Měřicí zařízení pro stanovení koncentrace boru
Oblast techniky
Vynález se týká měřicího zařízení pro stanovení koncentrace boru v chladivu okruhu chladivá jaderné elektrárny, provedeného s vysílačem a s přijímačem.
Dosavadní stav techniky
V chladivu okruhu chladivá jaderné elektrárny se používá boru jako absorbéru neutronů. Prostřednictvím boru se řídí a kompenzuje odhořívání palivových tyčí tím, že v závislosti na koncentraci boru se absorbují ve větší nebo menší míře neutrony, tzn. jsou odebírány z jaderné reakce. Pomocí jinak obvyklých mechanických ovládacích orgánů tak může být zamezeno nerovnoměrnostem rozdělení hustoty výkonu, přičemž je možné zvýšení výkonu. Za tím účelem se musí sledovat koncentrace boru v chladivu, zejména v chladivu primárního okruhu nebo ve vedlejších okruzích.
U měřicího zařízení popsaného ve spise US 4 645 635 se trubka se substancí, která má být měřena, zasune mezi ramena držáku detektoru ve tvaru U. Přitom nemůže být mezi dílem ve tvaru U a trubkou vytvořen žádný chladicí kanál. Tato skutečnost je zdůrazněna ještě tím, že díl ve tvaru U je označen jako takzvaný úložný díl pro trubku, což znamená, že vnitřní rozměr dílu ve tvaru U je přizpůsoben vnějšímu průměru trubky. Teprve potom je totiž možné měřicí zařízení popsané ve spise US 4 645 635 upevnit na trubce. Tím, že zde nemůže být vytvořen žádný chladicí kanál, vznikne nevýhoda, spočívající v tom, že toto měřicí zařízení nebude při vysokých teplotách, zejména při teplotách do 380 °C, již pracovat dostatečně přesně, protože přívod tepla způsobí deformaci nosné konstrukce.
U měřicího zařízení popsaného ve spise US 4 565 926 není zejména patrné, jak by měl být mezi topnou trubkou a pod ním uspořádaným zdrojem neutronů vytvořen průtočný kanál. U tohoto řešení je topná trubka vložena do podélné drážky se vzájemným tvarovým přizpůsobením, což je zejména patrné z obr. 2, znázorněném ve větším měřítku. Zde použité součásti určené pro konstrukci měřicího zařízení nejsou vhodné jako distanční prostředky z teplotně stálého a neroztažného materiálu. Při vysokých teplotách by se například velmi měnila vzdálenost zdroje neutronů, umístěného v dolní části měřicího zařízení, od topné trubky, protože topná trubka je uložena v bloku z polyethylenu. Totéž platí pro vzdálenost detektoru od topné trubky, která je nastavena prostřednictvím desky vyrobené z hliníku.
U měřicího zařízení popsaného ve spise US 4 464 330 není znázorněný prstencový prostor žádným chladicím kanálem a výstupky na obr. 3 slouží pouze jako centrovací prostředky. Navíc jsou tyto výstupky rovněž provedeny z polyethylenu, což znamená, že neslouží jako distanční prostředky z teplotně stálého a neroztažného materiálu. Navíc se podle tohoto spisu neprovádí vůbec žádné měření absorpce neutronů. Zařízení zde popsané spíše slouží pouze k ozařování tekutiny, která se potom na jiném místě spektrometricky vyhodnocuje. Měření absorpce, které vyžaduje kombinaci vysílače a přijímače, a při němž záleží na kvantitativním vyhodnocování rychlosti počítání v přijímači, zde uvedeno není. Na konstantní vzdálenosti - i při vysokých teplotách - vysílače od jakéhokoli jiného místa u řešení podle spisu US 4 464 330 vůbec nezáleží. Musí být pouze zaručeno dostatečné ozáření tekutiny.
Z odborného článku Kemenergie, sešit 11, 1967, strany 337 až 339, je známo určování koncentrace kyseliny borité prostřednictvím způsobu založeného na měření absorpce neutronů. Přitom použité měřicí zařízení umožňuje určení koncentrace kyseliny borité při normálních provozních podmínkách, tzn. až do teploty okolí 120 °C a tlaku v systému 12 MPa. Obvykle se
- 1 CZ 288082 B6 však v okruzích chladivá, zejména v primárním okruhu jaderné elektrárny, vyskytují teploty až 380 °C při tlaku v systému asi 18 MPa. Z důvodu těchto tvrdších podmínek oproti normálním provozním podmínkám se v tomto dokumentu popsané měřicí zařízení používá v ochranných skříních, a to v dostatečně velké vzdálenosti od okruhu chladivá. U měřicího zařízení popsaného 5 v tomto odborném článku je upraven měřicí článek odbočující z chladicího okruhu, přičemž v tomto měřicím článku jsou vestavěny zdroj neutronů a indikátory záření.
U každého známého měřicího zařízení je nezbytný zásah do okruhu chladivá. Obtokové vedení odbočující z okruhu chladivá prochází pro stanovení koncentrace kyseliny borité měřicím 10 zařízením. Použití měřicího zařízení tohoto druhu, které je provedeno jako průtočné měřicí zařízení, je omezeno pokud jde o jeho mobilitu. Montáž je velmi náročná a vede k delším prostojům elektrárny.
Podstata vynálezu
Vynález je založen na úkolu vytvořit měřicí zařízení pro stanovení koncentrace boru v chladivu okruhu chladivá jaderné elektrárny, které umožní měření koncentrace boru bez zásahu do okruhu chladivá a zvlášť jednoduchým způsobem.
Tento úkol splňuje měřicí zařízení pro stanovení koncentrace boru v chladivu okruhu chladivá jaderné elektrárny, s vysílačem as přijímačem podle vynálezu, jehož podstatou je, že vysílač a přijímač jsou vytvořeny jako mobilní, přičemž mezi nimi je zařazena alespoň jedna chladitelná prostorová oblast pro umístění na součásti okruhu chladivá, vedoucí chladivo, přičemž 25 prostorová oblast má chladicí kanál protékaný chladicím médiem, a přičemž jsou uspořádány distanční prostředky z teplotně stálého a neroztažného materiálu zaručující, že délka měrné dráhy mezi vysílačem a přijímačem je přibližně konstantní i při změně okolních podmínek.
Vynález přitom vychází z úvahy, že místo obtokového vedení se pro průtočné měřicí zařízení 30 použije část systému okruhu chladivá samotného. Měřicí zařízení je s výhodou konstruováno tak, aby mohlo být upevněno přímo na chladicím okruhu. Měřicí zařízení je přitom zvláště odolné vůči teplotě a záření, což umožňuje jeho nasazení i v extrémních podmínkách okolí. Součástí se zde rozumí například nádrž, kotel, úsek potrubí nebo podobně, popřípadě i velkoplošný, chladicí médium vedoucí nebo obsahující zásobník.
Pro zajištění jednoduchého, dobrého chlazení, tj. pokud možno konstantního a spolehlivého chlazení vysílače a přijímače, může jako chladicí médium sloužit s výhodou vzduch. K tomu se vzduch nebo chladný vzduch dmýchá skrze chladicí kanál, například pomocí ventilátoru. Kromě toho je možno teplotu chladicího vzduchu předem nastavit. Předem nastavená teplota zajišťuje, 40 aby teplota chladicího vzduchu nepřekročila homí nebo dolní mez. Dále je ovlivnitelná například prostřednictvím výkonu ventilátoru chladicího vzduchu. Tak je zajištěno, že je měřicí zařízení ve všech částech chráněno proti přehřátí.
Oblast nebo obě prostorové oblasti vysílače a přijímače mají s výhodou izolační vrstvu, která je 45 uspořádána například bezprostředně na součásti okruhu chladivá a obklopuje chladitelnou prostorovou oblast. V izolační vrstvě slouží jako izolátor například vzduch. Vysílač a přijímač jsou s výhodou uspořádány vždy v jedné příslušné komoře. Tím je dáno prostorové oddělení, takže vysílač a přijímač jsou vždy udržovány chráněné proti vysoké teplotě.
Aby bylo možno stanovit na základě způsobu měření absorpce neutronů koncentraci boru, slouží jako vysílač zdroj neutronů a jako přijímač alespoň jedna čítači trubice. Z důvodu záření zdroje neutronů jakož i z důvodu ovlivnění měření vnějšími faktory, jako například vlhkostí, je uspořádáno odstínění, popřípadě společné nebo zvlášť pro zdroj neutronů a čítači trubici. Odstínění s výhodou zahrnuje první vrstvu z absorbujícího moderátoru a druhou vrstvu
-2CZ 288082 B6 z materiálu absorbujícího neutrony, například kadmiového plechu, a třetí vrstvu z austenitického materiálu, například ocelového plechu.
Pomocí absorbujícího moderátoru, například polyetylenového moderátoru, se neutronový tok vytvářený vysílačem zbrzdí a částečně odrazí. Tak je zajištěno, zejména použitím absorbujícího moderátoru a kadmiového plechu, zanedbatelné ozáření provozního personálu.
Ve výhodném vytvoření jsou vysílač a přijímač uspořádány v jednodílném nebo vícedílném, zejména dvoudílném, pouzdře. Dále může být uspořádán například vysílač v prvním dílu pouzdra a přijímač ve druhém dílu pouzdra.
Aby bylo možno vysílač a přijímač zvlášť jednoduše a trvanlivě upevnit na součásti nebo potrubním úseku systému okruhu chladivá, jsou alespoň vysílač a přijímač upevnitelné pomocí alespoň jednoho upevňovacího prostředku na součást popřípadě na potrubní úsek. Dále mohou například být oba díly pouzdra přiloženy ve tvarovém styku na potrubní úsek a navzájem sešroubovány pomocí upevňovacího prostředku. V případě velkoplošných součástí může být upevnění provedeno například prostřednictvím opěrného zařízení. V každém případě však součást, na které se měří, není poškozena ani jinak omezena. Nejsou nutná ani stavební opatření, ani zásah do součásti.
Protože způsoby založené na měření absorpce neutronů rozhodujícím způsobem závisí na konstantě geometrie měření, je uspořádán takový počet distančních prostředků, aby délka měrné dráhy mezi vysílačem a přijímačem byla přibližně konstantní i při změně okolních podmínek. To platí samozřejmě pro přímou měrnou dráhu nebo měrnou dráhu s alespoň jedním místem odrazu. Takovéto distanční prostředky, například opěrná zařízení, jsou s výhodou vytvořeny teplotně stálé a neroztažné.
S výhodou jsou vysílač a přijímač uspořádány na součásti alespoň přibližně navzájem protilehle. Tím je vytvořena přímočará měrná dráha. To je výhodné pro součásti s poměrně malými stavebními rozměry. Alternativně mohou být vysílač a přijímač na součásti uspořádány tak, že měřicí signál přijímaný přijímačem je v podstatě odražený měřicí signál. Toto provedení se používá zejména u velkoobjemových součástí. Přitom se může signál vysílaný vysílačem jednou nebo víckrát odrážet.
Aby bylo možno znázornit koncentraci boru jako funkci času nezávisle na vlivu tlaku, teploty a záření, je alespoň přijímač spojen s vyhodnocovací jednotkou. Za pomoci algoritmů plausibility a bilance založených na modeluje možno eliminovat rušivé vlivy, takže je zajištěno přesné znázornění naměřených hodnot koncentrace boru v médiu.
Výhody dosažené pomocí vynálezu spočívají zejména vtom, že v důsledku jednoduché konstrukce měřicího zařízení, zejména na základě mobility vysílače a přijímače, pro stanovení koncentrace boru není nutný zásah do okruhu chladivá jaderné elektrárny. Kromě toho je měřicí zařízení prostřednictvím chladitelné prostorové oblasti dimenzováno tak, že je vhodné pro nasazení za extrémních podmínek v systému nebo provozních podmínek, například až do teplot 380 °C. Tak je měřicí zařízení zvlášť vhodné pro mobilní nasazení, jakož i pro převybavení starých zařízení.
Přehled obrázků na výkresech
Příklady provedení vynálezu budou blíže objasněny za pomoci výkresu, na kterém představuje obr. 1 schematické znázornění měřicího zařízení pro měření koncentrace boru v podélném řezu, a obr. 2 schematické znázornění měřicího zařízení podle obr. 1 v řezu.
-3 CZ 288082 B6
Příklady provedení vynálezu
Navzájem odpovídající díly jsou na obou obrázcích opatřeny týmiž vztahovými značkami.
Měřicí článek či měřicí zařízení 2, znázorněné v příkladu provedení podle obr. 1, uspořádané kolem součásti 1 vedoucí chladivo, neboli trubky s médiem, je částí blíže neznázoměného zařízení elektrárny. Přitom je tato trubka s médiem částí systému okruhu chladivá, například systému primárního okruhu.
Měřicí zařízení 2 obsahuje první korýtkovitou část 4 pouzdra a druhou korýtkovitou část 6 pouzdra. Přitom sestávají příslušné vnitřní stěny 8 a vnější stěny 9 první části 4 pouzdra a druhé části 6 pouzdra s výhodou z austenitického materiálu, například austenitické oceli. Na příslušných vnitřních stranách vnější stěny 9 je upevněn kadmiový kryt 11 z materiálu absorbujícího neutrony ve formě kadmiového plechu pro zachycování tepelných neutronů.
V první části 4 pouzdra je komora 14 zdroje, v níž je umístěn zdroj 16 neutronů, který slouží jako vysílač. Ve druhé části 6 pouzdra je uspořádána čítači trubicová komora 17 pro umístění dvou navzájem paralelních čítačích trubic 18, které slouží jako přijímač. K. vnější stěně 9 přivrácená stěna 19 čítači trubicové komory 17 má rovněž kadmiový kryt 11. Jsou možná také provedení s více vysílači a/nebo přijímači, pomocí nichž jsou zjistitelné změny koncentrace nebo rozdíly signálu.
Pro ochranu zdroje 16 neutronů a čítači trubice 18 před vysokou teplotou součásti 1, neboli trubky s médiem je mezi komorou 14 zdroje a vnitřní stěnou 8 popřípadě mezi čítači trubicovou komorou 17 a vnitřní stěnou 8 uspořádán chladicí kanál 20. Délka chladicího kanálu 20 ve vertikálním směru přitom odpovídá alespoň délce měřicího zařízení 2. Vždy podle formy provedení trubky s médiem může být chladicí kanál 20 vytvořen například jako prstencový nebo ve formě pásů.
Chladicí kanál 20 je protékán chladicím médiem 22 ve směru šipky 23. Chladicí médium 22, například vzduch, je hnáno chladicím kanálem 20 pomocí ventilátoru 24. Ventilátor 24 je uspořádán například na spodním konci první části pouzdra. Na opačném konci první části 4 pouzdra je uspořádáno teplotní čidlo 26 pro stanovení teploty chladicího média 22. Stanovená naměřená hodnota teplotního čidla 26 se přivádí k neznázoměnému systému regulace teploty. Blíže neznázoměný systém regulace teploty zajišťuje, že chladicí médium 22 nepřekročí směrem nahoru ani směrem dolů mezní hodnotu. Za tím účelem se ovlivňuje výkon ventilátoru 24 a z něho vycházející proud chladicího vzduchu.
První část 4 pouzdra a druhá část 6 pouzdra dále obsahují mezi vnitřní stěnou 8 a chladicím kanálem 20 popřípadě přídavnou izolační vrstvu 28, přičemž jako izolátor slouží vzduch. Analogicky k chladicímu kanálu 20 může být izolační vrstva 28 vytvořená například prstencová nebo ve formě pásů.
Meziprostor, nacházející se mezi vnitřní stěnou 8 a vnější stěnou 9 první části 4 pouzdra, je vyplněn absorbujícím moderátorem 30. Přitom je jako absorbující moderátor 30 použit polyetylén. Analogicky je ve druhé části 6 pouzdra meziprostor rovněž vyplněn absorbujícím moderátorem 30. Absorbující moderátor 30, kadmiový kryt 11 a vnější stěna 9 sestávající z austenitického materiálu tvoří vrstvené odstínění 31 pro záření vyvíjené prostřednictvím zdroje 16 neutronů.
V izolační vrstvě 28 a v chladicím kanálu 20 jsou vsazeny distanční prostředky 32. Pomocí těchto distančních prostředků 32, například opěrných zařízení, se zabraňuje teplotou
-4CZ 288082 B6 podmíněným změnám geometrie měření, zejména délky měrné dráhy. Jako teplotně stálé a neroztažné materiály se používá keramika nebo slídové sklo.
Obr. 2 představuje měřicí zařízení 2 v řezu. Podle něho jsou první část 4 pouzdra a druhá část 6 pouzdra navzájem spojeny množstvím zvnějšku nasazených upevňovacích prvků 34. Celé měřicí zařízení přitom objímá nebo svírá součást 1, neboli trubku s médiem. Upevňovací prvky 34 jsou vytvořeny například jako svorky, šrouby nebo uzavírací zařízení. V tomto pohledu je zřejmé, že jsou uspořádány také dvě čítači trubice 18. Mohly by být uspořádány také více než dvě čítači trubice 18. Zdroj 16 neutronů a obě čítači trubice 18 jsou uspořádány v komoře 14 zdroje popřípadě v komoře 17 čítači trubice.
Pro chlazení zdroje 16 neutronů a obou čítačích trubic 18 probíhá soustředně kolem součásti 1, neboli střední trubky s médiem izolační vrstva 28 a chladicí kanál 20. Kromě toho jsou v rovnoměrných odstupech v izolační vrstvě 28 a v chladicím kanálu 20 umístěny distanční prostředky 32. Vnější stěny 9 jakož i stěna 19 komory 17 čítači trubice mají, analogicky k obr. 1, vždy jeden kadmiový kryt Π..
Prostřednictvím zdroje 16 neutronů se vysílá tok 36 neutronů skrze chladivo, tekoucí v trubce s médiem. Tok 36 neutronů proniká chladivém 38, obohaceným borem. V závislosti na koncentraci boru v chladivu se tok 36 neutronů zeslabí. Změněný tok 36 neutronů se stanoví prostřednictvím detektoru neutronů, tj. čítači trubice 18.
Naměřené hodnoty vytvořené čítacími trubicemi 18 se přivádějí do vyhodnocovací jednotky 40. Vyhodnocovací jednotka 40 stanoví z počtu impulzů čítače a teploty chladicího prostředku 38 (měřicí čidlo není znázorněno) koncentraci boru nebo kyseliny borité. Protože zdroj 16 neutronů je uspořádán diagonálně proti oběma čítacím trubicím 18, prochází tok 36 neutronů přes celou šířku průměru d trubky s médiem. Přitom je v trubce s médiem vytvořena v podstatě přímá měrná dráha mezi zdrojem 16 neutronů a čítacími trubicemi 18.
Popsané měřicí zařízení 2 má, na základě své vysokoúčinné, aktivní tepelné izolace prostřednictvím ovlivnitelného proudu chladicího vzduchu chladicího kanálu 6, dobré chování s ohledem na tepelné vlivy při stanovení koncentrace boru. Měřicí zařízení 2 je tak zvlášť vhodné pro přímé nasazení v primárním okruhu reaktoru, kde mohou nastávat teploty až 380 °C. Měřicí zařízení 2 je mechanicky konstruováno tak, že samotné silné kolísání teploty nezpůsobuje žádné změny geometrie a tedy žádné ovlivnění procesu měření.
Eventuálně přetrvávající závislost.procesu měření absorpce neutronů na termodynamickém stavu chladicího prostředku 18 a na hydraulických poměrech v primárním chladicím okruhu je možno eliminovat postupem počítačového vyhodnocení ve vyhodnocovací jednotce 40. Přitom se pro zvýšení přesnosti a pro rychlou informaci využívají, vedle měřicího signálu měřicího zařízení 2 také další, pro měření koncentrace boru relevantní procesní informace. Ty se zpracovávají ve vyhodnocovací jednotce 40 za použití algoritmů plausibility a bilancí, založených na modelu. Konstrukcí měřicího zařízení 2, odstíněnou proti záření, je vyloučeno ozáření provozního personálu, které by bylo hodno pozornosti.
V případě velkoplošných součástí 1 je použitelné měřicí zařízení 2 stejného druhu, přičemž zdroj 16 neutronů a čítači trubka 18 jsou uspořádány v jednodílném pouzdře. U zařízení tohoto druhu je výhodné použití odraženého měřicího signálu. Přitom se signál vyzařovaný zdrojem 16 neutronů odráží uvnitř součásti 1 a potom je zachycován čítači trubicí 18.