公开/公告号CN113196417A
专利类型发明专利
公开/公告日2021-07-30
原文格式PDF
申请/专利权人 俄罗斯国家原子能公司;
申请/专利号CN201880099770.2
申请日2018-12-29
分类号G21C17/00(20060101);G01N29/04(20060101);
代理机构11243 北京银龙知识产权代理有限公司;
代理人丁文蕴;李平
地址 俄罗斯联邦莫斯科
入库时间 2023-06-19 12:02:28
本发明涉及核工程，可用于用液态金属冷却剂控制核反应堆区域上空间的状态。超声波控制系统的工作原理是基于超声波信号的激励和响应，超声波信号从位于燃料组件头部的上部水平和核反应堆旋转塞的下部水平之间的空间(受控间隙)的结构组件反射，由不透明的冷却剂冷却，例如液体钠。该系统用于检测在受控空间中(受控间隙中)，在重新加载操作期间旋转插头的障碍。
其中扫描超声束在水平方向上传播的系统被称为水平声视觉系统。它们用于获得位于或被困在由不透明液态金属冷却剂冷却的反应器的参区域上间中的物体的光学图像的类似物。反应器中光学不透明区域上空间的控制可以通过使用在液态金属热载体中传播的超声波来执行。在这种情况下，超声波信号适用于对光不透明的热载体(钠，铅等)的反应器，并且可以提供具有良好分辨率的物体的光学图像。
为了提高检测结构组件的可靠性，在核反应堆中安装了特殊的超声波反射器，并通过减少来自它的信号，判断是否存在落入超声波束范围内的物体。
通常，反应区域上空间的控制系统是考虑到特定反应堆的设计而开发的，并且如果没有与适应每个特定设备的区域上空间的设计特征相关的某些改变，则不能转移到另一个反应堆。
已知用于确定CPS器官下部和FA头之间的间隙的水平声音视觉系统(申请N°58-34799，日本)。该设备包含放置在杆上的超声波换能器，连接到超声波发生器并通过放大器与信号处理和识别装置，超声波反射器连接。在该设备中，带有超声波换能器的杆以恒定的角速度旋转，并在每次旋转后沿高度移动。在一个革命期间，超声波脉冲一致地发射，并且在它们之间的间隔中，它们接收反射的脉冲。
该技术方案的缺点在于，当从物体反射的射线不落入转换器的平面中时，并不总是能够确定区域上空间中是否存在物体。
已知一种用液态金属冷却剂超声监测核反应堆区域上空间中结构组件位置的系统(美国专利Ns4290849)，它包括一个用于发射和接收脉冲超声信号的超声换能器，入射超声波依次从附加超声反射器、主反射器和位于CPS器官和FA头之间的间隙中的物体(如果存在的话)反射，然后沿已经行进的路径返回到超声转换器。为了避免入射和反射超声波信号的干扰，反射器的平面被放置在与换能器不同的距离处。
在公知的技术方案中，对应于超声束从超声源到超声反射器和从超声反射器到超声接收器的路径的两条直线段被指示为检测到的障碍物的位置。与此同时，没有给出障碍物位于哪个分段上的答案。
该技术方案的目的是增加检测受控混区域上空间中的障碍物并确定位置的可靠性。
为了解决这个问题，在用液态金属冷却剂的核反应区域上空间的超声控制系统中，包括超声反射器和带驱动器的扫描超声机构，包含带密封超声换能器-在未耦合的CPS器官的下部标记和燃料组件头的上部标记之间的受控间隙中，超声反射器以环的形式制成，其上至少有一排垂直的圆柱形杆，该环附在围绕堆芯的隔热罩之一上，主要是最靠近核反应堆主体的隔热罩之一上，圆柱形杆排成一排的台阶小于组件之间的台阶(反应堆格栅的台阶)。
将超声反射器(带圆柱形棒的环)放置在离反应器容器最近的距离处的热屏上，可以控制标准结构的位置。它还提供了在区域上空间的整个受控体积中对旋转塞旋转的障碍的检测。
圆柱形杆以与此环中心相等的距离排列成行，并均匀地围绕其圆周(为了方便在从中心细胞扫描超声反射器的超声束时自动控制反射信号的水平):
圆柱形杆的高度是这样的，使得它们复盖燃料组件的头部的上部水平和反应器的旋转塞的下部水平和未耦合的CPS机构的下部标记之间的整个间隙。它们还提供在整个受控空间中执行逐层扫描的能力。
其中一个圆柱形杆位于与此环中心的选定距离处(相对于其他杆更小或更大)，并且通过超声扫描由回波脉冲的到达时间唯一确定。超声换能器的轴线方向以此杆为参考点方便取超声换能器的旋转角度，以便在扫描过程中更准确地计算其旋转角度。
圆柱形杆在环上排列成一排的步骤小于组件之间的步骤。否则(具有更大的步骤)，那些弹出组件将不会被检测到，当通过超声反射器的超声束扫描时，这些弹出组件将出现在圆柱形杆之间的内腔中。
在浮出水面组件没有复盖整个受控间隙的情况下，而是只将上部狭窄部分(头部)进入到一层超声波扫描的高度，头部的阴影可能会落入圆柱形杆之间的为了避免这种情况，下一排的圆柱形杆位于前一排的圆柱形杆之间的间隙中。
为了能够明确确定超声换能器旋转角度的参考点并在扫描过程中更准确地计算其旋转角度，其中一个圆柱形杆位于距此环中心的指定距离处。所选择的距离相对于其他条更小或更多。
圆柱形杆以这样的方式固定在环上，即它们位于穿过核心中心和远处燃料组件头部中心的线的延伸处。
圆柱形杆的侧面是粗糙的，例如呈十字形滚花的形式，这增加了圆柱形杆的反射率。它还确保在控制过程中，无论超声波换能器的位置(在受控空间的中心或外围)如何，都能将超声波信号返回到超声波换能器。
在反应器的长期操作期间，其组件的几何尺寸和形状改变，包括棒的成形圆柱形表面从垂直的偏差增加。这导致回波信号的幅度显着降低，结果导致检测到远处组件的概率降低。
粗糙度的存在增加了检测远处组件的可能性。
当在"大"反应器中使用区域上空间的超声检查系统时，最好在圆柱形杆的侧面上形成一个角度反射器，其具有返回入射到其上的超声束以相反方向返回的在形成超声反射器时，有必要在环上放置垂直的圆柱形杆，以便角度反射器的轴线指向环的中心。
作为圆柱形杆的侧面上的角反射器，制作了至少一个顶部具有直角的圆锥形凹槽，以通孔结束。直角的轴线与锥形凹槽的轴线和超声换能器的轴线方向重合并与圆柱杆的轴线形成直角。
圆柱形杆可以以两个(或更多)环行的形式布置，相对于彼此偏移，使得外行的杆相对于内行的相邻杆之间的环的中心的方向。
一种带驱动器的扫描超声波机构，包括带有密封超声波换能器(超声波信号的发射器和接收器)的承载杆，安装在位于反应器小旋转塞外围的FA过载通道下。此外，这种设备被放置在从反应器中取出嵌入式管道后释放的空间中，旨在用于在核心的中心放置环路通道或其他辐照设备。
圆柱形棒以一定的间距安装在环上，以便当它们交替扫描时，从相邻棒反射并到达超声换能器的超声信号在空间上至少在0.707的水平上重叠。这是为了避免丢失关于在指向相邻杆的方向之间的空间中存在障碍物的信息信号，例如关于弹出组件的存在。
圆柱形棒之间的台阶与组件之间的台阶和0.707水平的超声波束的直径有关，这取决于换能器的设备，所使用的超声波的频率，其在介质中的传播速度，以及到被照射物体的距离，即到相邻棒的距离，即圆柱形棒之间的台阶被设置为小于组件之间的台阶，并被选择为使从相邻棒反射的超声波在超声波换能器的接收表面上重叠。
这确保了在超声束的路径中存在障碍物的情况下存在信息性信号(来自超声反射器的信号的减少)。这与障碍物从超声波换能器出现的距离及其表面的斜率无关。
核反应区域上空间的超声控制系统由图示出。
图1显示了反应器的垂直部分，声音视觉系统的组件放置在旋转塞的外部，其中:
1-大旋转塞；2-带CPS器官的小旋转塞；3-CPS导向管；4-圆柱形杆；5-环；6-隔热罩；7-燃料组件；8-声视探头；9-液态-金属冷却剂；10-过载通道；11-反应堆容器；12-超声波换能器。
图2示出了带有超声控制系统的组件的核反应堆的区域上空间的反应堆的水平截面，位于旋转塞的外部，其中:
4-圆柱形杆；5-密封圈；11-反应釜；12、13-超声波换能器。A，B，C，D-扇区检测到旋转插头旋转的障碍，位于远离相应的电源保护装置的区域。
图3示出了核反应堆的水平截面，在区空间上设有超声波控制系统的组件。其中:
1-大旋转管(示意性地示出)；2-小旋转管(示意性地示出)；4-圆柱形杆；5-环；11-反应器容器；14-中央管道；15-处理通道；超声波换能器12和13分别安装在通道14和15中。
图4-7显示了圆柱形杆侧面锥形凹槽的不同变体，这对于大型反应堆(核心直径4-9m)尤其重要。
该设备的工作原理如下。
超声换能器12和13发射进入液态金属冷却剂9的一系列超声信号，通过液态金属冷却剂9沿每个超声换能器的声轴传播，在空间上以超声束的形式局,在燃料组件头部的上部水平和旋转塞的下部水平之间的受控间隙中(安装在旋转塞上的设备的下部标记)。通过降低来自圆柱形杆4的回波信号(所谓的底部信号)的幅度，他们判断是否存在遮挡超声波束的障碍物，并且通过在辐射和底部信号之间的时间间隔将超声波换能器12固定在不同高度并同时旋转探头8，用超声波束对区域空间进行逐层扫描。
将声视探头8放置在反应器中有两种可能的选择:
-静止(在旋转交通堵塞1和2以外的特别指定的地方)；
-凹槽(从反应器的中心通道中，嵌入的管道被移除，其中在微运动期间位于照射装置中，并且在其位置安装了声视探头8)。
声视探头8在反应器中的静止放置的一个例子示于图1和2，凹槽版本的一个例子示于图3。
在堆芯组件过载开始之前，在停止的反应堆上激活核反应堆上方区域上空间中结构组件位置的超声波监测系统。这样做是为了确认旋转插头和铁芯之间没有机械连接。
当声视探头8在反应器中静止时，超声换能器12向液态金属冷却剂9发射一系列超声信号，并接收来自相反方向的反射信号(来自圆柱形杆4之一的回).异物。通过回波信号的传播时间和超声波换能器12的方位角，确定物体即超声波束的路径中的位置。如果这个物体没有产生从背景噪声中释放的回波信号，那么它通过减小"底部"信号的幅度来检测，并且仅超声波换能器12的方位角被用于确定位置。在用超声波换能器13扫描上述区域上空间时记录的"底部"信号幅度的显着下降的情况下，超声波射线的交点将指示物体的最可能位置。超声波束的交点对应于固定方位角。
为了确保"底部"信号的振幅，其比背景噪声水平高很多倍，圆柱形杆4的轴线由锥形凹槽定向到超声换能器的轴线。锥形凹槽顶部的角度被制成直线，以提供扫描光束的镜面反射(方案6)。位于扇形B中的圆柱形杆4的锥形凹槽的轴线交替地指向：偶数指向超声换能器12，奇数指向超声换能器13。圆柱形杆4的锥形凹槽的轴线，位于扇形D，被引导到超声换能器13。位于扇形B中的圆柱形杆4的锥形凹槽的轴线交替地指向：偶数指向转换器13，奇数指向转换器12。圆柱形杆4的锥形凹部的轴线，位于扇形A，被引导到转换器12。
超声反射器，以间歇系列圆柱形杆的形式制成，提供了比超声反射器旋转角度更准确的计算，以固体圆柱形屏幕的形式制成连续的超声反射器。
为了最大限度地减少丢失关于位于上述区域空间中的异物的信号的概率，圆柱形杆之间的步骤应与反应器网格的步骤相称。在这种情况下，圆柱形杆的直径必须与燃料组件头部的直径相称。
焦斑的直径，其中超声波束的主要能量集中，应选择与锥形凹槽的表观尺寸相称。它取决于超声换能器的尺寸、所用超声的频率、超声在介质中的传播速度以及到圆柱形杆的距离。焦斑同时复盖的圆柱形棒之间的最小允许步长对应于Pearson准则，根据该准则，来自这些棒的回波信号被认为是可区分的。如果影响因素的组合使得来自相邻圆柱形杆的回波信号难以区分，则相邻杆之间的步长增加。仍然添加第二排这样的杆，位于第一排的杆之间的间隙中直径较大的同心圆上。
如果受控区域上空间的高度允许，则可以在圆柱形杆中制作两个或更多个锥形凹槽，每个凹槽都定向到自己的超声波换能器(图7)。
随着在反应器中放置声视探头8的凹槽(图3)，超声波换能器12和13分别安装在中央14和15通道中。在图1中。如图3所示，大旋塞1和小旋塞2被有条件地示出。圆柱形杆4可以做成光滑的，带有一个定向到中心通道14的锥形凹口，或者带有一个在顶部带有直角三角形凹口的部分侧面，并制成浮雕，例如，十字形滚花的形式(图5-7)。使用用于圆柱形杆的侧面的浮雕形状允许使用用于超声换能器13的镜影方法，位于过载15或任何其他适合于安装探头8的通道中。
机译： 超声波监测空间超声监测核反应堆核心
机译： 超声波监测空间超声监测核反应堆核心
机译： 参考可变形体固定工具，参考可变形体，参考可变形体超声诊断设备，其包括超声探头和具有超声探头的超声探头。
