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

Были разработаны конструкции термопарных датчиков, обес­ печивавших охлаждение проводов линии связи, проходящих в реакторе через области высоких температур [36]. Очевидным недостатком таких конструкций является их сложность, однако в некоторых случаях они могут служить наилучшим решением проблем несовместимости материалов или уменьшения погреш­ ности, вызванной нагревом линий связи.

При температурах выше 2200° С разомкнутые проводники термопары генерируют напряжения, сравнимые с напряже­ ниями, соответствующими спаянным проводникам [21, 37]. Имеющихся данных недостаточно, чтобы определить, обладает ли соотношение между выходным напряжением разомкнутой термопары и температурой достаточной воспроизводимостью.

В настоящее время серийно выпускается чувствительный к температуре датчик, принцип действия которого основан на

ствуют данные об испытаниях таких приборов в реакторе. Де­ тектор максимального нагрева топливного стержня можно было бы создать, размещая термопарный датчик с разомкнутым спаем по центру топливного стержня. Поскольку температуры, при которых различные изоляционные материалы по существу ста­ новятся проводниками, лежат в довольно широком диапазоне, порог чувствительности такого прибора можно было бы регу­ лировать путем направленного выбора материалов изоляции.

Возмущения температур, вызванные установкой термопар. При установке термопарного датчика в топливный элемент реак­ тора некоторая часть топлива обычно удаляется. В результате измеряемая термопарой температура может отличаться от нор­ мальной температуры топливного элемента при том же режиме работы реактора без термопары. Это обстоятельство необходимо учитывать как в процессе проектирования экспериментального'• топливного элемента, оснащенного измерительными устрой­ ствами, так и при анализе результатов его испытаний.

В число факторов, влияющих на величину возмущения тем­ пературы, вносимого термопарами в топливные элементы реак­ торов, входят:

1) количество топлива, удаленного в связи с размещением термопары, а также соотношение между теплопроводностью и тепловыделяющей способностью термопарного датчика и ана­ логичными величинами для удаленного топлива;

2)уменьшение расхода теплоносителя, вызванное установкой термопары в канале теплоносителя;

3)уменьшение или увеличение отвода тепла от оболочки

140

Неопределенность в расположении чувствительного спая мо­ жет также служить причиной погрешности измерений. При расположении термопары вблизи нагреваемых или относительно холодных поверхностей в канале с теплоносителем она, воз­ можно, будет регистрировать температуры, существенно отли­ чающиеся от средней температуры теплоносителя. Термопары, установленные в коллекторе, в который поступает теплоноситель из нескольких каналов, при недостаточном перемешивании теп­ лоносителя в месте установки термопары также могут реги­ стрировать температуру, существенно меньшую или большую среднего ее значения. Между центром и периферией топливного элемента, обладающего низкой теплопроводностью, могут иметь место большие градиенты температур, и поэтому даже незначи­ тельное смещение чувствительного элемента может привести к существенным изменениям регистрируемой температуры.

Поскольку существует множество факторов, влияющих на соотношение между температурой, измеряемой в эксперимен­ тальном топливном элементе, и аналогичной величиной для обычного топливного элемента, информация о температуре, по­

топливных элементов является оправданной даже при недоста­ точной точности абсолютных измерений интересующего пара­ метра, если доказана возможность регистрации с пбмощыо термопар его относительных изменений.

Мак-Кэни [4] представил подробное рассмотрение различ­ ных неопределенностей, возникающих при измерениях темпера­ туры для большого числа ситуаций, встречающихся в исследо­

в отношении зависимости между размерами термопары и тем­ пературой в центре стержня [39]. Кинтнер исследовал соот­ ношение между температурой термопары и температурой топ­ лива для пароперегревательного тепловыделяющего элемента реактора «Пасфайндер» [31].

S.3. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Любой элемент с зависящим от температуры электрическим сопротивлением может использоваться в качестве термометра сопротивления. Обычно термометры сопротивления представ­ ляют собой проволочную обмотку, закрепляемую на изолирую­ щем каркасе и помещаемую в различного вида защитные оболочки. В качестве эталона для измерений температуры в диапазоне от —190 до 660° С признан платиновый термометр

141

сопротивления. Стандартная методика применения этого термо­ метра описана Мюллером [40]. Рейджент и Сэмюель опуб­ ликовали обзорную работу [41], посвященную применению термометров сопротивления на реакторах. Сайс [42] описал термометры сопротивления, специально рассчитанные для из­ мерений температуры реакторного теплоносителя в относительно' слабых полях излучений. Андерсон и Стикней [43] исследовали возможность применения в термометрах сопротивления кера­ мических чувствительных элементов, однако приборы этого типа, по-видимому, отсутствуют в продаже. Стакенбек [44] описал несколько типов миниатюрных термометров сопротивления, рас­ считанных на применение в условиях излучений реактора,, однако в литературе отсутствуют данные об эксплуатационных качествах этих приборов. Для измерений температуры поверх­ ностей можно использовать термометры сопротивления, анало­ гичные тензодатчикам [45].

Однако широкое применение термометров сопротивления для измерений внутри активных зон может оказаться ограниченным по следующим причинам.

1. Излучения вызывают изменение сопротивления металлов; величина изменения сложным образом зависит от вида излу­ чений, а также от температуры металла в процессе и после

3. Требования к способу установки, исключающему механи­ ческие напряжения, приводят к увеличению теплового сопро­ тивления между чувствительным элементом и оболочкой, что может служить источником гораздо большей погрешности, вы­ званной радиационным нагревом чувствительного элемента при размещении его в поле интенсивного излучения.

4. При размещении чувствительного элемента сравнительно . больших размеров в области с высоким тепловым потоком

. могут возникнуть погрешности, вызванные наличием в чувстви­ тельном элементе градиентов температур.

5. Уменьшение электрического сопротивления изоляционных материалов в поле интенсивного излучения может привести к погрешностям, связанным с эффектом шунтирования в цепях термометра сопротивления.

Ввиду существенного различия вызываемых излучением изменений сопротивления различных металлов [23] могут быть разработаны специальные сплавы, не проявляющие значитель­ ных изменений сопротивления в процессе облучения при темпе­ ратурах, превышающих температуру отжига. Очевидно, что термометрам сопротивления предстоит претерпеть существенные усовершенствования, прежде чем они смогут найти широкое применение для внутриреакторных измерений.

142

В связи с возможностью размещения термометров сопро­ тивления только в относительно слабых полях излучения они обычно используются на реакторах для измерений температуры теплоносителя на входе в активную зону и выходе из нее. Высокая точность правильно эксплуатируемых термометров сопротивления делает выгодным их применение для измерений приращения температуры теплоносителя, поскольку результаты подведения теплового баланса при калибровках тепловой мощ­ ности реактора весьма чувствительны к погрешностям этих измерений. Термометры сопротивления, установленные в кор­ пусе реактора и трубопроводах контура циркуляции теплоно­ сителя, довольно часто выходят из строя, поэтому при установкетермометров сопротивления должна предусматриваться возмож­ ность их замены.

8.4. ЗВУКОВЫЕ И УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

Несколько приборов контроля температуры, разработанных для применения на реакторах, основаны на зависимости ско­ рости звука в твердых телах и газах от температуры. Один прибор, измеряющий скорость звука в резонаторе, достаточнохорошо работал в условиях реактора в течение 10 000 ч [46]. Проблемы, с которыми пришлось столкнуться в процессе испы­ таний, были связаны с механическими и электрическими неис­ правностями в системе преобразователя. Прибор такого типа был установлен [46] в высокотемпературном газоохлаждаемом реакторе в Пич-Боттоме, однако в литературе отсутствует ка­ кая-либо информация в отношении его эксплуатационных ка­ честв.

Пока еще нецелесообразна установка в реактор приборов,, рассчитанных на измерения температуры посредством регистра­ ции изменений скорости распространения ультразвуковых коле­ баний в металлических стержнях, трубах или проволоках [47, 48].

которым заполнен замкнутый цилиндр, не будет подвержен погрешностям, связанным с радиационными повреждениями.

143-

Соотношение между скоростью звука в металле н свойствами

ратуры, а модуль упругости при этом обычно является нели­ нейной функцией температуры в широком ее интервале, соотно­ шение между скоростью звука в металле и температурой будет, как правило, нелинейным. Измерения скорости звука в рениевых проволоках, предварительно облученных в интегральных

-существенных систематических различий с данными аналогич­

Тер1М0метры, основанные на свойстве теплового расширения жидкостей, газов и металлов, интенсивно используются в науч­ ных исследованиях и в промышленности [49]. Однако на реак­ торах они не нашли широкого применения в основном из-за сложности разработки устройств для регистрации расширений или системы капилляров между знутрпкорпусными чувстви­ тельными элементами и внекорпуснымп детекторами. После

термометры расширения. Следует, однако, иметь в виду, что размеры чувствительных элементов обычных термометров рас­ ширения существенно превышают размеры термопар, а диапа­ зон температур, -перекрываемый термометрами расширения, значительно уступает диапазону, надежно контролируемому термопарами. По-видимому, влияние излучения на свойство расширения металлов изучено очень мало [23], однако, по­ скольку воздействие на металлы излучений и холодной обра­ ботки подобны, можно ожидать, что облучение большинства металлов приведет к изменению характеристик их теплового расширения. Ядерная реакция является единственным радиа­ ционным эффектом, способным изменить характеристики тепло­ вого расширения газа, наполняющего термометры, но этот эф­ фект должен быть невелик для газов с малыми сечениями взаимодействия с нейтронами.

8.6.МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Вобзорной работе Варшавского и Куна рассмотрены тео­ ретические предпосылки и конструкции манометрических термо­ метров [50]. Принцип действия термометров такого типа

144

на дросселе. Таким образом, температура газа может быть определена на основе измерений указанных выше параметров. Если расход теплоносителя через дроссельное отверстие по по­ рядку величины близок к скорости звука, весовой расход не должен зависеть от перепада давления на дросселе, и необходи­ мость измерения дифференциального давления в этом случае отпадает. Широкое применение такого термометра для внутри­ реакторных измерений неперспективно, поэтому подробное рас­

лет разрабатывался манометрический термометр, предназначен­

сопла. Он сообщил, что после эксплуатации одного такого прибора в течение 512 дней погрешность измерения температуры, вызванная изменением коэффициента дросселирования, состав­ ляла приблизительно 40°С при температуре около 550°С.

8.7. РАДИАЦИОННЫЕ ПИРОМЕТРЫ

Радиационные пирометры можно разделить на два основных класса:

приборы, реагирующие на изменение температуры' чувстви­ тельного элемента;

приборы, чувствительные к изменению длины волны или яркости излучающей поверхности.

Кпервому классу относятся терморадиацнонные термопары

[52]и терморадиационные болометры [53], регистрирующие изменение температуры тонкого металлического диска, нагре­ ваемого тепловым излучением раскаленной поверхности.

Ко второму классу относятся оптические [54] и инфракрас­ ные [55] пирометры, чувствительные к длине волны излучения, испускаемого нагретой поверхностью.

Ввиду идентичности затруднений, связанных с применением на реакторах радиационных пирометров обоих классов, в даль­

иу-полях, входят:

1)чувствительность измерительного элемента к прямому нагреву излучением:

2) изменение характеристик детектора, обусловленное ионн-

I

задней, ядерными реакциями или смещением атомов в кристал­ лической решетке,

3) изменение пропускающей способности смотрового окна, вызванное излучением.

Приведенное выше рассмотрение влияния на термопары нагрева, обусловленного излучением, применимо также к термо­ радиационным термопарам и термораднационным болометрам. Гкследования [56] эффектов воздействия излучения на не­ сколько детекторов инфракрасного излучения показали, что они быстро ухудшают свои характеристики при облучении ин­ тегральным потоком Ю14 нейтрон см'-.

Светочувствительные вакуумные элементы непригодны для применения в интенсивных полях ядерных излучений [23]. Воздействие нейтронного и у-нзлученпя приводит к изменению оптической пропускающей способности стекла и других мате­ риалов, использующихся для изготовления смотровых окон [23].

излучения от топливного элемента до термораднацпонного пиро­ метра, расположенного за пределами корпуса реактора, пред­ ставляет собой весьма сложную задачу.

8.8. ИНДИКАТОРЫ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ

Индикаторы температуры плавления не нашли широкого применения для измерений в активных зонах ядерных реакторов, так как в процессе эксплуатации реактора желательна и часто просто необходима оперативная информация о температурах. Однако после облучения индикаторы позволяют определить максимальную температуру, достигнутую топливным стержнем или другим элементом конструкции, который невозможно было оснастить более распространенным измерителем температуры.

Казаноф и Кмммель [57] сообщили, что в продаже имеются плавкие индикаторы, предназначенные для температур в диа­

можно подобрать материалы, применимые в качестве индика­ торов и при более высоких температурах. Однако гораздо труд­ нее выбрать материалы с температурами плавления, равномерно распределенными в исследуемом интервале температур. Степень взаимодействия материалов индикаторов плавления с окружаю­ щей средой должна определяться требованием постоянства тем­ пературы плавления и отсутствия таких изменений формы или* структуры, которые можно было бы ошибочно принять за признаки плавления.

Медоуз и Сюрбер [58] исследовали возможность применения проволок небольшого диаметра для измерений радиального

146

20.Johnson P. D. Behavior of Refractory Oxides and Metals. Alone and in Combination in Vacuo at High Temperatures. In J. Amer. Ceram. Soc, 1950. vol. 33, p. 168.

21.Brooks E. J., Kramer W. C. and McGowan R. P. High Temperature Sen­ sors for BORAX—V Boiling Fuel Rods. USAEC Report No. ANL—6636, Argonne National Laboratory, October 1963.

22.Ecomas G. and Kingery W. D. Metal Ceramics Interactions: II, Metal — Oxide Interfacial Reactions at Elevated Temperature. In J. Amer. Ceram. Soc. 1953, vol. 36, p. 403.

23.Kircher J. F. and Bowman R. E. Effects of Radiation on Materials and Components, Reinhold, N. Y., 1964.

24.Kuhlman W. C. Research and Evaluation of Materials for Thermocouple

29.Price W. R. and Libbitt W. L. High Temperature Reactor Core Thermo­ couple Experiments. USAEC Report No. La—3336—MS, July 1965, Los Alamos Scientific Laboratory.

148

33.Freeman R. J. Distributed Seeheck Effect at High Temperatures, Part 1. USAEC Report No. TID-7586, 1960, p. 53.

3G. Coodier B. G. Cooled High Temperature Thermocouples for Phoebus Reac­ tors. USAEC Report No. LA-DC-7637, Los Alamos Laboratory, June 1966.

37.Southwest Experimental Fast Oxide Reactor Development Program. Tenth Quarterly Report, August to October 1966. USAEC Report No. GEAP-5301, General Electric Company, p. 61.

38.Systems That Indicate and Locale Temperature Peaks, Continental Sensign, Inc., Bulletin 566, Melrose Park, Illinois.

39.Southwest Experimental Fast Oxide Reactor Development Program, Tenth Quarterly Report August to October 1966. USAEC Report No. GEAP-5301, General Electric Company, p. 62.

40.Mueller E. E. Precision Resistance Thermometry, in Temperature—Its Measurement and Control in Science and Industry. N.Y., Reinhold Publi­ shing Company, 1941, p. 162

41.Ragent B. and Samuel A. H. An Investigation of Temperature Measuring

43. Anderson A. R. and Stickney Т. M. The Use of Ceramic Resistance Ther­ mometers and Temperature Standards Above 2300 °R, in -Temperature — Its Measurement and Control in Science and Industry, vol. 3, Part 2, N.Y., Reinhold Publishing Company, 1962, p. 361.

44.Starkenburg P. D. Temperature Sensors for Nuclear Radiation Environ­ ments, by Temlech, Santa Ana, California, n. d.

45.Temperature Transducers, Microdot Inc. Catalog STT3, Microdot, Inc., Ca­ lifornia, South Passadena, 1966.

46.Carpenter F. D. and Barner J. O. High Temperature Thermometry at Ge­

48.Lynnworth L. C. and Carnevale E. H. Ultrasonic Temperature Measuring Device —Final Report, by Parametrics, Inc., Waltham, Mass. USAEC Re­ port No. NASA-CR-72339, August 1967.

49.Kallen H. P. Handbook of Instrumentation and Controls, p. 8, N.Y., McGraw — Hill Book Company, Inc. 196!.

50.Warshawsky I., Kuhns P. W. Review of the Pneumatic — Probe Thermo­

meter, in Temperature — Its Measurement and Control In Science and In­ dustry, vol. 3. Part 2. N. Y., Reinhold Publishing Company, 1962, p. 573.

51.Hagen E. W. Dvnamic Gas Themometry, in Gigh Temperature Thermo­ metry. USAEC Report No. WASH—1067, March 1966, p. 20.1.

52.Magison E. C. and Millentin K. The Termopile in Industrial Radiation

Pyrometry, in Temperature—Its Measurement and Control in Science and Industrv, vol. 3, Part 2. N. Y„ Reinhold Publishing Company, 1962, p. 377.

149