книги из ГПНТБ / Боланд Дж. Приборы контроля ядерных реакторов (внутризонные)
.pdfДж. Боланд
ПРИБОРЫ
КОНТРОЛЯ
ЯДЕРНЫХ
РЕАКТОРОВ
(внутризонные)
Перевод с английского Л. В. Константинова, В. В. Постникова, Е. В. Глебовой
МОСКВА АТОМИЗДАТ 1973
УДК 621.039.564
NUCLEAR REACTOR
INSTRUMENTATION
(IN-CORE)
JAMES F. BOLAND
Argonne National Laboratory
GORDON AND BREACH SCIENCE PUBLISHERS
New York-London-Paris
Б о л а и д Дж. |
Приборы контроля |
ядерных |
реакто |
|||||
ров |
(внутризонные). |
Перев'. с англ. М., Атомиздат, |
||||||
1973, |
с. 224. |
|
|
|
1 |
|
|
|
Книга представляет собой первую н весьма удачную' |
||||||||
попытку |
обобщить и систематизировать многочисленные |
|||||||
данные по исследованиям |
в области контрольно-измери- |
|||||||
гельного |
оборудования, предназначенного для работы в |
|||||||
активных |
зонах |
ядерных |
реакторов. Наряду |
с |
изложе |
|||
нием |
основных |
принципов |
работы и |
критериев |
проек |
|||
тирования датчиков |
и измерительных |
схем |
приводятся' |
характеристики наиболее распространенных и новейших приборов, описаны основные процессы, происходящие в датчиках и линиях связи, даны соответствующие мате матические модели.
Рисунков 96, таблиц 5, библиографии 258 названий.
03315—041
41-73
034(01)—73
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ |
АВТОРА |
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
лемами, возникающими при разработке более совершенных внутрнреакторных приборов. Однако она не может служить спра вочником по проектированию подобных приборов.
После первой вводной главы книги во второй главе обсуж даются вопросы радиационных повреждений материалов, в тре тьей главе рассмотрено влияние ионизирующих излучений на электрические цепи, поскольку эти эффекты имеют существенное значение для понимания материала остальных глав. Приборы для измерения давления, перемещения, уровня и расхода жид кости, температуры, а также нейтронных потоков и потоков у- квантов описаны в главах с четвертой по девятую. Специальные требования к приборам, предназначенным для исследования пе реходных процессов в реакторах, обсуждаются в десятой главе. Методы измерения парового эффекта в кипящих реакторах и ме тоды детектирования кипения в водо-водяных реакторах и в ре акторах с натриевым теплоносителем рассматриваются в один надцатой главе. В конце книги приведен словарь специальных терминов.
Монографии по любой быстро развивающейся отрасли техни
ки устаревают еще до выхода в свет и данная книга |
не являет |
ся исключением. Хотя большая часть книги была |
написана в |
1967 г., анализ опубликованной литературы продолжался до ок тября 1968 г. В тех случаях, когда вновь появившиеся данные имели существенное значение, текст перерабатывался и в биб лиографию включались новые ссылки.
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
плавленной |
солью урана |
в качестве топлива [2] и для реакторов |
на быстрых |
нейтронах, |
охлаждаемых жидким металлом [3]. |
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-
риреакторных приборов: |
|
|
1) |
в системах управления и защиты |
реакторов; |
2) |
для измерений при реакторных |
испытаниях материалов; |
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.
Потоки нейтронов и температура |
в экспериментальных капсулах |
|
нередко значительно |
выше, чем |
в действующих энергетических |
реакторах, поскольку |
подобные |
испытания проводятся обычно |
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
рения энергетических спектров |
и потока нейтронов полезны |
||
при |
проведении |
многих экспериментов, особенно необходимы |
|
они |
при изучении |
радиационных |
повреждений неделящихся ма |
териалов. Несомненно, что внутриреакторные датчики давлений, напряжений, смещений, расходов теплоносителя и потоков нейт ронов широко использовались бы в экспериментах на материа
ловедческнх реакторах, если |
бы |
они были достаточно надежны |
в работе, и их легко можно |
было |
приобрести. |
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
ботанные в их организациях. Автор не собирается |
обсуждать,, |
|
какой путь лучше, но предлагает следующую процедуру |
разра |
|
ботки и выбора приборов, применимую в обоих случаях. |
|
|
1. Получить полное представление о том, что, |
где и |
с ка |
кой целью необходимо измерять. |
|
|
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
логию, и возможно ли изготовить прибор |
в намеченные сроки. |
|
5. Оценить стоимость изготовления и |
наметить |
наиболее |
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-