Способ измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе Российский патент 2022 года по МПК G21C17/06 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов (твэлов) на этапе проведения контроля концентраций гелия в них, в частности, в условиях конвейерного производства твэлов.

Известен «Способ контроля тепловыделяющих элементов» /патент РФ №2552526/.

Способ контроля тепловыделяющих элементов, включает определение давления гелия под оболочкой тепловыделяющего элемента после его герметизации, при котором удерживают тепловыделяющий элемент на позиции измерения в течение всего времени контроля, осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области компенсационного объема, регистрируют временную зависимость температуры участков оболочки в месте нагрева и на противоположной стороне оболочки в течение всего времени контроля, по ней судят о давлении гелия и состоянии тепловыделяющего элемента, согласно которому перед локальным нагревом тепловыделяющий элемент выдерживают до выравнивания его температуры с температурой окружающей среды, а после завершения контроля создают температуру окружающей среды ниже 0°С, перед локальным нагревом тепловыделяющий элемент выдерживают до выравнивания его температуры с новой температурой окружающей среды, повторяют цикл нагрев-измерения и сравнивают полученные временные зависимости давлений при разных температурах с калибровочными зависимостями для разных давлений гелия и разными уровнями содержания воздуха в нем.

Недостаток способа-аналога заключается в его низкой производительности. Она обусловлена многократным проведением время затратных операций «выдержки твэла до выравнивания его температуры с температурой окружающей среды», «создание температуры окружающей среды ниже 0°С», что не позволяет использовать способ для оценки концентрации гелия в смеси с загрязняющим газом при сплошном контроле твэлов в жестких временных рамках их конвейерного производства.

Наиболее близким аналогом является патент №2634309.

Для решения поставленной задачи в способе измерения концентрации гелия в твэле, включающего подачу твэла в установку на позицию измерения, проведение локального импульсного нагрева участка оболочки твэла в области его компенсационного объема, измерение временных температурных зависимостей и определение концентрации гелия в твэле, предлагается:

- дополнительно, перед подачей твэла в установку на позицию измерения измеряют температуру воздуха в установке, после размещения твэла на позицию измерения измеряют температуру оболочки твэла;

- дополнительно измеряют температурные зависимости стандартных образцов в зависимости от температуры воздуха в установке, температуры оболочки и эффекта взаимодействия этих температур;

- объемную концентрацию гелия в контролируемом твэле (С_х) определяют по формуле

где C₀,C₁ - объемные концентрации гелия в стандартных образцах; P₀(t_в,х;t_об.х), P₁(t_в.x;t_oб.х) - функциональные параметры временных температурных зависимостей t_в,х,t_oб.х стандартных образцов, соответственно с концентрацией С₀ и C₁ при температуре воздуха в установке t_в и температуре оболочки твэла t_об; P_x(t_в.х;t_об.х) - параметр временной температурной зависимости контролируемого твэла с неизвестной концентрацией гелия (х), при измеренной температуре воздуха в установке t_в.х и температуре оболочки твэла t_об.х.

Недостатками способа-прототипа является следующее:

- влияние температуры воздуха в установке на результаты измерения;

- сплошность реализации набора контрольных образцов с известной концентрацией гелия в силу его сверхтекучести;

- влияние навивки дистанционирующей проволоки и ленты на результаты измерения.

Для решения поставленной задачи в способе измерения концентрации гелия в твэле, включающего подачу твэла в позицию измерения, проведение локального импульсного нагрева участия оболочки твэла в области компенсационного объема измерение временных температурных зависимостей и определение концентрации гелия в твэле предлагается:

- индукционный нагреватель выполнить двухсекционным и выполнить нагрев в двух точках, симметричных относительно контрольного сечения;

- в плоскости контрольного сечения температуру измерять несколькими измерителями с получением среднего значения по n измерителем в каждый текущий момент времени

- в качестве контрольных образцов использовать носитель контрольного газа, заправляемый эталонным газом с нужной концентрацией перед контрольным измерением;

- твэл с навивкой дистанционирующей проволокой или лентой в процессе измерения вращать вокруг продольной оси с определенной угловой скоростью;

- объемную концентрацию гелия в контролируемом твэле определить по формуле

где C₀,C₁ - объемные концентрации гелия в носителе контрольного газа;

- средние функциональные параметры временных температурных зависимостей t_в.х,t_об.х эталонных концентраций гелия в носителе контрольного газа с концентрацией С₀, С₁, при температуре t_B в установке и температуре оболочки твэла t_oб;

- средний временной параметр температурной зависимости контролируемого твэла с неизвестной концентрацией гелия (х), при температуре воздуха в установке t_в.x и температуре оболочки твэла t_oб.x.

Сущность предложенного способа измерения концентрации гелия в твэле поясняется графическим материалом.

На фигуре 1 изображена установка для реализации способа.

На фигуре 1 приняты следующие обозначения: 1 - корпус установки; 2 - тепловыделяющий элемент (твэл); 3 - узел фиксации и обеспечения вращения твэла; 4 - компенсационный объем; 5 - индукционный нагреватель; 6 - дистанционный измеритель температуры в контрольном сечении; 7 - измеритель температуры воздуха.

Способ осуществляют следующим образом.

Физической основой способа измерения концентрации гелия в смеси с воздухом, находящейся под оболочкой твэла, является существенное различие теплопроводностей гелия и воздуха.

Это различие свойств газов проявляется при канальном импульсном нагреве участка оболочки и скорости изменения температуры в контролируемом сечении твэла, отстоящим от участка нагрева в виде функциональной зависимости от концентрации гелия в твэле.

Способ использует относительный метод измерения, при котором концентрация гелия в контролируемом твэле определяется относительно стандартных образцов. В качестве стандартных образцов используют имитатор твэла, оснащенный заправочным и стравливающим штуцерами, заправляемый эталонными газами (смесь гелия и азота) с известной концентрацией гелия, т.е. имитатор является носителем контрольного газа. Для формирования шкалы измерений гелия от 90 до 100% через 2%, исходя из предельно допустимой концентрации 94%.

Температурные условия проведения измерений с контролируемыми твэлами характеризуются непостоянством температур воздуха в установке и начальных температур твэла.

С целью минимизации влияния воздушного теплопереноса применяется двухсекционный индуктивный нагреватель, осуществляющий теплоперенос в твэле к контрольному сечению с двух сторон, тем самым вдвое повышая информативность полезного сигнала относительно воздушного теплопереноса.

Для снижения случайной составляющей погрешности при измерении функции температуры во времени в контрольном сечении применены несколько бесконтактных измерителей температуры с определением среднего значения по их показаниям в каждый момент времени.

С целью минимизации шунтирующего действия навитой на твэл дистанционирующей проволоки или ленты осуществляется вращение твэла вокруг продольной оси при помощи приводных люнетов с базой шага навивки дистанционирующей проволоки, с определенной угловой скоростью, определяемой динамикой теплопереноса в зоне между точками нагрева и контрольным сечением.

Исходные временные зависимости теплопереноса от концентрации гелия в носителе контрольного газа в диапазоне 90÷100% через 2% и от температуры воздуха и начальной температуры твэла получают в процессе классического многофакторного эксперимента. Данные зависимости используются в методике измерений, реализуемой вычислительным устройством измерительной установки.

При измерениях с контролируемыми твэлами может транспортной системой производственной линии вводиться в установку на позицию измерения, определяемую выдвигаемым узлом фиксации и обеспечения вращения твэла 3. При помощи измерителя температуры воздуха в корпусе установки 7 измерителя температуры внутри установки, а при помощи дистанционных измерителей 6 определяется среднее значение исходной температуры поверхности твэла в контрольном сечении.

При помощи индукционного нагревателя 5 производится, нагрев твэла в течение нормированного интервала времени, в точках, равноотстоящих от контрольного сечения. В контрольном сечении получается временная зависимость температуры которая используется для определения концентрации гелия в твэле. При измерениях с твэлами, оснащенными дистанционирующей проволокой или лентой дополнительно обеспечивается вращение твэла вокруг продольной оси. При этом в методике измерений используются температурные зависимости, полученные при помощи носителя контрольного газа, исполненного с дистанционирующей проволокой и лентой с концентрацией 90÷100% через 2% гелия в носителе при его вращении. Вращение позволяет усреднять в контрольном сечении температуру поверхности твэла, возмущаемую в зоне дистанционирующей проволоки в виде зоны с пониженной температурой при экстремуме температурной зависимости P_ix(τ).

Предлагаемая схема измерения и последовательности действий позволили повысить точность измерения с 13% у прототипа до 2%.

Источники информации

1. Патент РФ №2552526 G21C 17/06, опубл. 10.06.2015 г.

. Патент РФ №2634309 G21C 17/00, опубл. 25.10.2017 г.

Изобретение относится к атомной промышленности и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов при их контроле. Способ контроля содержания гелия в твэле заключается в индукционном нагреве зон твэла, отстоящих на равные расстояния от зоны контроля. Температура в зоне контроля контролируется при помощи нескольких установленных супротивно пирометров, а обмотка индукционного нагревателя выполняется двухсекционной, с одинаковыми секциями в зонах нагрева. При этом твэл вывешивается в приводных люнетах, обеспечивающих его вращение с целью интегрирования результатов измерения температуры в контрольной зоне для твэлов с навивкой дистанционирующей проволоки или ленты. Градуировку осуществляют при помощи носителей образцовых газов, выполненных из твэльной трубы материала той же плавки, что и контролируемого твэла и по чертежу газовой полости. Изобретение позволяет исключить влияние температуры воздуха в установке и влияние навивки дистанционирующей проволоки и ленты на результаты измерения. 1 ил.

Способ измерения концентрации гелия в тепловыделяющем элементе (твэле), включающий подачу твэла в установку на позицию измерения, проведение локального импульсного нагрева участка в оболочки твэла в области его компенсационного объема, измерение временных температурных зависимостей и определение концентрации гелия в твэле, отличающийся тем, что импульсный нагрев осуществляют на участках твэла, симметрично отстоящих от сечения измерения температуры оболочки твэла, измерения в данном сечении осуществляют несколькими измерителями до и после нагрева в течение заданного интервала времени, при этом осуществляют вращение твэла, выполненного с навивкой дистанционирующей проволоки или ленты, определяют средние значения температур в сечении по всем измерителям для каждого момента временной зависимости, объемную концентрацию гелия в контролируемом твэле (С_х) определяют по формуле:

Где:

С₀, C₁ - объемы концентрации гелия в носителе контрольного газа; , - средние значения параметров временных температурных зависимостей носителя контрольных газов с заданной концентрацией гелия, полученные в контрольных сечениях по нескольким измерителям

n - количество измерителей в сечении, соответственно, с концентрацией С₀ и C₁, при исходных температурах воздуха в установке t_в и температуре оболочки контролируемого твэла t_об;

- среднее значение параметра временной температурной зависимости в контрольном сечении твэла при температуре воздуха в установке t_{в х} и температуре оболочки твэла t_{об х} по n измерителям;

τ - текущее время.