СПОСОБ КОНТРОЛЯ И РАЗБРАКОВКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G21C17/06 G21C21/02 

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов) для ядерных реакторов, преимущественно ВВЭР-1000, ВВЭР-440.

В процессе изготовления твэлов, снаряженные таблетками диоксида урана с обогащением по урану 235 до 5% оболочки, герметизируют контактной стыковой сваркой заглушки к снаряженной оболочке под давлением гелия под оболочкой.

Показателем надежности твэла, т.е. его герметичности является устойчивое давлением гелия под оболочкой, а падение давления под оболочкой твэла характеризует твэл как не герметичный.

В связи с этим контроль давления приобретает весьма важное значение.

Основным методом контроля является технологический контроль давления гелия, подаваемого в твэл перед окончательной герметизацией. Однако возможные утечки гелия из негерметичных твэлов или сбои заполнения твэлов гелием требуют проведения контроля гелия в твэлах.

Известен разрушающий метод контроля, при котором из определенной партии отбирают твэл, и давление в нем измеряют прокалыванием оболочки. Ненадежность выборочного метода контроля и издержки, связанные с разрушением готового твэла, стимулировали разработку неразрушающих методов контроля давления под оболочкой твэла. Среди разработанных методов контроля давления гелия наибольшее применение получили ультразвуковой и тепловой методы.

Известный способ ультразвукового контроля давления в твэле основан на измерении интенсивности ультразвукового импульса в зависимости от давления гелия при диаметральном «прозвучивании» твэла в районе его «газосборника» - компенсационного объема (см. «Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов». Книга 2 под ред. Ф.Г.Решетникова - М.: Энергоатомиздат, 1995 г., стр.286-288). Наиболее близким является способ контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, включающий технологический контроль давления гелия, подаваемого в тепловыделяющий элемент перед окончательной герметизацией и определение тепловым методом давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации (см. «Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 2. Под ред. Ф.Г.Решетникова - М.: Энергоатомиздат, 1995 г., стр.287-288).

Способ-прототип не раскрывает сущности теплового метода определения давления под оболочкой твэла без ее разрушения.

Известно устройство контроля и разбраковки твэлов, включающее узел контроля давления гелия, подаваемого в твэл перед окончательной герметизацией и узел определения тепловым методом давления гелия под оболочкой твэла после его герметизации (см. там же, стр.287-288).

Известное устройство конструктивно не раскрыто и не содержит узлов вывода бракованных твэлов из технологического потока.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, содержащее узел контроля давления гелия, подаваемого в твэл перед окончательной герметизацией, узел определения давления гелия под оболочкой твэла после его герметизации, транспортные средства проводки, датчики, сбрасыватели, разбракователи вывода бракованных твэлов (см. «Автоматическая линия изготовления тепловыделяющих элементов и их разбраковки» по заявке 2001127981/06 (029757) от 15.10.2001, на которую выдано решение о выдаче патента на изобретение 7 мая 2003 года).

В устройстве-прототипе узел контроля давления гелия, подаваемого в твэл, предусматривает технологический контроль давления по манометру, установленном на баллоне с гелием. Однако конструктивно узел определения давления гелия под оболочкой твэла после его герметизации не раскрыт.

Технической задачей является повышение качества изготовления твэлов за счет своевременного выявления и изоляции твэлов с негерметичной оболочкой и надежности эксплуатации в ядерном реакторе.

Эта техническая задача решается тем, что в способе контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, включающем технологический контроль давления гелия, подаваемого в тепловыделяющий элемент перед окончательной герметизацией и определение тепловым методом давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации;

согласно изобретению тепловыделяющий элемент на позиции измерения фиксируют датчиком, по сигналу которого его зажимают и удерживают в течение всего времени контроля, осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области компенсационного объема, регистрируют изменение температуры участков оболочки тепловыделяющего элемента при его повороте на 180° в начале и конце интервалов времени после нагрева и поворота, при котором передача тепловой энергии через гелий внутри тепловыделяющего элемента приводит к возникновению разности температур на участках оболочки тепловыделяющего элемента, пропорциональных давлению гелия в тепловыделяющем элементе.

Другим отличием является то, что контролируют тепловыделяющие элементы с диапазонами давлений гелия, МПа:

- для твэлов ВВЭР-440 - 0,4-0,7;

- для твэлов ВВВЭР-1000 - 1,6-2,6

при погрешности контроля давлений с доверительной вероятностью 095, МПа, не более:

- для твэлов ВВЭР-440 с втулочным фиксатором - 0,04;

- для твэлов ВВЭР-440 с пружинным фиксатором - 0,06;

- для твэлов ВВЭР-1000 с втулочным фиксатором - 0,06;

- для твэлов ВВЭР-1000 с пружинным фиксатором - 0,09,

временем контроля давления гелия, с не более:

- для твэлов ВВЭР-440 с втулочным фиксатором - 40;

- для твэлов ВВЭР-440 с пружинным фиксатором - 60;

- для твэлов ВВЭР-1000 с втулочным фиксатором - 40;

- для твэлов ВВЭР-1000 с пружинным фиксатором - 60

с индикацией, хранением, документированием результатов контроля и с выводом их на печатающее устройство.

Эта техническая задача решается тем, что в устройстве контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, содержащем узел контроля давления гелия, подаваемого в тепловыделяющий элемент перед окончательной герметизацией, узел определения давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации, транспортные средства проводки, датчики, сбрасыватели, разбракователи вывода бракованных тепловыделяющих элементов;

согласно изобретению узел определения давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации выполнен из четырех функционально и конструктивно законченных устройств, содержащих:

- пневматический распределитель;

- первичный преобразователь, включающий модуль измерения с двумя термопарами, нагреватель, пневматические узлы цангового механизма, механизма подъема термопар, узел обдува термопар, усилитель, датчик наличия тепловыделяющего элемента и механизм поворота;

- генератор индукционного нагрева;

- модуль обработки и управления, выполненный на базе промышленного компьютера.

Такое выполнение способа контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов и устройства для его осуществления позволит решить поставленную техническую задачу по повышению качества изготовления тепловыделяющих элементов за счет своевременного выявления и изоляции твэлов с негерметичной оболочкой и повысить надежность эксплуатации в ядерном реакторе.

На чертежах представлено устройство для осуществления способа контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, где

- на фиг.1 - общий вид устройства;

- на фиг.2 - твэл;

- на фиг.3 - узел определения давления гелия под оболочкой твэла.

Устройство для осуществления способа контроля и разбраковки твэлов содержит:

- узел 1 контроля давления гелия, подаваемого в твэл 2 перед окончательной герметизацией в установке 3 контактной стыковой сварки заглушки 4 к снаряженной таблетированным ядерным топливом 5 оболочке 6 с фиксацией столба таблетированного ядерного топлива 5 пружинным 7, либо втулочным 8 фиксатором с образованием между столбом таблетированного ядерного топлива 5 и заглушкой 4 компенсационного объема 9 в оболочке 6;

- узел 10 определения давления гелия под оболочкой 6 твэла 2 после его герметизации в установке 3;

- транспортные средства 11 проводки твэлов 2;

- датчики 12, сбрасыватели 13, разбракователи 14 вывода бракованных твэлов 2.

Узел 10 определения давления гелия под оболочкой 6 твэла 2 после его герметизации в установке 3 выполнен из четырех функционально и конструктивно законченных устройств, содержащих:

- пневматический распределитель 15;

- первичный преобразователь 16, включающий модуль измерения 17 с двумя термопарами 18, 19, нагреватель 20, пневматические узлы цангового механизма 21, механизма 22 подъема термопар 18, 19, узел обдува 23 термопар 18, 19, усилитель 24, датчики 25 наличия твэла 2 и механизм 26 поворота;

- генератор 27 индукционного нагрева;

- модуль 28 обработки и управления, выполненный на базе промышленного компьютера.

Способ контроля и разбраковки твэлов в устройстве осуществляют следующим образом.

На узле 1 по манометру осуществляют технологический контроль давления гелия, подаваемого в твэл 2 перед окончательной герметизацией в установке 3 контактной стыковой сварки заглушки 4 к снаряженной таблетированным ядерным топливом 5 оболочке 6 с зафиксированным столбом таблетированного ядерного топлива 5 пружинным 7, либо втулочным 8 фиксатором с образованием между столбом таблетированного ядерного топлива 5 и заглушкой 4 компенсационного объема 9 в оболочке 6.

Транспортным средством 11 проводки твэл 2 направляют на узел 10 определения давления гелия под оболочкой твэла 2 тепловым методом после его герметизации в установке 3, где фиксируют датчиком 12, твэл 2 зажимают и удерживают в течение всего времени контроля цанговым механизмом 21, а механизм 22 подъема термопар 18, 19 опускает термопары 18, 19, которые прижимаются к оболочке 6 твэла 2.

Осуществляют локальный импульсный нагрев твэла 2 в области компенсационного объема 9 нагревателем (индуктором) 20 от генератора 27 индукционного нагрева. Загружаемый в первичный преобразователь 16 твэл 2 фиксируется датчиком 25.

По его сигналу регистрируют модулем 17 измерения температуры участков оболочки 6 тепловыделяющего элемента при его повороте на 180° механизмом 26 поворота в начале и конце интервалов времени после нагрева и поворота, при котором передача тепловой энергии через гелий внутри твэла 2 приводит к возникновению разности температур на участках оболочки 6 твэла 2, пропорциональных давлению гелия в твэле 2.

Контролируют твэлы 2 с диапазонами давлений, МПа:

- для твэлов ВВЭР-440 - 0,4-0,7;

- для твэлов ВВЭР-1000 - 1,6-2,6

при погрешности контроля давлений с доверительной вероятностью 0,95, МПа, не более:

- для твэлов ВВЭР-440 с втулочным фиксатором - 0,04;

- для твэлов ВВЭР-440 с пружинным фиксатором - 0,06;

- для твэлов ВВЭР-1000 с втулочным фиксатором - 0,06;

- для твэлов ВВЭР-1000 с пружинным фиксатором - 0,09, временем контроля давления гелия, с не более:

- для твэлов ВВЭР-440 с втулочным фиксатором - 40;

- для твэлов ВВЭР-440 с пружинным фиксатором - 60;

- для твэлов ВВЭР-1000 с втулочным фиксатором - 40;

- для твэлов ВВЭР-1000 с пружинным фиксатором - 60.

Сбрасыватели 13 используются при подаче снаряженных ядерным топливом 5 оболочек 6 на транспортное средство ввода на герметизацию в установку 3 контактной стыковой сварки заглушки 4 к оболочке 6, а разбракователи 14 для вывода на изоляцию твэлов 2 при несоответствии давления гелия под оболочкой 6.

Пневматический распределитель 15 обеспечивает работу пневматических исполнительных узлов всего устройства.

Первичный преобразователь 16 осуществляет локальный импульсный нагрев твэла 2 в области компенсационного объема 9, регистрацию изменений температуры участков оболочки 6 твэла 2, поворот твэла 2 совместно с термопарами 18, 19 на 180°. Узел 23 обдува термопар 18, 19 и усилитель 24 также входят в состав первичного преобразователя 16. Генератор 27 индукционного нагрева формируют высокочастотные высоковольтные импульсы для нагрева оболочки 6 твэла 2.

Модуль 28 обработки и управления осуществляет обработку информации и управление работой всего устройства во всех режимах и связь с технологической линией изготовления твэлов 2, индикацией, хранением, документированием результатов контроля с выводом их на печатающее устройство.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов) для тепловыделяющих сборок ядерных реакторов. Техническим результатом изобретения является повышение качества изготовления твэлов за счет выявления и изоляции твэлов с негерметичной оболочкой, надежности эксплуатации тепловыделяющих элементов в реакторе. Твэл на позиции измерения фиксируют датчиком. По его сигналу зажимают и удерживают, осуществляя локальный импульсный нагрев в области компенсационного объема. Регистрируют изменение температуры при повороте в начале и конце интервалов нагрева и поворота. Приведены значения диапазонов давления гелия и погрешности контроля давления. Узел определения давления устройства контроля выполнен из четырех функциональных устройств, содержащих пневматический распределитель, первичный преобразователь, генератор индукционного нагрева, модуль обработки и управления на базе промышленного компьютера. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, включающий технологический контроль давления гелия, подаваемого в тепловыделяющий элемент перед окончательной герметизацией, и определение тепловым методом давление гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации, отличающийся тем, что тепловыделяющий элемент на позиции измерения фиксируют датчиком, по сигналу которого его зажимают и удерживают в течение всего времени контроля, осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области компенсационного объема, регистрируют изменение температуры участков оболочки тепловыделяющего элемента при его повороте на 180° в начале и конце интервалов времени после нагрева и поворота, при котором передача тепловой энергии через гелий внутри тепловыделяющего элемента приводит к возникновению разности температур на участках оболочки тепловыделяющего элемента, пропорциональных давлению гелия в тепловыделяющем элементе.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контролируют тепловыделяющие элементы с диапазоном давлений гелия, МПа: для тепловыделяющих элементов ВВЭР-440 0,4-0,7; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-1000 1,6-2,6;

- при погрешности контроля давлений с доверительной вероятностью 0,95 МПа,

не более: для тепловыделяющих элементов ВВЭР-440 с втулочным фиксатором 0,04; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-440 с пружинным фиксатором 0,06; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-1000 с втулочным фиксатором 0,06; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-1000 с пружинным фиксатором 0,09;

временем контроля давления гелия, с не более: для тепловыделяющих элементов ВВЭР-440 с втулочным фиксатором 40; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-440 с пружинным фиксатором 60; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-1000 с втулочным фиксатором 40; для тепловыделяющих элементов ВВЭР-1000 с пружинным фиксатором 60,

с индикацией, хранением, документированием результатов контроля и с выводом их на печатающее устройство.