Методы и средства исследований ТВС ВВЭР для экспериментального сопровождения внедрения нового топлива на АЭС Павлов Сергей Владленович

Содержание к диссертации

Введение

1. Типовая схема, методы и средства послереакторных исследований ТВС и ТВЭЛОВ ВВЭР 11

1.1. Типовая схема послереакторных исследований ТВС и твэлов ВВЭР 11

1.2. Неразрушающие методы и средства в типовой схеме послереакторных исследований ТВС и твэлов ВВЭР 13

1.3. Разрушающие методы и средства в типовой схеме послереакторных исследований ТВС и твэлов ВВЭР 23

1.4. Неразрушающие методы и средства послереакторных исследований ТВС и твэлов в бассейнах выдержки АЭС 25

Выводы по главе 1 51

2. Методология материаловедческих послереакторных исследований ТВС и твэлов ввэр для сопровождения внедрения нового топлива на АЭС 52

2.1. Модернизированные схемы послереакторных исследований топлива ВВЭР 54

2.2. Концепция стендов инспекции ТВС 60

Выводы по главе 2 64

3. Неразрушающие методы и средства исследований твс и твэлов ввэр в защитных камерах и бассейнах выдержки 66

3.1. Бесконтактные методы измерения геометрических параметров ТВС ВВЭР в бассейнах выдержки на АЭС 66

3.2. Ультразвуковые методы обнаружения негерметичных твэлов в ТВС 113

3.3. Мето д импульсно й вихретоковой дефектоско пии твэлов ВВЭР 154

3.4. Метод определения величины диаметрального зазора между топливным столбом и оболочкой твэлов ВВЭР 166

3.5. Метод определения изгибной жесткости ТВС ВВЭР-1000 174

3.6. Метод измерения объема твэлов ультразвуковым эхо-импульсным методом 178

3.7. Метод измерения усилий при извлечении твэлов из ТВС 182

Выводы по главе 3 184

4. Стенды и устройства для испытаний и исследований твэлов и ТВС в защитных камерах и бассейнах выдержки 185

4.1. Стенд для исследований ТВС ВВЭР-1000 на изгибную жесткость 185

4.2. Стенды для механических испытаний чехлов ТВС ВВЭР-440 187

4.3. Стенды инспекции твэлов ВВЭР в бассейне выдержки реактора МИР 191

4.4. Оборудование и стенды инспекции и ремонта ТВС ВВЭР-1000 202

Выводы по главе 4 220

5. Методы и средства экспериментального обоснования безопасности технологий обращения с отработавшим ядерным топливом 222

5.1. Методология экспериментального обоснования длительного хранения ОТВС ВВЭР 222

5.2. Стенды для моделирования сухого хранения 235

5.3. Методики испытаний и исследований твэлов ВВЭР при обосновании безопасности сухого хранения ОЯТ 238

Выводы по главе 5 241

6. Результаты исследований облученных ТВС и ТВЭЛОВ ВВЭР с использованием модернизированной схемы послереакторных исследований топлива ВВЭР 243

6.1. Основные результаты послереакторных исследований ТВС и твэлов реакторов ВВЭР-1000 243

6.2. Результаты расчетно-экспериментальных исследований в обоснование уменьшения толщины стенки чехловой трубы АРК ВВЭР-440 с 2,0 до 1,5мм 262

6.3. Результаты испытаний и исследований твэлов ВВЭР в обоснование безопасности длительного сухого хранения 272

Выводы по главе 6 289

Выводы 291

Список сокращений и условных обозначений 292

Список литературы

• Разрушающие методы и средства в типовой схеме послереакторных исследований ТВС и твэлов ВВЭР
• Концепция стендов инспекции ТВС
• Метод определения величины диаметрального зазора между топливным столбом и оболочкой твэлов ВВЭР
• Стенды инспекции твэлов ВВЭР в бассейне выдержки реактора МИР

Введение к работе

Актуальность проблемы

Ускоренное развитие атомного энергопромышленного комплекса для обеспечения геополитических интересов и энергетической безопасности Российской Федерации в соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2030 года» и «Концепцией социально-экономического развития РФ на период до 2020 года (раздел Атомный энергопромышленный комплекс)» предполагает масштабный ввод новых энергоблоков атомных станций с реакторами ВВЭР, отвечающих современным требованиям по безопасности и экономичности эксплуатации. Это, в свою очередь, требует непрерывного совершенствования и модернизации конструкции ТВС и твэлов, оптимизации режимов их эксплуатации с целью повышения безопасности и эффективности использования ядерного топлива, а также требует разработки безопасных технологий обращения с отработавшими ТВС.

Модернизация и создание новых типов ТВС и твэлов ВВЭР должны обеспечить внедрение новых топливных циклов с повышенным выгоранием и увеличенной длительностью циклов при надежности твэлов не хуже 10^-6 1/год, обеспечивать геометрическую стабильность ТВС, ремонтопригодность ТВС в условиях АЭС, обеспечивать надежность работы ОР СУЗ, а также обеспечивать маневренность режимов эксплуатации АЭС. В качестве мер, направленных на достижение этих целей, рассматриваются: увеличение жесткости каркаса ТВС, создание сборно-разборных конструкций ТВС, повышение ураноемкости твэлов, использование модифицированных или новых циркониевых сплавов для оболочек твэлов и для элементов каркаса ТВС, увеличение размера зерна UO₂ в топливных таблетках.

Создание новых ТВС и твэлов предполагает проведение большого комплекса расчетно-экспериментальных исследований поведения топлива в различных режимах эксплуатации реактора и в частности проведение послереакторных мате-риаловедческих исследований ТВС. Современные тенденции в исследовании ядерного топлива выдвигают на передний план необходимость оперативного получения статистически значимых данных о состоянии ТВС после эксплуатации при минимизации затрат на проведение исследований.

Этого можно добиться путем сочетания массовых первичных-неразрушающих исследований ТВС в бассейнах выдержки АЭС с последующими выборочными материаловедческими исследованиями в защитных камерах. Для чего необходимо, как это было сделано за рубежом, создать стенды инспекции топлива на АЭС. Получение статистически значимых данных о состоянии топлива, при минимизации затрат на исследования, невозможно без увеличения доли неразрушающих исследований и без внедрения новых методов контроля, особенно механических характеристик и формоизменения ТВС и твэлов, а также дефектоскопии твэлов.

Разработка эффективных и безопасных технологий обращения с ОЯТ, в частности длительного «сухого» хранения, как правило, начинается после того, когда близка к исчерпанию вместимость бассейнов выдержки и бассейнов-хранилищ ОТВС. При этом, обоснование безопасности проводится в основном расчетными

методами с большой долей консерватизма, так как существующие программные продукты не в полной мере верифицированы экспериментами. Поэтому, для повышения конкурентоспособности нового топлива ВВЭР его разработка и внедрение должны сопровождаться сразу и разработкой технологий обращения с ОЯТ, для чего необходимо иметь соответствующую экспериментальную базу для исследований поведения топлива при хранении и моделирования условий хранения. Таким образом, разработка новых методов и средств исследования ТВС и твэлов ВВЭР в защитных камерах и бассейнах выдержки существенно расширяет экспериментальную базу реакторного материаловедения, обеспечивает повышение оперативности, информативности и экономичности послереакторных исследований при научно-техническом сопровождении внедрения нового топлива на АЭС, и является актуальным. Эти новые методы и средства также могут использоваться при исследованиях штатных ТВС и твэлов, что поднимает на новый уровень методическое обеспечение послереакторных исследований, и, таким образом, еще больше повышает актуальность данной работы.

Цель работы и задачи исследования

Разработка и практическая реализация научно обоснованных технических решений, методов и средств исследований ТВС и твэлов ВВЭР, обеспечивающих расширение экспериментальной базы реакторного материаловедения, повышение информативности, оперативности и экономичности послереакторных исследований ТВС и твэлов для экспериментального сопровождения внедрения нового топлива на АЭС.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи.

Разработать методологию и модернизированную схему материаловедче-ских послереакторных исследований ТВС и твэлов ВВЭР для экспериментального сопровождения внедрения нового топлива на АЭС.

Разработать неразрушающие методы размерометрии и дефектоскопии ТВС и твэлов.

Разработать стенды и устройства для испытаний и исследований твэлов и ТВС в защитных камерах и бассейнах выдержки.

Разработать методический подход к изучению поведения при сухом хранении облученного топлива ВВЭР и внутрикамерные стенды для натурного моделирования условий хранения ОЯТ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методология материаловедческих исследований ТВС и твэлов ВВЭР для экспериментального сопровождения внедрения нового топлива на АЭС, в основе которой лежат два принципа:

при разработке и внедрении нового топлива вопросы нормальной эксплуатации ТВС, аварийные режимы и обращение с отработавшим ядерным топливом должны рассматриваться в комплексе, неразрывно друг от друга, для чего должна быть создана соответствующая методическая база;

для обеспечения оперативности, повышения информативности и экономичности послереакторных исследований ТВС традиционная схема должна быть модернизирована в сторону увеличения доли неразрушающих ме-

тодов контроля, сочетания исследований ТВС в бассейнах выдержки АЭС с выборочными подробными исследованиями в защитных камерах и обеспечения возможности натурного моделирования технологий обращения с ОЯТ.

1. Предложена концепция создания и развития стендов инспекции ТВС, в основу которой положен модульный принцип. В соответствии с концепцией разработана структурная схема штатного стенда и выбраны принципы определения геометрических параметров ТВС с использованием бесконтактных оптических и ультразвуковых методов.

2. На основе моделирования структурной схемы штатного стенда и расчетно-экспериментальных исследований особенностей отражения ультразвуковых волн от элементов ТВС и распространения волн в конвективном слое у поверхности ТВС разработаны бесконтактные оптические и ультразвуковые методы определения геометрических параметров ТВС.

3. Разработан метод исследования изгибной жесткости ТВС ВВЭР-1000, основанный на измерении ее прогиба при нагружении в направлении, перпендикулярном грани ТВС.

4. Исследованы процессы возбуждения и распространения ультразвуковых волн в оболочках твэлов в азимутальном и аксиальном направлениях применительно к задаче обнаружения негерметичных твэлов. Получены формулы акустического тракта метода, определены его оптимальные параметры и характеристики чувствительности. Для аксиального распространения волн экспериментально установлен порог чувствительности метода, равный 0,04 см³ воды под оболочкой негерметичного твэла, и определена граница применимости метода от выгорания топлива – 40 МВтсут/кгU.

5. Разработан неразрушающий метод определения диаметрального зазора между топливом и оболочкой твэла путем ее упругой деформации до контакта с топливным сердечником. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что разработанный метод позволяет проводить оценку (снизу) минимального диаметрального зазора на участке нагружения оболочки.

6. Разработан способ импульсной вихретоковой дефектоскопии оболочек твэ-лов, позволяющий за счет предложенного алгоритма обработки сигналов-откликов повысить разрешающую способность при определении размеров однотипных дефектов в 2,5 раза.

7. Разработан метод определения объема твэлов с помощью ультразвукового эхо-импульсного уровнемера жидкости.

8. Для обоснования безопасности технологий длительного сухого хранения ОЯТ ВВЭР разработан методологический подход, схема и стенды для исследований поведения твэлов в различных режимах сухого хранения.

Практическая ценность

Практическая значимость результатов диссертационной работы состоит в том, что разработанные методы и средства исследований ТВС и твэлов ВВЭР позволили существенно расширить экспериментальную базу реакторного материаловедения в части повышения оперативности, информативности и экономично-5

сти послереакторных исследований облученного топлива при экспериментальном научно-техническом сопровождении внедрения нового топлива на АЭС, что в свою очередь обеспечивает сокращение сроков и стоимости внедрения нового топлива и тем самым повышает технико-экономические показатели эксплуатации АЭС с реакторами ВВЭР.

Полученные с использованием разработанных методов и средств экспериментальные данные о состоянии ТВС и твэлов ВВЭР позволили:

установить причину нарушения работы органов СУЗ в УТВС ВВЭР-1000;

обосновать работоспособность ТВС и твэлов ВВЭР-1000 при достижении высоких выгораний топлива (до ~ 72 МВт-сут/кгЦ) и длительности эксплуатации - до 6-ти топливных циклов;

обосновать работоспособность новых конструкций ТВС ВВЭР-1000 с жестким каркасом ТВС А и ТВС-2;

установить причины и механизмы разгерметизации твэлов и выдать рекомендации по их устранению;

обосновать переход на толщину чехловой трубы АРК ВВЭР-440 с 2,0 на 1,5 мм;

обосновать в первом приближении по критерию неразгерметизации твэлов безопасность сухого хранения ОТВС ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 с выгоранием до 50 МВт-сут/кги (по твэлам) в течение 50 лет;

С использованием разработанных методов и средств исследованы более 45 ТВС ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. С использованием разработанных и апробированных научно-технических решений и методов неразрушающего контроля созданы стенды инспекции и ремонта ТВС ВВЭР-1000 для Балаковской и Калининской АЭС, модернизирован стенд инспекции и ремонта ТВСА на АЭС «Темелин» (Чехия), созданы два поколения стенда инспекции экспериментальных твэлов для исследовательского реактора МИР. На основе выводов и рекомендаций диссертационной работы разработан технический проект стенда инспекции и ремонта ТВС ВВЭР-1000 проекта «АЭС-2006».

На защиту выносятся:

1. Методология и модернизированная схема материаловедческих послереакторных исследований ТВС и твэлов ВВЭР для экспериментального сопровождения внедрения нового топлива на АЭС.

2. Результаты теоретических и расчетно-экспериментальных исследований характеристик и параметров неразрушающих методов размерометрии и дефектоскопии ТВС и твэлов в защитных камерах и бассейнах выдержки АЭС.

3. Методический подход, схема и средства исследований поведения топлива для обоснования безопасности технологий сухого хранения ОЯТ ВВЭР.

4. Разработанные и научно обоснованные технические решения, методы и средства исследований ТВС и твэлов в защитных камерах и бассейнах выдержки АЭС, обеспечивающие модернизацию экспериментальной базы реакторного материаловедения для повышения эффективности послереакторных исследований для сопровождения внедрения нового топлива на АЭС.

Апробация работы и публикации

Основные результаты работы были доложены на конференциях и совещаниях: Технический комитет МАГАТЭ «Бассейновая инспекция, ремонт и реконструкция топлива водо-водяных реакторов», Париж, 1987, ноябрь; Лион, 1991, октябрь (Франция); Бад-Цурзах, 1997, октябрь (Швейцария) и Ржеж, 2003, июнь (Чехия); Технический комитет МАГАТЭ «Усовершенствованные послереактор-ные исследования топлива водяных реакторов», Димитровград, Россия, 2001; 7, 8 и 10 международные конференции «Поведение топлива ВВЭР, Моделирование и экспериментальная поддержка», Болгария, 2007, 2009, 2013 гг., соответственно; Международная конференция «Поведение топлива легководных реакторов, Топ фьюэл», Орландо, США, 2010; Международная конференция «Поведение топлива легководных реакторов», Сеул, Корея, 2008; Международная конференция «Хранение отработанного ядерного топлива», Вена, Австрия, 2003; Научно-техническая конференция концерна «Росэнергоатом» «Итоги выполнения программы НИОКР и плана мероприятий по обеспечению ядерной, радиационной, технической и пожарной безопасности АЭС в 1999г. и задачи на 2000г.», Элек-трогорск, Россия, 2000; 4, 5, 6, 9 и 10 Российская конференция по реакторному материаловедению, Димитровград, Россия, 1995, 1997, 2000, 2009 и 2013 гг., соответственно.

Личный вклад автора

Начиная с 1982 г. автор был ответственным исполнителем, а затем руководителем ряда тем по созданию новых методов и средств исследования твэлов и ТВС ВВЭР в бассейнах выдержки ядерных реакторов и в защитных камерах, которые выполнялись совместно с ОКБ «Гидропресс», ОКБМ, ОАО «ТВЭЛ», Концерном «Росэнергоатом» и др. С начала 90-х годов автор являлся руководителем работ по обоснованию длительного хранения ОЯТ. Автор лично разработал методологию и модернизированную схему материаловедческих послереакторных исследований ТВС и твэлов ВВЭР, концепцию стендов инспекции ТВС в бассейнах выдержки АЭС, методический подход и схему исследования топлива для обоснования технологии сухого хранения ОЯТ. При разработке неразрушающих методов разме-рометрии и дефектоскопии ТВС и твэлов автором лично выполнены теоретические исследования и осуществлена постановка задач расчетно-экспериментальных исследований. Автор непосредственно принимал участие в экспериментах, проводимых при разработке этих методов, в разработке стендов инспекции как для бассейнов выдержки, так и для защитных камер. Личный вклад Павлова С.В. в получение основных результатов работы, представленной к защите, является определяющим.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается: воспроизводимостью полученных экспериментальных данных, использованием сертифицированных методик измерений и аттестованного оборудования; а также опытными данными по эксплуатации ТВС ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 новых поколений.

Объем и структура диссертации

Разрушающие методы и средства в типовой схеме послереакторных исследований ТВС и твэлов ВВЭР

Внедрение нового топлива на АЭС является многофакторной задачей, включающей в себя большой комплекс расчетно-экспериментальных работ, среди которых важное место занимают исследования ТВС и твэлов после эксплуатации в реакторе. Полученные в результате этих исследований экспериментальные данные позволяют: - объективно судить о состоянии топлива после эксплуатации; - проверять правильность принятых в ходе разработки нового топлива научно-технических решений; - уточнять и верифицировать расчетные коды; - разрабатывать рекомендации для повышения безопасности и эффективности эксплуатации топлива; - разрабатывать рекомендации для дальнейшего усовершенствования топлива и т.д. Эффективность использования результатов послереакторных исследований зависит от полноты и достоверности информации о состоянии и поведении топлива, а также от скорости и стоимости получения этой информации.

В свою очередь, полнота и достоверность информации о состоянии и поведении топлива во многом зависит от методического и технического обеспечения исследований, а скорость и стоимость проведенных исследований зависит от их структурной организации. Под структурной организацией здесь понимается структурная схема процесса получения информации, включающая в себя транспортно-технологические операции с топливом, последовательность проведения и номенклатуру конкретных исследований, способ обращения с топливом после проведения исследований.

На рисунке 1.1 приведена типовая (традиционная) схема послереакторных исследований ТВС и твэлов ВВЭР, которая, начиная с 1986 г., успешно использовалась в НИИАР на протяжении десяти лет [1].

При выгрузке из реактора все ТВС проходят контроль герметичности (КГО) в штанге перегрузочной машины. При этом регистрируется активность газовых продуктов деления топлива (ГПД), в первую очередь Xe133, которые выходят из-под оболочки негерметичных твэлов в окружающую среду. Обнаруженные негерметичные ТВС еще раз контролируются пенальным методом для оценки степени разгерметизации. Выгруженные из реактора ТВС временно хранятся в пристанционном бассейне выдержки (БВ). Это хранение необходимо для уменьшения остаточного тепловыделения ТВС до уровня, приемлемого для безопасного транспортирования сборок в централизованное хранение, либо на переработку.

Выбор ТВС для отправки на исследования производится в соответствии с целями и задачами заказчика, поставщика топлива и/или эксплуатирующей организации. Отобранные для исследований ТВС (обычно одна или две штуки) после расхолаживания в БВ транспортируются в исследовательский центр. Исследования ТВС и твэлов проводятся в защитных (горячих) камерах (ГК) с помощью различных неразрушающих и разрушающих методов. ТВС вначале инспектируются неразрушающими методами [1, 2, 3, 4]: визуальный осмотр, измерение геометрических параметров. Затем ТВС разбирается на отдельные твэлы. При извлечении твэлов из каркаса ТВС производится их беглый осмотр через окно защитной камеры. По результатам осмотра отбирается партия твэлов, обычно 10 – 20 штук, которые исследуют неразрушающими методами: визуальный осмотр через перископические системы, измерение длины и диаметра твэлов, вихретоковая дефектоскопия оболочки [5], гамма-сканирование твэлов [6] и рентгеновская радиография. У нескольких твэлов обычно прокалывают оболочку и производят измерение количества и состава газа, находящегося под оболочкой твэла. На основе информации, полученной в результате неразрушающих исследований, отбирается несколько твэлов, которые исследуются традиционными разрушающими методами радиационного (реакторного) материаловедения [7]. Исследуются: состояние таблеток топлива, окисление оболочки, размер зазора между таблеткой топлива и оболочкой твэла, механические свойства и содержание водорода в материале оболочки твэла, распределение продуктов деления в топливе и т.п.

Из каркаса ТВС вырезают дистанционирующие решетки (ДР), у ТВС ВВЭР-1000 извлекаются направляющие каналы (НК), центральная труба (ЦТ), которые исследуются по отдельным программам, как неразрушающими, так и разрушающими методами.

После завершения исследований ТВС в ГК отдельные твэлы могут использоваться для проведения экспериментов по изучению выхода продуктов деления из негерметичных твэлов, а также по моделированию переходных режимов (циклирование мощности, скачки мощности), проектных (LOCA, RIA) и запроектных аварий на реакторных установках. Такие эксперименты проводятся в исследовательских реакторах [8, 9] и на специальных внутрикамерных стендах [10].

Типовая схема послереакторных исследований ТВС и твэлов ВВЭР была реализована в НИИАР в материаловедческой лаборатории [1, 11]. Материаловедческая лаборатория НИИАР состоит из двух комплексов защитных камер для первичных (неразрушающих) и для подробных разрушающих материаловедческих исследований облученного топлива. Наибольший объем информации о состоянии ТВС и твэлов как конструктивных элементах активной зоны (АЗ) реактора, получают с помощью неразрушающих методов контроля.

Первичные – неразрушающие исследования ТВС и твэлов проводятся в семи защитных камерах, расположенных вдоль линии, друг за другом (рисунок 1.2).

Размеры и оборудование защитных камер К-1 и К-7 позволяют работать с ТВС ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 любых конструкций. В защитной камере К-7 через смотровое окно оператор производит подробный осмотр сборки, при котором отмечаются какие-либо особенности (если они есть) в состоянии элементов конструкции ТВС, их взаиморасположении друг относительно друга, отклонения формы, состояние поверхности ДР и оболочек твэлов, наличие посторонних предметов и т.п. На рисунке 1.3 в качестве примера приведен внешний вид ТВС-2 и ТВСА, полученный из набора фотографий фрагментов ТВС.

Концепция стендов инспекции ТВС

Процесс измерения координаты грани ДР или грани чехла был смоделирован на лабораторной установке и с помощью разработанной математической модели. Телекамера устанавливалась на расстоянии 150 мм от макета ТВС, диапазон расстояний от правой грани линейки до грани ДР изменялся от 1 до 18 мм. Экспериментальные значения погрешности измерения координаты Xi не превысили ± 0,25 мм и хорошо совпали с результатами математического моделирования (рисунок 3.11), что подтверждает адекватность модели реальному процессу измере 20 30

Погрешность измерения координат ДР Xi: - экспериментальные данные; результаты расчета. Учитывая дискретный характер измерений координат элементов ТВС, очевидно, что соотношение размеров контрольного элемента xk и измеряемой координаты Xi влияют на погрешность ее измерения. С использованием разработанной математической модели были проведены исследования по выбору оптимального соотношения xk /Xi .

Как уже отмечалось, при измерении координат элементов ТВС по оцифрованному изображению на экране видеомонитора должны одновременно присутствовать как изображение контрольного элемента, так и изображение объекта измерений. Обычно увеличение телекамеры подбирается таким образом, чтобы на изображениях контрольного элемента и объекта измерения укладывалось максимально возможное количество пикселов.

На рисунке 3.12 представлены результаты моделирования измерения координаты ДР (J; = 10 мм). Размер контрольного элемента варьировался от 1 до 80 мм. При Хк I Xt «1 xk/Xi ависимость погрешности измерения X; от размера контрольного элемента Хк. на изображении контрольного элемента укладывается небольшое количество пикселов, что приводит к большой погрешности определения их размеров qx, и, в конечном счете, к большей погрешности в измерении X; .

При Xk IX; » 1 ситуация противоположная. Размер пиксела qx определяется с большой точностью, но так как на изображении измеряемого объекта укладывается в этом случае небольшое количество пикселов, то и погрешность при измерении X; растет. Оптимальное соотношение между Хк и X;, как видно из рисунка 3.12, находится в пределах 1 Xk I Xi 4 .

Таким образом, при измерении координат элементов ТВС на стенде инспекции по оциф 82 рованному изображению для определения размера пиксела рекомендуется выбирать такой контрольный элемент, размеры которого соизмеримы, или чуть больше измеряемого размера.

При измерении разновысотности твэлов наружного ряда ТВС в качестве контрольного элемента используется один из геометрических параметров верхней заглушки твэла, который в процессе эксплуатации ТВС практически не изменяется, и в то же время, размер которого известен. При лабораторном моделировании процесса измерений разновысотности в качестве контрольного элемента использовалась цилиндрическая часть заглушки (рисунок 3.13), диаметр которой известен. Результаты измерений представлены в таблице 3.2, погрешность определения разновысотности твэлов периферийного ряда не превысила 0,07 мм.

Для измерения зазора между твэлами наружного ряда в качестве контрольного элемента использовалась оболочка твэла, диаметр которой принимался равным исходному диаметру до эксплуатации 9,15 мм. Из результатов измерений (см. таблицу 3.3) видно, что погрешность из мерения зазоров между твэлами не превысила 0,16 мм.

Следует отметить, что использование более совершенной аппаратуры, например, телекамеры и платы оцифровки изображения с разрешением 1000 х 1000 элементов позволит уменьшить погрешность измерения координат элементов ТВС приблизительно в два раза.

Ультразвуковые эхо-импульсные методы измерения размеров и определения формоизменения ТВС Ультразвуковые эхо-импульсные методы измерения размеров нашли широкое применение в промышленности, в частности, в толщинометрии [68]. В настоящее время проведен большой объем теоретических и экспериментальных исследований этих методов. При разработке эхо-импульсного метода для исследования ТВС в бассейнах выдержки необходимо учитывать явления несвойственные для традиционной толщинометрии, которые могут существенно повлиять на эффективность этих методов. Кроме того, специфика объекта контроля и особенности его измерения требуют проведения расчетно-экспериментальных исследований в обоснование метода.

Определение геометрических характеристик и формоизменения ТВС и ее элементов в данном случае основано на измерении расстояния от ультразвукового датчика до поверхности ТВС и координатной привязке датчика к определенной точке на поверхности сборки. Такая координатная привязка возможна благодаря направленному излучению ультразвуковых волн к объекту контроля и направленному приему отраженных волн. Эффективность метода измерений размеров определяется параметрами электроакустического тракта измерительного прибора и акустического тракта метода.

Исследование электроакустического тракта дает возможность определить колебания пьез-опластины датчика, имеющего электрические и акустические нагрузки и выбрать оптимальные параметры основных электронных блоков измерительного устройства. В настоящее время вопросы, связанные с электроакустическим трактом, в основном решены и не требуют проведения каких-либо дополнительных исследований [69].

Акустическим трактом называют путь ультразвука от излучателя до объекта контроля и до приемника [70]. Основная задача анализа акустического тракта - оценка степени ослабления излученного (зондирующего) сигнала, пришедшего на приемник. При исследовании акустического тракта учитываются особенности отражения волн от объекта контроля и условия их распространения от излучателя до приемника.

Направленность излучения и приема волн датчиком характеризуется акустическим полем излучения-приема.

При измерении размеров в основном используют датчики с плоскими пьезоэлементами круглой формы, для которых структура поля достаточно хорошо изучена, как теоретически, так и экспериментально [70]. В приближении геометрической акустики ультразвуковой пучок представляется как совокупность лучей, вдоль которых распространяется звуковая энергия. На рисунке 3.14 схематично представлено поле излучения-приема дискового датчика. В акустическом поле выделяется две зоны: ближняя, в которой наблюдаются обусловленные интерференцией немонотонные изменения амплитуды поля, и дальняя, где амплитуда монотонно убывает с расстоянием. Если построить лучевую трубку, опира -1 p/R r/rб

Метод определения величины диаметрального зазора между топливным столбом и оболочкой твэлов ВВЭР

Расчёт выполнен для условий: i =1,L = d,a = 0 . На этих же рисунках приведены экспериментальные значения времени распространения волн, сигналы от которых были зарегистрированы в экспериментах. Эксперименты проводили на необлучённых герметичных оболочках твэлов ВВЭР из циркониевого сплава Zr + 1 %Nb.

Из рисунка 3.51 видно, что при заданном значении fh в оболочке твэлов ВВЭР могут возбуждаться несколько мод нормальных волн. Время прихода сигнала на приёмник для этих мод отличается на единицы микросекунд. Например, при f = 5 МГц в оболочке твэла ВВЭР возбуждаются моды S0 , S1 , A0 и A1 . Время прихода сигналов от этих мод находится в диапазоне от 3,5 до 6,0 мкс для двухщупового и от 8,0 до 14,0 мкс для однощупового методов. Учитывая, что если длительность импульса возбуждения излучателя ультразвуковых волн составляет обычно несколько микросекунд, тогда и длительность принятых импульсов также будет составлять несколько микросекунд. Поэтому при контроле твэлов на экране осциллографа будет наблюдаться довольно сложная картина из нескольких сливающихся друг с другом импульсов. Среди этих импульсов необходимо выбрать наиболее информативный, по амплитуде которого будут судить о наличии воды под оболочкой негерметичного твэла.

Экспериментальные исследования акустического тракта методов для твэлов ВВЭР проводились на частоте f = 5 МГц [84, 89, 90]. Данная частота была выбрана исходя из толщины

пьезокерамики ЦТС-19 (равной 0,34 мм), которая определяет толщину датчиков (щупов). Форма пьезоэлементов в датчиках выбрана прямоугольной, высота пьезоэлемента 10 мм, а ширина варьировалась от 0,65 до 1,9 мм.

На рисунке 3.52 приведена серия осциллограмм, полученных для необлучённой оболочки твэла ВВЭР при использовании двухщупового метода. Негерметичность твэла моделировалась слоем воды в зазоре между имитаторами топливных таблеток и оболочкой. При перемещении двух щупов относительно оболочки вначале регистрируется импульс, соответствующий прямому прохождению волн от излучателя к приёмнику (оболочка твэла ещё не находится между датчиками (см. рисунок 3.52, а)). Время прихода этого импульса относительно зондирующего составляет 6,0 мкс.

Когда излучатель и приёмник перекрываются оболочкой, этот импульс пропадает, и появляются сигналы от волн, распространяющихся в оболочке. Как уже отмечалось ранее, из-за конечных размеров излучателя и из-за кривизны оболочки в ней трудно возбудить только одну какую-либо моду нормальных волн; наряду с ней возбуждаются и распространяются другие волны. Поэтому принятый сигнал имеет сложную форму. На рисунке 3.52, б, г, е, з приведены характерные осциллограммы сигналов при продвижении датчиков к середине оболочки.

Наличие нескольких пиков на осциллограммах сигналов свидетельствует о распространении нескольких типов волн. Разная амплитуда сигналов объясняется различной эффективностью возбуждения и разным затуханием для данных волн.

Осциллограммы сигналов для герметичной (а, б, г, е, з) и негерметичной (а, в, д, ж, и) оболочек твэлов: 1 – зондирующий импульс; 2 – полезный сигнал; 3 – сигнал при прямом прохождении волны от излучателя к приёмнику При попадании воды под оболочку твэла происходит ослабление сигналов. Для различных мод ослабление для оболочек твэлов ВВЭР составляет от 1,25 до 1,7 (см. рисунок 3.52).

На рисунке 3.53 приведены сигналы от «обегающих» оболочку волн. Эти сигналы следуют друг за другом с определённым периодом. Для оболочки твэла ВВЭР этот период составляет 11 мкс (см. рисунок 3.53, а). Для негерметичной оболочки эти сигналы полностью пропадают и становятся меньше уровня шумов (см. рисунок 3.53, б). При этом коэффициент чувствительности метода по первому обегающему сигналу для оболочки твэлов ВВЭР резко увеличивается и составляет не менее 5.

В основе однощупового метода, как уже отмечалось, лежат те же физические принципы, что и для двухщупового метода. Следовательно, должны возбуждаться и распределяться аналогичные двухщуповому методу моды нормальных волн. Оптимальными условиями возбуждения-приёма для этого метода является такое положение датчиков, когда излучатель и приёмник располагаются симметрично относительно аксиальной оси оболочки (см. рисунок 3.50), а расстояние Ь между их серединами равно

При таком положении датчиков в оболочке оптимальным образом возбуждается мода с фазовой скоростью Сф, а приёмник обладает максимальной чувствительностью по отношению к этой волне. Для заданной частоты f можно экспериментально установить такое оптимальное расстояние между излучателем и приёмником, когда на экране осциллографа появляются один ярко выраженный сигнал и сигналы, соответствующие обегающим волнам. На рисунке 3.54 приведены зависимости амплитуды принятого сигнала для герметичных оболочек твэлов ВВЭР от расстояния между излучателем и приёмником. Эти зависимости получены для разной ширины пьезоэлементов в датчиках - от 0,65 до 1,5 мм. Для оболочек твэлов ВВЭР амплитуда полезного сигнала достигает своего максимума при значениях Ь, равных 4,9-5,1 мм. При этом период следования обегающих волн такой же, как и для двухщупового метода - 11 мкс.

Стенды инспекции твэлов ВВЭР в бассейне выдержки реактора МИР

Это позволило определить номера стробов, на которых реакция на внутренний дефект минимальна, а на увеличение диаметра – максимальна. Из рисунка 3.99, б видно, что это строб номер 24.

На рисунке 3.100, а приведены сигналы на стробе 24, из которых легко определить координаты локального увеличения диаметра оболочки. Эффективность метода при разделении суперпозиции дефектов продемонстрирована на рисунке 3.100, б, где приведены результаты про-филометрии этого участка оболочки твэла, которые хорошо коррелируют с результатами дефектоскопии (рисунок 3.100, а).

Первичный дефект в этом негерметичном твэле был обнаружен в области нижней заглушки. Осмотр твэла в этом районе (рисунок 3.101) подтвердил результаты вихретоковой дефектоскопии.

Эффективность использования экспрессной вихретоковой дефектоскопии при потвэльной разборке ТВС подтверждается правильностью идентификации не только сквозных дефектов в оболочке твэлов ВВЭР, но и обнаружением несквозных дефектов и дефектов, связанных с вторичным гидрированием оболочки. Обнаружение последних и определение их протяженности важно с точки зрения безопасного обращения с такими твэлами, так как значительное гидрирование оболочки твэла приводит к ее охрупчиванию, что может привести к разрушению твэла в процессе транспортно-технологических операций с ним.

На рисунке 3.102 приведен пример обнаружения несквозного дефекта. По результатам вихретоковой дефектоскопии был обнаружен сигнал высокой амплитуды (рисунок 3.102, а), который после анализа был идентифицирован как сигнал, близкий по своим параметрам либо к сквозному дефекту, либо к несквозному глубокому дефекту. Осмотр данного участка твэла подтвердил наличие дефекта серповидной формы (рисунок 3.102, б), который был вызван, очевидно, взаимодействием оболочки с посторонним предметом, так называемый debris-дефект. Результаты металлографии (рисунок 3.102, в) показали, что это несквозной, глубокий, практически на всю глубину оболочки, дефект [118].

Пример типичного первичного debris-дефекта в нижней части твэла и вторичных дефектов в верхней части, вследствие гидрирования оболочки, приведен на рисунке 3.103. На вихретоко-вой диаграмме отчетливо видны две группы дефектов в нижней и верхней частях твэла. Осмотр твэла в нижней части подтвердил наличие дефекта. В верхней части твэла, где наблюдается серия сигналов, характерная для внутренних дефектов, была сделана металлография, на которой отчетливо наблюдаются скопления гидридов практически по всей толщине оболочки (рисунок 3.104), которые образовались после попадания воды внутрь твэла через первичный дефект.

Микрострук-Рисунок 3.103 - Вихретоковая диаграмма (а) и снимок внешне-тура оболочки негерметичного вида (б) твэла штатной ТВС реактора ВВЭР-1000 го твэла ВВЭР-1000 в районе максимальных вихретоковых сигналов Таким образом, приведенные выше примеры показывают высокую эффективность разработанного метода импульсной вихретоковой дефектоскопии, как при обнаружении дефектов, так и при идентификации их по типам.

Метод определения величины диаметрального зазора между топливным столбом и оболочкой твэлов ВВЭР

Зазор между топливным сердечником и оболочкой твэлов определяет степень термомеханического взаимодействия топливных таблеток с оболочкой в процессе эксплуатации и суще 167 ственно влияет на работоспособность твэлов ВВЭР [119].

Традиционно измерения зазора проводят металлографическим методом на поперечных шлифах твэлов. Несомненным преимуществом этого метода является «прямое» измерение зазора с помощью оптических методов измерения размеров. К недостаткам этого метода можно отнести низкую производительность, результатом чего является ограниченный объем информации о величинах зазора как вдоль твэла, так и у различных твэлов из исследуемой ТВС. Это, в первую очередь, связано со сложностью приготовления большого массива шлифов. Обычно при исследовании одной ТВС ВВЭР только для нескольких твэлов делают несколько шлифов вдоль продольной оси. Так как это разрушающий метод, то возникают дополнительные отходы, дополнительные выбросы ГПД. От этих недостатков свободен неразрушающий метод определения диаметрального зазора [120].

Для неразрушающего определения диаметрального зазора между оболочкой и топливным столбом твэлов ВВЭР были разработаны установка и метод контроля [97, 121, 122]. Сущность метода заключается в контролируемой упругой радиальной деформации оболочки, помещенной между неподвижной опорой и штоком нагружающего устройства, до ее контакта с топливом. Одновременно регистрируется зависимость деформации оболочки от усилия нагружения. Из анализа этой зависимости определяется величина диаметрального зазора.

Для измерения деформации оболочки используется дифференциально-трансформаторный датчик перемещения, механически связанный со штоком пневматической системы нагружения. Неподвижной опорой для зажима твэла служит пьезоэлектрический датчик силы, обладающий высокой механической прочностью и жесткостью [123,124]. Длина нагружаемого участка оболочки твэла составляет около 20 мм.

В результате исследования метрологических характеристик метода на калибрах, выполненных из оболочек твэлов ВВЭР-1000 (топливный сердечник имитировался металлическим цилиндром), показано, сто суммарная погрешность единичного измерения не превышает ± 0,02 мм [121].

Металлический цилиндр, используемый в калибрах не в полной мере имитирует топливный столб облученных твэлов ВВЭР, что может привести к дополнительной методической погрешности при исследованиях облученных твэлов. Причинами появления дополнительной методической погрешности, помимо несоосности таблеток, могут являться (рисунок 3.106):