CZ0129228 RADIAČNÍ KALORIMETRY Jan Schettina, Hadingerová, Krepindl, Ve fy SKODA byly již v 70tých letech vyvinuty kalorimetry se kterými se realizovaly experimenty resp. měření jednak na výzkumných reaktorech a po té i na energetických reaktorech.v průběhu srovnávacích resp. kalibračních měření např. v IBJ SVIERK (Polsko), bylo prokázáno, že metoda kalorimetrických měření radiačního ohřevu je dostatečně přesná a kalorimetry ŠKODA byly na srovnatelné úrovni. Z důvodu nízké spolehlivosti a životnosti miniaturních snímačů teploty - plášťových termočlánků však nebylo možné uvedenou metodu dále rozvíjet tak aby se stala jednou ze základních pro využití v technické praxi. S vývojem technologií, které umožnily vyrábět kvalitní materiál pro snímače teploty a rozvojem metod svařování - elektronový paprsek resp. laser jsou dnes k dispozici prostředky, které dovolují zhotovit kalorimetrickou sestavu pro zvolenou geometrii a aplikaci. Proto bylo v roce 1995 na popud ÚJV ŘEŽ, započato s pracemi na vývoji kalorimetru pro měření rozložení radiačního ohřevu v kanále exp.smyčky RVS 3 - AZ reaktoru LVR 15. Konstrukčnímu návrhu, který musel respektovat určitá omezení vycházející z geometrie t.zv. suchého kanálu", předcházely výpočtové práce(provedl ing.němec CSc - ZČÚ). Pak byl zhotoven prototyp na kterém byly ověřeny technologické postupy - svařování a pájení. Tento typ kalorimetru vycházel z dřívějších variant, t.zv. axiální typ ozn.kl, u kterého množství generovaného tepla v měřícím tělísku je úměrné teplotnímu gradientu mezi dvěma termoelektrickými snímači fixovanými v přesně definovaných pozicích na měřícím tělísku-obr.č.l. Aby bylo možné provést kalibraci citlivosti, je tělísko opatřeno centrálním otvorem, ve kterém je isolovaně uložen odporový vodič pro elektrický ohřev. V průběhu kalibrace však bylo zjištěno, že výsledky neodpovídají výpočtovým hodnotám, rozdíly dosahovaly desítky %. Jedním z hlavních důvodů byla neznalost úrovně vakua ve vnitřním prostoru kalorimetru, resp. jeho úroveň v průběhu času, dále pak nízká přesnost určení axiální vzdálenosti měřících termočlánků na tělísku kalorimetru, která přímo souvisí s úrovní signálu kalorimetru. Bylo proto rozhodnuto zvolit tzv. radiální typ kalorimetru s vnitřním prostorem otevřeným (atmosféra),u kterého lze vlastnosti prostředí s ohledem na teploty okolí odhadnout resp. s nimi kalkulovat. Konstrukčnímu návrhu opět předcházely výpočtové práce, které provedl ing.němec CSc - ZČÚ. Pak byl zhotoven prototyp K2 - obr.č.2, na kterém byly ověřeny technologické postupy. Uvedený typ kalorimetru stejně jako všechny následující, má měřící tělísko opatřeno podélným centrálním otvorem s elektrickým ohřevem pro neaktivní kalibraci. Měřící tělísko bylo osazeno 2ks termočlánku, plášť lks termočlánku - 0 0,5mm typu K. V tomto případě výsledky kalibrace ukázaly dobrou shodu s výpočtem, mimo oblast kdy dt je blízké nule (nejistota = měřený signál). Pro přesnější znalost teplotních poměrů na kalorimetru byl u dalšího typu zvýšen počet termočlánků na 2+2 ks. Po té byly vyrobeny funkční vzorky ozn.k3+k4 -obr č.3. Pak následovaly elektrické kalibrace na modelovém zařízení v SJS -obr.č.4- v oblasti teplotních parametrů, které lze očekávat při realizaci měření na LVR 15 při provozu na výkonech 1+10 MW. Výsledky kalibrace -obr.č.5 - v dobré shodě s výpočtovými, poskytly hodnoty pro získání charakteristik, které byly pak použity při vlastním měření na LVR 15 - proměření výkonového profilu AZ změnou axiální pozice kalorimetru po výšce cca 600mm. Z výsledků měření bylo patrné, že kalorimetry jsou dostatečně citlivé a poskytují věrohodné a reprodukovatelné hodnoty. Na základě uspokojivých výsledků těchto měření a požadavku ÚJV ŘEŽ byl vypracován návrh nového typu kalorimetru pro měření vně AZ reaktoru LVR 15, kde je výrazně nižší intenzita záření (cca o 2 řády). Výpočtem byla určena geometrie kalorimetru ozn.typ K5 -obr č.6 a vyrobeny funkční vzorky. U tohoto typu byl minimalizován počet termoelektrických snímačů (lks na tělísku a 1 ks na plášti) z důvodu zjednodušení vývodu signálů sondy obsahující větší počet kalorimetru. Po té opět obvyklým způsobem provedena neaktivní elektrická kalibrace a získány kalibrační charakteristiky. Uvedený typ byl použit pro 2 různé varianty měření na LVR15. V prvém případě byla zhotovena kalorimetrická sonda - 5+1 - obr.č.7 osazená 6 kusy uvedeného typu kalorimetru, z nichž pouze poslední resp. nejvýše umístěný je kalibrační lze jej v průběhu měření napájet přesně dávkovaným elektrickým příkonem, t.zn. kombinovat radiační a elektrický ohřev. Uvedená sonda s kalorimetry fixovanými v přesně definovaných pozicích byla instalována do reaktoru LVR 15 a umožňovala tak Plzeň, 11.-12. května 1999 - seminář "Kalorimetry" 28
měřit výkonový profil AZ v těchto bodech. Tento soubor je stále v provozu, do dnešního dne po dobu cca 3000 hod - došlo ovšem k výpadku signálu u jednoho kalorimetru, zatím z nedefinovaných příčin. V druhém případě byl kalorimetr typu K5 použit pro zhotovení sondy osazené pouze 1 ks - obr.č.8,9. Toto provedení dovoluje změnou axiální pozice v suchém kanálu AZ" proměřit rozložení výkonového profilu AZ v přesně definovaných pozicích s libovolně zvoleným krokem posuvu. Cílem další činnosti resp. vývoje bylo ověřit technologické možnosti výroby miniaturních kalorimetru, které by v případě úspěšné realizace mohly doplňovat systém standardně používaných detektorů DPZ (SPD). Obecně lze tvrdit, že přednost kalorimetrického měření rozložení výkonu AZ reaktoru spočívá v jednodušší interpretaci výstupního signálu v porovnání s DPZ. Základní kriteria byla následující: uvedený typ kalorimetru resp.optimální z jeho variant musí prokázat při delším provozu ve výzkumném reaktoru dostatečnou životnost jeho komponent, přesnost, reprodukovatelnost a stabilitu výstupního signálu. Rozměry a citlivost kalorimetru pro využití v energetickém reaktoru typu VVER 440 musí dále splňovat tyto základní požadavky: kompletaci sondy se shodným počtem jednotlivých prvků - detektorů jako v KNI, které je osazeno 7 ks DPZ - obr. 10 - v zavedené geometrii kanálu bez jakýchkoliv změn a současně zajistit spolehlivý a dostatečně výrazný signál pro vyhodnocení. Dalším úkolem proto bylo řešit kromě rozměrové kompatibility technologii mikrospojů s použitím nového typu pájky NiPd místo pájky na bázi Ag, kterou nelze v AZ reaktoru dlouhodobě používat. Stejně tak bylo nutné navrhnout a výrobně ověřit technologické možnosti zhotovení miniaturních částí z materiálů - nerez a keramika, včetně povrchových úprav nutných pro termočlánkovou instrumentaci. Dosud používaná technologie pájení-fixace měrných spojů termočlánků není pro díly těchto rozměrů optimální. Proto byly provedeny zkoušky spojů s využitím laseru resp. elektronového paprsku. Oba uvedené způsoby mají své přednosti a lze je na základě získaných zkušeností pro tyto účely využívat. Na podkladě těchto výsledků byly postupně navrženy a zhotoveny další typy kalorimetru pod označením K7-^K11 - obr.č 11,12 v různých variantách, které by svými rozměry dovolovaly osazení kompletního kanálu KNI nebo variantu záměny s některou DPZ. Dosud nevyřešeným problémem je vyvedení zvýšeného počtu signálů standardní kabelovou trasou. V této etapě vývoje jsme se soustředili prozatím na řešení vlastního kalorimetru z hlediska technologie výroby, stability a odolnosti proti poškození na př.vlivem manipulací při zasouvání do zakřiveného měřícího kanálu. Z uvedeného důvodu byly proto u dalších variant nahrazeny keramické kroužky distancující měřící tělísko a plášť, kovovými dotykovými hroty, které spolehlivě fixují obě části i v těchto případech. Pro posouzení vlivu těchto změn na signál kalorimetru byla zhotovena varianta základní délky i dvojnásobné. Podle předpokladu je citlivost delší verze o cca 10% větší. Nevýhodou je větší možnost deformace střední části kalorimetru, kde jsou umístěny termoelektrické snímače. Obě uvedené varianty byly použity pro kompletaci sondy ozn. K8 -obr. 13 se kterou bylo provedeno exp. měření v ÚJV ŘEŽ. Výstupní signál se pohyboval pouze v rozmezí několika C, jelikož suchý kanál" v němž byla sonda instalována je vně aktivní zóny kde max. lokální výkon dosahuje pouze 0,05 W/gr. Předpokládaná úroveň výkonu v AZ energetického reaktoru je řádově vyšší. Tomu bude úměrný i výstupní signál, který lze snímat standardním způsobem a vyhovující přesností. V současné době je připraveno k experimentálnímu ověřování 6ks shodných kalorimetru typu Kil, aby bylo možné prověřit reprodukovatelnost vlastností (citlivost, spolehlivost) vlivem odchylek geometrie většího počtu kusů. Dále je nezbytné dlouhodobější ověření vlastností v podmínkách radiace i dynamického namáhání, na př. v aktivním kanálu experimentálního reaktoru LVR 15, před tím než bude možné uvažovat o využití v energetickém reaktoru. Další vývoj je pak závislý jednak na finančních prostředcích resp.požadavcích provozovatelů experimentálních reaktorů o specielní aplikace, které by vyžadovaly jiné typy než které byly dosud používány. Plzeň, 11.-12. května 1999 - seminář "Kalorimetry" 29
OBRAZOVÁ PŘÍLOHA K PŘEDNÁŠCE JANA SCHETTINY, HADINGEROVÉ A KREPINDLA Obr. 1 KALIBRAČNÍ KALORIMETR - AXIÁLNÍ (K1) Obr. 2 KALIBRAČNÍ KALORIMETR - RADIÁLNÍ ( K 2 ) r krytka keramika tcrraoíláoek 0 0,5 0 6,5 % termočlánek 0 0,5 tclisko el. ohřev i 1 1 : J S s 1\ r 1 \ termočlánek 0 0,5 keramika chladli Cu přívod \ svar_ Tť 06x 1 Obr. 3 KALIBRAČNÍ KALORIMETR - RADIÁLNÍ ( K3.K4 > 0 6,5 (crmočlinck 0 0,5 termočlánek 0 D,5 04 Plzeň, 11.-12. května 1999 - seminář "Kalorimetry" 30
SCHEMA KALIBRACE KALORIMETRU KALORIMETR OLEJOVÁ LÁZEŇ (PEC) BOCNIK EL. OHŘEV LÁZNĚ MĚŘICI ÚSTŘEDNA ORION ss ZDROJ ZDROJ Obr. 4 Plzeň, 11. - 12. května 1999 - seminář "Kalorimetry" 31
Obr. 5 Charakteristika kalorimetru - K4 70 i 60 Eso 5 i Teplota okolí -«-T=20'C -x-t=80 C e 40-30 - o a 1 20- O 0 i 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Měrný výkon P[W/gr] 0.8 0.9 1.1 KALIBRAČNÍ KALORIMETR TERMOČLÁNEK 0 0,5 PLÁŠŤ. VODIČ 01.5 Obr. 6 Plzeň, 11. - 12. května 1999 - seminář "Kalorimetry" 32
J _ Schema " suchého kanálu " a kalorimetrické sondy pro LVR 15. (p 1 ZX i,o, sonda suchý kanál (1)15,5x0,7 měřící + kalibrační 6 O O kalorimetry / měřící č.1+5 \ \ c A o o *~ r i L J r 3 100 4470 4490, Obr. 7 *18x1^? 1 100 o i i 1 t O o r L Plzeň, 11.-12. května 1999 - seminář "Kalorimetry" 33
KALORIMETRICKÁ SONDA (5+1 NOSNÁ TRUBKA! '!«PLÁST SONDY 6 - MĚŘÍCÍ + KALIBRAČNÍ 5 - MĚŘÍCÍ Obr. 8 Plzeň, 11. - 12. května 1999 - seminář "Kalorimetry" 34
KALORIMETRICKÁ SONDA SVORKOVNICE 012x1,5 015,5x0,7 TEPLOTA PLASTE-T2 TEPLOTA TĚLÍSKA-T1 Obr. 9 Plzeň, 11. - 12. května 1999 - seminář "Kalorimetry" 35
KOMPLET KNL-_WER440 ( NÁHRADA DPZ KALORIMETRY) O Ooo Kalorimeír 7 Tr 07,5x0,8 CD Kalonmetr 1 í Obr. 10 Plzeň, 11.-12. května 1999 - seminář "Kalorimetry" 36
KALORIMETR K7a PLÁŠŤ. VODIČ 01 TERMOČLÁNEK 00,5 MERICI TĚLISKO EL. OHŘEV Obr. 11 Plzeň, 11.-12. května 1999 - seminář "Kalorimetry" 37
KALORIMETR K9 PLÁŠŤ. VODIČ 01 TERMOČLÁNEK 00,5 MĚŘÍCÍ TĚLÍSKO EL. OHŘEV Obr. 12 Plzeň, 11. - 12. května 1999 - seminář "Kalorimetry" 38
IP9 2 O Kalorimetrická sonda - K8, K9, K9a í střed K9 střed K9a střed K8 100 100 100 Ti-0 7,5 x 0,8 ( kanál KNI ) x ^ x x x^^^^^^^^ If 45 5300 nosná trubka