Автоматизированная установка послереакторного контроля элементов отработавших ТВС реактора БН-800

  

А.В. Лачугин, А.Н. Костюченко, В.Ю. Пимонов (ООО НПФ "Сосны"), А.Н. Крюков (ОАО «ОКБМ Африкантов»)

Ядерные измерительно-информационные технологии, №4(52), 2014

PDF версия

Введение

Одним из способов повышения безопасности и улучшения экономических показателей энергетических реакторов на быстрых нейтронах является совершенствование материалов и конструкции тепловыделяющих сборок и их элементов. В проекте реакторной установки (РУ) БН-800, основанном на опыте эксплуатации реактора БН-600, с целью получения оперативной и достоверной информации о работоспособности топливных элементов в активной зоне предусмотрено создание радиационно-защитной камеры (РЗК) для послереакторного контроля отработавших ТВС (ОТВС). В РЗК размещаются приспособления и установки, позволяющие дистанционно проводить разборку ОТВС и выполнять исследования состояния её элементов без присутствия персонала в РЗК.

Важным звеном технологической цепочки РЗК является созданная в Научно-производственной фирме «Сосны» по заказу ОАО «ОКБМ Африкантов» установка комплексной автоматизированной системы неразрушающего контроля облученных твэлов и пэлов (УКАСНК). В установке реализованы все основные методики неразрушающего контроля, необходимые для получения достоверных данных о радиационном распухании конструкционных материалов, формоизменении и повреждении оболочек твэлов и пэлов: контроль размеров, дефектов и интенсивности гамма-излучения [1, 2]. В процессе разработки были приняты и реализованы следующие концепции:
• создание конструкции, рассчитанной на длительный срок эксплуатации в условиях воздействия интенсивных ионизирующих излучений с возможностью технического обслуживания дистанционными средствами РЗК;
• минимизация массогабаритных характеристик и возможность поэтапной сборки и отладки в условиях ограниченного пространства РЗК;
• модульный принцип построения и возможность одновременного выполнения нескольких видов исследований;
• дублирование наиболее ответственных узлов, применение активных и пассивных блокировок;
• организация дополнительного телевизионного канала контроля состояния внутрикамерного оборудования в дополнение к существующим смотровым системам РЗК и канала технологической связи для обеспечения диагностики и наладки оборудования;
• минимизация длины линий связи между первичными и вторичными преобразователями, создание резервной кабельной системы для выполнения ремонтно-наладочных работ в ремонтном коридоре;
• организация выделенного питания для компонентов измерительных каналов;
• создание территориально-распределенной информационно-измерительной системы (ИИС), оснащенной средствами мониторинга и диагностики, позволяющей контролировать состояние установки как из операторского помещения, так и из других помещений;
• включение в состав программного обеспечения средств предварительного просмотра, обработки и анализа результатов измерений с ведением локальной базы данных по типам объектов, видам и результатам исследований;
• возможность проведения дезактивации установки как дезактивирующими растворами, так и сухим способом (пленочная дезактивация).

1 Конструкция установки

УКАСНК (рис. 1, а) предназначена для проведения послереакторного контроля цилиндрических элементов ТВС РУ БН 800 длиной до 2500 мм с наружным диаметром от 6 до 32 мм и включает в себя внутрикамерное оборудование и информационно-измерительную систему. Основой внутрикамерного оборудования является транспортно-операционный модуль (рис. 1 в), предназначенный для крепления, центрирования, вертикального перемещения и вращения объектов вокруг вертикальной оси. Вертикальное позиционирование обеспечивается с погрешностью не более ±0,15 мм при скорости перемещения до 3 м/мин. Все приводы установки выполнены на базе шаговых двигателей с датчиками положения вала двигателя. Для фиксации объектов исследования с различным диаметром предусмотрен набор соответствующих захватов.

На опорную плиту станины ТОМ устанавливаются модули вихретоковой дефектоскопии и измерения наружного диаметра, которые могут использоваться как совместно, так и независимо. Внутрь станины устанавливается регулируемый коллиматор канала контроля интенсивности гамма-излучения. Наблюдение за работой с объектом исследования внутри РЗК осуществляется через радиационно-стойкую телевизионную систему, входящую в состав УКАСНК.

Управление внутрикамерным оборудованием осуществляется с использованием территориально распределенной ИИС. Для минимизации длины кабелей от первичных преобразователей и улучшения соотношения сигнал/шум вторичные преобразователи размещены в ремонтном коридоре в специализированной защитной кабине. Контроль состояния аппаратурно-измерительной части ИИС, размещенной в ремонтном коридоре, выполняется с использованием оборудования информационно-аналитической части ИИС, размещенного в операторском помещении.

Для настройки оборудования и оценки метрологических характеристик установки предусмотрены образцовые спектрометрические гамма-источники, наборы стандартных образцов различных типов дефектов и образцов-имитаторов. Все методики выполнения неразрушающего контроля на базе УКАСНК аттестованы в соответствии с ГОСТ Р 8.563-09 в независимых экспертных организациях.

2 Измерение наружного диаметра

Канал измерения наружного диаметра твэлов и пэлов предназначен для определения поперечных размеров объекта исследования одновременно в двух взаимно-перпендикулярных ориентациях в диапазоне от 6 до 32 мм. Измерения выполняются контактным методом [3] с помощью двух пар датчиков линейных перемещений, установленных в сменном модуле (рис. 2). В составе установки предусмотрены два сменных модуля (рис. 3): на основе Т-образных наконечников датчиков линейных перемещений (ДЛП), осуществляющих измерения в дискретном режиме, и на основе роликовых наконечников для проведения измерений в непрерывном режиме.

Время сканирования твэла БН-800 в непрерывном режиме при скорости перемещения, близкой к максимальной, не превышает одной минуты, что позволяет проводить массовые исследования и получать статистически значимые данные о размере твэлов и пэлов одной ТВС. По результатам сканирования для каждого поперечного сечения объекта исследования рассчитывается среднее значение наружного диаметра (поперечного размера) и овальность.

В качестве ДЛП выбраны датчики производства фирмы Sony серии DG типа «магнитная линейка», хорошо зарекомендовавшие себя при работе в защитных камерах ОАО ГНЦ «НИИАР» в условиях интенсивных ионизационных излучений [4]. Результат измерения наружного диаметра объекта, равный сумме показаний двух датчиков, расположенных на одной оси, отличается от действительного размера на постоянную величину, соответствующую систематической методической погрешности. Для исключения данной погрешности выполняется измерение ступенчатого стандартного образца профиля (СОП) цилиндрической формы с диаметром, соответствующим номинальному диаметру объекта исследования, и вычисление для каждой пары ДЛП соответствующей поправки, в том числе, учитывающей влияние температурного расширения материала. Сканирование СОП и расчет поправок выполняется под управлением ИИС в автоматическом режиме. В качестве примера на рис. 4 представлены результаты сканирования СОП с номинальным диаметром 6,9 мм.

В результате выполнения исследований характеристик канала измерения наружного диаметра оболочек твэлов и пэлов установлено, что разработанная методика обеспечивает следующие пределы допускаемой погрешности измерений диаметра при доверительной вероятности 0,95 в диапазоне от 6 до 32 мм:
для модуля дискретных измерений………………………………………±0,010 мм
для модуля непрерывных измерений……………………………………±0,025 мм.

3 Контроль интенсивности гамма-излучения

Принцип работы канала контроля интенсивности гамма-излучения (спектрометрии) твэлов основан на регистрации детектором гамма-излучения, испускаемого радиоактивными веществами, содержащимися в последовательно экспонируемых участках объекта измерения, получении аппаратных спектров гамма-излучения и определении площади пика полного поглощения за вычетом комптоновского фона в заданной области интереса для контролируемого нуклида [3]. Основными элементами канала являются:
• коллимационная система (рис. 5) в составе:
- модуль регулируемого коллиматора (МРК), размещаемый в ТОМ;
- проходка коллиматора, выходящая в ремонтный коридор;
• блок детектора, размещенный в ремонтном коридоре в составе:
- детектор из особо чистого германия (ОЧГ-детектор) с предварительным усилителем;
- электроохлаждаемый сосуд Дьюара, заправляемый жидким азотом (гибридный криостат);
- многоканальный анализатор импульсов;
- позиционирующее устройство детектора;
- защита детектора от фоновых ионизирующих излучений;
• набор образцовых спектрометрических источников гамма-излучения для настройки оборудования.

МРК представляет собой две пластины из вольфрама, между торцами которых находится коллимационная щель регулируемой ширины. Изменение ширины коллимационной щели в диапазоне от 0 до 40 мм осуществляется за счет вертикального симметричного противоположно направленного перемещения пластин. ИИС УКАСНК управляет перемещением шторок с помощью привода на базе шагового двигателя. Конструкция МРК обеспечивает неподвижность оптической оси коллимационной щели при изменении ее ширины.

Вольфрамовая коллимационная проходка цилиндрической формы с наружным диаметром 36 мм установлена в стене РЗК. Конструкция проходки предусматривает регулировку положения оптической коллимационной оси. Наружный и внутренний коллиматоры установлены соосно. Для исключения влияния фона камеры при настройке оборудования с использованием образцовых спектрометрических гамма-источников предусмотрена подвижная шторка, отделяющая гамма-детектор от коллиматора.

Для регистрации гамма-излучения исследуемого участка объекта измерения используется коаксиальный Г-образный ОЧГ-детектор GC1518 Canberra, позволяющий осуществлять набор спектра по зонам интереса для выбранных нуклидов с разрешением по линии 1332 кэВ (радионуклид Со-60) не хуже 1,8 кэВ при входной статистической загрузке до 1*105 с-1. Детектор размещается в ремонтном коридоре перед проходкой на оси коллимационной системы. Защита детектора от фоновых ионизирующих излучений выполнена в виде разборного толстостенного свинцового кожуха. Минимальная толщина стенки кожуха составляет 50 мм, что обеспечивает коэффициент ослабления гамма-излучения с энергией 1,33 МэВ не менее 2*102 и практически исключает влияние фонового гамма-излучения в ремонтном коридоре на результаты измерений. Для защиты от вторичного излучения, возникающего в свинце, на внутренней поверхности кожуха предусмотрены слои кадмия и меди толщиной 1 мм. В качестве многоканального анализатора используется анализатор импульсов Lynx, предназначенный для работы в составе спектрометрических систем с различными блоками детектирования.

Позиционирующее устройство детектора представляет собой рамную конструкцию, жестко закрепленную на стене и полу ремонтного коридора. Регулировка и фиксация положения детектора относительно коллимационной системы проводится с помощью съемного лазерного модуля и винтов горизонтальной и вертикальной юстировки. Максимальная допускаемая погрешность позиционирования детектора ±0,5 мм.

Погрешности результатов измерений относительной интенсивности гамма-излучения радионуклидов определяются в процессе измерения и не являются нормируемыми величинами. Регулирование погрешности осуществляется путём изменения щели коллиматора, времени набора спектра и скорости непрерывной протяжки объекта.

4 Вихретоковая дефектоскопия

Для повышения информативности результатов исследований в установке реализованы три канала вихретокового контроля, позволяющие оценивать состояние оболочек твэлов и пэлов по характеристикам электромагнитного поля, формируемого вблизи объекта контроля и существенно зависящего от размеров оболочки и электромагнитных свойств материала [5]. Внешний вид оборудования вихретокового контроля показан на рис. 6.

Первый и второй каналы построены на базе многофункционального устройства гармонического вихретокового контроля ELOTEST PL500 (МФУ) производства компании Rohmann, обеспечивающего частоту возбуждения от 10 до 12*106 Гц. К МФУ подключен датчик, внутри которого установлены два дифференциально-трансформаторных преобразователя. Первый преобразователь абсолютного типа предназначен для оценки параметров оболочки в контролируемой зоне, например, толщины стенки оболочки твэла, электропроводности или магнитных свойств материала. Второй преобразователь дифференциального типа предназначен для сравнения параметров объекта в контролируемой и соседних зонах, что позволяет выявлять локальные изменения свойств оболочек твэлов, таких как нарушение сплошности или однородности. Два канала контроля на базе МФУ обеспечивают возможность точной настройки параметров импульса возбуждения и адаптации оборудования для идентификации неоднородностей и несплошностей в объектах исследования различных типов.

Третий канал вихретокового контроля построен на базе платы промышленного аналого-цифрового преобразователя с двумя встроенными синхронно тактируемыми цифро-аналоговыми преобразователями (АЦП/ЦАП). Конструктивно АЦП/ЦАП выполнен в виде печатной платы типа AMBPCX c установленным несущим модулем типа ADM216x100М производства ЗАО «Инструментальные системы». На плате АЦП/ЦАП установлен один АЦП с частотой дискретизации 100 МГц при разрешении 16 бит и два ЦАП с циклическими буферами. Второй компонент этого канала – формирователь импульсов, разработанный специалистами ООО НПФ «Сосны» в виде платы стандарта PCI. Формирователь импульсов вместе с АЦП/ЦАП установлен в промышленный компьютер. Сигнал с первого ЦАП подается на вход платы предварительного усилителя и формирователя импульсов и используется для задания формы сигнала возбуждения вихретокового преобразователя. Сигнал со второго ЦАП используется для управления процессом записи необходимых для анализа данных АЦП в буфер АЦП, что обеспечивает его эффективное использование. Таким образом, принцип построения канала аналогичен принципу построения канала вихретокового контроля, применяемому при контроле твэлов РУ БН-600 в защитной камере третьего энергоблока Белоярской АЭС [2], что позволяет корректно сопоставлять результаты послеэксплуатационного контроля твэлов БН-800 с результатами ранее проведенного контроля твэлов БН-600.

В связи с тем, что в проекте энергоблока РУ БН-800 планируется использование оболочек твэлов, изготовленных как из сталей аустенитного, так и ферритно-мартенситного классов [6], вихретоковые преобразователи выполнены унифицированными и могут быть установлены в намагничивающее ярмо, создающее постоянное магнитное поле в объекте контроля из магнитной стали. Питание ярма осуществляется от специализированного блока питания с регулируемым выходным током.

Оценка возможностей оборудования вихретокового контроля была выполнена с помощью сертифицированных стандартных образцов толщины (СОТ) и дефектов (СОД), изготовленных из трубы с наружным диаметром 6,9 мм, толщиной стенки 0,4 мм, материал – сталь ЧС-68. СОД содержит несплошности и неоднородности различных типов: кольцевые и продольные риски, сквозные отверстия, вставку из магнитного материала. СОТ содержит внутренние несплошности – при постоянном наружном диаметре 6,9 мм сформированы протяженные участки трубы с внутренним диаметром, увеличенным относительно номинального на 0,1…0,3 мм с известным значением толщины стенки трубки.

На рис. 7 показаны результаты сканирования СОД с использованием дифференциально-трансформаторного вихретокового преобразователя с применением гармонического и импульсного методов. Согласно полученным данным, оборудование, реализующее два разных метода, позволяет обнаруживать сквозные отверстия диаметром от 0,3 мм. Соотношение сигнала и шума для импульсного и гармонического дефектосокопов близки друг к другу.

Результаты сканирования СОТ с применением абсолютного вихретокового преобразователя показали хорошую чувствительность к изменению толщины стенки: минимальное обнаруживаемое локальное изменение толщины оболочки твэла не превышает 0,065 мм.

5 Специальное программное обеспечение

Для обеспечения функционирования УКАСНК специалистами ООО НПФ «Сосны» разработано специальное программное обеспечение (СПО) на базе платформы .NET Framework 4 под управлением операционной системы Windows 7 Professional x86 (рис. 8). СПО предназначено для решения следующих задач:
• настройка параметров оборудования;
• формирование конфигурации УКАСНК;
• формирование планов исследования;
• получение и передача команд и данных;
• управление питанием оборудования;
• диагностирование оборудования;
• ручное управление подвижными узлами УКАСНК;
• выполнение плана исследования, просмотр и анализ результатов.

Во время настройки параметров оборудования вводятся диапазоны и скорости перемещения подвижных узлов установки, адреса сетевого оборудования и предоставляется возможность редактирования справочника типов объектов исследования.

Конфигурирование системы обеспечивает возможность выбора типа текущего объекта исследования, перечня используемых сменных модулей, выполнения корректировки нулевых положений ДЛП и набора фонового спектра гамма-излучения.

При формировании плана исследования оператор выбирает тип объекта исследования, определяет перечень зон контроля с указанием для каждой зоны вида исследования, скорости, режима перемещения и величины шага. Возможно формирование произвольного количества планов исследований, которые сохраняются на жестком диске и могут быть многократно использованы.

Управление питанием заключается в контроле текущего состояния, включении и выключении источников бесперебойного питания, рабочей станции и измерительного оборудования. Для управления питанием используются протокол Telnet и технология WakeOnLan. Таким образом, реализована возможность дистанционного включения и отключения оборудования, расположенного в ремонтном коридоре, что позволяет исключить необходимость захода персонала в ремонтный коридор при штатной работе оборудования.

При диагностировании оборудования на мониторе рабочей станции отображаются значения текущих параметров УКАСНК, координаты подвижных узлов, индикаторы наличия ошибок драйверов шаговых двигателей, диагностические сообщения, а также осциллограммы данных, получаемые с измерительного оборудования.

Ручное управление подвижными узлами УКАСНК осуществляется с помощью окна мнемосхемы, отображенного на втором мониторе рабочей станции с сенсорным экраном. Таким образом, основные элементы мнемосхемы одновременно являются элементами ввода команд оператора.

При выполнении исследования проводится автоматическое управление подвижными узлами и измерительным оборудованием УКАСНК по предварительно заданному алгоритму с возможностью приостановления/возобновления реализации плана и автоматической записью результатов измерений в соответствующие файлы. На мониторе рабочей станции отображается ход выполнения текущей операции и всего плана исследования, а также графики распределения контролируемых величин по длине объекта.

Анализ результатов заключается в выполнении следующих операций:
• сглаживание и создание набора данных путем усреднения выбранных результатов измерений;
• создание наборов данных, соответствующих границам доверительных интервалов для выбранных результатов измерений;
• просмотр и сопоставление результатов измерений в графическом виде;
• раздельное или совместное масштабирование, взаимное смещение графиков.

Заключение

Специалистами НПФ «Сосны» разработан комплект документации для серийного изготовления и осуществлена поставка на Белоярскую АЭС головного образца новой установки, обеспечивающей выполнение комплексного послеэксплуатационного контроля элементов отработавших ТВС РУ БН-800 в условиях РЗК. Принятые концепции модульного построения аппаратного и программного обеспечения позволили создать уникальное многофункциональное настраиваемое средство, легко адаптируемое под конкретные задачи исследований. Накопленный опыт может быть использован при построении аналогичных систем различного назначения, предназначенных для работы в условиях воздействия интенсивных ионизирующих излучений в защитных камерах, каньонах и бассейнах выдержки объектов использования атомной энергии.

Список литературы

1. Куприенко М.В., Сагалов С.С., Костюченко А.Н., Кубасов Е.В. Автоматизированный комплекс для неразрушающих исследований облученных элементов реактора БН-600, Известия вузов. Ядерная энергетика, 2011, вып. 1, с. 92-100.
2. М.В. Баканов, А.В. Ненахов, В.В. Чуев и др. Контроль работоспособности реакторных сборок после эксплуатации в активных зонах БН-600. Вторая модернизация оборудования «горячей» камеры. Известия вузов. Ядерная энергетика, 2009, вып. 2, с. 167-177.
3. Смирнов В.П. Дворецкий В.Г. Методическое оснащение горячей лаборатории для исследования штатного топлива ВВЭР после эксплуатации в энергетических реакторах, Сборник докладов четвертой межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, Димитровград, 1996, с. 34-40.
4. Дворецкий В.Г., Куприенко М.В., Рабинович А.Д., Сагалов С.С. Комбинированная установка нового поколения для вихретоковой дефектоскопии и профилометрии облученных твэлов/Сборник трудов ГНЦ НИИАР, 1999. – Вып.1.–С.3-12.
5. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник. Под ред. Клюева В.В. М.: Машиностроение, 2003.
6. Д.Л. Зверев, Б.А. Васильев, В.Ю. Седаков, Н.Г. Кузавков. Освоение технологии быстрых натриевых реакторов. Создание РУ БН-800. Известия вузов. Ядерная энергетика, 2011, вып. 1, с. 130-142.

Количество просмотров: 263

Перезвоните мне
Спасибо! Ваша сообщение отправлено, в ближайшее время мы свяжемся с Вами!