3.10.2. Вимірювання температури в ядерних реакторах

Вимірювання температури в ядерних реакторах має свої специфічні особливості. Чутливий елемент термометра, розміщений в активній зоні опромінюється нейтронами, -квантами, електронами, осколками поділу тощо. Під дією випромінювання може змінюватися структура матеріалу, його фізичні властивості (густина, тепло- та електропро-відність, міцність тощо), а радіаційний нагрів чутливого елемента може привести до значних додаткових похибок вимірювання температури.

Для вимірювання температури в ядерних реакторах найбільш придатні термоелектричні термометри. Матеріали термопар повинні задовольняти ряду специфічних вимог: мати задовільні ядерні властивості: невеликий переріз поглинання нейтронів і мінімальну активацію при опромінюванні, високу радіаційну стійкість, стабільність форми і розмірів, сумісність з ізоляцією, захисним чохлом і середовищем.

В термопарах при опромінюванні виникає відхилення показань від номінальних статичних характеристик, які поділяють на миттєві (тимчасові) і інтегральні (довгочасні). Миттєвими називають такі відхилення в показаннях термопар, які виникають миттєво на початку опромінювання і зникають після його припинення. Інтегральні відхилення показань залишаються і після припинення опромінювання; вони зумовлені радіаційним переродженням окремих елементів, що входять до складу термоелектродів.

Хромель-алюмелеві термопари практично не мають інтегральних відхилень показань і є найбільш придатними для внутрішньореакторних вимірювань. Відсутність інтегральних відхилень пояснюється стійкістю нікелю до радіоактивного розпаду.

Термопари на основі благородних металів (ТПП і ТПР) і хромель-копелеві термопари мало придатні для внутрішньореакторних вимірювань внаслідок радіаційних перетворень родію та міді, які входять до складу матеріалів термоелектродів.

В системі внутрішньореакторного контролю термопари використовують для вимірювання температури теплоносія на виході з паливних касет, а також температури загального об’єму теплоносія.

Найбільш відповідальними і теплонапруженими частинами активної зони реактора є тепловиділяючі елементи (твели). Їх температурний рівень визначає вихідну потужність реактора і надійність його роботи. Тому вимірювання температури ядерного пального і оболонок твелів є одним з найважливіших завдань внутрішньореакторної термометрії.

Специфічні умови роботи ядерних реакторів не дозволяють повною мірою застосовувати термоперетворювачі загальнопромислового призначення для вимірювання температури твелів, теплоносія, металоконструкцій реакторів тощо. Тому для внутрішньореакторного контролю температури розробляються спеціальні конструкції термопар, здатних тривалий час працювати в умовах опромінювання, значних механічних навантажень, які характеризуються високою надійні-стю, точністю і швидкодією. Зараз в системах внутрішньореакторного контролю використовуються термопарні кабелі (броньовані оболонкові або кабельні термопари). Схема термопарного кабелю показана на рис. 3.34.

Термоелектроди 3 вставляються у двоканальні буси, виготовлені методом сухого пресування з чистих порошків електроізоляційних матеріалів . Ізольована термопара затягується в трубку 1 з корозійностійкої сталі і волочінням отримують термопарний кабель. Простір між термоелектродами і трубкою заповнюється ізоляційним порошком на основі оксидів магнію ( ) і алюмінію ( ), а для високих температур – оксидами цирконію, торію або берилію.

Термоперетворювачі на основі термопарного кабелю мають істотні переваги порівняно з термоперетворювачами звичайної конструкції: високу надійність, стабільність метрологічних характеристик, універсальність застосування в різних умовах експлуатації, малу інерційність, можливість застосування в труднодоступних місцях, а завдяки їх гнучкості спрощення процесу монтажу. Термопару приварюють, припаюють, або просто притискають при вимірюваннях температури поверхонь до 800 ^оС. При вимірюванні температури оболонки твел термопара може приєднуватися методом плазмового напилювання.

Термопарні кабелі виготовляються з діаметром термоелектродів від 0,2 до 1,2 мм з копелю і хромелю (до 600 ^оС), алюмелю і хромелю (до 800 ^оС), вольфраму і ренію (до 2200 ^оС); зовнішній діаметр кабелю складає 1,0; 1,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,2 мм з допустимим відхиленням мм, а максимальна довжина не перевищує 100 м.

При вимірюванні температури ядерного пального необхідно враховувати високий температурний рівень в центрі твел, великі температурні градієнти, відносні коефіцієнти термічного розширення, збільшення об’єму паливного осердя внаслідок утворення газоподібних осколків поділу тощо. Термопари звичайно розміщують в центрі твел, де градієнти температур найбільші (рис. 3.35).

Термопара 1, приварена до стакану 5, і захисний чохол 2 розміщені в центральній частині ядерного пального 3 і герметизуються оболонкою твел 4.

Для вимірювання температури ядерного пального звичайно застосовують вольфрам-ренієві термопари. Матеріали термоелектродів з різних партій можуть істотно розрізнятися, тому термопари проходять індивідуальне градуювання. Під впливом опромінення тепловими нейтронами відбувається радіаційне перетворення ренію і вольфраму в осмій, що змінює градуювальну характеристику термопар. При короткочасному використанні вольфрам-ренієві термопари можуть застосовуватися для вимірювання температури 2700 .