Одним из перспективных методов обнаружения течей воды в натрий, рассматриваемых в настоящее время, является акустический. Основное его достоинство — малая инерционность индикации течи.
Из возможных способов использования акустических эффектов предпочтение отдается методу анализа спектра и амплитуды шума парогенератора, т.е. выделение полезного сигнала, связанного с течью, из общего фона. В типовую измерительную схему акустического устройства входят три основных элемента: преобразователь акустического сигнала (датчик), предварительный усилитель и аппаратура, способная к анализу регистрируемых сигналов в широком диапазоне частот.
Акустические датчики могут располагаться как непосредственно в натрии (погружные), так и на специальных волноводах. Известны конструкции высокотемпературных датчиков на основе ниобата лития с рабочей температурой до 700 °C [68, 69]. В качестве измерительной аппаратуры используются как стандартные, так и специально разрабатываемые устройства, эксплуатируемые в диапазоне частот 1,0— 200 кГц.
Следует отметить, что к настоящему времени акустические индикаторы течи не вышли за пределы стендовых испытаний и практически нет примеров, где бы они использовались для формирования аварийного сигнала на штатных парогенераторах АЭС. Имеются объективные причины, затрудняющие внедрение этого способа в практику. Во-первых, отсутствует четкое понимание механизма акустических эффектов — процессов, посредством которых генерируется звук при попадании воды в натрий (зарождение, колебание и схлопывание паровых и водородных пузырей; механизм течи и геометрия реакционной струи; резонансные свойства конструкции парогенератора и акустических датчиков и т. д.). Во-вторых, имеются определенные трудности, вытекающие из специфических условий эксплуатации парогенератора (высокий уровень фоновых шумов, включая шумы кипения, наличие переменных режимов работы оборудования и т.п.).
В условиях экспериментальных установок показано, что акустические индикаторы уверенно фиксируют течи с расходами воды 0,01 г/с и выше [57, 58].
Однако большинство специалистов считают, что на работающем парогенераторе наиболее оптимальный диапазон расходов воды в обнаруживаемых течах лежит в пределах от 1 г/с и выше (т. е. область промежуточных течей), где в связи с максимальной скоростью разрушения материала в зоне реакции в наибольшей степени проявляется основное достоинство акустических систем — практическая их без инерционность при формировании аварийного сигнала.
Гидродинамические устройства. Для индикации течи могут также использоваться устройства, регистрирующие изменение характеристик потока натрия из-за наличия различных примесей, в частности пузырьков водорода. В качестве измерительных систем при этом могут применяться ультразвуковые преобразователи (регистрирующие изменение акустических свойств газожидкостной смеси), реометры (измеряющие изменение электросопротивления жидкого металла при попадании газовых включений).
Примером устройств, регистрирующих пузырьки водорода в натрии, могут также служить индуктивные (ИТИ) и импульсно-шумовые (ИШИТ) индикаторы истечения воды в натрий [59, 70]. Индуктивный индикатор течи располагается непосредственно на трубопроводе и состоит из двух пар индуктивных катушек. Пара катушек возбуждения создает переменное электромагнитное поле, которое, в свою очередь, наводит вихревые токи в потоке теплоносителя. Эти токи создают вторичное электромагнитное поле, которое, суммируясь с основным полем, определяет ЭДС сигнала.
При появлении пузырьков газа уменьшается сила вихревых токов, соответственно изменяется и ЭДС сигнала, регистрируемого парой измерительных катушек. Использование в схеме индикатора встречного включения измерительных катушек позволяет исключить влияние температуры, растворенных примесей и постояннодействующих факторов.
В устройстве импульсно-шумовой индикации течи в качестве датчика используется магнитный расходомер, распределение ЭДС которого обычно симметрично относительно центра распределения магнитного поля, а ЭДС пропорциональна скорости движения теплоносителя. Экспериментально было установлено, что при прохождении газового пузырька через рабочую зону расходомера распределение ЭДС претерпевает изменение лишь в локальной области нахождения пузырька в данный момент. Если при этом сформировать разность ЭДС, измеренных в точках, равноудаленных от центра симметрии распределения, то в результирующем сигнале будут проявляться лишь эффекты, связанные с прохождением пузырьков газа (т. е. только импульсно-шумовая составляющая) .
Поскольку индикаторы типа ИТИ и ИШИТ просты и дешевы, то они наиболее эффективны в парогенераторах, выполненных по секционномодульной схеме, где весьма желательно иметь секционный или даже модульный контроль герметичности конструкции. Их установка целесообразна на линиях специального отбора натрия (например, на сдувочных линиях) небольшого диаметра с постоянной циркуляцией теплоносителя. По своей чувствительности индикаторы течи, основанные на регистрации пузырьков водорода в натрии, уступают концентратометрическим индикаторам и обычно эффективны при течах с расходами воды 0,1 г/с и более. Существенное влияние на эффективность этих индикаторов оказывает процесс растворения газообразного водорода в натрии, а также наличие посторонних газовых включений в потоке теплоносителя.
На использовании гидродинамических процессов в натриевом контуре основано применение для индикации истечения воды в натрий магнитных расходомеров и датчиков давления. Для этих целей обычно используются типовые измерительные устройства (расходомеры с постоянными магнитами, электроконтактные манометры и т.д.). Однако эффективность этих устройств проявляется только при сравнительно больших течах с расходами не менее нескольких десятков граммов в секунду, когда (как указывалось выше) возникают значительные колебания расхода натрия по участкам контура и изменения давления в натриевых и газовых полостях парогенератора.
Из других устройств, используемых для обнаружения течи в парогенераторе, можно назвать пробковый индикатор. Как известно, принцип его работы основан на высаждении из пересыщенного раствора примесей в зауженном сечении, где процессы массообмена интенсифицируются. Пересыщение создается за счет охлаждения теплоносителя, протекающего через пробковый индикатор. В результате роста пробки расход металла начинает уменьшаться. Температура теплоносителя в зауженном сечении, зафиксированная в этот момент, может быть связана с температурой насыщения. С помощью кривой растворимости по известной температуре насыщения определяют концентрацию выпадающей в осадок примеси. Следует иметь в виду, что пробковый индикатор реагирует на любую примесь, в том числе и на продукты реакции натрия с водой. В настоящее время имеются зависимости, связывающие концентрацию этих продуктов реакции с температурой забивания индикатора [60].
Исполнительные механизмы системы защиты. Для обеспечения безопасности парогенератора при истечении воды в натрий необходимо выполнить определенный объем операций в системе его защиты: отключить парогенератор или его секцию (при секционно-модульной схеме) по паровым, водяным и натриевым коммуникациям, осушить пароводяной объем дефектного модуля, секции или парогенератора, предотвратить увеличение давления в натриевом контуре выше допустимого.
Указанные операции осуществляются посредством срабатывания исполнительных механизмов САЗ, включающих быстродействующую натриевую и пароводяную арматуру, предохранительные клапаны и мембраны.
Быстродействующая пароводяная арматура САЗ, как правило, использует основные конструкционные принципы запорной задвижки [71] и устанавливается на трубопроводах подвода питательной воды, отвода перегретого пара и линиях аварийного сброса пароводяной среды. В настоящее время в САЗ парогенераторов реализованы задвижки диаметром 100-400 мм, способные работать при давлении до 25,0 МПа, температуре до 550 °C и скорости ее изменения до 2 °С/с. Их коэффициент гидравлического сопротивления не превышает 0,5, исполнение - сейсмостойкое.
Наибольшее распространение получили задвижки с встроенным электроприводом, обеспечивающим время срабатывания до 5 с. Привод, как правило, имеет ручное дублирование.
Быстродействующие натриевые задвижки должны обеспечивать работоспособность в теплоносителе реакторной чистоты, но с учетом кратковременного повышения уровня загрязнений в аварийных режимах. Рабочая температура натриевой арматуры до 550—600 °C, допустимая скорость изменения температуры в переходных режимах до 2 °C/с, рабочее давление до 2-3 МПа. Как правило, используется встроенный электропривод (с ручным дублированием) с быстродействием до 20 с. Однако иногда применяют гидравлический или пневматический привод, обеспечивающий быстродействие 1—5 с. Коэффициент гидравлического сопротивления — не более 5. Обычно для уплотнений подвижных штоков используют многослойные сильфоны, а для задвижек большого диаметра (300 мм и более) применяют замораживающие уплотнения [72].
Для защиты пароводяного контура от превышения давления, а также (в некоторых случаях) для сброса пароводяной смеси непосредственно в атмосферу при аварийном осушении пароводяного объема парогенератора применяют стандартные импульсно-предохранительные устройства (ИПУ). Проходное сечение ИПУ выбирают из условия осушения парогенератора (или секции) за 5—10 с.
Защита натриевого контура осуществляется с помощью предохранительных мембран, устанавливаемых в натриевой или газовой полости.
По принципу действия предохранительные мембраны делятся на устройства с самопроизвольным или принудительным подрывом. Для принудительного разрушения мембран наиболее часто используют кольцевые пуансоны с гидравлическим или пневматическим поршневым приводом. Срабатывание пуансона происходит по аварийному сигналу ’’большая течь”.
Существенным достоинством рассматриваемого типа предохранительных устройств является практическое отсутствие ложных срабатываний.
Из известных типов мембран с самопроизвольным разрушением наиболее полно условиям САЗ парогенератора удовлетворяют мембраны разрывные (МР) и хлопающие (MX).
К недостаткам МР относятся чувствительность к циклическим нагрузкам и недостаточная точность срабатывания. Хлопающие мембраны имеют более высокую точность срабатывания даже при весьма низком уровне давления, хорошо выдерживают циклические и знакопеременные нагрузки. Основной их недостаток — чувствительность к случайным повреждениям [73].
Разработанные к настоящему времени мембраны типа МР и MX диаметром до 500 мм обеспечивают время срабатывания в диапазоне 0,05—0,5 с, точность срабатывания 3—7%, степень раскрытия сбросного отверстия 80-100%, давление срабатывания 0,3—1,5 МПа. Рабочая температура мембран — до 550 °C. При выборе материала мембран учитываются его коррозионная стойкость в среде защищаемого объема, рабочая температура, степень нагружения (соотношение между рабочим давлением и давлением срабатывания), характер нагружения (статическое, знакопеременное). С учетом изложенного выше предпочтительным материалом является нержавеющая сталь.
В настоящее время разработаны методы и средства оперативного контроля несущей способности предохранительных мембран. Погрешность существующих неразрушающих методов определения давления срабатывания мембран составляет 1—3%.
