Глава 6.
МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ПЕТЛЕВЫХ РЕАКТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ
ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ СБОРОК
Основные этапы реакторных испытаний электрогенерирующих сборок
Этапы реакторных исследований и испытаний ЭГС зависят от запланированных конкретных задач исследований или испытаний, особенностей ЭГС и петлевого канала, допустимых условий работы исследовательского реактора, возможностей петлевой установки и регулирования условий испытаний и имеющихся средств измерений и диагностики (21, 29). Однако в общем случае можно выделить следующие этапы подготовки, проведения и завершения петлевых испытаний ЭГС:
- лабораторные исследования отдельных узлов и макетов ЭГЭ, ЭГС, а также узлов и систем ПК;
- реакторные исследования специальных макетов петлевых каналов с моделями ЭГЭ или ЭГС;
- дореакторная вакуумная и термовакуумная подготовка ЭГС, ПК и их узлов;
- транспортировка собранного ПК с ЭГС на исследовательский реактор, входной контроль;
- загрузка ПК в ячейку реактора;
- холодная и горячие вакуумные тренировки ЭГС и ПК с исследованием вакуумных ВАХ и первичной диагностикой параметров и состояния испытываемой ЭГС;
- первоначальный и последующий выходы на мощность, изменение уровня мощности реактора;
- ввод в работу (вскрытие ампулы с цезием) термостата или другого источника пара цезия, повышение давления пара цезия в ЭГС, исследование характеристик ЭГС при различных давлениях пара цезия;
- исследование энергетических характеристик ЭГС на промежуточных и номинальных уровнях тепловой мощности;
- оптимизация основных параметров испытываемой ЭГС;
- диагностика технического состояния ЭГС и систем ПК;
- отработка новых методов (и средств) определения параметров и характеристик ЭГС и систем ПК;
- анализ работоспособности и отработка новых узлов и систем ПК;
- ресурсные испытания ЭГС с идентификацией процессов и факторов, определяющих ресурсное изменение энергетических и других характеристик;
- корректировка режимов испытаний при нештатных ситуациях, нерасчетных режимах или отказах отдельных систем ПК (в основном цезиевой системы) и петлевой установки;
- плановые и аварийные остановки реактора;
с) выгрузка ПК из ячейки реактора;
т) профилактика и ремонт ПК в процессе испытаний;
у) послереакторные нейтронографические исследования испытанной ЭГС и систем ПК;
ф) «разделка» ПК и послереакторные исследования испытанной ЭГС и ее элементов в горячих камерах;
х) утилизация испытанной ЭГС и активных узлов ПК;
ц) анализ результатов испытаний и исследований и работоспособности ЭГС и систем ПК, сравнение с результатами предыдущих испытаний, обнаружение и идентификация различного рода неисправностей и отказов, разработка рекомендаций по совершенствованию конструкции и технологии изготовления ЭГС и систем ПК и уточнению программ последующих испытаний ЭГС.
Естественно, что приведенный перечень этапов является условным, в конкретных испытаниях отдельные из перечисленных этапов могут отсутствовать или могут быть объединены с другими этапами.
Импульсные и радиоимпульсные методы контроля электрических цепей электрогенерирующих сборок на этапах создания, подготовки и проведения испытаний
Основы импульсных методов диагностики. Для диагностики разветвленных электрических цепей в электротехнике широко используются импульсные методы. Они обладают тем большим преимуществом, что дают возможность исследовать свойства и состав объектов различной сложности по реакции на достаточно простое воздействие, например, при подаче на исследуемый объект прямоугольных электрических импульсов. При прохождении импульса (напряжения или тока) через электрическую цепь он искажается. Информация об его искажении содержится в легко регистрируемых и визуально наблюдаемых параметрах: амплитуде, форме, крутизне фронтов и спаде вершин Результат воздействия импульса на электрическую цепь будет зависеть от того, с какою элемента схемы снимается выходное напряжение и каково соотношение между длительностью импульса τи и постоянной времени цепи τ0 = RC.
Основной характеристикой результата воздействия импульса на линейную электрическую цепь служит комплексный коэффициент передачи К, который позволяет связать внешнее воздействие и реакцию на него через отношение комплексных величин выходного ивых и входного ивх сигналов
(6.1)
Эквивалентная емкостная схема ЭГС. ЭГС представляет собой разветвленную емкостную систему. Коаксиальные взаимообращенные поверхности эмиттеров и коллекторов, а также наружные поверхности коллекторов относительно внутренней поверхности корпуса (чехла) можно рассматривать как цилиндрические конденсаторы. Конденсаторы образованы также и токовыводами по отношению к корпусу ЭГС. Диэлектриками между эмиттерами и коллекторами служит воздух (в процессе изготовления) или вакуум (в процессе термовакуумной подготовки), а между коллекторами и корпусом — керамика коллекторной изоляции. Это позволяет реальную конструкцию ЭГС заменить эквивалентной емкостной схемой (рис.6.1), т е. цепной схемой, состоящей из емкостных делителей напряжения, характеризуемых коэффициентом деления (коэффициентом передачи к). Число таких делителей равно числу ЭГЭ в ЭГС.
При замыкании МЭЗ в одном из ЭГЭ в электроцепи ЭГС число делителей уменьшается, а следовательно, происходит уменьшение коэффициента передачи.
Импульсная диагностика электрических цепей ЭГС. Импульсная методика диагностики электрических цепей многоэлементных ЭГС разработана в ФЭИ В. П. Колесниковым и широко использовалась в процессе изготовления и подготовки ЭГС к петлевым испытаниям или установки в ТРП «Топаз», а также для контроля электроцепей собранной активной зоны ТРП «Топаз» (227). Функциональная схема диагностики электрических цепей ЭГС представлена на рис. 6.2. В качестве источника воздействующих сигналов использовался генератор прямоугольных импульсов, а роль регистратора реакции ЭГС выполнял электронно-лучевой осциллограф, обеспечивающий, помимо измерения амплитуд, анализ формы импульсов В таком включении подаваемые с генератора импульсы после прохождения через ЭГС поступают на вход осциллографа, где проводятся измерение амплитуды и анализ формы импульсов.
Рис. 6.2. Функциональная схема диагностики электрической цепи ЭГС
Для электрической цепи, образованной пассивными элементами одного типа, в рассматриваемом случае — конденсаторами, коэффициент передачи не зависит от частоты, и в соответствии с (6.1) и (6.2) выходной сигнал будет ослаблен по амплитуде без изменения формы (рис. 6.3, а). Амплитуда выходного сигнала uвых(τ) через коэффициент передачи ЭГС выражается уравнением
Уменьшение коэффициента передачи ЭГС при возникновении замыкания МЭЗ в ЭГС приводит к увеличению амплитуды выходного сигнала, а разрыв электрической цепи по коммутации — к ее уменьшению.
Шунтирование МЭЗ сопротивлением утечек, связанное с образованием токопроводящих мостиков, приводит к интегрированию выходных импульсов (рис. 6.3,б), а шунтирование коллекторной изоляции — к их дифференцированию (рис. 6.3,в). По степени интегрирования или дифференцирования проводится оценка сопротивления токопроводящих мостиков в МЭЗ или с коллектора на корпус.
Рис. 6.3. Осциллограммы выходных импульсов без нарушения электрической цепи (а), при шунтировании МЭЗ ЭГС (б) и при появлении утечек тока в коллекторной изоляции (в)
Таким образом, импульсный метод диагностики целостности электрических цепей ЭГС позволяет регистрировать короткие замыкания в МЭЗ, определять число замкнутых ЭГЭ, обнаруживать обрыв цепи по коммутации, а также обнаруживать и оценивать сопротивления токопроводящих мостиков в МЭЗ и с коллекторов на корпус. Импульсный метод обладает достаточно высокой степенью достоверности результатов диагностики. Так, из практики применения метода в ФЭИ для контроля ЭГС активных зон ТРП «Топаз» следует, что вероятность попадания годного изделия в число отбракованных по замыканию МЭЗ равна 0,0021. Это означает, что из пяти комплектов ЭГС для пяти ТРП возможна перебраковка по замыканию только одного изделия.
Радиоимпульсная диагностика электроцепей ЭГС. Недостатком импульсного способа является ограничение его использования в ЭГС с большим числом ЭГЭ. С учетом степенной зависимости коэффициента передачи ЭГС и предельно допустимой амплитуды входных импульсов (в отношении недопущения электрического пробоя на корпус ЭГС), число ЭГЭ в диагностируемой импульсным методом ЭГС не может превышать восьми—девяти, а в некоторых случаях бывает даже меньше. Данный недостаток вполне устраним при использовании для зондирования ЭГС так называемых радиоимпульсов.
Функциональная схема радиоимпульсного метода диагностики ЭГС представлена на рис. 6.4. Радиоимпульсы получают модулированием последовательности прямоугольных импульсов высокочастотными колебаниями. В этом случае генератор импульсов служит только модулятором синусоидальных колебаний. Получаемые импульсы подают на ЭГС. Прошедшие через ЭГС импульсы детектируют с целью выделения видеоимпульса, несущего информацию о состоянии его электрической цепи. Далее, как обычно, импульсы подают, например, на осциллограф, где проводят измерение их амплитуд.
Для радиоимпульсов с высокочастотным заполнением ЭГС будет представлять неоднородную систему с распределенными параметрами. В ЭГС будет создаваться бегущая волна, распространение которой определяется степенью затухания, связанного с активными потерями в материале. При этом возможна диагностика ЭГС со значительно большим числом ЭГЭ в одном корпусе. Ввиду относительно малой длины ЭГС активные потери, зависящие от электрической проводимости материалов, будут относительно малы.
В системах с распределенными параметрами при высокой частоте вследствие образования стоячих волн проявляется дифференцированное воздействие неоднородностей на проходящий сигнал. В нашем случае к такой неоднородности относятся замыкание эмиттеров на коллекторы. Варьируя частотой и тем самым меняя напряжение максимума стоячей волны по длине ЭГС, можно определить место замыкания.
Рис. 6.4. Функциональная схема диагностики электрической цепи ЭГС радиоимпульсным методом
Большое влияние на прохождение сигнала оказывают переходные сопротивления. Увеличение переходного сопротивления, например, в результате некачественной сварки, образования трещин в коммутационных перемычках, уменьшают амплитуду выходного сигнала.
В качестве примера укажем, что на частотах от 200 до 300 МГц максимальное увеличение амплитуды выходного сигнала зарегистрировано при сопротивлении замыкания равного 0,2 Ом. Замыкание при сопротивлении 10 Ом практически не сказывалось на изменении амплитуды. Если при замыкании МЭЗ амплитуда увеличивалась, то при увеличении сопротивления электрической цепи она уменьшалась. В рассмотренном частотном диапазоне при появлении переходного сопротивления равного 5 Ом амплитуда уменьшалась в 8 раз относительно номинального уровня.
Импульсный способ контроля характеристик ЭГС при виброиспытаниях. Благодаря консольному закреплению топливноэмиттерных узлов ЭГЭ относительно коллекторов при вибрации происходит изменение МЭЗ и соответственно межэлектродных емкостей. Частота и характер изменения МЭЗ определяются колебаниями топливно-эмиттерных узлов, изгибными колебаниями корпуса ЭГС, зависящими от частоты колебания стола вибростенда, перегрузки, массы и распределения топлива в топливно-эмиттерных узлах, от жесткости коммутационных перемычек и других узлов коммутации, способа дистанционирования в трубной решетке ТРП.
Рис. 6.5. Функциональная схема контроля виброколебаний ЭГС при приемосдаточных испытаниях
Решение задачи контроля ЭГС при виброиспытаниях, как и при диагностике целостности электрической цепи ЭГС, достигается пропусканием через него последовательности прямоугольных импульсов. Функциональная схема контроля вибрационных характеристик ЭГС приведена на рис. 6.5. Последовательность прямоугольных импульсов подается на эмиттерный токовывод ЭГС. В испытываемой на стенде ЭГС при вибрации импульсы модулируются по амплитуде. Промодулированные импульсы с коллекторного токовывода поступают на детектор импульсов, где происходит выделение модулирующих колебаний, эквивалентных колебаниям ЭГС. Продетектированные колебания записываются, например, на фотопленку.
