Способ контроля работоспособности имитаторов твэл

 

Изобретение относится к теплофизическим исследованиям. Сущность изобретения: измеряют падение напряжения на активной части каждого имитатора U_имi затем измеряют падение напряжения U_тпi на пассивной части каждого имитатора, определяют ток через каждый имитатор из предварительно полученной зависимости I_имi = f(U_тпi) и определяют активное сопротивление каждого имитатора R_имi = U_имi/I_имi. Путем сравнения измеренного активного сопротивления каждого имитатора R_имi с номинальным его значением R_нi определяют неработоспособный имитатор. Весь цикл измерений повторяют периодически в процессе работы сборки. Преимуществами заявленного способа являются повышение точности определения момента наступления аварийного режима, предотвращение выхода из строя сборки имитаторов твэл. 3 ил.

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для контроля работоспособности имитаторов твэл в процессе работы их в составе сборки, а именно имитаторы твэл используются в качестве модельных элементов при исследовании температурных режимов тепловыделяющих элементов при различных режимах работы реактора, в том числе и аварийных. Имитатор твэл, фиг. 1, состоит из корпуса имитатора - оболочки поз. 1, выполняемого из нержавеющей стали и служащего для размещения внутри него нагревательного элемента, поз. 3 в виде проволоки или стержня, по которому пропускают ток от источника тока. В качестве материала нагревательного элемента используют нихром, сталь и т. п. Нагревательный элемент установлен в верхний токоподводящий узел, поз. 8, который выполнен заодно с корпусом имитатора. Между корпусом имитатора твэл и нагревательным элементом размещен электроизолирующий материал, поз. 4. В качестве последнего используют, как правило, порошок (наполнитель) MgO - периклаз. Выход нагревательного элемента из корпуса осуществляется через узел герметизации, поз. 6. Внутри оболочки установлены термопары, поз. 6, горячие спаи которых касаются вогнутой поверхности оболочки, а удлинительные провода выходят через узел герметизации. (авт. свид. 1340441 СССР. Имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора С.М. Балашов, А.С. Коньков, А.М. Павлов // Открытия. Изобретения. 1987), фиг. 1.

Имитаторы твэл используются, как правило, в составе сборок. Число имитаторов в сборке в зависимости от решаемой задачи может быть различным и лежит в пределах от 3 до 400. Основные причины выхода из строя имитаторов твэл следующие: при превышении температуры нагревательного элемента выше допустимой происходит его расплавление и отключение от источника питания, при этом остальные имитаторы могут работать в нормальном режиме; в случае касания внутреннего электрода и оболочки имитатора происходит короткое замыкание, образование дугового разряда, распространение дуги на остальные имитаторы, в этом случае возможно расплавление сборки - это наиболее опасная авария, приводящая к полному выходу сборки из строя; к этому же результату приводит ситуация, когда в электроизолирующем слое появляются локальные участки с большим содержанием влаги и, соответственно, низким электросопротивлением (в нормальном состоянии сопротивление электроизоляции не меньше 1 МОм). Локальные участки с наличием влаги могут появиться либо при появлении трещин в оболочке, либо за счет перераспределения влаги, имеющейся в имитаторе. Последнее может иметь место вследствие неблагоприятных температурных градиентов, возникающих в сборке при проведении исследований.

Известен способ контроля работоспособности имитаторов в составе сборки, заключающийся в том, что в процессе проведения исследований на сборке измеряют температуру оболочек имитаторов (Болтенко Э.А. и др. Исследование кризиса теплообмена в моделях ТВС ВВЭР при наличии необогреваемых элементов по сечению сборки: Препринт ФЭИ N 2608, Обнинск, 1997).

Основной недостаток такого способа заключается в том, что способ не позволяет выявить дефекты, указанные выше, и, следовательно, предотвратить аварийную ситуацию. Последнее связано с тем, что повышение температуры оболочки не коррелирует с возникновением, например, короткого замыкания оболочки и (или) появлением локальных участков с высоким влагосодержанием.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ контроля работоспособности имитаторов, заключающийся в том, что измеряют падение напряжения на сборке имитаторов, состоящей из n имитаторов, измеряют ток через сборку (Болтенко Э.А. и др. Исследование кризиса теплообмена в моделях ТВС ВВЭР при наличии необогреваемых элементов по сечению сборки: Препринт ФЭИ N 2608, Обнинск, 1997).

Недостаток такого способа заключается в том, что точность такого способа мала. Способ позволяет выявить некоторые дефекты, например обрыв внутреннего электрода имитатора вследствие его расплавления только лишь при малом количестве стержней в сборке. Рассмотрим изменение сопротивления сборки при обрыве внутреннего электрода одного имитатора. Число имитаторов в сборке n. Электрическое сопротивление сборки равняется R_сб = R_им/n, где R_им - осредненное по сборке электрическое сопротивление имитатора. После обрыва одного имитатора электрическое сопротивление сборки становится равным R_сб = R_им/(n-1). Изменение электрического сопротивления сборки равняется R_сб = R_им/(n(n-1)) (1) Как видно из формулы (I) с увеличением числа имитаторов в сборке R_сб быстро падает и практически не может быть зафиксировано.

Можно показать, что определение других типов аварийных ситуаций с помощью измерения падения напряжения на сборке и тока через сборку неэффективно.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности определения момента наступления аварийного режима, что обеспечивается тем, что измеряют падение напряжения на активной части каждого имитатора U_имi, измеряют падение напряжения на пассивной части имитатора U_тпi, определяют ток через имитатор из предварительно полученной зависимости I_имi = f(U_тпi, определяют активное сопротивление имитатора R_имi = U_имi/I_имi, определяют неработоспособный имитатор путем сравнения измеренного активного сопротивления имитатора R_имi, с номинальным его значением R_нi, повторяют периодически весь цикл измерений в процессе работы сборки U_имi - падение напряжения на активной части имитатора твэл U_тпi - падение напряжения на пассивной части имитатора твэл I_имi - ток через имитатор R_имi - активное сопротивление имитатора твэл R_нi - номинальное сопротивление имитатора i - от 1 до n n - число имитаторов в сборке
Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения аварийного режима, обеспечивается тем, что в течение работы сборки контролируют активное сопротивление каждого имитатора. Номинальное сопротивление имитатора известно и практически не изменяется в процессе работы сборки. Небольшие изменения номинального сопротивления имеют место за счет изменения температуры имитатора и могут быть учтены расчетным путем. При любой аварийной ситуации активное сопротивление имитатора изменяется. В случае обрыва внутреннего электрода активное сопротивление имитатора R_имi становится бесконечным.

В случае, например, короткого замыкания электрода на оболочку R_имi также изменяется. Величина изменения зависит от места замыкания.

На фиг. 2 показана схема сборки. На схеме показаны те измерения, которые необходимы для осуществления способа. На фиг. 3 показана эквивалентная электрическая схема имитатора твэл. Эквивалентное сопротивление имитатора записывается следующим образом:
R_эк = (R_имi(R_об + R_из))/(R_имi + (R_об + R_из)) (2)
где R_эк - эквивалентное сопротивление имитатора;
R_об - электрическое сопротивление оболочки;
R_из - электрическое сопротивление изоляции.

В случае, когда сопротивление изоляции велико (бесконечно), эквивалентное сопротивление имитатора R_эк равняется сопротивлению имитатора R_имi.

При наличии короткого замыкания, например, в нижней части имитатора эквивалентное сопротивление имитатора становится равным:
R_эк = (R_имiR_об)/(R_имi + R_об) (3)
Для осуществления способа необходимо измерять падение напряжения на активной части имитатора U_имi, U_тпi - падение напряжения на пассивной части имитатора твэл и ток через имитатор - I_имi. Наиболее сложно измерить ток через имитатор в составе сборки. Для измерения тока необходимо либо установить на каждый имитатор трансформатор тока (переменный ток), либо в цепи имитатора (в разрыв) установить измерительный шунт (постоянный ток). Установка измерительных средств практически невозможна из-за очень малых расстояний между имитаторами (1-2 мм).

В связи с этим в предлагаемом способе определение тока через имитатор осуществляется путем измерения падения напряжения на пассивной части имитатора U_тпi. В данном случае пассивная часть имитатора используется в качестве измерительного шунта. Перед проведением исследований на сборке определяется зависимость I_имi= f(U_тпi), на основе которой путем измерения U_тпi и определяется ток через имитатор.

В качестве примера рассмотрим способ контроля работоспособности имитаторов в составе сборки применительно к ТВС реактора ВВЭР. Максимальная мощность имитатора лежит в интервале 6,0 - 10,0 кВт и определяется тепловыми потоками, имеющими место в реакторе при номинальных и кризисных режимах. Активная длина - 3,5 м. Наружный диаметр твэл 9,1 мм. Источник питания имеет напряжение - 115,0 В. Сопротивление внутреннего электрода, т.е. номинальное сопротивление имитатора 1,3 Ом. Толщина наружной оболочки - 0,7 мм. Электрическое сопротивление оболочки 0,23 Ом. Количество имитаторов в сборке n = 168. Рассмотрим аварийную ситуацию, когда имеет место короткое замыкание внутреннего электрода на оболочку. Короткое замыкание внизу имитатора. В этом случае при коротком замыкании активное сопротивление поврежденного имитатора будет равно (см. формулу 3) R_имi= (1,30,23)/1,53 = 0,18 Ом. Таким образом, в этом случае активное сопротивление имитатора возрастет примерно на ~ 39% и будет зафиксировано. После сравнения с номинальным значением сопротивления имитатора делается вывод о том, что данный имитатор поврежден, дается команда на отключение мощности всей сборки. После этого неработоспособный (поврежденный) имитатор отключается, вновь подается мощность на сборку и эксперимент продолжается. При контроле работоспособности периодически опрашиваются все имитаторы сборки. При этом определяют активное сопротивление каждого имитатора, сравнивают измеренное активное сопротивление имитатора с номинальным его значением и определяют неработоспособный имитатор.

Таким образом, предлагаемый способ контроля работоспособности имитаторов позволяет повысить точность определения аварийной ситуации, предотвратить выход из строя сборки имитаторов твэл.

Формула изобретения

Способ контроля работоспособности имитаторов твэл, заключающийся в том, что измеряют падение напряжения на сборке, состоящей из n имитаторов, измеряют ток через сборку, отличающийся тем, что измеряют падение напряжения U_имi на активной части каждого имитатора, измеряют падение напряжения U_тпi на пассивной части каждого имитатора, определяют ток из предварительно полученной зависимости I_имi = f(U_тпi) через каждый имитатор, определяют активное сопротивление R_имi = U_имi/I_имi каждого имитатора, определяют неработоспособный имитатор путем сравнения измеренного активного сопротивления R_имi каждого имитатора с номинальным его значением R_нi, повторяют периодически весь цикл измерений в процессе работы сборки, где i - от 1 до n.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3