CZ202278A3 - Metoda měření tlaku uvnitř palivových proutků - Google Patents

Abstract

Metoda měření tlaku uvnitř palivových proutků spočívá v tom, že k výpočtu tlaku a posouzení těsnosti proutků využívá nedestruktivně měřené rezonanční frekvence proutku. Pro upřesnění výpočtu metoda vyžaduje zjištění dalších parametrů palivového proutku, především tloušťky stěny proutku, rychlosti šíření ultrazvukového signálu tělem proutku, aktuální teploty a stupně vyhoření palivového proutku, míry oxidace stěny proutku a také předpokládaného tlaku uvnitř či vně proutku.

Description

Metoda měření tlaku uvnitř palivových proutků

Oblast techniky

Vynález se týká metody měření tlaku uvnitř jednotlivých palivových proutků, bez potřeby vyjmutí měřeného proutku z palivového souboru. Měření tlaku v palivovém proutku je jednou z možných činností v průběhu periodických inspekcí paliva, které probíhají vždy v bazénu skladování vyhořelého (použitého) paliva pod hladinou chladiva sloužícího pro odvádění zbytkového tepla paliva a současně ke stínění radioaktivního záření. Měření probíhá pomocí dálkově řízených zařízení, která provádějí samotné měření a přenos dat do pracovní stanice obsluhy umístěné mimo bazén. Například u reaktorů typů VVER-1000, je nedestruktivní metoda pro měření těsnosti palivového proutku bez nutnosti vyjmutí proutků z palivového souboru velmi důležitá kvůli tomu, že všechny akce spojené s manipulacemi s palivem probíhají v okolí reaktoru a bazénů pro skladování paliva, kde je nutné maximálně omezit čas odstávky a výměny paliva. Alternativním přístupem je převoz palivového souboru do horkých komor, jeho rozebrání v horkých komorách a provedení destruktivních analýz pro stanovení tlaku a složení plynu v proutku. Tato metoda je ovšem určena pro palivové soubory, které se již do aktivní zóny reaktoru nevrátí, a to několik let po jejich poslední dokončené kampani, standardně po 5 až 10 letech chlazení v bazénu skladování vyhořelého paliva.

Dosavadní stav techniky

Počátky měření tlaku uvnitř palivových proutků se datují do začátku 80. let 20. století. Důvodem k tomuto přístupu bylo udržení vysokého standardu bezpečnosti palivových souborů po ozáření, zjištění procesů probíhajících uvnitř palivových proutků a predikce chování v dalších ozařovacích cyklech. K měření tlaku bylo v minulosti používáno několik různých postupů a metod.

Zpočátku bylo pro měření tlaku uvnitř palivových proutků používáno metod destruktivních, kde docházelo k porušení stěny palivového proutku a vypuštění obsahu do nádoby o předem definovaném objemu. Měření tohoto typu mají několik významných nevýhod. Protože se jedná o destruktivní metodu měření vnitřního tlaku, dochází k trvalému poškození, a tudíž ke znemožnění dalšího použití palivového proutku v jaderném reaktoru. Další nevýhodou je radiační zátěž a s ní spojené vysoké náklady na přepravu, manipulaci a následné vyhodnocení v horkých komorách tak, aby byla zajištěna radiační bezpečnost pracovníků manipulujících s palivovým proutkem a zajištěna ochrana životního prostředí podle standardů práce s radioaktivním odpadem. Dále nemožnost provádění měření přímo na jaderné elektrárně a značné zpoždění při vyhodnocení tlaku uvnitř palivových proutků. Poslední je časová náročnost na rozebrání palivového souboru a vyjmutí palivového proutku a s tím spojené ekonomické dopady při případném prodlužování odstávky reaktoru. Výhodou měření je však vysoká přesnost naměřených hodnot. Není zde žádné ovlivnění chladivem proudícím v okolí palivových proutků a žádný vliv vnitřní technologie a náplně uvnitř těchto proutků.

Dalším přístupem je použití laseru k bodovému zahřívání palivového proutku. Následně se měří teplota v několika bodech (minimálně dvou) a čas, kdy dojde k jejímu ustálení. Z této závislosti je možné dopočítat tlak uvnitř proutků, neboť při vyšších tlacích se zvyšuje součinitel přestupu tepla plynu uvnitř palivového proutku a dochází tak k rychlejšímu ohřevu na měřených pozicích. Nevýhodou tohoto systému je značné bodové tepelné namáhání palivového proutku a možnost jeho poškození nebo zhoršení jeho mechanických vlastností, vedoucích k možnému poškození při provozu jaderného reaktoru. Použití této metody je sporné pro palivové proutky, v jejichž pokrytí mohou být přítomny hydridy. V případě, že se laser trefí do hydridu, bude to s velkou pravděpodobností indikovat jako roztěsnění proutku. Dalším problémem této metody je robustnost zařízení kvůli odstínění laseru od radiace a také komplexnost přivedení laserového svazku na

- 1 CZ 2022 - 78 A3 palivový proutek. Naopak její výhodou je použití přímo na jaderné elektrárně a jejich téměř okamžité vyhodnocení. Značnou výhodou je nedestruktivní charakter zkoušky.

Nejnovější technologie umí rozpoznat změnu tlaku uvnitř proutku pomocí změny rezonanční frekvence palivového proutku. Bývá při ní použita frekvence ohybového kmitání příčného řezu proutku (in-plane bending mode), která je silně lineárně závislá (mimo jiné) na tlaku uvnitř proutku. Dosavadní znalosti však neumožňují určit přímo tlak uvnitř proutku a jsou odkázány na práci s jediným proutkem, navíc v laboratorním prostředí. Při použití různých proutků metoda zcela selhává. Dosud nebyla použita mimo laboratorní prostředí.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje metoda měření tlaku uvnitř palivových proutků, podle tohoto vynálezu, jejíž podstata spočívá v tom, že k výpočtu tlaku a posouzení těsnosti proutků využívá nedestruktivně měřené rezonanční frekvence proutku. Pro upřesnění výpočtu metoda vyžaduje zjištění dalších parametrů palivového proutku, především tloušťky stěny proutku, rychlosti šíření ultrazvukového signálu tělem proutku, aktuální teploty a stupně vyhoření palivového proutku, míry oxidace stěny proutku a také předpokládaného tlaku uvnitř či vně proutku, nebo hloubky zkoušeného místa pod hladinou vody.

Měření rezonančních frekvencí probíhá pomocí jedné či více sond přiložených k palivovému proutku a měřicího zařízení, které je kvůli radiaci umístěno v dostatečné vzdálenosti od měřeného palivového souboru. Měřicí zařízení vytvoří a vyšle elektrický signál do vysílací sondy, ta jej převede na akustický signál a vyšle jej do palivového proutku. Akustickou odezvu palivového proutku zachytí přijímací sonda a převede ji opět na elektrický signál. Ten je vyslán zpět do měřicího zařízení, v němž je signál zpracován a zobrazen. Konkrétní vybuzení proutku generuje hned několik významných vrcholků frekvenčního spektra, které jsou způsobeny různými tvary kmitu proutku. Jednotlivé tvary závisí více či méně na tlaku uvnitř nebo vně proutku stejně tak, jako na geometrických či materiálových vlastnostech proutku. Dalším důležitým parametrem je místo buzení, respektive místo snímání kmitů nebo též tlumení kmitů vnitřním nebo vnějším prostředím proutku.

Pomocí detailní znalosti významných vrcholků frekvenčního spektra je možné sestavit systém rovnic pro jednotlivé proutky a nastavit ho tak, aby se nejprve vypočítal přibližný tlak uvnitř proutku. Chybějící parametry proutku, jako je lokální tloušťka stěny, hustota materiálu proutku či rychlost šíření signálu uvnitř proutku, je možné též dopočítat vhodně sestavenými rovnicemi obsahujícími několik rezonančních frekvencí nebo jiných známých parametrů proutku. Každý měřený proutek v souboru bude mít svůj vlastní systém rovnic a své vlastní vypočítané a změřené hodnoty daných parametrů. Až na základě znalosti očekávaného tlaku zdravých proutků a vlastností několika proutků v souboru bude možné dopočítat přesný tlak každého jednotlivého proutku.

Kritériem pro vyřazení daného proutku (kvůli jeho roztěsnění) je stanovený limitní pokles tlaku v proutku, který je dán požadavkem provozovatele energetického zařízení. Může se jednat například o pokles tlaku v proutku ze 2 na 0,2 MPa, přičemž 2 MPa se bere jako dolní limitní hodnota pro dosud těsný proutek a 0,2 MPa je naopak horní limitní tlak, který shora vymezuje roztěsněný proutek.

Pakliže je na daném palivovém proutku postupem uvedeným výše naměřena krajní hodnota, případně je překročena, může být takový proutek označen buďto jak těsný, nebo naopak jako netěsný (roztěsněný), podle toho, jaké krajní hodnoty dosáhl. Metoda je schopna určit jednotlivé těsné i netěsné proutky daného palivového souboru.

- 2 CZ 2022 - 78 A3

Jedná se čistě o nedestruktivní metodu, jež chrání personál provádějící inspekci paliva i měřící zařízení pro generování, záznam i analýzu signálu.

Objasnění výkresů

Vynález je blíže osvětlen pomocí výkresů, kde obr. 1. zobrazuje základní schéma měření a principiálně průběh měřených signálů. Vlevo je schéma palivového souboru. Vpravo nahoře je schéma měřicího zařízení. Vpravo dole je schematicky naznačen vzhled průběhu signálů měřených veličin amplitudy a frekvence.

Příklad uskutečnění vynálezu

Metoda slouží předně na kontrolu jaderného paliva reaktorů typu LWR.

Jedním z konkrétních příkladů využití této metody je identifikace netěsných palivových proutků vybraného palivového souboru 1, který je uložen v meziskladu vyhořelého jaderného paliva a je označen jako podezřelý, tj. ve kterém se zřejmě vyskytuje jeden nebo více netěsných palivových proutků 2. V takovém případě je třeba nejprve zjistit kritérium pro určení těsného a netěsného proutku, například po dohodě s provozovatelem dané elektrárny je tlak těsného proutku >2,0 MPa a tlak netěsného proutku < 0,2 MPa. Dále je potřeba nedestruktivně proměřit proutky palivového souboru 1 postupem nastíněným níže a spustit výpočet, který s určitou mírou pravděpodobnosti určí těsné, netěsné či sporné proutky. K inspekci jaderného paliva uloženého v hloubce cca 10 až 20 m pod hladinou vody v bazénu s vyhořelým palivem je nutný též mechanismus, který zaveze sondy do dané hloubky. Mechanismus pro dopravení sond a přesné navedení na měřicí polohu může fungovat dle níže popsaného schématu.

Minimálně dvě sondy 3 a 4 zavezené až do požadované hloubky a umístěné do zvolených pozic jsou přiloženy na povrch palivového proutku 2. Sondy 3 a 4 jsou spojeny s měřicím zařízením 5 umístěným nad bazénem dlouhými kabely vedoucími elektrický signál dolů do vysílací sondy 3 a z přijímací sondy 4 zase zpět do měřicího zařízení 5. Teoreticky je možné použít jednu sondu obsahující budič a současně i přijímač, případně více sond pro buzení a snímání různých tvarů kmitu v rozdílných místech proutku, nebo v několika proutcích zároveň.

Jakmile obě sondy 3 a 4 dosednou na povrch palivového proutku 2, vyšle měřicí zařízení 5 předem zvolený signál 8_do vysílací sondy 3. Sonda jej přenese do proutku 2, kde se frekvenční spektrum signálu přetvoří dle parametrů proutku 2, například se zvýší nebo sníží amplituda nebo frekvence dle tlaku uvnitř proutku. Odezva 9 signálu je zaznamenána přijímací sondou 4, převedena na elektrický signál a odeslána zpět do měřicího zařízení 5.

Měřicí zařízení 5 tvoří obvykle počítač s vhodnými programy pro vytvoření a analýzu signálu, dále hardwarový generátor signálu a osciloskop. Vytvořeným signálem může být takzvaný bílý šum, může mít tvar sinusoidy s konstantní amplitudou a postupně se zvyšující frekvencí, nebo to může být krátký elektrický impuls. Kvůli dlouhým kabelům a velkému tlumení vodou lze vysílaný nebo přijímaný signál předem zesílit, například + 20 nebo + 40 dB.

Přijatý signál je vhodné upravit pomocí Fourierovi transformace a zobrazit jeho frekvenční spektrum, tj. závislost v grafu s osou amplitudy 6_a osou frekvence 7. Toto frekvenční spektrum je dále analyzováno. Dle předběžných výpočtů jsou z něj vybrány zajímavé vrcholky (peaky) 10 a je zaznamenána jejich frekvence, případně též i amplituda. Do předem připravených rovnic se vloží naměřené hodnoty frekvencí a dopočítají se chybějící vlastnosti posuzovaných proutků. Nezbytná je především tloušťka stěny proutku, stanovená na jednotky mikrometrů!

- 3 CZ 2022 - 78 A3

Sada proutků o známých vlastnostech se pak posoudí společně, vyhodnotí se odchylky jednotlivých proutků a určí se případně netěsné proutky jejichž tlak je nižší než stanovená limitní hodnota. V případě sporných proutků je třeba měření opakovat, případně zvýšit přesnost nebo četnost měření.

Příkladem vztahu pro výpočet tlaku uvnitř palivového proutku je rovnice (1), p — Af+B (1) kde p je tlak uvnitř palivového proutku; f je nedestruktivně stanovená rezonanční frekvence proutku; A a B jsou parametry závislé na tloušťce stěny a průměru palivového proutku, stejně tak jako na rychlosti šíření ultrazvukového signálu (respektive na materiálových vlastnostech proutku), ale také třeba na okolních podmínkách měření, jakými jsou tlumení, hustota a viskozita okolního prostředí, dále způsob a tuhost podepření proutku.

Rovnice (1) může mít mnoho podob, nemusí být vždy lineární. V závislosti na tlumení, způsobu buzení nebo podepření může jít o stoupající či klesající fůnkci. Nejdůležitějšími faktory ovlivňujícími její správné fůngování je dostatečně přesně stanovená tloušťka stěny palivového proutku a správné určení zvolené rezonanční frekvence.

Průmyslová využitelnost

Metodu měření tlaku uvnitř palivových proutků, podle tohoto vynálezu, je možné aplikovat v zařízeních manipulujících s palivovými soubory, zařízeních určených k prohlídkám a měřením palivových souborů nebo jejich skladování. Tato zařízení se vyskytují především v jaderných elektrárnách, ale také v průmyslových podnicích vyrábějících jaderné palivo, výzkumných ústavech, případně v lokalitách pro mokré skladování vyhořelého jaderného paliva. Tuto metodu je možné využít také při měření tlaku jiných předmětů, které jsou hermeticky a nerozebíratelně spojeny.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Metoda měření tlaku uvnitř palivových proutků (PP) vyznačující se tím, že k výpočtu tlaku uvnitř PP a posouzení jejich těsnosti či netěsnosti využívá nedestruktivně stanovené rezonanční

   5 frekvence a minimálně jedné další vlastnosti PP.
2. 2. Metoda podle nároku 1, vyznačující se tím, že vedle rezonanční frekvence palivového proutku používá nedestruktivně stanovenou další vlastnost PP.
3. 3. Metoda podle nároku 1, vyznačující se tím, že další vlastnost PP bude stanovena dle technické dokumentace.