Спосіб корозійного контролю стану оболонок твелів в тепловиділяючій збірці ядерного реактора

Спосіб корозійного контролю стану оболонок твелів у тепловиділяючій збірці ядерного реактора, що включає витримку твелів тепловиділяючої збірки в теплоносії протягом заданого часу та визначення корозійного стану оболонок твелів за змінюванням їх маси, який відрізняється тим, що визначення корозійного стану оболонок твелів проводять під час перебування твелів у теплоносії шляхом вимірювання поляризаційного опору R p 2 Учен., степени канд. техн. наук. Димитровград, 2009, 24с.), що включає визначення товщини окисної плівки на оболонках відпрацьованих твелів на основі вихорострумового методу. Спосіб є складним при застосуванні, потребує програмного забезпечення, характеризується введенням ряду поправок до показань вихорострумового товщиновимірювача при вимірюванні товщини оксидної плівки, а саме поправок, що враховують розходження між діаметрами, температурою та електропровідністю стандартного та досліджуваного зразків, що знижує точність вимірювань. Спосіб потребує наявності стандартного зразка для порі (19) Корисна модель відноситься до галузі теплотехніки, зокрема до випробування тепловиділяючих елементів (твелів) тепловиділяючих збірок ядерних реакторів та дослідження або аналізу корозійного стану оболонок твелів і може бути використана для підвищення надійності експлуатації ядерних реакторів. Відомий спосіб-аналог корозійного контролю стану оболонок твелів в тепловиділяючій збірці ядерного реактора (див. автореферат Костюченко А.Н. Методика и результаты исследования толщины оксидной пленки на оболочках отработавших твэлов ВВЭР и РБМК: Автореф. дис. на соиск. UA (11) де mn i - початкова маса електродів, кг; 3 вняльних вимірювань, а до показань вихорострумового товщиновимірювача потрібно додавати поправки, що враховують розходження між діаметрами, температурою та електропровідністю матеріалів стандартного і досліджуваного зразків твелів. Головним же недоліком є те, що спосіб може застосовуватися лише для відпрацьованих твелів тепловиділяючих збірок після виймання їх з активної зони реактора. Складність роботи з такими збірками полягає у необхідності застосування дистанційних методів досліджень у зв'язку з радіоактивністю матеріалу збірок. В якості найближчого аналогу обрано спосіб корозійного контролю стану оболонок твелів в тепловиділяючій збірці ядерного реактора, що включає витримку твелів тепловиділяючої збірки в теплоносії протягом заданого часу та визначення корозійного стану оболонок твелів за змінюванням їх маси (див. статтю Красноруцкий З.С., Петельгузов И.А., Яковлев В.К., Белаш Н.Н., Ожигов А.С., Родак А.Г., Пасенов Ф.А., Савченко В.И., Слабоспицкая Е.А., Ищенко Н.И. Исследование моделей твэлов реактора ВВЭР-1000, изготовленных из кальциетермического циркониевого сплава Zn1Nb после длительных коррозионных испытаний. - Вопросы атомной науки и техники. Серия Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2003. - №3. - С.101-107). Спосіб є більш простим і дає можливість більш точного визначення в порівнянні з аналогом змінювання товщини стінки оболонок твелів за змінюванням їх маси шляхом простих математичних розрахунків після проведення корозійних досліджень. В той же час цей спосіб, як і спосіб-аналог, не дає можливості проводити постійний корозійний контроль стану оболонок твелів тепловиділяючих збірок під час експлуатації, тому що він може здійснюватися лише після виймання тепловиділяючих збірок з активної зони ядерного реактора під час заміни відпрацьованого палива на свіже, тобто заданий час перебування тепловиділяючої збірки у ядерному реакторі дорівнює часу паливної кампанії. Визначення змінювання маси твелів за цим способом є складним та трудомістким і також потребує застосування дистанційних маніпуляторів для роботи з опроміненими матеріалами тепловиділяючих збірок. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу корозійного контролю стану оболонок твелів у тепловиділяючій збірці ядерного реактора, в якому зміна послідовності проведення операцій способу поряд із застосування нового методу визначення змінювання маси твелів дозволили б забезпечити ефективність способу, тобто забезпечити отримання постійної інформації про протікання корозійного процесу під час експлуатації тепловиділяючих збірок. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі корозійного контролю стану оболонок твелів у тепловиділяючій збірці ядерного реактора, що включає витримку твелів тепловиділяючої збірки в теплоносії протягом заданого часу та визначення корозійного стану оболонок твелів за змінюванням їх маси, який відрізняється тим, що визначення корозійного стану оболонок твелів 58265 4 проводять під час перебування твелів у теплоносії шляхом вимірювання поляризаційного опору R p між матеріалом електродів та теплоносієм, причому в якості електродів використовують два твели в тепловиділяючій збірці, а змінювання маси електродів m розраховують після кожного вимірювання R p за співвідношенням m  mni  mk i  K S пмт Rp де mn i - початкова маса електродів, кг; mk i - маса електродів після перебування в те плоносії протягом часу  , кг; S - площа кородуючої поверхні електродів, м2;  - час перебування електродів в теплоносії між вимірюваннями, години; пит Rp - середній питомий поляризаційний опір в системі матеріал електродів - теплоносій після витримки електродів в теплоносії протягом часу  при n вимірюваннях, що визначають за співвідношенням  Rp  S / 2 n пит Rp  i1 , [Омм], n K - коефіцієнт пропорційності, який визначають попередньо для кожної корозійної системи: матеріал електродів - корозійне середовище за співвідношенням пит K  k  Rp , [кгОм/год.], m - швидкість корозії, кг /м2год. S Перераховані признаки способу корозійного контролю стану оболонок твелів в тепловиділяючій збірці ядерного реактора дозволяють за рахунок того, що визначення корозійного стану оболонок твелів проводять під час перебування твелів в теплоносії за змінюванням їх маси шляхом вимірювання поляризаційного опору R p між матеріаде k  лом електродів та теплоносієм, причому в якості електродів використовують два твели в тепловиділяючій збірці, а змінювання маси електродів m розраховують після кожного вимірювання R p за співвідношенням m  mni  mk i  K S пит Rp де mn i - початкова маса електродів, кг; mk i - маса електродів після перебування в те плоносії протягом часу  , кг; S - площа кородуючої поверхні електродів, м2;  - час перебування електродів в теплоносії між вимірюваннями, години; пит Rp - середній питомий поляризаційний опір в системі матеріал електродів - теплоносій після 5 витримки електродів в теплоносії протягом часу  при n вимірюваннях, що визначають за співвідношенням  Rp  S / 2 n пит Rp  i1 , [Омм], n K - коефіцієнт пропорційності, який визначають попередньо для кожної корозійної системи: матеріал електродів - корозійне середовище за співвідношенням пит K  k  Rp , [кгОм/год.], m - швидкість корозії, кг/м2год. S забезпечити ефективність способу, тобто отримати можливість наскрізного моніторингу стану зовнішньої контактуючої з теплоносієм поверхні твелів в тепловиділяючій збірці ядерного реактора протягом всього періоду паливної кампанії. При цьому час  між вимірюваннями поляризаційного опору R p між матеріалом електродів-твелів та де k  теплоносієм вибирають, виходячи з необхідності отримати достовірну криву кінетики корозії застосованого в якості оболонок твелів матеріалу (це може бути сплав Э110, Э635, Zr1Nb, нержавіюча сталь тощо) в теплоносії на основі води, яка на початковій ділянці має значну кривизну, що потребує застосування менших відрізків часу між замірами, а далі кривизна змінюється мало, що дозволяє застосовувати більші проміжки часу між замірами. Якщо позначити через d та h початковий діаметр твела та його довжину відповідно, а через d  2пл діаметр твелу з утвореною під час його перебування в теплоносії протягом часу  окисною плівкою, то можна визначити товщину плівки пл , використовуючи відомі математичні співвідношення і густину окисної плівки пл , кг/м3. Спосіб дозволяє обґрунтувати працездатність твелів тепловиділяючих збірок ядерних реакторів, виходячи з прийнятих критеріїв їх працездатності, наприклад максимально допустимої товщини окисної плівки (для реакторів типу ВВЕР, наприклад, товщина окисної плівки не повинна перевищувати 60мкм (див. автореферат Костюченко А.Н. Методика и результаты исследования толщины оксидной пленки на оболочках отработавших твэлов ВВЭР и РБМК : Автореф. дис. на соиск. учен., степени канд. техн. наук. Димитровград, 2009, с.4), При цьому працездатність твелів можна визначати при різних умовах роботи твелів, наприклад, при різних ступенях вигоряння ядерного палива і різній тривалості експлуатації, а також при різних теплогідравлічних параметрах прокачування теплоносія, включаючи змінювання температури теплоносія на вході в активну зону. Технічна суть пропонованого способу пояснюється кресленням. На кресленні зображено тепловиділяючу збірку в розрізі під час проведення корозійного контролю. Підготовлена до корозійного контролю вертикально орієнтована тепловиділяюча збірка містить 58265 6 у своєму складі головку 1, верхню кінцеву решітку 2 з отворами для виходу теплоносія 3, чохол 4, нижню кінцеву решітку 5 з отворами для входу теплоносія 6, хвостовик 7. Всередині чохла 4 знаходяться твели 8 з паливними таблетками 9 в них. Твели 8 закріплені в верхній кінцевій решітці 2 через верхні ізолюючі опори 10 та у нижній кінцевій решітці 5 через нижні ізолюючі опори 11. Термічні розширення твелів 8 компенсуються за допомогою пружин 12. Твели 8 у верхній частині з'єднані з струмопідводами 13, які, в свою чергу, з'єднані з індикатором поляризаційного опору 14. При реалізації способу беруть по два твели 8 в кількох тепловиділяючих збірках ядерного реактора (або в одній з них) в чохлі 4 та закріплюють їх в нижній кінцевій решітці 5 через нижні ізолюючі опори 11 нерухомо та в верхній кінцевій решітці 2 через верхні ізолюючі опори 10. Осьове переміщення твелів 8 при їх нагріванні забезпечується пружинами 12. Тепловиділяюча збірка з твелами 8 в її чохлі 4 за допомогою головки 1 та хвостовика 7 встановлюється в активній зоні ядерного реактора. За допомогою струмопідводів 13 та проміжних елементів виводу із активної зони ядерного реактора з'єднують твели з індикатором поляризаційного опору 14. Після герметизації активної зони ядерного реактора та початку циркуляції теплоносія, теплоносій потрапляє в об'єм тепловиділяючої збірки, обмежений чохлом 4, через отвори 6, проходить знизу вверх вздовж твелів 8, охолоджуючи їх та нагріваючись і відводячи теплоту керованої ланцюгової реакції та виходить через отвори 3. Кінетику корозійного процесу, що відбувається в середовищі теплоносія (для ядерних реакторів типу ВВЕР це теплоносій на основі води) відслідковують шляхом періодичного вимірювання поляризаційного опору та наступних розрахунків змінювання маси твелів і товщини утвореної окисної плівки. Відповідно до запропонованого технічного рішення проведено тестові випробування датчиківелектродів, що імітували твели тепловиділяючих збірок ядерного реактора. В якості матеріалу датчиків було застосовано нержавіючу сталь 12Х18Н10Т, теплоносій - дистильована деаєрована вода з рН 6,85. Термін проведення експериментів - 1000 годин безперервного функціонування. Датчики-електроди (2шт.), що імітували твели тепловиділяючих збірок, розташовувались у робочій камері, через яку відбувалась циркуляція теплоносія. Після установки датчиків у робочій камері встановлювався режим циркуляції теплоносія та підводилось стабілізоване теплове навантаження. Підведення теплоти до датчиків здійснювалося за допомогою електроізольованих від оболонок датчиків нагрівачів, розташованих всередині датчиків. Відведення теплоти від зовнішньої поверхні датчиків здійснювалось за рахунок циркулюючого теплоносія. Випробування проводились при постійній робочій температурі при трьох її значеннях, а заміри поляризаційного опору - за допомогою індикатора поляризаційного опору Р 5126. В таблиці наведені температурні умови проведення випробувань, а також отримані результати проведених вимірювань та розрахунків. 7 58265 8 Таблиця Результати випробувань Температура Поляризаційний Питомий поляризаційвипробувань t, пит опір R p , Ом ний опір Rp , Омм2 °C 40-45 23560,5 13,78 90-95 16877,7 9,419 130-135 12927,5 7,563 Аналіз отриманих результатів показує, що чим вища температура t випробувань, тим менша величина поляризаційного опору R p , що відповідає більш інтенсивній корозії (дивись швидкість корозії k ). Але коефіцієнт пропорційності K змінюється Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко Швидкість корозії k , мг/м2год Коефіцієнт Пропорційності K , мгОм /год 1,709 2,222 2,393 23,55 20,93 18,09 незначно, тому для дослідженого діапазону температур і матеріалу датчиків-електродів можна прийняти його середню величину K  20,86 мгОм / год. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601