Общие вопросы дефектоскопии
УДК 620.179.1
НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБНАРУЖЕНИЯ
И ИССЛЕДОВАНИЯ НЕГЕРМЕТИЧНЫХ ОБЛУЧЕННЫХ
ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ
© 2019 г. С.В. Павлов1,*
1ООО НПФ «Сосны», Россия 433507 Ульяновская обл., Димитровград, пр-т Димитрова, 4а
*E-mail: pavlov@sosny.ru
Поступила в редакцию 21.01.2019; после доработки 22.02.2019
Принята к публикации 08.05.2019
Представлена методология обнаружения и исследования облученных негерметичных тепловыделяющих элементов
ядерных реакторов водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР-1000), которая основана на последовательном при-
менении нескольких неразрушающих методов контроля: оптического и визуального, ультразвукового, вихретокового,
радиационного и пневматического пузырькового. По результатам исследований негерметичных тепловыделяющих сбо-
рок главной причиной разгерметизации тепловыделяющих элементов является образование сквозных дефектов в их
оболочках вследствие взаимодействия с посторонними предметами, находящимися в теплоносителе ядерного реактора.
Обнаружение негерметичных тепловыделяющих элементов и дефектов в них может осуществляться по одиннадцать
различным сценариям, которые отличаются друг от друга как по продолжительности, так и по трудоемкости их реали-
зации. Приведены описания и характеристики установок неразрушающего контроля ядерного топлива. Показана необ-
ходимость совершенствования существующих или разработки новых неразрушающих методов обнаружения негерме-
тичных тепловыделяющих элементов без поэлементной разборки тепловыделяющей сборки.
Ключевые слова: ядерный реактор, тепловыделяющий элемент, тепловыделяющая сборка, неразрушающие методы
контроля, ультразвук, вихретоковая дефектоскопия, негерметичность, дефект.
DOI: 10.1134/S0130308219070078
ВВЕДЕНИЕ
Радиационная безопасность ядерных реакторов во многом обеспечивается системой физиче-
ских барьеров, препятствующих распространению радиоактивных элементов как внутри реактора,
так и за его пределы, — в окружающую среду. Основным источником радиоактивных элементов в
ядерном реакторе являются тепловыделяющие элементы (твэлы), внутри которых происходят
ядерные реакции и выделение тепла. Металлическая защитная герметичная оболочка твэла выпол-
няет функцию одного из первых физических барьеров и должна сохранять свою герметичность на
протяжении всего времени эксплуатации твэлов.
Надежность твэлов постоянно повышается. Так, показатель уровня разгерметизации твэлов
водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР) — основы ядерной энергетики России — нахо-
дится в диапазоне от 10-5 до 10-6 [1]. Тем не менее даже единичные случаи разгерметизации
оболочки твэлов могут привести к заметным экономическим потерям для атомных электростан-
ций (АЭС), а также к дополнительным дозовым нагрузкам для обслуживающего персонала.
Поэтому обнаружение негерметичных твэлов, установление причин их разгерметизации, опре-
деление типов дефектов, их размеров и расположения важно как с точки зрения безопасности
эксплуатации АЭС, так и с научно-технической при совершенствовании и разработке новых
типов ядерного топлива.
Поиск негерметичных твэлов осуществляется в ходе комплексных материаловедческих иссле-
дований и на стендах инспекции тепловыделяющих сборок (ТВС) на АЭС [2], и в защитных каме-
рах ядерных исследовательских центров [3]. При этом используется комбинация неразрушающих
и разрушающих методов контроля и исследования облученного ядерного топлива. Неразрушающие
методы дают первичную и во многих случаях достаточную информацию о наличии в твэлах
дефектов, их параметрах и характеристиках [4].
В статье описаны методология, методы и оборудование для обнаружения и исследования
негерметичных твэлов ВВЭР-1000. Рассмотрены проблемы и возможные пути их решения.
1. КОНСТРУКЦИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК И ТВЭЛОВ ВВЭР-1000
Твэлы ВВЭР-1000 состоят из цилиндрической оболочки из циркониевого сплава Zr+1%Nb
(Э110) или его модификаций, внутри которой расположены таблетки ядерного топлива из диокси-
Неразрушающие методы и средства обнаружения и исследования...
57
в
г
б
1
1
3
4
5
2
а
2
3
3
1
2
4
4
2
7
5
6
6
6
Рис. 1. Схематичное изображение таблетки топлива (а) и тепловыделяющего элемента (твэла) (б):
1 — оболочка твэла; 2 — таблетка топлива; 3 — верхняя заглушка; 4 — газосборник; 5 — пружинный фиксатор; 6 — нижняя заглушка;
тепловыделяющей сборки ТВС-2 (в) и ТВСА (г):
1 — головка; 2 — пучок твэлов; 3 — направляющие каналы ПС СУЗ; 4 — дистанционирующие решетки; 5 — нижняя (опорная)
решетка; 6 — хвостовик; 7 — уголки.
да урана (UO2) (рис. 1а, б). Наружный диаметр оболочек 9,15 мм, длина 4000 мм, толщина стен-
ки 0,65 мм (зависит от модификаций твэла). Сверху и снизу оболочка герметизируется приварен-
ными заглушками, столб из топливных таблеток фиксируется от перемещения внутри твэла с
помощью пружины. В верхней части твэла таблетки отсутствуют, эта часть называется «газосбор-
ник» и служит для компенсации давления внутри твэла при выходе из таблеток газовых продуктов
деления (ГПД) ядерного топлива при эксплуатации в реакторе. Внутренний объем твэла заполнен
гелием под давлением 2,0 МПа.
Твэлы упорядоченным образом собраны в ТВС, которые устанавливаются в активную
зону (АЗ) ядерного реактора. Кроме упорядоченного расположения твэлов в АЗ, ТВС обе-
спечивают отвод тепла от твэлов путем прокачки через сборку теплоносителя (вода), а также
выполнение транспортно-технологических операций при загрузке-выгрузке ядерного топли-
ва из реактора.
В настоящее время на энергоблоках ВВЭР-1000 эксплуатируются два типа ТВС, отличаю-
щихся друг от друга в первую очередь конструкцией несущего каркаса — это ТВС-2 [5, 6]
(рис. 1в), ТВСА [7] (рис. 1г) и их модификации. Каждая ТВС содержит 312 твэлов, расположен-
ных по гексагональной решетке с шагом 12,75 мм. Каркас состоит из головки и хвостовика ТВС,
соединенных между собой центральной трубой (ЦТ) и 18 направляющими каналами (НК), в
которых перемещаются поглощающие стержни системы управления и защиты реактора (ПС
СУЗ). Направляющие каналы соединены с головкой с помощью цангового соединения, благо-
даря которому она может дистанционно демонтироваться, а затем обратно устанавливаться на
место. В нижней части ТВС НК и ЦТ приварены к нижней решетке, которая, в свою очередь,
приварена к хвостовику.
Крепление твэлов в ТВС осуществляется установкой нижней заглушки твэлов, имеющей цанго-
вый хвостовик, в нижнюю решетку, а дистанционирование твэлов по гексагональной решетке обе-
спечивается 15 или 12 дистанционирующими решетками (ДР), расположенными по высоте ТВС.
Различие в конструкциях каркаса в ТВС-2 и ТВСА заключается в способах крепления ДР и
наличии уголков жесткости в ТВСА, расположенных по ребрам сборки (рис. 1г). В ТВС-2 ДР при-
варены к НК, а в ТВСА — к уголкам.
Дефектоскопия
№ 7
2019
58
С.В. Павлов
2. РАЗНОВИДНОСТИ ДЕФЕКТОВ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛОВ И ПРИЧИНЫ
ИХ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ
Наиболее вероятные причины возникновения в оболочках твэлов ВВЭР-1000 дефектов, раз-
витие которых может привести к разгерметизации твэлов, известны и хорошо изучены [8—10]. К
ним относятся:
гидрирование оболочки твэла из-за наличия влаги в топливе (нарушение технологии изготов-
ления твэлов);
коррозия оболочки твэлов;
взаимодействие оболочки с ДР ТВС (фреттинг-коррозия);
взаимодействие оболочки с посторонними предметами, находящимися в теплоносителе реак-
тора (debris-повреждения);
взаимодействие оболочки с топливными таблетками.
Результаты исследований нескольких десятков ТВС ВВЭР-1000 показали, что наиболее часто
встречаются дефекты, образующиеся в результате взаимодействия оболочки с посторонними
предметами в теплоносителе реактора, что также является основной причиной разгерметизации
твэлов. Намного реже встречаются дефекты оболочки в результате ее взаимодействия с ДР, а также
связанные с нарушением технологии изготовления твэлов.
Посторонние предметы, движущиеся вместе с теплоносителем через ТВС, как правило, застре-
вают в элементах сборок. На рис. 2а в качестве примера показан фрагмент ТВС, в котором между
оболочкой твэла и ДР застрял посторонний предмет — стружка.
б
а
в
1
Рис. 2. Пример образования debris-дефекта: а
посторонний предмет под ДР; б — вид после
извлечения постороннего предмета; в
3
поперечный разрез твэла в области сквозного
дефекта (1 — оболочка твэла; 2 — сквозной дефект
в оболочке твэла; 3 — таблетка топлива UO2).
2
2 мм
Из-за пульсаций давления теплоносителя застрявшие посторонние предметы начинают вибри-
ровать, при этом происходит истирание оболочки твэла в месте ее контакта с предметом. На
рис. 2б отчетливо виден дефект в оболочке после удаления стружки, а на рис. 2в представлен для
примера поперечный шлиф твэла со сквозным дефектом оболочки.
При разгерметизации твэла возможно возникновение в оболочке новых дефектов, которые
могут существенно влиять на ее целостность и являться причиной ее разрушения. Такие дефекты
называются вторичными, а дефект, который привел к разгерметизации оболочки, — первичным.
Вода через первичный дефект поступает в зазор между топливом и оболочкой твэла, в резуль-
тате чего происходит их локальное окисление в районе расположения дефекта. Образовавшийся
при этом водород вместе с паром перемещается по зазору между топливом и оболочкой в верхнюю
часть твэла, где поглощается циркониевой оболочкой [10].
При этом в материале оболочки образуются скопления гидридов циркония ZrH2, которые при-
водят к охрупчиванию материала оболочки, появлению вторичных дефектов и часто к разрушению
твэлов во время исследований и транспортно-технологических операций.
Дефектоскопия
№ 7
2019
Неразрушающие методы и средства обнаружения и исследования...
59
а
в
б
Рис. 3. Вторичные повреждения:
а — разрушение оболочки; б — следы от пружины в газосборнике; в — гидриды в оболочке в месте контакта с пружиной.
На рис. 3 приведены примеры образования вторичных дефектов в негерметичных твэлах: раз-
рушения негерметичного твэла в районе газосборника из-за охрупчивания оболочки (рис. 3а),
скопления гидридов в местах с повышенными механическими напряжениями в оболочке — в
месте контакта пружинного фиксатора с оболочкой (рис. 3б), при этом гидриды выходят на наруж-
ную поверхность оболочки (рис. 3в) поперечного шлифа фрагмента оболочки. Гидрид циркония
имеет меньшую плотность, чем циркониевые сплавы оболочек твэлов, поэтому образование ско-
пления гидридов приводит к распуханию оболочки в этом месте.
Таким образом, негерметичным является твэл с дефектом или дефектами, через которые про-
дукты деления ядерного топлива могут поступать в теплоноситель реактора.
3. МЕТОДОЛОГИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕГЕРМЕТИЧНЫХ ТВЭЛОВ И ДЕФЕКТОВ В НИХ
Процесс и способы обнаружения негерметичных твэлов и дефектов в их оболочках являются
составной частью материаловедческих исследований ТВС и твэлов в защитных камерах и на стендах
инспекции на АЭС [9]. Основными неразрушающими методами обнаружения негерметичных твэлов
и дефектов, приводящих к их разгерметизации, являются визуальный осмотр и оптические методы
контроля; ультразвуковой метод обнаружения воды под оболочкой негерметичного твэла; вихретоко-
вая дефектоскопия оболочки твэла; радиационный метод контроля количества газовых продуктов
деления (ГПД) ядерного топлива под оболочкой твэла и пневматический пузырьковый метод.
Разгерметизация твэлов при эксплуатации в реакторе фиксируется по повышению уровня
радиоактивности теплоносителя, в который из негерметичного твэла через дефект в оболочке
поступают продукты деления ядерного топлива. При этом определить, в какой из 163 ТВС (коли-
чество ТВС в АЗ реактора ВВЭР-1000) появились негерметичные твэлы, невозможно.
Негерметичную ТВС (в которой есть негерметичные твэлы) определяют в процессе перегрузки
реактора с помощью радиационных методов контроля по регистрации выхода радиоактивных про-
дуктов деления из каждой ТВС в отдельности в специальный замкнутый контролируемый объем.
Таким образом, перед началом материаловедческих исследований известно состояние ТВС: герме-
тичное или негерметичное.
Если ТВС негерметична, то в процессе исследований необходимо обнаружить и исследовать
негерметичные твэлы. На рис. 4 приведен алгоритм поиска негерметичных твэлов и дефектов в них.
Любые исследования облученных ТВС начинаются с их осмотра, который проводится либо с
помощью радиационно стойких телекамер и перископических систем, либо оператором через смо-
тровое окно защитной камеры. Зачастую при осмотрах удается обнаружить негерметичные твэлы,
если они находятся в первых двух внешних рядах твэлов в ТВС (см. рис. 2). Обнаружение негер-
метичных твэлов во внешних рядах не означает отсутствие негерметичных твэлов внутри ТВС.
Поэтому, независимо от того, были обнаружены при осмотре негерметичные твэлы или нет, поиск
негерметичных твэлов продолжается путем инспекции всех 312 твэлов в ТВС.
В [10] показано, что если выгорание твэлов в ТВС не превышает Bmax = 45 МВтсут/кгU, то
для обнаружения негерметичных твэлов можно использовать ультразвуковой метод КГО (кон-
Дефектоскопия
№ 7
2019
60
С.В. Павлов
Рис. 4. Блок-схема поиска негерметичных твэлов и дефектов в них.
троль герметичности оболочки), который основан на регистрации воды внутри твэла, попавшей
туда после его разгерметизации [11]. Контроль твэлов проводится после демонтажа с ТВС голов-
ки, когда обеспечивается доступ ко всем верхним заглушкам твэлов. Ультразвуковой датчик
устанавливается на торец верхней заглушки твэла (рис. 5а) и с его помощью в оболочке возбуж-
даются ультразвуковые волны, которые распространяются по оболочке до нижней заглушки,
отражаются и после прохождения по оболочке в обратном направлении регистрируются этим же
датчиком.
Если твэл герметичный, то на осциллограмме наблюдается принятый полезный сигнал
(рис. 5б). При наличии воды под оболочкой происходит дополнительное, в сравнении с герметич-
ным твэлом, рассеяние энергии волн внутрь твэла и амплитуда полезного сигнала уменьшается
практически до уровня фона (рис. 5в). Метод показал высокую надежность и эффективность при
инспекции негерметичных ТВС.
Обнаруженные негерметичные твэлы извлекаются из ТВС для дальнейших исследований.
С помощью специального инструмента твэл захватывается за верхнюю заглушку и медленно вытя-
гивается из каркаса ТВС. Во время извлечения твэл протягивается через вихретоковый датчик
проходного типа и проводится его вихретоковая дефектоскопия.
В послереакторных исследованиях облученных твэлов хорошо зарекомендовал себя импульс-
ный метод вихретокового контроля [12, 13]. В его основе лежит импульсное возбуждение внешне-
го электромагнитного поля в широком частотном диапазоне, которое, в свою очередь, индуцирует
в материале оболочки твэла вихревые токи различной частоты.
Первичным преобразователем является датчик проходного типа с тремя катушками индуктив-
ности: двумя измерительными, включенными по дифференциальной схеме, и одной возбуждаю-
щей. Измерительные обмотки регистрируют изменения электромагнитного поля вихревых токов,
наводимых в оболочке твэла возбуждающей обмоткой, на которую подается импульс тока. Анализ
результатов контроля осуществляется путем сравнения параметров откликов от искусственных
дефектов контрольных образцов и сигналов, обнаруженных при вихретоковом сканировании
исследуемого твэла.
Дефектоскопия
№ 7
2019
Неразрушающие методы и средства обнаружения и исследования...
61
а
б
Датчик
1
2
Твэл
в
1
Вода
Рис. 5. Ультразвуковой метод обнаружения негерметичных твэлов в ТВС:
а — схематичное изображение датчика и инспектируемого твэла; б — А-сканограмма герметичного твэла; в — А-сканограмма
негерметичного твэла; 1 — сигнал возбуждения датчика; 2 — полезный сигнал.
Характеристики дефектов оцениваются по А-сканограммам (рис. 6б), а также по огибающим
выходного сигнала вихретокового датчика (рис. 6в), которые используются также для построения
годографов, по параметрам которых (форме, амплитуде, углу наклона) оценивают дефекты обо-
лочки (рис. 6г).
а
б
1
2
3
в
2
3
1
г
1
2
3
Рис. 6. Главное окно программы с результатами ВТ-контроля фрагмента имитатора с наружным (1), сквозным (2) и вну-
тренним (3) дефектами:
а — D-скан; б — А-сканограммы в окрестности сквозного дефекта; в — огибающие сигнала; г — годографы.
Импульсный вихретоковый метод дефектоскопии твэлов позволяет идентифицировать сквоз-
ные, наружные, внутренние дефекты оболочки, локальные изменения диаметра оболочки, элек-
тропроводящие магнитные и немагнитные включения, а также неэлектропроводящие магнитные
включения [14].
Дефектоскопия
№ 7
2019
62
С.В. Павлов
а
б
5
в
3
1
2
1
-1
-3
-5 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Координата, мм
Рис. 7. Результаты вихретоковой дефектоскопии негерметичного твэла:
а — огибающая сигнала; б — внешний вид сквозного дефекта; в — микроструктура оболочки в месте расположения вторичного
дефекта; 1 — сигнал от сквозного дефекта; 2 — сигнал от вторичного дефекта.
Оценка чувствительности метода выполнялась по искусственным дефектам. Минимальные
размеры дефектов, которые уверенно регистрируются, следующие [14]: наружная кольцевая риска
(ширина 0,06, глубина 0,06 мм); наружное глухое отверстие (диаметр 0,7, глубина 0,3 мм); сквоз-
ное отверстие (диаметр 0,7 мм); продольная наружная трещина (ширина 0,06, длина 9, глубина
0,09 мм); продольная внутренняя трещина (ширина 0,08, длина 12, глубина 0,15 мм).
В качестве примера на рис. 7а приведена вихретоковая диаграмма негерметичного твэла
ВВЭР-1000, в нижней части которого был обнаружен сквозной дефект (рис. 7б), в верхней части
оболочки — множество вторичных (не сквозных) дефектов в виде скоплений гидридов циркония
(рис. 7в).
После извлечения негерметичного твэла из каркаса ТВС проводился его подробный осмотр на
установке визуально-оптической инспекции твэлов (рис. 8). Твэл вертикально перемещали относи-
тельно перископа, при этом оператор учитывал результаты вихретоковой дефектоскопии и фотогра-
фировал участки оболочки, где были зафиксированы дефекты (см. рис. 3а, б и 7б). Фотографирование
сопровождалось видеосъемкой твэла. Установка позволяет производить 10-кратное увеличение изо-
бражения твэла.
Если во всех обнаруженных негерметичных твэлах идентифицированы дефекты, приведшие к
их разгерметизации, то задача поиска негерметичных твэлов и дефектов в них считается выпол-
ненной. Далее эти твэлы направляются на подробные материаловедческие исследования с исполь-
зованием разрушающих методов.
Если же при осмотре и вихретоковой дефектоскопии дефекты в твэлах не обнаружены, то
необходимо убедиться в том, что эти твэлы действительно негерметичные. Для этого были сде-
ланы прокол оболочки твэлов и анализ газа под оболоч-
кой, результаты которого позволяют однозначно иденти-
фицировать негерметичные и герметичные твэлы.
2
Если твэл признается герметичным, это означает, что
при проведении ультразвукового КГО была перебраковка
и данный твэл в действительности герметичный. В слу-
3
чае подтверждения негерметичности твэла обнаружение
сквозных дефектов в оболочке продолжается с помощью
Фото
так называемого «пузырькового» метода, который заклю-
чается в следующем. Через отверстие в оболочке, выпол-
ТВ
ненное в результате ее прокола, в твэл под давлением
закачивается газ (гелий, азот или воздух). Твэл помеща-
ют в прозрачный сосуд с водой и наблюдают выход
пузырьков газа через сквозные дефекты, тем самым
определяя их местоположение. На этом процесс обнару-
1
жения негерметичных твэлов и дефектов заканчивается
и твэл передается дальше на подробные материаловедче-
Рис. 8. Схема установки визуально-оптической инспекции твэлов:
1 — твэл; 2 — устройство позиционирования; 3 — перископ.
Дефектоскопия
№ 7
2019
Неразрушающие методы и средства обнаружения и исследования...
63
ские исследования с использованием разрушающих методов (микроскопии, механических испы-
таний и т.п.).
Если в результате ультразвукового КГО негерметичные твэлы не обнаружены, то приступают
к полной потвэльной разборке ТВС с осмотром и вихретоковой дефектоскопией всех твэлов
(см. рис. 4). К полной потвэльной разборке ТВС приступают также в том случае, когда выгора-
ние твэлов в ТВС превышает пороговое значение и поэтому нельзя использовать ультразвуко-
вой метод КГО.
При обнаружении с помощью осмотра и вихретоковой дефектоскопии сквозных дефектов в
оболочке твэлов эти твэлы идентифицируются как негерметичные. В этом случае задача поиска
негерметичных твэлов и дефектов в них считается выполненной.
Если по результатам осмотра и вихретоковой дефектоскопии негерметичные твэлы не обнару-
жены, то их поиск продолжается с помощью гамма-спектрометрического метода, основанного на
измерении активности 85Kr в газосборнике твэлов [15].
При эксплуатации твэлов в реакторе в результате деления ядер 235U образуются газовые про-
дукты деления, такие как Xe и Kr, часть которых выходит из матрицы UO2 во внутритвэльную
атмосферу.
После извлечения негерметичной ТВС из реактора давление газа внутри негерметичного твэла
сравняется с давлением окружающей твэл среды и будет приблизительно в 20-30 раз меньше, чем
давление в герметичных твэлах. Таким образом, регистрация количества газовых продуктов деле-
ния ядерного топлива в газосборнике позволяет обнаружить негерметичные твэлы. Для этого
регистрируют гамма-излучение радиоизотопа 85Kr, который в результате спонтанного распада ядер
излучает гамма-кванты с энергией 514 кэВ, к тому же имеет достаточно большой период полу-
распада — 10,8 года, и, следовательно, контролировать герметичность по этому радиоизотопу
можно в течение достаточно продолжительного времени (до 10 лет и больше) после извлечения
ТВС из реактора.
Измерение интенсивности гамма-излучения от газосборника твэлов проводится с помощью
установки, выполненной на базе защитного контейнера, который устанавливается над защитной
камерой с исследуемыми твэлами (рис. 9).
Исследуемый твэл с помощью подъемного устройства через отверстие в потолке защитной
камеры втягивается в контейнер таким образом, чтобы газосборник находился напротив горизон-
тального коллиматора, выполненного в стенке контейнера. С обратной стороны коллиматора нахо-
дится германиевый детектор с гамма-спектрометром, с помощью которого регистрируется гамма-
спектр излучения от газосборника твэла.
На рис. 10 в качестве примера приведены гамма-спектры для герметичного и негерметично-
го твэлов. У герметичного твэла на спектре четко наблюдается пик в области энергии
510—514 кэВ, что соответствует гамма-излучению 85Kr, в то время как для негерметичного твэла
этот пик отсутствует. Это говорит об отсутствии или о небольшом количестве 85Kr под оболоч-
кой твэла и, следовательно, указывает на его негерметич-
ность.
Если в результате контроля радиометрическим мето-
6
3
дом негерметичных твэлов не обнаружено, а также с уче-
5
2
7
том ранее выполненного осмотра и вихретоковой дефек-
тоскопии, ТВС признается герметичной. Отнесение ее к
4
классу негерметичных в результате инспекции на АЭС
было ошибочным.
8
Обнаруженные негерметичные твэлы отправляют на
прокол оболочки (см. рис. 4). При этом еще раз убеждаются
в их негерметичности, а также подготавливают твэлы к
применению «пузырькового» метода для обнаружения
сквозных дефектов в оболочке. После обнаружения дефек-
тов задача поиска негерметичных твэлов и дефектов в них
1
считается выполненной.
Рис. 9. Схема установки для измерения интенсивности гамма-излучения
85Kr в газосборнике твэла:
1 — сосуд Дьюара; 2 — свинцовая защита детектора; 3 — детектор; 4 — коллиматор;
5 — твэл; 6 — защитный контейнер; 7 — подъемное устройство; 8 — пенал для твэла.
Дефектоскопия
№ 7
2019
64
С.В. Павлов
а
4000
3200
2400
1600
800
0
300
400
500
600
700
800
900
1000
Энергия, кэВ
б
2000
1600
1200
800
400
0
300
400
500
600
700
800
900
1000
Энергия, кэВ
Рис. 10. Гамма-спектры газовой полости герметичного (а) и негерметичного (б) твэлов.
4. АНАЛИЗ МЕТОДОЛОГИИ ПОИСКА НЕГЕРМЕТИЧНЫХ ТВЭЛОВ
Анализ блок-схемы на рис. 4 показывает, что поиск негерметичных твэлов может выполняться
по одиннадцати различным сценариям, которые делятся на две группы. К первой группе (три сце-
нария) относятся сценарии контроля, в которых не требуется выполнять полную потвэльную раз-
борку ТВС, в то время как в остальных восьми сценариях (вторая группа) для обнаружения негер-
метичных твэлов требуется разборка ТВС с извлечением и контролем всех твэлов.
Разборки всей ТВС не требуется, если в результате использования ультразвукового КГО обна-
ружены негерметичные твэлы. При обнаружении в негерметичных твэлах в результате осмотра и
вихретоковой дефектоскопии сквозных дефектов в их оболочках поставленная задача решена.
Этот сценарий требует минимум времени и ресурсов по сравнению со всеми остальными сцена-
риями поиска негерметичных твэлов и дефектов в их оболочках.
Наиболее сложным с технической точки зрения и требующим максимальных затрат времени и
ресурсов является сценарий, в котором проводят потвэльную разборку ТВС, а негерметичные
твэлы обнаруживают только после использования радиационного метода контроля активности 85Kr
в газосборниках всех твэлов, так как их осмотр и вихретоковая дефектоскопия не позволили обна-
ружить в оболочках сквозных дефектов и, следовательно, негерметичных твэлов (см. рис. 4). Для
регистрации сквозных дефектов в обнаруженных негерметичных твэлах их оболочки прокалыва-
ют, попутно анализируют газ внутри твэлов и пузырьковым методом определяют координаты
сквозных дефектов. На этом сценарий заканчивается.
С точки зрения затрат времени и ресурсов для обнаружения негерметичных твэлов и дефектов в
них остальные девять сценариев на рис. 4 находятся между рассмотренными выше двумя сценариями.
Основываясь на опыте исследований негерметичных ТВС ВВЭР-1000, можно оценить количе-
ство времени на реализацию вышеупомянутых двух сценариев. Так, если на реализацию первого
требуется несколько дней, то на реализацию второго — в десятки раз больше, несколько месяцев.
По количеству операций, совершаемых с ТВС и твэлами, эти два сценария также сильно отли-
чаются друг от друга. Если в первом для поиска негерметичных твэлов и дефектов в них требует-
ся несколько десятков операций с ТВС и твэлами, то для второго с полной потвэльной разборкой
ТВС количество операций исчисляется тысячами.
Таким образом, очевидно, что для улучшения технико-экономических показателей технологии
поиска негерметичных твэлов и дефектов в их оболочках необходимо совершенствовать существу-
ющие и разрабатывать новые неразрушающие методы контроля облученных ТВС и твэлов. Это в
Дефектоскопия
№ 7
2019
Неразрушающие методы и средства обнаружения и исследования...
65
первую очередь касается методов обнаружения негерметичных твэлов в составе ТВС без ее
потвэльной разборки и методов вихретоковой дефектоскопии в части повышения чувствительно-
сти к дефектам оболочки твэлов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методология поиска негерметичных твэлов и дефектов в их оболочках основана на последова-
тельном применении оптических, ультразвуковых, вихретоковых, радиационных и пневматиче-
ских пузырьковых неразрушающих методов контроля. Эффективность этой методологии под-
тверждена многолетним положительным опытом ее применения для инспекции и исследования
негерметичных ТВС ВВЭР-1000 в защитных камерах. В настоящее время исследовано около 20
негерметичных ТВС ВВЭР-1000, во всех ТВС обнаружены и исследованы негерметичные твэлы,
дефекты, приведшие к их разгерметизации, и установлены причины разгерметизации.
Недостатком описанной методологии является необходимость потвэльной разборки ТВС,
если ультразвуковой метод поиска негерметичных твэлов либо не применим из-за высоких выго-
раний топлива, либо если после его использования негерметичные твэлы обнаружены не были.
Ограничения, связанные с применимостью ультразвукового метода, особенно сильно влияют на
поиск негерметичных твэлов не в защитных камерах, а под водой, в бассейне выдержки АЭС с
помощью специальных стендов инспекции и ремонта ТВС, так как в условиях АЭС практически
невозможно реализовать полную потвэльную разборку ТВС. Поэтому в настоящее время наи-
более актуальной задачей по совершенствованию методической и технической базы для поиска
негерметичных твэлов является разработка метода, который бы позволял, независимо от выго-
рания, обнаруживать негерметичные твэлы в составе ТВСА и ТВС-2М ВВЭР-1000 без их
потвэльной разборки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Марков Д.В., Смирнов В.П., Поленок В.С., Неугодников Д.С., Новоселов А.Е., Кобылянский Г.П.
Основные результаты послереакторных исследований усовершенствованного топлива ВВЭР и РБМК /
Сборник докладов VIII Российской конференции по реакторному материаловедению (Димитровград,
21—25 мая 2007 г.). Димитровград: ФГУП «ГНЦ РФ НИИАР», 2007.
2. Иванов Н.А., Бромирский И.А., Павлов С.В., Суров Д.В., Первушин Л.А., Тишков А.Н., Амосов С.В.
Стенд инспекции и ремонта тепловыделяющих сборок для проекта АЭС-2006 // Тяжелое машиностро-
ение. 2017. № 4. С. 25—28.
3. Троянов В.М., Павлов С.В. Стратегия поиска. Задачи ОАО «ГНЦ НИИАР» в области научно-тех-
нического обоснования ядерного топлива для атомных электростанций // Росэнергоатом. 2011. № 4.
С. 58—61.
4. Павлов С.В., Сухих А.В., Сагалов С.С. Неразрушающая диагностика состояния элементов актив-
ных зон ядерных реакторов. Димитровград: Изд-во ДИТИ НИЯУ МИФИ, 2015. 311 с.
5. Рыжов С.Б., Мохов В.А., Васильченко И.Н., Кобелев С.Н., Вьялицин В.В., Кушманов С.А., Семо-
глазов С.В., Туркин А.В., Махин В.М. Опыт разработки и результаты эксплуатации ТВС-2 и ТВС-2М /
Сб. докл. IX Российской конференции по реакторному материаловедению (Димитровград, 14-18 сен-
тября 2009 г.). Димитровград: ОАО «ГНЦ НИИАР», 2009. С. 46—52.
6.. Драгунов Ю.Г., Рыжов С.Б., Васильченко И.Н., Кобелев С.Н. Разработка и внедрение ТВС-2М для
перспективных топливных циклов // Атомная энергия. 2005. Т. 99. Вып. 6. С. 432—437.
7. Кайдалов В.Б., Преображенский Д.Г., Романов А.И., Самойлов О.Б., Фальков А.А., Шишкин А.А.
Тепловыделяющая сборка ТВСА ВВЭР-1000, направления развития и результаты эксплуатации //
Атомная энергия. 2007. Т. 102. Вып. 1. С. 43—48.
8. Markov D., Smirnov V., Smirnov A., Perepelkin S. Integration of post-irradiation examination results of
failed WWER fuel rods / Proc. of the Fifth International Conference WWER Fuel Performance, Modelling and
Experimental Support, 29 September — 3 October 2003, Albena, Bulgaria. Р. 273—278.
9. Павлов С.В. Методология материаловедческих исследований ТВС и ТВЭЛов ВВЭР для оператив-
ного сопровождения внедрения нового топлива на АЭС // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2014.
Вып. 3. С. 25—34.
10.. Павлов С.В. Ультразвуковой метод обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов
ядерных реакторов // Дефектоскопия. 2011. № 5. С. 23—38.
11. Павлов С.В., Сагалов С.С., Амосов С.В. Система неразрушающего контроля облученных твэлов
для стенда инспекции тепловыделяющих сборок ВВЭР // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2010. Вып. 3.
С. 5—11.
12. Павлов С.В., Сухих А.В., Сагалов С.С. Вихретоковые методы контроля в реакторном материало-
ведении. Димитровград: ОАО «ГНЦ НИИАР», 2010. 226 с.
Дефектоскопия
№ 7
2019
66
С.В. Павлов
13.. Сухих А.В., Сагалов С.С., Павлов С.В., Марков Д.В., Куприенко М.В. Использование импульсно-
го метода вихретокового контроля для дефектоскопии облученных твэлов ВВЭР // Атомная энергия.
2009. Т. 107. Вып. 2. С. 115—118.
14. Сагалов С.С. Разработка средств и методов оперативной вихретоковой дефектоскопии облучен-
ных твэлов ВВЭР с оболочками из сплава Zr-1%Nb / Автореф. дис. … канд. техн. наук. Димитровград:
ОАО «ГНЦ НИИАР», 2011.
15. Павлов С.В., Сухих А.В., Сагалов С.С. Гамма-спектрометрия в реакторном материаловедении.
Димитровград: ОАО «ГНЦ НИИАР», 2012. 314 с.
Дефектоскопия
№ 7
2019