Удосконалювання системи контролю герметичності тепловиділяючих зборок реакторів атомних електростанцій (ВВЕР-1000)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський державний політехнічний університет

Спеціальність 05.14.14. -- Теплові і ядерні енергоустановки

УДК 621.039.548:534.08(043.3)

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук

Удосконалювання системи контролю герметичності тепловиділяючих зборок реакторів атомних електростанцій (ВВЕР-1000)

Білєй Данко Васильович

Одеса -- 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в науково-дослідній лабораторії "Атомспецавтоматика" Одеського державного політехнічного університету Міністерства освіти України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Максимов Максим Віталійович, доцент кафедри автоматизації теплоенергетичних процесів Одеського державного політехнічного університету, науковий керівник лабораторії "Атомспецавтоматика".

Офіційні опоненти:

- доктор фізико-математичних наук, професор Макаров Володимир Костянтинович, професор кафедри загальної та теоретичної фізики Одеського державного політехнічного університету;

- кандидат технічних наук, професор Широков Сергій Васильович, професор кафедри атомних електростанцій та інженерної теплофізики Національного технічного університету "КПІ".

Провідна установа: Інститут ядерних досліджень НАН України.

Захист відбудеться "25" червня 1999 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 41.052.04 Одеського державного політехнічного університету Міністерства освіти України за адресою: 270044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, ОДПУ, ауд. 22 корпус. 10 (теплотехнічна лабораторія)

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського державного політехнічного університету за адресою: 270044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, ОДПУ.

Автореферат розісланий "24" травня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д-р техн. наук Тодорцев Ю.К.

герметичність атомний газ витікання

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасному етапові розвитку енергетики України характерна тенденція збільшення частки АЕС в загальному виробництві енергії. Так, наприклад, у 1996 р. енергоблоки АЕС виробили 79,6 млрд. кВт/год. електроенергії (44%). Це на 12,9% більше, ніж у 1995 р. у той час, як виробництво електроенергії на ТЕС знизилося на 16,4%, на ГЕС на 11,4%. Тому важливим є збільшення коефіцієнтів використання установленої потужності на АЕС України та підвищення надійності, економічності і безпеки проведення технологічних процесів. Економічність роботи АЕС залежить від тривалості кампанії вигоряння палива. Одним з факторів, що впливають на безпечність роботи АЕС, є стан і цілісність оболонок тепловиділяючих елементів (твел), з котрих складаються тепловиділяючі зборки (ТВЗ).

Контроль герметичності (КГ) оболонок під час експлуатації АЕС, проводять при:

-- протіканні ланцюгової ядерної реакції (глобально всієї активної зони по активності забрудненого теплоносія продуктами ділення, що вийшли з-під оболонок твелів);

-- зупиненому і розібраному реакторі в процесі перевантаження палива за допомогою штатної системи визначення дефектних зборок (СВДЗ).

Технологія проведення ремонту в період перевантаження включає декілька етапів: вивантаження ТВЗ з реактора; транспортування до СВДЗ; контроль шляхом аналізу активності середовища в об'ємі пенала СВДЗ; вилучення дефектної зборки в пенал басейну витримки або установлення придатної ТВЗ в реактор. Ця технологія вимагає певного часу, що збільшує час простою блока в ремонті і таким чином знижує коефіцієнт використання установленої потужності.

Удосконалення цієї стандартної технологічної операції несе в собі пряму економічну вигоду. Скорочення часу простою реакторної установки (РУ) можна досягти за рахунок суміщення процесу КГ оболонки твелу з іншими технологічними процесами, що проходять паралельно, або запровадження КГ в процесі витягу чи перестановок ТВЗ в реакторі при зміні геометрії активної зони. Але суміщення КГ, що проводиться радіоактивним методом, з іншими технологічними процесами проблематичне: в основному через час проведення КГ. При переході на чотирирічну кампанію вигоряння палива починає збільшуватися частка розгерметизованих касет. При цьому, якщо проводити КГ за штатною технологією, буде збільшуватися затримка строків пуску блока. Через це основними факторами, які зумовлюють необхідність удосконалення методів і технічних засобів КГ, можна вважати:

-- перехід на чотирирічну, а в перспективі і на п'ятирічну кампанію ядерного палива, що спричинить собою збільшення імовірності розгерметизації оболонки твелів;

-- жорсткість вимог адміністрації ядерного регулювання по проведенню КГ експлуатованих ТВЗ при завантаженні їх на четвертий рік.

Тобто для енергетики України актуальне завдання пошуку і наукового обґрунтування нових методів і технічних засобів для скорочення часу КГ оболонки на АЕС. Його вирішення дозволить, з одного боку, підвищити безпеку експлуатації АЕС, а з іншого боку -- скоротити час перевантаження палива за рахунок скорочення часу КГ.

Дослідження по розробці нової технології контролю герметичності оболонки були розпочаті на Запорізькій АЕС у 1994 році.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні положення дисертаційної роботи виконані у відповідності з Державною комплексною програмою підвищення безпеки діючих атомних електростанцій України (1993р.) і Програмою модернізації енергоблоків АЕС України з реакторами ВВЕР-1000 (В-320) Держкоматома України і ЕДФ/ДЕ/КДІ (1995р.).

Основу роботи становлять результати досліджень, виконаних особисто автором та при його участі у співавторстві з інженерно-технічними співробітниками ЗАЕС і науковими співробітниками ОДПУ.

Мета роботи і завдання дослідження. Мета роботи полягає в удосконаленні технологічного процесу оцінки герметичності ТВС ВВЕР на основі нового методу і технологічних засобів з метою зменшення часу контролю. У відповідності з метою були поставлені наступні завдання:

-- аналіз існуючих систем КГ і виявлення причин, що приводять до порушення герметичності оболонок твелу при експлуатації АЕС;

-- аналіз протікання в ЯП фізичних процесів і взаємодії твелу із охолоджувальним середовищем для визначення факту розгерметизації оболонки;

-- дослідження процесів витікання газоподібного середовища крізь мікрощілину оболонки в період розхолодження реактора;

-- створення експериментальної установки для дослідження акустичного методу контролю герметичності ТВЗ;

-- математичне моделювання процесів звукоутворення при витіканні газу крізь мікрощілини в оболонці;

-- експериментальні дослідження закономірності звукоутворення при порушенні герметичності твелу;

-- випробування нового методу КГ у промислових умовах.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань була використана методологія системного аналізу складних технічних систем, теоретичні методи термодинаміки і теплопередачі, гідроаеродинаміки звукоутворення, математичного моделювання; методологія експериментального дослідження на дослідних установках і промисловому обладнанні.

Наукова новизна результатів полягає в тому,що:

-- розроблено оригінальний метод контролю герметичності, який використовує акустичні явища при витіканні газу в рідині крізь мікрощілини, дозволяє суміщати операції перевантаження і КГ;

-- запропоновано оригінальну експериментальну установку і технологія реалізації мікрощілин заданих розмірів;

-- одержано дані про стан газоподібного середовища під оболонкою твелу на всіх етапах розхолодження, що дозволяють оцінити час витікання газу крізь мікрощілини різних розмірів;

-- розроблено математичну модель процесу звукоутворення при витіканні газу в рідину, яка дозволяє оцінювати параметри звукових коливань;

Практична цінність і реалізація результатів наукових досліджень. Розроблені положення дисертації дають можливість:

-- оцінки виходу радіоактивних продуктів в теплоносій в різних режимах експлуатації реактора, а також для удосконалення розхолоджування;

-- оцінки стану ТВЗ перед завантаженням в сухе сховище;

-- розширення досліджень акустичного методу розпізнавання дефектних зборок;

-- випробування в промислових умовах макету системи.

Апробація і реалізація результатів роботи. Основні результати досліджень докладалися автором на 5-ій щорічній науково-технічній конференції Міжнародного ядерного товариства "Ядерна енергетика і промисловість" у м. Обнінську (1994 р.); 6-ій міжнародній науково-технічній конференції Українського ядерного товариства "Міжнародна кооперація в ядерному розвитку" (1995 р.) у м. Києві; 2-ій міжнародній конференції "Автоматика-95" (1995 р.) у м. Львові; 3-ій міжнародній конференції "Автоматика-96" у м. Севастополі; науково-технічній конференції "Ультразвукові технологічні процеси-98" (1998 р.) у м. Москві; на кафедрі Атомних електричних станцій і в НДЛ "АСА" ОДПУ.

Публікації. По матеріалах дисертаційної роботи опубліковано 8 наукових праць.

Особистий вклад здобувача. Автору дисертації належить:

-- постановка завдання удосконалення технології КГ для скорочення часу простою блоку в ремонті;

-- результати аналізу методів оцінки КГ і існуючої системи СВДЗ на Запорізькій АЕС;

-- розробка методики оцінки стану газів під оболонкою твелу і розрахунку витікання їх крізь мікрощілини;

-- дослідження на математичній моделі змін діаметру бульбашки;

-- аналіз і узагальнення результатів експериментів, які підтвердили можливість розробки запропонованого методу КГ.

Структура і обсяг роботи. Робота містить 115 стор., 46 рисунків, 19 таблиць, 1 додаток. До роботи додається список використаних джерел з 104 найменувань.

2. Основний зміст дисертаційної роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми і сформульована мета дослідження.

Розділ 1. Система виявлення дефектних тепловиділяючих зборок для реактору ВВЕР-1000.

При розгляді об'єкту і предмету дослідження показано, що в останній час в режимах експлуатації АЕС починають виявлятися дві тенденції: збільшення строку кампанії вигоряння палива (до 4-5 років) та підвищення частки режиму маневрування потужністю.

Аналіз режимів і умов роботи твелів реактора ВВЕР-1000 в режимах маневрування потужністю і збільшення глибини вигоряння приводить до додаткових впливів на оболонки, що підвищує імовірність порушення їх цілісності.

Класифікація характерних причин пошкодження оболонок показує, що основним механізмом, відповідальним за руйнування твелів, є механічний вплив термічного розширення палива на оболонки.

Відомі і реалізовані у промисловості методи оцінки герметичності твелів вимагають певного часу, що підвищує тривалість простою РУ при перевантаженні палива.

СВДЗ ЗАЕС, яка описана в роботі, дозволяє здійснювати технологію КГ "мокрим" способом за радіометричними показниками і витратами часу (2 год. на одну ТВЗ). В теперішній час при трирічній кампанії КГ зазнають перевірку 2/3 всіх ТВЗ, тобто 108 шт., на що витрачається 216 год. Інші ТВЗ можуть пройти КГ вже після перевантаження. Суперечність між тривалістю проведення КГ в існуючій технології і необхідністю зменшення часу простою РУ при збільшенні тривалості паливної кампанії може бути розв'язана так.

При виготовленні твелу під оболонкою створюється початковий надмірний тиск. Якщо в оболонці з'являться дефекти у вигляді мікротріщин, то при переміщенні ТВЗ в басейні перевантаження (БП) з них будуть виділятися ГПД. В процесі витікання газу з-під оболонки крізь мікрощілину будуть генеруватися звукові акустичні коливання. Реєстрація їх дозволить судити про наявність явища витікання газу в рідину, і, як наслідок, існування мікрощілини. Якщо приймач акустичного сигналу помістити на штанзі перевантажувальної машини (ПМ), реєстрація звукових коливань може здійснюватися вже при витязі ТВЗ з активної зони.

Розділ 2. Взаємодія негерметичного твелу ТВЗ з охолоджувальним середовищем.

Розглянуті алгоритми, за якими можна оцінити тиск газоподібного середовища всередині герметичного твелу при роботі на потужності з урахуванням того, що при виготовленні він заповнюється гелієм, а при експлуатації під оболонкою утворюються ГПД. Для розрахунку температури твелів по висоті використано модернізований алгоритм, в якому враховується вимірювання теплопровідності гелію в залежності від температури і тиску. Результати розрахунку парціального тиску газів під оболонкою твелу при роботі на потужності приведені в табл. 1.

Таблиця 1

Частка виходу
газу з паливної	Радіоактивні продукти	Стабільні продукти	Не	Рг
матриці,%	1 рік	2 року	3 року	1 рік	2 року	3 року		3року
0,4	9,6	18,8	28,1	33,3	66,7	100,0	7087	7216
1	23,9	47,1	70,2	86,4	166,7	250,1	7088	7408
5	119,5	235,5	350,8	416,8	833,5	1250,3	7088	8689
10	238,9	471,1	701,6	833,5	1667,0	2500,5	7088	10290
50	1194,7	2355,4	3508,2	4167,6	8335,2	12502,7	7088	23099
90	2150,5	4239,7	6314,8	7501,6	15003,8	22504,9	7088	35908

При наявності тріщини в твелі в режимі розхолоджування, який триває 5 діб, ГПД будуть виділятися з нього. Необхідно було оцінити час витікання для оцінки остаточного тиску перед вилученням ТВЗ з реактора в період перевантаження палива. У дисертації запропоновано алгоритм і приведені результати розрахунку тиску в середині герметичного твелу при режимі розхолоджування у (табл. 2).

Таблиця 2

Частка виходу газу з топливної матриці, %						Час після зупинки і відповідна йому температура газу під оболонкою твелу
	1 хв, 299	1 доба, 129	5 діб, 50	10 діб, 48	15діб, 45	30 діб, 40
						1-й рік опромінення
1	4,458	3,133	2,518	2,502	2,479	2,440
10	5,056	3,554	2,856	2,838	2,811	2,767
50	7,714	5,422	4,357	4,330	4,289	4,222
90	10,373	7,290	5,858	5,822	5,767	5,677
						2-й рік опромінення
1	4,524	3,180	2,555	2,539	2,516	2,476
10	5,716	4,018	3,228	3,208	3,179	3,129
50	11,017	7,743	6,221	6,183	6,125	6,029
90	16,317	11,468	9,214	9,157	9,072	8,929
						3-й рік опромінення
1	4,590	3,226	2,592	2,576	2,552	2,512
10	6,376	4,481	3,601	3,579	3,545	3,489
50	14,314	10,060	8,083	8,033	7,958	7,833
90	22,521	15,639	12,566	12,488	12,371	12,177

Оскільки витікання газів з мікротріщин в теплоносій в режимі роботи на потужності малоймовірне з фізичних міркувань, витікання газів буде проходити при зниженні тиску навколишнього середовища твелу (режим розхолоджування). Тому досліджені процеси взаємодії вмісту пошкодженого твелу з теплоносієм. З цією метою створено алгоритм для оцінки часу витікання газоподібного середовища з пошкодженого твелу. Результати розрахунку часу витікання газу у добах на останньому етапі розхолоджування (після 54 годин від зупинки РУ) для овальної тріщини по осях , при частці виходу ГПД з паливної матриці 1%, приведені у табл. 3.

Таблиця 3

Показано, що надійна фіксація акустичного ефекту при витіканні газу із твелу можлива для малих тріщин.

Розділ 3. Акустичний метод контролю герметичності оболонки твелів.

Цей розділ дисертації присвячений аналізу фізичних явищ, на яких оснований акустичний метод КГ твелів і їх математичному моделюванню.

Причиною генерування акустичних коливань при витіканні газу в рідину крізь мікрощілину не може бути явище кавітації, тому що воно проявляється у вигляді потужного шуму із суцільного спектру в широкій смузі частот, що мало імовірне за такого витікання. Явище утворення газових пузирів із мікрощілини створює звукове поле, що не перевищує десятків Гц. Його вклад в спектр коливань незначний.

Оцінка коливань оболонки твелу свідчить, що вони можуть створювати звукове поле високої частоти і також не вносять значного вкладу в звукове поле.

Звукоутворення при витіканні газу в рідину зумовлене коливаннями газонаповнених порожнин в рідині. Модель газонаповненої порожнини у в'язкій стискаємій рідині при прийнятих допущеннях являє собою нелінійне неоднорідне диференціальне рівняння другого порядку.

, (1)

де - швидкість звуку в рідині на поверхні порожнини, - радіус бульбашки, - коефіцієнти поверхневого натягу та динамічної в'язкості відповідно, - ентальпія, - тиск газу в середині порожнини, - показник політропи.

Рівняння (1) описує зміну радіуса образующегосябульбашки в часі. Для його розв'язання використані чисельні методи розв'язання звичайного диференціального рівняння другого порядку. Обчислення проводилися з використанням мови С++. Крок інтегрування вибирався програмою автоматично. Вхідна відносна похибка була менше . Многократні розрахунки за програмою не виявили яких-небудь аномалій. Сходимість методу забезпечувалася і визначалася необхідною точністю. Початкові умови вибирались довільно; розрахунки були проведені для різних радіусів бульбашок; доведено, що з ростом їх розмірів частота падає. Результати розрахунків представлені на рис. 1. Екстремальні значення радіуса визначалися при розв'язанні рівняння (1) по критерію переходу швидкості руху крізь нуль. Для того, щоб оцінити вклад в затухання коливань в'язких сил і сил опору випромінювання, розглядалися два процеси -- ізотермічний --1 і адіабатичний -- 2 (рис.1.а). Тривалість обох розглянутих процесів становила повних коливальних циклів. З часом радіус бульбашки прагне до якогось рівноважного значення. Для більш пізніх стадій коливального процесу різниця між максимальним і мінімальним радіусами зменшується.

Так, при N=200

мм,

при N=400

мм.

Максимальні розміри бульбашки при адіабатичному процесі менші, ніж відповідні їм в ізотермічному, що пов'язано з більш сильною залежністю тиску газу від радіуса. На рис. 1.б -- залежність радіуса порожнини від часу в перехідному режимі для ізотермічного процесу.

Аналіз даних математичного моделювання дозволяє стверджувати, що головною причиною затухання коливань порожнини є випромінювання нею акустичних хвиль в навантаження. В початковій стадії процесу особливо проявляються його нелінійні характеристики і в спектрі багато вищих гармонік. Облік різкого зростання опору випромінювання з частотою для малих джерел приводить з часом до перерозподілу в спектрі за рахунок швидкого затухання вищих спектральних складових. Тому що в системі порожнин останні знаходяться на різних стадіях розвитку, результуючий спектр являє собою системи смуг. Найкраща -- низькочастотна смуга, що має різку нижню межу і розмиту верхню. З ростом початкового тиску газу в порожнині, за інших рівних умов, спектр зміщується в низькочастотну область.

Для перевірки адекватності математичної моделі проведене дослідження процесу витікання на експериментальній установці.

Розділ 4. Експериментальні дослідження процесу генерування акустичних коливань струменем газу, що витікає в рідину.

Наведені результати експериментів по дослідженню процесу генерування акустичних коливань струменем газу, що витікає в рідину.

Для проведення досліджень в лабораторних умовах була розроблена і виготовлена спеціальна експериментальна установка (рис. 2).

В циліндричний бак з водою 1 (діаметром , висотою ) занурена фізична модель твелу з мікрощилиною трубка 2 і гідрофон 3. З стандартного балона 4 крізь промисловий редуктор 5, що звичайно встановлюється на газовому балоні, під тиском, який вимірюється зразковим манометром 6 (0-2,5 МПа, поділка 0,01 МПа), прокачується газ крізь щілину з деякою швидкістю, генеруючи у рідині акустичні коливання. Крім того, використовувалися баки діаметром , висотою та діаметром , висотою , а також прямокутні баки розмірами і .

Сигнал, який сприймається гідрофоном через спеціально розроблений попередній підсилювач 7, може спрямовуватися по двох каналах: через осцилограф 8, спектроаналізатор 9 і записуватися самописцем 10 (канал I), або через аналого-цифровий перетворювач 11 в вимірювальний тракт ЕОМ 12 (канал II).

Для проведення експериментальних досліджень використовувалися два види фізичних моделей. Тому що твел являє собою трубку діаметром з товщиною стінки приблизно , довжина якої біля і яка в робочому стані заповнена газом з тиском до , перша фізична модель -- трубка діаметром із каліброваною щілиною, яка з'єднується з газовим балоном. При цьому витікання газу відбувалося в вільну рідину. Друга модель являла собою набір стрижнів, розташованих паралельно і закріплених в двох фланцях. Уздовж осі моделі касети твелів крізь спеціальний отвір вводилася трубка з щілиною. Це дозволяло імітувати витікання газу з пошкодженого твелу, що знаходиться в ТВЗ.

В виробничих умовах найбільш імовірні пошкодження твелу, що порушують його герметичність та виключають подальшу експлуатацію, - це поздовжні тріщини уздовж твірної циліндра, довжина яких у багато разів перевищує їх ширину, а також наскрізні отвори типу "свищ", взаємні ортогональні розміри яких сумірні один з одним. Трудність моделювання цих пошкоджень в лабораторних умовах полягала в малості їх розмірів.

Імітація щілин різних розмірів здійснена шляхом розробки конструкції спеціальної насадки на трубку, що дозволяє створювати щілини малих розмірів і згаданих вище конфігурацій. Щілина формується з двох напівциліндричних пластин, які прилягають одна до одної по притертим діаметральним площинам. На пластині паралельно площині контакту зроблено заглиблення шириною , довжиною .

Був виготовлений набір з шести щілин однакової довжини = 4,5 мм і різної ширини: = 1; 5; 10; 20; 50 і 100 мкм. Крім того, конструкцією передбачена також можливість збирання в гайці двох різних пар напівциліндричних пластин таким чином, щоб вони утворювали ортогонально перехресні щілини. Це значно збільшує дослідницькі можливості: крім шести основних "довгих" щілин їх схрещуванням вдається отримати додатково ще 15 "коротких" щілин, параметри яких наведені в таблиці 4.

Таблиця 4

Тут чисельник позначає ширину, а знаменник -- довжину щілини в мкм. У ролi незалежних змінних використовувалися два параметри: тиск газу, що підводиться в порожнину моделі твелу, і геометричні розміри моделі ушкодження, що задається шириною щілини і її довжиною ; діапазон зміни тиску .

В експериментах застосовувалися дві категорії модельних щілин різної ширини. Перша -- "довгі" щілини. Їх довжина становила 4500 мкм, а ширина змінювалася у межах -- 1; 5; 10; 20; 50; 100 мкм. Друга -- "короткі" щілини довжиною 50 мкм і завширшки 1; 5; 10; 20 мкм, які створювалися схрещуванням під прямим кутом двох щілин (шириною 1 мкм і 50 мкм; 5 мкм і 50 мкм; 10 мкм і 50 мкм; 20 мкм і 50 мкм).

Вимірювання акустичного сигналу проводилося за допомогою осцилографа і першого каналу системи вимірювань. При використанні першого каналу спектр сприйнятих гідрофоном акустичних коливань декілька разів фіксувався самописцем, а далі підлягав обробці з усередненням його відповідних аерогідродинамічних і акустичних параметрів.

Всі експериментальні серії дублювалися: одна проводилася при витіканні газу в вільну рідину, інша -- в модель секції. На рис. 3 показані спектрограми експериментальної серії, здобуті при витіканні з одинарної довгої щілини (=20 мкм, =4,5 мм) при різних тисках (крива 1 -- 0,3 МПа, 2 -- 0,5 МПа, 3 -- 0,9 МПа, 4-- 1,4 МПа відповідно), оброблені на ЕОМ. Ясно видно характерний пік, який зміщується з ростом тиску в бiк більш нижчих частот і збільшується по амплітуді. Частота цього піку f і була вибрана в ролi параметру для обробки результатів.

Для перевірки адекватності моделі було проведене порівняння результатів експериментальних і теоретичних досліджень. Розв'язання рівняння (1) оброблялися таким чином, щоб отримати відносне значення частоти.

На рисунках 4,5 наведені експериментальні залежності характерної частоти від тиску витікання (витікання в вільну рідину: рис. 4.а -- , рис. 4.б -- ; витікання в модель секції: рис. 5.а -- , рис. 5.б -- ) і крива розрахункової залежності усталених нелінійних коливань бульбашки в рідині від тиску газу, що його наповнює. Всі залежності відповідали найменшому тиску. За базові значення частоти в кожній серії порівнюваних результатів приймалася максимальна з тих, що спостерігались у цій серії частот (у всіх серіях ця частота відповідала тиску витікання ). Інші частоти пронормовані по відношенню до неї. Що ж стосується розрахункової кривої, то вона нормувалася до того абсолютного значення розрахункової частоти, яке було отримано для тиску 0,3 МПа всередині бульбашки.

Порівняння експериментальних і розрахункових результатів свідчить, що має місце якісний збіг основних рис спектру коливань, які спостерігалися експериментально при витіканні газу в рідину, з особливостями теоретично розглянутого випромінювання в рідину акустичних хвиль згасаючими нелінійними коливаннями газонаповнених порожнин. Це стосується, насамперед, тієї області експериментального спектру, яка, як було установлено, відповідає за генерування коливань витікаючим в рідину газом. Ця область здебільшого мала достатньо чітку низькочастотну межу і більш розмиту високочастотну. Подібний же висновок було зроблено теоретично стосовно спектральних смуг в акустичних хвилях, які генеруються газонаповненими бульбашками. Простежується також зв'язок між експериментальними і теоретичними залежностями частоти коливань від тиску газу.

Подібна ж схожість спостерігається для залежності частоти від лінійних розмірів: з ростом ширини щілини характерна частота зменшується; зростання габариту бульбашки, що коливається, приводить до зменшення частоти. Враховуючи складність досліджуваних процесів, таке якісне погодження слід вважати свідченням того, що вибір у ролі основного звукоутворюючого фактору нелінійних коливань газонаповненої бульбашки в рідині можна вважати достатньо обґрунтованим.

При дослідженні акустичного методу оцінки герметичності твелу на базі вимірювання амплітуди і частоти звукового сигналу, що виникає при витіканні газу в рідину крізь мікронні щілини, в реальних умовах прийдеться враховувати перешкоди від утворених шумів. Спектрограми їх представлені на рис. 6. Однак остання обставина не може бути перешкодою для застосування цього методу, оскільки джерела цих шумів перебувають в повітрі, шуми поширюються в повітряному середовищі (крива 2) і в рідину переходить їх незначна частина (крива 1) через велику різницю хвильових опорів цих середовищ.

Для правильної оцінки акустичного поля виникає необхідність виділення області в рідкому середовищі, де вимірюваний акустичний сигнал з достатньою точністю визначає згенеровані акустичні коливання (крива 3). Тут маються на увазі заходи, що вживаються для того, щоб позбутися псевдо-звуків обтікання гідрофона: його належить розміщати на відстані порядку більше, ніж 0,5 м від ТВЗ.

У ролі параметрів, що характеризують генеровані акустичні коливання, вибирались інтегральний рівень вимірюваного акустичного сигналу і його спектральний склад.

Висновки

Проведене в рамках дисертаційної роботи дослідження системи контролю герметичності ТВЗ дозволило зробити такі висновки:

1. Розроблено та досліджено принципово новий акустичний метод КГ твелів, що реалізується при перевантаженні ТВЗ і не потребує для його реалізації додаткового часу. Цей метод заснований на знаходженні і аналізі спектру акустичних коливань, генеруючих при витіканні газу з пошкодженого твелу у рідину.

2. Розраховано приріст тиску за рахунок ГПД з урахуванням зміни їх складу за часом, який дозволив встановити, що основний вклад у збільшення тиску через ГПД дають ізотопи, такі як , , . Приріст тиску в твелі за часом після зупинки зменшується, а зі збільшенням тривалості його роботи він зростає.

3. Встановлено, що при частковому виході ПД з паливної матриці під оболонку (приблизно 50 и більше процентів), в умовах роботи на потужності, тиск газу може перевищити тиск теплоносія.

4. Оцінено час витікання газу крізь мікрощілини у твелах. Виявлено, що вихід газу з твелу після розхолодження реактору можливий для невеликих тріщин, шириною 1--3 і довжиною 1--1200 мкм.

5. Розроблена та виготовлена спеціальна експериментальна установка яка дозволяє моделювати найбільш імовірні наскрізні пошкодження в твелах і обладнана вимірювальними приладами, які можуть працювати в умовах іонізуючого випромінювання і підвищених температур. Здійснено спектральний аналіз генеруемих акустичних коливань з використанням аналого-цифрового перетворювача і вимірювального тракту ЕОМ.

6. Отримані акустичні спектри при витіканні газу під різними напорами крізь щілини фіксованої ширини і виділена характерна частота. Наявність повторних закономірностей залежно від характерної частоти, від тиску газу і лінійних розмірів щілини дозволяє зробити висновок, що відповідним за генерування акустичного сигналу є витікання газу з щілини у рідину.

7. Досліджено акустичні спектри при наявності виробничого шуму в басейні перевантаження. Виявлено зменшення рівня виробничого шуму приблизно на 6 порядків при проходженні його з повітря в рідину, у наслідку чого досліджуваний сигнал у рідині перевищує на 6-7 порядків виробничий шум у рідині, та останній не може служити перешкодою використанню запропонованого методу в промислових умовах.

Розглянуте явище може бути покладено в основу акустичного методу КГ твелів і відповідних технічних засобів. Реалізація акустичного методу КГ замість існуючого дозволяє скоротити час перевантажувальної кампанії на 20%.

Запропонована математична модель дозволяє описати процес генерування акустичних коливань газових струменів при витіканні у рідину. Експериментально встановлено, що характерні частоти генеруемих коливань укладаються в діапазон приблизно 400-800 Гц.

Список опублікованих автором праць по темі дисертації

1. Максимов М.В., Маслов О.В., Билей Д.В. и др. Создание системы перегрузки ядерного топлива нового поколения // Атомная энергия. -- 1995. -- Т. 78. -- Вып. 4. -- С. 281--282. Особисто автор -- Запропонував в процесі перевантаження палива проводити контроль герметичності оболонок твелів.

2. Билей Д.В., Максимов М.В., Маслов О.В., Тодорцев Ю.К., Ваганов А.И. Система управления перегрузкой ядерного топлива на АЭС с ВВЭР-1000 // Электрические станции. -- 1996. -- №12. -- С. 37-42. Особисто автор -- Запропонована концепція проведення контролю герметичності оболонки. Виявлені і узагальнені основні суперечності в системі перевантаження палива.

3. Назаренко А.Ф., Білєй Д.В., Максимов М.В. і др. Спектральний склад звуку, що генерується при витіканні газових струменів у рідину // Збірник наукових праць. Наука і освіта. АН ВШУ. Книга III. -- 1997. -- С. 164-168. Особисто автор -- Запропонована структурна схема експериментальної установки і приведені результати обробки експериментальних даних.

4. Білєй Д.В., Назаренко А.Ф., Протопопов Р.В. Вільні коливання газонаповненої порожнини у в'язкій стисливій рідині // Наукові записки АН ВШУ. -- Вип. 1. -- Київ. -- 1998. -- С. 297-304. Особисто автор -- Запропоновано виведення математичної моделі звукоутворення при витіканні газу з мікрощілин у в'язку рідину.

5. Назаренко А.Ф., Давиденко Л.А., Максимов М.В., Покора И.Н., Билей Д.В. Акустические спектры газовых струй, истекающих в жидкие среды // Сборник докладов конференции МАДИ "Ультразвуковые технологические процессы--98. " -- М.: 2--6 февраля -- С. 209-213. Особисто автор - Обробка результатів експерименту.

6. Билей Д.В., Кравченко В.П., Чулкин О.А. Контроль герметичности оболочек твэлов на АЭС с ВВЭР // Труды Одесского политехнического университета. -- 1998. -- Вып. 1(5). -- С. 183-187. Особисто автор -- Запропонував акустичний метод цілісності оболонок твелів. Проведена систематизація і виявлені основні причини що приводять до порушення цілісності оболонок твелів.

7. Билей Д.В., Назаренко А.Ф., Слиозберг Т.М. Анализ возможности применения акустического метода для обнаружения истечения газа из повреждения в трубах // Труды Одесского политехнического университета. -- 1998. -- Вып. 2(6). -- С. 66-69. Особисто автор -- Запропонована технологія виготовлення мікрощілин і гідрофона.

8. Билей Д.В., Максимов М.В., Назаренко О.А., Протопопов Р.В. Исследование изменения давления газа в сосудах при его истечении из трещин в стенках // Труды Одесского политехнического университета. -- 1998. -- Вып. 2(6). -- С. 69-73. Особисто автора -- Запропонована модель визначання часу витікання газу з мікрощілин у в'язку рідину.

Анотація

Білєй Д.В. Удосконалювання системи контролю герметичності тепловиділяючих зборок реакторів АЕС (ВВЕР-1000). -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.14. -- Теплові і ядерні установки.

Одеський державний політехнічний університет, Одеса, 1998.

Дисертація присвячена розробці нової технології виявлення розгерметизованих оболонок твелів акустичним методом в реальному масштабі часу, розробці макету установки та його випробуванням в реальних умовах АЕС.

Принцип виявлення розгерметизованих твелів ґрунтується на ефекті генерування акустичних коливань в теплоносії, в якому розміщена ТВЗ за рахунок витікання суміші газів, які знаходяться під оболонкою. Підвищення тиску під оболонкою зумовлене утворенням газоподібних і стабільних продуктів ділення в процесі протікання ланцюгової ядерної реакції.

Запропонована математична модель дозволяє описати процес генерування акустичних коливань газових струменів при витіканні у рідину. Експериментально встановлено, що характерні частоти генеруемих коливань укладаються в діапазон приблизно 400-800 Гц.

Випробування опитного зразку установи в промислових умовах АЕС показали, що рівень корисного сигналу у рідині перевищує рівень промислового шуму майже на 7 - 8 порядків. По швидкості визначення розгерметизованого стану розроблена система дає виграш часу в 2 години на одну ТВЗ в порівнянні з традиційною системою.

Ключові слова: акустичний метод контролю герметичності, твел, газоподібні продукти ділення, акустичні коливання, акустичний сигнал, рівень сигналу, витікання крізь мікрощілину.

Аннотация

Билей Д.В. Совершенствование системы контроля герметичности тепловыделяющих сборок реакторов АЭС (ВВЭР-1000). -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.14. -- Тепловые и ядерные установки. -- Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 1998.

Диссертация посвящена разработке новой технологии выявления разгерметизированных оболочек твэлов акустическим методом в реальном масштабе времени, разработке макета установки и его испытаниям в натурных условиях АЭС.

В результате анализа режимов и условий работы твэлов, а также классификации характерных причин повреждения оболочек твэлов, выявлено, что основным механизмом, приводящим к нарушению герметичности оболочки, является механическое воздействие термически расширяющегося топлива на оболочку.

Известные и реализованные в промышленности методы оценки герметичности твэлов требуют длительного времени, что приводит к простою реакторной установки.

Таким образом, как наиболее пригодное для выявления разгерметизированных оболочек, было принято следующее положение. Во время эксплуатации, к началу контроля герметичности, давление под оболочкой газообразных продуктов деления достигает значения порядка 30 МПа при 800 К. В результате появления микротрещины в оболочке твэла при нахождении ТВС в бассейне перегрузки, через микротрещину выделяются газообразные продукты деления. В процессе их истечения в бассейне выдержки будут генерироваться акустические колебания. Регистрация акустических колебаний позволит судить о наличии истечения газа в жидкость, через микротрещины. Поэтому если приемник акустического сигнала поместить на штангу перегрузочной машины, то регистрацию акустических колебаний можно осуществлять при извлечении ТВС из активной зоны.

В результате теоретических исследований создана модель, по которой можно оценить давление газообразной среды внутри герметичного твэла при работе под нагрузкой, так как при изготовлении он заполняется гелием, а при эксплуатации под оболочкой образуются газообразные продукты деления.

Для учета изменения давления газообразных продуктов деления за время их расхолаживания, была разработана модель взаимодействия содержимого поврежденного твэла с теплоносителем. Для этой цели был разработан алгоритм оценки времени истечения газообразной среды из поврежденного твэла.

Показано, что причиной акустических колебаний при истечении газообразных продуктов деления в жидкость через микротрещину не может служить явление кавитации. Явление образования газовых пузырей из микротрещины создает звуковое поле, не превышающее десятков Гц. Его вклад в спектр незначителен. Звукообразование при истечении газа в жидкость обусловлено колебаниями газообразных полостей в жидкости. Предложена модель газонаполненной полости в вязкой сжимаемой жидкости.

Анализ данных математического моделирования позволяет утверждать, что главной причиной затухания колебаний полости является излучение его акустических волн в нагрузку.

Для проверки адекватности математической модели проведено исследование процесса истечения на специальной экспериментальной установке.

Экспериментально установлено, что характерные частоты генерируемых колебаний укладываются в диапазон частот примерно 400-800 Гц. Испытания опытного образца установки в производственных условиях АЭС показали, что уровень полезного сигнала в жидкой среде превосходит уровень промышленного шума почти на 7 - 8 порядков. Применение разработанной системы оценки разгерметизации ТВС дает выигрыш во времени -- 2 часа на одну сборку по сравнению со штатной.

Ключевые слова: акустический метод контроля герметичности, твэл, газообразные продукты деления, акустические колебания, акустический сигнал, уровень сигнала, истечение через микротрещину.

Annitation

Biley D.V. Imroving of leak detection system of fuel assemblies on NPP (VVER-1000). -- Мanuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 05.14.14 -- Тhermal and nuclear facilities. -- Odesa state polytechnic university, Odesa, 1998.

Dissertation is devoted to developing new technology in detecting nogermethical shells of fuel rods in real time by acoustical method, elaborating a model of installation and testing it in real conditions of NPP.

The principe of detection nogermethical fuel rods is based on effect of creation acoustcal waves in coolant where fuel assembly placed when the gazes quit from under the shell. The pressure under the shell of fuel element created by gazes - products of nuclear chain reaction.

The mathematical model, which can describe the process of acoustic vibration whit gaz stream that runs out into liquid is proposed. Experimentaly mount, that characteristic frequencies of generated vibration are arranged in diapason about 400 - 800 Hz. Moсkup tests with NPP specifications showed that effective signal level greater than production noise in 7-8 rank. New leak detection system faster then traditional system on 2 hours on one fuel assmebly.

Key words: acoustical method of leak detection system, fuel element, gaz-like products of chain reaction, acoustic vibration, acoustic signal, signal level, leak through aperture.

Размещено на Allbest.ru

...