = (R_имi(R_об + R_из))/(R_имi + (R_об + R_из)) (2)
где R_эк - эквивалентное сопротивление имитатора;
R_об - электрическое сопротивление оболочки;
R_из - электрическое сопротивление изоляции.

В случае, когда сопротивление изоляции велико (бесконечно), эквивалентное сопротивление имитатора R_эк равняется сопротивлению имитатора R_имi.

При наличии короткого замыкания, например, в нижней части имитатора эквивалентное сопротивление имитатора становится равным:
R_эк = (R_имiR_об)/(R_имi + R_об) (3)
Для осуществления способа необходимо измерять падение напряжения на активной части имитатора U_имi, U_тпi - падение напряжения на пассивной части имитатора твэл и ток через имитатор - I_имi. Наиболее сложно измерить ток через имитатор в составе сборки. Для измерения тока необходимо либо установить на каждый имитатор трансформатор тока (переменный ток), либо в цепи имитатора (в разрыв) установить измерительный шунт (постоянный ток). Установка измерительных средств практически невозможна из-за очень малых расстояний между имитаторами (1-2 мм).

В связи с этим в предлагаемом способе определение тока через имитатор осуществляется путем измерения падения напряжения на пассивной части имитатора U_тпi. В данном случае пассивная часть имитатора используется в качестве измерительного шунта. Перед проведением исследований на сборке определяется зависимость I_имi= f(U_тпi), на основе которой путем измерения U_тпi и определяется ток через имитатор.

В качестве примера рассмотрим способ контроля работоспособности имитаторов в составе сборки применительно к ТВС реактора ВВЭР. Максимальная мощность имитатора лежит в интервале 6,0 - 10,0 кВт и определяется тепловыми потоками, имеющими место в реакторе при номинальных и кризисных режимах. Активная длина - 3,5 м. Наружный диаметр твэл 9,1 мм. Источник питания имеет напряжение - 115,0 В. Сопротивление внутреннего электрода, т.е. номинальное сопротивление имитатора 1,3 Ом. Толщина наружной оболочки - 0,7 мм. Электрическое сопротивление оболочки 0,23 Ом. Количество имитаторов в сборке n = 168. Рассмотрим аварийную ситуацию, когда имеет место короткое замыкание внутреннего электрода на оболочку. Короткое замыкание внизу имитатора. В этом случае при коротком замыкании активное сопротивление поврежденного имитатора будет равно (см. формулу 3) R_имi= (1,3•0,23)/1,53 = 0,18 Ом. Таким образом, в этом случае активное сопротивление имитатора возрастет примерно на ~ 39% и будет зафиксировано. После сравнения с номинальным значением сопротивления имитатора делается вывод о том, что данный имитатор поврежден, дается команда на отключение мощности всей сборки. После этого неработоспособный (поврежденный) имитатор отключается, вновь подается мощность на сборку и эксперимент продолжается. При контроле работоспособности периодически опрашиваются все имитаторы сборки. При этом определяют активное сопротивление каждого имитатора, сравнивают измеренное активное сопротивление имитатора с номинальным его значением и определяют неработоспособный имитатор.

Таким образом, предлагаемый способ контроля работоспособности имитаторов позволяет повысить точность определения аварийной ситуации, предотвратить выход из строя сборки имитаторов твэл.

Изобретение относится к теплофизическим исследованиям. Сущность изобретения: измеряют падение напряжения на активной части каждого имитатора U_имi затем измеряют падение напряжения U_тпi на пассивной части каждого имитатора, определяют ток через каждый имитатор из предварительно полученной зависимости I_имi = f(U_тпi) и определяют активное сопротивление каждого имитатора R_имi = U_имi/I_имi. Путем сравнения измеренного активного сопротивления каждого имитатора R_имi с номинальным его значением R_нi определяют неработоспособный имитатор. Весь цикл измерений повторяют периодически в процессе работы сборки. Преимуществами заявленного способа являются повышение точности определения момента наступления аварийного режима, предотвращение выхода из строя сборки имитаторов твэл. 3 ил.

Способ контроля работоспособности имитаторов твэл, заключающийся в том, что измеряют падение напряжения на сборке, состоящей из n имитаторов, измеряют ток через сборку, отличающийся тем, что измеряют падение напряжения U_имi на активной части каждого имитатора, измеряют падение напряжения U_тпi на пассивной части каждого имитатора, определяют ток из предварительно полученной зависимости I_имi = f(U_тпi) через каждый имитатор, определяют активное сопротивление R_имi = U_имi/I_имi каждого имитатора, определяют неработоспособный имитатор путем сравнения измеренного активного сопротивления R_имi каждого имитатора с номинальным его значением R_нi, повторяют периодически весь цикл измерений в процессе работы сборки, где i - от 1 до n.