В последнее время контроль состояния твэлов и ТВС приобретает большое значение в связи с задачей значительного увеличения выгорания ядерного топлива. Наметились два пути повышения выгорания; первый основывается на постепенном увеличении выгорания топлива в существующих твэлах и тщательном контроле состояния твэлов и ТВС после каждой кампании, второй путь связан с усовершенствованием конструкций топливных таблеток, твэлов и
ТВС. В частности, проводятся работы по использованию втулочных таблеток, таблеток с более крупным зерном (до 20 мкм), таблеток с повышенным содержанием 235U в периферийном слое, оболочек из диркалоя, внутренняя поверхность которых покрыта слоем графита или чистого циркония, обедненных таблеток на торцах топливного столба (по 150 мм), оболочек меньшего диаметра, разборных ТВС и др.
В реакторах с водой под давлением достигнуто выгорание 33 000—36 000, в реакторах с кипящей водой 28 000 МВт-сут/т. Увеличение выгорания до 50 000—60 000 МВт-сут/т повысит использование 235U на 10 %, причем общие расходы снизятся на 30 %; суммарный экономический эффект составит 11 —13 % стоимости существующего ядерного цикла. Обоснование работоспособности твэлов и ТВС при таких высоких значениях выгорания требует статистически значимых экспериментальных данных, которые могут быть получены только путем контроля состояния большого числа твэлов и ТВС после каждой кампании. Разработаны долгосрочные и частные программы испытаний твэлов и ТВС на более высокие значения выгорания и создание средств массового неразрушающего контроля облученных твэлов и ТВС. В 1974 г. Электроэнергетический исследовательский институт США (EPRI) начал сбор и обработку данных по следующим группам характеристик твэлов и ТВС:
- размерная стабильность твэлов и ТВС (удлинение твэлов, ползучесть, изгиб твэлов и ТВС, герметичность твэлов и ТВС и пр.);
- рабочие параметры топливного сердечника (сплошность и смещение столба таблеток, выход газообразных продуктов деления, распухание и микроструктура таблеток, миграция продуктов деления, давление в твэле и т. п.); 3) коррозия и эрозия (окисление наружной и внутренней поверхностей твэла, коррозия под напряжением, толщина и состав отложений и т. д.).
Вместо традиционного подхода к решению проблемы массового контроля ТВС высокой активности — использование горячих камер лабораторий предложено проводить контроль в имеющихся на АЭС бассейнах-хранилищах отработавших ТВС. Такой способ обладает рядом преимуществ: не требуется предварительной выдержки и дезактивации ТВС перед контролем; контроль осуществляется в пределах АЭС; легко обеспечивается защита персонала (слой воды 8 м); достигается высокая оперативность контроля. Контроль в бассейнах, однако, не заменяет полностью контроль в горячих лабораториях. Во многих странах реконструируются или строятся горячие лаборатории для контроля полноразмерных ТВС. Во второй половине 70-х годов был создан ряд автоматизированных установок с компьютерным программным управлением и средствами частичной обработки результатов измерений. Установки рассчитаны на эксплуатацию в воде на глубине до 12 м.
Стремление повысить равномерность выгорания топлива в твэлах и обеспечить возможность замены вышедших из строя твэлов привело к разработке полностью разборных ТВС, что в свою очередь обеспечивает получение наиболее полных сведений о характеристиках ТВС и твэлов.
Для оценки механической целостности ТВС и ее компонентов, определения степени окисления поверхности и толщины отложений, обнаружения поврежденных твэлов и т. п. используются средства визуального контроля. Он является основным методом контроля твэлов и ТВС реакторов с водой под давлением и проводится с помощью перископов, эндоскопов, кинокамер и телевизионных систем. Контроль ведется как при прямом рассмотрении через окуляр или на экране телевизора, так и при просмотре изображений на кинопленке или видеомагнитофоне. Рассматриваемые ТВС обычно устанавливаются вертикально на поворотных столах, для осмотра торцов ТВС используются зеркала.
Недостатком, присущим визуальному контролю, является субъективный фактор — квалификация оператора. Отмечены трудности визуальной идентификации обнаруженных аномалий на ТВС, особенно при выявлении негерметичных твэлов. Дальнейшие разработки, связанные с применением гибких стекловолоконных световодов, позволят осуществлять контроль твэлов внутри ТВС, а также внутренней поверхности направляющих труб ТВС.
Контроль вихревыми токами используется для обнаружения дефектов в оболочке, измерения наружного диаметра твэла и толщины окисной пленки на оболочках твэлов и чехлах ТВС. Этот метод контроля обычно применяют в горячих лабораториях. В основном распространены проходные преобразователи с дифференциальной схемой включения измерительных обмоток; применяют также и накладные преобразователи; диапазон рабочих частот 1 кГц — 2,5 МГц. На рис. 7.26, а показана структурная схема устройства для вихретоковой дефектоскопии оболочек твэла. Сигнал с выхода измерительного моста усиливается, обрабатывается и представляется в виде двух значений напряжений в комплексной плоскости, на экране осциллографа формируется фигура Лиссажу, форма которой зависит от вида и глубины залегания дефекта в оболочке твэла (рис. 7.26,6). Контроль вихревыми токами ведется на нескольких частотах или в импульсном режиме, так как при работе на одной частоте не удается обнаруживать мелкие трещины, возникающие на внутренней поверхности оболочки в местах механического взаимодействия с таблетками.
Рис. 7.26. Структурная схема прибора для вихретоковой дефектоскопии оболочек твэлов (а) и вид фигур Лиссажу (б), соответствующих сигналам от дефектов, расположенных на внутренней (90°), наружной (5°) поверхностях и в стенке (45°):
1 — твэл; 2 — обмотка проходного преобразователя; 3 — измерительный мост; 4 — генератор; 5 — усилитель переменного тока; 6 — блок обработки сигнала; 7 — фазовращатель; 8 — усилитель постоянного тока; 9, 10 — горизонтальная (вещественная) и вертикальная (мнимая) составляющие выходного сигнала; 11 — осциллограф; 12 — двухканальный самописец
Рис. 7.27. Структурная схема прибора для вихретокового измерения толщины окисной пленки на циркалоевой оболочке твэла:
1 — оболочка из циркалоя; 2 — окисная пленка; 3 — толщина окисной пленки; 4 — накладной преобразователь; 5 — алмазный наконечник; *6, 7 — измерительные приборы; 8 — генератор
Существенное повышение выгорания топлива (особенно в реакторах с водой под давлением) приведет к значительному увеличению толщины окисных пленок на поверхности твэла. Наиболее пригодным для измерения толщины окисной пленки на большом числе твэлов и ТВС оказался метод вихревых токов, основанный на измерении толщины неэлектропроводящего слоя окисла между торцом преобразователя, прижимаемого к оболочке твэла, и металлической поверхностью оболочки. На рис. 7.27 показана структурная схема прибора. Преобразователь с алмазным наконечником на торце прижимается строго перпендикулярно к поверхности твэла пружиной. Его обмотка является плечом измерительного моста, питаемого от генератора (частота ~1 МГц).
Ультразвуковой контроль, несмотря на его более высокую чувствительность и определенные удобства, связанные с присутствием воды в бассейне, рассматривается только как дополнение к вихретоковому методу контроля. Это объясняется трудностью точной установки ультразвуковых преобразователей на большой глубине в бассейне, кривизной твэлов, наличием на них отложений. Кроме того, не выработаны критерии для оценки степени опасности обнаруженных дефектов и критерии их идентификации.
Г амма-сканирование применяется для определения энерговыделения по длине твэла, выгорания топлива и измерения параметров столба топлива (длина, зазоры, смещения и т. п.). Контроль можно проводить и в бассейнах, и в горячих камерах. В качестве детекторов излучения используются ионизационные камеры, сцинтилляционные или полупроводниковые детекторы. При измерении энерговыделения по длине твэла регистрируется активность короткоживущих продуктов деления (140La или 140La вместе с 95Zr и 144Рг) через несколько суток после извлечения ТВС из реактора, а при определении выгорания измеряется активность 137Cs после нескольких месяцев выдержки. При регистрации суммарной у-активности с помощью Nal детекторов контролируется сплошность столба топлива, его длина, деформация твэла и т. п.
Нейтронная радиография давно служит незаменимым методом для количественных и качественных исследований облученных твэлов и ТВС. Контролируемый объект порсвечивается коллимированным и равномерным по сечению пучком нейтронов. Проходящие через объект нейтроны частично поглощаются и рассеиваются. На экране-преобразователе (фольга из индия) формируется «нейтронное изображение» объекта, которое затем переносится на фотопленку. Нейтронная радиография применяется для контроля столба топлива в твэле (зазоры между таблетками, растрескивание таблеток), уточнения размеров, обнаружения гидридов в оболочке или общего наводороживания геттеров.
Измерение с хорошей точностью содержания изотопов урана массой 234, 235, 236, 238, плутония массой 239, 240, 242, 241Ат и других продуктов деления в облученном топливе осуществляется при просвечивании твэлов импульсными потоками нейтронов энергией 0,3—30 эВ. Этим способом за 1 нед можно определить изотопный состав всех ТВС активной зоны небольшого реактора.
При испытании ТВС на большое выгорание обязателен контроль герметичности, особенно важный для ТВС реактора с кипящей водой. При потере герметичности внутрь твэла проникает вода, в которой растворяются продукты деления, в частности цезий и под. Кроме того, в газосборнике могут оставаться криптон и ксенон. Все методы контроля основаны на загрузке ТВС в замкнутый объем, в который принудительно выводят продукты деления и из которого отбирают пробы для химического анализа. В зависимости от выбора среды (вода или воздух), заполняющей замкнутый объем, различают «мокрый» и «сухой» способы контроля. При сухом способе контроля ТВС устанавливают на дно бассейна и надевают на нее герметичный чехол, соединенный с воздушной магистралью для вытеснения воды. После саморазогрева ТВС газы из негерметичного твэла выходят под чехол, откуда и берутся пробы воздуха для анализа на содержание 133Хе и 85Кг. На АЭС широкое распространение получил мокрый способ контроля. В одном варианте этого способа при саморазогреве ТВС из твэла выходят газообразные продукты деления и вода с растворенными в ней 131I, 13/‘Cs и 137 Cs. Во втором варианте над поверхностью воды внутри чехла создается дополнительное разрежение. Иногда для ускорения процесса вызывают принудительную циркуляцию воды, омывающей твэлы, или даже применяют электрический обогрев чехла. Радиоактивность проб воды контролируют Се (Li)-детектором.
В ряде случаев через заполняющую чехол воду прокачивают азот, уносящий газообразные продукты деления. Контроль ведется по содержанию 133Хе, который присутствует в достаточном количестве, химически инертен, хорошо проникает через мелкие течи и уверенно регистрируется аппаратурой.
Рассмотренные методы и средства контроля обеспечивают необходимую точность измерений размеров, надежное выявление дефектов и определение параметров, характеризующих работоспособность твэлов и ТВС.
