Энергетика
Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации
Архипов В.В., кандидат технических наук, доцент
Куценко К.В., кандидат технических наук, доцент
Шарифьянов М.Б., старший преподаватель
(Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»)
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ЯЭУ
Погрешности калибровки нейтронных датчиков управления ядерным реактором зависят от точности измерения параметров теплоносителя (температура, давление, расход), определяющих-тепловую мощность реактора. Рассмотрены характеристики термометров сопротивления, термопар, датчиков расхода и давления, применяемых для контроля активной зоны.
Ключевые слова: активная зона, датчики, сенсоры, внутризонные измерения, давление, температура, расход, темопара, термометр сопротивления.
CORE THERMAL POWER MEASUREMENTS IN NUCLEAR ENERGETICS
The accuracy of calibration of the neutron instrumentationin power plant depends on an accurate thermal measurements of coolant parameters (flow, temperature and pressure) , providing the accuracy of determination of core thermal power. Thecharacteristics of resistance temperature devices, thermocouples, pressure and flow sensors used for core measurements are discussed.
Key words: core, sensor, in-core measurements, pressure, temperature, flow, thermocouple, resistance temperature device
Повышение безопасности ЯЭУ связано как с разработкой новых схем ядерных реакторов с внутренней безопасностью [1], так и с совершенствованием реакторов с водой под давлением и реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем [2,3], включая повышение надежности и представительности оперативного контроля параметров ЯЭУ [4,5]. Практически на всех существующих и проектируемых реакторах основнымсредством управления и контроля мощности реактора являются ионизационные камеры, калибровка показаний которых осуществляется по результатам измерения тепловой мощности реактора теплофизическими методами.
Тепловыделение в ТВС (петле реактора или по всему объему активной зоны) рассчитывается по подогреву теплоносителя из уравнения теплового баланса:
W = G (1вых - iex), (1)
где - G - расход; iвых, ¡вх- энтальпии теплоносителя на входе и выходе из данной ТВС (петли реактора или всей активной зоны). Энтальпия теплоносителя определяется в соответствии с показаниями датчиков температуры и давления (для однофазного теплоносителя), а также паросодержания (в случае кипящего теплоносителя).
В качестве датчиков температуры в пределах активной зоны используют термоэлектрические преобразователи (ТЭП) главным образом двух типов: хромель-алюмель и вольфрам-
рений. Погрешность измерения температуры с помощью ТЭП, расположенных в активной зоне, может достигать величины 4% от подогрева теплоносителя. Поэтому для измерения температуры за пределами активной зоны используют термопреобразователи сопротивления (например, платиновые), точность измерения которыми существенно выше по сравнению с ТЭП. Ошибка в определении температуры с помощью термопреобразователей сопротивления составляет 0,02-0,005 оС.
Термопреобразователи хромель-алюмель (ХА) нашли применение в области температур до 900 оС, а вольфрам-рений - до 2200 оС [6,7]. Конструктивно ТЭП представляют собой тонкостенную трубку небольшого диаметра, внутри которой помещены термоэлектроды, изолированные друг от друга и внешней оболочки. Трубка с термоэлектродами образует кабель. Поэтому такие ТЭП часто называют кабельными. Их главные достоинства - удобство монтажа, механическая прочность и химическая стойкость. Кабельные ТЭП изготавливаются в нескольких исполнениях:
• Однозонные и многозонные (до семи зон);
• в стальной и жаропрочной оболочке;
• с изолированным рабочим спаем и неизолированным;
• круглого постоянного сечения или с уплощением (утоньшением) рабочего участка.
На рис.1 представлены схемы однозонных ТЭП для измерения средних температур,а на рис.2 - схема высокотемпературного ТЭП. Термопреобразователи для средних температур имеют изоляцию их Л1203 и М§0. В высокотемпературных ТЭП в качестве изоляции используется соломка из ВеО.
Рис. 1. Схемы однозонных ТЭП для измерения средних температур: а - с изолированным спаем; б - с неизолированным, в - с тонким рабочим концом; г - с уплощенным. 1 - спай; 2 - термоэлектроды; 3 -изоляция; 4 - оболочка; 5 - герметизация выводов
Рис. 2. Схема высокотемпературного ТЭП: а - с неизолированным рабочим спаем; б - с изолированным. 1 - спай; 2 - термоэлектроды; 3 - изоляция; 4 - оболочка; 5 - герметик;
6 - выводы термоэлектродов
Помимо стандартных ТЭП могут использоваться и нестандартные. Минимальный диаметр однозонного ТЭП (так называемой микротермопары) составляет 0,1 мм. На рис.3 показаны сечение микротермопары и соотношение размеров оболочки, электродов и изоляции.
Рис. 3. Сечение микротермопары: 1 - термоэлектроды: 2 - изоляция; 3 - оболочка
Точность и инерционность измерения температуры во многом определяются способом крепления рабочего спая ТЭП к контролируемому объекту. Для обеспечения хорошего теплового контакта используются различные способы крепления (заделка в дистанционирующее или искусственное ребро, заделка с углублением в поверхность, крепление с помощью хомута, прижим или пайка) [7].
За пределами активной зоны наряду с ТЭП могут использоваться термопреобразователи сопротивления (ТПС) из чистых металлов. Наибольшее распространение на АЭС получили платиновые ТПС.
3 - платиновая проволока; 4 - токовые и потенциальные выводы
Конструкция платинового термометра показана на рис.4. Чувствительный элемент термометра выполнен из тонкой (Б=0,5 мм) платиновой проволоки высокой чистоты, намотанной бифилярно на каркас из слюды. Чувствительный элемент помещается в корпус, пространство в котором заполняется теплообменным газом (обычно гелий). Размеры чувствительного элемента достаточно велики, что не позволяет проводить локальных измерений температуры. По сравнению с ТЭП у ТПСбольшая инерционность измерений, более существенный разогрев чувствительного элемента под влиянием разогрева. Для ТПС требуется специальный источник питания. Однако возможность измерения температур в диапазоне от 0 до 600 оС с погрешностью ± 005 оС делают платиновые термометры незаменимыми для определения подогрева теплоносителя в первом контуре.
Для измерения давления теплоносителя используются мембранные и пружинные манометры класса 1,0. Принцип действия манометров основан на преобразовании перемещения чувствительного элемента под действием измеряемого давления в унифицированный токовый сигнал. Так, например, в используемых в реакторах ВВЭР-1000 датчиках типа «Сапфир перемещение мембраны с помощью терморезисторов преобразуется в нормированный электрический сигнал (0-5 тЛ).
Часто применяемый в энергетике метод определения расхода по перепаду давления на сужающем устройстве (сопло, диафрагма), измеряемому дифференциальным манометром, дает погрешность около 2 -2,5 %. Однако его использование для измерения расхода в первом контуре связано с рядом затруднений (отсутствие прямых участков трубопровода достаточной длины, необходимость специальной тарировки). В некоторых типах реакторов расход в первом контуре определяют по перепаду давления на ГЦН в соответствии с его паспортными характеристиками.
На Калининской АЭС успешно апробирована радиационная система измерения расхода [7]. Способ основан на регистрации активности теплоносителя, наведенной в результате ре-акции160 (и,р)16К , происходящей в теплоносителе в пределах активной зоны реактора. При распаде нуклида 16№ испускаются у-кванты с энергией 6,13 МэВ, высокая величина которой позволяет выделить активность на фоне полной активности теплоносителя. Гамма-счетчики устанавливают в каждой циркуляционной петле на входе и выходе из реактора.
Совместное решение уравнения радиоактивного распада и уравнения движения теплоносителя позволяют определять расход.
Вышеизложенные трудности вынуждают определять тепловую мощность реактора методом обратного баланса по теплоносителю второго контура (или третьего) на быстрых реакторах. Естественно, что для определения мощности реактора по параметрам второго контура необходимы поправки, учитывающие потери тепла в первом контуре и парогенераторе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Архипов В.В., Черезов А.Л., Шарифьянов М.Б., Щукин Н.В. Проблемы физической безопасности энергетических ядерных реакторов, Естественные и технические науки, №6, 2011, с 555-559.
2. Резепов В.К., Денисов В.П., Кирилюк Н.А. и др. Реакторы ВВЭР-1000 для атомных электростанций. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004 г. - 333 с.
3. Митенков Ф., Сараев О. Сооружение реактора БН-800 и его место в развитии быстрых реакторов в России // Вестник концерна «Росэнергоатом». 2004. № 11. С. 10-13.
4. Митин В.И., Семченков Ю.М., Калинушкин А.Е. Развитие системы внутриреакторного контроля ВВЭР. Атомная энергия, № 5,Том 106, Май 2009, С. 278-285.
5. Архипов В.В., Деев В.И., Шарифьянов М.Б. Развитие датчиков реакторного контроля в атомной энергетике. Естественные и технические науки, №1, 2012, с 365-368.
6. Андреев В.К., Архипов В.В., Тимонин А.С. Контроль и измерение температуры в ядерных энергетических установках. М.: МИФИ, 1991. -104 с.
7. Лысиков Б.В., Прозоров В.К. Термометрия и расходометрия ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 120 с.
8. Радиационные методы измерения параметров ВВЭР / С.А. Агапов, В.В. Лысенко, А.И. Мусорин, С.Г. Цыпин; Под ред. С.Г. Цыпина. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 136 с.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.