ES2239979T3 - Medicion del espesor de material ferromagnetico y del espesor de oxido sobre varillas de combustible nuclear. - Google Patents
Medicion del espesor de material ferromagnetico y del espesor de oxido sobre varillas de combustible nuclear.Info
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Abstract
Un método para determinar el espesor de una capa de un material ferromagnético formado sobre la superficie de una varilla de combustible nuclear, que comprende las etapas de: a1) colocar una sonda de un detector de corrientes parásitas sobre la superficie de la capa de material sustancialmente ferromagnético; a2) excitar una bobina de la sonda con una corriente alterna que tiene una primera frecuencia seleccionada para penetrar únicamente en el interior de la capa de material sustancialmente ferromagnético; a3) medir una primera impedancia compleja de dicha sonda, representativa del cambio de permeabilidad, del cambio de espesor y del cambio de conductividad de la capa de material sustancialmente ferromagnético.
Description
Medición del espesor de material ferromagnético y
del espesor de óxido sobre varillas de combustible nuclear.
En líneas generales, la presente invención se
refiere a métodos de ensayo de corrientes parásitas para medir el
espesor de una o varias capas conductoras de impurezas
ferromagnéticas y no ferromagnéticas y de óxido de circonio formadas
sobre el revestimiento de varillas de combustible nuclear de
elementos de combustible nuclear, y a métodos de ensayo de
corrientes parásitas para medir con precisión el espesor de la capa
de óxido de circonio situada entre el revestimiento de la aleación
de circonio de la varilla de combustible y una o varias capas
eléctricamente conductoras de impurezas ferromagnéticas y/o no
ferromagnéticas.
Durante el funcionamiento de un reactor nuclear,
las varillas de combustible nuclear que están dispuestas en cada
conjunto de combustible nuclear están sumergidas en un
refrigerante/moderador en el núcleo del reactor. En los reactores
moderados con agua corriente que usan tubos de revestimiento de
circonio o de aleación de circonio para las varillas de combustible,
como resultado de la reacción entre el moderador refrigerante de
agua y el circonio de los tubos de revestimiento, se forma óxido de
circonio en las varillas de combustible que se puede acumular hasta
un espesor de aproximadamente 200 \mum. Debido a los efectos
negativos del óxido de circonio sobre la transferencia de calor
desde el tubo de revestimiento de la varilla de combustible al
refrigerante/moderador, y a la reducción del espesor de la pared del
revestimiento debido a la pérdida de metal que afecta a la
integridad estructural del revestimiento, hay un límite sobre la
cantidad máxima de óxido que se permite en cada varilla de
combustible. Cuando se alcanza este límite para una varilla de
combustible, se tiene que retirar del servicio.
En reactores de química normal de agua (por
ejemplo, los que no tienen cinc o metales nobles agregados al
refrigerante/moderador de agua), típicamente, no se deposita
impureza alguna o se depositan cantidades limitadas de impurezas
sobre las varillas de combustible y se pueden usar técnicas normales
de medición de levantamiento o separación por corrientes parásitas.
Tales técnicas normales miden un parámetro (por ejemplo, vector de
levantamiento o separación) producido por la capa de óxido de
circonio que después se relaciona con el espesor de la capa de óxido
de circonio.
Sin embargo, el refrigerante del reactor puede
trasportar partículas disueltas de los componentes y tuberías del
sistema refrigerante del reactor y depositar tales partículas
disueltas sobre las varillas de combustible nuclear.
En reactores de agua hirviendo (BWR) que tienen
componentes de bronce de aleación de cobre, cinc y estaño en los
condensadores de vapor, y en los BWR y reactores de agua presurizada
(PWR) que usan química de agua de inyección de cinc, también se
forman impurezas ferromagnéticas sobre las varillas de combustible.
Por ejemplo, en reactores que usan química de inyección de cinc, una
capa de espinela de cinc (ZnFe_{4}O_{2}) así como también
hematita forman una capa tenaz de impurezas sobre la parte superior
de la capa de óxido de circonio. Esta capa de impurezas es
ferromagnética debido a la presencia de hierro. Además, la aleación
formada por el hierro y el cinc afecta a la conductividad y a la
permeabilidad de la capa de impurezas. La medición del espesor de la
capa de impurezas y la medición del espesor de la capa de óxido son
críticas para la evaluación con precisión del rendimiento hidráulico
térmico de la varilla de combustible nuclear así como también del
cumplimiento de los límites operativos de la varilla de combustible
y de la vida útil de dicha varilla de combustible.
Sin embargo, el material ferromagnético de la
capa de impurezas interfiere con la medición normal del
levantamiento o separación por corrientes parásitas, medición usada
para determinar el espesor de la capa de óxido del revestimiento de
la varilla de combustible. La capa de impurezas que tienen material
ferromagnético no se ha medido con precisión por los métodos de la
técnica anterior, lo que ha provocado o lo que ha dado como
resultado una sobreestimación del espesor de la capa de óxido del
revestimiento.
Las mediciones normales del levantamiento o
separación para medir el espesor de una capa o capas de corrosión
emplean una sonda que tiene una o más bobinas de hilo conductor que
se coloca sobre la superficie de la varilla de combustible. Cuando
la bobina se levanta o se separa de la superficie de la muestra de
ensayo, la impedancia de la bobina cambia como respuesta a los
efectos decrecientes de las corrientes parásitas producidos en la
parte de la muestra de ensayo. La señal que produce la bobina se
denomina vector de levantamiento o separación. Cuando se ensayan
varillas de combustible nuclear, la conductividad de la base o
material de revestimiento no cambia, por lo que no se efectúa la
misma trayectoria de la curva de levantamiento o separación. Se
supone que el cambio de impedancia se relaciona directamente con la
distancia que la bobina de las corrientes parásitas se levanta o se
separa de la muestra de ensayo. Como se muestra en un gráfico de
impedancia y como se representa en la figura 1, el material
ferromagnético y su lugar geométrico asociado de permeabilidad
(representado como la parte de la figura 1 desde el punto A hasta el
punto C) están en la misma dirección básica que la curva de
levantamiento o separación (representada como la parte de la figura
1 desde el punto B hasta el punto A) para el material de base no
magnético (es decir, el revestimiento de la varilla de combustible).
La capa de impurezas ferromagnéticas provoca un cambio en la
dirección del lugar geométrico del levantamiento o separación y en
la magnitud. Cuando este cambio en la magnitud y en la dirección del
lugar geométrico del levantamiento o separación se agrega al lugar
geométrico de levantamiento o separación del material de base no
magnético, como es típico para los dispositivos de la técnica
anterior, el espesor del óxido sobre la varilla de combustible se
determina incorrectamente, determinación que proporciona un
resultado que es tanto como diez veces más grueso que en la
realidad.
Los métodos de la técnica anterior de medición
del espesor de la capa de impurezas que contienen material
ferromagnético y de la capa de óxido de circonio sobre el
revestimiento de la varilla de combustible incluyen la necesidad de
usar un factor de corrección basado en efectos anticipados de la
capa de impurezas ferromagnéticas. El factor de corrección se
determina considerando que los efectos de la capa de impurezas que
contienen material ferromagnético son una función lineal del
espesor. Sin embargo, esta consideración no es una representación
correcta ni incluso una representación precisa de las condiciones
reales de las impurezas, que cambian en espesor, composición y
permeabilidad a lo largo de la longitud axial del revestimiento de
la varilla de combustible. Por consiguiente, este factor de
corrección y las mismas consideraciones introducen errores
significativos en el espesor real frente al espesor informado. Este
factor de corrección se resta de los datos recogidos y únicamente
proporciona un espesor total virtual de la capa de impurezas y de la
capa de óxido de circonio. El espesor de cada una de las capas de
impurezas que contienen material ferromagnético y de la capa de
óxido de circonio no se puede determinar mediante tales métodos de
la técnica anterior.
Así pues, sería una ventaja sobre los
dispositivos y métodos de la técnica anterior la posibilidad de
medir con precisión el espesor de una capa de impurezas que
contienen material ferromagnético, formada sobre un revestimiento de
varilla de combustible nuclear.
De esta manera, sería una ventaja adicional sobre
los dispositivos y métodos de la técnica anterior la posibilidad de
medir con precisión el espesor de una capa de óxido de circonio
formada sobre la superficie de un revestimiento de varilla de
combustible nuclear.
También sería una ventaja adicional más sobre los
dispositivos y métodos de la técnica anterior la posibilidad de
medir con precisión cada uno de los espesores de la capa de
impurezas que contienen material ferromagnético y de la capa de
óxido de circonio, formadas sobre la superficie del revestimiento de
varilla de combustible nuclear.
Que se proporciona con las reivindicaciones
independientes 1, 3.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona un método para determinar el espesor de una capa de
material que sustancialmente es de óxido sobre la superficie del
revestimiento de una varilla de combustible nuclear, cuando dicha
capa de material sustancialmente de óxido tiene una capa que la
recubre de material que sustancialmente es ferromagnético, teniendo
la capa de material sustancialmente de óxido un espesor desconocido,
que comprende las etapas de: colocar una sonda de un detector de
corrientes parásitas sobre la superficie de la capa de material
sustancialmente ferromagnético, teniendo la sonda una bobina
excitada con una corriente alterna que tiene una primera frecuencia
seleccionada para penetrar únicamente en el interior de la capa de
material sustancialmente ferromagnético y producir una primera
impedancia compleja de dicha sonda representativa del cambio de
permeabilidad, del cambio de espesor y del cambio de conductividad
de la capa de material sustancialmente ferromagnético, excitándose
la bobina con una corriente alterna que tiene una segunda frecuencia
seleccionada para penetrar en el interior de la capa que contiene
material ferromagnético, en la capa de material de óxido y en el
revestimiento de la varilla de combustible nuclear, y producir una
segunda impedancia compleja de dicha sonda representativa del cambio
de permeabilidad, del cambio de espesor y del cambio de
conductividad de la capa que contiene material ferromagnético y del
cambio medido en el levantamiento o separación producida por la capa
de material sustancialmente de óxido; excitar dicha sonda con una
corriente alterna que tiene la primera frecuencia y la segunda
frecuencia; medir la primera impedancia compleja y la segunda
impedancia compleja; girar la fase de la primera impedancia compleja
de forma que su polaridad esté a 180º de la segunda impedancia
compleja; y agregar la segunda impedancia compleja a la primera
impedancia compleja de fase girada, produciendo dicha adición una
impedancia compleja resultante representativa del espesor de la capa
de material sustancialmente de óxido.
La figura 1 es un diagrama de impedancia compleja
en el que se representa la reactancia inductiva frente a la
resistencia para una sonda de corrientes parásitas separada de un
revestimiento de varilla de combustible.
De acuerdo con un aspecto de la presente
invención, una bobina de corrientes parásitas se hace funcionar a
una primera frecuencia, típicamente de 10 MHz. La profundidad de
penetración de las corrientes parásitas está relacionada
inversamente con la frecuencia.
[Ecuación
1]S=\sqrt{\frac{1}{\pi f \mu_{0}
\mu\sigma}}
donde
S = profundidad normal de penetración (donde la
densidad de corrientes parásitas ha disminuido a un 37% de su valor
de superficie);
f = frecuencia de funcionamiento de la sonda de
corrientes parásitas;
\mu_{0} = permeabilidad magnética universal o
permeabilidad del aire;
\mu = permeabilidad magnética relativa del
material o muestra de ensayo; y
\sigma = conductividad del material o muestra
de ensayo.
Seleccionando una alta frecuencia de 10 MHz, los
cambios en la impedancia de la bobina de corrientes parásitas
únicamente medirán la permeabilidad, el espesor y la conductividad
de las impurezas, ya que esta frecuencia es suficientemente alta
como para que no penetre con una profundidad suficiente como para
verse afectada por la conductividad del material del revestimiento
de la varilla de combustible, típicamente, aleación de circonio. Con
esta medición, se mide el cambio de conductividad, permeabilidad y
espesor de la capa de impurezas que contienen material
ferromagnético. Este método es más preciso que los métodos de la
técnica anterior, ya que únicamente penetra en la capa de impurezas
que contienen material ferromagnético y ya que mide las
características reales y de cambio de la capa de impurezas que
contienen material ferromagnético, para obtener datos reales de
espesor para el material ferromagnético específico encontrado, y no
de los materiales ferromagnéticos que son simplemente similares a
los encontrados realmente sobre el revestimiento de la varilla de
combustible.
De acuerdo con otro aspecto de la presente
invención, se aplica una segunda frecuencia a la misma bobina que
provocará que las corrientes parásitas penetren en el interior de
las impurezas, en el interior de la capa de óxido y en el interior
de al menos una profundidad normal de penetración en el
revestimiento de la varilla de combustible. La profundidad de
penetración de corrientes parásitas en función de la frecuencia se
gobierna una vez más por la ecuación 1. Como alternativa, se puede
usar una segunda bobina, en lugar de una sola bobina.
Empleando una segunda frecuencia inferior,
preferiblemente de 2-3 MHz, elegida para penetrar en
el interior de las impurezas, de la capa de óxido y del
revestimiento de la varilla de combustible, los cambios en la
impedancia de la bobina de corrientes parásitas serán un compuesto
del vector de levantamiento o separación de la capa de óxido de
circonio (considerando constante la conductividad del revestimiento
de la varilla de combustible) y de los vectores de permeabilidad,
espesor y conductividad de las impurezas ferromagnéticas.
Cuando se usan técnicas normales de medición de
corrientes parásitas, la corriente parásita inducida en el
revestimiento no magnético de varilla de combustible se opone a la
corriente parásita inducida producida por la sonda de corrientes
parásitas. Cuando el revestimiento de la varilla de combustible
tiene unas impurezas que le recubren y que incluyen material
ferromagnético, las corrientes parásitas inducidas en la capa de
recubrimiento de impurezas son mucho mayores que las corrientes
parásitas producidas en el revestimiento no magnético de la varilla
de combustible y están en fase (es decir, son aditivas). Esto tiende
a influir sobre la medición del espesor de la capa o capas que
recubren al revestimiento de la varilla de combustible, sugiriendo
que la capa o capas son más gruesas que en la realidad.
De acuerdo con la presente invención, restando
vectorialmente (a) los parámetros medidos, es decir, los lugares
geométricos del espesor y permeabilidad de las impurezas
ferromagnéticas obtenidos mediante funcionamiento de una bobina de
corrientes parásitas a la frecuencia más alta, de (b) los parámetros
medidos que reflejan el espesor del óxido de circonio (es decir,
lugar geométrico de levantamiento o separación) y la capa de
impurezas ferromagnéticas (es decir, los lugares geométricos de
espesor y permeabilidad combinados) obtenidos haciendo funcionar una
bobina de corrientes parásitas a la frecuencia más baja, la señal de
impedancia resultante representa datos únicamente del vector de
levantamiento o separación de la capa de óxido de circonio, estando
cancelados los efectos de la capa de impurezas ferromagnéticas. Con
ello se elimina el error o influencia anteriormente discutida,
produciendo datos que representan el espesor real de la capa de
óxido de circonio. La medición usando alta frecuencia para inducir
corrientes parásitas en el material ferromagnético no incluye un
error, porque no hay una interacción entre las corrientes parásitas
inducidas de los materiales ferromagnéticos y de los materiales
no
magnéticos.
magnéticos.
Cuando se usa un aparato de ensayo de corrientes
parásitas multi-frecuencia con una sola bobina o con
doble bobina, la información procedente de la frecuencia más alta se
extrae de la información procedente de la señal total de frecuencia
más alta y de frecuencia más baja, usando filtros en el aparato de
ensayo de corrientes parásitas. La información procedente de la
señal de frecuencia más alta se gira en fase de forma que su
polaridad está a 180º con respecto a la señal de frecuencia más
baja. Entonces, la señal de alta frecuencia y la señal de baja
frecuencia se corrigen en amplitud, se agregan en fase y se filtran.
La señal de impedancia resultante representa únicamente datos del
vector de levantamiento o separación de óxido de circonio, estando
cancelados los efectos de la capa de impurezas ferromagnéticas.
Además, el vector de espesor (representado en la figura 1 como el
lugar geométrico de adelgazamiento representado en el gráfico entre
los puntos C y E) de la capa de impurezas ferromagnéticas se puede
comparar con un valor normal para determinar el espesor de la capa
de impurezas. Si se produce cualquier variación de la composición de
la capa de impurezas ferromagnéticas, tal como de la presencia de
cobalto o de níquel, en el lugar geométrico de permeabilidad (figura
1, punto A a punto C) o en el lugar geométrico de conductividad
(figura 1, punto C a punto D), tales cambios se pueden identificar
por cambios de fase en los lugares geométricos de conductividad y/o
permeabilidad. Como alternativa, la adición de fase se puede
efectuar fuera de línea, en un ordenador.
Las ventajas de la presente invención consisten
en que los cambios reales de propiedades y de espesor de las
impurezas ferromagnéticas se pueden medir directamente. Los métodos
de la técnica anterior se basan en propiedades y espesores de
impurezas simulados, lo que afecta a la precisión de las mediciones.
La metodología de la presente invención no aplica una falsa
aproximación para obtener datos de la capa de impurezas y de la capa
de óxido. De acuerdo con la presente invención, se mide el espesor
de la capa de impurezas ferromagnéticas y el espesor de la capa de
óxido de circonio, en lugar de calcular valores aproximados usando
factores de corrección, con lo que se proporciona una medición real
para evaluar el rendimiento del combustible y el margen
operativo.
De esta manera, la presente invención facilita la
medición con precisión de:
- (a)
- el espesor de una capa ferromagnética de espesor que varía y que cubre la permeabilidad de una capa de óxido no eléctricamente conductora;
- (b)
- el espesor de una capa de óxido bajo una capa conductora ferromagnética, sobre una base de un material conductor no ferromagnético.
Además, la presente invención se puede aplicar a
cualquier medición de un recubrimiento de capa múltiple sobre una
base conductora no ferromagnética, a través de una capa superior
ferromagnética.
Claims (8)
1. Un método para determinar el espesor de una
capa de un material ferromagnético formado sobre la superficie de
una varilla de combustible nuclear, que comprende las etapas de:
- a1)
- colocar una sonda de un detector de corrientes parásitas sobre la superficie de la capa de material sustancialmente ferromagnético;
- a2)
- excitar una bobina de la sonda con una corriente alterna que tiene una primera frecuencia seleccionada para penetrar únicamente en el interior de la capa de material sustancialmente ferromagnético;
- a3)
- medir una primera impedancia compleja de dicha sonda, representativa del cambio de permeabilidad, del cambio de espesor y del cambio de conductividad de la capa de material sustancialmente ferromagnético.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en
el que la medición se efectúa en levantamiento o separación.
3. Un método para determinar el espesor de una
capa de un material de óxido sobre la superficie del revestimiento
de una varilla de combustible nuclear, cuando dicha capa de material
de óxido tiene una capa que la recubre de impurezas que contienen
material ferromagnético, teniendo la capa de material de óxido un
espesor desconocido, que comprende las etapas de:
- b1)
- colocar una sonda de un detector de corrientes parásitas sobre la superficie de la capa de impurezas que contienen material ferromagnético;
- b2)
- excitar una bobina de la sonda con una corriente alterna que tiene una primera frecuencia seleccionada para penetrar únicamente en el interior de la capa de impurezas que contienen material ferromagnético;
- b3)
- medir una primera impedancia compleja de dicha sonda representativa del cambio de permeabilidad, del cambio de espesor y del cambio de conductividad de la capa de impurezas que contienen material ferromagnético;
- b4)
- excitar la bobina con una corriente alterna que tiene una segunda frecuencia seleccionada para penetrar en el interior de la capa de impurezas que contienen material ferromagnético, de la capa de material de óxido y del revestimiento de la varilla de combustible nuclear; y
- b5)
- medir una segunda impedancia compleja de dicha sonda, representativa del cambio de permeabilidad, del cambio de espesor y del cambio de conductividad de la capa de impurezas que contienen material ferromagnético y de la capa de material sustancialmente de óxido; y
- b6)
- restar la primera impedancia compleja de la segunda impedancia compleja, produciendo una impedancia compleja resultante representativa del espesor de la capa de material sustancialmente de óxido.
4. El método de la reivindicación 3, en el que el
material de óxido de la capa de material que es de óxido es un óxido
de circonio.
5. El método de la reivindicación 3, en el que la
segunda frecuencia es de 2-3 MHz.
6. El método de la reivindicación 3, en el que la
primera frecuencia es de 10 MHz.
7. El método de la reivindicación 6, en el que la
segunda frecuencia es de 2-3 MHz.
8. El método de la reivindicación 7, en el que el
material de óxido de la capa que sustancialmente es de material de
óxido es un óxido de circonio.
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