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

Поскольку температуры теплоносителя реактора лежат в пределах диапазона температур, обычно измеряемых в про­ мышленных условиях, выбор изоляции термопар, предназначен­ ных для контроля теплоносителя, относительно прост. Однако температуры топлива могут достигать точки плавления многих изоляционных материалов, и выбор изоляции термопар, пред­ назначенных для контроля температуры топлива, может вызвать существенные затруднения. В некоторых случаях невозможнопайтн материал, удовлетворяющий всем перечисленным требо­ ваниям, поэтому важно для каждого конкретного применения отделить принципиальные факторы от тех, которые оказывают влияние лишь на точность измерении.

В качестве электрической изоляции термопар обычно исполь­ зуются окиси металлов, такие, как окись алюминия, окись бериллия, окись кальция, окись магния, окись циркония и окись торпя. Все они обладают достаточно высоким удельным электрическим сопротивлением при температурах ниже 1500°С [11] и с успехом применялись в качестве изоляции для термо­ пар, устанавливавшихся на многих промышленных и ядерных установках. При температурах выше 1500°С свойства этих изо­ ляционных материалов могут меняться, проявляется резкая за­

можно, количественных характеристик химического состава [18].

однако мнения их в отношении наилучшего изолятора разо­ шлись. Несмотря на то, что окись гафния обладает высокой температурой плавления, высокой химической инертностью и относительно высоким удельным электрическим сопротивлением, применение ее в качестве внутриреакторного изолятора следует считать нецелесообразным вследствие большого сечения погло­ щения нейтронов. На рис. 8.4 представлены опубликованные Кульманом [11] зависимости относительных удельных электри­ ческих сопротивлений этих окисей в среде гелия от температуры.

Окись бериллия обладает высокой стойкостью по отношению к тепловым воздействиям, наивысшим среди окисей металлов удельным электрическим сопротивлением в диапазоне между 1200° С и температурой плавления, а также относительно вы­ сокой теплопроводностью. Недостатками ее являются: высокая токсичность, возможность химических реакций с вольфрамом [19], молибденом [20], танталом [21] и ниобием [22] при температурах выше 2000° С и, кроме того, склонность к изме­ нению физических характеристик при облучении [23]. Большин­

130

плотностью и низким содержанием воды должна обладать наибольшей радиационной стойкостью.

Окись тория характеризуется высокой стойкостью к тепло­ вым воздействиям, она совместима с танталом, вольфрамом и нольфрам-рениевымп сплавами при температурах по крайней

скольку анализ, проведен­ ный с помощью методов ди­ фракции и спектрометрии рентгеновского излучения,

не показал наличия каких-либо примесей, указанное изменение цвета могло быть вызвано изменениями химического состава. Влияние изменения этой характеристики на свойства окиси то-1 рпя при высоких температурах, по-видимому, не исследовались.

Поскольку максимально допустимые уровни концентраций примесей, выше которых возникают неблагоприятные изменения характеристик окисей металлов, неизвестны, некоторые органи­ зации, исходя из предположения, что любые количества при­ месей нежелательны, применяют для внутриреакторных термо­ пар изоляционные материалы высшей чистоты. Другие, обна­ ружив, что сверхчистые материалы не улучшали технических характеристик термопар при термических испытаниях, для сни­ жения стоимости ослабили требования по чистоте изоляции.

До тех пор, пока не накопится достаточного количества данных, в отношении зависимости между характеристиками

9* 131

изоляции и такими факторами, как примеси, количественный химический состав и рабочие условия, выбор изоляционных ма­ териалов должен оставаться вопросом инженерной интуиции и логики, базирующихся на требованиях, предъявляемых в каж­ дом конкретном случае.

Кульман [24] исследовал возможность применения газовой изоляции для высокотемпературных термопар. Азот, водород, гелий и аргон становятся при высоких температурах провод­ никами. Кульман обнаружил, что при использовании газов в качестве изоляции разомкнутые элементы термопары при тем­ пературе около 2000° С создают напряжения, по величине сравнимые с напряжениями для соединенных элементов. В не­ которых практических задачах для изоляции может быть создан вакуум. Однако, если материалы вакуумной камеры не обла­ дают при рабочих температурах низким давлением насыщаю­ щих паров, возможное загрязнение проводников термопары способно привести к возникновению погрешности измерений. Кроме того, низкая теплопроводность вакуума может вызвать в интенсивных полях излучений перегрев изолированных ва­ куумом проводников термопары.

Материалы оболочки. Реакторные термопары вместе со своей электрической изоляцией обычно заключаются в защитную оболочку. Материал защитной оболочки должен быть совместим с материалами, находящимися с ним в непосредственном кон­ такте, обладать достаточной механической прочностью и пла­

в процессе испытаний, а также, в первую очередь, быть пригод­ ным для работы в условиях облучения. Поскольку термоэлек­ трические свойства материалов оболочки обычно несущественны, имеется достаточно большое количество материалов, пригодных для работы при температурах ниже 1000° С. Однако при увели­ чении температуры выбор становится более ограниченным. Для работы в реакторе при температурах выше 2000° С могут быть использованы лишь вольфрам, рений, тантал, молибден и их сплавы.

Термопары, применяемые для контроля температур тепло­ носителя, реактора, элементов его конструкции и оболочек твэлов, обычно заключаются в чехлы из материалов, применяю-, щихся в конструкциях реактора и топливных оболочках. Обычно выбор оболочек термопар определяется совместимостью с тепло­ носителем реактора, а также способностью к сварке или пайке для уплотнения или монтажа их в различных узлах конструкции реактора. Практическое применение термопар с покрытием ока­ залось весьма успешным, однако различие в коэффициентах теплового расширения термопар и материалов оболочки, могло приводить к возникновению в термопарах больших механиче­ ских напряжений. Считается, что выходы из строя некоторых

•132

хромель-алюмелевых термопар с оболочкой из аустенитной не­ ржавеющей стали были связаны именно с этим явлением [25].

Выбор материалов для термопар, устанавливаемых в твэлах, продолжает вызывать затруднения. Материалы оболочек топлива, совместимые с топливом и теплоносителем при темпе­ ратурах поверхностей топлива, могут оказаться несовместимыми с топливом, изоляцией термопары или материалами термопары при температурах, имеющих место в центре твэла. Механизм изменения физических и химических свойств материалов в про­ цессе облучения при высоких температурах недостаточно ис­ следован, а период времени, необходимый для испытаний макетных образцов в рабочих условиях, не согласуется с гра­ фиком проектирования и строительства реактора. Между обо­ лочкой топливного элемента и оболочкой термопары или прово­

Уменьшение нейтронного потока материалами с высокими нейтронными сечениями способно существенно изменить темпе­ ратуру контролируемого твэла и лишить подобное измерение практического смысла. В ряде измерений температуры твэлов применялись двойные оболочки и оболочки с керамическим покрытием, для установки которых, к сожалению, требуются отверстия большого диаметра [26].

Термопарные датчики. Методы изготовления термопарных', датчиков (состоящих из проводников термопары, электрической изоляции, удлинительных проводов, оболочки, узлов уплотнения по давлению и соединительных разъемов) для реакторов ока­ зывают большое влияние как на рабочие характеристики тер­ мопары, так и на свойства других элементов датчика. Для потребителя часто бывает более сложным протарировать и проконтролировать весь датчик, чем отдельные его элементы. Экспериментальные данные в отношении эксплуатационных качеств термопар часто не содержат достаточной информации о технических характеристиках всего датчика, необходимой для оценки влияния этих характеристик на показания датчика.

Потребитель вынужден разрабатывать методы проверки и испытаний, необходимые для обнаружения нежелательных свойств полностью собранных термопарных датчиков, не до-' пуская при этом их повреждений. Такой контроль представляет значительные трудности из-за наличия большого количества параметров, и поэтому возможности методов испытаний без разрушения в данном случае весьма ограничены. Наиболее целесообразной может оказаться проверка с разрушением об­ разцов, однако большой объем ручных работ, необходимых для каждого датчика, ставит результаты испытаний в зависимость от индивидуального мастерства исполнителя. Коммерческие спе­ цификации, методики проверки и испытаний, принятые различ-"

133

ными организациями для применяемых на реакторах-термопар­ ных датчиков, существенно различаются между собой [1—3]. Таким образом, общепринятые стандартные спецификации, повидимому, будут отсутствовать еще в течение некоторого вре­ мени. Эту проблему в настоящее время рассматривают раз­

dэксплуатационных качествах спаев различ­ ного типа недостаточны для выбора опти­

3)химическую совместимость оболочки, термопары, изоля­ ции и окружающей среды;

4)уровень пластичности и содержания примесей в мате­ риалах во время изготовления, хранения, монтажа и эксплуа:

тации; i

5)наличие и стоимость термопарного датчика;

6)восприимчивость к электрическим помехам от контуров заземления, ионизационных токов и т. п.

Изоляция в реакторных термопарных датчиках используется в виде сильно спрессованных порошков или прошедших высоко­ температурную обработку бус. Сравнение имеющихся .экспери­ ментальных данных не позволяет сделать вывод, что один из видов изоляции обладает решающими преимуществами для всех практических применений. В число факторов, учитываемых при выборе вида изоляции, входят: степень изгибов, скручивания и вибраций, которые предстоит испытать термопарному датчику; максимальная рабочая температура изоляционного материала; различие между коэффициентами теплового расширения про­ водников термопары и оболочки; пластичность проводников термопары и оболочки; необходимость достаточно хорошей теп-

134

.лопроводностн между проводниками термопары п теплоотводнщей поверхностью для предотвращения перегрева проводников термопары за счет нейтронного и у1 [ злучения; относительная •стоимость и наличие термопарных датчиков с различными ви­ дами изоляции.

Датчики, содержащие изоляцию из спрессованного порошка, обычно менее восприимчивы к повреждениям, возникающим в результате изгибов, скручивания или вибраций, чем датчики с изоляцией в виде бус. Плотность наполнения порошкообразной изоляции может существенно влиять на стойкость датчика к ме­ ханическим повреждениям. Плотности наполнения ниже 80% могут привести к радиальным перемещениям проводников отно­ сительно друг друга и относительно оболочки, в то же время достаточно высокая плотность набивки способна в определенных пределах ограничить радиальное перемещение проводников.

Многие порошкообразные окиси спекаются при температу­ рах, много меньших их температур плавления, и в результате происходящего в процессе спекания перераспределения приме­ сей имеют место изменения изоляционных свойств этих мате­ риалов [27]. Наблюдающаяся при спекании усадка порошка может также привести к перераспределению пустот и в резуль­ тате увеличить восприимчивость термопарного датчика к меха­ ническим повреждениям.

В том случае, если проводники термопар или линий связи обладают характеристиками теплового расширения, отличающи­ мися от аналогичных характеристик оболочки, плотно спрессо­ ванная порошкообразная изоляция может во время термоударов воспрепятствовать перемещению проводников относительно обо­ лочки. Во время испытаний на термоудары вольфрам-ренневых проводников, заключенных вместе с плотно спресованной окисью магния в оболочку из нержавеющей стали, наблюдалось смеще­ ние проводников в оболочку, равное примерно \0_мм [28].

Операции обжимки, волочения или прокатки, обычно приме­ няемые для производства термопарных датчиков с изоляцией из порошкообразных окисей, способны вызвать повреждения оболочки или проводников. При этом могут быть повреждены даже весьма пластичные материалы, такие, как медь, констан­ тен, платина и платина-родиевый сплав [27]. Менее пластичные материалы должны быть более восприимчивы к таким повреж­ дениям.

Изоляция в виде бус находится в контакте лишь с малой частью поверхности проволоки, что увеличивает эффективное сопротивление изоляции, и может при высоких температурах снизить ошибку, связанную с шунтированием сигнала. Новак [18] установил, что термопары с изоляцией из окиси тория в виде бус, отожженных при высокой температуре, могли быть откалиброваны. при температурах до 2800°С, однако Кульман пришел к заключению, что термопары с изоляцией из окиси

135

тория становятся ненадежными уже при температуре 2250°С, Прннс п Лпббит [29] показали, что изоляция в виде спеченной стекловидной окиси тория создает меньшее шунтирование сиг­ нала по сравнению с позоляцпей из окиси тория, полученной в процессе обжимки.

Создание перехода от электродов термопары к узлу линии связи зависит от решения ряда специфических вопросов, не возникавших в практике применения термопар в промышлен­ ности. Материалы оболочки, изоляции и электродов термопары, обладающие характеристиками, соответствующими условиям, в которых расположен измерительный спай, могут быть непри­ годны для линии связи. Таким образом, возникает необходи­

потребоваться заменаматериала оболочка линии связи. Про­ ходное уплотнение в этой точке должно обладать высокой надежностью для предотвращения попадания теплоносителя в топливный стержень или утечки продуктов деления в теплоно­ ситель. Свойства оболочки термопары, топливного покрытия и теплоносителя могут препятствовать созданию надежного уплот­ нения, поэтому внутри ТОПЛИЕНОГО степжня должен быть разме­ щен узел перехода на другой материал оболочки линии связи.

Необходимо тщательно оценить относительные достоинства применения в качестве проводников линии связи электродов термопары либо заменить их проводами линии связи. Очевидно, что при замене проводников из материалов термопары прово­ дами линии связи увеличивается возможность возникновения погрешности измерений, однако материалы проводов линии связи могут обладать большей пластичностью, меньшей стоимостью и иметь одинаковый с оболочкой коэффициент теплового рас­ ширения. При каждой замене материала оболочки или прово­ дов линии связи должна также, рассматриваться необходимость замены материала изоляции.

На рис. 8.6 показана конструкция оборудованного термопа­ рой топливного стержня, предназначенного для измерений тем­ пературы топлива в реакторе BORAX-V [30]. Термопарный датчик, находящийся в контакте с топливом, состоит из тан­ таловой оболочки, изоляции из окиси бериллия и термопары с электродами из вольфрама и сплава вольфрама с 26% рения. В области топливного стержня, предназначенной для собирания газообразных продуктов деления, был смонтирован узел пере­ хода на линию связи с проводниками, изготовленными из спла­

304. Верхний конец термопарного датчика был выполнен в виде пружины для обеспечения контакта' между спаем термопары

136

и топливом, а также для компенсации теплового расширения топлива, оболочки, термопарного датчика и узла линии связи, находящегося в топливном стержне. В течение нескольких меся­ цев эксплуатации в реакторе топливного стержня, оснащенного таким образом, успешно проводились измерения температуры топлива вплоть до 1000° С.

60,98 см

80,96 см

Рнс. 8.6. Схема термопарного датчика, применявшегося для измерений температуры топливного элемента в реакторе BORAX-V:

Конструкция термопарных датчиков, предназначенных для применения в реакторе, предусматривает разработку специаль­ ных физических устройств для линии связи, не создающих существенных помех при перегрузке топлива. При наличии возможности размещения электрических соединительных разъ­ емов-на торце каждой топливной кассеты эта задача суще­ ственно упростится, поскольку станет осуществимым отсоеди­ нение линии связи перед перегрузкой топлива.

Так как удельное электрическое сопротивление воды в реак­ торах с водяным охлаждением весьма высоко, предпринимались попытки использовать электрические соединительные разъемы с контактами, находящимися в теплоносителе реактора. Термо­ пары, оборудованные такими разъемами, давали неустойчивые показания при работе как в воде, так и в сухом паре [31]. Величина фоновых напряжений при погружении разъема в воду была больше, чем при размещении его в среде сухого пара. Механизм возникновения этих фоновых напряжений не выяснен. Подобные же фоновые напряжения наблюдались при попада­ нии влаги в кяеммные коробки [32]. Очевидно, что электри­ ческие соединительные разъемы с контактами, находящимися в теплоносителе, не могут быть использованы в реакторах с жпдкометаллическим теплоносителем. Герметичные электриче-

13Г

[3], однако эти разъемы рассчитаны на соединение и разъеди­ нение в среде инертного газа. Соединительные разъемы 'для термопар не должны размещаться в тех местах, где между различными частями разъема могут возникать разности темпе­ ратур.

В большинстве применений на реакторах необходима высо­ кая надежность уплотнения оболочки в месте ввода линии •связи термопарного датчика в первичную оболочку корпуса реактора. В некоторых случаях для обеспечения требований безопасности для каждого проводника необходимо вторичное уплотнение. При проектировании этих уплотнений особое вни­ мание следует уделить предотвращению нежелательных воздей­ ствий на рабочие характеристики термопары. Необходимо также учитывать такие факторы, как холодная обработка проводников линии связи, загрязнение проводников линии связи п изоляции при сварке или пайке, а также наличие в этой области гра­ диентов температуры. Узлы с изоляцией из окиси металла всегда должны быть загерметизированы для предотвращения попадания влаги при окончательной сборке датчика в атмосфере воздуха. При проектировании'уплотнений необходимо иметь в виду те трудности, которые возникают при разработке методик монтажа, приемки и испытаний, необходимых для подтвержде­ ния соответствия уплотнений техническим условиям и гарантий

. оболочкой, наблюдается явление, возникновение которого свя­ зывалось с распределенным эффектом Зеебека, получившее

нений различны, общими для всех рассмотренных моделей были •следующие предположения.

1. Термопара вместе с линией связи рассматривается как линия постоянного тока, на конце которой подключен короткозамкнутый генератор, соответствующий спаю термопары.

2. Источники напряжений распределены вдоль линии связи. Напряжение каждого источника определяется температурой в определенной, области.

3. Шунтирующие сопротивления между проводниками и между проводниками и оболочкой распределены вдоль линии связи. Значения шунтирующих сопротивлений определяются значениями температуры в соответствующих областях.

138

L

Рис. 8.7. Эквивалентная схема электрического контура линии связи термопары в случае работы при высоких температурах.

Расчетные значения погрешности зоны нагрева, полученные этими авторами путем решения уравнения (8.2) на ЭВМ, срав­ нивались с результатами измерений, проведенных с помощью нагревательного устройства [34]. Учитывая неопределенность в проводимости материалов изоляции, можно было считать на­ блюдавшееся согласие между измеренными и рассчитанными погрешностями зоны нагрева достаточно хорошим.

Поскольку на проводимость изоляционных материалов влияют как температура, так и излучение, а описанный выше анализ погрешности, вызванной нагревом линии связи, не рас­ считан на учет изменений проводимости, вызванных воздейст­ вием излучения, оценка этой погрешности с помощью расчетов может не обеспечить точных результатов. Однако они могут быть использованы для определения относительных погрешно­ стей, .ожидаемых при применении различных термопарных дат­ чиков и приспособлений для их установки.

139