СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТОПЛИВНОГО СТОЛБА ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G21C17/00 

Изобретение относится к ядерной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов), изготовленных в виде труб, заполненных таблетированным ядерным керамическим топливом (таблетками), для тепловыделяющих сборок энергетических ядерных реакторов (ТВС).

Известно, что для нормальной работы реактора, исключения искажений нейтронного и температурного полей каждый твэл в составе ТВС должен содержать строго заданное количество ядерного топлива - делящегося изотопа уран-235, равномерно распределенного по длине топливного столба твэла. На снаряжение твэлов поступают таблетки из диоксида урана со строго заданным значением массовой доли урана-235 в смеси изотопов урана (обогащение). Не исключены случаи снаряжения топливного столба твэла таблетками другого обогащения, а также случаи попадания в снаряженный твэл таблеток с отклонением обогащения от заданной величины. Учитывая важность этой характеристики твэла, возникла необходимость контроля твэлов и их разбраковки перед сборкой в ТВС.

Известны способ и схема устройства определения содержания делящихся материалов в твэле (см. патент США №4229654), где содержание делящегося материала урана-235 определяется в каждой зоне твэла, причем некоторые из этих зон могут содержать выгорающий поглотитель, такой как гадолиний, посредством обнаружения гамма-излучения от естественного радиоактивного распада топливного материала, проведения анализа сигналов гамма-излучения от каждой из зон, которые обеспечивают первый счет гамма-излучения в основном благодаря урану-235 и второй счет гамма-излучения в основном благодаря дочерним продуктам радиоактивного распада урана-238. Делается коррекция первого и второго счетов на толщину стенки оболочки, плотность топливного материала и содержание выгорающего поглотителя в каждой зоне твэла. Затем делается коррекция первого счета от урана-235 на второй счет от дочерних продуктов радиоактивного распада урана-238, и откорректированный счет преобразуется в показание обогащения топлива в каждой зоне твэла. Исходя из величины обогащения, содержания выгорающего поглотителя, плотности топливного материала и объемов каждой из зон твэла, определяют массу урана-235 в каждой зоне.

Для реализации данного способа предлагается возможная схема устройства, содержащая электропривод перемещения твэла, снабженный приводными роликами с проточкой, датчики положения твэла на устройстве сканирования, датчик толщины оболочки, датчик плотности, датчик содержания выгорающего поглотителя, причем каждый из датчиков соединен с аналого-цифровым преобразователем, соединенным в свою очередь с управляемым запоминающим устройством среднего значения, сигнал с которого передается на устройство коррекции через дифференциальный усилитель, сравнивающий заданное значение с измеренным. Предлагаемая схема устройства содержит также необходимое количество детекторов гамма-излучения, каждый из которых соединен с двумя одноканальными анализаторами, выделяющими два энергетических диапазона и передающими счетные сигналы на счетчики, выход которых соединен с устройствами накопления и сохранения, соединенными с устройствами коррекции, которые включены последовательно и соединены с устройством расчета обогащения, с выхода которого сигнал подается на устройство расчета веса урана-235 в топливном столбе твэла.

Данный способ и устройство его возможной реализации имеют следующие недостатки: устройство, реализующее способ, содержит только датчики позиции твэла на устройстве сканирования и не содержит средств контроля координаты твэла, поэтому длина шага сканирования на каждом детекторе гамма-излучения определяется временем экспозиции и скоростью перемещения твэла, и при изменении скорости перемещения твэла одна и та же геометрическая координата сканируемого участка может сдвигаться пропорционально интегралу изменения скорости перемещения, что ведет к ошибке в результатах суммирования счетных сигналов от всех детекторов гамма-излучения по шагам сканирования. Причиной нестабильности скорости перемещения твэла может быть различие линейных скоростей перемещения твэла на приводных роликах, обусловленное проскальзыванием, неточностью их изготовления, допустимым изменением диаметра оболочки твэла. При выполнении требования к стабильности скорости перемещения твэла в пределах 0,5% отн. (с помощью точного изготовление механических узлов, применения лучших современных образцов привода) это может привести к смещению участков сканирования на расстояние до 17 мм при длине топливного столба 3,5 м, в то время как высота таблетки составляет 9-12 мм. Таким образом, суммарный сигнал от детекторов гамма-излучения при определении обогащения в зонах по длине топливного столба и выявлении единичной таблетки с отклонением по обогащению на смещенных участках будет искажен по амплитуде и фронту, что значительно ухудшит выявляемость таблеток с отклонением по обогащению и увеличит погрешность определения координат их местоположения.

Устройство-аналог осуществляет контроль твэлов последовательно, по одному, поэтому время контроля твэла пропорционально сумме длин устройства сканирования и твэла. Длина устройства сканирования определяется количеством и габаритными размерами последовательно установленных на нем детекторов гамма-излучения. Количество детекторов и скорость сканирования одноканального устройства-аналога определяют скорость перемещения твэлов. Таким образом, производительность контроля составит

,

где

Р - производительность контроля, твэл/ч;

n - количество детекторов;

v - скорость сканирования одноканального устройства-аналога, мм/с;

D - габаритный размер детектора гамма-излучения (габаритный размер вдоль линии перемещения на устройстве сканирования), мм;

L - длина твэла, мм.

Из формулы 1 получаем

Скорость сканирования одноканального устройства-аналога ограничена чувствительностью метода пассивного гамма-автоэмиссионного контроля обогащения и обычно не превышает 2-3 мм/с. При габаритном размере детектора гамма-излучения с учетом направляющих твэл роликов 14 см, длине твэла ВВЭР-1000 - 3,8 м, требуемой производительности современных линий сборки твэлов не менее 60 твэл в час и удельной скорости сканирования твэлов 3 мм/с, в соответствии с формулой 2, получаем, что на устройстве сканирования потребовалось бы разместить 95 детекторов гамма-излучения, причем длина такого устройства, даже без учета требуемого количества электроприводов перемещения, составила бы более 13 м. Таким образом, недостатком устройства-аналога является неэффективное использование технических средств и сложность его практической реализации. Решение задачи увеличения производительности контроля путем установки в линии сборки твэлов нескольких устройств-аналогов, работающих параллельно, приводит к значительному усложнению позиции контроля в целом и непропорциональному росту затрат на ее создание и последующую эксплуатацию.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу и устройству являются способ и устройство для пассивного гамма-сканирования твэла (см. патент США №4822552 - прототип).

В прототипе твэл, содержащий ядерное топливо, протягивается в линейном направлении, а эмиссионный счет его собственного гамма-излучения детектируется повторно на каждом из множества распределенных дискретных сегментов по длине твэла. Результаты на каждом шаге детектирования суммируются для получения общего счета гамма-излучения от каждого сегмента, из которого рассчитываются величины обогащения каждого сегмента, а также среднее обогащение столба твэла. Осуществляется контроль величины среднего обогащения топливного столба твэла на отклонение от указанной величины и отклонения величин обогащения соседних сегментов топливного столба более чем на заданный процент. Устройство является двухканальным, каждый из каналов содержит по десять детекторов собственного гамма-излучения, соединенных с устройством суммирования. Устройство содержит стол подачи твэлов, механизмы перемещения твэла на позиции контроля и стол выгрузки, обеспечивающий отбраковку твэлов.

Недостатком прототипа является искажение результатов контроля параметров обогащения из-за отсутствия привязки сегментов сканирования к реальной координате твэла при суммировании результатов сканирования от множества разнесенных по длине детекторов собственного гамма-излучения, а также снижение производительности контроля из-за того, что контроль следующего твэла может быть начат только по завершении сканирования предыдущего.

К недостаткам устройства-прототипа можно также отнести и то, что оно не содержит в своем составе средств контроля и измерения величин несплошностей в виде зазоров между таблетками и сколов на поверхности таблеток, которые могут образоваться в процессе изготовления твэлов на устройствах снаряжения топливного столба. Известно, что наличие зазоров и сколов искажает результаты контроля параметров обогащения методом пассивного гамма-автоэмиссионного контроля и может привести к "ложному" выявлению таблеток с отклонением обогащения от среднего по топливному столбу в минус.

Техническая задача изобретения - повышение качества изготовления твэлов и надежности их последующей эксплуатации в ядерном реакторе за счет выявления и изоляции твэлов с нерегламентированным значением обогащения в топливном столбе, который может состоять из зон разного обогащения, а также твэлов, в топливный столб которых попали таблетки с недопустимым отклонением обогащения от заданных значений; повышение производительности контроля топливного столба твэла без снижения точности контроля.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля топливного столба твэлов ядерного реактора, включающем протягивание твэла в линейном направлении через блоки детектирования, измерение и расчет результатов контроля, согласно изобретению, протягивание твэла в линейном направлении через блоки детектирования производится со строго постоянной, управляемой по координате положения твэла на механизме перемещения скоростью, измерение заключается в регистрации собственного гамма-излучения топливного столба твэла и накоплении интегралов скоростей счета в выбранных областях энергетического спектра с периодом опроса, достаточным для выполнения 5-6 отсчетов при прохождении таблетки топливного столба через коллиматор блока детектирования, формировании в памяти компьютера массивов интегралов скоростей счета в двух энергетических областях спектра: под аналитическим пиком от урана-235 с энергией в диапазоне 150-240 кэВ и в области более высоких энергий в диапазоне 240-330 кэВ, при этом измерение осуществляют измерительными трактами, каждый из которых состоит из сцинтилляционного блока детектирования, подключенного к многоканальному анализатору спектра, расчет результатов контроля заключается в преобразовании сформированных массивов интегралов скоростей счета в массивы профилей обогащения измерительных трактов в соответствии с формулой учета вклада дочерних продуктов распада урана-238

где

N_i - элемент массива профиля обогащения измерительного тракта, имп.;

N1_i - элемент массива интегралов скоростей счета под пиком от урана-235, имп.;

kf - спектральный коэффициент, определяется по методу наименьших квадратов в процессе обработки результатов измерений образцов твэлов с различной степенью нарушения радиационного равновесия;

N2_i - элемент массива интегралов скоростей счета в диапазоне энергий 240-330 кэВ, имп.,

предварительной фильтрации массивов профилей обогащения измерительных трактов усредняющим фильтром, поиске границ профилей обогащения по уровню и нахождении координат середин профилей обогащения в каждом измерительном тракте, выравнивании всех массивов профилей обогащения относительно первого измерительного тракта с учетом найденных координат середин профилей обогащения, суммировании выровненных массивов профилей обогащения измерительных трактов и построении массива общего профиля обогащения топливного столба твэла, цифровом дифференцировании массива общего профиля обогащения и получении дифференциального профиля обогащения для нахождения координат центроид пиков, являющихся границами зон топливного столба твэла, расчете длин зон топливного столба твэла и определении их местоположения, определении обогащения в зонах топливного столба твэла по формуле

где

α_j - обогащение в j-й зоне топливного столба, % абс.;

ka - коэффициент функции преобразования, % абс./имп.;

ΣN_i - сумма элементов массива общего профиля обогащения в j-й зоне топливного столба, имп.;

n - количество элементов массива в границах j-й зоны топливного столба;

kb - коэффициент функции преобразования, % абс.,

осуществлении поиска локальных отклонений общего профиля обогащения внутри границ зон топливного столба твэла, превышающих установленные в соответствии с градуировочной зависимостью значения, выявлении топливных таблеток с отклонением обогащения от заданной величины и определении их местоположения в топливном столбе твэла.

С целью исключения ошибки при суммировании массивов профилей обогащения измерительных трактов и построении массива общего профиля обогащения топливного столба твэла, используемого для расчета значений параметров контроля обогащения, управление скоростью протягивания твэла через блоки детектирования производится по координате положения твэла на механизме перемещения, осуществляя подстройку скорости протягивания твэла пропорционально разности измеренной и заданной на момент измерения координаты положения твэла.

Для повышения производительности контроль топливного столба твэлов выполняется в режиме конвейера, таким образом, что твэлы протягиваются через блоки детектирования, расположенные на механизме перемещения, один за другим на дистанции, достаточной для выполнения расчета параметров контроля и разбраковки, а обработка массивов интегралов скоростей счета, полученных при измерении и помещенных в массивы в оперативной памяти компьютера, каждый из которых соответствует определенному твэлу, и разбраковка твэла по результатам контроля выполняются одновременно с процессом измерения следующего твэла.

В предлагаемом способе контроля топливного столба твэлов расчет результатов контроля производится с учетом наличия несплошностей в топливном столбе твэла в виде зазоров и сколов, причем коррекция результатов контроля осуществляется в соответствии с эмпирической зависимостью, полученной измерением известного обогащения на стандартных образцах твэла, в топливном столбе которых имеются зазоры и сколы известной величины.

Устройство контроля топливного столба тепловыделяющего элемента, содержащее механизм перемещения для протягивания твэлов в линейном направлении, блоки детектирования собственного гамма-излучения топливного столба твэла с проходными отверстиями и втулочными коллиматорами, размещенные в защитных контейнерах и последовательно установленные на механизме перемещения, систему обработки информации и управления, согласно изобретению, устройство дополнительно снабжено устройством контроля сплошности, содержащим компьютер, в состав которого входит модуль ввода и адаптер локальной сети, механизм перемещения снабжен контроллером управления, содержащим модули ввода и вывода, четырьмя блоками электропривода на базе серводвигателя с управляемой по координате положения твэла скоростью протягивания, оснащенными роликами привода твэла, прижимами и датчиками линейного перемещения с измерительными роликами, пятью фотоэлектрическими датчиками положения твэла на механизме перемещения, устройство снабжено тридцатью двумя блоками детектирования собственного гамма-излучения топливного столба твэла, выполненными на базе сцинтилляционного кристалла NaI(Tl) с проходным отверстием и двумя втулочными вольфрамовыми коллиматорами с толщиной стенки 1,5-2,0 мм и шириной "окна" регистрации гамма-излучения размером 24-25 мм каждый, размещенными в защитных контейнерах из сплава вольфрама и установленными последовательно на механизме перемещения вдоль линейной траектории протягивания тепловыделяющего элемента, система обработки информации и управления содержит компьютер, в состав которого входит модуль ввода и адаптер локальной сети, коммутатор локальной сети, тридцать два многоканальных анализатора спектра, установленных в двух компьютерах спектрометров, снабженных адаптерами локальной сети, при этом выходы блоков детектирования собственного гамма-излучения топливного столба твэла соединены с входами многоканальных анализаторов спектра, коммутатор локальной сети соединен с контроллером управления механизмом перемещения, с адаптером локальной сети компьютера системы обработки информации и управления и с адаптерами локальной сети компьютеров спектрометров, с адаптером локальной сети компьютера устройства контроля сплошности, выход третьего фотоэлектрического датчика положения твэла соединен с входом модуля ввода, установленного в компьютере системы обработки информации и управления, выходы фотоэлектрических датчиков положения соединены с входами модуля ввода, установленного в контроллере управления механизмом перемещения, выходы датчиков линейного перемещения соединены с входами модуля ввода, установленного в контроллере управления механизмом перемещения, серводвигатели соединены с блоками электропривода, блоки электропривода соединены с контроллером управления механизмом перемещения, выходы первого и второго датчиков положения соединены с модулем ввода компьютера устройства контроля сплошности, выходы первого и второго датчиков линейного перемещения соединены с входами модуля ввода компьютера устройства контроля сплошности.

Указанная совокупность признаков позволяет решить поставленную задачу, так как использование связи средств контроля положения твэла в зоне измерения - фотоэлектрических датчиков положения и датчиков линейного перемещения с измерительными роликами с контроллером управления механизмом перемещения обеспечивает обратную связь в управлении скоростью протягивания твэла через блоки детектирования по координате, что позволяет определять обогащение с привязкой к реальной координате топливного столба твэла и исключает ошибку при суммировании результатов измерений от тридцати двух сцинтилляционных блоков детектирования собственного гамма-излучения топливного столба твэла.

В устройстве, реализующем вышеописанный способ контроля топливного столба, блоки электропривода протягивают твэл через блоки детектирования по очереди, что позволяет осуществить одновременное протягивание нескольких твэлов через позицию контроля, причем использование связи по сетевому информационному каналу компьютера устройства контроля топливного столба с контроллером управления механизма перемещения позволяет управлять протягиванием твэлов с заданной скоростью, а использование связи по сетевому информационному каналу компьютера устройства контроля топливного столба с компьютерами спектрометров обеспечивает сбор, хранение и обработку результатов измерений по каждому из одновременно протягиваемых твэлов, таким образом, реализуется конвейерный способ контроля и отбраковки твэлов, что обеспечивает требуемую производительность контроля - не менее 60 твэлов в час.

Использование связи по сетевому информационному каналу компьютера устройства контроля топливного столба с компьютером устройства контроля сплошности топливного столба позволяет исключить ошибку измерения обогащения при наличии зазоров между таблетками и сколов на таблетках.

Использование многоканальных анализаторов спектра для повышения точности измерения параметров обогащения в устройстве, реализующем вышеуказанный способ контроля топливного столба твэлов, позволяет выполнять программную автоподстройку коэффициента усиления измерительных трактов для стабилизации положений центроид аналитических пиков энергетического спектра от топливного столба твэла.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На чертеже изображена схема устройства, реализующего способ контроля топливного столба тепловыделяющего элемента энергетического ядерного реактора.

Устройство контроля топливного столба содержит компьютер 1 с установленными в нем модулем ввода дискретных сигналов 2 и адаптером локальной сети 3, коммутатор локальной сети 4, контроллер управления механизмом перемещения 5, в качестве которого может быть использован, например, программируемый логический контроллер SIMATIC S7-300 фирмы SIEMENS, с установленными в нем модулями ввода 6 и модулем вывода 7, два компьютера 8 спектрометров с установленными в них адаптерами локальной сети 10 и шестнадцатью многоканальными анализаторами спектра 9, например процессорами импульсных сигналов SBS-77 фирмы «Грин Стар Технолоджиз», г.Москва, в каждом, механизм перемещения 18, на котором установлены четыре блока электропривода 12, например преобразователи частоты COMBIVERT F5A-SERVO.04.F5.S3A-212B фирмы КЕВ, Германия, четыре серводвигателя 13, например COMBIVERT. 31.SM.200-32B0 фирмы КЕВ, Германия, с роликами привода твэла, четыре датчика линейного перемещения 14, например датчики инкрементальные HTL фирмы SIEMENS, с измерительными роликами, пять фотоэлектрических датчиков положения 15, например оптические датчики MINI-BEAM SME312CVQD фирмы TURK BANNER, тридцать два сцинтилляционных блока детектирования 19 собственного гамма-излучения топливного столба твэла, в качестве которых, например, могут быть использованы блоки детектирования БДЭГ-62-4 фирмы «Грин Стар Технолоджиз», г.Москва, со сцинтилляторами на основе кристалла NaI(Tl) габаритными размерами 50×50 мм и фотоэлектронными умножителями фирмы Hamamatsu, с проходным отверстием и двумя втулочными вольфрамовыми коллиматорами каждый, размещенные в защитных контейнерах из сплава вольфрама для защиты от внешнего гамма-излучения.

Кроме того, на схеме показан коллиматор двухканального устройства контроля сплошности топливного столба, выполненного, например, на основе устройства по патенту РФ №2108631, которое содержит два взаимно перпендикулярно расположенных гамма-абсорбционных измерительных канала (на чертеже условно показан один канал), каждый из которых состоит из детектора гамма-излучения 16 и источника гамма-излучения 17, компьютер 21 устройства контроля сплошности топливного столба с установленными в нем модулем ввода счетных и дискретных сигналов 22, адаптером локальной сети 23. Устройство 11 содержит столы подачи и приема твэлов 20, примыкающие к механизму перемещения 18, расположенному между ними, и осуществляет подачу твэлов 20 на механизм перемещения 18, прием твэлов 20 с механизма перемещения 18 и их разбраковку.

На чертеже показаны твэлы 20 на механизме перемещения 18, следующие один за другим через коллиматор устройства контроля сплошности топливного столба и сцинтилляционные блоки детектирования собственного гамма-излучения топливного столба твэла 19. Процесс измерения твэла 20 обеспечивается механизмом перемещения 18 с установленными на нем четырьмя серводвигателями 13 блоков электропривода 12 с роликами привода твэла и прижимами, причем серводвигатели 13 установлены таким образом, чтобы обеспечить возможность протягивания стандартных образцов и твэлов различной длины и исполнений.

Способ реализован, а устройство работает следующим образом.

Контролируемый твэл 20 подается с рольганга стола подачи (на чертеже условно не показан) устройства 11 на вход механизма перемещения 18 включением привода рольганга стола подачи по команде контроллера управления механизмом перемещения 5 через модуль вывода 7 и устройство 11, осуществляющее подачу твэлов. Дальнейшее протягивание твэла 20 через коллиматор устройства контроля сплошности и блоки детектирования 19 обеспечивается поочередным включением серводвигателей 13 четырех блоков электропривода 12 с роликами привода твэла и прижимами, причем скорость протягивания задается компьютером 1 устройства контроля топливного столба по связи адаптера локальной сети 3 с коммутатором локальной сети 4 контроллеру управления механизмом перемещения 5. Контроль положения твэла 20 в процессе протягивания обеспечивается по связи фотоэлектрических датчиков положения 15 с контроллером управления механизмом перемещения 5 через модуль ввода 6.

Серводвигатели 13 блоков электропривода 12 с роликами привода твэла и прижимами включаются по командам контроллера управления механизмом перемещения 5, причем в момент появления твэла 20 на позиции первого фотоэлектрического датчика положения 15 включается серводвигатель 13 и срабатывает прижим первого блока электропривода 12, обеспечивается протягивание твэла 20 до тех пор, пока твэл не достигнет третьего фотоэлектрического датчика положения 15, при срабатывании которого происходит включение серводвигателя 13 и срабатывание прижима второго блока электропривода 12, одновременно выключается серводвигатель 13 и отпускается прижим первого блока электропривода 12. Перемещение твэла 20 вторым блоком электропривода 12 обеспечивается до тех пор, пока твэл 20 не достигнет позиции четвертого фотоэлектрического датчика положения 15, при срабатывании которого происходит включение серводвигателя 13 и срабатывание прижима третьего блока электропривода 12, одновременно выключается серводвигатель 13 и отпускается прижим второго блока электропривода 12. Перемещение твэла 20 третьим блоком электропривода 12 обеспечивается до тех пор, пока твэл 20 не достигнет позиции пятого фотоэлектрического датчика положения 15, при срабатывании которого происходит включение серводвигателя 13 и срабатывание прижима четвертого блока электропривода 12, одновременно выключается серводвигатель 13 и отпускается прижим третьего блока электропривода 12.

Подача следующего твэла 20 на вход механизма перемещения 18 производится по команде контроллера управления механизмом перемещения 5 включением привода рольганга стола подачи через модуль вывода 7 и устройство 11, осуществляющее подачу твэлов, в момент времени, когда предыдущий твэл 20 выйдет из позиции первого фотоэлектрического датчика положения 15, что обеспечивает перемещение контролируемых твэлов 20 одного за другим в конвейерном режиме.

Управление скоростью протягивания твэла 20 обеспечивается тем, что в процессе протягивания твэла контроллер управления механизмом перемещения 5 посредством связи датчиков линейного перемещения 14 с модулем ввода 6 считывает текущую координату твэла 20, формируемую счетчиком импульсов модуля ввода 6, и сравнивает ее с заданной на момент считывания координатой и, при наличии ошибки сравнения, вносит корректирующее приращение в задание скорости вращения серводвигателя 13 соответствующего блока электропривода 12. Таким образом, управление скоростью протягивания твэла 20 определяется обратной связью по текущей координате твэла 20 на механизме перемещения 18, в результате чего погрешность определения координаты при измерении не превышает 0,5 мм в любой момент времени. Точность определения координаты обеспечивается контроллером управления механизмом перемещения 5, выполняющим градуировку датчиков линейного перемещения 14 с помощью измерения количества импульсов от этих датчиков на известном интервале протягивания твэла между фотоэлектрическими датчиками положения 15. Отношение длины этого интервала к зарегистрированному количеству импульсов от датчика линейного перемещения 14 вводится в расчет координаты в виде масштабного коэффициента.

Осуществление процесса контроля топливного столба твэлов в конвейерном режиме заключается в следующем.

Факт появления твэла 20 на измерительной позиции устройства контроля сплошности топливного столба фиксируется первым фотоэлектрическим датчиком положения 15, и с этого момента начинается измерение твэла 20 устройством контроля сплошности. При протягивании твэл 20 просвечивается двумя взаимно перпендикулярными коллимированными пучками гамма-квантов от источников гамма-излучения 17, регистрируемых детекторами гамма-излучения 16, и воздействует на ролики первого и второго датчиков линейного перемещения 14. Сигналы от детекторов 16 и датчиков линейного перемещения 14 передаются на счетные входы модуля ввода счетных и дискретных сигналов 22, а компьютер 21 устройства контроля сплошности формирует массив результатов измерений счетных сигналов с детекторов гамма-излучения 16 и сигналов от датчиков линейного перемещения 14 с периодом опроса не менее 1 мс до тех пор, пока твэл 20 не выйдет за пределы второго фотоэлектрического датчика положения 15. Таким образом, в компьютере 21 устройства контроля сплошности формируется массив результатов измерений счетных сигналов с детекторов гамма-излучения 16 с привязкой к реальной координате твэла 20. По результатам измерений устройство контроля сплошности определяет наличие, величину и координату зазоров и сколов в топливном столбе твэла 20 и передает эти результаты в компьютер 1 устройства контроля топливного столба по локальной сети через адаптер локальной сети 23, коммутатор локальной сети 4 и адаптер локальной сети 3.

Одновременно, в процессе протягивания факт появления твэла 20 на измерительной позиции устройства контроля топливного столба фиксируется третьим фотоэлектрическим датчиком положения 15, сигнал которого передается через модуль ввода 2 в компьютер 1 устройства контроля топливного столба твэла. По этому сигналу компьютер 1 устройства контроля топливного столба передает команду на запуск многоканальных анализаторов спектра 9 через адаптер локальной сети 3, коммутатор локальной сети 4, адаптеры локальной сети 10 в компьютеры спектрометров 8. Далее, через заданные временные интервалы, компьютеры спектрометров 8 поочередно запускают каждый из тридцати двух многоканальных анализаторов спектра 9 с заданным временем сбора и периодом опроса. При этом время сбора составляет от 30 до 60 с, а период опроса задается в пределах от 50 до 100 мс, в зависимости от выбранной скорости протягивания твэла 20. В процессе измерения, в течение заранее определенного времени сбора, многоканальные анализаторы спектра 9 получают сигнал от сцинтилляционных блоков детектирования 19, накапливают значения интегралов скоростей счета в выбранных областях энергетического спектра собственного гамма-излучения от элементарного участка топливного столба твэла 20 с заданным периодом опроса, передают измеренные значения в компьютеры спектрометров 8, где происходит формирование массивов значений интегралов скоростей счета от элементарных участков топливного столба. При появлении следующего твэла 20 на позиции третьего фотоэлектрического датчика положения 15 время сбора первыми многоканальными анализаторами спектра 9 истекает, и цикл запуска многоканальных анализаторов спектра 9 повторяется, то есть в компьютерах спектрометров 8 начинают формироваться массивы значений интегралов скоростей счета от элементарных участков топливного столба следующего твэла 20, в то время как измерение предыдущего твэла 20 еще не закончено, что и обеспечивает конвейерный режим контроля твэлов. Таким образом, через заданные временные интервалы с момента фиксации твэла 20 третьим фотоэлектрическим датчиком положения 15 в памяти каждого из компьютеров спектрометров 8 формируются по шестнадцать массивов значений интегралов скоростей счета собственного гамма-излучения от элементарных участков топливного столба твэла, которые затем передаются в компьютер 1 устройства контроля топливного столба посредством связи адаптеров локальной сети 10, коммутатора локальной сети 4 и адаптера локальной сети 3. Далее, в процессе обработки массивов значений интегралов скоростей счета компьютер 1 устройства контроля топливного столба формирует тридцать два массива профилей обогащения элементарных участков топливного столба, которые затем по определенному алгоритму выравниваются и суммируются, причем корректность суммирования обеспечивается скоростью перемещения твэла 20, определяющей соответствие одних и тех же расположенных в порядке следования элементов тридцати двух массивов одной и той же координате элементарного участка топливного столба, в итоге формируется массив общего профиля обогащения топливного столба твэла с привязкой каждого элемента массива к реальной координате топливного столба твэла. Процесс обработки результатов контроля топливного столба завершается анализом результатов контроля сплошности топливного столба на наличие зазоров и сколов, причем если в топливном столбе имеются зазоры и сколы, то производится коррекция значений средних обогащений на тех элементарных участках, где координаты зазора и скола совпадают с координатой элементарного участка. Величина корректирующей поправки определяется по эмпирической зависимости, полученной заранее в результате контроля стандартных образцов с известными значениями обогащения и размеров зазоров и сколов.

По завершении процесса коррекции компьютер 1 устройства контроля топливного столба определяет значение среднего обогащения топливного столба, среднего обогащения по зонам топливного столба твэла, выявляет топливные таблетки с отклонением обогащения от заданной величины и определяет их местоположение в топливном столбе твэла 20, сравнивает эти значения с браковочными порогами. Контроллер управления механизмом перемещения 5 по связи адаптера локальной сети 3 с коммутатором локальной сети 4 передает команду разбраковки, контроллер управления механизмом перемещения 5 по связи модуля вывода 7 с устройством 11, осуществляющим прием твэлов и их разбраковку, в случае наличия брака по одному или нескольким параметрам контроля передает сигнал брака, устройство 11 принимает твэл 20 на стол приема и отправляет его в накопитель брака стола приема, иначе, при отсутствии брака по параметрам контроля передается сигнал о годности твэла, устройство 11 принимает твэл на стол приема и отправляет его в накопитель годных стола приема.

Разбраковка по сплошности топливного столба твэла выполняется аналогичным образом в соответствии с результатами контроля сплошности, передаваемыми от компьютера 21 устройства контроля сплошности топливного столба в компьютер 1 устройства контроля топливного столба по связи через адаптер локальной сети 23 с коммутатором локальной сети 4 и адаптером локальной сети 3.

Таким образом, реализация изобретения дает новый технический результат, заключающийся в повышении точности измерения среднего обогащения топливного столба, среднего обогащения по зонам топливного столба твэла, вероятности выявления топливных таблеток с отклонением обогащения от заданной величины и определения их местоположения в топливном столбе твэла за счет управления скоростью протягивания твэлов через блоки детектирования по координате и привязке параметров обогащения к реальной координате топливного столба, определения результатов контроля обогащения с учетом результата контроля сплошности, увеличении производительности контроля за счет реализации конвейерного способа контроля и отбраковки твэлов.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может найти применение при изготовлении стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов) с таблетированным керамическим ядерным топливом. Твэл протягивают линейно через блоки детектирования с постоянной скоростью, регистрируют собственное гамма-излучение топливного столба. Накапливают интегралы скоростей счета и формируют их массивы в двух энергетических областях спектра. Преобразуют полученные массивы в массивы профилей обогащения измерительных трактов, обрабатывают последние. Получают дифференциальный профиль обогащения, длины и местоположение зон топливного столба. Определяют обогащение в зонах, ищут локальные отклонения общего профиля обогащения, выявляют таблетки с отклонением обогащения. Контроль топливного столба твэлов выполняют в режиме конвейера. Устройство контроля топливного столба снабжено устройством контроля сплошности, четырьмя блоками электропривода, пятью фотоэлектрическими датчиками положения твэла. Блоки детектирования собственного гамма-излучения топливного столба выполнены на базе сцинтилляционного кристалла NaI(Tl), система обработки информации и управления содержит компьютер с модулем ввода и адаптером локальной сети, коммутатор локальной сети, многоканальные анализаторы спектра, установленные в двух компьютерах спектрометров, снабженных адаптерами локальной сети. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля топливного столба тепловыделяющего элемента ядерного реактора, включающий протягивание тепловыделяющего элемента в линейном направлении через блоки детектирования, измерение и расчет результатов контроля, отличающийся тем, что протягивание твэла в линейном направлении через блоки детектирования производится со строго постоянной, управляемой по координате положения твэла на механизме перемещения скоростью, измерение заключается в регистрации собственного гамма-излучения топливного столба твэла и накоплении интегралов скоростей счета в выбранных областях энергетического спектра с периодом опроса, достаточным для выполнения 5-6 отсчетов при прохождении таблетки топливного столба через коллиматор блока детектирования, формировании в памяти компьютера массивов интегралов скоростей счета в двух энергетических областях спектра под аналитическим пиком от урана-235 с энергией в диапазоне 150-240 кэВ и в области более высоких энергий в диапазоне 240-330 кэВ, при этом измерение осуществляют измерительными трактами, каждый из которых состоит из сцинтилляционного блока детектирования, подключенного к многоканальному анализатору спектра, расчет результатов контроля заключается в преобразовании сформированных массивов интегралов скоростей счета в массивы профилей обогащения измерительных трактов в соответствии с формулой учета вклада дочерних продуктов распада урана-238:
N_i=N1_i-kf·N2_i,
где N_i - элемент массива профиля обогащения измерительного тракта, имп.;
N1_i - элемент массива интегралов скоростей счета под пиком от урана-235, имп.;
kf - спектральный коэффициент, определяемый по методу наименьших квадратов в процессе обработки результатов измерений образцов твэлов с различной степенью нарушения радиационного равновесия;
N2_i - элемент массива интегралов скоростей счета в диапазоне энергий 240-330 кэВ, имп.,
предварительной фильтрации массивов профилей обогащения измерительных трактов усредняющим фильтром, поиске границ профилей обогащения по уровню и нахождении координат середин профилей обогащения в каждом измерительном тракте, выравнивании всех массивов профилей обогащения относительно первого измерительного тракта с учетом найденных координат середин профилей обогащения, суммировании выровненных массивов профилей обогащения измерительных трактов и построении массива общего профиля обогащения топливного столба твэла, цифровом дифференцировании массива общего профиля обогащения и получении дифференциального профиля обогащения для нахождения координат центроид пиков, являющихся границами зон топливного столба твэла, расчете длин зон топливного столба твэла и определении их местоположения, определении обогащения в зонах топливного столба твэла по формуле:
α_j=ka·(ΣN_i/n)+kb,
где α_j - обогащение в j-й зоне топливного столба, абс.%;
ka - коэффициент функции преобразования, абс.%/имп.;
ΣN_i - сумма элементов массива общего профиля обогащения в j-й зоне топливного столба, имп.;
n - количество элементов массива в границах j-й зоны топливного столба;
kb - коэффициент функции преобразования, абс.%,
осуществлении поиска локальных отклонений общего профиля обогащения внутри границ зон топливного столба твэла, превышающих установленные в соответствии с градуировочной зависимостью значения, выявлении топливных таблеток с отклонением обогащения от заданной величины и определении их местоположения в топливном столбе твэла, при этом расчет результатов контроля производят с учетом наличия несплошностей в топливном столбе твэла в виде зазоров и сколов, а коррекцию результатов контроля осуществляют в соответствии с эмпирической зависимостью, полученной измерением известного обогащения на стандартных образцах твэла, в топливном столбе которых имеются зазоры и сколы известной величины, управление скоростью протягивания твэла через блоки детектирования производят по координате положения твэла на механизме перемещения, осуществляя подстройку скорости протягивания твэла пропорционально разности измеренной и заданной на момент измерения координаты положения твэла, контроль топливного столба твэлов выполняют в режиме конвейера протягиванием твэлов через блоки детектирования, расположенные на механизме перемещения, один за другим на дистанции, достаточной для выполнения расчета параметров контроля и разбраковки, при этом обработку массивов интегралов скоростей счета, полученных при измерении и помещенных в массивы в оперативной памяти компьютера, каждый из которых соответствует определенному твэлу, и разбраковку каждого из предыдущих твэлов по результатам контроля выполняют одновременно с процессом измерения следующего твэла.

2. Устройство контроля топливного столба тепловыделяющего элемента ядерного реактора, содержащее механизм перемещения для протягивания твэлов в линейном направлении, блоки детектирования собственного гамма-излучения топливного столба твэла с проходными отверстиями и втулочными коллиматорами, размещенные в защитных контейнерах и последовательно установленные на механизме перемещения, систему обработки информации и управления, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено устройством контроля сплошности, содержащим компьютер, в состав которого входит модуль ввода и адаптер локальной сети, механизм перемещения снабжен контроллером управления, содержащим модули ввода и вывода, четырьмя блоками электропривода на базе серводвигателя с управляемой по координате положения твэла скоростью протягивания, оснащенными роликами привода твэла, прижимами и датчиками линейного перемещения с измерительными роликами, пятью фотоэлектрическими датчиками положения твэла на механизме перемещения, тридцать два блока детектирования собственного гамма-излучения топливного столба твэла выполнены на базе сцинтилляционного кристалла NaI(Tl) с проходным отверстием и двумя втулочными вольфрамовыми коллиматорами с толщиной стенки 1,5-2,0 мм и шириной "окна" регистрации гамма-излучения размером 24-25 мм каждый, размещены в защитных контейнерах из сплава вольфрама и установлены последовательно на механизме перемещения вдоль линейной траектории протягивания тепловыделяющего элемента, система обработки информации и управления содержит компьютер, в состав которого входит модуль ввода и адаптер локальной сети, коммутатор локальной сети, тридцать два многоканальных анализатора спектра, установленных в двух компьютерах спектрометров, снабженных адаптерами локальной сети, при этом выходы блоков детектирования собственного гамма-излучения топливного столба твэла соединены с входами многоканальных анализаторов спектра, коммутатор локальной сети соединен с контроллером управления механизмом перемещения, с адаптером локальной сети компьютера системы обработки информации и управления и с адаптерами локальной сети компьютеров спектрометров, с адаптером локальной сети компьютера устройства контроля сплошности, выход третьего фотоэлектрического датчика положения твэла соединен с входом модуля ввода, установленного в компьютере системы обработки информации и управления, выходы фотоэлектрических датчиков положения соединены с входами модуля ввода, установленного в контроллере управления механизмом перемещения, выходы датчиков линейного перемещения соединены с входами модуля ввода, установленного в контроллере управления механизмом перемещения, серводвигатели соединены с блоками электропривода, соединенными с контроллером управления механизмом перемещения, выходы первого и второго датчиков положения соединены с модулем ввода компьютера устройства контроля сплошности, выходы первого и второго датчиков линейного перемещения соединены с входами модуля ввода компьютера устройства контроля сплошности.