Способ автоматического контроля наличия комплектующих в твэлах и сплошности топливного столба и устройство для его реализации Российский патент 2023 года по МПК B07C5/04 

Изобретение относится к атомной промышленности и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов (далее - твэл) и сборке их в тепловыделяющую сборку (далее - ТВС) для ядерных реакторов.

Важнейшим диагностическим параметром при производстве ядерного топлива являются такие параметры: положение топливного столба твэла; длина топливного столба; размеры зазоров между топливными таблетками; величина суммарных зазоров между топливными таблетками; наличие сколов топливных таблеток; наличие комплектующих в твэлах.

Контроль топливного столба в твэле выполняется неразрушающими методами контроля после установки комплектующих, заполнения твэла гелием и приварки заглушки. Наиболее применяемые неразрушающие методы контроля - рентгенографический и радиометрический.

При контроле твэлов с топливом U₂₃₅ и U₂₃₈ наибольшее применение нашел радиометрический метод, основанный на просвечивании твэлов гамма-излучением от источников на основе Америция, перпендикулярно оси твэла с регистрацией потока гамма частиц, проходящих через объект контроля. Градуировка выполняется при помощи контрольных образцов с нормированными зазорами и нормированной длиной моделей топливных таблеток при известном их количестве и положении в контрольном образце.

Известен пост контроля сплошности топливного столба и комплектующих твэла РУ БН-800 (http://www.niitfa.ru/client/radiatsionnoe-priborostroenie/post-kontrolya-sploshnosti-toplivnogo-stolba-i-komplektuyushchikh-tvela-ru-bn-800/).

Известен пост УКИ-7М контроля качества поверхности твэла и качества навивки проволоки реактора БН-800 для выходного контроля качества поверхности твэла и качества навивки проволоки твэла, изготовленного в соответствии с техническими условиями 1К.10815.00.000ТУ «ТВЭЛ ТВС РЕАКТОРА БН-800», в составе технологической линии во взаимодействии с АСУТП верхнего уровня и под системой управления. http://www.niitfa.ru/client/radiatsionnoe-priborostroenie/post-uki-7m-kontrolva-kachestva-poverkhnosti-tvela-i-kachestva-navivki-provoloki-reaktora-bn-800/.

Известны линия контроля и разбраковки твэл (патент РФ №2242297 В07С 5/04, опубл. 20.03.2004 г.), и автоматизированная линия сборки твэл для энергетических ядерных реакторов типа БН (патент РФ №2094866, опубл. 27.10.1997, МПК G21C 21/00). В известных технических решениях предусмотрено применение инструментальных средств контроля суммарного (снимаемого и фиксированного) радиоактивного загрязнения поверхности. Приборы (детекторы) располагаются над поверхностью твэлов в линии выходного контроля твэлов.

Недостатками известных технических решений является низкая точность контроля при использовании высокофонового топлива, при наличии дистанцирующей проволоки или ленты на твэле и невозможность определения сколов топливных таблеток.

Известна линия контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов, которая снабжена транспортно-операционным модулем, включающим блоки детектирования альфа-излучения с поверхности тепловыделяющих элементов, ротор с дисками с расположенными по образующей ложементами для тепловыделяющих элементов, с блоком датчиков положения ротора, блоком управления приводом ротора и блоком питания, фотодатчики наличия тепловыделяющих элементов на позиции загрузки, закрытые контрольные источники альфа-излучения, модулем обработки и управления, включающим промышленный компьютер, узлы оптических цифровых входов, узел оптического цифрового выхода и счетчики-таймеры, транспортное средство загрузки проконтролированных тепловыделяющих элементов в ложементы ротора, транспортное средство разгрузки проконтролированных тепловыделяющих элементов с механизмом разделения на два потока с подачей в транспортные контейнеры. Средства ввода и вывода тепловыделяющих элементов выполнены в виде наклонных столов (патент РФ №2242297, МПК. В07С 5/04).

Недостатками данной линии является низкая точность контроля при использовании высокофонового топлива, при наличии дистанцирующей проволоки или ленты на твэле и невозможность определения сколов топливных таблеток.

Известна установка (пост) для контроля сплошности столба и наличия комплектующих деталей твэла. - «Пост контроля сплошности столба и наличия комплектующих деталей твэла» для ТВС РУ БРЕСТ - ОД-300-http://www.innov-rosatom.ru/files/articles/398bb0f62c7625f7c253c1013f2b2521.pdf. МПК: В07С 5/04-прототип) МФР1.32.00.00.00 РЭ.

Указанная установка содержит транспортную систему, оснащенную датчиком скорости перемещения твэла, два ортогональных источника гамма-излучения с коллиматорами специальной формы и датчиками гамма-излучения, установленными напротив источников с устройствами обработки счетных импульсов.

Недостатками данной установки является низкая точность контроля при использовании высокофонового топлива, при наличии дистанцирующей проволоки или ленты на твэле и невозможность определения сколов топливных таблеток.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений в условиях высокофонового топлива и твэлов с навивкой дистанцирующей проволоки, а также расширение функциональных возможностей в части контроля сколов топливных таблеток.

Решение указанной задачи достигается тем, что, в предложенном способе автоматического контроля наличия комплектующих в твэле и сплошности его топливного столба в устройстве для контроля наличия комплектующих и сплошности топливного столба, заключающемся в измерении и регистрации фонового излучения движущегося твэла в координатах твэла, просвечивании твэла коллимированными потоками гамма и рентгеновского излучений, измерениях скорости счета гамма и рентгеновского излучений для каждой координаты твэла, согласно изобретению, предварительно устройство калибруют при помощи контрольного образца твэла с моделями топливных таблеток, которые выполняют из вольфрама, с нормированными размерами и сколами, и моделями нормированных зазоров, которые выполняют из калиброванной алюминиевой фольги разной толщины, при этом определяют и фиксируют интенсивность потока гамма-квантов и мощность рентгеновского излучения в зоне таблеток, зазоров и комплектующих твэлов, как минимум, пружины, втулки стальной, поддержки и пробки пористой, после чего контролируемый твэл подают в устройство с известной заданной линейной скоростью с однозначным определением текущих координат в трех сечениях, первом, втором и третьем, в которых последовательно измеряют и регистрируют значение фона в координатах твэла, значение потока гамма-излучения по каждому датчику с привязкой к координатам твэла и значение мощности рентгеновского излучения с привязкой к координатам твэла, затем, на основании полученных данных определяют среднее значение скорости отсчета по трем датчикам во втором сечении по всей длине твэла, из среднего значения скорости отсчета вычитают значение фона, которое предварительно определяют в первом сечении, по длине твэла, значение мощности рентгеновского излучения в третьем сечении объединяют со скоростью счета с учетом фона с применением весовых коэффициентов соответствующей размерности, после чего, по полученным значениям плотности потока гамма-излучения с учетом результатов калибровки определяют необходимые параметры твэла.

В варианте применения способа, контроле твэлов с навивкой проволокой, выполняют вращение твэла вокруг продольной оси с целью механического компенсирования ослабляющего фактора проволоки во втором сечении, причем скорость вращения выбирают экспериментально при калибровке с использование контрольного образца твэла с навивкой.

В варианте применения способа, при контроле сколов таблеток во втором сечении определяют разность фона гамма-излучения между показаниями датчиков, при этом выполняют вращение твэла вокруг его продольной оси без линейного перемещения.

Для реализации указанного способа предложено устройство контроля наличия комплектующих и сплошности топливного столба в тепловыделяющем элементе, содержащая механизм перемещения и контроля скорости перемещения твэла, два источника гамма-излучения с коллиматорами, два датчика гамма-излучения с устройствами обработки отсчетных импульсов, центрирующие устройства, устройство управления и обработки информации, в которой, согласно изобретению, дополнительно установлены датчик гамма-фона топливного столба, третий источник гамма-излучения с коллиматором, третий датчик гамма-излучения с устройством обработки счетных импульсов, рентгеновская трубка непрерывного излучения с коллиматором, приемная матрица рентгеновского излучения, привод вращения твэла с датчиком углового положения, при этом датчик гамма-фона топливного столба установлен первым по ходу перемещения твэла, третий датчик гамма-излучения и третий источник гамма-излучения с коллиматором установлены с двумя существующими в одной плоскости под углом 120° друг по отношению к другу, причем датчик гамма-излучения и источник гамма-излучения, рентгеновская трубка с коллиматором и приемная матрица рентгеновского излучения установлены диаметрально противоположно напротив друг друга, и последними по ходу перемещения твэла, образуя единый блок динамического радио-рентгенографического контроля, при этом механизм поворота и вращения твэла с датчиком положения встроен в центрирующее устройство установки.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема установки с горизонтальным перемещением твэла, на фиг. 2 - показана структурная схема оборудования в поперечном сечении.

Предложенный способ может быть реализован при помощи установки, имеющей следующую конструкцию.

Основными составными частями установки для реализации предложенного способа являются:

1 - контролируемый твэл;

2 - блоки транспортной системы;

3 - датчик скорости подачи твэла;

4 - центрирующие устройства;

5 - датчик фона;

6 - датчики гамма-излучения (3 шт.);

7 - источники гамма - излучения с коллиматорами (3 шт.);

8 - лампа рентгеновского непрерывного излучения;

9 - матрица приемная рентгеновского излучения с коллиматором;

10 - блок управления рентгеновской лампы;

11 - устройство контроля и управления;

12 - привод вращения твэла;

13 - датчик угла поворота твэла;

14 - корпус блока контроля.

Контролируемый твэл 1 (далее - твэл) перемещается в установке при помощи ведущих блоков 2 транспортной системы, оснащенных датчиком скорости подачи твэла 3. Ориентация твэла в блоке контроля осуществляется при помощи центрирующих устройств 4. При движении твэл последовательно проходит контрольные сечения - первое «А», второе - «В» и третье «С».

В первом сечении «А» установлен датчик фона 5 для контроля собственного гамма-излучения твэла и его регистрации с привязкой по его длине.

Во втором сечении «В» размещаются «звездой» установленные три датчика гамма-излучения 6 и три источника гамма-излучения 7 с коллиматорами.

В третьем сечении «С» установлена лампа рентгеновского непрерывного излучения 8 и матрица 9 приемная рентгеновского излучения с коллиматором Блок управления рентгеновской лампы 10 и устройство контроля и управления 11 размещаются вне операционного модуля установки.

При работе с твэлом с навивкой применяется привод вращения твэла 12 и датчик угла поворота твэла 13.

При этом, по ходу движения твэла относительно измерительной части, оборудование монтируется в следующем порядке:

- датчик гамма-фона;

- источники гамма-излучения с коллиматорами и датчики гамма-излучения (под углом 120°);

- рамка рентгеновского излучения с коллиматором специальной формы и приемная матрица.

Три датчика гамма-излучения расположены вокруг твэла под углом 120° для охвата всей поверхности твэла. Три источника гамма-излучения с коллиматорами расположены напротив каждого из каждого датчика гамма-излучения и также расположены вокруг твэла под углом 120°.

Предложенный способ основан на просвечивании движущегося с известной скоростью твэла коллимированными потоками гамма-излучения и рентгеновского излучения и на измерениях скорости счета импульсов блоком детектирования гамма-излучения и рентгеновского излучения, пропорциональной плотности потока гамма-излучения, проходящего через контролируемый объект - твэл, объединении результатов измерения в координатах контроля.

Датчик гамма-фона измеряет собственное ионизирующее излучение твэла - фоновое гамма-излучение, которое впоследствии вычитается из показаний основных датчиков гамма-излучения, что позволяет повысить точность измерения.

Рамка рентгеновского излучения с коллиматором специальной формы и приемная матрица расположены напротив друг друга, при этом между ними проходит твэл. Рентгенотелевизионный метод основан на просвечивании твэла коллимированным потоком рентгеновского излучения и на измерениях скорости счета импульсов блоком детектирования рентгеновского излучения, пропорциональной плотности потока рентгеновского излучения, проходящего через контролируемый объект.

Включение в состав установки контроля наличия комплектующих и сплошности топливного столба в твэле рентгенотелевизионного оборудования для контроля сколов топливных таблеток и сравнения с результатами контроля гамма - спектрометрическим оборудованием служит для комплексирования результатов гамма- и рентгеновского контроля твэлов по однотипным параметрам.

Предложенный способ при помощи указанной установки может быть реализован следующим образом.

Выполняют предварительную калибровку установки при помощи контрольного образца твэла с моделями топливных таблеток с нормированными размерами, которые выполняют из вольфрама, и моделями нормированных зазоров, которые выполняют из калиброванной алюминиевой фольги разной толщины. При калибровке определяют интенсивность потока гамма-квантов и мощность R-излучения в зоне таблеток, зазоров и комплектующих твэлов, как минимум, пружины, втулки стальной, поддержки и пробки пористой.

При контроле твэл подают в установку с известной скоростью с однозначным определением текущих координат в первом сечении «А», втором «В» и третьем «С». Измеряют и регистрируют значение фона в координатах твэла, регистрируют значение потока гамма-излучения по каждому датчику во втором сечении «В» с привязкой к координатам твэла, регистрируют значение мощности рентгеновского излучения в сечении «С» с привязкой к координатам твэла.

Полученную информацию обрабатывают следующим образом:

- определяют среднее значение скорости отсчета по трем датчикам во втором сечении «В» по всей длине твэла;

- из среднего значения скорости отсчета вычитается значение фона в первом сечении «А» по длине твэла;

- значение мощности рентгеновского излучения (сечение «С») объединяют со скоростью счета с учетом фона с применением весовых коэффициентов соответствующей размерности.

По полученным значениям плотности потока гамма-излучения с учетом результатов калибровки определяют:

- начало и конец топливного столба в координатах твэла;

- величина единичных зазоров;

- величина суммарного зазора;

- наличие комплектующих в твэле.

При контроле твэлов с навивкой выполняют вращение твэла вокруг продольной оси с целью механического компенсирования ослабляющего фактора проволоки во втором сечении «В». Скорость вращения выбирают экспериментально при калибровке с использование контрольного образца твэла с навивкой.

При контроле сколов таблеток во втором сечении «В» определяют разность фона гамма-излучения между показаниями датчиков, при этом выполняют медленный поворот твэла при отсутствии его движения по оси подачи до максимизации разности.

Для калибровки используют контрольный образец твэла с нормированными «сколами» краев топливных таблеток.

Использование предложенного технического решения позволит повысить точность измерений в условиях высокофонового топлива и твэлов с навивкой, а также расширить функциональные возможности в части контроля сколов топливных таблеток.

Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки на изобретение

1. Патент РФ №2648680 G21C 21/02, опубл. 28.03.2018 г.

2. Патент РФ №2636931 G21C 21/02, G21C 3/00, опубл. 29.11.2017 г.

3. Патент РФ №2603358 G21C 3/28, G21C 21/02, опубл. 27.11.2016 г.

4. Патент РФ №2603020 G21C 21/02, С23С 16/32, опубл. 20.11.2016 г.

5. Патент РФ №2588609 G21C 21/02, G21C 3/02, опубл. 10.07.2016 г.

6. Патент РФ №2576659 G21C 21/02, опубл. 10.03.2016 г.

7. Патент РФ №2539352 G21C 21/02, опубл. 20.01.2015 г.

8. Патент РФ №2528952 G21C 21/02, опубл. 20.09.2014 г.

9. Патент РФ №2513036 G21C 21/02, опубл. 20.04.2014 г.

10. Патент РФ №2507616 G21C 21/02, опубл. 20.02.2014 г.

11. Патент РФ №2504032 G21C 21/02, C01G 43/025, опубл. 10.01.2014 г.

12. Патент РФ №2448379 G21C 21/02, опубл. 20.04.2012 г.

13. Патент РФ №2436178 G21C 21/02, опубл. 10.12.2011 г.

Группа изобретений относится к области атомной промышленности. Устройство контроля наличия комплектующих и сплошности топливного столба в твэле дополнительно содержит датчик гамма-фона топливного столба, третий источник гамма-излучения с коллиматором, третий датчик гамма-излучения с устройством обработки счетных импульсов, рентгеновскую трубку непрерывного излучения с коллиматором, приемную матрицу рентгеновского излучения, привод вращения твэла с датчиком углового положения. Датчик гамма-фона топливного столба установлен первым по ходу перемещения твэла, третий датчик гамма-излучения и третий источник гамма-излучения с коллиматором установлены с двумя существующими в одной плоскости под углом 120° по отношению друг к другу. Датчик гамма-излучения и источник гамма-излучения, рентгеновская трубка с коллиматором и приемная матрица рентгеновского излучения установлены диаметрально противоположно напротив друг друга, и последними по ходу перемещения твэла, образуя единый блок динамического радио-рентгенографического контроля. Механизм поворота и вращения твэла с датчиком положения встроен в центрирующее устройство установки. Технический результат – повышение точности измерений в условиях высокофонового топлива и твэлов с навивкой, расширение функциональных возможностей в части контроля сколов топливных таблеток. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматического контроля наличия комплектующих в твэле и сплошности его топливного столба в устройстве для контроля наличия комплектующих и сплошности топливного столба, заключающийся в измерении и регистрации фонового излучения движущегося твэла в координатах твэла, просвечивании твэла коллимированными потоками гамма- и рентгеновского излучений, измерениях скорости счета гамма- и рентгеновского излучений для каждой координаты твэла, отличающийся тем, что предварительно устройство калибруют при помощи контрольного образца твэла с моделями топливных таблеток, которые выполняют из вольфрама, с нормированными размерами и сколами, и моделями нормированных зазоров, которые выполняют из калиброванной алюминиевой фольги разной толщины, при этом определяют и фиксируют интенсивность потока гамма-квантов и мощность рентгеновского излучения в зоне таблеток, зазоров и комплектующих твэлов, как минимум, пружины, втулки стальной, поддержки и пробки пористой, после чего контролируемый твэл подают в установку с известной заданной линейной скоростью с однозначным определением текущих координат в трех сечениях, первом, втором и третьем, в которых последовательно измеряют и регистрируют значение фона в координатах твэла, значение потока гамма-излучения по каждому датчику с привязкой к координатам твэла и значение мощности рентгеновского излучения с привязкой к координатам твэла, затем на основании полученных данных определяют среднее значение скорости отсчета по трем датчикам во втором сечении по всей длине твэла, из среднего значения скорости отсчета вычитают значение фона, которое предварительно определяют в первом сечении, по длине твэла, значение мощности рентгеновского излучения в третьем сечении объединяют со скоростью счета с учетом фона с применением весовых коэффициентов соответствующей размерности, после чего по полученным значениям плотности потока гамма-излучения с учетом результатов калибровки определяют необходимые параметры твэла.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при контроле твэлов с навивкой проволокой выполняют вращение твэла вокруг продольной оси с целью механического компенсирования ослабляющего фактора проволоки во втором сечении, причем скорость вращения выбирают экспериментально при калибровке с использование контрольного образца твэла с навивкой.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при контроле сколов таблеток во втором сечении определяют разность фона гамма-излучения между показаниями датчиков, при этом выполняют вращение твэла вокруг его продольной оси без линейного перемещения.

4. Устройство контроля наличия комплектующих и сплошности топливного столба в тепловыделяющем элементе, содержащее механизм перемещения и контроля скорости перемещения твэла, два источника гамма-излучения с коллиматорами, два датчика гамма-излучения с устройствами обработки отсчетных импульсов, центрирующие устройства, устройство управления и обработки информации, отличающееся тем, что в него дополнительно установлены датчик гамма-фона топливного столба, третий источник гамма-излучения с коллиматором, третий датчик гамма-излучения с устройством обработки счетных импульсов, рентгеновская трубка непрерывного излучения с коллиматором, приемная матрица рентгеновского излучения, привод вращения твэла с датчиком углового положения, при этом датчик гамма-фона топливного столба установлен первым по ходу перемещения твэла, третий датчик гамма-излучения и третий источник гамма-излучения с коллиматором установлены с двумя существующими в одной плоскости под углом 120° по отношению друг к другу, причем датчик гамма-излучения и источник гамма-излучения, рентгеновская трубка с коллиматором и приемная матрица рентгеновского излучения установлены диаметрально противоположно напротив друг друга, и последними по ходу перемещения твэла, образуя единый блок динамического радио-рентгенографического контроля, при этом механизм поворота и вращения твэла с датчиком положения встроен в центрирующее устройство установки.