UJV2492*R,Á \ ČESKOSLOVENSKÁ AKADEMIE VÉD ÚSTAV JADERNÉHO *E 2 VÝZKUMU И. KRVÍ.OVA v v MERENI PILATACE PALIVOVÉHO &ANKU PU SMYČKOVÉM EXPERIMENTU S MOPELEM ŽEBROVANÉHO TRUBKOVÉHO &&IKU IrffORMAČNÍ ÍI*IDtíKO
NUCLEAR RESEARCH INSTITUTE Ш - CZECHOSLOVAKIA INFORMATION CÍNTtt
HELENA KUYLQVÁ II&lENÍ ailatage TALIVOVČHC ČLÁNKU nli SMYČISOVL:: EXPERIMENTU S MODELEM ŽEBROVANÉM ТИШЯ;ОУЕНО ČLÁNKU červen 1970
Obsah ; 1. Úvod 2. Popis měřícího zařízení 3. Postup měření 3*1 Nastavení počátečního stavu dilatoměrů 3.2 Měření dilatací při neaktivním provozu 3*3 Měření dilatací při aktivním provozu 4. Zhodnocení naměřených údajů 5» Provozní zkušenosti a závady ovlivňující při měření 6. Závěr Literatura Obrazové přílohy
- 1 - Úvod. У předkládané zprávě jsou zhodnoceny dva typy indukčních snímačů dilatosrfcrů pro zjišťováni délkových změn palivových elementů* jejichž funkce b\la ověřována při smyčkovém experturienf u s žebrováným palivovým článkem* Je zde sledována jejich citlivost, závislost ua teplotě a na dilatacích konstrukce, jejich konstrukční provedeni a elektrická spolehlivost. Výslední» údaje obou typu jsou vzá jemně pcrovjíávvny. Experiment nfcbyl z.imčřen přímo na stanovení změny délky článku, pro*o režiii pokusu nemohl být podřizován požadavkům, které by byly optimální pro správné měření dilatací článkti* Získané údaje v tomto pokusu nejsou tedy vždy pro výhod?ocení dilatací nejpříznivější, j*ou však dostačujícím kazatelem vlastností prověřovaných dilatačních systémů i ukazatelem vedlejších vlivu, pu sol/cích při měření dilitací» Kromě ověřování vlastností uvedpaých typů éilatoměrů, je zde ssměřena pozornost na /lepšení metodi-y měření dí lata с V pro dělní experimevoy. Jsou sledován> nepříznivé vlivy, I.terč mohou údaje dilatomarfi zkreslovat, ozebrány jejich příčiny i následky a doporučeny některé zá%vy pro příští práce. /
2 % Popis mařícího zařízeni» Při radia&nrin experimentu s trubkovým žebrovaným článkee bylo použito pro měření dilatace článku dvou systémů dilatoroěxů: 1* Dva indukční snímače dle obr* 1 jsou upevněné v hlavě kanálu* Jejich jádra jsou invarovými dráty připojena na oba kcnce trubkového článku* Cívky indukčního snímače jsou zapojeuy na ukazovací přístroj El? 2-02 a současně na bodový zapisovač Pelyсотр. Změna délky palivového článku j určována rozdílem údajů těchto dilatosěrů* Indukční snímač je popsán ve zprávě ll 8 tímto typem dilatonerů bylo již měřeno při creepovém experimentu a výsxedky jsou uvedeny ve zprávě [4] 2» Pro vyloučeni dilatací drátu a případně konstrukce» kteru se projevují při systému 1» byl navržen systém indukčního snímače přímo spojeného s palivovým článkem* 0 tomto dilatoměru pojednává zpráva [2] * Hliníková cívka indukčního snímače je spojena nerezovou trubkou s horním koncem palivového článku v aktivním prostřed! zkušebního kanálu (obr,l)* Jádro je pevně uchycené na trubce záťesu článku a upevněné na spodním konci článku* Poloha cívky seraěnlvzhledem к poloze jádra v závislosti na dilataci palivového článku* Tento indukční snímač je můstkově zapojen s indukčním snímá* čem stejných elektrických vlastností v panelu v laboratoři a napájen vf generátorem* Můstek se vyrovnává ručně mikrometrickým šroubem, na jehož počitadle se odečítá změna polohy jádra v cívce* U obou systémů je třeba odečtené údaje přepočítat na hodnoty v míli* use třech dle cojchovních křivek.
- 3-3* Розtup měření 3,1 Nastavení počátečního stavu dilatomérů. Fred vložením kanálu s palivovým článkem do reaktoru bylo nutné aaatavit Jádra indukčních snímačů vzhledem к cívkám do pevné počáteční polohy a odečíst odpovídající hodnoty, i*j* nulovou polohu* U diiatoiuěrů v hlavě kanálu * 0, a B 0 - byl střed jader nastaven do středu cívek, což odpovídalo hodnotě 50 dílku na ukazovacích přístrojích EIY 2-02, Celkový rozsah stupnice 100 dílků odpovídá změně polohy snímače o 15 шш, i.j* 1 ЙШ ~ 6,66 dílků* Jádra snímačů byla invarovým?. dráty v měděných trubičkách připojena na oba konce palivového článku, takže frejchovní móřeaí na konstrukci nemohlo být již provedeno* Pilatcměr vnitřní ~ D3 - je snímač s měřícísi rozsahem 15 lita* Střed jádra byl v hliníkové cívce nastaven téměř jua. herní mez rozsahu* t.j. 7 mm od středu c?'vky* Předpokládal зе řúst palivového článku - pohyb cívky směrem nahoru a tím relativní pohyb jádra ku středu cívky* Při temto nastavení byl můstek vynulován a bylo provedeno cejchování* Prodlužování článku bylo nahrazeno podk.lác2<níri klínu pod horní mřížku» která doléhá na článek a nese trubku s cívkou D3. Tím byl simulován pohyb článku po l mm v celém rozsahu snímače* Popis a cejchovu:, křivky tohoto dilatoměru jsou uvedeny ve zprávě [2] 3.2 Měření diištaci při neaktivním provozu* Přod spuštěním aktivního experimentu byl po dobu 'Jí ůnů ověřován neaktivní provoz smyčky* Po tuto dobu byly ьledovány teplotní vlivy v kanálu a současně i funkca dilatomenu, jejich zapojeni a citlivost*
~ 4 - Hodnoty dilatoaorú byly odečítány při tepelném rozsahu v kanálu 3G-65 C a při různých průtocích chladícího plynu«tím byla získána závislost údajů dilatotiěrů na гшёиё teploty článku» Údaje DS nevykazují velký rozptyl od původně naetevené nulové polohy. U D2 byl zjištěn obrácený saiysl zapojeni» Proto byla cívka US přepojena, čímž se zřejmě posunula též původně stanovená nulová hodnota* Z naměřených údajů můžeme stanovit nulovou hodnotu Dl = 47 3 D2 = 53. Rozdíl 6 dílků proti původně nastaveným hodnotám (50) způsobilo jednak již uvedené přepojení cívky D2 a dále.achlo být způsobeno mechanickými otřasy při vkládání konstrukce do experimentálního kanálu a vyrovnáním invarových. drátů působením průtoku plynu«3.3 Koření dilatací při aktivním provozu. Na začátku experimentu byl výkon reaktoru postupně zvyšován a vyšších teplot Článku bylo dosaženo až po několika dnech. Během provozu byly podle možnosti zachovány stabilní parametry při výkonu reaktoru 4 MW a teplotě článku kole» 400 C. Ku konci experimentu se po dobu 5 dnů provádělo tepelné cyklování článku. Všechny měřené iidajs, t*j. teploty» tlaky plynu a údaje dilatorrů byly zaznamenávány po jedné hodině. Pro vyhodnocováni Silatoměrů byla vybrána jako referenční teplota článku I- 9 měřená termočlánkem na povrchu v?iií3tě předpokládané maximální teploty článku, fidaje dílatoměrů ukazuji změnu délky článku, způsobenou jeho tepelnou roztažnostíp sledovanou při teplotě článku I,. Uěhem experimentu při změně výkonu reaktoru a při tepel- ÍÍ' ^ cyklování docházelo ke změně údajů dilatoméru, které nesrovnávaly Б charakter i jtikou při stabilním provozu, nebo při pomalé změně výkonu reaktoru.
5 «- Tepelné cyklování článku, postupně ovlivňovalo měřené hodnoty» nelze vsak c. okázat, že zjištěné nižší účaje odpovídají zkracovací článku. Jo pravděpodobné, ie při tepelných zněnách { bobem jedné hodiny 2x změna teploty článku ze 4O0 C na 1B0 C) údaje termočlánku a dilatoměru nevyjadřují přesně skutečný ustálený sta* e Jelikož není zaáoo v těchto nestabilních případech rozložení teplotního pole článku,, je možné, že referenční teplota T, nevyjadřuje správko teplotní роиёгу a tíui i teplotní roztažnost čláikiu Z toho důvodu mohou být údaje dilatoměru i termočlánků poněkud zkreslenée 4«Zhodnoceni měřených údajů с Z průběžného slodováaí tepelné dilatace palivového článku po celou dobu experimentu lze stanovit celkovou změnu délky článku* Údaje dilato&érů, kterč byly zaznamenávány po dobu experimentu jsou vyneseny v obr* 3 a 4, kde vykazují růst v závislosti na teplotě článku T 2 od 20 do 400 C. Nižší teploty článku JGOU zachyceny jen při postupném zvyšování výkonu reaktoru od 0 do 4 Ш, kdy byla také postupně zvyšována teplota vstupního plynu Tg, případně změněn průtok plynu» líejvíce údajů je získáno při stabilním výkonu reaktoru л Ш, teplotě článku? x 380-400 C, teplotě vstup, plynu? 6 80-90 C, výstup plynu T 5 90-100 C* Při tomto stabilním výkonu a ustálených parametrech je možno považovat údaje dilatojsěru i termočlánků za spolehlivé, s rozptylem odpovídajícím jen změnám teploty plynu* Na obr > 5 jsou porovnávány údaje obou typů dilatoměru při stejních stabilních teplotních podmínkách v časové závislosti na době vyhoření článku* Při výkonu reaktore 4 ДО vykazují údaje D3 v prvé polovině experimentu (do 600 expos hodin) шопзд rozptyl než údaje D2 - Dl.
- 6 - У druhé polovino experimentu dochází к mechanickým závadám - u D. a D 0 skokové změny* U D«závada v elektr* propojení с Jsou to vlivy t které znemožňuji správné zhodnocení údajů» Údaje při nižších teplotách článku (50 ) jsou zaznamenávány jedině ve činech odstavení redaktoru * na obr «5 znázorněno svislými čarami»? těchto případech docházelo u obou systémů dilatoměrň к velkému rozptylu odečítaných hodnot» protože při jednotlivých odstaveních reaktoru nebyly vždy dodržovány stejné podmínky* Údaje jsou ovlivňovány jednak mechanickými závadami, dále působením ohříváku plynu 9 změnou průtoku plynu a přípa <lně vypnutím chlazeni, Idy dochází v kanálu ke změně směru proudění plynu vlivem autoconvekce a tím obrácení charakteristiky tepelné závislosti ( viz obr 0 2)* Vliv ohříváku působil, velcii nepříznivě zvláště na funkci D l a D 2 # ^yšší teplotou plynu se protáhne konstrukce která způsobí relativní pohyb jader v cívkách D- a Dg směrem к vyšším hodnotám* Po vypnutí ohříváku se jádra vrací pomalu na původní hodnotu, v některých případech již trvale zůstávají na vyšších hodnotách; na obro 5 jsou skokové změny rozdílů dílků Dj-D 2, způsobené zřejmě mechanickými závadami» Jelikož údaje byly ovlivňovány výše uvedenými vlivy, není možné přesné etauovit zrněnu dilatace článku při studeném stčvv* Skutečnosti nejblíže odpovídají ty. ůů&je 9 které jsou odečítány po delším odstavení a jseuu srovnávány vždy za stejných provozních podmínek, nebo po delřím ustálení všech teplot ve smyčce í na obr* 5 plné body při WB «0)o Vezmeme-li v úvahu j ел tyto srovnatelné etavy u obou systému dilatoměrň, m&žeme dospět к závěru, že ne délka článku během experimentu zřejmě nezměnila* Na obr* 5 jeou tyto údaje áilatoměrú při WB» 0 a T, * 50 C, blížící ее
- 7 - к původně stanoveným nulovým hodnotám. Tyto srovnatelné naměřené hodnoty u 0~ se od začátku do konce experimentu pohybují v rozptylu 0,08 mm od nulové hodnoty» 5» Provozní zkušenosti a závady ovlivňující měřeni* Z uvedeného rozboru výsledků měření vyplývají některé nepříznivé vlivy, které zanášejí chyby a zhoršují kvalitu měroní. Jako nahodilé chyby s malou statistickou věrností je n-ožno zařadit náhlé skokové změny údajů, zejména u D, a D^» Přímé údaje dilatoměru D, a D 2 jsou vyneseny na obr. 6* při WR - 4 Ш а Tčlj kolem 400 C. Zde je patrný vliv ohříváku, který způsobí ohřátím plynu protažení konstruk - ce a tím pohyb jader D, a D 2 к vyšším hodnotám» Po opětném dosažení stabilních teplot se údaj D 2 pomalu vrací» později s průběhem experimentu zůstává na vyšší hodnotě» Tyto vlivy náhlé změny teploty se projevují i u D, a není vyloučeno, že změny údajů u D.^ ( na obr. 5 v období nejistých údajů D«způsobených elektr* propojením) mohou mít stejnou příčinu* Způsob щн-ivněnx drátu к D, а Dn а upevněni D 3 je na obr.l. Při prodlužování článku vlivem teploty společné se článkem jde uahoiu i rošt s upevněnými čidly dilatoměru» který na článek jen doléhá, ale není s ním pevně spojen* Není vsak zaručeno, že při opačném pohybu jde i rošt společně ze 3 článkem zpět» Je možné,při rychlejší změně teploty zůstává rošt odtržen od článku p vlivem omezené pružnosti svazku drátů a termočlánků, které jsou na něm upevněny* Kromě této možné závady, mohlo docházet i к zadrhnutí у invarových drátků na hladičkách neb a* ochranných trubkách vlivem nečistot, které se v kanálu na povrchu materiálů usazuji» Z uvedených údajů vyplývá* že s průběhem experimentu &c tyto závady vyskytují Častěji. což odpovídá zhoršovaní podmínek vlivem narůstáni nečistot»
- 8 «Při likvidaci kanálu po experimentu bylo zjištěno, že olej 9 který se dostává z kompresoru do okruhu byl re značné míře připečen právě nejvíce na palivovém článku a v jeho okn.íí Tato okolnost je zřejmě příčinou narůstání systematických chyb, zejména ve druhé polovině experimentu» Do skupiny systematických chyb přispívá také teplotní závislost D«o Hliníková cívka čidla D 3 byla upevněna v aktivním prostředí в kde teplott vstupního plynu se měnila od 25-110 C* Cívka byla předběžně tepelně ocejchována a podle změny ohmického odporu vinutí byla stf.iovena její teplota, Děhem experimentu vsak nebylo možno stzle její odpor měřit, byla ; *oto vzata v úvahu p přepočten: údajů D^ teplota vstupního plynu T g,7 v okolí cívky* Orien učni údaje odporu cívky, které byly zjištěny během experimentu >ři různých teplotách Tg,7 byly porovnány původní cejchovní zsúsiostí a lišily se o hodnotu odporů přívodních drátů* Připočtením pak byla zjištěna závislost teploty cívky r* ter.i«jtě vstup, plynu T«,7 (obr.do Při vyhodnr-íování údajů Г.., ze záznamů byly všechny hodnoty přepočítá vzhledem к teplotě plynu podle cejch -křivky na obr c 8. Jeliko- nulová poloha jádra 1) л byla původně nastavena na horní mes ozsahu čidla, kde právě závislost na teplotě je největší í /iz zpráva 2 ) 9 a po celou dobu experimentu se jádro snímače pohybovalo v této oblasti { z celkového rozsahu 15 mm bylo po dobu moření využiti 10'*),, jsou údaje uilatoměrů ovlivněny a i po korekci na vliv teploty není dosaženo takové přesnosti, jaká by byla při nastavení jádra doprostřed rozsahu* Tato skutečnost zejména ovlivňovala údaje, odečítané při odstaveních reaktoru, kdy údaj dilatoměrt* přesahoval i přes horní тег rozsahu» Pokud se týká vlastností vnitřního snímače D^, není dokázáno, zda se tyto vlastnosti změnily. Ohmický odpor cívky vnitřního snímače byl během experimentu kontrolován a nezměnil se. Připouští se změna permeability vlivem ozářeni železného jádra, která by mohla způsobit změnu výstupního napěti z můstku a tím změnu údajů IV
- 9 Po skončení pokusu nebylo možné si ověřit vlastnosti snímače D» 0 ani provést nové ocejchováni vzhledem к velmi vysoko aktivitě* Pokles charakteristiky D 3 na obr, 5 mohl být způsoben uvedenými mechanickými závadami, nebo dosud neprověřenou změnou vlastností indukčního snímače. Ve vyznačeném období ovlivňovala údaje elektr* závada» Ručkové měřidlo u měřícího systému Dg po několik dní při stabilním provozu vykazovalo značnou odchylku» případně skokové změny. Bylo to způsobeno závadou ve spojeni přívodního vedení od snímačů» což bylo opraveno Závěr> Z rozboru měření vypi$vá že dilatoměry D, a D^ se ukázaly velmi závislé na teplotních poměrech v kanálu a náchylné к mechanickým závadám vzhledem к délce kanálu a jeho složitější montáži* Jejich údaje vykazují proto značný rozptyl. Jako přesnější a méně závislý na nežádoucích vlivech» t«j«na dilatacích konstrukce a mechanických závadách se jeví systém dilatoměrů s čidlem uvnitř měřícího kanálu - D«* Není však znám ještě vliv ozáření na vlastnosti a stabilitu indukčního snímače* Přesnost údajů D» v tomto experimentu i přes uváděné nepříznivé podmínky se pohybovala při stabilním provozu v požadovaných mezích ( dle zprávy 2 )«iiužeme předpokládat, že při zlepšení metodiky měření a odstraněni uváděných závad se přesnost měření podstatné zvýši* К zlepdení metodiky měření dilataci a spolehlivějším výsledkům by měly přispět následující závěry t 1* Přesně stanovit měřici rozsah snímače podle předpokládaného rozsahu měřených hodnot* Využít pro měření
- 10 - střední oblast lineární části charakteristiky indukčního snímače, tím se zároveň přesune měřicí rozsah do oblasti nejmenší závislosti čidla na teplotě* 2» Závislost čidla na teplotě a stanovováni korekci zanáší do měření značné nepřesnosti* Vyřešení tepelné nezávislosti čidla neb alespoň zmenšení této závislosti přispěje к přesnosti měřeni a hlavně к zjednodušení při vyhodnocování údajů» 3» Zaručit stabilní elektrické vlastnosti celého měřícího systému po celou dobu během experimentu» Předem dobře znát změnu vlastností materiálů indukčního snímače v radiačním prostředí 9 4. Na spolehlivém určení referenční teploty a získáni přesné závislosti změny délky článku na jeho teplotě závisí výpoče celkové dilatace článku» Je proto nutné vhodně stanovit místo měření teploty» která by správně charakterizovala teplotové pole Článku a z něj vyplývající jeho prodloužení» 5» Před započetím experimentu při neaktivním provozu získat závislost prodlcužení článku na jeho teplotě a zejména opakovaným měřením při stejných parametrech kontrolovat stav nulové polohy dilatoměrů» Toto měření opakovat po krátkodobé» aktivním provozu s vyššími teplotami* Ověřování nulových hodnot provádět při každém dalším odstaveni reaktoru po ustálení teplotních režimu za přesně stejných pod* mínek«při těchto nižšíoh teplotních stavech získat co nejvíce údajů* 0» Během experimentu docílit reprodukovatelnosti všech parametrů při provozu 9 ovlivňujících měřeni dftatace* protože jen tyto údaje mohou být časově srovnatelné ; M vyhodnocování celkové dilatace Článku» 7» Konstrukci kanálu a uchycení čidla vyřešit tak. aby před experimentem byla možnost ocejchování čidla ш celým zapo-
11 - jením, jako při provozních podmínkách, t.j.» aby byla zaručena shodnost cejchovaných veličin s měřenými hodnotami» Vyloučit možnost od+rltm čidla od článku, zadrhováni systému a jiných mechanických závad.?* L i t e r a t u r a : 1 Mašek, Krejčí, Pelčík: Konstrukce experisu kanálu plynové smyčky reaktoru pro měření creepu proutk«článku» Zpráva CJV 2127 R (1969) 2 Krejčí.Pilát, í рек :- Dilatcmer pro ozařovací experiment s trubkovým palivovým článkem* Zpráva ÚJV - v publikaci. 3 Dorian.Mašek.Kadlec: Radiační experiment s modelem žebrovaného trubkového palivového článku* Návrh a příprava Zpráva 2371-RT (1970) 4 Pelčík,Novák: Radiační a postradiační vyhodnoceni prvního experimentu s mech» napínaným proutkem (creep)* Zpráva ÚJV ( v tisku)
Di a Dz invar, draly v měď. trubkách -joclro D3 cívka D3 nosná trubko cívky D3 teleskop uchyceni Dz -Fie/chva řrubka,/ uchyceni Dl ''У- 1 Zapojen/ cmoiomérů\ D1,D2a D3.,!
0.1 0,6. qs. л«^_ -. - * 12.12. ^ ^. + V- 8 * 1. v; % У,, konce ttper. o ptd cxpenmcnfem.- - * * -.x -.0,1. о,г VH.sohř. vijp.chlazeni * 16.2. Sohn zo 30 HO 50 A) 70 SO 1ZO Щ fcl 1%11. 4* # ; * «* ;:?#/. ffcjl * * - * 2 o г 40 -i 0 # nr- 50 io 70 40 *» ^ гл? /r; w Obr.Z- Údaje dllaiomírů. pfi \JR-0 i,. i í _... X
'Zf* ^cyklovaní Obr.3 -té/onkvf priwqmo-bmw koo
t O ^ 4f o 4.0 Ы o ty <w*>k?«t fa» 2- {u/wj+ /yyo njofd*} ши 'Ěijoy cffftufurtfo/rpfopn
12 Teti*380*C x XX x x X к x x M y 90* * x X X X X x *xl Л Z 4 skoková zrněna \D1 mechanická zavadá zavc { X X X X xx x * X *** x*x x x X X X 10- % 7#f 190*C >. ч * Tč l m 190 m C TU -5O 0 C WR*0 X x x x \o TStfJWC,TOr*190X WB*WIW **\* x*..i * r x * V x x x X x šp* ukázati!дз * * Xx X* XX í x «I f X T 0-Г V T#i*190X Tétf m SOX WR*0 V éep. cylefovani 200 boo 1000 axposicni o/oba Obr. 5. t t hod/2mw 3 /Zoo
?5-4?0 o o «T- A \?» o o o* tt- SS~ л» * > / ZOffHli x ohrr/dk ' phjnu. e wast o oe zvysem p&ioku pfynux x * x <x $ oaí * * *~1: ohř X*.X * x * T ť m x x* ** * x x ť^yo. cyklovánu V 200 w *» W /200 Obr. 6 - Údaje D 7 a 2>2 on' WR*ttMW - vliv teploty plynu ISoo 2 ** / exposicím, doba-9* hodlzhh/
8- cejchovni hodnoty з i 5- naměřené hodnoty při experimentu 6 odporem přívodu 20 50 t г ЮО Změna odporu cívky snímače D3 s teplotou'. Те,7 ptynu[ m C] teploty plynu i 6,0* ^ 6,81 to 7,f»» "Г 1 I I I I >' I 1 I I I I!'» 1 J I '. / - ' Korekce údajů D3 na teplotu cívky 2,0 růst článku [mm]