Устройство для измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе (твэле) Российский патент 2021 года по МПК G21C17/00 

Изобретение относится к области ядерной техники и может быть использовано при производстве тепловыделяющих элементов (твэлов) на стадии неразрушающего контроля концентрации гелия при атмосферном давлении газов в твэле.

Из уровня техники известно устройство для измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе, которое используется при осуществлении способа измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе. Такое устройство содержит индукционный нагреватель, дистанционный измеритель температуры и приспособление для измерения температуры воздуха в установке (см. Патент RU 2634309, опубликован 25.10.2017).

Также из уровня техники известно устройство для измерения давления гелия в тепловыделяющем элементе, содержащее индукционный нагреватель и измерители температуры (пирометр) (см. Патент RU 2552839, опубликован 10.06.2015).

Недостатком известных устройств является то, что они не в состоянии удовлетворить требованию по контролю атмосферы под оболочкой твэлов для перспективных ядерных реакторов, а именно, определение концентрации гелия в твэлах в диапазоне от 90 до 100% с не исключенной случайной составляющей абсолютной погрешности измерения концентрации гелия в твэле не более ±2% при атмосферном давлении газов под оболочкой твэла. Также недостатком является неспособность исключить/минимизировать из результатов неконтролируемую по величине случайную составляющую абсолютной погрешности измерения концентрации гелия в твэле.

Источниками случайной составляющей погрешности измерения концентрации гелия в твэле являются известные факторы с неконтролируемым влиянием их на величину случайной составляющей погрешности. Во-первых, отклонение от соосности размещения упорной трубки относительно оболочки твэла, которое приводит к неравномерности температурного распределения по периметру оболочки в процессе ее нагрева, а с учетом того, что пирометр измеряет температуру оболочки в одной точке ее поверхности (фокусе пирометра), и эта температура используется для расчета концентрации гелия в твэле, то это обстоятельство приводит к появлению случайной составляющей погрешности, величина которой для каждого контролируемого твэла является неопределенной. Во-вторых, наличие на поверхности оболочки твэла дистанцирующего ребра (проволоки, ленты и др.), а также неконтролируемое различие излучательной способности теплового излучения поверхностью оболочек твэлов.

Наиболее близким к предложенному изобретению является устройство контроля тепловыделяющего элемента, содержащее нагреватель, соединенный с ним генератор индукционного нагрева, модули измерения температуры, а также модуль обработки и управления (см. Патент RU 2261489, опубликован 27.09.2005).

Недостатком наиболее близкого решения является то, что оно не позволяет выявить «загрязнение» гелия воздухом, отрицательно влияющее на эксплуатационные характеристики твэлов.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение качества изготовления твэлов и надежности эксплуатации активных зон реакторов, собранных из этих твэлов за счет более корректной отбраковки твэлов с недопустимой концентрацией гелия в них.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения концентрации гелия при атмосферном давлении в твэле, исключение/минимизация неконтролируемой случайной составляющей абсолютной погрешности измерения концентрации гелия в твэле.

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что устройство для измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе (твэле), содержащее индукционный нагреватель, включающий индуктор и соединенный с ним источник питания, соединенный с индуктором измеритель напряжения или измеритель тока, или измеритель мощности, вычислительное устройство, соединенное с измерителем напряжения или с измерителем тока, или с измерителем мощности и выполненное с возможностью принятия сигнала от измерителя напряжения или измерителя тока, или измерителя мощности, с возможностью получения временной зависимости измеренной величины в течение заданного времени работы индукционного нагревателя и сравнения полученной временной зависимости с аналогичными зависимостями, полученными ранее в измерениях с твэлами с известными концентрациями гелия в них, с возможностью определения на этой основе концентрации гелия в контролируемом твэле, а также с возможностью выдачи потребителю результатов измерения концентрации гелия в твэле, при этом комплексное сопротивление индуктора при размещении в нем участка твэла составляет от 0,3R до 0,6R, где R - величина внутреннего сопротивления источника питания.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично показано предложенное устройство для измерения концентрации гелия в твэле.

Предложенное устройство для измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе 1 (твэле) содержит индукционный нагреватель, включающий индуктор 2 (катушка индуктивности) и соединенный с ним источник 3 питания (выход источника 3 питания подключен к входу индуктора 2). В качестве источника 3 питания могут использовать генератор индукционного нагрева.

С индуктором 2 соединен канал регистрации физической величины, зависящей от концентрации гелия в твэле 1 (канал регистрации напряжения на индукторе 2, или канал регистрации тока, или канал регистрации мощности). Такой канал имеет соединенный с индуктором 2 измеритель 4 физической величины, зависящей от концентрации гелия в твэле 1, а также вычислительное устройства 5, соединенное с измерителем 4. При этом в качестве измерителя 4 физической величины используют, преимущественно, измеритель 4 напряжения на индукторе 2 индукционного нагревателя, однако, в вариантном исполнении могут использовать измеритель тока или измеритель мощности. Вычислительное устройство 5 выполнено с возможностью выполнения функции принятия сигнала от измерителя 4 напряжения, а также выдачи потребителю результатов измерения концентрации гелия в твэле 1.

Параметры индукционного нагревателя в предложенном устройстве находятся в соотношении 0,3R≤Z≤0,6R, где

R - величина внутреннего сопротивления источника 3 питания индуктора 2;

Z - комплексное сопротивление индуктора 2 c размещенным в нем участком твэла 1.

Таким образом, в предложенном устройстве используют индуктор 2, комплексное сопротивление (Z) которого (при учете размещения в индукторе 2 участка твэла 1) составляет от 0,3 до 0,6 от величины внутреннего сопротивления (R) его источника 3 питания.

На фигуре также показан участок нагрева оболочки 6 твэла 1, внутри которой размещена упорная трубка 7, предназначенная для фиксации топливного столба (не показан) по высоте твэла 1 и дистанцирующее ребро 8, выполненное, например, из проволоки, навитой на поверхность оболочки 6 твэла 1 с большим шагом.

Предложенное устройство работает следующим образом. Твэл 1 устанавливают на позицию измерения концентрации гелия в твэле 1, при этом участок нагрева твэла 1 размещают соосно оси индуктора 2. После этого включают канал регистрации напряжения на индукторе 2, а затем включают источник 3 питания индуктора 2. Вычислительное устройство 5 регистрирует показания измерителя 4 напряжения на индукторе 2 в течение заданного времени работы индукционного нагревателя. Полученную временную зависимость напряжения на индукторе 2 вычислительное устройство 5 сравнивает с аналогичными зависимостями, полученными ранее в измерениях с твэлами 1 с известными концентрациями гелия в них и на этой основе определяет концентрацию гелия в контролируемом твэле 1.

Основным физическим эффектом в цепи преобразования концентрации гелия в твэле 1 в напряжение на индукторе 2 индукционного нагревателя является различие температур подогрева оболочки 6 в твэле 1 в зависимости от концентрации гелия в твэле 1, чем выше концентрация гелия в твэле 1, тем меньше температура подогрева оболочки 6 твэла 1. Этот эффект приводит к изменению величины комплексного сопротивления индуктора 2 (с размещенным в нем участком твэла 1), что, в свою очередь, перераспределяет падения напряжений в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенного комплексного сопротивления индуктора 2 (с размещенным в нем участком твэла 1) и внутреннего сопротивления его источника питания 3. При этом перераспределение напряжения наиболее выражено, когда комплексное сопротивление индуктора 2 (с размещенным в нем участком твэла 1) меньше внутреннего сопротивления его источника питания 3. В итоге, напряжение на индукторе 2 является источником информации о концентрации гелия в твэле 1. Таким образом, замена дифференциальной формы информационного признака (температуры оболочки в точке фокуса пирометра) на интегральную форму (напряжение на индукторе 2), обеспечивает исключение/минимизацию случайной составляющей погрешности измерения концентрации гелия в твэле 1, вызванную несоосностью упорной трубки 7 относительно оболочки 6 твэла 1, наличием на поверхности оболочки 6 твэла 1 дистанцирующего ребра 8, а также различием излучательной способности теплового излучения поверхностью оболочек 6 твэлов 1. В результате существенно повышается точность измерения концентрации гелия при атмосферном давлении в твэле 1, и повышается качество изготовления твэлов 1. А качественно изготовленные твэлы 1 повышают надежность эксплуатации активных зон реакторов, собранных из таких твэлов 1.

Техническая реализуемость предложенного устройства подтверждается выполненными расчетами и экспериментами, проведенными на имитаторах твэлов для перспективных ядерных реакторов.

Промышленная применимость изобретения обосновывается отсутствием технических средств для реализации устройства, которые неизвестны на момент подачи заявки.

Изобретение относится устройству для измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе (твэле). Устройство содержит индукционный нагреватель, включающий индуктор 2 и соединенный с ним источник 3 питания, соединенный с индуктором измеритель 4 напряжения или измеритель тока, или измеритель мощности, а также вычислительное устройство 5. Вычислительное устройство соединено с измерителем 4 напряжения или с измерителем тока, или с измерителем мощности. Причем комплексное сопротивление индуктора 2 при размещении в нем участка твэла составляет от 0,3R до 0,6R, где R - величина внутреннего сопротивления источника 3 питания. Вычислительное устройство выполнено с возможностью определения на основе обработки полученных сигналов концентрации гелия в твэле и с возможностью выдачи потребителю полученных результатов. Техническим результатом является повышение точности измерения концентрации гелия при атмосферном давлении в твэле, исключение/минимизация неконтролируемой случайной составляющей абсолютной погрешности измерения концентрации гелия в твэле, вызванной несоосностью упорной трубки относительно оболочки твэла, наличием на поверхности оболочки твэла дистанцирующего ребра, а также различием излучательной способности теплового излучения поверхностью оболочек твэлов. 1 ил.

Устройство для измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе (твэле), содержащее индукционный нагреватель, включающий индуктор и соединенный с ним источник питания, соединенный с индуктором измеритель напряжения или измеритель тока, или измеритель мощности, вычислительное устройство, соединенное с измерителем напряжения или с измерителем тока, или с измерителем мощности и выполненное с возможностью принятия сигнала от измерителя напряжения или измерителя тока, или измерителя мощности, с возможностью получения временной зависимости измеренной величины в течение заданного времени работы индукционного нагревателя и сравнения полученной временной зависимости с аналогичными зависимостями, полученными ранее в измерениях с твэлами с известными концентрациями гелия в них, с возможностью определения на этой основе концентрации гелия в контролируемом твэле, а также с возможностью выдачи потребителю результатов измерения концентрации гелия в твэле, при этом комплексное сопротивление индуктора при размещении в нем участка твэла составляет от 0,3R до 0,6R, где R - величина внутреннего сопротивления источника питания.