Методика обнаружения ранних стадий негерметичности тепловыделяющих элементов на аэс с реакторами типа рбмк-1000

На правах рукописи

Андрианов Тимофей Викторович

МЕТОДИКА ОБНАРУЖЕНИЯ РАННИХ СТАДИЙ НЕГЕРМЕТИЧНОСТИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА АЭС С РЕАКТОРАМИ ТИПА РБМК-1000

Специальность: 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Автор:

Москва - 2010

Работа выполнена на кафедре «Радиационной физики, биофизики и экологии» Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Крамер-Агеев Евгений Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Бушуев Анатолий Васильевич доктор технических наук, профессор Григорьев Евгений Иванович

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций

Защита состоится “16” июня 2010 г., в 15 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.130.07 в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, д. 31, аудитория К-207

телефон: (495) 323-95-26, (495) 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»

Автореферат разослан “___”_________2010 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук Улин С.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В 2006 году Правительство Российской Федерации утвердило «Программу развития атомной отрасли», которая предполагает увеличение доли электроэнергии, выработанной АЭС, до 23% в общей выработке электроэнергии (32% в европейской части РФ) и ввод 26 энергоблоков к 2020 г. В программе развития атомной отрасли предпочтение было отдано реакторам типа ВВЭР (проект ВВЭР АЭС-2006). При этом на территории РФ действуют Ленинградская, Смоленская и Курская АЭС с реакторами типа РБМК-1000, т.е. 30% энергоблоков на территории РФ оснащены реакторами данного типа. Доля реакторов РБМК в выработке электроэнергии составляет 47,8% (по данным на 2008 г.). Ввиду невозможности отказа от реакторов типа РБМК необходимо проводить модернизацию существующего оборудования на АЭС, спроектированного более 30 лет назад, и ужесточать контроль за нормальной эксплуатацией АЭС, которая должна отвечать современным требованиям радиационной безопасности.

Ядерный энергетический реактор РБМК является гетерогенным канальным реактором на тепловых нейтронах, в котором в качестве замедлителя используется графит. Теплоноситель – кипящая вода, циркулирующая по вертикальным каналам, пронизывающим кладку активной зоны. Активная зона является вертикальным цилиндром диаметром 11,8 м и высотой 7 м. Она окружена боковым отражателем толщиной 1 м и торцевыми отражателями толщиной по 0,5 м. В 1693 ячейках квадратной решетки активной зоны размещены технологические каналы, представляющие собой трубу диаметром 88 мм и толщиной стенки 4 мм и изготовленную из циркониевого сплава. Внутрь канала устанавливается тепловыделяющая кассета, представляющая собой две последовательно соединенные тепловыделяющие сборки (ТВС) длиной 3,5 м каждая. ТВС состоит из 18 стержневых ТВЭЛов. ТВЭЛ представляет собой трубку наружным диаметром 13,5 мм с толщиной стенки 0,9 мм из циркониевого сплава, заполненную таблетками диаметром 11,5 мм из двуокиси урана плотностью до 10,5 г/см. Каналы системы контроля и управления (179 шт.) располагаются так же, как и технологические, в центральных отверстиях графитовых колонн.

Система контроля герметичности оболочек (КГО) ТВЭЛов занимает важнейшее место в системе радиационной безопасности АЭС. Система КГО позволяет своевременно обнаруживать начавшуюся разгерметизацию ТВЭЛа и отслеживать развитие дефекта, предотвращая, тем самым, аварию. На АЭС с реакторами типа РБМК проблема обнаружения негерметичных ТВЭЛов является еще более актуальной в связи с одноконтурной системой циркуляции теплоносителя и увеличением выброса радионуклидов непосредственно в атмосферу в случае аварии. В настоящее время на всех действующих российских атомных электростанциях с реакторами типа РБМК-1000 (11 энергоблоков) эксплуатируется штатная система КГО ТВЭЛов, разработанная еще в конце 60-х гг, которая морально и физически устарели. В связи с этим представляется актуальным разработать новые способы определения фотонов «летучих» осколков деления на фоне интенсивного излучения фотонов большой энергии 16N. Предложенные методы позволили разработать аппаратуру нового поколения для обнаружения негерметичности ТВЭЛов, а также предложить новый метод определения расхода теплоносителя. Всё это решает вопрос об оснащении АЭС с реакторами РБМК-1000 современной системой КГО, обеспечивающей безопасность эксплуатации станции и обладающей высокой степенью надежности и оперативностью в обнаружении аварийных ситуаций.

Цель работы – предложить новые физические и аппаратные подходы к обнаружению утечек продуктов деления из трещин в оболочках ТВЭЛов, повысить выявляемость пиков полного поглощения, связанных с продуктами деления, вышедшими из ТВЭЛов, разработать метод контроля сохранения линейности многоканального гамма-спектрометра в процессе работы, предложить методику проведения измерений, которая повысит точность и оперативность обнаружения разгерметизации ТВЭЛов по сравнению со штатной методикой.

Научная новизна работы

1. Впервые предложен метод обработки экспериментальной информации, полученной с блоков детектирования поканального контроля, который позволяет обнаруживать разгерметизацию тепловыделяющих элементов на более ранней стадии по сравнению со штатной методикой. При этом погрешность снижена не менее чем в 4 раза по сравнению с существующим методом.
2. Предложен способ идентификации разгерметизации ТВЭЛ по отношению числа импульсов в максимуме аннигилляционного пика фонового излучения 16N и числа импульсов в “долине” приборного спектра.
3. Предложен способ стабилизации энергетической шкалы автоматизированных сцинтилляционных гамма-спектрометров, который позволяет стабилизировать энергетическую шкалу во всем рабочем диапазоне. По результатам работы получен патент Российской Федерации на изобретение.
4. Разработан метод повышения выявляемости пиков полного поглощения в гамма-спектре продуктов деления на фоне 16N, который основан на вычитании из спектра, измеренного кристаллом NaI(Tl), спектра, измеренного пластмассовым сцинтиллятором, после предварительного согласования по краю комптоновского распределения и по эффективности регистрации.
5. Предложенные методы позволили разработать устройство детектирования поканального контроля, позволяющее оценивать расход теплоносителя через топливный канал радиационным методом, контролировать и дублировать показания штатного расходомера на случай выхода его из строя.

Практическая значимость работы заключается в том, что заложены физические основы для модернизации всей штатной системы КГО со времени ее ввода в эксплуатацию. Впервые внедрена конструкция поканального устройства детектирования, позволяющая радиационным методом оценивать расход теплоносителя через топливный канал на реакторах типа РБМК. Проведена экспериментальная апробация разработанного поканального блока детектирования в реальных условиях эксплуатации ядерного энергоблока Курской АЭС, а также проверка предлагаемых методик обнаружения разгерметизации. Получено положительное заключение о работе новой аппаратуры и об использовании предлагаемых методик обработки аппаратурных данных для повышения достоверности и оперативности обнаружения негерметичного ТВЭЛа. По результатам работы получен патент Российской Федерации на изобретение способа стабилизации энергетической шкалы многоканальных сцинтилляционных спектрометров гамма-излучения.

Положения, выносимые на защиту:

- метод обнаружения разгерметизации ТВЭЛов, основанный на измерении соотношения высокоэнергетичной и низкоэнергетичной области приборного спектра гамма-излучения от технологического канала, обусловленного фоновым излучателем 16N и продуктами деления;

• способ обнаружения разгерметизации ТВЭЛов, основанный на изменении разрешения аннигилляционного пика фонового излучателя 16N и соответствующем изменении соотношения пик/долина;
• способ контроля расхода теплоносителя через технологический канал, основанный на регистрации гамма-излучения при помощи двух разнесенных по высоте сцинтилляционных блоков детектирования и его техническая реализация;
• метод улучшения выявляемости пиков полного поглощения от продуктов деления путем одновременного использования детектора из сцинтиллирующей пластмассы и кристалла NaI(Tl) для эффективного подавления комптоновского распределения высокоэнергетичного излучения 16N;
• способ стабилизации энергетической шкалы автоматизированных сцинтилляционных гамма-спектрометров во всем рабочем диапазоне.

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автор принимал активное участие в разработке новых методов обнаружения разгерметизации на ранних стадиях. Непосредственно автором предложена методика обработки приборного спектра, основанная на измерении соотношений вклада различных энергетических «окон». Лично автором предложено использовать кристалл из сцинтиллирующей пластмассы совместно с кристаллом NaI(Tl) для подавления непрерывного комптоновского распределения фонового излучателя 16N в приборном гамма-спектре для повышения информативности спектрометрического метода определения негерметичности ТВЭЛов. Автором лично определены технические параметры разработанных блоков и устройств детектирования. На способ стабилизации энергетической шкалы гамма-спектометров автором получен патент РФ на изобретение.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях (II международная конференция-выставка «Экологические системы и приборы, чистые технологии», апрель 2007; отраслевая конференция «Ядерное приборостроение-2008. Аппаратурное обеспечение», апрель 2008; отраслевая конференция «Ядерное приборостроение-2009. Аппаратурное обеспечение», апрель 2009), научной конференции МИФИ-2009.

По результатам работы получен патент на изобретение.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных статей (в том числе 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК) и 1 патент на изобретение).

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 115 стр., включая 49 рисунков, и состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы 53 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе диссертации - введении - дано обоснование актуальности работы, сформулирована цель, показана практическая значимость полученных результатов и всей работы в целом, а также отмечены положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена описанию штатных систем и методов КГО, применяемых на всех реакторах типа РБМК-1000. Основной проблемой для определения продуктов деления по фотонному излучению является гамма-излучение 16N с энергией фотонов 6,1 МэВ. Радионуклид 16N (Т1/2=7,1 с) образуется в ходе реакции 16О(n,p)16N. В тоже время летучие продукты деления (благородные газы, йоды, цезий) имеют более низкие энергии фотонов (ниже 3 МэВ). В первой главе представлены принцип работы и структура штатной системы КГО типа РУГ2-01, которой оснащены все реакторы типа РБМК-1000. Подробно изложена штатная методика обнаружения конкретного технологического канала (ТК) с негерметичным ТВЭЛом, основанная на алгоритме вычитания вклада фонового излучения 16N и определении скорости счета от осколков деления:

Nн.г. = N(Е1-Е2) - KфонN(Е2-6,5) (1)

где - Nн.г.- скорость счета от осколков деления, при наличии негерметичности в оболочке ТВЭЛа;

- N(Е1-Е2) – скорость счета от летучих осколков деления и фона, создаваемого 16N в диапазоне энергий (Е1 – Е2) МэВ (т.е. N(Е1-Е2) = N1фон + Nн.г.);

- N1фон – скорость счета в диапазоне энергий (Е1 – Е2) при отсутствии разгерметизации;

- Кфон – отношение скорости счета в диапазоне (Е1 – Е2) МэВ к скорости счета в диапазоне (Е2 – 6,5) МэВ, определенное в заведомо герметичном канале;

- N(Е2-6,5) – скорость счета при энергиях более Е2;

Показано, что среднее квадратичное отклонение определения величины Nн.г. является очень большим и не нормировано на мощность реактора:

(2)

Также в главе 1 рассмотрены другие пути решения задач КГО, которые, однако, носят модельный (расчетный) характер и используют показания и алгоритмы, заложенные в штатной системе.

В главе 2 описаны физические предпосылки для проектирования новой штатной системы КГО ТВЭЛов. Подробно рассмотрены процессы формирования радиоактивности контура циркуляции теплоносителя реактора РБМК-1000, оптимизирован объем и обоснованы точки контроля активности теплоносителя. В результате чего введены дополнительные подсистемы контроля активности теплоносителя, которые повышают надежность, эффективность и безопасность эксплуатации ядерного реактора по сравнению с существующей системой КГО. В главе 2 предложен метод остановки самоходного датчика поканального контроля строго против центра технологического канала (ТК). Остановка «тележки» с блоком детектирования против ТК в настоящее время осуществляется фактически «на глаз» - устройство поканального контроля (УПК) оснащено ручным приводом и по показанию стрелки интенсиметра, выведенного на пульт, оператор старается остановить «тележку» в момент наибольшего отклонения стрелки (максимальной скорости счета), что соответствует центру ТК. Однако стрелка интенсиметра имеет большую инерционность в показаниях, что может привести к неточности установки блока детектирования против ТК и искажению получаемых данных. При проезде «тележки» мимо паро-водяной коммуникации (ПВК) диаграмма зависимости скорости счета поканального датчика от координаты проезда мимо ТК выглядит как «колокол». Высота этого «колокола» зависит от активности теплоносителя в конкретной ПВК. Экспериментально было обнаружено, что если данную зависимость нормировать на интегральное (суммарное) количество импульсов, то, независимо от активности источника в трубе, экспериментальные точки удовлетворительно ложатся на одну кривую. После данной нормировки они подчиняются одной и той же функции распределения f(x). Т.о., нахождение центра ПВК сводится к нахождению координаты, где производная функции обращается в ноль (f (x) = 0). Также в главе 2 описан метод, позволяющий радиационным методом оценивать расход теплоносителя. Разнесенные по высоте блоки детектирования в устройстве поканального контроля позволят оценивать расход теплоносителя за счёт распада ядер азота-16. При этом для сокращения времени обегания нитки ПВК блоки детектирования должны просматривать каждый свой ряд ПВК и в то же время быть экранированными от противоположенного ряда. При выявлении устройством поканального контроля технологического канала, в котором подозревается разгерметизация ТВЭЛа, блоки детектирования, расположенные один над другим, должны быть ориентированы в одну сторону и просматривать один канал. Исходя из закона радиоактивного распада, скорость протекания теплоносителя будет вычисляться по формуле:

(3),

где L – длина пролета;

T1/2 – период полураспада 16N;

N1 – скорость счета нижнего детектора (БД1);

N2 – скорость счета верхнего детектора (БД2).

Зная длину реального пути пароводяной смеси из активной зоны до места регистрации (конструктивные размеры), геометрический фактор (для определения истинной скорости счета и, соответственно, для оценки активности в трубе ПВК), а также, зная расход теплоносителя, можно оценить мощность реактора в каждом топливном канале, а также во всей активной зоне реактора.

В главе 3 описываются предлагаемые методы повышения достоверности и оперативности обнаружения негерметичных ТВЭЛов.

Основной составляющей наведенной активности в воде (при малом времени доставки теплоносителя до места установки детектора) является гамма-излучение 16N, образующегося по реакции . При разгерметизации ТВЭЛа на фоне 16N появляются реперные нуклиды: 133Xe, 135Xe, 135mXe, 138Xe, 85mKr, 87Kr, 88Kr, 138Cs, 131I, 132I, 133I, 134I, 135I. Помимо основных энергий гамма-излучения у этих нуклидов содержится еще множество менее значимых линий, поэтому, в аппаратурном спектре при разгерметизации ТВЭЛа с учетом разрешения NaI(Tl) будет наблюдаться сплошной прирост показаний в области энергий до (2,53) МэВ (см. рисунок 1).

В связи с этим предлагается установить два энергетических поддиапазона:

• диапазон №1: от 0,2 МэВ до 3 МэВ – область «эффекта» (скорость счета обусловлена комптоновской частью приборного спектра 16N и продуктами осколков деления);

- диапазон №2: от 3 МэВ до 6,5 МэВ – область «фона» (скорость счета обусловлена излучением 16N).

Для повышения достоверности обнаружении разгерметизации ТВЭЛов на ранней стадии предлагается следующая методика.

Введем соотношение Кэффект = N1/N2Ф (где N1 - количество импульсов в энергетическом диапазоне №1 при негерметичном ТВЭЛе, N2ф - количество импульсов в энергетическом диапазоне №2) и Кфон = N1Ф/N2Ф (где N1ф - количество импульсов в энергетическом диапазоне №1 при герметичном ТВЭЛе, N2ф - количество импульсов в энергетическом диапазоне №2);

При этом N1 = N1Ф + Nэффект (где Nэффект–количество импульсов от продуктов деления в области энергий (0,2-3)МэВ)

При разгерметизации ТВЭЛа происходит возрастание количества импульсов в энергетическом окне (0,2-3) МэВ. В энергетическом окне (3–6,5) МэВ количество импульсов остается таким же, как и в случае сохранения герметичности ТВС при постоянной мощности реактора (см. рисунок 1).

Рассмотрим отношение коэффициента эффекта Кэффект к коэффициенту фона Кфон:

(4),

где х = Nэффект/N1Ф.

Значение Кфон и его погрешность определяется, как:

(5)

Значение Кэффект и его погрешность определяется, как:

, (6) *

где , u – число средних квадратических отклонений при заданной вероятности.

*При отсутствии продуктов деления в контуре (т.е. Nэффект=0, что равносильно х=0), Кэффект=Кфон (формула (6) переходит в формулу (5), что и должно наблюдаться в отсутствии "эффекта" (разгерметизации))

Предлагается следить за отношением Кэффект/ Кфон, т.е. за величиной (х+1).

Погрешность : вычисления отношения Кэффект/Кфон равна:

(7)

Относительная : погрешность вычисления отношения Кэффект/Кфон равна:

(8)