RU2109259C1

RU2109259C1 - Method of gas pressure checking in fuel element of nuclear reactor

Info

Publication number: RU2109259C1
Application number: RU96105899A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Калякин; Ю.С. Шульман; А.В. Иванов; В.С. Павлинов; С.Н. Левин; Е.П. Ковин; Е.В. Литвинов
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Машиностроительный завод"
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1996-03-27
Publication date: 1998-04-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: gas pressure is checked by measuring of heating temperature of jacket 2 in process of natural convection of fuel element filling gas caused by heating the section of fuel element jacket. Peculiar feature of proposed method is simultaneous measurement of heating temperature increment of jacket 2 corresponding to convective component of heat transfer which is gas pressure function and of heating temperature of jacket 2 reducing the error of gas pressure measurement. Both measurements are performed by one and the same temperature sensors 5, 6. Stable check results are obtained in case of change in jacket thickness or in density of turns of spring-actuated lock which fills compensation volume of fuel element. EFFECT: higher accuracy of pressure measurement. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение касается измерению давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора и может быть использовано при массовом изготовлении твэлов для энергетических ядерных ректоров. The invention relates to measuring the pressure of a gas in a fuel element of a nuclear reactor and can be used in the mass production of fuel rods for nuclear power reactors.

Известен способ контроля давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, заключающийся в размещении чувствительного к давлению газа магнитострикционного элемента внутри герметично закрытого твэла и измерительной катушки индуктивности, располагаемой с наружной стороны твэла [1]. A known method of controlling gas pressure in a fuel element of a nuclear reactor, which consists in placing a gas pressure sensitive magnetostrictive element inside a hermetically sealed fuel rod and a measuring inductor located on the outside of the fuel rod [1].

Устройство для осуществления способа содержит чувствительный к давлению газа магнистострикционный элемент, измерительную катушку индуктивности и средство, регистрирующее изменение индуктивности катушки, возникающее вследствие воздействия давления газа на магнитострикционный элемент. The device for implementing the method comprises a gas pressure sensitive magnetostrictive element, a measuring inductance coil and means detecting a change in the inductance of the coil resulting from the influence of gas pressure on the magnetostrictive element.

Недостатками способа и устройства являются необходимость неразрушающего контроля параметров чувствительного магнитострикционного элемента, находящегося внутри металлической оболочки тепловыделяющего элемента. Кроме того, вместе с твэлами в реактор должны вводиться инородные материалы, что не всегда возможно ввиду их ядерной несовместимости. Способ и устройство не позволяют достичь высокой точности измерений, поскольку магнитострикционный элемент экранирован от измерительной системы (например, катушки) металлической оболочкой твэла. The disadvantages of the method and device are the need for non-destructive testing of the parameters of the sensitive magnetostrictive element located inside the metal shell of the fuel element. In addition, foreign materials must be introduced into the reactor together with the fuel rods, which is not always possible due to their nuclear incompatibility. The method and device do not allow to achieve high measurement accuracy, since the magnetostrictive element is shielded from the measuring system (for example, a coil) by a metal cladding of a fuel rod.

Известен способ определения давления газа в герметичных тонкостенных изделиях, который принят за прототип, заключающийся в том, что к внешней поверхности оболочки твэла прикладывают тепловой импульс и измеряют ее температуру на расстоянии от точки приложения импульса [2]. A known method of determining the gas pressure in sealed thin-walled products, which is adopted as a prototype, which consists in the fact that a thermal pulse is applied to the outer surface of the fuel cladding and its temperature is measured at a distance from the point of application of the pulse [2].

Для уменьшения погрешности измерения измерение температуры осуществляют в двух точках, равноудаленных от точки приложения теплового импульса и находящихся на прямолинейном участке оболочки. При этом точки измерения и точка приложения импульса расположена на одной вертикальной прямой, а давление определяют по максимальному значению разности измеренных температур. To reduce the measurement error, the temperature is measured at two points equidistant from the point of application of the heat pulse and located on a straight section of the shell. In this case, the measuring points and the point of application of the pulse is located on one vertical line, and the pressure is determined by the maximum value of the difference in the measured temperatures.

Сущность известного способа заключается в возбуждении тепловым импульсом конвективного движения заполняющего твэл газа и измерении приращения температуры оболочки, соответствующего конвективной составляющей теплопередачи. The essence of the known method is to excite the convective motion of the filling fuel element gas by a heat pulse and measure the increment of the sheath temperature corresponding to the convective component of heat transfer.

На фиг. 1 приведена схема измерения давления газа с помощью возбуждения естественной конвекции; на фиг. 2 - схема измерения данного способа; на фиг. 3 - 5 - графики зависимости измеряемого приращения температуры, где 1 и 2 - датчики температуры T₁, T₂; 3 - нагреватель оболочки Q; 4 и 5 - горячая и холодная ветви конвективного движения газа; 6 - оболочка твэла; g - вектор силы тяжести.In FIG. 1 shows a diagram for measuring gas pressure using natural convection excitation; in FIG. 2 is a measurement diagram of this method; in FIG. 3 - 5 are graphs of the dependence of the measured temperature increment, where 1 and 2 are temperature sensors T ₁ , T ₂ ; 3 - shell heater Q; 4 and 5 - hot and cold branches of convective gas movement; 6 - cladding of a fuel rod; g is the vector of gravity.

Технически очень трудно обеспечить стабильное нагревание оболочки накладными нагревателями 3 для схемы измерения на фиг. 1, вследствие большой зависимости выделяемой нагревателем в оболочке мощности от величины зазора между индуктором и оболочкой. Это не позволяет на практике достичь высокой точности контроля давления газа с помощью схемы на фиг. 1. It is technically very difficult to ensure stable heating of the shell by overhead heaters 3 for the measurement circuit in FIG. 1, due to the large dependence of the power released by the heater in the shell on the size of the gap between the inductor and the shell. This does not allow in practice to achieve high accuracy of gas pressure control using the circuit in FIG. one.

Известная схема имеет недостатки - низкую мощность потока конвекции газа в совокупности с накладным нагревателем, не обеспечивающим повторяемости нагреваний оболочки твэла с высокой точностью. Помимо этого, основным недостатком способа является зависимость результата измеренной разности температур от толщины оболочки, температуры нагревания и плотности витков пружинного фиксатора, заполняющего компенсационный объем твэла. Измеряемая разность температур является функцией давления газа, толщины оболочки твэла, температуры нагревания оболочки, плотности витков пружинного фиксатора, что не дает возможности получить точность измерения давления газа, требуемую при производстве твэлов 0,5 атм. The known scheme has drawbacks - the low power of the gas convection flow in combination with an overhead heater that does not provide repeatability of heating of the fuel cladding with high accuracy. In addition, the main disadvantage of this method is the dependence of the result of the measured temperature difference on the shell thickness, heating temperature and the density of the turns of the spring retainer filling the compensation volume of the fuel rod. The measured temperature difference is a function of the gas pressure, the cladding thickness of the fuel rod, the heating temperature of the cladding, the density of the turns of the spring retainer, which makes it impossible to obtain the accuracy of measuring the gas pressure required in the production of 0.5 atm fuel rods.

Предлагаемое изобретение решает задачу увеличения точности измерения давления газа, влияющего на качество твэла и продолжительность его работы в реакторе. Поставленная задача решается предлагаемым способом контроля давления газа в тепловыделяющем элементе ядерного реактора, согласно которому к оболочке твэла прикладывают тепловой импульс, возбуждающий конвективное движение газа, и датчиками измеряют приращение температуры оболочки, соответствующее конвективной составляющей теплопередачи в области развитого конвективного течения заполняющего твэл газа, дополнительно измеряют температуру нагревания оболочки одновременно с измерением приращения температуры оболочки, оба измерения осуществляют одними и теми же датчиками, а величину давления газа определяют с учетом корректировки измеренного приращения температуры оболочки по результатам контроля температуры нагревания оболочки. Температуру нагревания оболочки определяют измерением приращения полусуммы температур датчиков, используемых для измерения приращения температуры оболочки, соответствующего конвективной составляющей теплопередачи. The present invention solves the problem of increasing the accuracy of measuring gas pressure, affecting the quality of the fuel rod and the duration of its operation in the reactor. The problem is solved by the proposed method of monitoring the gas pressure in the fuel element of a nuclear reactor, according to which a heat pulse is applied to the fuel cladding, which excites convective gas movement, and the increments of the sheath temperature corresponding to the convective component of heat transfer in the developed convective component of the filling fuel gas are measured by sensors, and they are additionally measured shell heating temperature at the same time as measuring the increment of shell temperature, both measurements carried out by the same sensors, and the gas pressure value is determined taking into account the adjustment of the measured increment of the shell temperature according to the results of monitoring the shell heating temperature. The heating temperature of the shell is determined by measuring the increment of the half-sum of the temperature of the sensors used to measure the increment of the shell temperature corresponding to the convective component of heat transfer.

Заявляемое решение, включающее дополнительную операцию измерения температуры нагревания оболочки одновременно с измерением температурного приращения, вызванного конвективным движением газа с последующей коррекцией результата контроля давления газа по температуре нагревания оболочки, повышает точность измерения давления газа. The inventive solution, including the additional operation of measuring the temperature of the heating of the shell at the same time as measuring the temperature increment caused by convective motion of the gas with subsequent correction of the result of monitoring the gas pressure by the temperature of heating the shell, increases the accuracy of measuring gas pressure.

Способ осуществляют следующим образом (фиг. 2). The method is as follows (Fig. 2).

С помощью индукционного нагревателя 1 к оболочке 2 твэла прикладывают тепловой импульс, нагревая за 4 - 5 с кольцевой участок оболочки твэла длиной 15-20 мм до 120-150^oC. Вращающийся конвективный поток газа возникает между нагретым и холодным участками оболочки. Во время вращения газа датчиками 5 и 6 измеряют приращение температуры участка оболочки, смываемого горячей ветвью 3 конвективного потока газа, по отношению к температуре участка оболочки, омываемого холодной ветвью потока 4, которое является функцией давления газа, температуры нагревания оболочки, толщины оболочки, плотности витков пружинного фиксатора.Using an induction heater 1, a thermal impulse is applied to the cladding 2 of the fuel element, heating for 15 to 20 seconds the annular section of the cladding of the fuel element with a length of 15-20 mm to 120-150 ^o C. A rotating convective gas flow occurs between the heated and cold sections of the cladding. During gas rotation, the sensors 5 and 6 measure the temperature increment of the shell portion washed off by the hot branch 3 of the convective gas flow with respect to the temperature of the shell portion washed by the cold branch of the stream 4, which is a function of gas pressure, shell heating temperature, shell thickness, and coil density spring retainer.

Процесс образования приращения температуры нагревания оболочки, соответствующего конвективной составляющей теплопередачи для различных давлений газа P и температур нагревания оболочки изображен на фиг. 3,4. Одновременно датчиками 5 и 6 измеряют приращение полусуммы температур Δ (T₁+T₂)/2] нагревания оболочки в том же месте, где происходит контроль приращения температуры оболочки, связанный с конвективным движением газа. Процесс изменения полусуммы температур, измеряемых датчиками 5 и 6, Δ[(T₁+T₂)/2], для различных толщин оболочки δ, иллюстрируется фиг. 5.The process of forming an increment of the shell heating temperature corresponding to the convective heat transfer component for various gas pressures P and shell heating temperatures is shown in FIG. 3.4. At the same time, the sensors 5 and 6 measure the increment of the half-sum of temperatures Δ (T ₁ + T ₂ ) / 2] of heating the shell in the same place where the control of the temperature increment of the shell associated with the convective motion of the gas is monitored. The process of changing the half-sum of temperatures measured by sensors 5 and 6, Δ [(T ₁ + T ₂ ) / 2], for various shell thicknesses δ, is illustrated in FIG. 5.

Проведенные исследования показали, что приращение полусуммы температур Δ [(T₁+T₂)/2] практически не зависит от давления газа в твэле. При одинаковой мощности нагревателя, Δ [(T₁+T₂)/2] является температурой нагревания как заполненной, так и незаполненной газом оболочки.The studies showed that the increment of half the temperature Δ [(T ₁ + T ₂ ) / 2] is practically independent of the gas pressure in the fuel element. For the same heater power, Δ [(T ₁ + T ₂ ) / 2] is the heating temperature of both the filled and the blank gas shells.

Из измеренных значений T₁-T₂, (фиг. 3) и Δ [(T₁+T₂)/2] (фиг. 5) формируют параметр

остающийся стабильным для твэлов с одинаковым давлением газа P и разной толщиной оболочки δ, и, как показали исследования, очень слабо реагирующем на 10%-ные колебания мощности нагревания оболочки.From the measured values of T ₁ -T ₂ , (Fig. 3) and Δ [(T ₁ + T ₂ ) / 2] (Fig. 5) form the parameter

which remains stable for fuel elements with the same gas pressure P and different cladding thickness δ, and, as studies have shown, react very poorly to 10% fluctuations in cladding heating power.

Окончательно зависимость давления газа от измеренных параметров T₁-T₂, и Δ [(T₁+T₂)/2] определяют соотношениями:

где P - давление газа в атмосферах;
А, В и С - постоянные величины, определяемые при градуировке; K - показатель, значение степени К колеблется 1,8 до 2,2, в зависимости от чувствительности выбранных датчиков температуры. Этот параметр остается неизменным в течение всего периода работы измерительного модуля. Значение К выбирается таким, чтобы параметр V имел одинаковую величину при измерении твэлов с одним и тем же давлением газа и разной толщиной оболочки или шагом пружинного фиксатора.Finally, the dependence of the gas pressure on the measured parameters T ₁ -T ₂ , and Δ [(T ₁ + T ₂ ) / 2] is determined by the relations:

where P is the gas pressure in the atmospheres;
A, B and C are constant values determined by graduation; K is an indicator, the degree of K varies from 1.8 to 2.2, depending on the sensitivity of the selected temperature sensors. This parameter remains unchanged during the entire period of operation of the measuring module. The value of K is chosen so that the parameter V has the same value when measuring the fuel rods with the same gas pressure and different shell thickness or spring detent pitch.

Предлагаемое техническое решение помимо учета изменения толщины оболочки или плотности витков пружинного фиксатора позволяет стабилизировать результат контроля, обеспечивая неизменность градуировочных коэффициентов А, В, и С в течение нескольких месяцев эксплуатации установки в условиях цеха. Из-за подтирания контактной площадки датчиков 5 и 6 температуры (фиг. 2) вследствие промышленных вибраций измеряемая разность температур T₁-T₂ для твэлов с одним и тем же давлением газа в процессе эксплуатации медленно растет, однако этот рост длительное время компенсируется ростом приращения полусуммы температур Δ [(T₂+T₂)/2], оставляя параметр V практически неизменным в течение 6-8 месяцев эксплуатации.The proposed technical solution, in addition to taking into account changes in the shell thickness or the density of the turns of the spring retainer, allows you to stabilize the control result, ensuring the calibration coefficients A, B, and C remain unchanged for several months of operation of the installation in the workshop. Due to the rubbing of the contact area of the temperature sensors 5 and 6 (Fig. 2) due to industrial vibrations, the measured temperature difference T ₁ -T ₂ for fuel elements with the same gas pressure during operation increases slowly, however, this growth is compensated for a long time by the growth of the increment half the temperature Δ [(T ₂ + T ₂ ) / 2], leaving the parameter V almost unchanged for 6-8 months of operation.

Даже при производительности контроля 60 измерений в 1 ч, датчики 5 и 6 (фиг. 2) не успевают остыть после измерения до своей начальной температуры. Подогретые датчики 5 и 6 при последующем измерении дают завышенные показания приращения температуры оболочки, соответствующего конвективной составляющей теплопередачи T₁-T₂. Однако измеренное приращение полусуммы температур Δ [(T₁+T₂)/2] тоже увеличивается, оставляя параметр V стабильным. Это обстоятельство позволяет избежать дополнительных погрешностей измерений давления газа при работе установок в неритмичном режиме.Even with the monitoring performance of 60 measurements in 1 h, the sensors 5 and 6 (Fig. 2) do not have time to cool down after the measurement to their initial temperature. The heated sensors 5 and 6 during the subsequent measurement give overestimated readings of the increment of the shell temperature corresponding to the convective component of heat transfer T ₁ -T ₂ . However, the measured increment of the half-temperature Δ [(T ₁ + T ₂ ) / 2] also increases, leaving the parameter V stable. This circumstance avoids the additional errors of gas pressure measurements during operation of the units in non-rhythmic mode.

На практике степень коррекции основной функции давления газа уменьшается или увеличивается для наилучшего учета всех выше перечисленных факторов путем изменения показателя степени К в соотношении (1). In practice, the degree of correction of the main function of gas pressure decreases or increases to best account for all of the above factors by changing the exponent K in relation (1).

Погрешность неразрушаемого контроля давления газа предлагаемым способом уменьшена до приемлемой в использовании величины и составляет 0,5 атм. The error of indestructible gas pressure control by the proposed method is reduced to an acceptable value in use and is 0.5 atm.

Использование изобретения в технологическом процессе производства твэлов позволяет повысить качество выпускаемых твэлов. исключает возможность пропуска твэлов. не удовлетворяющих техническим условиям на твэл по давлению газа. The use of the invention in the technological process for the production of fuel elements can improve the quality of the produced fuel elements. excludes the possibility of skipping fuel rods. not meeting the specifications for the fuel rod for gas pressure.

Предлагаемый способ реализуется в установках неразрушающего контроля давления газа, используемых в технологическом процессе изготовления твэлов ВВЭР-440 на ОАО "Машиностроительный завод" с 1996 г. The proposed method is implemented in non-destructive gas pressure monitoring devices used in the manufacturing process for the manufacture of VVER-440 fuel rods at Mashinostroitelny Zavod OJSC since 1996.

Источники информации:
1. Патент ФРГ N 2605756, кл. G 21 C 17/06, 1976.Sources of information:
1. The patent of Germany N 2605756, cl. G 21 C 17/06, 1976.

2. SU, авторское свидетельство, 1306295, кл. G 01 L 11/00, 1991 (прототип). 2. SU, copyright certificate, 1306295, cl. G 01 L 11/00, 1991 (prototype).

Claims

1. A method of monitoring gas pressure in a fuel element of a nuclear reactor, which consists in applying a heat pulse to a convective gas flow to a shell of a fuel element and measuring the increment of the temperature of the shell corresponding to the convective component of heat transfer in the developed convective flow region of the gas fuel element , which determine the gas pressure, characterized in that it further measures the heating temperature of the shell simultaneously measuring the increment of the shell temperature corresponding to the convective component of heat transfer, both measurements being carried out by the same temperature sensors, and the gas pressure value is determined by adjusting the measured increment of the shell temperature according to the results of monitoring the shell heating temperature.

2. The method according to claim 1, characterized in that the heating temperature of the shell is determined by measuring the increment of half the temperature of the sensors used to measure the increment of the shell temperature corresponding to the convective component of heat transfer.