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

Глава восьмая

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

8.1. ВВЕДЕНИЕ

Экономические соображения и необходимость обеспечения безопасной эксплуатации явились одними из основных причин разработки методов измерения температур в активных зонах ядерных реакторов и смежном с ними оборудовании. При этом экономические соображения определяют необходимость эксплуа­ тации топлива энергетических реакторов при возможно более высоких температурах, а нормы обеспечения безопасности тре­ буют создания достаточных интервалов между номинальной рабочей температурой и температурой, соответствующей боль­ шой величине вероятности повреждения топливного элемента. Надежная информация о температуре должна уменьшить не­ определенности, влияющие на выбор указанного интервала, и обеспечить работу при более высоких температурах топлива. Очевидно, что достигаемый в результате этого экономический эффект может быть утрачен при чрезмерно высокой стоимости систем измерения температуры.

В результате проводившихся методических разработок в на­ стоящее время в практике эксплуатации энергетических реакто­ ров широко используются измерения температур теплоносителя и элементов конструкции активной зоны. Наряду с тем термо­ пары, применявшиеся для измерений температур топлива, пока­ зали низкую надежность. Установка их вызывала существенные затруднения, поэтому они не получили пока распространения в энергетических реакторах. В том случае, если усилия, направ­ ленные на создание датчиков для измерений температуры топ­ лива, увенчаются успехом, такие датчики, несомненно найдут применение в энергетических реакторах будущего.

Измерения температур в ядерных реакторах создают спе­ цифические проблемы, поскольку излучение способно непосред­ ственно воздействовать па чувствительный элемент. Значитель­ ная длина линий связи, обычно необходимая для подключения к регистрирующей аппаратуре чувствительных элементов, рас­ положенных в реакторе, создает затруднения, нехарактерные для большинства измерений, проводимых на промышленных объектах. Наряду с этим выбор чувствительных элементов для измерений температур в реакторе требует также учета ряда

120

общих факторов, рассматривающихся при измерениях в обыч­ ных промышленных установках: коррозионной стойкости и совместимости материалов, размеров, точности, стоимости и на­ дежности. Кроме того, высокие требования к целостности кор­ пуса реактора и его защитной оболочки усложняют конструк­ цию соответствующих уплотнений и соединительных разъемов в устройствах для измерения температур.

Многие, если не большинство, зафиксированных выходов из строя датчиков температур в реакторе были вызваны неисправ­ ностями, характерными для иереакторного применения дат­ чиков, а именно: недостатками конструкции, низким качеством изготовления пли монтажа.

Довольно часто проектировщики приборов контроля темпе­ ратур в реакторе не знакомы с положительным опытом проек­ тирования, изготовления и монтажа температурных датчиков в других областях иди игнорируют этот опыт; в некоторых случаях они не проявляют настойчивости в отношении осущест­ вления необходимых операций по контролю качества приборов.

совершенствования приборов контроля температур в реакторе. Эффекты воздействия излучения были рассмотрены в преды­ дущих главах, однако для элементов, чувствительных к тем­ пературе, особое значение имеет радиационный нагрев. Он способен привести к существенным погрешностям измерений при высоком тепловом сопротивлении между чувствительным элементом и окружающей средой, а также при более интенсив­ ном удельном поглощении нейтронного и у-пзлучения в чувстви­ тельном элементе по сравнению с поглощением в окружающих

материалах.

8.2. ТЕРМОПАРЫ

Термопары являются наиболее распространенным прибором для измерения температур в реакторе. Их распространенность определяется малыми размерами, работоспособностью в широ­ ком диапазоне температур и относительно высокой стойкостью к радиационным повреждениям. Первоначально для измерений на реакторах использовались термопары общего промышленного назначения, однако особые требования, предъявляемые к про­ водникам, изоляторам и материалам оболочки реакторных тер­ мопар, привели к необходимости разработки для них специаль­ ных технических требований [1—3].

Эффекты воздействия излучений на термопары могут носить характер временных или необратимых изменений. Временные изменения, в том числе радиационный нагрев, непостоянное снижение сопротивления изоляции и токи замещения, рассмат­ ривавшиеся в гл. 3, исчезают, одновременно с прекращением

121

облучения. Необратимые эффекты включают в себя смещение атомов и ядерные переходы.

Эффекты смещения атомов должны устраняться путем от­ жига при температурах достаточно высоких для обратной диф­ фузии смещенных атомов в их нормальное положение; при этом должна существовать пороговая температура, выше кото­ рой практически не наблюдаются изменения технических харак­ теристик термопар.

Ядерные превращения должны происходить постепенно в процессе облучения, приводя к изменениям состава материалов.

При облучении материалов в число основных сопутствующих эффектов входят изменения их термоэлектрических и физиче­ ских свойств. Изменения термоэлектрических свойств должны происходить постепенно, приводя к погрешностям измерений, которые можно в ряде случаев компенсировать путем кали­ бровки термопар в рабочем положении. При эксплуатации термопар в условиях механической нагрузки пли вибрации ра­ диационное охрупчпванпе может привести к их полному отказу.

Несмотря на то, что опубликованы сотни статей, посвящен­ ных конструированию, изготовлению, калибровке и эксплуата­ ции реакторных термопар, многие эффекты, влияющие на их рабочие характеристики, не нашли еще надлежащего объясне­ ния. До тех пор, пока не накопится достаточное количество данных, необходимых для лучшего понимания ряда эффектов, выбор термопар для применения в активных зонах реакторов будет в значительной степени базироваться на инженерной ин­ туиции и логике.

В настоящей книге особое внимание уделено факторам, зависящим от излучений. В связи с рассмотрением этих факто­ ров хотелось бы подчеркнуть важность поддержания в реактор­

Термоэлектрические эффекты. Исследования и теория термо­ электрических эффектов достаточно подробно освещены Е лите­ ратуре. Основные законы термоэлектрической термометрии были подробно рассмотрены Роузером и др. [5]. Р1сходя из интересов тех читателей, которые недостаточно знакомы с данным пред­ метом, ниже приведено краткое изложение теории и законов тер моэлектр и чества.

ются при различных температурах, протекает электрический ток.

от А к В. Напряжение, вызывающее ток в цепи, называется термо-э. д. с. Зеебека, а производная от этого напряжения по температуре при заданном ее значении—коэффициентом Зее-

122

бека, характерным для каждой конкретной пары металлов и конкретной температуры.

Пельтье в 1834 г. установил, что при прохождении тока через соединение двух разнородных металлов поглощается или выделяется определенное количество тепла. При прохождении тока в направлении, соответствующем эффекту Зеебека, проис­ ходит поглощение тепла, и наоборот, -выделение — при прохож-

дении в обратном направлении. Количество тепла в джоулях, поглощающееся или выделяющееся при прохождении через со- •единение заряда в один кулон, равно произведению абсолютной температуры соединения на производную по тем­

тепла называется коэффициентом Пельтье и является констан­ той при фиксированной температуре для выбранной пары ме­ таллов.

Уильям Томсон (лорд Кельвин) изучал обратимые тепловые эффекты, связанные с прохождением электрического тока через •однородные проводники, в которых имеет место градиент темпе­ ратур. Он установил, что в некоторых проводниках ток, про­ текающий от горячей точки к холодной, имеет тенденцию уменьшать разность температур между этими точками, в то время как для других металлов наблюдается противоположный эффект. Это явление было названо эффектом Томсона. Напря­ жение, создаваемое в однородном проводнике при наличии в нем температурного градиента, называется напряжением Том­ сона, а производная от этого напряжения по температуре — коэффициентом Томсона для конкретного проводящего мате­ риала при дайной .температуре.

Напряжение в цепи, показанной на рис. 8.1, описывается уравнением

1.23

жеиие Томсома, создаваемое в проводнике В при перепаде температуры AT.

При отсутствии побочных эффектов, таких, как, например, физико-химические процессы в материалах, способные изменить характеристики всей цепи, напряжение Зеебека должно быть равно алгебраической сумме напряжении Пельтье и Томсона.

Величины напряжений Пельтье п Томсона не могут быть точно предсказаны на основе теоретических или эксперимен­ тальных данных. Поэтому использованию любой пары мате­ риалов, предназначенных для изготовления термопар, которые рассчитаны на точные измерения температур, должно предше­ ствовать экспериментальное определение характеристик напря­ жения Зеебека для каждой пары.

Основными законами термоэлектрических целей являются: закон для однородной цепи; закон для промежуточных металлов;

закон последовательных или промежуточных температур. Эти законы имели несколько формулировок, и ниже они

даются в виде, заимствованном из работы Роузера [5].

1. Закон для однородной цепи: «Электрический ток не может быть вызван нагревом в цепи однородного металла, на какие бы участки при этом цепь не разбивалась».

2.Закон для промежуточных металлов: «Алгебраическая сумма термо-э.д. с. в цепи, состоящей из любого количества различных металлов, равна нулю, если вся цепь находится при одинаковой температуре».

3.Закон последовательных или промежуточных температур: «Термо-э.д.с, создаваемая любой термопарой из однородных

утверждения.

1. Электрический ток может поддерживаться в цепи путем нагрева, если в области градиента температур металлы разно­ родны по составу. Поэтому провода термопары должны быть однородны в областях, где имеют место температурные гра­ диенты; в противном случае в цепи могут возникнуть посто­ ронние э. д. с.

2. При введении промежуточных металлов в цепь с термо­ парой соединения материалов термопары с промежуточными металлами должны находиться при одинаковых температурах, для того чтобы предотвратить возникновение в цепи посторон­ них э. д. с.

Теоретическое рассмотрение влияния излучения на термо­ пары. Браунинг [6] сделал обзор нескольких теоретических исследований, посвященных изучению изменения калпбровоч-

124

пых характеристик термопар, которое может произойти и ре­ зультате вызванного излучением смешения атомов. Он пришел к заключению, что термопары, изготовленные из металлов, не

Браунинг также проанализировал расчетные изменения со­ става материалов хромель-алюмелсвых, железо-копстантановых, медио-кспстаптановых, платииа-платинородиевых (10% родия), вольфрам-ренневых и вольфрам-вольфраморенпевых (26% пе­ ния) термопар, обусловленные ядерными переходами в процессе

ных термопар наиболее стабильными являются хромель-алюме- левая и железо-константаноЕая термопары. Материалы осталь­ ных четырех термопар претерпевают в процессе облучения изме­ нения, которые приводят к изменениям их термоэлектрических свойств.

Воспользовавшись графиками Браунинга, можно определить изменения состава указанных материалов для различных пе­ риодов облучения. Выдержка Б течение шести месяцев в истоке

хромель-алюмелевые термопары, облученные в интегральном потоке тепловых нейтронов 4,2-1020 нейтрон/см2, существенно не изменили калибровочных характеристик. Метц и Хардиг [8] также не зафиксировали заметных изменений в калибровке хромель-алюмелевых термопар, облученных в интегральном потоке тепловых нейтронов 1 • 1021 нейтрон!см2. Эти эксперимен­ тальные результаты ' подтверждают данные теоретических ис­

рицательное смещение калибровочной характеристики в преде­ лах от 0 до 12°С при испытаниях, проведенных в интервале температур от 90 до 760° С. Несколько термопар показали почти постоянную температурную погрешность в интервале температур

125

от 310 до 760° С. Однако достоверность этих данных вызывает некоторые сомнения в связи с вредными явлениями, обна­ руженными позднее [9] в калибровочном устройстве и связан­

бины погружения и наличием градиента температуры в нагре­ вательном устройстве.

Наблюдавшиеся смещения калибровочной характеристики не могут служить причиной отказа от применения этих термопар в реакторах на быстрых нейтронах, однако необходимо нако­ пить большую информацию в отношении радиационной стой­ кости материалов этих термопар.

Келлн, Джонстон и Боумен сообщали, что термопары с электродамп из платины и сплава платины с 10% родия пока­ зали 3%-ное изменение калибровочной характеристики при 1040°С после облучения в интегральном потоке тепловых ней­ тронов 4,2-1020 нейтрон/см2. Это подтверждается теоретическим анализом, показавшим, что изменения калибровочной характе­ ристики этих термопар должны определяться ядерным перехо­ дом родия в палладий. Смещение калибровочной характеристики менее чем на 1,75% в интервале температур от 140 до 760° С наблюдалось у одной термопары с электродами из платины и

пара вышла из строя вскоре после калибровки.

Эти результаты указывают на возможность применения платина-родиевых термопар в реакторах на быстрых нейтронах,

сплавы, соответствующие составу этих материалов в различные моменты облучения в потоке тепловых нейтронов 1 • 1014 ней-

126

Температура, °С

Рис. 8.2. Погрешность измерения температуры, ожидаемая в результате ядерных реакций в материалах термопары после шестимесячного облучения ее в .нейтронном потоке 10й ней- ' трон/(см2 • сек).

рения. Путем интенсивных исследований и широких разработок можно создать термопары с более высокой радиационной стой­ костью и необходимыми термоэлектрическими характеристи­ ками в области высоких температур, однако это вряд ли можно ожидать в ближайшем будущем.

Существует настоятельная потребность в экспернменталь-. ных данных в отношении поведения вольфрам-рениевых термо­ пар при облучении в потоках как быстрых, так и тепловых нейтронов вплоть до интегральной дозы, составляющей по край­

в ходе единственного эксперимента. Данные по вольфраму можно считать достаточно надежными, однако остается необъ-

с электродами из вольфрама и сплава вольфрама, изготовлен­ ного для имитации ядерных переходов в облучаемом вольфраме, показали, что на электроде, изготовленном из этого сплава, при всех рассмотренных температурах возникает по отношению к не-

127

облученному вольфраму положительный потенциал. Побочные эффекты, возникавшие в процессе экспериментов, делают со­

Рис. 8.3. Экспериментальные результаты калибровки термопар с электродами из вольфрама и сплава воль­ фрама с 25% рения, облученных в реакторе, и анало­ гичных контрольных материалов. Интегральный поток тепловых нейтронов 0,56 • 102' нейтрон/см2, быстрых ней­

тронов 0,981020 нейтрон!см2.

Термопары с электродамп, изготовленными из вольфрама и вольфрамового сплава с 26% рения, а также, сплава вольфрама с 5% рения и сплава вольфрама с 25% рения, облучались в реакторе EBR-II при температуре выше 370° С в интегральном потоке быстрых нейтронов 3-1021 нейтрон/см1 [16]. После облу­ чения эти термопары были откалиброзаны в нагревательном устройстве в интервале температур от 90 до 760° С. Смещения калибровочной характеристики, наблюдавшиеся при темпера­ туре 760°С, составили соответственно —3 и —10%. В резуль­ тате облучения имели также место изменения сопротивления, равные соответственно +10 и +120%.

Данные относительно смещений калибровочных характери­ стик вызывают определенные сомнения вследствие затруднений, связанных с фиксацией глубины погружения образцов и темпе­ ратурными градиентами в нагревательном устройстве, однако результаты, касающиеся изменении сопротивления, представ­ ляются вполне надежными. Автор не в состоянии найти при­ чину для столь существенного различия в изменениях сопро­ тивления, наблюдавшихся у термопар этих двух типов и, к сожалению, не отмеченных какими-либо пояснениями со сто­ роны экспериментаторов.

128

тора на быстрых нейтронах в Даунри. Термопара была заклю­ чена в молибденовую оболочку наружным диаметром 1,5 мм и имела изоляцию из окиси магния. Интегральный поток к мо­

цессе облучения, по-видимому, менялась, оценка смещения ка­ либровочной характеристики в результате радиационных повреж­ дений не представлялась возможной. Проводники термопары были пропущены в верхней части топливного элемента через керамическое уплотнение, которое было облучено в интеграль­ ном потоке быстрых нейтронов 6-Ю2 1 нейтрон/см2: Проведенное после облучения обследование показало отсутствие поврежде­ ний между уплотнением и регистрирующим прибором. Преду­ сматривается дальнейшее обследование с целью обнаружения повреждения и объяснения его причины.

Кульманом [11] были исследованы термоэлектрические- характеристики некоторых элементов и сплавов, обладающих низкими сечениями взаимодействия по отношению к тепловым нейтронам, однако он не делал попыток имитировать изменения

Электрическая изоляция термопар. При выборе изоляцион­ ного материала для внутрпреакторных термопар необходимо учитывать следующие факторы.

1. Удельное электрическое сопротивление при наивысших рабочих температурах.

2. Изменение удельного электрического сопротивления в те­ чение ожидаемого срока службы термопары в поле излучений.

3.Нейтронные сечения.

4.Теплопроводность:

5.Химическую совместимость с термопарой п материалами оболочки.

6.Стабильность размеров в поле излучений.

7.Химические и другие реакции, способные произойти при

случайном контакте изоляционного материала с теплоносите­ лем реактора, топливом или замедлителем.

8. Доступность и стоимость материалов и технологических процессов, применяющихся для изготовления полного комплекта термопары, включая изоляцию.