Контроль твэлов и ТВС энергетических реакторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦИЯ

Контроль твэлов и ТВС энергетических реакторов

Введение

Качество промышленной продукции регламентируется государственными и отраслевыми стандартами, техническими условиями и другими нормативными документами. Твэлы являются продукцией, для которой вероятность отказа чрезвычайно мала (порядка 10^-5). По этой причине контроль качества твэлов и соответствие параметров изделия нормативным требованиям занимают важное место в технологии производства.

Контроль сварных соединений

К сварным соединениям твэлов предъявляется целый ряд требований, которые оговариваются или конструкторской документацией, или техническими условиями.

На сварных соединениях не допускаются дефекты, размеры которых превышают значения, указанные в конструкторской документации, или дефекты, не соответствующие контрольным образцам внешнего вида. В сварных соединениях, выполненных дуговой сваркой, не допускаются дефекты, заметно уменьшающие площадь поперечного сечения сварного соединения. Контроль качества наружной поверхности сварных соединений проводится с применением оптических средств (бинокулярными или простыми лупами). Геометрические размеры сварных соединений контролируются измерительным инструментом, калибрами, шаблонами или другими устройствами. Металлографические исследования сплошности металла сварных соединений и их соответствие геометрии и формы требованиям конструкторской документации выполняются на шлифах, вырезаемых из технологических образцов, образцов-свидетелей, полностью воспроизводящих конструкцию сварного соединения, или из твэлов. При металлографическом контроле фиксируются поры диаметром более 0,01 мм при толщине оболочки менее 0,5 мм и более 0,02 мм при толщине более 0,5 мм. В сварных соединениях допускаются единичные поры в первом случае менее 20%, во втором -- менее 25% толщины оболочки). Устанавливаются ограничения по расстоянию между порами и по суммарной площади пор в продольном сечении шва. При обнаружении включений вольфрама (дуговая сварка вольфрамовым электродом в инертном газе) определяется поперечный размер включения с окружающим слоем измененной структуры.

Радиационный метод контроля

Для выявления внутренних дефектов в герметизирующих сварных соединениях на твэлах (непровары, поры, включения, вздутия и др.) широко применяются радиационные методы контроля: радиографический и радиационной интроскопии. Радиографический метод контроля основан на преобразовании радиационного изображения сварного соединения в радиографический снимок или записи этого изображения на запоминающем устройстве с последующим преобразованием в световое изображение Метод радиационной интроскопии основан на преобразовании радиационного изображения сварного соединения в световое изображение на выходном экране радиационно-оптического преобразователя, например радиационно-телевизионной установки. Анализ изображения можно проводить как непосредственно в процессе контроля, так и при последующем просмотре на экране монитора записи на магнитной ленте видеомагнитофона или на снимках с экрана радиационно-оптического преобразователя.

Хотя радиационные методы контроля и не гарантируют выявления трещин, плоскость раскрытия которых не совпадает с направлением излучения, непроваров с раскрытием менее 0,1 мм, а также мелких трещин небольшой протяженности (около 0,5 мм) и с раскрытием более 0,1 мм тем не менее, радиографический метод получил преимущественное применение при контроле качества сварных соединений на твэлах для активных зон реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. Конструкция герметизирующих сварных узлов твэлов очень неблагоприятна для радиографии, так как толщина просвечиваемого материала изменяется от максимума (по диаметру) до нуля (по касательной). Поэтому радиографию сварных соединении проводят в трех-шести положениях твэла с поворотом вокруг оси на 120 -- 60°. Полезная информация о качестве сварного соединения получается лишь на двух небольших диаметрально противоположных участках (рис. 1).

Рис.1. Схема радиографии сварного соединения твэла:

1-- рентгеновское излучение; 2 -- тело концевой заглушки; 3 -- оболочка; 4 -- кассета с рентгеновской пленкой; 5 -- контролируемая толщина

Радиационный метод контроля применяется для отдельных выборок из партии твэлов объемом примерно 5 % от общего количества. Большая трудоемкость и высокая стоимость радиографического метода контроля заставляли искать другие способы контроля качества сварных соединений на твэлах.

Ультразвуковой метод контроля

Применяемые схемы ультразвукового контроля показаны на рис. 2. Первая схема была разработана во Франции для контроля сварных соединений, выполненных дуговой сваркой неплавящимся электродом в аргоне, на твэлах диаметром 9,56 мм и толщиной оболочки 0,6 мм (ширина шва 3 мм). Контроль проводился эхо-импульсным методом совмещенным ПЭП с фокусировкой поля излучения в точку при частоте 10 МГц и вращательно-поступательным движением твэла.

Рис. 2. Схемы ультразвукового контроля сварных соединений на твэлах, выполненных сваркой плавлением, с введением ультразвуковых колебании в оболочку (а), в сварное соединение под прямым углом (б) и вдоль него (в):

1 -- пьезоэлектрический преобразователь; 2 -- оболочка; 3 -- заглушка; 4 -- сварное соединение

Опыт эксплуатации ультразвуковых установок и сопоставление результатов контроля сварных соединений ультразвуковым и радиографическим методом показали, что при ультразвуковом контроле на обнаружение пор большое влияние оказывает их геометрическая форма. Чечевицеобразные и вытянутые поры размером более 0,2-0,3 мм практически не выявляются при их неблагоприятном расположении относительно фронта ультразвуковой волны. Для выявления пор несферической формы необходимо проводить их "озвучивание" под разными углами, с разных сторон, что сильно усложняет конструкцию установки и резко снижает производительность контроля.

Герметизация твэлов для активных зон тяжеловодных реакторов типа САNDU (Канада), кипящего реактора SGHWR (Великобритания) и реакторов с водой под давлением, производится контактно-стыковой сваркой (КСC1). К торцу оболочки приваривается чашеобразная заглушка на контактных стыковых машинах, оборудованных электромагнитным или пневматическим механизмом осадки. В процессе сварки регистрируются сварочный ток, усилие, величина осадки и динамическое электрическое сопротивление свариваемого стыка. Многолетний опыт производства и эксплуатации твэлов показал высокое качество сварных соединений. Имелись лишь единичные случаи потери герметичности твэлами по сварным соединениям.

Схема ультразвукового эхо-импульсного контроля совмещенным ПЭП с фокусировкой (фокусное расстояние 25 мм) поля излучения в точку диаметром 0,4 мм на частоте 15 МГц показана на рис.3. При угле ввода ультразвуковых колебаний в оболочку под углом 29⁰ в стенке оболочки возбуждается поперечная волна (. = 0,15 мм). Во время контроля твэл движется вращательно-поступательно. В сварных соединениях выявлялись дефекты в виде несплавлений оболочки с заглушкой высотой более 0,04 мм (около 10% толщины стенки). Образующийся при сварке грат на внутренней поверхности сваренного стыка создает сильные помехи, крайне затрудняющие выявление дефектов в сварном соединении.

Рис.3. Схема ультразвукового контроля сварного соединения, выполненного контактной стыковой сваркой заглушки с торцом оболочки (КСС-1):

1 -- оболочка; 2 -- внутренний грат; 3 -- заглушка; 4 -- линия сплавления (пунктир); 5 -- пьезоэлектрический преобразователь

В нашей стране для герметизации твэлов РБМК и ВВЭР разработан и применяется новый вариант контактной стыковой сварки (КСС-2). Технология сварки и конструкция сварного узла описаны в лекции 20. В соответствии с требованиями технических условий, в сварных соединениях не допускаются несплавления заглушки с оболочкой, а протяженность линии сплавления в направлении оси твэла должна быть не менее заданного ТУ значения (около1,5-2 мм). Для измерения ее протяженности используется ультразвуковой метод. Сварное соединение прозвучивается в диаметральном направлении ультразвуковым лучом с острой фокусировкой. Излучаемые ПЭП-1 ультразвуковые импульсы (несущая частота 5 МГц) проходят через сварное соединение и принимаются приемным ПЭП-5

Рис.4. Схема ультразвукового контроля сварного соединения, выполненного контактной стыковой сваркой (КСС-2):

1, 5 -- излучающий и приемный пьезоэлектрические преобразователи; 2 -- оболочка; 3 -- линия сплавления (пунктир); 4 -- диафрагма; 6 -- заглушка

В процессе контроля твэл вращается, а каретка с ПЭП перемещается в осевом направлении (шаг сканирования 0,2 мм/оборот). Когда на пути ультразвуковых импульсов появляется зазор или конец заглушки уровень сигнала, снимаемого с ПЭП-5, резко снижается. Результаты контроля записываются на диаграммную бумагу, по которой и определяется протяженность участка сплавления в направлении оси твэла. Погрешность измерения оценивается ±0,3 мм. Этот метод контроля позволяет также выявляет и несплавления в сварном соединении. Уверенно обнаруживаются несплавленные участки площадью более 0,5 мм² с раскрытием более 0,03 мм.

Большая чувствительность к раскрытию несплавленного участку получается при контроле эхо-методом совмещенным ПЭП с фокусировкой поля излучения в точку и расположением фокального пятна на линии сплавления заглушки с оболочкой. Переход на более высокую частоту (более 20 МГц) позволяет обнаруживать несплавленные участки с меньшим раскрытием.

Контроль герметичности твэлов

твэл энергетический качество

Под герметичностью твэла следует понимать свойство оболочек и сварных соединений удерживать в объеме твэла рабочий газ-индикатор при настолько малой величине проникновения газа в теплоноситель, что ею можно пренебречь при эксплуатации конструкции.

Из многочисленных методов испытаний на герметичность преимущественное применение нашел масс-спектрометрический метод, основанный на ионизации газа с последующим разделением ионов по массе в магнитном и электрическом полях. Для этих целей применяются гелиевые течеискатели. Гелиевый течеискатель обладает высокой чувствительностью. С его помощью можно обнаружить утечки гелия с расходом 1 см³ за 500 лет. Гелий легко проникает в мельчайшие поры, инертен по отношению к газам и материалам твэлов.

Нормы на допустимые течи в оболочке твэла фактически устанавливают на предельной чувствительности течеискателя. Так, например, течь в оболочке твэла не должна быть более 1,8^.10^-10 м³ Па с^-1. Нормы на отбраковку при групповом контроле твэлов устанавливают экспериментально. Перед контролем твэлы сушат в вакууме. При использовании метода опрессовки гелием для очистки поверхности твэла от гелия перед испытанием на герметичность хорошие результаты дает легкое травление готового твэла.

Течеискатель работает следующим образом (рис.5). Газ, выделяющийся из твэла, поступает в спектрометр течеискателя, где ионизируется потоком электронов, испускаемых нитью. Образовавшиеся ионы ускоряются и фокусируются электрическим полем, после чего пучок ионов направляется в зазор между полюсами постоянного магнита.

Рис.5. Схема гелиевого течеискателя: 1 -- нагретая сетка отражателя; 2 -- пучок электронов; 3 -- молекулы газа, выделяющиеся из испытываемого изделия; 4 -- постоянный магнит; 5 -- тяжелые ионы; 6 -- ионы гелия; 7 -- электрометрическая лампа; 8 -- мишень; 9 -- легкие ионы; 10 -- пучок ионов; 11 -- щель; 12 -- вольфрамовая нить

В магнитном поле ионы отклоняются на круговые орбиты в зависимости от их массы. Поток ионов гелия образует слабый электрический ток, который усиливается и трансформируется в звуковой сигнал.

Существует несколько разновидностей проверки герметичности с помощью гелиевого течеискателя: опрессовка (рис.6), обдув (рис.7), вакуумная камера (рис.8) и др.

Рис.6. Контроль герметичности гелиевмм течеискателем; метод опрессовки: а -- схема установки; б -- емкость для опрессовки твэлов; 1 -- испытательная камера; 2 -- кольцевая прокладка; 3 -- герметичные клапаны; 4 -- холодная ловушка; 5 -- вакуумметр; 6 -- гибкая вакуумная линия; 7 -- гелиевый течеискатель

Рис.7. Контроль герметичности гелиевым течеискателем; метод обдува:

1 -- баллон с гелием; 2 -- головка с соплом; 3 -- испытываемое изделие; 4 -- вспомогательный насос; 5 -- гибкий шланг, 6 -- дроссельный клапан; 7 -- течеискатель

Контроль проводится при повышенных температурах. Гелиевым течеискателем можно обнаружить мельчайшие отверстия, трещины в оболочках и сварных швах твэла. С помощью течеискателя определяют относительное количество гелия, выходящего из твэла. Частицы грязи или масла на твэлах приводят к большим ошибкам. При наличии значительных по размерам сквозных дефектов в оболочках твэлов течеискатель может не дать заметных показаний, так как во время вакуумирования весь гелий может выйти из-под оболочки твэла.

Рис.8. Контроль герметичности гелиевым течеискателем; метод вакуумной камеры:

1 -- течеискатель; 2 -- вакуумируемая камера; 3 -- герметизированное изделие, заполненное воздушно-гелиевой смесью; 4 -- клапан; 5 -- вспомогательный насос

Для обнаружения относительно крупных течей (более 3,6^.10^-8 м³ Па с^-1) применяют вакуумно-жидкостной метод, сущность которого состоит в визуальном контроле появления пузырьков воздуха или гелия, выходящих из сквозного отверстия в жидкость (например, осветленный керосин), в котором находится твэл, при разрежении над жидкостью.

Контроль снаряжения твэлов

К числу важнейших контрольных операций готовых твэлов относятся контроль правильности сборки основных компонентов твэла. Сюда входит определение длины столба топлива, зазоров между; таблетками, длины газосборника, наличие крепежных деталей в виде фиксаторов или пружины, наличие сколов таблеток в газосборнике расколовшихся таблеток или сколов таблеток, попавших в зазоры между таблетками.

В начальный период производства твэлов основным методом контроля перечисленных параметров был радиографический метод. Группа твэлов контролировалась частями на всю длину или медленно проходила под узким пучком рентгеновского излучения вместе с пленкой, длина которой равнялась длине твэлов. Все перечисленные параметры определялись из просмотра пленки и соответствующих измерений. При экспозиции твэлов в одном положении не всегда обнаруживались даже крупные сколы на таблетках из-за их неблагоприятного расположения относительно направления просвечивания. С увеличением объемов производства потребовались более экономичные и оперативные способы контроля указанных параметров. Таковым оказался радиационный -абсорбционный метод контроля с регистрацией прошедших через твэл -квантов детекторами излучения, автоматической обработкой и представлением результатов контроля.

На рис.9 показано схематическое изображение твэла ВВЭР-1000 с указанием подлежащих контролю дефектов. В табл.1 указаны параметры, определяемые рентгенографическим и -абсорбционным методами на установке типа КСИГ. Как видно из табл.1, рентгенографическим методом могут определяться 9 параметров, а - абсорбционным -- 7 наиболее важных. Установка КСИГ состоит из измерительного блока, расположенного на механизме протяжки твэлов и блока обработки информации. В измерительном блоке имеются два источника - излучения ⁵⁷Со, просвечивающих твэл в двух взаимно перпендикулярных направлениях двумя коллими-рованными потоками у -квантов. Размеры щелей коллиматоров: 0,45 мм вдоль оси твэла и 7 мм в поперечном направлении. В качестве детекторов используются детекторы NaI и ФЭУ.

Рис.9. Схематическое изображение твэла реактора ВВЭР-1000 и дефектов, подлежащих контролю:

1 -- скол на таблетке; 2 --. зазор между таблетками, частично заполненный крошкой; 3 -- таблетка; 4 -- кольцевые фиксаторы; 5 -- крошка в газосборнике

Таблица 1.

Параметры, контролируемые в твэлах ВВЭР рентгенографическим методом

Контроль содержания топлива в твэлах

Для нормальной работы реактора, исключения искажений нейтронного и температурного полей в каждом твэле должно быть строго заданное количество ядерного топлива (делящегося изотопа) и равномерное его распределение по длине твэла. Это должно обеспечиваться и, как правило, обеспечивается технологией. На снаряжение твэлов поступают таблетки из диоксида урана со строго заданным обогащением. На каждый твэл набирают топливный столб установленной длины, что при заданной плотности и определяет массу топлива в твэле. Кроме того, в ряде случаев все топливо дополнительно определяется прямым взвешиванием его в твэле.

Применяемые методы контроля делятся на два класса -- пассивные и активные. Пассивные методы основаны на регистрации нейтронов, возникающих при спонтанном делении нуклидов или -квантов, испускаемых ²³⁵U, ²³⁹Рu. Пассивные методы контроля имеют ряд недостатков (влияние изотопного состава и примесей, размножение нейтронов, замедление в топливе, низкий выход и т. п.).

Активные методы контроля основаны на облучении твэлов потоком нейтронов или высокоэнергетических фотонов, создаваемых электронными микротронами или линейными ускорителями с последующей регистрацией мгновенных и запаздывающих нейтронов и -- квантов. Для контроля обогащения таблеток из диоксида урана применяют главным образом потоки тепловых нейтронов. Однако в случае облучения тепловыми нейтронами на точность контроля влияют наличие поглотителей нейтронов, изменение плотности, размеров и формы таблеток, изменение толщины оболочки.

Контроль давления гелия в твэлах

Переход на повышенное давление гелия в твэлах реакторов с водой под давлением и в реакторах с кипящей водой (2,5--3,0 и 0,3--0,6 МПа, соответственно) потребовал разработки методов измерения давления гелия под оболочкой твэла. Основным методом контроля является технологический контроль давления гелия, подаваемого в твэл перед окончательной герметизацией. Однако возможные утечки из негерметичных твэлов или сбои в системе заполнения твэлов гелием, требуют проведения выборочного контроля давления гелия в твэлах. На первом этапе для этого применяли разрушающий контроль методом прокалывания оболочки. Ненадежность выборочного метода контроля и издержки, связанные с разрушением готового твэла, стимулировали разработку неразрушающих методов.

Наибольшее применение для контроля давления гелия получили ультразвуковой и тепловой методы.

Разработаны два способа ультразвукового контроля давления гелия в твэле. Принцип действия первого способа основан на измерении интенсивности ультразвукового импульса в зависимости от давления гелия при диаметральном прозвучивании твэла в районе газосборника (рис.10,а). В данном случае падающая на поверхность оболочки твэла цилиндрическая волна проходит через четыре границы раздела: вода -- оболочка, оболочка -- газовая среда; газовая среда -- оболочка и оболочка -- вода. Относительно простые расчеты показывают, что интенсивность прошедшего через твэл в месте газосборника акустического импульса пропорциональна квадрату давления гелия под оболочкой. Увеличение давления гелия с 1 до 25 кгс/см² приводит к увеличению интенсивности прошедшего акустического импульса в 625 раз.

Рис.10. Схемы ультразвукового контроля давления гелия в газосборнике твэла при диаметральном (а) и продольном (б) прозвучивании:

1, 3 -- передающий и приемный пьезоэлектрические преобразователи; 2 -- оболочка; 4--внутренняя полость твэла

Второй метод ультразвукового контроля давления в твэле основан на регистрации изменения коэффициента отражения ультразвуковой волны, распространяющейся в оболочке на границе металл -- гелий в твэле. Сущность метода контроля иллюстрируется рис.10,б. Излучаемые ПЭП-1 ультразвуковые импульсы распространяются в стенке трубы по зигзагообразной траектории, отражаясь многократно от наружной и внутренней поверхностей оболочки, т. е. от границ металл -- воздух и металл -- гелий. С увеличением давления гелия внутри твэла будет увеличиваться импеданс гелиевой среды. Погрешность метода оценивается в 0,2 МПа.

Тепловые методы основаны на зависимости скорости прохождения тепловой волны (температуропроводности) от давления. Погрешность метода 0,15 МПа.

Контроль диаметра и кривизны твэлов

В технических условиях на твэлы задаются довольно жесткие требования к допускам на диаметр и кривизну твэла. На первом этапе, при сравнительно небольших объемах производства твэлов контроль, их диаметров проводился простейшим мерительным инструментом в виде калибров или на устройствах с пневматическими или электроконтактными преобразователями. Их общим недостатком является низкая производительность и отсутствие информации о числовом значении контролируемого параметра. Переход на массовое производство твэлов потребовал разработки более совершенных и быстродействующих средств измерения. Одним направлений решения этой задачи явилось использование когерентной и некогерентной оптики в сочетании с электронными средствами преобразования информации и представление ее в цифровом виде. Основное преимущество оптических методов -- отсутствие механического контакта с контролируемым изделием.

Для контроля диаметров и кривизны готовых твэлов в нашей стране разработан лазерный дифракционный измеритель ЛДИ--1М, состоящий из оптико-механического блока и системы обработки информации. Измеритель ЛДИ--1М позволяет проводить измерения диаметра и кривизны твэла в движении и определяет такие статистические характеристики, как средний диаметр партии твэлов и среднеквадратическое отклонение диаметров твэлов.

Оптическая система измерения показана на рис.11.

Рис.11. Оптическая схема установки ЛДИ--1М для измерения диаметра и кривизны твэла

Излучение лазера 1 расширяется коллиматором 2 и освещает твэл 3. В фокальной плоскости Фурье-объектива 4 образуется пространственный спектр твэла, представляющий собой дифракционную картину Фраунгофера. За счет двухщелевого фильтра формируется контурное изображение твэла в виде двух световых полос, расстояние между которыми пропорционально диаметру твэла, а координата оси твэла пропорциональна его смещению в зоне контроля, зависящая от кривизны твэла. Между фильтром 5 и проектирующим объективом 8 установлены вращающийся кубик 6 с зеркальными гранями и неподвижное зеркало 7. При вращении кубика контурное изображение твэла движется относительно двухщелевой маски 9. Световые импульсы, возникающие при совмещении границ контурного изображения со щелями маски, собираются конденсором 10 и регистрируются фотоприемником 11. Выходной сигнал с него, представляющий последовательность импульсов, несет информацию о диаметре твэла и его кривизне.

Размещено на Allbest.ru