Способ измерения искривления технологического канала ядерного реактора типа РБМК и устройство для его осуществления Российский патент 2017 года по МПК G01B5/20 

Заявляемая группа изобретений относится к ядерной технике и может быть использована для контроля искривления технологических каналов реактора РБМК.

Известен способ контроля величины перекрытия телескопического соединения верхнего тракта с фланцем графитовой колонны канального ядерного реактора, который применяется для измерения линейных размеров участка перекрытия телескопического соединения двух труб технологического канала ядерного реактора РБМК-1000 /RU 2184996, G21C 17/00, 2002/. Сущность способа состоит в том, что на телескопическое соединение воздействуют переменным магнитным полем, улавливают ответный сигнал, фиксируют по нему изменение величины магнитного сопротивления граничных участков соединения и по расстоянию между этими изменениями судят о величине перекрытия. Изменение магнитного поля зависит от расстояния между чувствительными элементами датчика и измеряемой стенкой. Следовательно, с помощью данного технического решения можно выявить не только величину перекрытия телескопического соединения, но и другие изменения, происходящие со стенкой трубы, например, ее искривление. Однако данная характеристика может быть оценена с большой погрешностью.

Известен способ измерения отклонений от вертикали, позволяющий оценивать искривления и прогибы труб тепловыделяющих сборок (ТВС) и технологических каналов ядерных реакторов /RU 2494344, G01C 9/02, 2013/, подразумевающий применение маятника и электромагнитного датчика, который подводят в заданную точку при помощи трёх механизмов: механизма угла поворота обоймы, механизма наведения и механизма вертикального перемещения. Известный способ не позволяет проводить измерения при работе реактора на мощности, для его осуществления необходима выгрузка ТВС из канала. Кроме того, осуществление способа связано с использованием микрометрического винта и индикатора, что не позволяет осуществить автоматизацию измерений.

Наиболее близким к заявляемому является способ, описанный в патенте RU 2361173 /G01B5/20, 2009/, при котором в технологический канал помещают гибкий стержневой элемент, снабжённый датчиком деформации. В технологическом канале устанавливают заданный расход теплоносителя. По мере искривления канала в процессе его эксплуатации, стержневой элемент изгибается, принимая форму канала, что приводит к изменению положения сердечника в датчике перемещения. Регистрация показаний датчика перемещения производится непрерывно с помощью вторичной аппаратуры, например самописца. Способ позволяет осуществлять измерения на работающем реакторе, однако требует выгрузки ТВС из канала и имеет высокую погрешность, поскольку позволяет измерять только относительное перемещение и только интегральную величину изменения прогиба. Способ не предоставляет возможности построения профиля измеряемого канала. Данное техническое решение выбрано за прототип.

Известно устройство для проведения технологических операций в технологических каналах ядерных реакторов, содержащее корпус с размещенным на нем приводом, зонд и линию связи, выполненную в виде многозвенной гибкой связи, внутри которой размещен контур электрической связи, один конец линии связи закреплен на хвостовике зонда, а другой конец линии связи выведен на корпус и проходит через направляющий ролик привода /RU 2293381, G21C17/017, 2007/. Отличительной особенностью известного устройства является то, что каждое звено многозвенной гибкой связи соединено с последующим звеном с помощью оси, перпендикулярной продольной оси многозвенной гибкой связи, при этом каждое следующее звено в многозвенной гибкой связи имеет возможность поворота относительно последующего звена в плоскости, перпендикулярной к плоскости поворота предыдущего звена. К недостаткам известного устройства можно отнести технологическую сложность в его использовании, связанную с необходимостью выгрузка ТВС из канала и отсутствием возможности измерений при работе реактора на мощности.

Известно устройство для измерения искривления технологических каналов /RU 2078300, G01B 5/24, 1997/, которое снабжено блоком пошагового перемещения корпуса, выполненного в виде штока некруглого сечения, соединенного с корпусом и шайбой, поперечно закрепленной на штоке и делящей его на две равные части. Недостатком известного устройства является громоздкость конструкции, сложность измерений и обработки результатов, а также возможность измерения искривления технологического канала только на остановленном реакторе.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения искривления технологических каналов уран-графитового реактора /RU 2361173 /G01B 5/20, 2009/, содержащее гибкий стержневой элемент, набранный из втулок, взаимодействующий с датчиком, установленным в верхней части технологического канала. Данное техническое решение принято за прототип. Отличительной особенностью прототипа является то, что втулки соединены крепежными муфтами посредством штифтов с обеспечением зазора между торцами втулок, при этом в верхней части стержневого элемента предусмотрен утяжелитель, а опорная муфта выполнена в виде стакана с отверстием в донной части. Прототип позволяет осуществлять измерения на работающем реакторе, однако требует выгрузки ТВС из канала и имеет высокую погрешность, поскольку позволяет измерять только относительное перемещение и только интегральную величину изменения прогиба.

Авторы решали техническую проблему по созданию способа и устройства для измерения искривления технологического канала ядерного реактора типа РБМК, лишённых указанных недостатков. Технический результат заключается в упрощении и повышении точности измерений.

Для решения технической проблемы, а также для достижения заявленного технического результата предлагается способ измерения искривления технологического канала ядерного реактора типа РБМК, заключающийся в помещении в технологический канал гибкого стержневого элемента, снабженного датчиками деформации, с последующей регистрацией изгиба стержневого элемента. Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что гибкий стержневой элемент, оснащенный оптоволоконными датчиками, помещают в центральный канал тепловыделяющей сборки, пропускают через оптоволоконный датчик световой сигнал, а регистрацию изгиба стержневого элемента осуществляют за счет анализа отраженных световых сигналов.

Дополнительно предлагается для создания светового сигнала использовать лазерное излучение, например, длиной волны от 800 до 1600 нм.

Для решения технической проблемы, а также для достижения заявленного технического результата предлагается устройство для осуществления указанного измерения, включающее гибкий стержневой элемент, снабжённый датчиками деформации. Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что в гибкий стержневой элемент помещены, соединённые с перестраиваемым лазером и фотоприемником оптоволоконные датчики, представляющие собой решётки Брэгга, внедренные в структуру радиационно-стойкого кварцевого оптического волокна.

Дополнительно предлагается гибкий стержневой элемент выполнить полым, а оптоволоконные датчики расположить по периметру внутренней поверхности стержневого элемента.

Полезно решётки Брэгга внедрить в структуру оптического волокна на нескольких уровнях.

Помещение гибкого стержневого элемента, оснащенного оптоволоконными датчиками, в центральный канал тепловыделяющей сборки с последующим пропусканием через оптоволоконный датчик светового сигнала, регистрацией и анализом отраженных световых сигналов, а также соединение оптоволоконных датчиков, представляющих собой решётки Брэгга, внедренные в структуру радиационно-стойкого кварцевого оптического волокна, с перестраиваемым лазером и фотоприемником позволяет производить измерение изгиба стержневого элемента без извлечения ТВС из технологического канала с минимальной погрешностью.

Использование когерентного излучения с длиной волны от 800 до 1600 нм позволяет получить наиболее достоверную информацию об искривлении технологического канала.

Выполнение гибкого стержневого элемента полым с расположением оптоволоконных датчиков по периметру внутренней поверхности стержневого элемента позволяет определить кривизну технологического канала по азимуту, а внедрение решёток Брэгга в структуру оптического волокна на нескольких уровнях позволяет определить кривизну технологического канала по высоте.

На фиг. 1 представлен внешний вид заявляемого устройства, на фиг. 2 представлено схемное решение заявляемого устройства, на фиг.3 представлено поперечное сечение стержневого элемента, на фиг.4 представлен спектр отражения для двадцати решёток Брэгга, где 1 - гибкий стержневой элемент, 2, 3 - оптоволоконные датчики с решётками БРЭГГА, 4 — перенастраиваемый лазер, 5 – фотоприёмник, 6 - компьютер. Оптоволоконные датчики 2 и 3 содержат решётки Брэгга, которые представляют собой периодические наноструктуры, нанесённые на азотированное кварцевое радиационно-стойкое оптоволокно и отражающие свет определённой длины волны.

Способ осуществляют, а устройство работает следующим образом. Гибкий стержневой элемент 1, содержащий оптоволоконные датчики 2 и 3, помещают в центральный канал тепловыделяющей сборки (не показан), ориентируя его заранее определённым образом по отношению к плато реактора. При изгибе технологического канала происходит искривление ТВС, а следовательно, и гибкого стержневого элемента 1. При этом к оптоволоконным датчикам 2, 3 прилагается усилие растяжения или сжатия. При прохождении по оптоволоконному датчику светового сигнала, инициированного лазером 4, длина волны, отражённой решёткой Брэгга меняется. Это изменение регистрируется фотоприёмником 5 и анализируется при помощи программных средств, установленных на компьютере 6. Параметрами, характеризующими работоспособность датчика, являются амплитуда сигнала, прошедшего через оптоволокно, амплитуда отражённого от решётки Брэгга сигнала, резонансная (Брэгговская) длина волны характерного спектрального пика решётки. Под показаниями датчика понимается резонансная длина волны отражения датчика. Пример спектра для отражения для двадцати решёток Брэгга приведён на фиг. 4. Смешение длины волны центра пика пропорционально приложенным к нему растягивающим или сжимающим напряжениям. Для измерения смещения длины волны используется измерение спектра пропускания/отражения решётки с помощью узкополосного перестраиваемого лазера 4 и фотоприёмника 5.

Способ не является чувствительным к оптическим потерям, которые могут возникнуть в оптическом тракте при проведении измерений и обеспечивает высокую точность измерений.

Группа изобретений относится к ядерной технике. Способ измерения искривления технологического канала ядерного реактора типа РБМК, заключающийся в том, что гибкий стержневой элемент, оснащенный оптоволоконными датчиками деформации, помещают в центральный канал тепловыделяющей сборки, пропускают через оптоволоконный датчик световой сигнал, а регистрацию изгиба стержневого элемента осуществляют за счет анализа отраженных световых сигналов. Устройство для осуществления указанного измерения, включающее гибкий стержневой элемент, снабжённый датчиками деформации. Причем оптоволоконные датчики деформации, соединённые с перестраиваемым лазером и фотоприемником, представляют собой решётки Брэгга, внедренные в структуру радиационно-стойкого кварцевого оптического волокна. Технический результат заключается в упрощении и повышении точности измерений. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения искривления технологического канала ядерного реактора типа РБМК, заключающийся в помещении в технологический канал гибкого стержневого элемента, снабженного датчиками деформации, с последующей регистрацией изгиба стержневого элемента, отличающийся тем, что гибкий стержневой элемент, оснащенный оптоволоконными датчиками, помещают в центральный канал тепловыделяющей сборки, пропускают через оптоволоконный датчик световой сигнал, а регистрацию изгиба стержневого элемента осуществляют за счет анализа отраженных световых сигналов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для создания светового сигнала используют лазерное излучение.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что для создания светового сигнала используют лазерное излучение длиной волны от 800 до 1600 нм.

4. Устройство для осуществления измерения по п. 1, включающее гибкий стержневой элемент, снабжённый датчиками деформации, отличающееся тем, что в гибкий стержневой элемент помещены соединённые с перестраиваемым лазером и фотоприемником оптоволоконные датчики, представляющие собой решётки Брэгга, внедренные в структуру радиационно-стойкого кварцевого оптического волокна.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что гибкий стержневой элемент выполнен полым.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что оптоволоконные датчики расположены по периметру внутренней поверхности стержневого элемента.

7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что решётки Брэгга внедрены в структуру оптического волокна на нескольких уровнях.