книги из ГПНТБ / Боланд Дж. Приборы контроля ядерных реакторов (внутризонные)

Дж. Боланд

ПРИБОРЫ

КОНТРОЛЯ

ЯДЕРНЫХ

РЕАКТОРОВ

(внутризонные)

Перевод с английского Л. В. Константинова, В. В. Постникова, Е. В. Глебовой

МОСКВА АТОМИЗДАТ 1973

За последние десять лет значительно расширилось приме­ нение приборов, предназначенных для измерений внутри актив­ ных зон ядерных реакторов. Однако информация о методах из­ мерений такими приборами была разбросана по многочислен­ ным отчетам, выпущенным в соответствии с субсидируемой пра­ вительством США программой исследований, а также по раз­ личным научным и техническим журналам. В предлагаемой книге обобщена лишь небольшая часть имеющихся данных. Од­ нако автор надеется, что содержащиеся в книге сведения изба­ вят будущих исследователей от повторения ошибок и помогут дальнейшему развитию и применению виутриреакторных при­ боров. В книге сделана попытка отметить каждый из перспек­ тивных методов виутриреакторных измерений. При этом больше внимания уделено методам, которые автор считает наиболее важными, или методам, которые описаны только в малодоступ­ ных изданиях.

Поскольку к проведению виутриреакторных измерений и к-об- работке полученных результатов привлекаются разные специа­ листы, то было трудно рассчитывать на какой-либо определенный уровень знаний читателя. Замысел книги исключает как полное обсуждение принципов работы каждого прибора, так и деталь­ ные рекомендации по конструированию этих приборов. Была сделана попытка включить необходимые данные по математиче­ скому описанию работы и вариантам конструкций различных приборов для того, чтобы любой специалист, обладающий опре­ деленной научной подготовкой, мог понять принцип действия приборов каждого типа и оценить влияние излучений на их экс­ плуатационные характеристики. Указанная в библиографии ли­ тература позволяет читателю дополнить сведения, имеющиеся в книге. Следует, однако, отметить, что литературные источни­ ки редко содержат подробности, необходимые для изготовления действующего прибора.

Книга предназначена прежде всего для научных работников, инженеров, студентов или техников, которые хотят познакомить­ ся с современными методами виутриреакторных измерений, с ог­ раничениями в применении существующих приборов или с проб-

3

Глава первая

ВВЕДЕНИЕ

1.1.ЧТО ТАКОЕ ВНУТРИРЕАКТОРНЫЕ ПРИБОРЫ?

Измерительные приборы, устанавливаемые в активные зоны ядерных реакторов, принято называть внутризонными, или внутриреакторными. Приборы, размещаемые вне активной зоны, но внутри корпуса реактора, также относят обычно к внутриреакторным. Если же требования к ним существенно отличаются от требований к внутризонным приборам, то такие приборы назы­ вают внутрнкорпусными. Приборы, предназначенные для реги­ страции технологических параметров активных зон и имеющие первичные датчики вне корпуса реактора, не относятся к кате­ гории внутриреакторных и рассматриваться не будут.

1.2. ЭВОЛЮЦИЯ ВНУТРИРЕАКТОРНЫХ ПРИБОРОВ

Внутриреакторные приборы необходимы для измерения та­ ких параметров, как потоки нейтронов и у-квантов, давление, температура, смещение и деформация элементов конструкций реактора, расход теплоносителя и уровень жидкости. Поскольку первые реакторы эксплуатировались при относительно неболь­ ших потоках нейтронов и температурах, большинство необходи­ мых измерений проводилось с помощью обычных контрольноизмерительных приборов. В этот период в основном ограничи­ вались совершенствованием датчиков, чувствительных к. ней­ тронам и у-квантам. В связи с созданием мощных энергетиче­ ских и исследовательских реакторов возникла острая необходи­ мость проводить измерения в активных зонах. Однако вскоре выяснилось, что серийно выпускаемые приборы для этого не пригодны и необходимы новые. Отдельные группы конструкто­ ров пыталить разработать или содействовали разработке таких приборов. При этом, очевидно, не существовало скоординиро­ ванной и рассчитанной на длительный срок единой программы разработки внутриреакторных измерительных приборов. Не удивительно поэтому, что разработка отставала от потребности в экспериментальных данных. Начиная примерно с 1960 г. раз­ работка внутриреакторных приборов для корпусных и кипя­ щих реакторов проводилась ускоренными темпами. В настоя­ щее время промышленностью выпускаются приборы для нзме-

5

рения в таких реакторах температуры, расхода теплоносителя, уровня жидкости, потоков нейтронов и у-квантов. Однако срок службы подобных приборов в реакторах пока не установлен. Имеются сведения о том, что внутриреакторные датчики дав­ лений, смещений и напряжений удовлетворительно работают в течение короткого интервала времени после установки, но ни один пз этих датчиков не имеет гарантированного срока служ­ бы. Несмотря на это в США решено устанавливать термопары и датчики потока нейтронов в активные зоны всех строящихся реакторов, охлаждаемых водой [1].

Кроме термопар, внутриреакторные приборы, пригодные для работы при температурах выше 400° С, серийно не выпускают­ ся. Учитывая необходимость в таких приборах, в настоящее вре­ мя рассматриваются программы разработки внутризониых изме­ рительных приборов для реакторов на быстрых нейтронах с рас­

В этих программах предусматривается создание датчиков, при­ годных для измерений в интенсивных потоках излучений при температурах до 700° С. Осуществление программ значительно ускорит разработку внутриреакторных приборов.

1.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНУТРИРЕАКТОРНЫХ ПРИБОРОВ

Можно указать четыре основные области использования вну-

3)для исследований нестационарных режимов работы реак­

торов;

4)в системах контроля ядерных реакторов, предназначен­ ных для космических полетов.

Для каждого из указанных направлений возможна дальней­ шая классификация по областям науки и техники, в которых используются полученные с помощью приборов данные. На­ пример, можно различать внутриреакторные приборы для не-, следований в области физики, химии, металлургии, теплотехники, гидродинамики и механики. Хотя для разных целей нередко ока-* зывается необходимым измерять один и те же параметры, тре­ бования к пределам точности измерений и частотным характе­ ристикам приборов могут быть совершенно различными. Так, физику для расчета распределения мощности по реактору необ­ ходимо знать поток тепловых нейтронов. Металлургу же, изу­ чающему радиационные нарушения структуры материалов, в первую очередь требуется величина потока быстрых нейтронов. Показания детекторов тепловых нейтронов в последнем слу­ чае практически бесполезны.

6

Во-первых, рассмотрим применение внутрнреакторных при­ боров в энергетических реакторах. Оператор должен иметь всю необходимую информацию для обеспечения безопасной и эконо­ мичной эксплуатации реактора. Это означает, что определенные технологические параметры должны измеряться с требуемой точностью с помощью внутрнреакторных или обычных прибо­ ров.

В настоящее время, как минимум, необходимо знать полную мощность реактора, температуру теплоносителя на входе и на выходе из реактора, давление в системе и полный расход теп­ лоносителя. Измерения этих параметров на первых энергети­ ческих реакторах обычно проводились с помощью внезонных приборов. Однако полученные данные не дают уверенности в том, что никакая из областей активной зоны реактора не рабо­ тает вблизи предела разрушения. Это оказалось-особенно важ­ ным в связи с увеличением размеров реакторов. В цепях пре­ дотвращения аварий и потребовались внутриреакторные прибо­ ры контроля распределения мощности по активной зоне реакто­ ра, причем надежная работа этих приборов стала условием нор­ мальной эксплуатации больших энергетических реакторов.

Согласно требованиям экономики каждая из областей ак­ тивной зоны энергетического реактора должна работать при максимальных значениях проектных параметров. В принципе было бы желательно иметь большое количество внутрнреактор­ ных приборов для выявления всех недогруженных и работаю^ щих вблизи допустимого предела областей активной зоны, одна­ ко экономически это может оказаться неоправданным и прихо­ дится идти на компромисс. Внутриреакторные приборы позво­ ляют измерять параметры отдельных областей активной зоны и дают возможность оператору выбрать оптимальное расположе­ ние органов регулирования для наиболее экономичной эксплу­ атации реактора. •

Накопленный в процессе эксплуатации опыт позволяет вно­ сить конструктивные изменения во вновь проектируемые уста­ новки с целью улучшения их характеристик. Некоторые факто­ ры могут оказаться незамеченными при проектировании реакто­ ра, а после его пуска могут неожиданно вызвать опасную виб­ рацию конструктивных элементов или устройств реактора, не­ допустимое колебание реактивности и т. д. Внутриреакторные приборы могут оказаться особенно полезными для выяснения причин таких явлений.

Расход теплоносителя пли теплопроводность материалов ак­ тивной зоны может измениться в процессе эксплуатации реак­ тора из-за различных отложений на поверхности твэлов или в других местах, омываемых теплоносителем. С помощью внутриреакторных приборов подобные изменения можно нередко обна­ ружить задолго до того, как они -приведут к серьезным наруше­ ниям нормальной эксплуатации.

7

В общем случае срок службы виутриреакторных приборов, предназначенных для энергетических реакторов, должен быть не меньше времени между остановками реактора для перегруз­ ки топлива. Исключение могут составлять приборы, используе­ мые только в начальный период эксплуатации реактора, а также специальные приборы, предназначенные для выяснения причин неожиданных неисправностей.

Таким образом, внутриреакторные приборы для измерении температуры, давления и расхода теплоносителя, напряжений и смещений в конструктивных элементах активной зоны, потока нейтронов н уровня жидкости позволяют получать ценную ин­ формацию. Они находят все более широкое применение в энер­ гетических реакторах.

Во-вторых, отметим, что использование в материаловедческих реакторах приборов, установленных в капсулах с исследуе­ мым материалом, находящихся в активной зоне или вблизи от нее, существенно повышает ценность проведенных испытаний.

на исследовательских реакторах для получения данных, необ­ ходимых для проектирования более совершенных энергетических реакторов. Капсулы, как правило, занимают небольшой объем, и выполнение конструктивных требований к внутризонньш при­ борам, предназначенным для материаловедческнх исследова­ ний, оказалось весьма трудной задачей. Если термопары доволь­ но часто применялись при реакторных испытаниях материалов, го внутриреакторные приборы для измерения потока нейтронов, расхода теплоносителя, напряжений и давлений использовались очень редко. Единого мнения о том, какой тип виутриреактор­ ных приборов наиболее важен при материаловедческнх исследо­ ваниях, пока нет. В работах, посвященных изучению поведения горючего под облучением, часто упоминается об измерениях давления газообразных продуктов деления, изменений геомет­ рических размеров твэлов и напряжений в их оболочках. Изме­

териалов. Несомненно, что внутриреакторные датчики давлений, напряжений, смещений, расходов теплоносителя и потоков нейт­ ронов широко использовались бы в экспериментах на материа­

В-третьих, внутрпзонные приборы весьма важны при прове­ дении нестационарных исследований на реакторах независимо от того, включают ли они изучение динамических характеристик реактора в целом или только исследования поведения экспери­ ментальных капсул, установленных в реактор.

8

Вподобных экспериментах использовались малоинерционныедатчики температуры, давлений, расходов теплоносителя, нап­ ряжений, смещений и потоков нейтронов. Специальные требова­ ния к таким датчикам обсуждаются в гл. 10.

В-четвертых, проводимая в последние годы разработка реак­ торов для двигателей ракет и реакторов, служащих в качестве вспомогательных источников энергии при исследованиях кос­

мического пространства, привела к появлению новых проблем при конструировании внутризонных приборов, поскольку и дат­ чики, и измерительные устройства должны работать в условиях космоса. Измеряемые параметры и причины, по которым они должны контролироваться в таких установках, аналогичны тем, которые были рассмотрены выше для энергетических реакторов..

1.4. РАЗРАБОТКА И ВЫБОР ВНУТРИРЕАКТОРНЫХ ПРИБОРОВ

Исторически сложилось два направления в разработках внутриреакториых измерительных устройств. Конструкторы обычно рассчитывали на приборы, выпускаемые промышлен­ ностью, в то время как исследователи стремились разработать свои собственные приборы или использовать приборы, разра­

2.Уточнить условия, в которыхбудут находиться датчики и измерительные приборы.

3.Определить основные проблемы, составить перечень обла­

стей наук, которые могли бы помочь решению этих проблем,, и привлечь в качестве консультантов специалистов в соответ­ ствующих областях науки.

4. Выяснить, имеется ли необходимый прибор в продаже,, удастся ли сконструировать его, рассчитывая на обычную техно­

перспективные направления разработки, если оптимальный ва­ риант вначале не ясен.

6.Получить одобрение главного конструктора реактора по оценке стоимости и по намеченной программе разработки при­ бора. Убедиться, что руководитель понимает, какова вероят-' ность успешного выполнения работы.

7.Составить заказную спецификацию на прибор, разрабо­

тать проект прибора или подготовить договор на его разра­ ботку.

8. Разработать программу внереакторных испытаний прибо­ ра для доказательства того, что прототип прибора соответствует

9-