CN108463857A - 用于核燃料组件中泄漏检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于检测核反应堆燃料组件的气密性检测的装置和使用所述装置实施的方法。所提出的装置位于用于更换核反应堆燃料的换料机的杆(mast)上，并搅动所述燃料组件附近的冷却剂，所述燃料组件位于所述杆中并进行关于燃料组件的气密性检查。该装置的特征在于，供应管线的喷嘴朝向所述杆的中心，这使得可以将压缩气体直接供给到燃料组件的底部喷嘴的下方，从而提高了在所述燃料组件附近的冷却剂被搅动的强度，由此提高了气密性检查的效率。

Description

用于核燃料组件中泄漏检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及核能领域，更具体地涉及一种用于包含液体冷却剂的核燃料组件中的泄漏检测的装置和方法。

背景技术

为了确保高效并安全处理，用于核反应堆的核燃料被容纳在称为燃料元件(FE，fuel elements)的特殊气密包层中。然后FE被组装在燃料组件(FA，fuel assemblies)中。使用燃料时对燃料元件的泄漏检测是核反应堆运行安全措施的重要组成部分。有必要检测核燃料元件中的泄漏，以防止燃料裂变产物进入冷却剂，燃料裂变产物进入冷却剂可能导致放射性元素扩散到反应堆芯外。失效燃料检测系统(Failed Fuel Detection System，FFDS)存储罐中的标准台架控制方法(standard bench control method)用于进行这种检查。在该方法中，将燃料组件输送至充满硼化水的壳体中，裂变产物从泄漏的燃料元件排出到该壳体中，然后分析取自所述壳体内的水样。该方法包括将所有燃料组件连续无例外地转移到所述壳体中，这导致持续的反应堆停工时间。此外，需要提供大量硼化水导致执行标准台架测试方法的成本增加。

希望减少核反应堆的停工时间和执行标准台架控制方法的成本，催生出多种解决方案。在这些解决方案中，提出了当通过燃料处理机传输燃料元件时预先检测燃料元件泄漏(参见RU2186439)的解决方案。RU2186439教导了将对燃料组件中泄漏的预先检测与为了更换或重新布置反应堆内的燃料组件而在燃料处理机的壳体内抽取和传递燃料组件的操作相结合。预先检测泄漏的目的是为了减少执行标准台架测试方法的燃料组件的数量，因为在泄漏的预先检测的结果中被认定为是密封的燃料组件不用执行标准测试方法。然而，在泄漏的预先检测期间对抽取的气体样品的放射性测量，已知的解决方案不能提供足够高的精度和可靠性，这增加了使泄漏的燃料组件通过的可能性。在下文中，测量精度是表示测量结果对应于测量的实际值的程度的特性，测量可靠性是定义所接收的测量结果中的置信度的特性。

EA016571(优先权日期2010年10月6日)，其全部内容通过引用结合于此，公开了一种用于核反应堆的燃料组件的泄漏检测的装置和方法，燃料组件布置在这种反应堆的燃料处理机的壳体内，与其他已知的方法和装置相比，该装置和方法提供更精确可靠的气体样品放射性测量结果，并因此更有效地进行燃料组件检查。所述方法和装置是与要求保护的本发明最接近的类似物。已知的装置包括：用于在壳体下方供应气体的供应管线，该供应管线设置在壳体上；用于从壳体内抽取气体样品的采样管线，该采样管线设置在壳体上；加压气体供应单元，该加压气体供应单元连接至供应管线以向该供应管线供应加压气体；用于抽取、准备和检查气体样品的放射性的单元，该单元连接到采样管线以便从中抽取气体样品；控制和信息处理单元，该单元通信连接到所述加压气体供应单元和用于抽取、准备和检查气体样品的放射性的单元；以及与控制和信息处理单元通信连接的遥控装置，该装置执行相应的用于泄漏检测的方法。

然而，所述装置的操作分析和已知方法的应用表明，在鼓泡过程中，一定量的气体流过壳体中的燃料组件，从而使这种组件的鼓泡缺乏强度。所述情况限制了气体样品放射性测量的精度和可靠性，并因此限制了泄漏检测的初始效率(preliminary efficiency)。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，并提供一种用于核反应堆燃料组件泄漏检测的装置和方法，减少气体通过燃料组件的损失，并增加鼓泡强度。

上述目的通过一种用于核反应堆的燃料组件中的泄漏检测装置来实现，该燃料组件布置在核反应堆内的燃料处理机的壳体内，所述装置包括：

供应管线，所述供应管线用于在所述壳体下方供应气体，所述供应管线安装在所述壳体上；

采样管线，所述采样管线用于从所述壳体抽取气体样品，所述采样管线安装在所述壳体上；

加压气体供应单元，所述加压气体供应单元连接到所述供应管线，以向所述供应管线提供加压气体；

用于抽取、准备和检查气体样品的放射性的单元，所述单元连接到所述采样管线以从中抽取所述气体样品；

控制和信息处理单元，所述控制和信息处理单元可通信地连接到所述加压气体供应单元和所述用于抽取、准备和检查气体样品的放射性的单元；

遥控装置，所述遥控装置可通信地连接到所述控制和信息处理单元。

该装置的特征在于所述供应管线包括至少两个雾化器，所述至少两个雾化器用于提供加压气体。所述雾化器安装在所述燃料处理机壳体的端部，使得所述雾化器的喷嘴以锐角背离所述端部。

用于供应管线的雾化器的这种布置直接在所述壳体的中心部分的下方提供气体供应，燃料组件在预先检测泄漏的过程中位于该位置，并且在这种情况下，该燃料组件竖直放置并位于运输位置。因此，流过燃料组件的气体量减少，并且在鼓泡期间(鼓泡强度增加)提供了穿过所述组件的足够量的气体，这导致在所述组件泄漏的情况下，更强地采集来自所述组件的放射性元素，由此提高了气体样品放射性测量结果的精度和可靠性，这降低了漏泄的燃料组件在进行预先检测泄漏之后未被检测到的可能性。

在一实施例中，所述供应管线包括可移除部分，所述可移除部分沿着所述壳体的外部部分的周边安装在所述壳体的端部上。所述至少两个雾化器包括三个雾化器，每个雾化器具有拉瓦尔喷嘴。所述三个雾化器彼此等间距地安装在所述可移除部分上。所述三个雾化器确保了在鼓泡期间随着时间推移的最佳气体体积流量。拉瓦尔喷嘴形式的喷嘴增加了冷却剂中气流的喷射距离，并且减小了气流的截面面积，这进一步减少了将气体供应到燃料组件期间的气体损失。

根据另一实施例，当所述雾化器布置在所述壳体的端部时，这些雾化器的喷嘴的中心轴线与所述壳体的中心轴线相交，由此形成位于所述壳体外部的交点。雾化器的这种布置进一步增加了冷却剂中气流的喷射距离并进一步增加了鼓泡的强度。

在一特定实施例中，所述供应管线和所述采样管线各自由直径为壁厚为的管子制成。所述尺寸一方面能够将所述管线集成到燃料处理机中，另一方面，它们提供足够低的管线气动阻力并在雾化器处提供足够大的气体压力。

根据另一实施例，所述供应管线和所述采样管线各自具有速拆连接器，所述速拆连接器分别用于连接到所述加压气体供应单元和所述用于抽取、准备和检查气体样品的放射性的单元。这些连接器允许将所提出的装置更快地安装在燃料处理机上并更快地将其从燃料处理机上拆卸。

根据一特定实施例，所述速拆连接器形成有锥形套筒，所述锥形套筒具有70度至78度的锥角，并且所述管线在与所述速拆连接器的连接处具有62度至70度的锥角。在将该装置安装到燃料处理机上时，这些尺寸在管线段(line section)之间提供了良好的密封连接。

本发明还提供了一种用于泄漏检测的方法。该方法通过使用所要求保护的装置来实施。该方法包括：将所述燃料组件布置在燃料处理机的壳体内；使用设置在所述壳体上的雾化器在所述壳体下方供应气体；在所述燃料组件上方抽取气体样品；和分析所述气体样品以预先检测燃料组件中的泄漏。

附图说明

下面是对本发明装置的优选实施例的描述，该描述通过图示的方式附带有附图，其中：

图1示出了根据本发明的用于泄漏检测的装置的示意图；

图2示出了本发明的装置的加压气体供应单元和用于抽取、准备和检查气体样品的放射性的单元的简化的气动图；

图3示出了显示在壳体的外部部分的端部的供应管线中的雾化器的布置的局部视图；

图4示出了使用速拆连接器的管线连接；

图5示出了根据本发明安装在燃料处理机的壳体端部的雾化器的放大视图。

具体实施方式

如图1所示，装置1通常布置在用于核反应堆的燃料处理机(FHM，Fuel HandlingMachine)上，并随着反应堆燃料的输送而与其一起移动。燃料处理机的壳体是圆柱形的。该壳体包括外部部分A，该外部部分承载直接安装在其上的装置1的元件。而且，壳体包括内部部分B以在输送期间容纳燃料组件并预先检测泄漏。利用设置在内部部分中的夹具保持并输送燃料组件。使用所述夹具使燃料组件精确地布置在壳体内部部分的中心。所述夹具是燃料处理机的一部分。

装置1包括用于通过雾化器在壳体下方供应气体的供应管线2。供应管线2由直径7mm且壁厚0.5mm的管子制成。装置1包括采样管线3，采样管线3用于从壳体内部部分中的核反应堆的冷却剂(例如水)的液面上方的空间抽取气体样品。采样管线由直径7mm且壁厚1mm的管子制成。所述尺寸能够使管线的气动阻力最小化并且使雾化器处的气体压力最大化，并使供应管线2、采样管线3集成在燃料处理机中。

采样管线3在两个地点进入壳体。采样点位于冷却剂的表面的附近。在数个地点抽取样品，使任意因素对从液体冷却剂表面上方抽取的目标气体样品的放射性检查结果的影响最小化。装置1还包括加压气体供应单元7，加压气体供应单元7与供应管线2连接以通过供应管线2供应加压气体。优选地，该气体是空气。如下面进一步所详细描述的，供应管线2和采样管线3通过速拆连接器与装置1的其他元件进行连接。因此，当装置1安装在壳体上时，装置1的各部分能够快速且可靠地连接。

此外，装置1包括用于抽取、准备和检查气体样品的放射性的单元5，单元5用于通过采样管线3抽取气体。而且，装置1包括与单元5连接的控制和信息处理单元6。控制和信息处理单元6包括收发器和可编程逻辑控制器，控制和信息处理单元6被配置为接收、处理信号并输出电控制脉冲。控制和信息处理单元6还连接到加压气体供应单元7。控制和信息处理单元6通过传输相应的控制信号来控制单元7和单元5的操作。控制信号通过与控制和信息处理单元6连接的遥控装置9传输到控制和信息处理单元6，遥控装置9也是装置1的一部分。遥控装置9设置在反应堆芯的外部，即在反应堆大厅(hall)内，并且通过根据RS-422标准配置的(有线或无线的)数据通信信道连接到控制和信息处理单元6。遥控装置9允许反应堆大厅外面(密封区域的外面)的人员预先检测燃料组件中的泄漏。遥控装置9包括显示装置、控制装置、计算装置和存储介质。为了便于操作者，遥控装置9设置有显示装置和控制装置，例如图形界面、键盘和鼠标。

图2示出了加压气体供应单元7和用于抽取、准备和检查气体样品的放射性的单元5的细节，其中气体样品从装置1抽取。加压气体供应单元7包括彼此接合的压缩机10、接收器11、过滤压力调节器12、分配阀13和14，以将加压气体供应到供应管线2。压缩机10响应于控制信号将气体泵送到接收器11中，该气体优选是空气。然后，空气通过过滤压力调节器12流向加压气体供应单元7的出口，过滤压力调节器12干燥空气并同时稳定加压气体供应单元7出口处的压力。加压气体供应单元7经由分配阀13和配管连接到供应管线2。对于鼓泡过程，打开分配阀13并且在燃料组件下方通过包括雾化器的供应管线2供给加压空气。鼓泡过程的持续时间由软件设置来设定。在一个燃料组件控制周期结束之后，在下一个控制周期之前，可选地，净化壳体的水上空间以去除气态裂变产物。为了净化水上空间，空气从加压气体供应单元7通过切换到净化模式的分配阀14和配管进入到采样管线3。分配阀13和14由来自单元6的电信号控制。

单元5包括真空的水分离器20、用于将样品输送到单元输入端的真空泵21、冷却器22、微过滤器23、亚微过滤器(submicrofilter)24、空气除湿器25、压力调节器26、节流阀27、压力传感器28、温湿度传感器29、放射性分析仪30、空气流量传感器31和泵32。空气流量传感器31控制适当体积的样品通过分析仪30的腔室，泵32用于驱使抽取的样品通过压力调节器26、压力传感器28和温湿度传感器29。单元5的上述零件彼此接合以获取气体样品并为相应的放射性分析做准备。为了从水上空间取出气体样品，分配阀14切换到采样模式以将单元5与采样管线3连接。同时，使用真空泵21从壳体的水上空间抽取气体样品，先使该气体样品通过真空的水分离器20。然后，使用泵32将该气体样品泵送通过构成样品准备装置的冷却器22、微过滤器23、亚微过滤器24和空气除湿器25。同时，微过滤器23和亚微过滤器24设计成用于样品的两步净化，以避免沿着样品的路径污染位于其下游的除湿器25。然后，样品通过压力调节器26和节流阀27，调节器26和节流阀27调节供应到分析仪30入口的气体的所需流量和压力。建议分析仪使用β辐射计(beta radiometer)，因为它提供在给定条件下放射性水平的最准确测量。因此，准备好样品，也即样品处于温度、压力和湿度均符合测量装置要求的状态，在此是符合β辐射计要求的状态。同时，压力传感器28、温湿度传感器29控制气体样品在分析仪30的入口处的状态，并且空气流量传感器31监测通过分析仪30的腔室的样品。气体样品通过“出口”分支管线进入外界。响应于来自控制和信息处理单元6(未在图2中示出)的电信号，激活真空泵21和泵32以便采样。来自单元5的所有传感器的信号以及分析仪30的读数被输入到信息处理和控制单元6中，在信息处理和控制单元6中信号被变换并随后由该单元的计算器处理以便确定被控燃料组件的状态。信息处理和控制单元6和遥控装置9(图2中未示出)的图形界面和指示器显示关于装置当前状态的信息。特别是，如果压力传感器28和温湿度传感器29的读数不符合所设定的条件，则图形界面输出在样品上进行测量而测量条件不匹配的消息。此外，所述图形界面和指示器显示受控的多个燃料组件、操作者识别数据、控制模式和访问等级、电流传感器和β辐射计读数、以及在燃料组件控制周期结束后在燃料组件中泄漏的预先检测结果。

如果样品在规定的位置采样，且样品不与周围空气混合，符合温度、湿度和压力条件，则认为该样品具有代表性。在传输操作和检查操作开始之前，通过核查测量装置的条件以进行根据前两个标准的检查。在抽取和分析样品时，通过相应的传感器进行符合性检查。然而，如果样品不符合上述条件中的任何一个，则显示装置通知测量是在不符合测量装置操作条件的样品上进行的。

从图3中可以看出，供应管线具有可拆卸的环形部分40，该环形部分40沿着壳体的外部部分的端面41布置，并通过螺钉42或其它合适的紧固装置附接到端面41上。可拆卸的环形部分40通过速拆连接器43与供应管线2连接。可使用任何其它的连接方式，从而可选地将环形部分40与供应管线2分离而不拆除整个壳体。三个雾化器44位于环形部分40上以供应加压气体。雾化器44彼此等距地隔开。

图4示出了将供应管线2与可拆卸环形部分40的支管47连接起来的速拆连接器43。应该理解，这种速拆连接器也可以用于连接根据本发明的装置的管线的其它部分。从图4中可以看出，供应管线2和支管47在与速拆连接器43的接合处具有圆锥形凸缘部分。锥角的值在60度至70度的范围内，并且在所示实施例中，锥角为60度。速拆连接器43具有两个安装在相应圆锥部上的接头48。速拆连接器43还包括具有轴向圆柱形通道的中通元件50，该轴向圆柱形通道在将连接器43安装在工作位置时与待连接的各管线同轴安装并且与各管线连接，形成管线的一部分。为便于中通元件50的安装，中通元件50的端部形成有锥形套筒，该锥形套筒具有70度至78度的锥角，在该示例中锥角为70度。中通元件50具有两个带有外螺纹的螺纹部分。速拆连接器43还包括两个螺母51，这两个螺母通过拧在螺纹接头48并结合到中通元件50的螺纹部分上而安装在管线的相应端部上。通过将螺母51拧在中通元件50的螺纹部分上，管线的相应端部和中通元件50联合在一起，从而提供了管线之间的气密连接。可选地，螺母51可用密封件52密封，密封件52穿过形成在螺母51的基部中的特定孔而安装。

图5示出了根据本发明安装在燃料处理机壳体的端部41的雾化器。作为图示，图5示出了在雾化器44的安装位置处的环形部分40的截面图。如图5所示，雾化器44直接安装在环形部分40内，其中各雾化器44彼此等距间隔开，并且各雾化器的喷嘴定向为：这些喷嘴的中心轴线与壳体的中心轴线相交，在壳体外部形成交点。根据所示的实施例，雾化器44的喷嘴的轴线相对于水平面以15度的角度布置。

雾化器44的这种布置通过增加鼓泡强度来减少加压气体通过燃料组件的损失。这确保了如果存在非气密性的燃料元件，在燃料组件下方最大量地供应气体，并且确保了从液态冷却剂表面上方空间中最大量地去除来自液态冷却剂的气态裂变产物。这提高了气体样品放射性水平测量的精度以及燃料组件中泄漏检测的有效性。各雾化器44具有拉瓦尔喷嘴(Laval nozzle)，这种喷嘴让加压气体喷射距离最大化，从而进一步提高气体样品放射性水平测量的精度。雾化器44在外部部分的端部41上的位置允许燃料组件在壳体内自由移动。

装置1根据本发明中公开的方法进行操作。当需要进行鼓泡操作时，通过控制通道将控制信号提供给加压气体供应单元7。加压气体供应单元7通过雾化器44将一部分加压气体供应到包含燃料组件的壳体的下端的中心的下方。所述气体使燃料组件附近的冷却剂剧烈鼓泡，且该气体进入到水上空间，在这里，所述气体由用于抽取、准备和检查样品的放射性的单元5通过采样管线3抽取，在单元5中，所述气体为放射性分析做准备并经受放射性分析。该准备包括在水分离器20中的水分离，在冷却器22中的冷却，在微过滤器23和亚微过滤器24中的连续净化，在空气除湿器25中的干燥以及使用压力调节器26、节流阀27和压力传感器28达到所需压力。然后，准备好的气体样品进入分析仪30，在分析仪中，确定所述样品的辐射水平数据。其中，泵32将气体样品泵送通过分析仪30腔室，并且空气流量传感器31能够控制样品以适当的量通过分析仪30的腔室。所述的数据被发送到信息处理和控制单元6，然后在遥控装置9的显示装置上输出(供操作员检查)，遥控装置自动将接收到的数据与预定阈值进行比较，并确定是否将燃料组件发送，去进行用于泄漏检测的标准台架测试方法。

本发明的装置和方法能够在单个燃料组件的检查周期结束之后有效地预先检测泄漏，并在遥控装置9的图形界面上提供该检测的结果。

Claims (7)

1.一种用于核反应堆的燃料组件中的泄漏检测的装置，所述燃料组件布置在所述核反应堆的燃料处理机的壳体内，所述装置包括：

供应管线，所述供应管线用于在所述壳体下方供应气体，所述供应管线安装在所述壳体上；

采样管线，所述采样管线用于从所述壳体抽取气体样品，所述采样管线安装在所述壳体上；

加压气体供应单元，所述加压气体供应单元连接到所述供应管线，以向所述供应管线提供加压气体；

用于抽取、准备和检查气体样品的放射性的单元，所述单元连接到所述采样管线以从所述采样管线中抽取所述气体样品；

控制和信息处理单元，所述控制和信息处理单元可通信地连接到所述加压气体供应单元和所述用于抽取、准备和检查气体样品的放射性的单元；

遥控装置，所述遥控装置可通信地连接到所述控制和信息处理单元；其中，

所述供应管线包括至少两个雾化器，所述至少两个雾化器安装在所述壳体的端部，使得所述至少两个雾化器的喷嘴以锐角背离所述端部。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述供应管线包括可移除部分，所述可移除部分沿着所述壳体的外部部分的周边安装在所述壳体的端部上，

其中，所述至少两个雾化器包括三个雾化器，每个雾化器具有拉瓦尔喷嘴，所述三个雾化器彼此等间距地安装在所述可移除部分上。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，当所述雾化器布置在所述壳体的端部时，所述雾化器的喷嘴的中心轴线与所述壳体的中心轴线相交，由此形成位于所述壳体外部的交点。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述供应管线和所述采样管线各自由直径为壁厚为的管子制成。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述供应管线和所述采样管线各自具有速拆连接器，所述速拆连接器分别用于连接到所述加压气体供应单元和所述用于抽取、准备和检查气体样品的放射性的单元。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述速拆连接器形成有锥形套筒，所述锥形套筒具有70度至78度的锥角，并且所述管线在与所述速拆连接器的连接处具有62度至70度的锥角。

7.一种通过根据权利要求1至6中任一项所述的装置对燃料组件进行泄漏检测的方法，所述方法包括：

将所述燃料组件布置在燃料处理机的壳体内；

使用设置在所述壳体上的雾化器在所述壳体下方供应气体；

在所述燃料组件上方抽取气体样品；和

分析所述气体样品。