Способ определения контактного термического сопротивления между тепловыделяющим сердечником и оболочкой твэла ядерного реактора Советский патент 1992 года по МПК G21C17/00 

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к способам неразрушающего контроля, и предназначено для контроля теплового состояния тепловыделяющих (поглощающих) элементов в активной зоне ядерного реактора.

Активная зона ядерного реактора состоит из множества тепловыделяющих элементов, содержащих ядерное топливо (твэлов),

поглощающих элементов (пэлов), содержащих выгорающие поглотители нейтронов, и элементов конструкций активной зоны. В большинстве энергетических ядерных реакторов используются стержневые твэлы, состоящие из топлива, заключенного в трубчатую защитную оболочку, заглушенную с торцов и предназначенную для предотвращения попадания продуктов деления

топлива в теплоноситель. Целостность оболочек твэлов должна сохраняться на всех режимах работы реактора, включая аварийный, например, при авариях с потерей теплоносителя.

Необходимым условием сохранения целостности оболочек на штатных режимах работы реактора является отсутствие механического взаимодействия между тепловыделяющим сердечником твэла (пэла) и защитной оболочкой. Предотвращение механического взаимодействия достигается за счет наличия зазора между ними, что ведет в появлению термического сопротивления процессу передачи тепла от сердечника к оболочке и увеличению температуры сердечника.

Из-за внутренних процессов, происходящих в ядерном горючем, величина зазора изменяется от некоторого началь- ного значения в новых, неподвергавшихся облучению твэлах,до практически нулевого в твэлах, отработавших в реакторе некоторое время. Последнее позволяет при математическом описании процесса распространения тепла использовать понятие контактного термического сопротивления (КТС).

Величина контактного термического сопротивления в любой момент времени при эксплуатации реактора должна находиться в пределах, обеспечивающих сохранение целостности оболочки при наступлении аварийного режима, связанного с потерей теплоносителя.

Вследствие зависимости величины контактного термического сопротивления между топливом и оболочкой от множества факторов, в том числе и от всей предыстории облучения твэла, невозможно осущест- влять прогноз его величины на последующие моменты времени без непосредственного определения контактного термического сопротивления.

В настоящее время известны различ- ные способы определения величины контактного термического сопротивления, например:

способ расчета величины контактного термического сопротивления по какой-либо модели теплопроводности в зазоре между топливом и оболочкой при известной величине зазора, определенной по способу, основным недостатком которого является то, что величина зазора между топливом и обо- лочкой, изменяющаяся под действием процессов, протекающих в твэле, не может быть измерена непосредственно в ходе работы реактора, кроме того, существующие

модели не учитывают точно процесс переноса тепла от топлива к оболочке;

способ определения контактного термического сопротивления, основанный на моделировании теплового и механического состояния твэлов в специально созданных установках с измерением реализующегося при этом поля температур, данный способ позволяет правильно оценить величину контактного термического сопротивления между тепловыделяющим сердечником и оболочкой твэлов, но только не в процессе эксплуатации реактора, а вне активной зоны и при условии обязательной деструкции твэлов;

способ контроля термического сопротивления твэлов, основанный на измерении расхода теплоносителя через тепловыделяющую сборку (ТВ С), его температуры на входе и выходе из нее с непрерывным измерением флуктуации энерговыделения в ТВС и последующим согласованием с помощью тепловой модели расчетных и измеренных значений температуры на выходе из ТВС. Данный способ позволяет определять в процессе работы реактора осредненное по тепловыделяющей сборке интегральное (между центром сердечника.и теплоносителем) термическое сопротивление твэлов. Однако для управления реактором необходимо знать значения контактного термического сопротивления между топливом и оболочкой отдельных твэлов, работающих в экстремальных условиях, которые могут значительно отличаться от средней по ТВС величины. Кроме того, указанный способ обладает существенной инерционностью вследствие большой теплоемкости ТВС и теплоносителя.

Известны способы определения контактного термического сопротивления на стационарных тепловых режимах, когда в тепловыделяющий сердечник и оболочку устанавливаются термодатчики. Эти способы заключаются в аппроксимации поля температуры твэла по конечному числу измерений, определении с помощью полученной аппроксимации разницы температуры между внешней поверхностью тепловыделяющего сердечника и внутренней поверхностью оболочки (AT) и последующем расчете контактного термического сопротивления (R) из соотношения

qrR AT,

где qf-тепловой поток на внешней поверхности топлива.

При этом значение R определяется в отрыве от собственно тепловой модели твэла, что является существенным недостатком

данных способов. Кроме того, для получения информации о контактном термическом сопротивлении во всем диапазоне тепловых нагрузок они требуют целенаправленного воздействия на режим работы реактора в течение длительного времени (не менее 500 ч), что исключает возможность определения контактного термического сопротивления в реальных условиях функционирования реактора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения контактного термического сопротивления по результатам измерений температуры тепловыделяющего сердечника и оболочки на стационарных режимах, однако лишь в том случае, если выбор модели, характеристикой которой является контактное термическое сопротивление, проводится на.основе сравнения расчетных и измеренных значений температур в центре сердечника, реализующихся на нестационарном тепловом режиме, вызванном ступенчатым уменьшением мощности энерговыделения.

К недостаткам данного способа относятся ограниченность режимов, пригодных для определения контактного термического сопротивления, областью стационарных режимов; необходимость реализации специального режима уменьшения мощности для выбора модели переноса в зазоре; необходимость проведения нескольких температурных измерений в твэле с обязательной установкой термодатчика на оболочку твэ- ла, что ведет к уменьшению надежности по- следней; несоответствие значений контактного термического сопротивления, определенных по стационарному способу, значениям, реализующимся на нестационарных режимах.

Целью изобретения является повышение точности определения величины контактного термического сопротивления между тепловыделяющим сердечником и оболочкой при уменьшении числа термодатчиков, устанавливаемых в твэле, и повышении достоверности получаемых результатов.

Поставленная цель достигается тем, что предварительно, по крайней мере для одного нестационарного теплового режима работы реактора по предполагаемым законам изменения расхода и температуры теплоносителя, мгновенного значения энерговыделения, а также имеющейся априорной информации о величине контактного термического сопротивления с помощью тепловой модели твэла определяют чувствительность температуры сердечника и оболочки твэла к изменению

контактного термического сопротивления в выбранном поперечном сечении твэла, сравнивают между собой рассчитанные значения и определяют расположение зон максимальной чувствительности. Среди этих зон выделяют области, общие для рассматриваемых нестационарных тепловых режимов, внутри которых устанавливают термодатчики. С их помощью в ходе работы

реактора непрерывно проводят измерение температуры твэлов, а с помощью датчиков, установленных вне твэлов, - измерение расхода и температуры теплоносителя, значения мгновенного энерговыделения в твэле.

Используя эти измерения, определяют значение контактного термического сопротивления в следующей последовательности:

а)задается начальное значение контактного термического сопротивления R , принадлежащее области возможных значений искомой величины;

б)по принятому значению контактного термического сопротивления и измеренным значениям расхода и температуры теплоносителя, а также значению мгновенного энерговыделения.с помощью тепловой модели твэла рассчитывают значение температуры в местах установки термодатчиков;

в)используя измеренные значения тем- пературы твэла по соотношению

)R(S

-,)lS,f (-(i -V( K)(- -)

где R , R -значения контактного термического сопротивления на итерациях S и S-1 соответственно;

N - число установленных в поперечном сечении твэла термодатчиков;

Xi, fj( т) - координата установки.и измеренные значения показаний i-ro термодатчика:

T(S)(Xi, -с, R( г/ s ) (Xj, z) в T(s)(Xi, т, № 0 / 3R значения температуры и чувствительности в месте установки i-ro термодатчика, рассчитанные по тепловой модели твэла, уточняют значение контактного термического сопротивления,причем на каж

дой итерации определяют интегральную величину рассогласования между измеренными и рассчитанными значениями температуры Т( , которую сравнивают с величиной рассогласования на предыдущей итерации и с интегральной погрешностью измерений Jf; при выполнении условия I J(S)-J() | Јили |J(S) ,, где Ј - заданная точность, итерации заканчиваются, а в качестве искомой величины контактного термического сопротивления

принимают значение его на последней итерации R R(s};

г) по рассчитанным и измеренным значениям температуры твэла определяют интегральную величину рассогласования,, имеющую, например, в пространстве функций, суммируемых с квадратом, вид

j(S)

(0(- .«( У«№

д) при выполнении условий l Е или I I Jf, где е - заданная точность; Jf - интегральная погрешность измерений, рассчитанное значение контактного термического сопротивления принимается за истинное значение, в противном случае проводится дальнейшее итеративное уточнение искомой величины, начиная с пункта б) данной последовательности действий.

Приведенный выше способ позволяет определять величину контактного термического сопротивления как постоянную величину для некоторого нестационарного режима (за который может приниматься его любая часть) или произвольного объединения нескольких режимов. В случае, если контактное термическое сопротивление определяется как функция некоторой физической величины (комплекса величин), например, времени или линейной тепловой нагрузки, его величина определяется по соотношению

R(z) § (Z),

k 1

где (f. (z), К 1, m - система произвольно заданных базисных функций, зависящих от физической величины, выступающей в качестве аргумента;

{RK}im - вектор констант, итеративно уточняемых по формуле

RK(S) RK(S T)+ Дк(5),

где {Arsfyim - вектор приращений к определяемым константам, расчитываемый с помощью тепловой модели на основе величины рассогласования расчетных и измеренных значений температуры твэла.

На фиг. 1 приведены зависимости изменения внутреннего тепловыделения втвэле, реализующиеся в процессе работы реактора, по времени.

На фиг. 2 иллюстрируется характер изменения интегральной оценки чувствительности температуры твэла М к изменению величины контактного термического сопротивления R по поперечному сечению твэла: 1 - R 0,125-10 3 м К/Вт;

2 - R 0,2- 1СГ3 м2. К/Вт; 3 - R 0,3 м2, хК/Вт.

На фиг. 3 представлена зависимость величины относительной погрешности определе- ния контактного термического сопротивления, рассчитанная по результатам математического моделирования, при различных положениях термодатчика и варьировании относительной погрешности определения координаты тер- 0 модатчика Лп и величины контактного термического сопротивления R: 4 - Дп 0; 5 - Л„ 0,03; 6 -Am 0,05; 7 - R - 0,125х

0,2- К/Вт;

К/Вт; 8-R 9-R 0,3-10 3M2К/Вт.

5 На фиг. 4 показано изменение относительного критерия качества плана измерений ip в зависимости от координаты расположения термодатчика при различном числе параметров аппроксимации т:

0 Ю-т 3; 11-т 4; 12-т 5.

На фиг. 5 представлена зависимость контактного термического сопротивления между топливом и оболочкой твэла реактора ВВЭР-440с исходным зазором 0,15 мм, за5 полненного гелием под давлением 0,1 МПа, от линейной тепловой нагрузки: 13 - кривая, полученная по предлагаемому способу; 14- кривая, полученная по способу-прототипу с использованием той же экспериментальной

0 информации.

На фиг. 6 представлена зависимость контактного термического сопротивления между топливом и оболочкой твэла реактора ВВЭР-440 с исходным зазором 0,20 мм, за-.

5 полненного гелием под давлением 0,1 МПа,

от линейной тепловой нагрузки: 15- кривая,

полученная по предлагаемому способу; 16кривая, полученная по известному способу.

На фиг. 7 представлена зависимость

0 температуры твэла от линейной тепловой нагрузки: 17 - прямые измерения; 18 - значения, рассчитанные по значениям, определенным по предлагаемому способу (кривая 13 на фиг. 5); 19 - значения, определенные

5 по способу-прототипу (кривая 14 на фиг. 5). В качестве примера осуществления предлагаемого способа можно привести результаты определения величины контактного термического сопротивления для твэла

0 газоохлаждаемого бридера, имеющего тепловыделяющий сердечник из диоксида урана с центральным отверстием диаметром 1,8 мм и наружным диаметром 5,95 мм и стальную оболочку толщиной 0,475 мм. При

5 проведении анализа чувствительности температуры твэла к изменению величины контактного термического сопротивления считалось, что коэффициент теплообмена на внешней поверхности твэла (расход охладителя) и температура охладителя поддерживаются постоянными в ходе работы реактора,-а нестационарность теплового режима достигается за счет изменения значения энерговыделения. При этом типичными являются законы изменения qv( т), представленные на фиг. 1. Результаты анализа чувствительности для данного закона изменения qv представлены на фиг. 2, где

N rm

М 2 JV(X| ,r)dr/N - интегральная

i 10

оценка чувствительности.

Из анализа фиг. 2 и аналогичных результатов для других законов изменения qv следует, что при заданных условиях для определения величины контактного термического сопротивления между топливом и оболочкой достаточно установить один термодатчик, расположив его в тепловыделяющем сердечнике. С технологической точки зрения наиболее удобным является его установка на внутренней поверхности сердечника, что в данном случае совпадает с результатами, представленными на фиг. 2, когда контактное термическое сопротивление определяется как постоянная величина для некоторого нестационарного режима.

Как показали результаты математиче- . ского моделирования (фиг. 3), проведенного с целью оценки величины погрешности определения контактного термического сопротивления ( е- | R-RT04H | /RT04H) при различных положениях термодатчика, а также различных восстанавливаемых значениях RT04H и величинах максимальной относительной погрешности измерений (5т, величина Ј при заданных условиях не зависит от расположения термодатчика внутри сердечника. Анализ чувствительности, проведенный при большем значении числа термодатчиков, показывает, что в данном случае увеличение их числа не ведет к увеличению информативности измерений.

В.случае определения контактного термического сопротивления как функции температуры поверхности тепловыделяющего сердечника максимум интегральной чувствительности по мере роста числа параметров аппроксимации m смещается в сторону поверхности контакта, как показано на фиг. 1, где гр у/1рмакс; - текущее значение критерия качества плана измерений; акс - максимальное значение критерия.

Представленные выше результаты определения чувствительности температуры к изменению контактного термического сопротивления иллюстрируют самый неблагоприятный случай для определения контактного термического сопротивления,

т.к. они получены для самого энергонапряженного типа твэлов с максимальными значениями градиентов температуры в тепловыделяющем сердечнике. Все результаты получены с учетом радиальной неравномерности энерговыделения в твэлах, обусловленной депрессией нейтронного потока.

Заявляемый способ был опробован для

0 твэлов реактора ВВЭР-440 на реакторе МР. В соответствии с полученными результатами анализа чувствительности в центральном отверстии тепловыделяющего сердечника устанавливался термодатчик. В

5 ходе работы реактора регистрировались его показания и другие необходимые величины, контактное термическое сопротивление определялось как величина, постоянная для обрабатываемого фрагмента нестационар0 ного процесса со средней линейной тепловой нагрузкой qi. Результаты, полученные для твэлов, заполненных гелием под давлением 0,1 МПа, с исходным зазором 0,15 и 0,2 мм, представлены в виде зависимости от

5 линейной тепловой нагрузки на фиг. 5 и 6 соответственно. Измерения проводились в процессе повторного вывода реактора на мощность (первый продолжался 48 ч с момента пуска реактора со свежим топливом

0 до срабатывания аварийной защиты). Вывод реактора проводился в соответствии с действующим регламентом (ступенчатый подъем мощности). Кривые 13 и 15 на фиг. 5 и 6 получены по предлагаемому способу,

5 кривая 14 по способу-прототипу с использованием той же экспериментальной информации (стационарных участков), кривая 16 - по известному способу. Приведенное на фиг. 7 сравнение рассчитанных

0 значений температуры твэла (в местах установки термодатчиков) с экспериментально измеренными свидетельствует, что значения конкретного термического сопротивелния, определенные по способу-прототипу, не

5 обеспечивают удовлетворительного соответствия между ними. Для получения более достоверных данных по способу-прототипу на данном режиме необходима длительная выдержка на каждой ступени с термостатиро0 ванием твэла, что просто невозможно из-за отравления реактора.

На фиг. 6 кривая 1 соответствует контактному термическому сопротивлению, определенному по предлагаемому способу, а

5 кривая 2 - по известному способу, который наиболее часто используется для обоснования режимов работы реакторов АЭС. В данном случае известный способ завышает в 2 раза величину линейной тепловой нагрузки, при которой начинается механическое взаимодействие между топливом и оболочкой, что при использовании этого способа для обоснования режимов работы реактора ведет, с одной стороны, к увеличению времени вывода АЭС на мощность, а с другой, увеличивает вероятность повреждения твэлов при работе в базовом режиме.

Существенным преимуществом данного способа является то, что контактное термическое сопротивление между топливом и оболочкой определяется по результатам нестационарных измерений, проводимых непосредственно в ходе работы реактора без целенаправленного воздействия на его режим работы. Это позволяет определять контактное термическое сопротивление между топливом и оболочкой твэлов в истинных натурных условиях, что особенно важно, поскольку твэл является технически сложной системой, свойства которой зависят от истории облучения, являющейся уникальной для каждого конкретного случая. Вследствие этого распространение результатов о величине контактного термического сопротивле- ния между топливом и оболочкой, полученных при целенаправленном воздействии на режим работы реактора (либо спе- циального технического устройства, моделирующего твэл), на истинные натурные условия, имеющие место при эксплуатации реактора, некорректно. Величина же контактного термического сопротивления является одним из критериев безопасности реактора.

„ Предлагаемый способ, в отличие от известных, позволяет определять значение контактного термического сопротивления для произвольного нестационарного режима, его фрагмента или объединения нескольких нестационарных режимов; обеспечивает возможность определения контактного термического сопротивления по минимально возможному числу термодатчиков, устанавливаемых на твэле (в неко- торых случаях достаточно одного термодатчика); нет необходимости в осуществлении специального режима изменения мощности реактора, т.к. информативность измерений обеспечивается за счет выбора положения термодатчиков при оптимальном планировании схемы измерений. Формула изобретения 1. Способ определения контактного термического сопротивления между тепловыделяющим сердечником и оболочкой твэ- ла ядерного реактора, заключающийся в измерении расхода и температуры теплоносителя, температуры твэла в местах установки термодатчиков, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения контактного термического сопротивления, уменьшения числа термодатчиков, устанавливаемых в твэле, и повышения достоверности получаемых результатов,

предварительно по крайней мере для одного нестационарного теплового режима работы реактора по предполагаемым законам изменения расхода и температуры теплоносителя, мгновенного значения

энерговыделения, а также имеющейся априорной информации о величине контактного термического сопротивления с помощью тепловой модели твэла определяют чувствительность температуры серденника и оболочки твэла к изменению контактного термического сопротивления в выбранном поперечном сечении твэла, сравнивают рассчитанные значения и определяют расположение зон максимальной

чувствительности, среди этих зон выделяют области, общие для рассматриваемых нестационарных тепловых режимов, внутри которых устанавливают термодатчики, а при работе реактора одновременно с измерением расхода и температуры теплоносителя, температуры твэлов в местах установки термодатчиков измеряют мгновенное значение энерговыделения в твэле, причем датчик мгновенного энерговыделения располагают

вне твэла, после чего для каждого режима или произвольного их объединения, или фрагмента любого режима определяют значение контактного термического сопротивления, для чего вначале задаютап опорное значение

контактного термического сопротивления, по которому и измеренным значениям расхода и температуры теплоносителя и мгно- венного энерговыделения с помощью тепловой модели твэла определяют значение температуры в местах установки термодатчика, затем проводят итерационное уточнение величины контактного термического сопротивления по соотношению

„(.),(.-.) ДУ УУ н КУ -)

)

где Fv , FT -значения контактного термического сопротивления на итерациях S и S-1 соответственно;

N - число установленных в поперечном сечении твэла термодатчиков;

Xi, fi( т) - координата установки и измеренные значения показаний i-ro термодат- чика;

T(s)(Xi, r, R((s)(Xi,r) dT(s)(Xi, т, R S 10/d R значения температуры и чувствительности в месте установки i-ro термодатчика, рассчитанные по тепловой модели

твэла, причем на каждой итерации определяют интегральную величину рассогласования между измеренными и рассчитанными значениями температуры которую сравнивают с величиной рассогласования на предыдущей итерации и с интегральной погрешностью измерений Jf при выполнении

yCflTj SWS-1 l H|J s UJf, где е-заданная точность, итерации заканчиваются, а в качестве искомой величины контактного термического сопротивления принимают значение его на последней итерации R Frsl

2. Способ по п. 1,отличаю щи и с я тем, что контактное термическое сопротивление определяют как функцию по крайней мере одной величины по формуле

R(z)- S RK.PK(Z),

К 1

где K(Z), К 1 m - система произвольно заданных базисных функций, зависящих от

физической величины, выступающей в качестве аргумента;

{RK}im - вектор констант, итеративно уточняемых по формуле

RK(s) RK() + AK(S),

где { Дг J}im - вектор приращений к определяемым константам, рассчитываемый с помощью тепловой модели на основе величины рассогласования расчетных и измеренных значений температуры твэла в местах установки термодатчиков.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что в качестве физических величин, выступающих в роли аргумента, выбирают

время и/или линейную тепловую нагрузку, и/или температуру внешней поверхности тепловыделяющего сердечника, и/или среднюю температуру тепловыделяющего сердечника, и/или тепловой поток на внешней поверхности тепловыделяющего сердечника, и/или тепловой поток на внешней или внутренней поверхности оболочки, и/или иную интегральную или локальную характеристику теплового состояния твэла.

-7

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля. Цель - повышение точности определения и достоверности результатов, уменьшение числа термодатчиков в твэле. Предварительно вычисляют по крайней мере для одного нестационарного теплового режима значение энерговыделения и определяют с помощью тепловой модели чувствительность температуры сердечника и оболочки к изменению контактного термического сопротивления. Сравнивают между собой полученные значения и определяют расположение зон максимальной чувствительности, в которых устанавливают термодатчики. При работе реактора производят измерение значения энерговыделения, расхода и температуры теплоносителя и осуществляют уточнение значения искомой величины по расчетной зависимости. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.v (Л С vi ю СА) сл 00 сл

0.5

i i

75

М(,.-мм

Фиг.5

ibo1 ib гЬо1 zb sbo зЬ

ql Bhi/сн

Фиг. b

..wo

sb ibo iko1 гЬо гЬ зЬо

o1 гЬо гЬ зЬо

ql Bhi/си

3 О