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

Поскольку детектируемые сигналы могут иметь короткую продолжительность, то переменные токи с несущей частотой в несколько килогерц, могут оказаться' непригодными. Простое включение в схему емкости или индуктивности, эффективное при подавлении ложных токов ионизации в электрических схе­ мах в условиях стационарного облучения, также может ока­ заться неэффективным. К счастью, большинство реакторов рас­ сматриваемого типа меняют мощность несколько раз в день или в час, и поэтому не слишком трудно и не дорого испытать кон­ струкцию измерительного прибора до проведения эксперимен­ тов, в которых он потребуется.

Характеристики электронных схем и контрольно-измеритель­ ных приборов для измерения мощности во время переходных процессов такого типа имеются в литературе, приведенной в гл. 3. В обзоре Олсена [4] можно найти характеристики пуль­ сирующих реакторов, исследованные при интегральных потоках порядка 1014 нейтрон/см2.

Измерения внутри активной зоны пли в непосредственной близости от нее при интегральных потоках нейтронов от 1011 до 1018 нейтрон/см2 в течение нескольких минут или менее пред­ ставляют собой более сложные проблемы, чем измерения в стационарных условиях или в переходных условиях с меньшими интегральными потоками. В большинстве случаев максималь­ ный поток йейтронов и скорость его изменения достаточно вы­ соки п генерируют в электрических цепях значительные токи ионизации.

Вполне вероятно, что подлежащие измерениям температуры, давления и перемещения также достаточно велики и также име­ ют высокие скорости изменений. В различных местах могут возникать тепловые волны, которые затем распространяются в материалах конструкций и измерительных приборов. Во время экспериментов они приводят к большим термическим напряже­ ниям в условиях, когда ни температурное равновесие, ни гра­ диенты напряжений еще не установились. Следовательно, пре­

в таких реакторах, как, например, реакторы для ракетных двига­ телей, в которых они будут применяться. Однако даже в США имеется только один реактор для исследования материалов в не­ стационарных условиях, в импульсах которого достигаются ин­

190

приборов для исследования нестационарных и переходных про­ цессов, а также методам, уже успешно применявшимся или пока еще многообещающим.

10.2. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Часто для исследования переходных характеристик системы или экспериментального оборудования реактора требуется про­ вести динамические измерения давлений внутри активных зон или вблизи них во время перехода с одного уровня мощности на другой. Хотя в различных экспериментах требования к поло­ жению датчиков могут существенно различаться, обычно чувст­ вительные к давлению элементы располагаются в среде на входе в активную зону или в подводящих трубопроводах. По­ этому в первую очередь следует рассмотреть вопрос об ослаб­ лении и искажении сигналов этих датчиков линиями связи.

Ослабление и искажение сигналов датчиков давления линия­ ми связи. Указанное явление весьма сложно и зависит от ха­ рактера как самого датчика, так и от конфигурации линии связи. Иберолл [7J предложил математическую постановку задачи еще в 1950 г., но тогда ее невозможно было решить даже на ЭВМ. Иберолл представил графическое решение задачи, а оценить ошибку приближений он не смог. Ватт [8] запрограммировал уравнения Иберолла и поставил эксперименты, позволившие оценить результаты машинных расчетов. После этого, основы­ ваясь на удовлетворительном согласии результатов расчетов и экспериментов, можно было с достаточной степенью уверенно­ сти использовать точные решения уравнений Иберолла для оценки влияния линий связи на сигналы, полученные от дат­ чиков давлений, которые расположены на одном . из концов линий связи. Уравнения Иберолла очень сложны, их число достигает 116, поэтому здесь они не приведены. Ниже дано ка­ чественное описание эффектов, которые учтены в уравнениях Иберолла, но обычно опускаются в элементарной теории коле­ баний расхода жидкости.

1.Изменение постоянного времени системы из-за сжимае­ мости жидкости и упругости линии связи.

2.Искажение гармоник колебаний давления и среднегозначения давления в линии из-за конечности избыточного • дав­

ления на входе в линию связи около измерительного прибора.

3.Изменение постоянной времени системы из-за инерцион­ ности жидкости.

4.Искажение формы волны импульса из-за ускорения жид­ кости на концах отводящей трубки.

5.Описание происходящего процесса уравнениями, представ­ ляющими собой нечто среднее между описаниями адиабатиче­ ского и изотермического процессов из-за учета теплопроводно­ сти стенок трубки.

191

лись бы на создание и испытание натурных моделей. Пьезоэлектрические датчики давления. Эти датчики не упо­

минались в гл. 4, поскольку они не могут долго работать под облучением, однако присущие им хорошие частотные характе­ ристики делают их притягательными для экспериментального изучения нестационарных процессов. Терри [10] испытал боль­ шое количество кристаллических датчиков давления в меняю­

ков одного и того же типа при одинаковом изготовлении раз­

дившим сигнал, меньший 1% предела шкалы при интегральных потоках до 1013 нейтрон/см2 и дозах у-излучения до 105 рад. Это в известной степени неожиданный результат, поскольку турма­

лению, второй — чувствительным. Терри нашел, что излучение наводит в этих кристаллах сигналы, различающиеся менее чем на б%- Когда кристаллы были подсоединены к дифференциаль­ ному усилителю через схему компенсации сигнала, то 99,1% сигнала, наведенного излучением, оказалась погашенной. Ре­ зультаты этого эксперимента указывают на возможность изго­ товления кристаллических датчиков, способных работать в пе­

Поль [11] нашел также, что в кристаллических кварцевых датчиках давлений, не предназначенных для особых целей, сиг­ налы излучением не наводились, когда они попадали в перемен­ ные поля излучений с интегральным потоком до 7 - Ю 1 3 ней-

192

самым тщательным образом, поскольку речь ндет о выборе чув­ ствительного элемента для измерения давлений внутри активных зон в нестационарных процессах. Переходные характеристики всех указанных выше датчиков, кроме пьезоэлектрических, об­ суждались в гл. 4, в которой приведены ссылки на соответствую­ щую литературу. Поэтому ниже рассмотрены факторы, влияю­ щие на выбор типа датчика в процессе проектирования реак­ тора.

1.Верхняя и нижняя границы частотной характеристики, диапазон измеряемых давлений и требуемая точность. Эти свой­ ства необходимо установить в первую очередь, чтобы исключить из дальнейшего рассмотрения все типы датчиков, которые не удовлетворяют этим требованиям.

2.Окружающие условия в месте отбора давления. Здесь важными параметрами являются стационарные и быстроменяю­ щиеся характеристики окружающей среды, такие, как темпера­ тура, тепловые потоки, потоки нейтронов и у-излучения и меха­

нические перемещения, и их следует оценить как можно точ­ нее.

3.Размеры пространства, которое можно отвести для уста­ новки датчика.

4.Наличие данных об испытаниях датчиков, которые, по-ви­

чиков, то лучший из них выбирается исходя из стоимости, про­ стоты установки, легкости подачи сигналов на вычислительную машину для обработки.

5. Типы испытаний датчиков, требуемые для получения до­ полнительной информации о датчиках, наличие соответствующих экспериментальных установок для проведения испытаний, позво­ ляющих получить эти данные. Чтобы избежать чрезвычайного усложнения испытаний, важно определить, в каких условиях датчики должны испытываться одновременно, чтобы экспери­ ментальные результаты были надежными, а какие параметры можно оценивать независимо от других. Например, частотная ха­ рактеристика датчика давления не должна зависеть от темпе­ ратуры или интенсивности излучения, а сопротивление изоляции, измеренное в сильном поле излучения при одной температуре, может значительно отличаться от сопротивления, измеренного при другой температуре в том же поле излучения.

6. Влияние длины и диаметра липни связи на результаты динамических исследований в том случае, если чувствительный элемент датчика расположен далеко от места отбора давления. При выборе датчика этот вопрос должен исследоваться в пер­ вую очередь, поскольку линия связи длиной несколько метров или даже несколько сантиметров позволит укрыть датчик в за­ щите или удалить от опасных условий окружающей среды.

7.. Временные зависимости ожидаемых сигналов от радиаци­ онных условий и от давления. Наведенный излучением ложный сигнал и истинный сигнал от датчика давления можно легко различить, если они возникают в разные моменты времени или имеют существенно разные формы.

8. Данные о сроке службы, т. е. о количестве экспериментов,

вкоторых будет участвовать датчик.

9.Возможность замены рабочей жидкости, обычно находя­ щейся в контакте с чувствительным элементом, другими жидко­ стями, если не будет принято специальных мер предосторожно­ сти. Это замечание весьма важно, особенно в случае, когда во­ время эксперимента возможно расплавление топливных элемен­ тов, материал которых может разрушить чувствительный эле­ мент датчика или линии связи до того, как будут получены нуж­ ные данные.

Приведя факторы, которые необходимо учесть при выборе датчиков для измерения давления внутри активных зон в пере­ ходных режимах, автор отнюдь не утверждает, что можно найти всю необходимую для точной оценки этих факторов информа­ цию. Тем не менее простая оценка их поможет избежать не­

лать заключения, что благоприятные результаты испытаний не­

можно было бы рекомендовать для использования так же, как другие приборы для измерений переходных характеристик внут­ ри активных зон. Однако автор склоняется к тому, что датчики давления, работающие на принципе вихревых токов, наиболее

194

10.3.ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ

ПРОЦЕССАХ

Измерение температур внутри активных зон при проведении нестационарных экспериментов проводится исключительно тер­ мопарами. По возможности проволока каждой термопары долж­ на привариваться к образцу, температура которого измеряется, чтобы сколь возможно уменьшить контактное сопротивление. Очевидно, чтобы прибор был быстродействующим, теплоемкость проволочки термопары должна быть малой, но тогда спай очень тонкой термопары будет хрупким, поэтому приходится прини­ мать компромиссное решение и выбирать между быстродейст­ вием и физической прочностью. Успешно работали термопары с проволочками толщиной всего 0,01 мм [20]. Если материалы образца и термопары сваривать нельзя, то к образцу прикреп­ ляют пластинку из другого материала [21, 22] и проволочку тер­ мопары приваривают к материалу пластинки. Если окружающие условия не позволят прикрепить термопару таким образом, то приходится помещать ее в миниатюрный защитный чехол.

Радиационные повреждения материалов термопар в неста­ ционарных процессах не представляют собой проблемы. Един­ ственная трудность при измерениях температур в нестационар­ ных процессах связана с ложными сигналами, наводимыми то­ ками ионизации. Этот вопрос обсуждался в гл. 3, а здесь сле­ дует еще раз указать на то, что встречающиеся в нестационар­ ных процессах высокие потоки нейтронов у-излучения могут привести к значительным ложным сигналам в электрических це­ пях, если они неудачно спроектированы.

При исследованиях нестационарных процессов для электро­ проводок можно использовать изоляционные материалы, не предназначенные для длительной работы в ядерных реакторах. Испытания в автоклавах показали [14], что некоторые изоля­ ционные материалы, которые наносятся кистью, напылением или осаждением, могут находиться в насыщенном водяном паре в

весьма короткого промежутка времени.

Может оказаться, что погрешности, вносимые горячими зо­ нами, шунтирующим действием изоляции и химическими реак­ циями, которые создают неточности при измерениях температур в стационарных условиях, не будут столь важными при измере­ ниях температур в переходных режимах, потому что исследуе­ мый эффект будет предшествовать указанным выше эффектам. Действительно, термопары из вольфрамо-ренневого сплава можно использовать для измерении температур в нестационар­ ных процессах вплоть до их точки плавления, если необходимо получить калибровочные кривые в таких нестационарных усло-

13* 195

внях [14]. Предположив, что результаты калибровки, получен­ ные при температурах до 2500° С, можно экстраполировать до более высоких температур, например, до 3200° С, провели серию экспериментов [23], в которых была достигнута температура плавления, и нашли, что полученные результаты оказались ра­ зумными.

Если термопары малого размера в виде неизолированной проволоки привариваются к оболочке топливного элемента, то показания температуры, полученные с помощью этих термо­ пар, обычно незначительно запаздывают по отношению к уста­ новлению истинной температуры оболочки. Однако сложные уст­ ройства, используемые для подсоединения к термопарам линий связи, могут оказать сильное влияние на результаты экспери­ ментов [24].

Было предпринято много попыток измерить рост температу­ ры топлива из двуокиси урана в нестационарных процессах с помощью проволоки или термопары с покрытием, помещая их в специальные пазы в топливе. Однако теплопередача в двуоки­ си урана, которая является относительно плохим проводником тепла, ограничивает постоянную времени в этих измерениях [24] значениями порядка 500 мсек при максимальных температурах

лоносителю по порядку величины близка к 5 сек, то максималь­ ные температуры топлива и скорость его охлаждения можно измерить с приемлемой точностью, размещая термопары в па­ зах по центрам топливных элементов [25].

Термопары, привариваемые к образцам топливного мате­ риала малых размеров [20—22], могут обеспечить измерение быстрых изменений температур при разогреве, но не могут измерять температуру топливного стержня, когда теплоотвод от него велик.

Постоянная времени термопар, заключенных в чехол и по­ мещенных в теплоноситель, зависит от способа изготовления. В охлаждаемых водой и натрием реакторах постоянная вре­ мени изолированного спая заключенной в чехол термопары увеличивается пропорционально квадрату диаметра чехла [26]. Было найдено, что при испытаниях термопар с чехлом диамет­ ром 1 мм как в натрии, так и в воде их постоянные времени со­ ставляют приблизительно 80 мсек.

Термопары с заземленным на чехол спаем иногда могут иметь меньшие постоянные времен», но влияние на величину постоянной времени способов изготовления и теплопередачи от движущихся жидкостей для них будет гораздо большим, чем для термопар с изолированным спаем. Следовательно, необхо­ димо экспериментально проверять постоянную времени1» каждой

196

термопары, а затем уже использовать ее для измерений. Автор обнаружил, что постоянные времени термопар с чехлами и тер­ мопар с заземленным спаем, полученных от одного и того же изготовителя, различаются в четыре раза. При снятии времен­ ных характеристик термопар в жидких металлах чехол термо­ пары должен смачиваться жидким металлом, что может потре­ бовать большого времени при повышенных температурах. Ме­ тодов же для оценки минимально необходимого для этого вре­ мени нет.

10.4. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Тензометры успешно применялись для измерений напряже­

1. Температура материала, к которому прикрепляется тен­ зометр, не должна превышать температуру, на которую он рас­

напряжения, если образец быстро нагревается. Заметная раз­ ность в кажущихся сигналах приваренных датчиков наблю­ далась при разогревах со скоростью 5,5 и 16,7 град/сек.

3.Сигналы от подлежащих измерению напряжений или пе­ ремещений должны превышать ложные сигналы, наводимые из­ лучением.

4.Тензометры и их линии связи, используемые в воде или жидком металле, должны герметизироваться. В настоящее вре­ мя имеются герметизирующие и изолирующие материалы, по­ зволяющие работать при температурах до 260° С, но в течение коротких промежутков времени. В натрии могут работать толь­ ко герметизированные (приваренные) датчики.

Тензометры могут успешно применяться для измерений в не­ стационарных процессах в системах с водой, начинающих ра­ ботать при комнатной температуре. В настоящее время еще не­ возможно пока что-либо сказать о пригодности имеющихся дат­ чиков для измерений при нестационарных процессах в высоко­ температурных водных или натриевых системах.

Индуктивные датчики перемещений, такие, как дифферен­ циальные трансформаторы, датчики с переменной магнитной проводимостью, датчики на вихревых токах, применяемые для измерений внутри активных зон в стационарных условиях, должны быть применимы и в нестационарных условиях, если несущие частоты достаточно высоки, а массы подвижных дета­ лей приборов достаточно малы по сравнению с массой предмета,

197

к которому они прикрепляются. Дифференциальные трансфор­ маторы, в которых чувствительным элементом служил датчик с переменной магнитной проводимостью, успешно применялись

соответствующей точки для снятия показаний. Например, пере­ мещение топлива относительно оболочки можно измерить с по­ мощью дифференциального трансформатора, одна из обмоток которого прикреплена к оболочке, а другая помещена в верх­

Если для измерения перемещения оболочки относительно экспериментальной капсулы можно использовать второй дат­ чик, то прямой нагрев капсулы излучением не должен давать значительной ошибки в измерении расширения топлива, иначе необходимо вводить поправочные множители для компенсации расширения капсулы. Обычно эту задачу нетрудно решить при подготовке к эксперименту, но попытки внести поправки после эксперимента бесполезны.

Индуктивные датчики для измерений перемещений имеют огромное преимущество перед тензометрнческими или потенциометрпческнми датчиками перемещений, состоящее в том, что корпус датчика не нужно прикреплять к испытуемому образцу. Следовательно, образец может быстро нагреваться до очень вы­ соких температур в течение короткого времени и при этом не оказывать вредного влияния на чувствительный элемент датчи­ ка. Поэтому для регистрации передвижения расплавившегося топлива внутри оболочки могут использоваться датчики, спро­ ектированные для работы при нескольких сотнях градусов Цельсия, а производящие измерения при температурах плавле­ ния топлива.

Потенциометрические датчики перемещений. С помощью потенциометрических датчиков перемещений успешно проводи­ лись измерения внутри активных зон в нестационарных усло­ виях [28], но применение таких датчиков ограничено, поскольку их нельзя помещать прямо в воду или в жидкий металл.

10.5. ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКОВ НЕЙТРОНОВ ВНУТРИ АКТИВНЫХ ЗОН В НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССАХ

Ионизационные камеры, рассчитанные для проведения изме­ рений при стационарных условиях в энергетических реакторах, уверенно можно применять для измерений в медленных пере­ ходных процессах при потоках нейтронов не выше 1015 нвйт-

198

рои/'(см2• сек). Хотя в продаже имеются миниатюрные иониза­ ционные камеры для измерений быстроменяющихся потоков нейтронов до уровня 1018 нейтрон/(см2• сек), но в литературе их свойства для нестационарных условий не приведены. Для изме­ рений нейтронного потока внутри активной зоны в быстрых пе­ реходных процессах был создан и успешно прошел испытания специальный нейтронный термометр, получивший несколько на­ звании, вроде «спай с делящимся веществом», «пробник энергии» или «термонентропиый датчик» (послед­ нее название наиболее употреби­ тельно в советской литературе). По­ скольку в настоящее время нет дру­ гих апробированных приборов для внутризонных измерений потока, превышающего 101Е нейтрон/(см2Х Хсек), то в этом разделе рассмат­ ривается только этот прибор.

мы некоторых делящихся материалов и называемому в дальней­ шем элементом из делящегося вещества. Идеальный термоней­ тронный датчик должен обладать следующими свойствами:

1)постоянной скоростью энерговыделений в любой точке элемента из делящегося вещества;

2)отсутствием теплообмена во время облучения между эле­ ментом из делящегося вещества и соседними материалами;

3)независимостью теплоемкости элемента из делящегося вещества от температуры;

4)незначительной теплоемкостью материалов датчика, кон­ тактирующих с элементом из делящегося вещества;

5)линейной зависимостью выходного термоэлектрического сигнала от температуры;

6)прочностью сварных соединений между материалами дат­ чика и элементом из делящегося вещества;

7)ничтожно малым сечением поглощения у-излучения;

8)не зависящим от температуры сечением деления.

'В этих идеальных условиях соотношение между выходным напряжением термонейтроиного датчика и нейтронным потоком можно представить в следующем виде:

199