СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕГЕРМЕТИЧНЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2005 года по МПК G21C17/06 G21C17/07 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к ультразвуковым способам контроля для обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов водоводяных энергетических реакторов (ВВЭР) и реакторов большой мощности канальных (РБМК), и может быть использовано при проверке герметичности тепловыделяющих элементов отработавших тепловыделяющих сборок, находящихся под слоем воды, например в бассейне выдержки атомной электростанции (АЭС).

Уровень техники

В основе ультразвуковых методов обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов лежит принцип регистрации воды, попавшей под оболочку негерметичного тепловыделяющего элемента во время его эксплуатации в составе тепловыделяющей сборки или во время хранения тепловыделяющей сборки в бассейне выдержки. С 1979 года широко применяют методику фирмы Brown Boveri Reactor (BBR). На двух тонких щупах друг против друга расположены излучатель и приемник ультразвуковых волн. Щупы вводят в пространство между тепловыделяющими элементами тепловыделяющей сборки так, чтобы исследуемый ряд тепловыделяющих элементов находился между излучателем и приемником. При распространении волны по оболочке происходит рассеяние ее энергии в воду. Для герметичного тепловыделяющего элемента рассеяние энергии происходит только в одном направлении от оболочки в окружающую среду - в воду бассейна выдержки, в то время как для негерметичного - в двух направлениях - в окружающую среду и в воду, находящуюся под оболочкой, что вызывает уменьшение амплитуды сигналов для негерметичного тепловыделяющего элемента в сравнении с герметичным. О герметичности тепловыделяющего элемента судят по времени прихода импульса и по величине его амплитуды.

Данный метод был усовершенствован (Walton L.A. et al. Locating leaking fuel rods in light water reactors. Mod. Power Sist. ISSN 0250-7840 MPSYD Sep.1985. V.5 (8). P.41-43). В результате была предложена автоматизированная установка Echo-330 для обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов. В этой установке излучатель и приемник ультразвуковых волн расположены на одном щупе и за счет увеличения расстояния, которое проходит волна по оболочке от излучателя до приемника, чувствительность этого метода значительно выше по сравнению с методом, использующим два щупа.

Также известен метод обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов, заключающийся в том, что ультразвуковую волну возбуждают со стороны верхней заглушки тепловыделяющего элемента и волна распространяется вдоль оболочки до нижней заглушки после отражения от которой ее регистрируют на верхней заглушке (Boschiero M. et al. On site fuel examination equipment in EDF PWR//Proceedings of a technical committee meeting. Paris. 3-6 November, 1987. Vienna: IAEA. TC-625/15). При этом ультразвуковой датчик, работающий в эхоимпульсном режиме, с помощью специального манипулятора поочередно надевается на верхнюю заглушку каждого тепловыделяющего элемента в тепловыделяющей сборке. Одним из преимуществ этого метода перед методом BBR является то, что волна распространяется по всей оболочке тепловыделяющего элемента и результат контроля не зависит от места расположения воды в негерметичном тепловыделяющем элементе.

Однако особенность конструкций тепловыделяющих сборок водоводяных энергетических реакторов ВВЭР накладывает ряд ограничений на использование известных вышеприведенных методов обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов. Так, гексагональная решетка расположения тепловыделяющих элементов и наличие направляющих каналов поглощающих стержней (ПС) системы управления и защиты (СУЗ) тепловыделяющих сборок ВВЭР-1000 не позволяют проводить 100%-ный контроль всех тепловыделяющих элементов в тепловыделяющей сборке щуповыми методами, так как поглощающие стержни перекрывают зазор между рядами тепловыделяющих элементов и ограничивают доступ датчиков к твэлам в середине тепловыделяющей сборки.

Поэтому для контроля таких тепловыделяющих сборок можно использовать только метод, предполагающий расположение датчика на верхней заглушке.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является способ обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов, включающий возбуждение датчиком в оболочке тепловыделяющего элемента в направлении ее продольной оси ультразвуковых волн с частотой f, выбранной в диапазоне от 0,25 МГц до 1,25 МГц, регистрацию отраженных полезного и дважды отраженного сигналов и определение негерметичности по амплитуде отраженного полезного сигнала (С.В.Павлов и др. Исследование акустического тракта ультразвуковых методов обнаружения негерметичных твэлов в составе ТВС. Препринт. Димитровград-1997). Известный способ обладает достаточной достоверностью. В экспериментально установленном частотном диапазоне от 0,25 МГц до 1,25 МГц чувствительность известного способа увеличивается с увеличением частоты f ультразвуковых волн. Однако при значительных частотах, из-за высокого коэффициента затухания ультразвуковых волн в материале оболочки тепловыделяющего элемента и в связи с излучением энергии в окружающую тепловыделяющий элемент воду, отраженный полезный сигнал у герметичного тепловыделяющего элемента (в зависимости от его длины, толщины оболочки и пр.) может не наблюдаться. Так при частоте 1.25 МГц при погружении заведомо герметичного тепловыделяющего элемента реактора ВВЭР-1000 в воду отраженный полезный сигнал уменьшается в е²⁸ раз, т.е. практически не регистрируется.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание способа обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов, обладающего улучшенными параметрами.

В результате решения данной задачи возможно получение технического результата, заключающегося в повышении чувствительности и надежности способа обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов.

Данный технический результат достигается за счет того, что в способе обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов, включающем возбуждение датчиком в оболочке тепловыделяющего элемента в направлении ее продольной оси ультразвуковых волн с частотой f, выбранной в диапазоне от 0,25 МГц до 1,25 МГц, регистрацию отраженных полезного и дважды отраженного сигналов и определение негерметичности по амплитуде отраженного полезного сигнала, предварительно в оболочке герметичного тепловыделяющего элемента или его имитатора возбуждают датчиком ультразвуковые волны, при этом частоту ультразвуковых волн увеличивают от 0,25 МГц, определяют значение частоты f₀, при которой отсутствует регистрация дважды отраженного сигнала, и фиксируют значение амплитуды А₀ отраженного полезного сигнала на данной частоте, после чего устанавливают на датчике коэффициент усиления, при котором амплитуда А* полученного отраженного полезного сигнала составит величину А*≤0,75 А₀, затем на частоте f₀ возбуждают ультразвуковые волны в оболочке контролируемого тепловыделяющего элемента и определяют значение амплитуды А_к отраженного полезного сигнала, и в случае, если А_к<0,5 А*, делают вывод о негерметичности контролируемого тепловыделяющего элемента.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в следующем. Предварительное испытание герметичного тепловыделяющего элемента (гарантированно герметичного) или его имитатора позволяет выбрать оптимальную частоту f₀, на которой следует производить определение герметичности контролируемого тепловыделяющего элемента, поскольку на данной частоте отсутствует дважды отраженный сигнал. Выбор частоты f₀ обусловлен тем, что, с одной стороны, повышение частоты приводит к повышению чувствительности способа, а, с другой стороны при относительно большом значении частоты вследствие затухания отраженный полезный сигнал может и не наблюдаться.

Кроме того, целесообразно осуществлять возбуждение датчиком в оболочке тепловыделяющего элемента в направлении ее продольной оси ультразвуковых волн со стороны верхней заглушки тепловыделяющего элемента.

Предпочтительно располагать датчик симметрично относительно продольной оси оболочки.

При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической информации не было обнаружено решений, содержащих всей совокупности предлагаемых признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "новизна".

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 изображена схема устройства для реализации способа по настоящему изобретению, на фиг.2 показана осциллограмма сигналов, на фиг.3 - 6 приведены осциллограммы сигналов, полученные при обнаружении негерметичных тепловыделяющих элементов реактора ВВЭР-440, на фиг.7 - 10 приведены осциллограммы сигналов, полученные при определении негерметичных тепловыделяющих элементов реактора РБМК.

Осуществление изобретения

Способ по настоящему изобретению осуществляют следующим образом. На верхнюю заглушку тепловыделяющего элемента 1 устанавливают ультразвуковой датчик 2 и в оболочке тепловыделяющего элемента возбуждают ультразвуковые волны, которые распространяются по оболочке до нижней заглушки, отражаются от нее и принимаются этим же датчиком 2. Датчик 2 линией 3 связи соединен с регистрирующим прибором, например осциллографом или любым известным прибором, позволяющим воспроизвести амплитуды ультразвуковых сигналов. На осциллограмме (фиг.2) сигналов показан зондирующий импульс 4, отраженный полезный сигнал 5, соответствующий волне, прошедшей до нижнего торца оболочки, отразившейся от него и принятой датчиком. Сигнал 6 соответствует дважды отраженной волне, то есть волне, дважды отраженной от нижнего торца оболочки (волна прошла путь от датчика до нижней заглушки, отразилась, прошла до верхней заглушки, отразилась от нее, прошла до нижней заглушки, отразилась и, после распространения по оболочке вверх, была зарегистрирована датчиком). Предварительно датчик устанавливают на герметичный тепловыделяющий элемент, герметичность которого установлена ранее любым известным путем, например с помощью гелиевого течеискателя, или на герметичный имитатор тепловыделяющего элемента. Очевидно, что герметичный тепловыделяющий элемент или его имитатор должны быть по габаритам, толщине оболочки и иным параметрам аналогичны контролируемым тепловыделяющим элементам. Датчиком 2 в оболочке герметичного тепловыделяющего элемента возбуждают ультразвуковые волны, начиная с частоты 0,25 МГц. На экране индикатора наблюдают осциллограмму (фиг.2) с сигналами 4, 5, 6. Производят плавное повышение частоты до отсутствия регистрации дважды отраженного сигнала 6, амплитуда которого становится сопоставимой с уровнем шумов. Фиксируют частоту f₀, при которой дважды отраженный сигнал не фиксируется. Далее определяют амплитуду A₀ отраженного полезного сигнала 5 на частоте f₀. Затем изменяют коэффициент усиления датчика таким образом, чтобы амплитуда А* полученного отраженного полезного сигнала 5 составила величину А*≤0,75 А₀. После чего датчик с выставленным коэффициентом усиления устанавливают на контролируемый тепловыделяющий элемент и возбуждают в его оболочке ультразвуковые волны на частоте f₀. На данной частоте определяют амплитуду A_К отраженного полезного сигнала ультразвуковой волны, прошедшей через оболочку контролируемого тепловыделяющего элемента. Сравнивают значения А* и А_К. В случае, если А_К<0,5 А* делают вывод о негерметичности контролируемого тепловыделяющего элемента.

Ниже приведены примеры конкретной реализации способа по настоящему изобретению.

Пример 1.

Контроль герметичности тепловыделяющего элемента ВВЭР.

Для определения оптимальной частоты f₀ использовался герметичный имитатор тепловыделяющего элемента реактора ВВЭР-440. Имитатор изготовлен из оболочечной трубы сплава Zr+1% Nb, диаметром 9,1 мм и длиной 2536 мм с приваренными верхней и нижней заглушками. Имитатор погружался в воду, затем на верхнюю заглушку устанавливался ультразвуковой датчик с дисковым пьезоэлементом, диаметром 6 мм, выполненным из пьезокерамики цирканат-титанат-свинца-19 (ЦТС-19). Датчик соединялся с помощью экранированного кабеля с ультразвуковым дефектоскопом УД2-12. На датчик подавался возбуждающий сигнал частотой 0,25 МГц. На экране дефектоскопа наблюдалась осциллограмма, на которой видны зондирующий сигнал 4, отраженный полезный 5 с амплитудой 7 В и дважды отраженный 6 с амплитудой 1 В сигналы (фиг.3). Затем увеличивали частоту возбуждения датчика до тех пор, пока сигнал 6 (фиг.3) не пропадал. Частота возбуждения датчика, при которой сигнал 6 пропал, составила 0,4 МГц (фиг.4), амплитуда сигнала 2-6 В. После этого изменяли коэффициент усиления датчика так, чтобы амплитуда сигнала 5 составила 0,75 амплитуды сигнала на фиг.4. Настроенные таким образом датчик и аппаратура использовались для обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов в составе тепловыделяющей сборки ВВЭР-440, отработавшей на Кольской АЭС два топливных цикла. Типичная осциллограмма сигналов для всех тепловыделяющих элементов (за исключением двух) в тепловыделяющей сборке представлена на фиг.5.

Для двух тепловыделяющих элементов сигнал 5 на осциллограмме полностью отсутствовал (амплитуда меньше уровня шумов) (фиг.6). Эти два тепловыделяющих элемента были признаны негерметичными. Для подтверждения правильности обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов тепловыделяющая сборка была разобрана и каждый тепловыделяющий элемент проконтролирован на герметичность с использованием визуального контроля и вихретоковой дефектоскопии. Результаты контроля подтвердили правильность обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов с использованием предложенного способа.

Пример 2.

Контроль герметичности тепловыделяющего элемента РБМК.

Для определения оптимальной частоты f₀ использовался герметичный имитатор тепловыделяющего элемента реактора РБМК-1000. Имитатор изготовлен из оболочечной трубы сплава Zr+1% Nb, диаметром 13,6 мм и длиной 3640 мм с приваренными верхней и нижней заглушками. Имитатор погружался в воду, затем на верхнюю заглушку устанавливался ультразвуковой датчик с дисковым пьезоэлементом, диаметром 8 мм, выполненным из пьезокерамики цирканат-титанат-свинца-19 (ЦТС-19). Датчик соединялся с помощью экранированного кабеля с ультразвуковым дефектоскопом УД2-12. На датчик подавался возбуждающий сигнал частотой 0,25 МГц. На экране дефектоскопа наблюдалась осциллограмма, на которой видны зондирующий сигнал 4, отраженный полезный 5 с амплитудой 5,1 В и дважды отраженный 6 с амплитудой 1,5 В сигналы (фиг.7). Затем увеличивали частоту возбуждения датчика до тех пор, пока сигнал 6 (фиг.7) не пропадал. Частота возбуждения датчика, при которой сигнал 6 пропал, составила 0,35 МГц (фиг.8), амплитуда сигнала 2-4,4 В.

После этого изменяли коэффициент усиления датчика так, чтобы амплитуда сигнала 5 составила 0,75 амплитуды сигнала на фиг.8. Настроенные таким образом датчик и аппаратура использовались для обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов в составе негерметичной тепловыделяющей сборки РБМК-1000, отработавшей на Ленинградской АЭС. Типичная осциллограмма сигналов для всех тепловыделяющих элементов (за исключением одного) в тепловыделяющей сборке представлена на фиг.9.

Для этого одного тепловыделяющего элемента сигнал 5 на осциллограмме полностью отсутствовал (амплитуда меньше уровня шумов) (фиг.10).

Этот тепловыделяющий элемент был признан негерметичным. Для подтверждения правильности обнаружения негерметичного тепловыделяющего элемента тепловыделяющая сборка была разобрана и каждый тепловыделяющий элемент проконтролирован на герметичность с использованием визуального контроля и вихретоковой дефектоскопии. Результаты контроля подтвердили правильность обнаружения негерметичного тепловыделяющего элемента с использованием предложенного способа.

Использование описываемого способа обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов водоводяных энергетических реакторов и реакторов большой мощности канальных в составе пучка тепловыделяющих элементов тепловыделяющей сборки позволяет просто и эффективно проводить с достаточной достоверностью оценку герметичности тепловыделяющих элементов.

Настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость", поскольку его реализация возможна при использовании существующего оборудования и с применением известных технологий.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к ультразвуковым способам контроля для обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов, и может быть использовано при проверке герметичности тепловыделяющих элементов отработавших тепловыделяющих сборок, находящихся в воде. Способ включает возбуждение датчиком в оболочке тепловыделяющего элемента ультразвуковых волн, регистрацию отраженного полезного и дважды отраженного сигнала и определение негерметичности по амплитуде отраженного полезного сигнала. Предварительно в оболочке герметичного тепловыделяющего элемента или его имитатора возбуждают датчиком ультразвуковые волны. При этом частоту волн увеличивают от 0,25 МГц. Определяют значение частоты f₀, при которой отсутствует регистрация дважды отраженного сигнала. Затем на частоте f₀ возбуждают ультразвуковые волны в оболочке контролируемого тепловыделяющего элемента и судят о негерметичности контролируемого тепловыделяющего элемента. В результате повышается чувствительность и надежность способа. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов, включающий возбуждение датчиком в оболочке тепловыделяющего элемента в направлении ее продольной оси ультразвуковых волн с частотой, выбранной в диапазоне 0,25-1,25 МГц, регистрацию отраженного полезного сигнала и дважды отраженного сигнала и определение негерметичности по амплитуде отраженного полезного сигнала, отличающийся тем, что предварительно в оболочке герметичного тепловыделяющего элемента или его имитатора возбуждают датчиком ультразвуковые волны, при этом частоту ультразвуковых волн увеличивают от 0,25 МГц, определяют значение частоты f₀, при которой отсутствует регистрация дважды отраженного сигнала, и фиксируют значение амплитуды A₀ отраженного полезного сигнала на данной частоте, после чего устанавливают на датчике коэффициент усиления, при котором амплитуда А* полученного отраженного полезного сигнала составит величину А*≤0,75 A₀, затем на частоте f₀ возбуждают ультразвуковые волны в оболочке контролируемого тепловыделяющего элемента и определяют значение амплитуды A_K отраженного полезного сигнала, и в случае, если А_K<0,5 А*, делают вывод о негерметичности контролируемого тепловыделяющего элемента.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение датчиком в оболочке тепловыделяющего элемента в направлении ее продольной оси ультразвуковых волн осуществляют со стороны верхней заглушки тепловыделяющего элемента.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что датчик располагают симметрично относительно продольной оси оболочки.