RU2378630C2

RU2378630C2 - Method of gas pressure control in fuel element of nuclear reactor

Info

Publication number: RU2378630C2
Application number: RU2008104281/06A
Authority: RU
Inventors: Борис Романович Коротков (RU); Борис Романович Коротков; Александр Петрович Митянин (RU); Александр Петрович Митянин; Александр Юрьевич Половых (RU); Александр Юрьевич Половых; Сергей Борисович Чащин (RU); Сергей Борисович Чащин; Юрий Александрович Жуков (RU); Юрий Александрович Жуков; Юрий Кимович Карлов (RU); Юрий Кимович Карлов; Игорь Геннадьевич Чапаев (RU); Игорь Геннадьевич Чапаев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов"
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2010-01-10
Also published as: RU2008104281A

Abstract

FIELD: measurement equipment. ^ SUBSTANCE: invention refers to gas pressure measuring methods and is intended for NDT check of gas pressure in fuel elements of nuclear reactor during their mass manufacturing. Proposed gas pressure control method consists in the fact that controlled heat flow is supplied to shell of fuel element. This flow transfers heat energy via gas being inside the shell under pressure to periphery of fuel element. Then there measured is speed of linear thermal expansion of fuel element heated with heat flow lengthwise and gas pressure is determined as per measured speed. ^ EFFECT: improving accuracy of gas pressure control in fuel element of nuclear reactor. ^ 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение касается измерения давления газа в тепловыделяющем элементе и может быть использовано при контроле давления газа в процессе массового изготовления тепловыделяющих элементов ядерного реактора.The invention relates to the measurement of gas pressure in a fuel element and can be used to control gas pressure in the mass production of fuel elements of a nuclear reactor.

Известен способ определения давления газа в герметичных тонкостенных изделиях, заключающийся в том, что к внешней поверхности оболочки тепловыделяющего элемента прикладывают тепловой импульс и измеряют ее температуру на расстоянии от точки приложения импульса, при этом для уменьшения погрешности измерения измерение температуры осуществляют в двух точках, равноудаленных от точки приложения теплового импульса и находящихся на прямолинейном участке оболочки. При этом точки измерения и точка приложения импульса расположены на одной вертикальной прямой, а давление определяют по максимальному значению разности измеренных температур (см. a.c. SU №1306295).There is a method of determining gas pressure in sealed thin-walled products, namely, that a heat pulse is applied to the outer surface of the shell of the fuel element and its temperature is measured at a distance from the point of application of the pulse, while to reduce the measurement error, the temperature is measured at two points equidistant from points of application of a heat pulse and located on a rectilinear portion of the shell. In this case, the measuring points and the point of application of the pulse are located on the same vertical line, and the pressure is determined by the maximum value of the difference in the measured temperatures (see a.c. SU No. 1306295).

Недостатком данного способа является то, что технически очень трудно обеспечить стабильное нагревание оболочки накладными нагревателями вследствие большой зависимости выделяемой нагревателем в оболочке мощности от величины зазора между индуктором и оболочкой. Это не позволяет на практике достичь высокой точности контроля давления газа. Кроме того, вертикальное позиционирование тепловыделяющего элемента в технологическом процессе сопряжено с лишними операциями кантования, требующими дополнительного оборудования и снижающими производительность.The disadvantage of this method is that it is technically very difficult to ensure stable heating of the shell by overhead heaters due to the large dependence of the power released by the heater in the shell on the size of the gap between the inductor and the shell. This does not allow in practice to achieve high accuracy of gas pressure control. In addition, the vertical positioning of the fuel element in the process is associated with unnecessary tilting operations that require additional equipment and reduce productivity.

Наиболее близким к заявляемому является способ контроля давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора (см. патент RU №2109259) - прототип, сущность которого заключается в контроле давления газа измерением температуры нагревания оболочки в течение процесса естественной конвекции заполняющего тепловыделяющий элемент газа, вызываемой импульсным нагреванием участка оболочки тепловыделяющего элемента. Отличительной чертой способа является одновременное измерение приращения температуры нагревания оболочки, соответствующее конвективной составляющей теплопередачи, являющейся функцией давления газа, и температуры нагревания оболочки, причем оба измерения осуществляют одними и теми же накладными датчиками температуры.Closest to the claimed is a method of monitoring gas pressure in a fuel element of a nuclear reactor (see patent RU No. 2109259) - a prototype, the essence of which is to control gas pressure by measuring the heating temperature of the shell during the process of natural convection filling the fuel element of the gas caused by pulsed heating of the site the shell of the fuel element. A distinctive feature of the method is the simultaneous measurement of the increment of the heating temperature of the shell, corresponding to the convective component of the heat transfer, which is a function of gas pressure, and the heating temperature of the shell, both measurements being carried out by the same overhead temperature sensors.

Недостатками данного способа являются:The disadvantages of this method are:

- низкая тепловая мощность конвекции газа вследствие горизонтального расположения тепловыделяющего элемента;- low thermal power of gas convection due to the horizontal location of the fuel element;

- импульсный нагрев оболочки, не обеспечивающий высокой энергии выходного сигнала, поскольку температура нагрева ограничена пределом структурного изменения в материале оболочки и требованием отсутствия возможности термомеханических повреждений;- pulse heating of the shell, which does not provide high energy of the output signal, since the heating temperature is limited by the limit of structural changes in the shell material and the requirement that thermomechanical damage is not possible;

- невозможность обеспечения надежного теплового контакта вследствие использования накладных датчиков температуры, что при изменении теплового контакта одного из датчиков приводит к искажению выходного сигнала по конвективной составляющей.- the inability to ensure reliable thermal contact due to the use of surface temperature sensors, which, when the thermal contact of one of the sensors changes, leads to a distortion of the output signal by the convective component.

Технической задачей изобретения является повышение точности контроля давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора.An object of the invention is to increase the accuracy of monitoring the gas pressure in the fuel element of a nuclear reactor.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, заключающемся в том, что к оболочке тепловыделяющего элемента подводят контролируемый тепловой поток, передающий по газу, находящемуся внутри оболочки под давлением, тепловую энергию на периферию тепловыделяющего элемента согласно изобретению, измеряют скорость линейного теплового расширения тепловыделяющего элемента, нагреваемого тепловым потоком, в длину, и по скорости линейного теплового расширения тепловыделяющего элемента в длину определяют давление газа.The problem is solved in that in the method of controlling the gas pressure in the fuel element of a nuclear reactor, which consists in the fact that a controlled heat flow is supplied to the shell of the fuel element, which transfers thermal energy through the gas inside the shell to the periphery of the fuel element according to the invention, measure the speed of linear thermal expansion of the fuel element heated by the heat flux, in length, and the rate of linear thermal expansion of the fuel th element in a length determined gas pressure.

Таким образом, скорость линейного теплового расширения тепловыделяющего элемента в длину является функцией от мощности подводимого теплового потока, мощности теплового потока, передаваемого газом, зависящей от давления, мощности теплового потока, передаваемого по оболочке, мощности теплового потока, передаваемой от периферии тепловыделяющего элемента в окружающую среду.Thus, the linear thermal expansion rate of the fuel element in length is a function of the power of the supplied heat flux, the power of the heat flux transmitted by the gas, depending on the pressure, the power of the heat flux transmitted through the shell, the power of the heat flux transmitted from the periphery of the fuel element to the environment .

Кроме того, стабильность температуры подводимого к оболочке тепловыделяющего элемента теплового потока в процессе контроля значительно снижает погрешность измерения давления от изменения толщины оболочки тепловыделяющего элемента, так как мощность теплового потока, передаваемого по оболочке на периферию тепловыделяющего элемента, изменяется пропорционально толщине оболочки. Независимость результата контроля давления газа от наличия пружинного фиксатора в зоне контроля обеспечивается тем, что теплоемкость фиксатора постоянна и может быть учтена коэффициентом, определенным эмпирически.In addition, the temperature stability of the heat flux supplied to the shell of the heat-generating element during the control process significantly reduces the measurement error of pressure from changes in the thickness of the heat-generating element, since the power of the heat flow transmitted through the shell to the periphery of the fuel-element changes in proportion to the thickness of the shell. The independence of the gas pressure control result from the presence of a spring lock in the control zone is ensured by the fact that the heat capacity of the lock is constant and can be taken into account by a coefficient determined empirically.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на которой представлен тепловыделяющий элемент 1, устройство 2 подачи тепловыделяющего элемента 1 в зону контроля, заглушка 3 тепловыделяющего элемента 1, датчик перемещения 4, источник 5 теплового потока 6, контролируемый датчиком температуры 7, тепловой поток 8 по оболочке тепловыделяющего элемента 1 и газу под оболочкой, тепловые экраны 9, тепловой поток 10 от оболочки тепловыделяющего элемента, датчики температуры 11, 12, контролирующие тепловые потоки 8, 10, вычислитель 13.The invention is illustrated by the drawing, which shows the fuel element 1, the device 2 for supplying the fuel element 1 to the control zone, the plug 3 of the fuel element 1, the displacement sensor 4, the source 5 of the heat flux 6, controlled by the temperature sensor 7, the heat flux 8 through the shell of the fuel element 1 and gas under the shell, heat shields 9, heat flux 10 from the shell of the fuel element, temperature sensors 11, 12, controlling heat fluxes 8, 10, calculator 13.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Тепловыделяющий элемент 1 с помощью устройства 2 подачи устанавливают в зоне контроля так, что заглушка 3 тепловыделяющего элемента 1 позиционируется в датчике перемещения 4. Источник 5 теплового потока подводит тепловой поток 6, контролируемый датчиком температуры 7, к участку оболочки тепловыделяющего элемента 1 в зоне нагрева. Тепловой поток 6 передается из зоны нагрева оболочки на периферию тепловыделяющего элемента 1 тепловым потоком 8 по оболочке и по газу, находящемуся под давлением внутри оболочки. Периферийные участки тепловыделяющего элемента расположены в тепловых экранах 9, в полости которых передается тепловой поток 10 от оболочки тепловыделяющего элемента. В течение времени контроля (30-40 с) происходит линейное тепловое расширение тепловыделяющего элемента 1, и величина данного теплового расширения по длине тепловыделяющего элемента 1 измеряется датчиком перемещения 4. Сигналы датчиков температуры 7, 11, 12, и датчика линейного перемещения 4 подаются на вычислитель 13.The fuel element 1 by means of the supply device 2 is installed in the control zone so that the plug 3 of the fuel element 1 is positioned in the displacement sensor 4. The heat flux source 5 brings the heat flux 6, controlled by the temperature sensor 7, to the portion of the shell of the fuel element 1 in the heating zone. The heat flux 6 is transferred from the shell heating zone to the periphery of the fuel element 1 by the heat flux 8 through the shell and through gas under pressure inside the shell. The peripheral sections of the fuel element are located in the heat shields 9, in the cavity of which the heat flux 10 is transmitted from the shell of the fuel element. During the monitoring time (30-40 s), linear thermal expansion of the fuel element 1 occurs, and the magnitude of this thermal expansion along the length of the fuel element 1 is measured by the displacement sensor 4. The signals of the temperature sensors 7, 11, 12, and the linear displacement sensor 4 are fed to the calculator 13.

Скорость линейного теплового расширения тепловыделяющего элемента 1 в длину вычисляют по измеренной датчиком 4 величине перемещения заглушки 3 за определенное время измерения.The linear thermal expansion rate of the fuel element 1 in length is calculated from the displacement value of the plug 3 measured by the sensor 4 for a certain measurement time.

Пример осуществления способа.An example implementation of the method.

Результат измерения давления газа в тепловыделяющем элементе 1 зависит от начальной температуры оболочки тепловыделяющего элемента 1, равной температуре окружающей среды, от температуры источника 5 теплового потока и температуры стенок тепловых экранов 9, нагреваемых тепловым потоком 10, как величин, определяющих баланс тепловых потоков 6, 8 и 10. Градуировочную зависимость результата измерения давления газа в тепловыделяющем элементе 1 от скорости линейного теплового расширения тепловыделяющего элемента 1 в длину определяют экспериментально, с помощью эталонных образцов давления, изготовленных в соответствии с конструкцией тепловыделяющих элементов и из тех же материалов.The result of measuring the gas pressure in the fuel element 1 depends on the initial temperature of the shell of the fuel element 1, equal to the ambient temperature, on the temperature of the heat source 5 and the temperature of the walls of the heat shields 9, heated by the heat flux 10, as the values that determine the balance of heat fluxes 6, 8 and 10. The calibration dependence of the result of measuring the gas pressure in the fuel element 1 on the linear thermal expansion rate of the fuel element 1 in length is determined by experiment linen, using reference pressure samples made in accordance with the design of the fuel elements and from the same materials.

Давление газа в тепловыделяющем элементе 1 определяют с помощью вычислителя 13 по градуировочной зависимости давления газа от скорости теплового расширения тепловыделяющего элемента 1, с учетом температуры источника 5 теплового потока, измеряемой датчиком температуры 7, температуры окружающей среды, измеряемой датчиком температуры 11, и температуры теплового экрана 9, измеряемой датчиками температуры 12.The gas pressure in the fuel element 1 is determined using a calculator 13 according to the calibration dependence of the gas pressure on the rate of thermal expansion of the fuel element 1, taking into account the temperature of the heat source 5, measured by the temperature sensor 7, the ambient temperature measured by the temperature sensor 11, and the temperature of the heat shield 9, measured by temperature sensors 12.

Практически одним из видов реализации способа с точки зрения технических средств является следующий:Practically one of the types of implementation of the method from the point of view of technical means is the following:

- в качестве датчика 4 линейного перемещения использован бесконтактный гамма-абсорбционный измеритель перемещения тела заглушки 3 в коллиматоре датчика (возможно также использование, например, бесконтактного оптического, индукционного, емкостного сенсора);- a non-contact gamma absorption measuring device for moving the body of the plug 3 in the sensor collimator is used as a linear displacement sensor 4 (it is also possible to use, for example, a non-contact optical, induction, capacitive sensor);

- в качестве датчиков температуры 7 и 12 использованы терморезисторы и термопары, надежно зафиксированные в теле нагревателя и теплового экрана;- as temperature sensors 7 and 12, thermistors and thermocouples are used that are securely fixed in the body of the heater and the heat shield;

- устройство 2 подачи тепловыделяющего элемента 1 реализовано в виде рольганга с позиционирующим электроприводом;- the device 2 for supplying the fuel element 1 is implemented in the form of a roller table with a positioning electric drive;

- источником 5 теплового потока служит электрический источник теплового излучения со стабилизатором температуры нагрева, в обратной связи которого включен датчик температуры 7;- source 5 of the heat flux is an electric source of heat radiation with a stabilizer of the heating temperature, in the feedback of which a temperature sensor 7 is included;

- тепловой экран 9 выполнен в виде металлического цилиндра с высокими теплопроводными свойствами с постоянной характеристикой коэффициента поглощения теплового излучения;- the heat shield 9 is made in the form of a metal cylinder with high heat-conducting properties with a constant characteristic of the absorption coefficient of thermal radiation;

- процесс контроля может быть полностью автоматизирован с помощью компьютера (вычислитель 13).- the control process can be fully automated using a computer (calculator 13).

Экспериментальные исследования предлагаемого способа на эталонных образцах давления показали, что тепловое расширение тепловыделяющего элемента в длину при температуре оболочки в зоне нагрева не более 200°С составляет от 40 мкм до 48 мкм для давлений от 1,7 МПа до 2,3 МПа соответственно, а максимальная погрешность контроля давления не превысила 50 кПа.Experimental studies of the proposed method on standard pressure samples showed that the thermal expansion of the fuel element in length at a shell temperature in the heating zone of not more than 200 ° C is from 40 μm to 48 μm for pressures from 1.7 MPa to 2.3 MPa, respectively, and the maximum pressure control error did not exceed 50 kPa.

Предлагаемый способ может быть использован в установках неразрушающего контроля давления газа в технологических линиях изготовления тепловыделяющих элементов ядерного реактора типа ВВЭР.The proposed method can be used in installations for non-destructive testing of gas pressure in production lines for the manufacture of fuel elements of a nuclear reactor of the WWER type.

Claims

A method of controlling gas pressure in a fuel element of a nuclear reactor, which consists in the fact that a heat stream is supplied to the shell of the fuel element, which transfers heat to the periphery of the fuel element through a gas inside the shell of the fuel element, characterized in that the linear heat velocity is measured the expansion of the fuel element heated by the heat flux in length and the linear thermal expansion speed of the fuel element in length is determined t gas pressure.