СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ГАДОЛИНИЯ В КАЖДОЙ ТАБЛЕТКЕ СТОЛБА УРАН-ГАДОЛИНИЕВОГО ТОПЛИВА В ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕМ ЭЛЕМЕНТЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G21C17/06 G01N27/90 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и предназначено для определения содержания гадолиния в каждой таблетке снаряженных уран-гадолиниевым топливом тепловыделяющих элементов легководных ядерных энергетических реакторов.

Проведенные в последние годы мероприятия по повышению выгорания ядерного топлива и удлинению топливных циклов заставили вводить в активные зоны легководных ядерных энергетических реакторов дополнительное количество выгорающих поглотителей нейтронов (гадолиния или эрбия), необходимых для подавления начальной избыточной реактивности и выравнивания тепловыделения в зоне в течение всего топливного цикла.

Выгорающий поглотитель вводится непосредственно в таблетки из диоксида урана. В зоне размещаются тепловыделяющие сборки, в которых находятся тепловыделяющие элементы (твэлы) с разным содержанием выгорающего поглотителя и в том числе по длине топливного столба твэла (профильное распределение) в пределах от 0 до 8 - 10 мас.%, например, оксида гадолиния. Поэтому очень важно определять содержание выгорающего поглотителя, например гадолиния, в каждой таблетке столба топлива готового твэла с приемлемой погрешностью.

Технической задачей изобретения является усовершенствование способа неразрушающего электромагнитного (вихретокового) контроля и создание установки для определения содержания гадолиния в каждой таблетке столба уран-гадолиниевого топлива в готовом твэле с приемлемой погрешностью.

Известен ряд способов и средств неразрушающего контроля содержания гадолиния в уран-гадолиниевом топливе в твэле, основанных на магнитном, электромагнитном, нейтронографическом, нейтронно-активационном методах [1]. Однако на практике нашли применение магнитный и электромагнитный методы контроля. Первый метод основан на измерении магнитной восприимчивости парамагнитного оксида гадолиния, которая в 16,8 раза больше, чем у диоксида урана; второй - на измерении вносимого импеданса при введении в измерительный преобразователь уран-гадолиниевой таблетки. Однако на точности определений сильно сказываются имеющиеся в таблетках примесные ферромагнитные включения (железо, никель и их сплавы) в количестве до 500 млн^-1, восстановившиеся из оксидов при спекании таблеток в восстановительной атмосфере. Их магнитная восприимчивость в десятки и сотни раз выше магнитной восприимчивости оксида гадолиния. Поэтому в известных способах контроля применяются меры по подавлению мешающего действия ферромагнитных включений.

При магнитном контроле для исключения такого влияния проводят насыщение ферромагнитных включений с помощью внешних постоянных магнитных полей. Полное их насыщение происходит при напряженностях магнитного поля более 1600 кА/м [2] . Поскольку электромагниты и постоянные магниты могут создавать магнитные поля напряженностью до 800 кА/м, то для получения магнитных полей большей напряженности необходимы магнитные системы со сверхпроводящими обмотками.

Магнитный контроль содержания гадолиния в каждой таблетке по способу [2] проводится при насыщении ферромагнитных включений магнитным полем с напряженностью до 5600 кА/м, создаваемым магнитной системой со сверхпроводящей обмоткой. В установке имеются две такие магнитные системы, в которых напряженности отличаются в 2 раза (например, 4800 и 2400 кА/м). Вдоль осей магнитных систем располагаются измерительные катушки, через которые перемещаются со строго постоянной скоростью контролируемые твэлы. Поскольку при таких напряженностях магнитных полей ферромагнитные включения полностью насыщены, а магнитная восприимчивость гадолиния увеличивается линейно с ростом напряженности магнитного поля, то разность наводимых напряжений в катушках будет пропорциональна магнитной восприимчивости гадолиния при любом содержании ферромагнитных включений. Этим способом можно контролировать и содержание ферромагнитных включений в таблетках [3].

В известном электромагнитном методе [4] контроль содержания гадолиния определяется по изменению импеданса измерительного преобразователя при внесении в него уран-гадолиниевой таблетки относительно компенсационного преобразователя со стандартным образцом, помещенных в переменное магнитное поле с частотой менее 100 Гц, создаваемого двумя катушками Гельмгольца. Для подавления влияния ферромагнитных включений на точность измерения они насыщаются постоянным магнитным полем напряженностью более 400 кА/м, создаваемого постоянными магнитами.

Другой способ отстройки от влияния ферромагнитных включений на точность определения содержания гадолиния основан на прямом измерении содержания ферромагнитных включений электромагнитным методом с последующим введением корректировки в результаты контроля. Согласно этому способу внутри соленоида, питаемого от источника переменного тока, расположены измерительный и компенсационный преобразователи, соединенные последовательно-встречно. При контроле таблетки, содержащей ферромагнитные примеси, в напряжении рассогласования, кроме составляющей основной частоты, возникают гармонические составляющие, обусловленные гистерезисом кривых намагничивания ферромагнитных включений в слабых магнитных полях (десятые доли тесла). Выделенные фильтрами гармонические составляющие используются для внесения корректировки в результаты контроля [5].

Известен также электромагнитный (вихретоковый) метод контроля содержания гадолиния в каждой таблетке столба уран-графитового топлива в твэле с оболочкой из сплава циркония, основанный на сравнении электрических параметров измерительного преобразователя, через который протягивается контролируемый твэл, с параметрами компенсационного преобразователя, в котором находится стандартный образец - отрезок оболочки твэла с одной таблеткой [6]. Компенсационный преобразователь может располагаться рядом и соосно с измерительным преобразователем (контроль методом сравнения параметров двух соседних таблеток в твэле).

Контролируемым параметром является электрическая проводимость уран-гадолиниевой таблетки, значительно увеличивающаяся с ростом содержания в ней гадолиния. При этом увеличивается и индуктивная составляющая за счет увеличения магнитной проницаемости таблетки. Высокая чувствительность к изменению электрической проводимости таблетки достигается выбором частоты переменного магнитного поля, при которой оно проникает в таблетку через электропроводную оболочку (менее 10 кГц). Кроме фазовой отстройки от изменений индуктивной составляющей вносимого таблеткой импеданса в способе [6] не предусмотрены дополнительные меры по подавлению влияния ферромагнитных включений на точность контроля содержания гадолиния.

В [7, 8] описано применение метода вихревых токов по способу [6] с наложением внешнего постоянного магнитного поля при контроле содержания гадолиния в уран-гадолиниевых таблетках. Устройство для контроля содержания гадолиния в каждой таблетке столба уран-гадолиниевого топлива в готовом твэле состоит из механизма перемещения твэла с постоянной скоростью через измерительный преобразователь проходного типа, помещенный в магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами и предназначенное для подавления мешающего действия ферромагнитных включений в таблетках. Снимаемое с измерительного преобразователя напряжение сравнивается с напряжением компенсационного преобразователя, в котором находится стандартный образец - отрезок оболочки твэла с одной таблеткой. Разность напряжений подается на стандартный вихретоковый прибор, к выходу которого подключено записывающее устройство.

Недостатками вихретокового контроля по способу [7] являются:
1 - низкая разрешающая способность при контроле уран-гадолиниевых таблеток с небольшим (2-3 мас.%) содержанием гадолиния и большим количеством ферромагнитных включений, обусловленная неполным насыщением последних магнитным полем постоянных магнитов;
2 - отсутствие мер по компенсации влияний на точность контроля отклонений электрической проводимости и геометрических размеров оболочки контролируемых твэлов, а также смещений оси твэла относительно оси измерительного преобразователя проходного типа.

Наиболее близким по технической сущности решением к заявленным способу и устройству контроля содержания гадолиния в каждой таблетке твэла с уран-гадолиниевым топливом является вихретоковое устройство [7], принятое в качестве прототипа.

Техническими задачами изобретения являются повышение разрешающей способности при вихретоковом контроле содержания гадолиния в каждой таблетке столба уран-гадолиниевого топлива в твэле при переменной массе ферромагнитных включений в таблетках и отклонениях электрической проводимости и геометрических размеров оболочки в пределах допусков, установленных в технических условиях на уран-гадолиниевые таблетки и оболочки из сплавов циркония, без применения магнитных систем со сверхпроводящими обмотками.

Поставленная цель достигается тем, что в известном вихретоковом способе контроля содержания гадолиния в каждой таблетке столба уран-гадолиниевого топлива в твэле, основанном на изменении напряжения, возникающего в помещенном во внешнем постоянном магнитном поле измерительном преобразователе проходного типа, при перемещении через него твэла с постоянной скоростью и сравнении этого напряжения с напряжением на компенсационном преобразователе проходного типа с установленным в нем стандартным образом в виде отрезка оболочки с одной таблеткой из диоксида урана и также находящемся в этом магнитном поле, проводят дополнительные измерения разности напряжений на аналогичных измерительном и компенсационном преобразователях во время перемещения твэла, но без наложения внешнего постоянного магнитного поля, сравнивают результаты контроля в одних и тех же сечениях твэла и после компьютерной обработки полученной информации определяют содержание гадолиния в каждой таблетке.

Согласно частному варианту выполнения способа контроль ведут при питании преобразователей двухчастотным напряжением, причем меньшая частота используется для контроля содержания гадолиния в таблетках, а большая - для компенсации погрешностей, обусловленных отклонениями электрической проводимости и геометрических размеров оболочки контролируемого твэла от таковых стандартного образца, а также смещением оси перемещаемого твэла относительно осей измерительных преобразователей.

Поставленная задача достигается также тем, что в известном устройстве вихретокового контроля содержания гадолиния в каждой таблетке столба уран-гадолиниевого топлива, включающем измерительный преобразователь проходного типа, помещенный во внешнее постоянное магнитное поле, через который перемещается контролируемый твэл, и компенсационный преобразователь со стандартным образцом, соединены встречно и подключены к входу стандартного вихретокового прибора, к выходу которого подключен записывающий прибор, отличается тем, что для более полной нейтрализации влияния ферромагнитных включений на точность контроля содержания гадолиния в уран-гадолиниевых таблетках устройство оснащено размещенными вне магнитного поля аналогичными измерительным и компенсационным преобразователями, разностное напряжение с которых вместе с разностным напряжением основных измерительного и компенсационного преобразователей подается на фазочувствительные усилители, а сигналы с их ортогональных выходов поступают в микропроцессорный контроллер и с него в компьютер, выдающий информацию о содержании гадолиния в каждой таблетке.

Согласно частному варианту выполнения устройства в качестве преобразователей используются проходные преобразователи трансформаторного типа с возбуждающими и измерительными обмотками, питаемые от двухчастотного генератора.

Согласно второму частному варианту выполнения устройства сравнение результатов контроля обеими измерительными системами в одних и тех же сечениях твэла обеспечивается датчиками положения твэла, размещенными рядом с измерительными преобразователями и блоками временной задержки.

Согласно третьему частному варианту выполнения устройства для снижения влияния отклонений электропроводности и геометрических размеров оболочки контролируемого твэла от таковых оболочки стандартного образца, а также смещения оси контролируемого твэла относительно осей измерительных преобразователей на результаты контроля содержания гадолиния в таблетках, в нем имеется вспомогательный измерительный канал, функционирующий на более высокой частоте, чем канал контроля содержания гадолиния.

Согласно четвертому частному варианту выполнения устройства внешнее постоянное магнитное поле создается магнитной системой, состоящей из блоков постоянных магнитов и магнитопроводов, обеспечивающих напряженность магнитного поля в зоне контроля в диапазоне 750-2000 кА/м.

Согласно пятому частному варианту выполнения устройства для исключения температурной погрешности измерительный и компенсационный преобразователи расположены в одном блоке.

Магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами в первой измерительной системе, используется для насыщения ферромагнитных включений в уран-гадолиниевых таблетках с целью снижения их влияния на результаты контроля. Однако для полного насыщения ферромагнитных включений необходимо магнитное поле с напряженностью более 1600 кА/м, что можно обеспечить только магнитной системой со сверхпроводящими обмотками. Поэтому для более полного учета влияния ферромагнитных включений на точность контроля используется вторая измерительная система без наложения магнитного поля, на выходе которой формируется сигнал, несущий информацию о содержании гадолиния и ферромагнитных включений. Сравнивая выходные сигналы с обеих измерительных систем, можно оценить уровень помехи, создаваемой ферромагнитными включениями, и внести поправки в результаты контроля.

На фиг.1 представлена блок-схема заявленного устройства.

На фиг. 2 приведена диаграмма записи содержания гадолиния в таблетках столба уран-гадолиниевого топлива в имитаторе твэла, в котором находятся 5 групп таблеток, разделенных таблетками из диэлектрического материала.

В первой группе - три таблетки, содержащие 6 мас.% оксида гадолиния, во второй группе - три таблетки (4 мас.%), в третьей группе - три таблетки диоксида урана без гадолиния, в четвертой группе - две таблетки (8 мас.%), в пятой группе - три таблетки из диоксида урана без гадолиния. Диаграмма записана с использованием установки-аналога прототипа [7].

На фиг. 3 приведена аналогичная диаграмма, но записанная на установке-прототипе с наложением внешнего постоянного магнитного поля.

На фиг. 4 - диаграмма, записанная на разработанной установке по предложенному способу контроля.

Устройство (фиг. 1) содержит первую измерительную систему, состоящую из измерительного 1 и компенсационного 2 преобразователей с возбуждающими и измерительными обмотками, помещенными в магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами NS. Возбуждающие обмотки преобразователей питаются от двухчастотного генератора 4, вырабатывающего напряжения низкой частоты F1 и высокой частоты F2. Вторая измерительная система состоит из аналогичных измерительного 8 и компенсационного 7 преобразователей, расположенных вне магнитного поля. Контролируемый твэл 3 перемещается через измерительные преобразователи 1 и 8 в направлении стрелки X. В компенсационных преобразователях 2 и 7 постоянно находятся одинаковые стандартные образцы 15, 16 в виде отрезков оболочек твэла с таблеткой. Напряжения рассогласования с измерительных обмоток обеих систем поступают соответственно на фазочувствительные усилители 5, 6 и 9, 10. В качестве опорных напряжений для фазочувствительных усилителей используются напряжения с частотами F1 и F2. При этом на выходе фазочувствительных усилителей 5 и 9 с опорным напряжением на низкой частоте F1 формируется сигнал об электрической проводимости и магнитной восприимчивости уран-гадолиниевых таблеток, по которому определяется содержание в них гадолиния. На выходе фазочувствительных усилителей 6 и 10 с опорным напряжением на высокой частоте F2 формируются сигналы об отклонении электрической проводимости оболочки и ее геометрических размеров, а также о смещении оси контролируемого твэла относительно осей измерительных преобразователей.

Поскольку измерительные преобразователи 1 и 8 смещены друг от друга, то для сопоставления результатов контроля содержания гадолиния в одних и тех же сечениях твэла предусмотрены датчики положения 11 и 12, с помощью которых и определяется необходимый временной сдвиг при данной скорости перемещения твэла.

Ортогональные составляющие со всех фазочувствительных усилителей и сигналы с датчиков положения поступают на микропроцессорный контроллер 13, в котором производится первичная обработка сигналов. Затем все 10 сигналов подаются в компьютер 14. В нем сигналы обрабатываются по специальной программе с целью извлечения информации о содержании гадолиния в каждой уран-гадолиниевой таблетке.

Суть специальной самообучающейся программы заключается в следующем. При контроле твэла на выходе четырех квадратурных фазочувствительных усилителей 5, 6, 9 и 10 (фиг.1) возникает 8 независимых сигналов, которые объединяются в простейшую систему уравнений:
U_0F1=A•cosα;
U_90F1=A•sinα (сигналы с фазочувствительного усилителя 5);
U_0F2=B•cosβ;
U_90F2=B•sinβ (сигналы с фазочувствительного усилителя 6);
U_0F1=C•cosγ;
U_90F1=C•sinγ (сигналы с фазочувствительного усилителя 9);
U_0F2=D•cosδ;
U_90F2=D•sinδ (сигналы с фазочувствительного усилителя 10).

Для определения оптимальных значений коэффициентов А, В, С, D и аргументов α, β, γ, δ изготавливают имитаторы таблеток с различным содержанием ферромагнитных примесей и гадолиния, которые помещают в оболочки твэлов с различными значениями наружного диаметра и толщины стенки. После контроля этих образцов программа подбирает такие значения коэффициентов и аргументов, чтобы после обработки системы уравнений сигнал от гадолиния был максимальным, а от мешающих факторов - минимальным. Правильность выбора алгоритма обработки информации проверяется на готовой продукции. Таблетки с различным содержанием гадолиния после контроля подвергаются химическому анализу и по сравнению с результатами химического анализа определяется погрешность контроля.

Из сравнения диаграмм записи на фиг.2 и 4 видны преимущества контроля содержания гадолиния в уран-гадолиниевых таблетках предлагаемым способом.

Источники информации
1. Горский В.В. Уран-гадолиниевое оксидное топливо. Ч. 4. Неразрушающий контроль содержания Gd₂О₃ в твэлах с таблетками (U, Gd)O₂.- Атомная техника за рубежом, 1990, 1, С. 3-8.

2. Пат. США 4243939, G 01 R 33/16, 1981.

3. Заявка Великобритании 2073429, G 01 N 27/72, 1981.

4. Пат. США 4134064, G 01 R 33/12, 1979.

5. Выложенная заявка Японии 60-114766, 1985.

6. Европейский пат. 0123089, G 21 C 17/16, G 01 C 27/72, 1988.

7. Domingo A. et al. Electromagnetic and gamma scanning inspection of nuclear fuel rods at ENUSA.-In: Pros. 7^th Europ. Conf. on Non-Destr. Test., V. 2, 1998, P. 1399-1406 (прототип).

8. Горский В.В. Неразрушающий контроль при производстве твэлов для PWR в Испании. - Атомная техника за рубежом, 1999, 8, с. 16-21.

Изобретение относится к области неразрушающего вихретокового контроля материалов и изделий и, в частности, контроля содержания гадолиния в тепловыделяющих элементах (твэлах) ядерных энергетических реакторов. Предлагаемые способ и устройство, предназначенные преимущественно для двухчастотного вихретокового контроля содержания гадолиния в каждой таблетке снаряженного уран-гадолиниевым топливом твэла, основаны на сравнении результатов контроля в одних и тех же сечениях твэла двумя измерительными системами, содержащими измерительные преобразователи проходного типа, через которые перемещается контролируемый твэл, и компенсационные преобразователи со вставленными в них стандартными образцами, с тем отличием, что в первой системе контроль ведется при наложении внешнего постоянного магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов, а во второй - без наложения, по которым проводятся расчеты на компьютере содержания гадолиния в каждой таблетке с учетом помех, создаваемых ферромагнитными включениями в таблетках, отклонениями электропроводности и геометрических размеров оболочек контролируемых твэлов от таковых оболочек стандартных образцов, а также смещениями оси контролируемого твэла относительно осей измерительных преобразователей. Предлагаемые способ и устройство обеспечивают более точное определение содержания гадолиния при наличии ферромагнитных включений в таблетках. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ вихретокового контроля содержания гадолиния в каждой таблетке столба уран-гадолиниевого топлива в тепловыделяющем элементе, основанный на измерении напряжения, возникающего в помещенном во внешнее постоянное магнитное поле измерительном преобразователе проходного типа, при перемещении через него тепловыделяющего элемента с постоянной скоростью и сравнении этого напряжения с напряжением на компенсационном преобразователе проходного типа с установленным в нем стандартным образцом в виде отрезка оболочки тепловыделяющего элемента с одной таблеткой из диоксида урана и также находящимся в этом магнитном поле, отличающийся тем, что проводят дополнительное измерение разности напряжений на аналогичных измерительном и компенсационном преобразователях во время перемещения тепловыделяющего элемента, но без наложения внешнего магнитного поля, сравнивают результаты контроля в одних и тех же сечениях тепловыделяющего элемента и после компьютерной обработки полученной информации определяют содержание гадолиния в каждой таблетке. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль ведут при питании преобразователей двухчастотным напряжением, причем меньшая частота используется для контроля содержания гадолиния, а большая - для компенсации погрешностей, обусловленных отклонением электрической проводимости и геометрических размеров оболочки контролируемого тепловыделяющего элемента от таковых оболочки стандартного образца, а также смещением оси перемещаемого тепловыделяющего элемента относительно осей измерительных преобразователей. 3. Устройство для вихретокового контроля содержания гадолиния в каждой таблетке столба уран-гадолиниевого топлива в тепловыделяющем элементе, включающее измерительный преобразователь проходного типа, помещенный во внешнее постоянное магнитное поле, через который перемещается контролируемый тепловыделяющий элемент, и компенсационный преобразователь со стандартным образцом, соединенные встречно и подключенные к входу стандартного вихретокового прибора, к выходу которого подсоединен записывающий прибор, отличающееся тем, что устройство оснащено размещенными вне магнитного поля аналогичными измерительным и компенсационным преобразователями, разность напряжений с которых вместе с разностью напряжений основных измерительного и компенсационного преобразователей подведена к фазочувствительным усилителям, а сигналы с их ортогональных выходов подведены к микропроцессорному контроллеру и с него - в компьютер, выдающий информацию о содержании гадолиния в каждой таблетке. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в качестве преобразователей используют проходные преобразователи трансформаторного типа с возбуждающей и измерительной обмотками, питаемые от двухчастотного генератора. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что сравнение результатов контроля обеими измерительными системами в одних и тех же сечениях тепловыделяющего элемента обеспечивается датчиками положения тепловыделяющего элемента, размещенными рядом с измерительными преобразователями с учетом временной задержки. 6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что оно снабжено вспомогательным измерительным каналом, функционирующим на более высокой частоте, чем канал контроля содержания гадолиния в таблетке. 7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что внешнее постоянное магнитное поле создается магнитной системой, состоящей из блоков постоянных магнитов и магнитопроводов, обеспечивающих напряженность магнитного поля в зоне контроля в диапазоне 750-2000 кА/м. 8. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что измерительный и компенсационный преобразователи расположены в одном блоке.