СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ УДК 621.039.548
реклама
СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ 49 УДК 621.039.548 ГАММА-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ИНЕРТНЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ГАЗОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ Л.И. Горобцов Консультант филиала ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция», е-mail: [email protected] В.И. Быков Начальник лаборатории спектрометрии и контроля герметичности оболочек твэлов отдела ядерной безопасности и надежности филиала ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция», е-mail: [email protected] Рассмотрены разработанные на Нововоронежской АЭС методики, позволяющие с приемлемой точностью контролировать удельную активность радионуклидов инертных радиоактивных газов (ИРГ) в технологических средах АЭС с ВВЭР. Получаемые данные по активности ИРГ в теплоносителе первого контура являются ценным источником информации при выполнении контроля герметичности оболочек твэлов (второго физического барьера) при работе реакторных установок с ВВЭР на мощности. Ключевые слова: инертные радиоактивные газы (ИРГ), удельная активность, контроль герметичности оболочек твэлов, счетный образец, пробоотборная емкость, вакуумный газосборник, криогенный газосборник, негерметичный твэл Введение Выполнение гамма-спектрометрических измерений удельной активности радионуклидов инертных радиоактивных газов (ИРГ) в технологических средах АЭС является важной задачей с точки зрения обеспечения радиационной безопасности и контроля целостности физических барьеров на пути распространения радиоактивных веществ. Данные по удельной активности ИРГ в теплоносителе первого контура являются ценным источником информации при выполнении контроля герметичности оболочек твэлов (второго физического барьера) при работе реакторных установок (РУ) с ВВЭР на мощности. На Нововоронежской АЭС разработаны и используются в настоящее время две оригинальные методики подготовки проб для контроля удельной активности ИРГ в технологических средах АЭС. Следует отметить, что при разработке данных методик в первую очередь решалась задача выполнения гамма-спектрометрического измерения удельной активности ИРГ в теплоносителе первого контура при работе РУ на мощности, поэтому излагаемая далее информация относится непосредственно к таким измерениям. Однако обе предлагаемые методики могут успешно применяться и для измерения удельной активности ИРГ в других технологических средах АЭС, в том числе в воздухе помещений, в газовых сдувках и т. п. 1. Проблемы реализации измерений активности ИРГ в теплоносителе первого контура РУ Получение достоверных численных значений удельной активности ИРГ в теплоносителе первого контура связано с объективными трудностями. Это обусловлено наличием в теплоносителе множества других радионуклидов, а также физической природой и агрегатным состоянием контролируемого объекта. В частности, измерение удельной активности ИРГ непосредственно в жидкой пробе теплоносителя первого контура непредставительно из-за потерь газа при отборе пробы и подготовке счетного образца. Кроме того, из-за наличия в пробе других радионуклидов со значительно большей интенсивностью выхода по гамма-линиям пики полного поглощения, соответствующие гамма-линиям радионуклидов ИРГ, на набираемом спектре искажаются, что приводит к значительным погрешностям при оценке величины удельной активности ИРГ. 2. Условия, обеспечивающие получение качественных результатов при контроле удельной активности ИРГ в теплоносителе первого контура РУ При подготовке счетного образца (СОБ) для измерения растворенных в теплоносителе первого контура ИРГ, обеспечивающего получение Электротехнические комплексы и системы управления № 4/2014 50 СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ качественных результатов, требуется выполнение следующих условий: а) при выполнении отбора жидкой пробы теплоносителя первого контура должна быть исключена возможность потери ИРГ, растворенных в пробе; б) конструкция емкости для отбора пробы должна обеспечивать максимальный переход ИРГ из отбираемой жидкой пробы в газовый объем емкости; в) подготовленный к измерениям СОБ должен содержать только ИРГ, то есть при подготовке и формировании СОБ аттестованной геометрии необходимо осуществить отделение (увод) выделившихся из пробы теплоносителя ИРГ с минимальной их потерей. 3. Конструктивные особенности отбора проб теплоносителя для контроля ИРГ Отбор жидкой пробы для обеих методик выполняется одинаково. Жидкая проба теплоносителя отбирается из штатной пробоотборной линии в герметичную пробоотборную емкость (далее – ПЕ) «закрытой струей» с разбрызгиванием. При поступлении теплоносителя в ПЕ происходит его дегазация с переходом растворенных в пробе теплоносителя газов в газовый объем ПЕ. Для улучшения дегазации жидкой пробы, а также для исключения выхода ИРГ из ПЕ во внешнюю среду в пробоотборной емкости предварительно создается разрежение. Проведенная проверка показала, что при начальном вакууме в ПЕ ~-0,85 ати и соотношении объемов «жидкость-газ» в ПЕ как 1:4 при отборе пробы теплоносителя работающей РУ в газовый объем ПЕ выделяется не менее 98 % растворенных в теплоносителе ИРГ, т.е. такой способ пробоотбора обеспечивает выполнение условий а) и б). Схема подключения ПЕ при пробоотборе представлена рис.1. Положение трехходового крана «К» определяет направление потока теплоносителя: «мимо ПЕ» – для выполнения дренирования линии отбора проб или «в ПЕ» – при пробоотборе. Отбор пробы ПЕ осуществляется через вентиль «В». Трубка, по которой теплоноситель поступает в емкость, заканчивается соплом для разбрызгивания жидкости внутри ПЕ при отборе. Вентиль «Б» на ПЕ используется для дополнительного барботирования отобранной пробы атмосферным воздухом при подготовке СОБ. Вентиль «С» на ПЕ используется для слива жидкости из пробоотборной емкости и вентиляции газового объема пробоотборной емкости перед последующим отбором пробы. Далее будут рассмотрены сами методики подготовки СОБ для выполнения измерений удельной активности ИРГ в теплоносителе первого контура. [email protected] Рис. 1. Схема отбора пробы для контроля ИРГ в теплоносителе 4. Методика с использованием вакуумного увода выделившегося газа (вакуумная методика) Для подготовки счетного образца по вакуумной методике (см. рис. 2) используется вакуумный газосборник (1) (далее – ГВ), представляющий собой герметичную металлическую емкость объемом в несколько раз большим, чем объем пробоотборной емкости (2). Для подвода-отвода газа ГВ имеет два штуцера с вентилями «Вход» и «Выход». Формирование СОБ по вакуумной методике производится следующим образом: Предварительно в ГВ создается разрежение ~-0,9 ати. Далее ГВ и ПЕ с отобранной пробой соединяются шлангом, как показано на рис. 2. Фильтр (3) на линии увода ИРГ предотвращает попадание в ГВ капель воды и переносимых вместе с ними негазообразных продуктов деления. Перенос выделившихся газов из ПЕ в ГВ осуществляется поочередным кратковременным (3÷5 сек.) сообщением ПЕ с ГВ и с атмосферой: при закрытых вентилях «В» на ПЕ и «Выход» на ГВ поочередно открываются-закрываются вентили «С» и «Б». Использование вентиля «Б» для связи ПЕ с атмосферой исключает выход газа из ПЕ в помещение, а также обеспечивает дополнительное барботирование жидкой пробы. Опыт показывает, что при соотношении объемов ПЕ и ГВ как 1:5 после четырех-пяти таких переключений в ГВ уводится более 99% выделившихся в газовый объем ПЕ газообразных радионуклидов. Подготовленный СОБ (смесь газов в ГВ) устанавливается на полупроводниковый спектрометр в позицию измерения. Вентиль «Выход» используется при вентиляции ГВ по окончании измерений. www.v-itc.ru/electrotech СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ 5. Методика с использованием криогенной конденсации выделившегося газа (криогенная методика) При разработке криогенной методики подготовки счетных образцов для контроля удельной активности ИРГ использовался физический принцип совместного сжижения выделившихся в газовый объем ПЕ ИРГ вместе с атмосферным воздухом при охлаждении газовой смеси до температуры жидкого азота. Сконструированный на НВ АЭС криогенный газосборник (далее - ГК) представляет собой компактный герметичный теплообменник в виде тонкостенной металлической трубы (1) (см. рис. 3), в которую входят две трубки с вентилями: «Вход» (6) и «Выход» (9). Трубка «Вход» проходит в нижнюю часть теплообменника; на ее конце установлен тепловой затвор (5) – массивный металлический цилиндр, обеспечивающий автоматическое прекращение формирования СОБ при достижении фиксированного объема. Для визуального контроля за процессом формирования СОБ и отслеживания момента его прекращения на входе в ГК установлен ротаметр (8). Подготовка СОБ криогенным способом осуществляется следующим образом: Криогенный газосборник (1) и пробоотборная емкость (2) соединяются при помощи шланга, как показано на рис. 3. Для улавливания капель 51 воды и негазообразных нуклидов, как и при вакуумном уводе газа, используется фильтрвлагоотделитель (3). ГК помещается в сосуд с жидким азотом (4), в качестве которого используется бытовой металлический термос. После остывания ГК открывают вентиль “Вход” на ГК и вентили «Б» и «С» на ПЕ; начинается процесс перетока газовоздушной смеси из ПЕ в ГК и её конденсация на внутренней поверхности ГК при охлаждении до температуры жидкого азота. Для ускорения формирования СОБ процесс теплосъема от ГК интенсифицирован за счет применения пористого покрытия на наружной поверхности нижней части ГК. Тепловой затвор функционирует следующим образом: при увеличении объема сжиженного воздуха (7) до нижнего торца теплового затвора, который имеет температуру выше, чем температура сжижения, часть воздуха испаряется, повышая давление в ГК, и поступление газовоздушной смеси прекращается. После завершения формирования СОБ вентиль «Вход» на ГК закрывается, и СОБ в газосборнике вместе с термосом устанавливается в измерительную позицию гамма-спектрометра для выполнения измерений. По окончании измерений сжиженная газовоздушная смесь, испаряясь после извлечения ГК из термоса, удаляется через вентиль «Выход», соединяемый при помощи шланга с системой вытяжной вентиляции помещений лаборатории. Рис. 2. Схема подготовки счетного образца по методике с вакуумным уводом ИРГ Рис. 3. Схема подготовки счетного образца с криогенной конденсацией ИРГ Электротехнические комплексы и системы управления № 4/2014 СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ 52 6. Сравнение двух разработанных методик Сопоставляя достоинства и недостатки двух описанных выше методик формирования СОБ, можно отметить следующее. Методика с вакуумным уводом ИРГ очень проста и легко реализуема. Формирование СОБ по этой методике занимает не более 5 мин. Однако данная методика имеет меньшую чувствительность по сравнению с криогенной. Кроме того, имеются объективные сложности в калибровке спектрометров по эффективности регистрации гамма-квантов в геометрии «СОБ-ГВ», поскольку не существует твердых образцовых 3 источников подходящей плотности ~1 г/дм (На НВ АЭС калибровка спектрометров в геометрии ГВ была выполнена путем «сшивки» результатов измерения одной и той же отобранной пробы ИРГ в «геометрии» ГВ, а затем в «геометрии» ГК). Проблема калибровки может быть решена при использовании детектора, прошедшего при изготовлении характеризацию, т. е. снятие калибровочных характеристик и их включение в поставляемый с детектором программный комплекс, позволяющий выполнять расчетную калибровку по эффективности. Методика с использованием криогенной конденсации газа является более универсальной, обладает более высокой чувствительностью и позволяет контролировать содержание ИРГ как в жидких средах, так и воздушных объемах (газовые объемы баков хранилища жидких отходов, система спецгазоочистки и т.п.). Для калибровки спектрометров по эффективности регистрации гамма-квантов в «геометрии» «СОБГК» могут применяться насыпные образцовые источники промышленного изготовления. Формирование СОБ по данной методике предполагает наличие специальных приспособлений и хладагента; время на формирование СОБ с 3 объемом сжиженного газа V=25 см составляет ~25 мин. На НВ АЭС для измерения активности ИРГ в теплоносителе первого контура методика с использованием криогенной конденсации газа используется с 2008 года, методика с вакуумным уводом ИРГ – с 2010 года. Накопленный опыт подтверждает качество полученных результатов и возможность их использования для оценки состояния второго физического барьера на работающей РУ. В ряде случаев именно данные по активности ИРГ в теплоносителе, полученные с помощью вышеописанных методик, позволили сделать однозначное заключение о наличии или отсутствии негерметичных твэлов в активной зоне РУ еще во время кампании энергоблока, что дало возможность оптимизировать проведение работ в период ППР. Заключение 1. На НВ АЭС разработаны и используются в настоящее время простые методики, позволяющие с приемлемой точностью контролировать удельную активность радионуклидов ИРГ в технологических средах АЭС с ВВЭР. 2. Универсальность вышеописанных методик позволяет успешно использовать их для контроля ИРГ в различных технологических средах АЭС, в том числе – в теплоносителе первого контура и других жидких средах, в воздухе помещений, в газовых сдувках и т. п. 3. Опыт НВ АЭС свидетельствует, что полученные с помощью вышеописанных методик данные по активности ИРГ в теплоносителе первого контура являются ценным источником информации при выполнении контроля герметичности оболочек твэлов (второго физического барьера) при работе реакторных установок с ВВЭР на мощности. Литература 1. Сборки тепловыделяющие ядерных реакторов типа ВВЭР-1000. Типовая методика контроля герметичности оболочек тепловыделяющих элементов [Текст] : РД ЭО 1.1.2.10.0521-2009. 2. Сборки тепловыделяющие ядерных реакторов типа ВВЭР-440. Типовая методика контроля герметичности оболочек тепловыделяющих элементов [Текст] : РД ЭО 1.1.2.10.0522-2009. GAMMA-SPECTROMETRIC CONTROL OF INERT RADIOACTIVE GASES IN PROCESS MEDIA AT NOVOVORONEZH NPP L.I. Gorobtsov, V.I. Bykov Methods are described, developed at Novovoronezh NPP, that allow controlling with acceptable accuracy the specific radionuclide activity of inert radioactive gases (IRG) in process media of VVER NPPs. The primary coolant IRG data obtained become a valuable source of information during fuel integrity (the second physical barrier) testing in operation of VVER reactor plants at power. Keywords: Inert radioactive gases (IRG), specific activity, fuel integrity testing, countable sample, sample bottle, vacuum gas collector, cryogenic gas collector, failed fuel element. [email protected] www.v-itc.ru/electrotech
