Способ определения температуры объекта в активной зоне ядерного реактора

Способ определения температуры объекта в активной зоне ядерного реактора

Реферат

 

Изобретение относится к способам определенной температуры объектов с помощью термоэлектрических преобразователей (ТЭП) в условиях активной зоны ядерного реактора, например, при измерении температуры тепловыделяющих элементов, в исследованиях радиационного материаловедения и др. С целью повышения точности определения температуры объекта в активной зоне ядерного реактора после установки ТЭП в активную зону и измерения его показаний при нагревании чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя регистрируют зависимость температуры чувствительного элемента от времени, интегрируют результат регистрации зависимости температуры чувствительного элемента от времени, нормируют полученный интеграл на единичный начальный скачок этой зависимости, а определение поправки на методическую погрешность осуществляют по математическому выражению T_qv= (q_v/C_v)I_н где q_v - удельное энерговыделение в материале чувствительного элемента, Вт/м³; I_и - нормированный на единичный начальный скачок температуры интеграл результата регистрации зависимости температуры чувствительного элемента от времени, C: C_v - удельная теплоемкость материала чувствительного элемента, Дж/(м³К). 2 ил.

Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к температурным измерениям в активной зоне ядерного реактора с помощью термоэлектрического преобразователя (ТЭП) и может быть использовано для определения истинной температуры термометрируемого объекта по ее измеренному значению Т_изм. Цель изобретения повышение точности определения истинной температуры объекта в активной зоне ядерного реактора. Указанная цель достигается тем, что в способе определения температуры объекта в активной зоне ядерного реактора, включающем нагревание чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя в активной зоне ядерного реактора пропусканием импульса электрического тока через его термоэлектроды, определение параметров теплообмена между термоэлектрическим преобразователем и объектом, определение поправки на методическую погрешность и вычисление разности между показаниями термоэлектрического преобразователя и поправкой на методическую погрешность, при нагревании чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя регистрируют зависимость температуры чувствительного элемента от времени, интегрируют результат регистрации зависимости температуры чувствительного элемента от времени и полученное значение интеграла нормируют на единичный начальный скачок этой зависимости, а определение поправки на методическую погрешность осуществляют по математическому выражению T_qv= I_н (1) где T_qv поправка на методическую погрешность, К; q_v удельное энерговыделение в материале чувствительного элемента, Вт/м³; C_v удельная теплоемкость материала чувствительного элемента, Дж/(м³ К); l_н нормированный на единичный начальный скачок температуры интеграл результата регистрации зависимости температуры чувствительного элемента от времени, с. При этом предполагается, что отсчет регистрируемой температуры чувствительного элемента ведется от нулевого значения, т.е. что температура чувствительного элемента непосредственно после импульсного нагрева ТЭП равна скачку Т_о в процессе импульсного нагрева. В чувствительном элементе ТЭП, помещенного в активную зону ядерного реактора, за счет поглощения излучений индуцируется энерговыделение, которое приводит к тому, что температура чувствительного элемента выше температуры стенки отверстия в объекте, куда вмонтирован ТЭП. Это превышение, представляющее собой методическую погрешность, является итогом теплового баланса: накопления тепла за счет энерговыделения и его стока в объект. Интенсивность отвода тепла определяется условиями теплообмена между чувствительным элементом и объектом. Для адекватного учета этих условий и генерируется дополнительное энерговыделение в чувствительном элементе пропусканием импульса электрического тока через термоэлектроды. Проводимая непосредственно после импульсного нагрева чувствительного элемента ТЭП регистрация зависимости температуры чувствительного элемента от времени необходима для того, чтобы по характеру его охлаждения оценить реальные условия теплообмена между ТЭП и объектом и учесть эту оценку при определении поправки на методическую погрешность, обусловленную наличием радиационного энерговыделения в материале чувствительного элемента ТЭП, в отличие от прототипа, где результаты определения параметров теплообмена между термоэлектрическим преобразователем и объектом, выражаемые показателем тепловой инерции ТЭП в его рабочем положении, используют для оценки динамических свойств ТЭП и характеристики качества его заделки в объект. Интегрирование зарегистрированной зависимости температуры чувствительного элемента от времени необходимо, поскольку именно интеграл от этой зависимости, нормированный на ее единичный начальный скачок, адекватным образом отражает реальные условия теплообмена между чувствительным элементом и термометрируемым объектом. Действительно, если на поверхности чувствительного элемента ТЭП или на стенке отверстия в термометрируемом объекте, где ТЭП установлен, имеются выступы и включения, которые препятствуют плотному прилеганию чувствительного элемента к объекту, то сток тепла от чувствительного элемента, индуцированного в ТЭП пропусканием импульса электрического тока через его термоэлектроды, будет слабым, и зарегистрированная температурная зависимость чувствительного элемента от времени будет слабо убывающей. Соответственно интеграл от функции, описывающей зарегистрированную зависимость, равный площади между графиком этой зависимости и осью времени и нормированный на единичный ее начальный скачок, будет относительно большим. Согласно формуле (1) значение методической погрешности будет также большим. Если же поверхности чувствительного элемента и отверстия в объекте гладкие и контакт между ними плотный, то сток выделившегося в чувствительном элементе тепла будет интенсивным, и зарегистрированная температурная зависимость чувствительного элемента от времени будет быстро убывающей. Малым будет в этом случае интеграл от функции, описывающей зарегистрированную зависимость температуры чувствительного элемента от времени, нормированный на единичный ее начальный скачок, и соответственно малой будет поправка на методическую погрешность, вычисленная по формуле (1). Таким образом, использование интеграла от зарегистрированной зависимости температуры чувствительного элемента от времени обеспечивает адекватный учет комплекса упомянутых факторов, определяющих условия теплообмена между чувствительным элементом и объектом. Нормирование полученного интеграла на единичный начальный скачок (единичное начальное значение) зарегистрированной зависимости температуры чувствительного элемента от времени необходимо, поскольку по предлагаемому способу таким нормированным на единичную начальную температуру интегралом l_н выражается величина методической погрешности T_qv формулой (1). Фактически данный нормированный интеграл представляет собой интеграл от импульсной функции K(t; ), которая описывает охлаждение чувствительного элемента ТЭП, получившего за счет его -импульсного нагрева в момент времени t скачкообразное приращение температуры на 1 К по отношению к температуре окружающей среды, которую можно принять равной нулю. Такое скачкообразное приращение температуры получают импульсом электрического тока, пропускаемого через термоэлектроды ТЭП. Однако регистрация столь относительно малого изменения температуры наиболее широко применяющимися на практике средствами сложна. Кроме того, заранее установить режим нагрева чувствительного элемента импульсом электрического тока, обеспечивающий приращение его температуры равно на 1 К, также сложно. Поэтому пропусканием импульса электрического тока по термоэлектродам осуществляют импульсный нагрев чувствительного элемента, сообщая ему начальное скачкообразное приращение температуры на 20-50 К. В процессе охлаждения чувствительного элемента регистрируют зависимость его температуры от времени, затем интегрируют эту зависимость и полученный результат нормируют на единичный начальный скачок (единичное начальное значение) зарегистрированной зависимости, таким образом получая требуемое значение интеграла l_н от импульсной функции. В порядке обоснования предложенного способа рассмотрим общий случай, когда ТЭП, рабочая часть которого имеет форму тонкого стержня радиуса r, помещен в отверстие, выполненное в термометрируемом объекте, находящемся в активной зоне ядерного реактора при температуре (t). Температура T(t) его чувствительного элемента при этом описывается уравнением + T(t) + (t) (2) при начальном условии T(0) T_o (3) где определяется выражением где r радиус чувствительного элемента, м. Общее решение задачи (3)-(4) имеет вид T(t) K(t; ) + ()d+T_oe^-t (4) где под знаком интеграла импульсная функция K(t; ) = e ^-(t-)является решением уравнения dK/dt+ К 0 при начальном условии К( ; ) 1 и описывает процесс охлаждения чувствительного элемента после его мгновенного импульсного нагрева в момент времени t на величину Т_о 1К, причем можно принять Т_о 0. На практике такой нагрев осуществляют импульсом электрического тока, пропускаемого по термоэлектродам. Если ТЭП при этом находится в рабочих условиях, то по скорости его охлаждения, которая характеризуется скоростью убывания, импульсной функции, можно судить о качестве контакта между чувствительным элементом ТЭП и объектом. В реакторных условиях при наличии радиационного энерговыделения скорость убывания импульсной функции качественно характеризует величину методической погрешности T_qv. Для количественной оценки T_qv на стационарном режиме работы реактора (qv, const t _ ) из выражения (4) получаем T()- T_qv= m K(t; )d (5) или обозначив m K(t; )d I_н, из соотношения (5) получим формулу (1). Такое экспериментальное выявление параметров теплообмена между термоэлектрическим преобразователем и объектом обеспечивает их адекватный учет при оценке методической погрешности и, следовательно, повышение точности определения истинной температуры объекта в активной зоне ядерного реактора. На фиг.1 показана блок-схема установки для осуществления способа. Установка состоит из блока 1 контроля термоэлектрических преобразователей (БКТ); блока 2 измерения переходных характеристик ТЭП (ИПХ-ТЭП); цифропечатающего устройства 3 (БЗ-15М). Блок БКТ включает в себя коммутатор 4, регулятор тока 5 и источник питания 6, а блок ИПХ-ТЭП содержит дифференциальный усилитель 7, аналого-цифровой преобразователь 8, регистр числа 9, оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) 10, регистр ввода 11, выходные формирователи 12, генератор 13 импульсов нагрева, генератор 14 тактовых импульсов, регистр 15 суммы, устройство 16 управления и источник 17 питания. Управление работой всей установки осуществляет блок 16. Функциональная схема блока 16 приведена на фиг.2 и включает в себя триггер D1, управляемый кнопками "Пуск" и "Стоп". Этот триггер включает режим измерения. При этом запускается генератор 13 импульсов нагрева, генератор 14 тактовых импульсов, ОЗУ 10 переводится в режим приема информации, обнуляются регистры числа 9 и суммы 15. По окончании процесса измерения триггер D1 переводится в исходное состояние сигналом "Сброс", поступающим из регистра адреса, входящего в состав ОЗУ 10. Триггер D8 управляет кнопками "Выход" и "Стоп", обеспечивает режим вывода информации на цифропечатающее устройство (ЦПУ) 3. Этот триггер переключает ОЗУ 10 в режим вывода информации и включает ЦПУ 3. Триггер D16 переключает выход регистра 11 с регистра суммы 15 на ОЗУ 10. Остальные логические элементы обеспечивают формирование соответствующих управляющих элементов. Способ осуществляется следующим образом. Подключают контролируемый ТЭП к выходным клеммам блока БКТ, необходимая величина тока нагрева выставляется регулятором тока 5 в режиме контроля, включается режим измерения. В режиме измерения коммутатор 4 подключает ТЭП к источнику переменного тока 6 через регулятор тока 5 на время, определяемое генератором 13 импульсов нагрева, по окончании импульса нагрева коммутатор 4 подключает ТЭП к дифференциальному усилителю 7. Усиленное напряжение остывающего ТЭП оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 8 с частотой дискретизации 50 Гц, заносится в регистр числа 9 и суммируется в регистре суммы 15. Из регистра числа информация заносится в ОЗУ 10, которое запоминает все 511 отсчетов режима измерения до начала следующего измерения или до выключения питания. В режиме вывода информации включается ЦПУ 3 и по его запросу в регистр вывода 11 записывается информация сначала из регистра суммы 15, а затем из ОЗУ 10, которая через выходные формирователи поступает на ЦПУ 3. На ленте цифропечатающего устройства 3 слева печатается четырехразрядный адрес числа, а справа первое шестиразрядное число суммам всех отсчетов (интеграл), последующие 511 трехразрядных чисел текущие отсчеты. Генератор 14 тактовых импульсов и устройство управления 16 формируют необходимые сигналы, управляющие работой всей установки. Источник питания 17 обеспечивает блок ИПХ-ТЭП стабилизированным напряжением: 12 В, 5 В, -12 В. При этом для заданного начального скачка температуры Т_очувствительного элемента величину подаваемого тока i находят из соотношения i (6) где С_т удельная теплоемкость термоэлектродов, Дж/(Км); R_п суммарное погонное омическое сопротивление термоэлектродов, Ом/м; _имп длительность импульса электрического тока, с. Далее снимают с ленты цифропечатающего устройства значения интеграла l от зарегистрированной зависимости температуры чувствительного элемента от времени, а также снимают начальный скачок температуры Т_о чувствительного элемента и вычисляют отношение интеграла к начальному скачку температуры, равное l_н I_н= Вычисляют значение методической погрешности по формуле T_qv= I_н. Определяют истинную температуру объекта как Т_изм- T_qv. Описанный порядок операций обеспечивает учет комплекса факторов, определяющих теплообмен между чувствительным элементом и объектом, что повышает точность определения истинной температуры. Проверка возможности реализации предлагаемого способа и оценка достигаемой им точности по сравнению с известными проведена для ТЭП градуировки ВР 5/20 на исследовательском реакторе ИВВ-2М в среде азота при температуре фазового перехода химически чистой меди (= 1083^оС). Исходные данные для расчета T_qv:qv1,03 10⁷ Вт/м³; C_v 3,03710⁶Дж/(м³К); r 1 10^-3 м; коэффициент теплопроводности азота _N2 7,210^-2 Вт/(мК); величина зазора h между чувствительным элементом и объектом находится в пределах 0,01-0,1 мм; расчетное значение коэффициента теплоотдачи , оцененное приблизительно как _N2/h, находится в пределах (7,26-0,73)10³ Вт/(м²К). Расчетное значение T_qv, вычисленное по известному способу находится в пределах 7,1-71,2 К. Для оценки T_qv по предлагаемому способу ТЭП ВР 5/20, предварительно помещенный в тонкостенный молибденовый капилляр, устанавливали затем в медный блок. Нагревали чувствительный элемент импульсом электрического тока, пропускаемого по термоэлектродам, длительность которого _имп выбирали из условия _{имп 0,63}, где _0,63 постоянная тепловой инерции ТЭП в медном блоке, что обеспечивало малость нагрева среды по сравнению с нагревом чувствительного элемента. При _0,63 1,0 c _имп 0,05 c. Начальный скачок температуры Т_о выбирали равным пятикратной величине инструментальной погрешности Т_инстр ТЭП, что обеспечивало надежную регистрацию зависимости температуры чувствительного элемента от времени при его охлаждении. При Т_инстр 4 К Т_о 5 Т_инстр 20 К. Для ТЭП ВР 5/20 среднее значение суммарного погонного омического сопротивления Rп термоэлектродов диаметром 0,35 мм составляет примерно 4,0 Ом/м, удельная теплоемкость термоэлектродов С_т 0,5 Дж/(К м). По формуле (6) находим, что величина рабочего импульса тока i 5 А. Снимали и интегрировали зависимость температуры чувствительного элемента от времени с помощью "Измерителя переходных характеристик". Величина интеграла, нормированного на единичный начальный скачок температуры составила 0,547 с. Вычисляя поправку на методическую погрешность по предлагаемому способу с помощью формулы (1), получим T_qv 18,6 К. Контроль точности оценки T_qv, полученной по предлагаемому способу, проводили на исследовательском реакторе ИВВ-2М. Медный блок с помещенным в него ТЭП устанавливали в облучательное устройство, которое затем загружали в активную зону реактора. На номинальной мощности реактора медный блок расплавлялся за счет радиационного энерговыделения, при этом его температура составляла 1083^оС, а измеренное ТЭП значение Т_изм составило 1103^оС. Экспериментальное значение T_qv Т_изм- 20 К. Определенное по предлагаемому способу значение T_qv отличается от экспериментального на (-1,4)К ( 7%), а найденное по известному способу на (-13 +51)К ( -65 +250)% Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивают повышение точности определения температуры объекта, находящегося в условиях активной зоны ядерного реактора.

Формула изобретения

Способ определения температуры объекта в активной зоне ядерного реактора, включающий нагревание чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя в активной зоне ядерного реактора пропусканием импульса электрического тока через его термоэлектроды, определение параметров теплообмена между термоэлектрическим преобразователем и объектом, определение поправки на методическую погрешность и вычисление разности между показаниями термоэлектрического преобразователя и поправкой на методическую погрешность, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения температуры объекта, при нагревании чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя регистрируют зависимость температуры чувствительного элемента от времени, интегрируют результат регистрации зависимости температуры чувствительного элемента от времени, и нормируют полученный интеграл на единичный начальный скачок этой зависимости, а определение поправки на методическую погрешность осуществляют по математическому выражению где q_v удельное энерговыделение в материале чувствительного элемента; C_v удельная теплоемкость материала чувствительного элемента; I_н нормированный на единичный начальный скачок температуры интеграл результата регистрации зависимости температуры чувствительного элемента от времени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002