Содержание к диссертации
Введение
1. Основные методы и проблемы изучения теплофизических характеристик отработавшего топлива ядерных реакторов 10
2. Нестационарный метод комплексного определения теплофизических характеристик твэлов ВВЭР 17
2.1. Сущность метода 17
2.2. Алгоритм оценивания температуропроводности топливного сердечника и тепловой проводимости зазора "топливо-оболочка" 17
2.3. Требования к средствам контроля температуры 22
2.4. Модификация алгоритма оценивания с учетом теплофизических свойств измерителей температуры 24
2.5. Алгоритм определения теплоемкости топлива 25
3. Экспериментальный стенд для исследования теплофизических характеристик твэлов ВВЭР-1000 28
3.1. Внешний нагревательный модуль 29
3.2. Система обеспечения состава и давления газа внутри и снаружи объекта исследований 29
3.3. Система обеспечения и регистрации параметров импульсного нагрева 30
3.4. Система регистрации температуры 30
3.5. Порядок проведения экспериментов и обработки данных 31
4. Характеристики объектов исследования 33
4.1. Параметры таблеток для экспериментов с необлученным топливом 33
4.2. Результаты неразрушающих исследований отработавших твэлов
4.2.1. Наружный диаметр оболочки 35
4.2.2. Вихретоковая дефектоскопия 35
4.2.3. Гамма-спектрометрия 36
4.3. Результаты разрушающих исследований отработавших твэлов 37
4.3.1. Определение количества и состава газовой фазы под оболочкой твэла 37
4.3.2. Металлографические исследования образцов-свидетелей 37
4.3.3. Определение плотности топлива 44
4.4. Подготовка образцов для проведения экспериментов 45
4.4.1, Изготовление образца для проведения экспериментов 45
4.4.2. Оснащение образца средствами измерения температуры 47
5. Характеристики объектов исследования после проведения экспериментов 52
5.1. Визуальный осмотр 52
5.2. Металлографические исследования 53
6. Результаты экспериментов по определению теплофизических характеристик твэлов ВВЭР-1000 65
6.1. Результаты экспериментов с необлученным топливом 65
6.2. Результаты экспериментов с облученным топливом 72
6.3. Численные исследования погрешностей алгоритма оценивания 79
Выводы 87
Список литературы 89
Приложение 93
- Основные методы и проблемы изучения теплофизических характеристик отработавшего топлива ядерных реакторов
- Алгоритм оценивания температуропроводности топливного сердечника и тепловой проводимости зазора "топливо-оболочка"
- Система обеспечения состава и давления газа внутри и снаружи объекта исследований
- Результаты неразрушающих исследований отработавших твэлов
Введение к работе
С переходом на 4-х и 5-ти годичные циклы эксплуатации согласно «Программе развития атомной энергетики на 1998—2005 годы и на период до 2010 года» и «Стратегии развития атомной энергетики в первой половине XXI века», утвержденным Постановлениями Правительства РФ, для обоснования надежности и безопасности эксплуатации топлива высокого выгорания необходимы уточненные расчетные модели поведения топлива в штатных и аварийных режимах эксплуатации, основанные на изучении изменения под действием облучения структурных и теплофизических характеристик твэлов коммерческих реакторов. Точность оценки температурных полей в твэле зависит от достоверности используемых данных по теплофизическим параметрам твэла, к которым относятся температурные зависимости теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости топлива, а также тепловой проводимости зазора между топливом и оболочкой.
В процессе облучения происходит уменьшение теплопроводности топлива ВВЭР в результате накопления растворимых и нерастворимых продуктов деления в топливной матрице, образования дефектов структуры, формирования твердых включений и газовой пористости. При больших выгораниях порядка 45 МВт-сут/кги на внешней поверхности топливного сердечника начинается образование Rim-слоя с повышенной пористостью, который вносит дополнительный вклад в термическое сопротивление топливной таблетки. Под действием термических напряжений в нестационарных режимах происходит фрагментирование таблетки радиальными и кольцевыми трещинами, что также сказывается на ее теплопроводящих свойствах. С выгоранием происходит распухание топливного сердечника и уменьшается с последующим закрытием зазор "топливо-оболочка", изменяется состав газовой среды под оболочкой.
Полный учет структурных изменений топлива, определяемый перечисленными факторами, а также рядом факторов, связанных с реальными параметрами эксплуатации, при моделировании невозможен. Одним из решений данной проблемы является развитие методов исследования и расширение банка экспериментальных данных по теплофизическим характеристикам отработавших твэлов энергетических реакторов. Цель работы.
Целью работы является получение данных по теплофизическим характеристикам твэлов коммерческих реакторов ВВЭР-1000 в диапазоне выгораний 40-65 МВтсут/кги. Для достижения указанной цели ставились следующие задачи:
• Разработка метода комплексного определения температуропроводности и теплоемкости топлива, тепловой проводимости зазора "топливо-оболочка" отработавших твэлов ВВЭР-1000, основанного на пропускании импульса тока через оболочку, с одновременным измерением температуры оболочки и поверхности центрального отверстия топливного сердечника, а также мощности импульса тока.
• Разработка методики проведения эксперимента, основанной на измерении температурного отклика в центре топливного сердечника твэла при импульсном нагреве оболочки, и алгоритмов обработки результатов измерений для получения значений температуропроводности и теплоемкости топливного сердечника, а также проводимости зазора между топливом и оболочкой.
• Разработка и изготовление экспериментального стенда, способов и приспособлений для измерения температурного отклика в центре топливного сердечника отработавшего твэла при импульсном нагреве оболочки на фоне стационарной температуры твэла в диапазоне 30 - 900 °С.
• Исследование структуры топлива коммерческих реакторов ВВЭР-1000 с выгоранием 38, 46 и 65 МВтсут/кги, изготовление образцов и экспериментальное определение значений температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости топливной композиции, а также тепловой проводимости зазора между топливом и оболочкой в диапазоне температур 30 - 900 °С.
Научная новизна.
• Разработаны алгоритмы, позволяющие определять температуропроводность, теплоемкость топливной композиции, а также тепловую проводимость зазора между топливом и оболочкой по результатам измерения мощности тепловыделения и изменения температуры на оболочке и в центре топливного сердечника при импульсном нагреве оболочки,
• Разработан экспериментальный стенд для измерения температурного отклика в центре топливного сердечника облученного твэла при импульсном нагреве оболочки твэла на фоне стационарной температуры в диапазоне от 30 до 900 °С.
• Разработан способ измерения нестационарной температуры оболочки и в центре топливного сердечника отработавшего твэла.
• С помощью разработанного оборудования, методов и алгоритмов обработки результатов измерений получены данные по температуропроводности и теплоемкости топливной композиции, тепловой проводимости зазора между топливом и оболочкой отработавших твэлов реактора ВВЭР-1000 в диапазоне выгораний 40 - 65 МВтхут/кгІ) при температурах твэпа от 30 до 900 °С.
Практическая ценность.
Применение разработанного метода позволило получить температурные зависимости температуропроводности, теплопроводности топлива и тепловой проводимости зазора "топливо-оболочка", заполненного гелием или аргоном, твэлов ВВЭР-1000, облученных до выгораний 40 - 65 МВгсут/кги, в диапазоне температуры от 30 до 900 °С в радиальном направлении распространения теплового потока при сохранении реальной геометрии и локальных неоднородностей в исследуемом сечении твэла.
Полученные данные по теплофизическим характеристикам отработавших твэлов ВВЭР-1000 в совокупности с результатами определения структуры топливного сердечника позволяют проводить верификацию расчетных кодов и могут использоваться при разработке моделей, описывающих изменение свойств реакторного топлива под действием облучения. Это позволяет прогнозировать поведение топливных элементов в эксплуатационных режимах, в условиях аварий, а также при хранении и транспортировке отработавшего топлива, что является ключевым условием повышения эффективности промышленного использования ядерного топлива и увеличения глубины его выгорания, которое, главным образом, лимитируется физическими свойствами и поведением материалов в процессе облучения.
Личный вклад автора.
• Автором разработаны алгоритмы комплексного определения теплофизических характеристик твэлов ВВЭР-1000 по результатам измерения мощности тепловыделения, температуры оболочки, температурного отклика в центре топливного сердечника при импульсном нагреве оболочки твэла. Отличительной особенностью разработанных автором алгоритмов является учет инерционных свойств измерителя температуры в центре топливного сердечника и определение, помимо температуропроводности топлива и тепловой проводимости зазора между топливом и оболочкой, также и теплоемкости топлива.
• При непосредственном участии автора разработана конструкция экспериментального стенда для измерения температурного отклика в центре топливного сердечника облученного твэла при импульсном нагреае оболочки при температурах твэла от 30 до 900 °С. • Автором проведены эксперименты и произведена обработка данных, получены данные по температуропроводности и теплоемкости топлива, а также тепловой проводимости зазора между топливом и оболочкой отработавших твэлов
ВВЭР-1000 в диапазоне выгораний 40 - 65 МВт-сут/кгІІ и температуры от 30 до
Автор защищает.
• Разработанные алгоритмы комплексного определения теплофизических характеристик твэлов ВВЭР-1000 по результатам измерения мощности тепловыделения, температуры оболочки, температурного отклика в центре топливного сердечника при импульсном нагреве оболочки твэла.
• Методику подготовки и проведения экспериментов по определению теплофизических характеристик отработавших твэпов ВВЭР-1000, включая конструкцию экспериментального стенда.
• Результаты экспериментов с отработавшим топливом ВВЭР-1000 в диапазоне выгораний 40 - 65 МВт-сут/кги, в частности:
- температурные зависимости температуропроводности, теплопроводности топлива и тепловой проводимости зазора "топливо-оболочка", заполненного гелием, для твэла с максимальным выгоранием 38 МВт-сут/кги в диапазоне температуры 30 - 930 °С, для твэла с максимальным выгоранием. 46 МВт-сут/кгІІ в диапазоне температуры 30 - 800 °С, для твэла с максимальным выгоранием 65 МВт-сут/кгІІ в диапазоне температуры 40 - 900 "С;
- температурные зависимости тепловой проводимости зазора "топливо-оболочка", заполненного аргоном, для твэла с максимальным выгоранием 38 МВт-сут/кги в диапазоне температуры 40 - 800 °С, для твэла с максимальным выгоранием 46 МВт-сут/кги в диапазоне температуры 30 - 800 °С, для твэла с максимальным выгоранием 65 МВт-сут/кгІІ в диапазоне температуры 40 - 900 °С;
- температурную зависимость теплоемкости топлива для твэла с максимальным выгоранием 38 МВт-сут/кги в диапазоне температуры 30 - 930 °С.
Апробация работы.
Основные результаты работы представлены и обсуждались на: • семинаре КНТС по реакторному материаловедению "Физическое моделирование изменения свойств реакторных материалов в номинальных и аварийных условиях", Обнинск, 23-24 апреля 2002 г. [40]; • семинаре КНТС по реакторному материаловедению "Физическое моделирование изменения свойств реакторных материалов в номинальных и аварийных условиях", Заречный, 14-15 мая 2003 г. [43];
• 7-ой Российской конференции по реакторному материаловедению. Димитровград, ФГУП ГНЦ РФ НИИАР, 8-12 сентября 2003 г. [44];
• Российско-Германском семинаре, ФГУП ГНЦ РФ НИИАР, Димитровград, 5-11 июля 2004 г.;
• семинаре КНТС по реакторному материаловедению "Физическое моделирование изменения свойств реакторных материалов в номинальных и аварийных условиях", Троицк, 26-27 апреля 2005 г.;
• семинаре КНТС по реакторному материаловедению "Вопросы создания новых методик исследований и испытаний, сличительных экспериментов, аттестации и аккредитации", Димитровград, 22-23 ноября 2005 г.
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 13 работ, из них 7 печатных.
Основные методы и проблемы изучения теплофизических характеристик отработавшего топлива ядерных реакторов
Для определения теплопроводности облученного диоксида урана в настоящее время используются как внутри реакторные, так и внереакторные методы. Полученные данные разными методами служат основой для построения моделей зависимости теплопроводности топлива от выгорания, температуры и микроструктурных характеристик, которые носят в основном эмпирический или полуэмпирический характер [1].
Существенным отличием от внереакторных исследований является то, что в реакторе процессы образования и термического отжига дефектов, выпадения и перерастворения продуктов деления в топливной матрице находятся в динамическом равновесии и концентрация центров рассеивания фононов принципиально отличается от их концентрации в условиях проведения экспериментов вне реактора.
Внутри реакторные методы, в основном, основаны на измерении линейной тепловой нагрузки и температуры в центре топливного сердечника в процессе облучения [2-4]. С выгоранием теплопроводность топлива понижается, и температура в центре топлива увеличивается. Например, при выгорании 75 МВт-сут/кги и нагрузке 250 Вт/см температура в центре становится на 250 С больше, чем в начале эксплуатации, хотя проводимость зазора при этом улучшается вследствие его закрытия. Теплопроводность топлива в этом случае определяется для среднего выгорания в твэле и является интегральной величиной по температуре, к тому"же проводимость зазора "топливо-оболочка", которая учитывается расчетным путем, а не прямыми измерениями, вносит неопределенность в получаемые результаты.
Первые внутриреакторные измерения проведены в начале 60-х годов, в результате были установлены [2]: - предельные температуры (700..,1000 С), ниже которых из-за накопления радиационных дефектов происходит снижение теплопроводности топлива; - влияние исходной пористости и форм пор на теплопроводность топлива и предложены расчетные формулы для учета этого фактора; - влияние растрескивания топлива как на теплопроводность, так и на изменение зазора между топливом и оболочкой; - влияние состава и давления газовой среды под оболочкой и релокации топлива на проводимость зазора; - влияние распухания топлива и изменение его состава с выгоранием на его теплопроводность.
Так, в работе [3] показано, что теплопроводность топлива резко уменьшается (на 25...50% при температурах облучения 450... 100 С) в самом начале облучения при выгорании около 1017 дел./см3, и при отжиге радиационных дефектов в топливе на температурах выше 500 С теплопроводность полностью восстанавливается. Там же изучалось изменение теплопроводности топлива при высоких выгораниях. При средней температуре облучения около 700 С эффективная теплопроводность уменьшалась на 50% по сравнению с необлученным для топлива с выгоранием около 2,8-1021дел./см3.
Наибольший массив данных по внутриреакторным измерениям температуры в центре топливного сердечника накоплен в Халдене, в основном для топлива реактора PWR. На основе этих данных в работе [4] предложена эмпирическая корреляционная формула для теплопроводности облученного топлива с плотностью 95% от теоретической (Л 5): Ls = 1 —+ 0.0132-сооошт, (1.1) 0.01148 + 0.0035-5 + 2.475-10-4 -(і-0.00333-В)-Т где В -выгораниетоплива, МВтсут/кгІІ; Г -температура, К. Первое слагаемое описывает вклад фононной составляющей в теплопроводность, а второе - вклад электронной проводимости, влияние которой на теплопроводность растет при температурах более 1600 С. Следует отметить, что измерения температуры в первые несколько часов в этих экспериментах не обнаружили факта резкого снижения теплопроводности топлива в начальный период эксплуатации. В результате автор работы [4] сделал вывод, что радиационные повреждения слабо влияют на изменение теплопроводности топлива на соответствующих внутри реакторных температурах и их наличие недостаточно для объяснения эффекта восстановления теплопроводности после отжига при внереакторных измерениях. В работе [6] описан внутриреакторный стационарный метод, в котором для определения теплопроводности топлива кроме измерения температуры в центре топливного сердечника применялось измерение температуры наружной поверхности топливного сердечника с помощью ТЭП, заделанного в паз. При этом использовались твэлы с таблетками из диоксида урана большого диаметра (30 мм). За время экспериментов было достигнуто небольшое выгорание, порядка 1-5-1017 дел/см3. Полученная зависимость теплопроводности топлива с плотностью от 10,4 до 10,7 г/см3 от температуры описывается уравнением: Ж)= 55 +0.942-10 12-Г3 . (1.2) 560 + Г Эта зависимость использовалась для обработки данных, полученных в экспериментах с твэлами малого диаметра (9 мм) и разной величиной зазора между топливом и оболочкой. Это позволило авторам работы [6] определить зависимость контактной проводимости зазора от линейной ТЄПЛОБОЙ нагрузки. Погрешность измерения теплопроводности этим методом, в основном, зависит от погрешности экспериментального определения депрессии нейтронного потока по топливному сердечнику, точность которой невелика и оценивается в 5-10%. Также, на результаты большое влияние оказывают показания ТЭП на наружной поверхности топливного сердечника, которые при растрескивании топлива в месте расположения паза и нарушении зацепления с топливом в низкотемпературной области может давать заниженные значения.
Внереакторные методы исследования теплопроводности облученного топлива, как правило, построены на измерении температуропроводности с последующим пересчетом полученных данных в теплопроводность. Основным достоинством внереакторных методов исследования является то, что они проводятся в хорошо контролируемых условиях. Для измерения температуропроводности в основном применяется так называемый "laser-flash" метод [7-Ю] (метод Паркера). В этом методе одна сторона тонкого фрагмента топлива нагревается с помощью лазерного импульса, а с другой стороны фрагмента измеряется температурный отклик. Обработка полученных данных с учетом конечной ширины импульса, тепловых потерь на краях образца и соотношения геометрических размеров позволяет получить температуропроводность фрагмента топливной таблетки. Существуют модификации "laser-flash" метода, позволяющие одновременно определять и теплоемкость топлива. Пересчет температуропроводности топлива в теплопроводность производится с использованием данных по плотности и теплоемкости образца, при этом если измерение теплоемкости не проводилось, то используются данные по теплоемкости необлученного диоксида урана, так как теплоемкость U02 слабо меняется с выгоранием [11]. В качестве образцов для "laser-flash" метода используются или небольшие плоские однородные фрагменты облученного штатного топлива, или специально подготовленные тонкие диски топлива, облученные в реакторе в составе экспериментальных ТВС, или имитаторы облученного топлива. Приготовление образцов из фрагментов штатных твэлов с хорошим качеством поверхности и отсутствием трещин является очень трудоемким процессом [91, также при анализе результатов измерения теплопроводности надо принять во внимание неопределенность в оценке температуры облучения образца [14] и существования неоднородности микроструктуры топлива по поверхности образца [9]. Образцы топлива, подготовленные в виде дисков, облучаются в реакторе при практически постоянной температуре по радиусу благодаря проложенным между ними толстым дискам из молибдена и имеют равномерное выгорание и структуру топлива по радиусу. Однако это достигается повышенным обогащением топлива и мягким спектром нейтронов в реакторе, что отличается от условий облучения топлива в коммерческих реакторах.
Алгоритм оценивания температуропроводности топливного сердечника и тепловой проводимости зазора "топливо-оболочка"
Для обработки температурных кривых Жителевым В,А. выбран алгоритм, построенный на теории нелинейного оценивания [23,24], широко применяемой для определения параметров динамических систем. Такие алгоритмы соответствующим образом обрабатывают отклики систем на известные или на измеряемые входные воздействия, подбирая таким образом значения коэффициентов дифференциальных уравнений, описывающих эти системы, чтобы выполнялось некоторое заданное условие оптимизации. Кроме того, такие алгоритмы обеспечивают фильтрацию шумовой составляющей погрешности измерителей.
В алгоритме используются одномерные дифференциальные уравнения теплопроводности твэла в разностной форме. Температурный узел к = 1 соответствует внутренней поверхности топливного сердечника, а узел к = N +1 - внешней. Температурный узел N + 2 находится на внутренней поверхности оболочки, причем RN+2 - RN+] = 5 , где 5 - эффективная величина зазора "топливо - оболочка". При выводе уравнений используются следующие допущения: теплопроводность Я, и удельная теплоемкость топлива с, во всем сечении одинаковы и при малых отклонениях температуры от стационарного режима постоянные; плотность топлива р, в сечении постоянная; величина зазора 8, эффективная тепловая проводимость зазора ag при малых отклонениях температуры от стационарного режима также постоянные; Рис. 2.1. Схема разбиения поперечного сечения твэла. внутренние источники тепла в топливном сердечнике отсутствуют. При выводе используются следующие начальные и граничные условия: размеры топливной таблетки, т.е. радиусы внутренней и внешней поверхности топливного сердечника известны; для облученного твэла их значения определяются по результатам металлографических исследований и корректируются с учетом температурных расширений; начальное распределение температуры 0{г) по радиусу твэла задано; в период подготовки к эксперименту производится разогрев образца внешним нагревателем и его термостатирование, при этом распределение температуры по радиусу будет равномерным, т. е. 0(r) = const при г = 0; граничные условия для внутренней поверхности топливного сердечника fdO) симметричны, то есть — = 0; для оболочки твэла задают граничные условия третьего рода, т. е. тепловой поток на поверхности топливного сердечника для любого момента времени определяется тепловой проводимостью зазора -Л, — = CC%VK„W OX при этом температура оболочки твэла 90 контролируется. С учетом выражения (2.1) и приведенных допущений дифференциальные уравнения теплопроводности твэла аппроксимируются следующей системой разностных уравнений: для первого узла на поверхности центрального отверстия таблетки (к = 1): е; Ат=е; + 2аАт ( 2Л,+АД Д.+АД Л д,дд;+(дд,у/4 (2.2) где а, =—— -температуропроводностьтоплива. Для узлов внутри топливного сердечника {k = 2,..,,N): ДгД,дД 2 2 . Дг. (2.3) Для узла на внешней поверхности топливной таблетки {N + 1): {01,,-01) сг= + Дг с,Л(Д„+1ДД,-(ДЯ,/2)г) ( 2RN tag (0JV+J - Of/+l ) - К 2Л ,-АЛ(,л, &R. . (2.4) Уравнение (2.4) можно преобразовать введением параметра аг, характеризующего теплопередачу в зазоре: а, а, = (2 где ай -тепловая проводимость зазора. (RN+lARt-(ARti2f) Л+Л+г Ъ +а, \ ДД, / Аг. (2 Для узла JV+2 температура считается известной в каждый момент времени. Коэффициентами полученной системы разностных дифференциальных уравнений (2.2)-(2.4), (2.6) являются параметры, подлежащие оценке: температуропроводность топлива а, и параметр а., определяющий теплопередачу в зазоре.
Для практической реализации метода необходимо выставить требования к средствам контроля температуры оболочки твэла и внутренней поверхности топливного сердечника, т. к. погрешности определения температуропроводности топлива и коэффициента теплопередачи зазора будут определяться инструментальными погрешностями измерителей температуры, К тому же, характеристики средств измерения не являются идеальными и их применение может заметно искажать температурное поле в тзэле, поэтому выбор средств измерения температуры и способов их крепления должен производиться исходя из условия минимизации их влияния на объект исследований и, при необходимости, в алгоритме оценивания должны быть учтены характеристики термопреобразователей в виде адекватной математической модели.
Основные требования к измерителям температуры на оболочке: ? возможность измерения температуры в нескольких точках по периметру сечения с целью контроля ее средней температуры; ? малая инерционность измерителей; ? хороший тепловой контакт измерителя с оболочкой. Необходимость измерения средней температуры объясняется неравномерностью температурного поля на оболочке, которая может быть вызвана несоосностью расположения таблеток в твэле и, соответственно, неравномерной величиной зазора по азимуту в контролируемом сечении. Таким образом, участок оболочки, где зазор "топливо-оболочка" больше, будет нагреваться до большей температуры, чем участок оболочки, где зазор меньше. При этом выравнивание температур по толщине тонкой оболочки происходит значительно быстрее, чем по ее периметру. Неравномерный нагрев оболочки может быть вызван также неравномерностью плотности тока, пропускаемого через оболочку.
Использование малоинерционных термоэлектропреобразователей (ТЭП) с малым сечением чехла позволяет идеализировать процесс передачи тепла от оболочки к чувствительному элементу ТЭП при хорошем тепловом контакте и считать передаточную функцию преобразователя константой.
Обеспечение хорошего теплового контакта обеспечивается пайкой горячего спая ТЭП на поверхность оболочки. Для уменьшения влияния на показания ТЭП отвода тепла от горячего спая по термоэлектродам и чехлу область пайки должна быть достаточно широкой и составлять не менее 20-30 диаметров чехла [28].
Необходимо заметить, что в алгоритме оценивания используется температура на внутренней поверхности оболочки, а не на внешней. Однако из-за высокой теплопроводности оболочки перепад температуры на ее внутренней и внешней поверхности будет незначительным.
Для измерения температуры на внутренней поверхности топливного сердечника можно использовать термометрический зонд. Конструкция термозонда позволяет обеспечить плотный контакт четырех горячих спаев (двух "хромель - нержавеющая сталь" и двух "алюмель - нержавеющая сталь") с поверхностью топлива в центральном канале таблетки. Спаи располагаются в одном радиальном сечении под углом 90 друг к другу. Они представляют собой лепестки, полученные вырезкой продольных пазов на конце капиллярной трубки из нержавеющей стали, к наружной поверхности которых приварены электроды из хромеля и алюмеля (рис. 2.3). Принцип действия термозонда основан на преобразовании аксиального перемещения центрального стержня в радиальное перемещение спаев. При втягивании стержня лепестки раскрываются и прижимаются к поверхности топлива.
Система обеспечения состава и давления газа внутри и снаружи объекта исследований
Система состоит из двух отдельных разомкнутых газовых контуров. Первый из них предназначен для замены и поддержания давления и состава газа под оболочкой экспериментального образца. Он включает баллоны с гелием высокой чистоты и аргоном, редукторы, манометр, ротаметр и вентили. Для подключения к контуру концевые детали образца имеют штуцера. Этот контур обеспечивает продувку образца и поддержание давления гелия или аргона при проведении экспериментов в диапазоне от 0,1 до 0,5 МПа. Газ, подаваемый на вход образца, предварительно проходит через устройство очистки, которое представляет собой нагреватель, заполненный циркониевой стружкой. Стружка разогрета до температуры 800 С. Устройство предназначено для удаления следов кислорода и воды из используемого газа. Это же устройство используется и при пайке термопар на оболочку твэла.
Второй контур предназначен для обеспечения инертной газовой среды снаружи образца и также имеет устройство очистки. Центральная часть этой конструкции при проведении экспериментов размещается во внешнем нагревательном модуле.
При проведении эксперимента необходимо обеспечить быстрый разогрев оболочки экспериментального образца. Эту функцию выполняет система импульсного нагрева. Она включает: сварочный трансформатор ТДМ-401-1У2; блок управления; накладные медные контакты. Нагрев достигается пропусканием электрического тока непосредственно через оболочку образца. Для этого концы образца с использованием медных накладных контактов подключаются к сварочному трансформатору. Блок управления обеспечивает пропускание тока силой около 180 А в течение 0,3 - 0,6 с.
Для определения линейной мощности импульса проводилось измерение тока и падения напряжения на образце. Для измерения тока использовался токовый трансформатор ТКН-05 с коэффициентом трансформации 60±0,3 и образцовое сопротивление 0,202 Ом. Напряжение на образцовом сопротивлении и падение напряжения на известной длине экспериментального образца регистрировались с помощью двулучевого цифрового осциллографа TDS 3012.
Для регистрации температур использовалась компьютерная система сбора данных на основе платы ЛА-7 производства ЗАО "Руднев-Шиляев". Плата имеет 16-ти разрядный АЦП и 8 аналоговых дифференциальных входных каналов. Погрешность измерения напряжения платой составляет 0,002% в рабочем диапазоне. Период опроса ТЭП составлял 0,1 или 0,05 с. 3.5. Порядок проведения экспериментов и обработки данных
В процессе проведения экспериментов по исследованию температуропроводности топлива и тепловой проводимости зазора "топливо-оболочка", в соответствии с требованиями используемого метода, в защитной камере выполнялись следующие основные операции. 1. Сборка стенда и установка инструментованного образца. 2. Продувка полости образца гелием или аргоном и полости канала аргоном. 3. Нагрев образца до необходимой температуры при помощи внешнего нагревательного модуля. 4. Импульсный нагрев оболочки образца с регистрацией показаний ТЭП и термозонда, а также параметров импульса тока. 5. Выдержка в течение времени, достаточного для выравнивания температуры по радиусу образца, 6. Повторение операций п. 4 и 5 для получения представительного набора экспериментальных данных (5-Ю раз). 7. Включение продувки полостей образца и канала высокого давления, нагрев при помощи внешнего нагревательного модуля до более высокой температуры с последующим повторением операций п. 3-6. Среда под оболочкой образца - гелий или аргон при атмосферном давлении, снаружи-аргон.
Полученные в результате экспериментов кривые изменения температур в исследуемом сечении обрабатывали с помощью алгоритма оценивания температуропроводности топлива и тепловой проводимости зазора "топливо-оболочка" [36-38]. Процедура оценивания, представляющая собой итерационный процесс, производилась в несколько шагов. На первом шаге задавались начальные априорные значения оцениваемых параметров. Далее осуществлялась оценка этих параметров алгоритмом оценивания. Полученные на предыдущем шаге процедуры оценивания значения использовались в качестве исходных для следующего шага. Процесс оценивания заканчивался, когда значения параметров совпадали с полученными на предыдущем шаге с заданной точностью.
В результате обработки получали два параметра, характеризующих теплофизические свойства образца: температуропроводность таблеток U02 и отношение тепловой проводимости зазора "топливо-оболочка" к теплоемкости топлива. Далее по этим параметрам рассчитывали теплопроводность для U02 с плотностью 95% от теоретической и тепловую проводимость зазора "топливо-оболочка", используя приведенные ниже соотношения, рекомендованные в [27]. При этом использовались измеренные данные по плотности (или пористости) образца-свидетеля.
Результаты неразрушающих исследований отработавших твэлов
Целью аттестации отработавших твэлов являлось обоснование типичности их характеристик для данного выгорания, а также получение основных исходных данных по состоянию топлива и оболочки. По результатам стандартного комплекса исследований отбирались твэлы ВВЭР-1000 в типичном состоянии после штатной эксплуатации, с выгоранием около 30, 50 и 60 МВт-сут/кги.
Для исследования теплофизических характеристик облученного топлива ВВЭР-1000 было отобрано по одному твэлу из разных ОТВС. ОТВС Е1591 отработала 3 топливных цикла на 3-ом блоке Балаковской АЭС (отобран твэл №151), ОТВС ЕД7713 отработала 4 топливных цикла на 3-ом блоке Балаковской АЭС (отобран твэл № 130). ОТВС ЕД1114 отработала 3 топливных цикла на 5-м блоке НВ АЭС (отобран твэл № 163). На рис. 1а, 2а и За в приложении приведены распределения среднего диаметра твэлов № 151 ТВС № Е1591, № 163 ТВС № 1114 и № 130 ТВС № ЕД7713 по высоте. Профилограмма показывает, что на участке газосборника для твэла №151 ТВС № Е1591 диаметр в среднем на -0,07 мм выше, чем на середине участка топливного сердечника, а для твэлов № 163 ТВС № ЕД1114 и № 130 ТВС № ЕД7713 - на 0,04 мм и 0,08 мм соответственно.
Диагностика состояния оболочки твэлов проводилась на гармоническом вихретоковом дефектоскопе с проходным датчиком дифференциального типа по методике [30]. В качестве рабочих были выбраны частоты 150 и 400 кГц. Измерения проводились в старт-стопном режиме с шагом 2 мм. На рис. 16, 26 и 36 в приложении приведены вихретокограммы оболочек твэлов. Вихретокограммы показывают, что сигналов с аномальной амплитудой зарегистрировано не было.
Гамма-спектрометрические исследования твэлов проводились с использованием полупроводникового Ge-детектора на спектрометре с многоканальным анализатором "Canberra". Сканирование проводилось дискретно с шагом 6 мм. Высота щелевого коллиматора составляла 3 мм.
Выгорание топлива твэлов №151 ТВС № Е1591 и №163 ТВС № Е1114 определялось методом сравнения скорости счета гамма-линии Cs-137 исследуемого и образцового твэлов. Погрешность метода составляет +10%. Среднее и максимальное выгорание для твэлов, а также коэффициент неравномерности приведены в табл. 4.4. Для твэла № 130 ТВС № ЕД7713 приведены данные, рассчитанные на АЭС [31]. На рис. 1в, 2в и Зв в приложении представлено распределение гамма-активности продуктов деления по длине твэлов. Периодические минимумы концентрации продуктов деления в районе 2-14 дистанционирующих решеток связаны с поглощением нейтронов компонентами нержавеющей стали, из которых они изготовлены. Резкий минимум между 13 и 14 решетками в твэле № 130 ТВС № ЕД7713 обусловлен разрывом в топливном столбе. Длина разрыва составляет 12-16 мм. 4.3. Результаты разрушающих исследований отработавших твэлов 4.3.1. Определение количества и состава газовой фазы под оболочкой твэла
Объем и давление газов под оболочкой твэлов определяли манометрическим методом при проколе лазерным лучом оболочки твэла, помещенного в замкнутую систему. Анализ состава газа, выделившегося при проколе твэла, выполнялся масс-спектрометрическим методом по методике [32]. Состав и давление газа под оболочкой твэлов, свободный объем и объем газа при нормальных условиях приведены в таблице 4.5.
Топливо образца-свидетеля из твэла № 151 (38 МВт-сут/кги ) фрагментировано шестью радиальными трещинами (рис. 4.2а). Наружная поверхность оболочки покрыта тонкой, равномерной оксидной пленкой толщиной менее 5 мкм (рис. 4.2в). Между топливом и оболочкой сохранился неоднородный по толщине зазор, на отдельных участках внутренней поверхности оболочки наблюдается оксидная пленка (рис. 4.2г,д). Микроструктура топлива по радиусу таблетки до травления приведена на рис. 4 в приложении. Rim-слой на периферии топливной таблетки отсутствует. Таблица 4.6 Координаты вырезки образцов
Топливо образца-свидетеля твэла № 130 (65 МВт-сут/кги ) сохранило исходную конфигурацию при наличии не только радиальных, но и отдельных тангенциальных трещин. Трещины довольно тонкие и делят таблетку примерно на десять фрагментов разной величины (рис. 4.3а). На наружной поверхности оболочки наблюдается достаточно равномерная по толщине (около 5 мкм) оксидная пленка, местами отслоившаяся (рис. 4.3s). По всему периметру внутренней поверхности оболочки имеется слой взаимодействия с топливом толщиной около 10 мкм; зазор между топливом и оболочкой отсутствует (рис. 4.3г).
Параметры микроструктуры топлива были определены методом количественного анализа изображений в соответствии с методикой [33]. Анализ пористости топлива с размером пор больше, чем 0,5 мкм образца-свидетеля из твэла №163 ТВС №1114 (46 МВт-сут/кгІІ) проводился по оцифрованным фотографиям микроструктуры при увеличении х80О в трех точках по радиусу таблетки. Результаты обработки приведены на рис. 4.4б-д.
Анализ параметров зерен топлива и пористости образцов-свидетелей из других двух твэлов проводился по изображениям микроструктуры, полученным на оптическом микроскопе, оснащенном цифровой камерой с 1300x1030 элементами ПЗС-матрицы. При 400-кратном увеличении микроскопа цифровая камера обеспечивает разрешение элементов в 0,155 мкм, а при 600-кратном увеличении микроскопа-0,066 мкм.
Определение пористости и статистических характеристик распределения пор по размерам на образце свидетеле твэла № 130 (65 МВт-сут/кгІІ) проводилось на четырех участках по радиусу таблетки (рис. 5 в приложении). На каждом участке бралось по два изображения микроструктуры при 600-кратном увеличении микроскопа. Обрабатывались полученные изображения отдельно с нормированием по площади. Далее проводился совместный анализ результатов обработки и были получены распределение пор по диаметру и средняя пористость по сечению таблетки.
В соответствии с разрешением оптического микроскопа, учитывались поры размером более 0,8 мкм. С использованием распределения лор по размерам в контролируемом интервале, определялась пористость для всего размерного диапазона пор с помощью методики [33]. Максимальная погрешность измерения пористости не превышала 10%. Средняя пористость по сечению таблетки определялась численным интегрированием функции, аппроксимирующей экспериментальные данные с шагом 10 мкм. Средняя пористость по сечению образца-свидетеля из твэла №130 составляет 6,0 ± 0,5%. В таблице 4.10 приведены характеристики пористости образца свидетеля из твэла № 130 (65 МВт-сут/кгІІ). Таблица 4.10 Параметры пор по радиусу образца свидетеля из твэла № 130 (65 МВт-сут/кгУ)
Анализ распределения параметров зерен проводился для образцов-свидетелей из твэлов № 151 (38 МВгсут/кгІІ) и № 130 (65 МВгсут/KrU) в трех точках по радиусу таблеток при 400-кратном увеличении микроскопа, после химического травления на зерно шлифов, на которых исследовалась пористость. На каждом участке брались по два изображения микроструктуры. Обрабатывались изображения отдельно с нормированием по площади. Далее проводился совместный анализ результатов обработки изображений, в результате которого, определялись параметры зерен. В основу методики количественной обработки положены расчетные алгоритмы, соответствующие ASTM (Volume 03.01,Е 1382-91) [34], которые предусматривают использование площади сечения каждого зерна в качестве исходной информации для определения размерных параметров.
На рис. 6 - 8 в приложении приведены полученные методом количественной обработки изображений параметры зерен топлива в трех точках по радиусу для образца-свидетеля из твэла № 151 (38 МВт-сут/KrU), а на рис. 9-11 в приложении -параметры зерен для образца-свидетеля из твэла № 130 (65 МВтсут/кги),
Анализ распределения пористости по радиусу таблетки для образца-свидетеля из твэла № 151 (38 МВтхут/KrU) не проводился из-за значительного выкрашивания топлива при подготовке шлифа (рис. 4 в приложении).
