Методы и средства технической диагностики герметичности оборудования АЭС

Актуальность проблемы. Требования высокой эффективности и вместе с тем высокой надежности эксплуатации реакторных установок сделали актуальным решение широкого класса задач по обеспечению безопасной эксплуатации АЭС. Анализ имевших место аварий за период эксплуатации отечественных и зарубежных АЭС показал, что принятые ранее меры безопасности недостаточны, их надо существенно усилить, особенно по проблемам герметичности оборудования АЭС, которые до настоящего времени недостаточно изучены. В проблеме радиационной безопасности эксплуатации АЭС различных типов ключевая роль отводится обеспечению надежной герметичности контуров циркуляции радиоактивного теплоносителя, а также раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек при работе энергоблока на мощности. Как показывает отечественный и зарубежный опыт эксплуатации различных типов АЭС, решающими являются проблемы надежности работы реактора и оборудования первого контура АЭС, которые обеспечивают их радиационную безопасность. С этой точки зрения, актуальными являются проблемы, направленные на решение задачи обеспечения надежности герметичности верхнего блока реактора, всего оборудования первого контура двухконтурных АЭС и его отдельных эле-, ментов, таких как, например, бассейны выдержки отработавшего ядерного топлива, системы циркуляции теплоносителя и др., которые находятся в гермообо-лочке реактора. Гермооболочки реакторов ВВЭР-1000 также требуют периодического контроля на герметичность. Они обеспечивают герметичность и безопасность, не позволяют проникать газообразным радиоактивным аэрозольным потокам из помещений эксплуатируемых энергетических систем первого контура и его оборудования во внешнюю среду территории АЭС и в прилегающие к ней районы, что в конечном итоге обеспечивает нормальную радиационную обстановку региона. Для одноконтурных АЭС с реакторами типа РБМК-1000 одной из актуальных проблем является также проблема обеспечения герметичности технологических каналов в системе «пробка-технологический канал» .

Основными источниками повышенной концентрации радиоактивных аэрозолей в гермообъеме, как показывает опыт эксплуатации двухконтурных АЭС, являются возникающие в процессе эксплуатации неплотности фланцевых соединений верхнего блока реактора ВВЭР-1000, в который введены разъемы систем управления и защиты реактора, патрубки для ввода в активную зону датчиков нейтронных измерений, датчиков термоконтроля циркулирующего теплоносителя, а в одноконтурных АЭС с реакторами РБМК-1 ООО неплотности систем «пробка-технологический канал» плитного настила и, в основном, фланцевые соединения контура циркуляции рабочей среды. В указанных типах АЭС также весьма важной является проблема раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек теплоносителя из корпусов бассейнов выдержки отработавшего ядерного топлива.

Герметичность основных фланцев, каналов систем управления и защиты (СУЗ), термоконтроля (ТК), каналов нейтронных измерений (КНИ) двухконтурных АЭС обеспечивается двумя последовательно расположенными прокладками: металлической и асбометаллической. Остальные фланцы уплотняются никелевыми прокладками. Величины крутящих моментов при затяжке уплотнений разъемов регламентированы требованиями технических условий на сборку составляющих элементов верхнего блока ядерного реактора. Герметичность по протечкам теплоносителя из разъемов верхнего блока реактора, согласно техническим условиям сборки, определяется визуально, с последовательным увеличением давления и времени в процессе гидравлических испытаний при предельном давлении до 19,6 Да внутри корпуса реактора.

Визуальные наблюдения величин и мест неплотностей при гидравлических испытаниях верхнего блока реактора ВВЭР-1000 позволяют выявлять причины неплотностей разъемов, которыми могут быть перекосы из-за некаче-. ственной сборки, отклонения размеров прокладок, температурные развертки для элементов разъемов при нестационарном изменении температурных режимов работы реактора, попадание при сборке посторонних включений на уплот-нительные поверхности, непараллельность уплотняющих поверхностей, дефекты прокладок и др. Кроме названных причин, вызывающих неплотности фланцевых разъемов верхнего блока реактора, выявились эффекты облитерации теплоносителя. Для выявления неплотности в оборудовании первого контура традиционными визуальными методами (при этом возможно определить только среднеинтегральные величины, а не локальные параметры) требуются длительные периодические гидроиспытания с остановками оборудования первого контура двухконтурных АЭС, что в конечном итоге отрицательно сказывается на экономических и технических показателях АЭС. Кроме того, актуальной задачей является необходимость более детально, на основе современных численных методов выявить причины возникновения неплотностей фланцевых соединений ВБ РУ ВВЭР-1000 при работе энергоблока на мощности, особенно при переменных режимах эксплуатации АЭС.

Таким образом, после очередной перегрузки ядерного топлива и готовности к несению нагрузки верхним блоком реактора ВВЭР-1000, одним из важнейших составляющих двухконтурных АЭС, вопросам герметичности фланцевых соединений, а также диагностике герметичности при гидроиспытаниях теплогидравлических систем первого контура отводится ключевая роль.

Все это вызывает острую необходимость в создании и освоении новых методов, высокочувствительных датчиков и автоматических средств раннего обнаружения и контроля герметичности тепломеханического оборудования АЭС и, в первую очередь, верхних блоков (ВБ) реакторных установок (РУ) с реакторами типа ВВЭР-1000 как при гидроиспытаниях, так и в период раннего обнаружения и контроля протечек при работе энергоблока на мощности, а также плитного настила в системе «пробка-технологический канал» реактора РБМК-1000, бассейнов выдержки отработавшего ядерного топлива и др. Эта проблема актуальна, недостаточно разработана для эксплуатируемых АЭС и может быть решена путем создания новых специальных методов контроля и аппаратуры на основе использования новых научных достижений в области те-плогидравлики, теплофизики, физики металлов, молекулярной физики и электроники, а также средств вычислительной техники и автоматики.

Одним из надежных методов обнаружения и контроля неплотностей оборудования АЭС является физический метод контроля течеискателями, основанный на регистрации индикаторных’газов, таких как, например, гелий, проникающих в сквозные дефекты уплотнений герметичных систем циркуляции рабочих сред и теплоэнергетического оборудования. В технической литературе имеется ряд работ об особенностях некоторых методов контроля герметичности различных конструкций. Эти методы предназначены для исследования течей, в основном, из малых объемов. При этом предпочтение отдается лабораторным условиям оценки степени герметичности испытываемых конструкций. Все эти методы имеют ограниченный диапазон практического применения и не позволяют их использовать при диагностике герметичности эксплуатируемого крупногабаритного оборудования АЭС, а также обеспечивать раннее обнаружение и непрерывный контроль протечек при работе энергоблока на мощности. Описываемые методы не обобщены и не отражают во всей полноте применения фундаментальных исследований для создания надежных систем раннего обнаружения протечек и непрерывного контроля герметичности тепломеханического оборудования АЭС.

Разработка надежных методов и использование современной компьютерной аппаратуры для создания системы раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек теплоносителя (автоматизированный и диалоговый режимы работы), позволяющей своевременно определить конкретное местонахождение неплотностей, из которых происходит утечка радиоактивных газообразных сред как во фланцевом оборудовании ВБ РУ ВВЭР-1000, так и плитном настиле системы «пробка-технологический канал» реакторов РБМК-1000, бассейнах выдержки отработавшего ядерного топлива и др. является составной частью решения общей проблемы повышения безопасности эксплуатации ядерной энергетики.

Опыт эксплуатации блоков ВВЭР-1000 показывает, что действующая штатная система контроля протечек на ВБ РУ ВВЭР-1000 незначительно усовершенствовалась и не удовлетворяет предъявляемым к ней современным требованиям контроля герметичности как в процессе гидроиспытаний первого контура при перегрузке топлива, так и при работе энергоблока АЭС на мощности. Не решены проблемы раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек плитного настила «пробка-технологический канал» реактора РБМК-1000, а также раннего обнаружения величины и места протечек в бассейнах выдержки отработавшего ядерного топлива АЭС и др.

Изложенные выше соображения объясняют актуальность исследования, и острую необходимость создания в РФ новых методов и компьютеризированных систем раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек активного теплоносителя на ранней стадии их возникновения при работе энергоблоков на мощности, оперативного определения и прогнозирования состояния герметичности оборудования АЭС, выработки соответствующих и своевременных рекомендаций оперативному персоналу с целью повышения безопасности эксплуатации АЭС.

Цели и задачи исследования. Цель настоящей работы состоит в следующем:

— разработать научно-методологическую основу комплексного теоретического (численного) и физического моделирования теплогидродинамики радиоактивного теплоносителя в неплотностях систем циркуляции АЭС и исследовать ее влияние на возникновение неплотностей в областях фланцевых соединений контуров циркуляции рабочих сред, а также выявить оптимальные параметры разрабатываемых высокочувствительных датчиков обнаружения и измерения локальных параметров протечек на ранней стадии их возникновения;

— на базе методов иеразрушающего физического контроля разработать новые методы и средства технической диагностики герметичности с использованием индикаторных газовых сред применительно к условиям эксплуатации оборудования АЭС для оперативного обнаружения величины и места неплотности в теплоэнергетическом оборудовании как при гидроиспытаниях на герметичность, так и при монтаже оборудования АЭС;

— разработать, создать и провести практическую апробацию на эксплуатируемом оборудовании АЭС нового малогабаритного гелиевого течеискателя, предназначенного для определения величины и места неплотностей фланцевых соединений верхних блоков ВВЭР-1000;

— разработать и реализовать на ЭВМ двух и трехмерные математические модели для численного исследования гидродинамики в неплотностях оборудования и на базе полученных результатов определить оптимальные технические требования к созданию компьютеризированной системы раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек теплоносителя из неплотностей теплоэнергетического оборудования АЭС;

— разработать и создать высокочувствительные и надежные датчики к компьютеризованной (автоматический и диалоговый режимы работы оператора из БЩУ) системе раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек активного теплоносителя на верхнем блоке реакторной установки ВВЭР-1000 при работе энергоблока на мощности, которая может оперативно определять и прогнозировать состояние герметичности оборудования верхнего блока (ВБ), вырабатывать оптимальные рекомендации оперативному персоналу;

— разработать и создать компьютеризированный макет системы раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек теплоносителя из разъемного соединения «пробка-технологический канал» в центральном зале реактора РБМК-1000;

— разработать и создать компьютеризованную систему раннего обнаружения места, величины и контроля протечек теплоносителя на ранней стадии их возникновения из бассейна выдержки отработавшего ядерного топлива.

В настоящей работе построены двух и трехмерные математические модели теплогидродинамических процессов в неплотностях и выполнено численное исследование гидродинамических характеристик теплоносителя при низких скоростях циркуляции во фланцевых соединениях ВБ РУ ВВЭР-1000 и определено их влияние на герметичность оборудования. На основании полученных численных результатов обоснованы технические требования к чувствительности датчиков и компьютеризированной системе раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек теплоносителя из неплотностей оборудования. Проводились исследования по созданию высокочувствительных датчиков и определению наиболее важных параметров этих датчиков, предназначенных для системы обнаружения протечек теплоносителя на ВБ РУ ВВЭР-1000 на ранней стадии их возникновения при работе энергоблока на мощности. Разработаны аппаратные и программные средства, обеспечивающие постоянный (автоматический и диалоговый режимы) контроль с помощью ЭВМ каждого фланцевого соединения с передачей данных на БЩУ. Обоснованы виды электронных схем, предназначенных для отдельных блоков системы раннего обнаружения и контроля протечек. Проведены численные и экспериментальные исследования по созданию принципиально новых радиочастотных датчиков и систем раннего обнаружения и контроля протечек теплоносителя из разъемного соединения «пробка-технологический канал» в центральном зале РБМК-1 ООО, создан макет системы раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек активного теплоносителя из бассейна выдержки отработавшего ядерного топлива и проведены экспериментальные исследования по созданию высокочувствительных датчиков по обнаружению места и величины протечек из бассейна выдержки отработавшего ядерного топлива.

Разработанная система раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек теплоносителя должна обеспечивать повышение безопасности эксплуатации реакторной установки ВВЭР-1000, сократить затраты на ревизию и ремонт верхнего блока, а также выявлять место и оценивать величину протечек из фланцевых соединений при гидроиспытаниях верхнего блока на герметичность после очередных перегрузок ядерного топлива. Системы позволяют обеспечивать обнаружение размера, места и контроль протечек теплоносителя из фланцевых соединений на ранних стадиях появления течи в процессе эксплуатации энергоблоков на мощности, выработку соответствующих рекомендаций оперативному персоналу. Системы не должны требовать проведения сложных монтажно-наладочных работ при монтаже и демонтаже оборудования систем циркуляции активной рабочей среды.

Методы исследования. На базе созданной и реализованной на ЭВМ математической модели тепломассопереноса газовоздушной среды выявлены оптимальные характеристики для датчиков малогабаритного гелиевого течеиска-теля, создан прибор, отработана методика определения неплотностей оборудования АЭС при определении герметичности верхнего блока ВВЭР-1000 в период гидроиспытаний с использованием индикаторного газа гелия. Разрабатывались математические модели в двух и трехмерной постановке, предназначенные для исследования теплофизических и гидродинамических процессов в областях фланцевых соединений верхнего блока ВВЭР-1000 с целью выявления причин, способствующих возникновению неплотностей в зависимости от режимов эксплуатации реактора ВВЭР-1000, а также выработки оптимальных технических требований к созданию автоматизированных систем раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек теплоносителя при работе энергоблока на мощности. Разрабатывались и реализовывались на ЭВМ математические модели для численного исследования конвективного тепломассопереноса теплоносителя в бассейне отработавшего ядерного топлива с целью выявления оптимальных характеристик создаваемых датчиков для систем раннего обнаружения протечек из корпуса бассейнов. Разрабатывались, создавались и использовались на стендах надежные и чувствительные датчики определения протечек на ранней стадии их возникновения. Датчики испытывались на стендах с параметрами, близкими к натурным условиям эксплуатации реактора ВВЭР-1000. Разрабатывался комплекс аппаратных и программных средств системы раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек, включающий в себя подсистемы сбора информации, предварительной обработки, передачи, документирования, регистрации и управления процессом мониторинга герметичности верхнего блока реактора ВВЭР-1000. Создана система раннего обнаружения и диагностики герметичности разъемных соединений «пробка-технологический канал» в центральном зале реактора РБМК-1000. Разработан метод и макет системы по обнаружению места и величины протечек в бассейнах выдержки отработавшего ядерного топлива,.

Научная новизна работы. Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель конвективного тепломассопереноса смеси гелия в воздухе с различной концентрацией в кольцевом канале модели чувствительного элемента датчика с дискретным тепловыделением вдоль по потоку с целью выбора оптимальных параметров датчика для создаваемого малогабаритного гелиевого те-чеискателя. Численным методом проведены расчеты тепломассообмена в канале чувствительного элемента течеискателя в широком диапазоне изменений числа Пекле и концентрации индикаторного газа гелия. Установлена связь между теплофизическими и электрическими характеристиками чувствительного элемента, найдены оптимальные параметры датчика для малогабаритного гелиевого течеискателя при тепломассопереиосе смеси воздушной среды с разной концентрацией гелия. Численными и экспериментальными методами установлена связь между теплофизическими и электрическими характеристиками чувствительного элемента датчика, на базе которого создан малогабаритный гелиевый течеискатель, использующий индикаторный газ гелий для обнаружения неплотностей верхнего блока В В ЭР-1 ООО при гидроиспытаниях первого контура АЭС. На базе двух и трехмерных уравнений естественно-конвективного движения теплоносителя в приближении Буссинеска созданы и реализованы на ЭВМ математические модели, с помощью которых впервые выявлены распределения градиентов температур и давлений в области фланцевого соединения без протечек и при наличии протечек теплоносителя разной интенсивности. Результаты моделирования теплофизических процессов в области фланцевого соединения позволили выявить ряд теплогидравлических параметров циркуляции теплоносителя, способствующих выявлению оптимальных параметров датчиков для определения протечек на ранней стадии их возникновения из неплотностей оборудования, а также обосновать технические требования по созданию компьютеризированных систем раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек при работе энергоблока реактора ВВЭР-1000 на мощности.

Установлено, что при циклическом воздействии температур во фланцевом соединении происходит разуплотнение в никелевой прокладке из-за пластических деформаций, что в конечном итоге при нестационарных режимах эксплуатации ВБ РУ ВВЭР-1000 приводит к появлению неплотности фланцевого соединения. Выявлены оптимальные характеристики датчиков, эти датчики разработаны и всесторонне испытаны на стендах для системы раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек теплоносителя, они показали высокую степень чувствительности (обнаруживают протечки уже с 0,03 л/час), независимость измеряемых и контролируемых датчиком параметров от температуры (20°С — 320°С) окружающей датчики среды и активности теплоносителя. Для созданной компьютеризированной системы разработан комплекс аппаратных и программных средств, включающий в себя подсистему сбора информации, предварительной обработки, передачи, документирования, регистрации и управления процессом мониторинга герметичности верхнего блока реакторной установки ВВЭР-1000 при работе энергоблока на мощности и в процессе гидроиспытаний при очередных перегрузках ядерного топлива.

На базе уравнений естественной конвекции в приближении Буссинеска создана и реализована математическая модель для численного исследования естественно-конвективного движения теплоносителя в пристеночных областях бассейна выдержки отработавшего ядерного топлива. Результаты численных исследований с помощью созданной математической модели позволили выявить влияние протечек теплоносителя из корпуса бассейна выдержки ядерного топлива на гидродинамическую и термодинамическую картину неоднородного течения теплоносителя в бассейне. Установлено, что при создании датчиков и системы обнаружения и контроля протечек из бассейна выдержки следует учитывать образование пристенных градиентных пограничных слоев конвективного движения как при отсутствии, так и при наличии протечек теплоносителя из бассейна выдержки. Создан и апробирован экспериментально в условиях, близких к натурным, акустический измеритель скорости (датчик) для обнаружения места и величины протечки из бассейна выдержки. Создан макет автоматической системы обнаружения и контроля протечек из бассейна выдержки отработавшего ядерного топлива. Создана система обнаружения и контроля протечек теплоносителя из блоков «пробка-технологический канал» плитного настила в центральном зале реактора РБМК-1000. Эта система основана на обработке сигналов созданных бесконтактных датчиков с помощью радиопередающей и радиоприемной аппаратуры, управляемой ЭВМ. Установлен принцип работы датчиков, основанный на преобразовании сигнала радиопередатчика и приеме радиоприемником нового сигнала, возникшего под влиянием протечки. Разработан для системы комплекс аппаратных и программных средств, включающий в себя подсистему сбора информации о протечках теплоносителя, подсистемы предварительной обработки, передачи, документирования, регистрации и управления системой в автоматическом и диалоговом режимах.

Практическая ценность и реализация научных исследований.

Разработан и используется в натурных условиях в процессе гидроиспытаний новый метод выявления неплотностей на верхнем блоке реактора ВВЭР-1000, основу которого составляет созданный малогабаритный гелиевый течеи-скатель, а в качестве индикаторного газа — гелий. Впервые создана компьютеризированная система раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек теплоносителя на верхнем блоке реакторной установки ВВЭР-1000, которая при работе энергоблока АЭС на мощности обеспечивает:

— высокую чувствительность датчиков и надежность аппаратуры сбора и обработки информации по обнаружению и контролю протечек (система обнаруживает протечки уже с 0,03 л/час);

— надежное определение местонахождения фланца на верхнем блоке реактора ВВЭР-1000, в котором появилась течь;

— постоянный непрерывный автоматический и диалоговый контроль состояния герметичности фланцевого оборудования ВБ РУ ВВЭР-1000;

— возможность наращивания производительности и улучшения параметров за счет модульного принципа построения системы раннего обнаружения и контроля протечек.

Создано программное обеспечение системы, которое построено по модульному принципу и может функционировать в различных операционных системах. Оно обеспечивает выдачу очередного запроса в систему сбора информации, прием из контроллера данных о состоянии каждого фланцевого соединения, проверку правильности функционирования контроллера, формирование диагностических сообщений о техническом состоянии всех подсистем системы контроля протечек, работу с базой данных о техническом состоянии фланцевых соединений за последние 30 суток, формирование различных протоколов о ходе мониторинга, включая протоколы об отклонениях показаний датчиков от номинальных. Величины отклонений (критические значения) задаются в диалоге по желанию пользователей. Выполняется формирование аварийных сообщений на дисплей и в другие подразделения. Отдельно формируются файлы о состоянии системы за последний год.

Создана автоматизированная система (диалоговый и автоматический режимы работы) раннего обнаружения и контроля герметичности разъемных соединений «пробка-технологический канал» в центральном зале реактора РБМК-1000. В созданной системе использован принцип работы датчиков, основанный на преобразовании частоты радиопередатчика и приеме радиоприемником новой частоты, образующейся от обнаруженной протечки. Разработан комплекс аппаратных и программных средств для автоматического и диалогового режимов работы системы. Создан метод и макет системы обнаружения места и величины протечек из бассейна выдержки отработавшего ядерного топлива.

Автор защищает:

— полученные результаты в решении научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение — методы и средства технической диагностики герметичности теплоэнергетического оборудования АЭС;

— на основе созданного малогабаритного гелиевого течеискателя с использованием индикаторного газа гелия метод диагностики неплотностей фланцевых соединений верхнего блока реактора ВВЭР-1000 в процессе гидроиспытаний после очередной перегрузки ядерного топлива;

— методику и результаты численных исследований пространственных течений теплоносителя во фланцевых соединениях верхнего блока реактора ВВЭР-1000;

— экспериментальные результаты исследования созданных датчиков для системы раннего обнаружения и контроля протечек теплоносителя на верхнем блоке реактора ВВЭР-1000, их динамические характеристики и чувствительность на величину протечек теплоносителя;

— автоматизированную систему раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек теплоносителя на верхнем блоке реакторной установки ВВЭР-1000 при работе энергоблока на мощности;

— методику и результаты экспериментальных исследований по созданию системы раннего обнаружения и контроля протечек из блоков «пробка-технологический канал» плитного настила в центральном зале реактора РБМК-1000;

— методику и результаты численных исследований конвективного теп-ломассопереноса при наличии протечек в бассейне выдержки отработавшего ядерного топливамакет системы раннего обнаружения величины, места и контроля протечек из бассейна выдержки отработавшего ядерного топлива.

Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских проработок, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками научных групп, возглавляемых автором. При этом автору принадлежит: постановка проблемы и задач теоретических (численных), экспериментальных и опытно-конструкторских работ и их обобщений.

Автор принимал также непосредственное участие в экспериментальных и конструкторских проработках, в создании опытного образца системы раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек на верхнем блоке реакторной установки ВВЭР-1000, системы раннего обнаружения и контроля протечек в системе «пробка-технологический канал» плитного настила реактора РБМК-1000- макета системы обнаружения места и величины протечек из бассейна выдержки отработавшего ядерного топливаметода индикаторного газа гелия и созданного малогабаритного гелиевого течеискателя для диагностики герметичности фланцевых соединений верхнего блока реактора ВВЭР-1000 в процессе гидроиспытаний первого контура АЭС. Автором проведены и обработаны опытные данные, проведен анализ научных и практических полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на совмещенном семинаре АООТ «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова» и АО «Ижорские заводы», на семинаре Центра «Техническая диагностика и надежность АЭС и ТЭС», на заседании кафедры «Атомные и тепловые энергетические установки» СПбГТУ, на семинаре Центра «Академик» Санкт-Петербургской государственной академии аэрокосмического приборостроения, на семинаре ВНИИ АЭС, на Минском международном форуме «Тепломассообмен-ММФ-96», на международном семинаре 'ЧУ/ИТИТ 99.

Российские технологии для индустрии" (Санкт-Петербург), на научно-технической конференции «Перспективы и проблемы развития атомной энергетики России и ряда государств бывшего СССР на пороге XXI века» (Санкт-Петербург).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 23 работах, в том числе в одной монографии, написанной в соавторстве, и учебном пособии.

Структура и объем работы.

Работа включает в себя 305 страниц текста, 147 рисунков, 21 таблицу, список литературы 196 источников, 1 приложение. Всего страниц 403.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Получены существенные результаты в решении научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение — методы, технологии и средства технической диагностики герметичности теплоэнергетического оборудования АЭС как при гидроиспытаниях, так и при работе энергоблоков на мощности.

2. Разработана новая технология выявления негерметичности фланцевых соединений верхнего блока ВВЭР-1000 при гидроиспытаниях первого контура АЭС. Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель конвективного теплообмена смеси воздуха и гелия в кольцевом канале модели чувствительного элемента датчика гелиевого течеискателя с дискретным тепловыделением вдоль по потоку с целью выбора его оптимальных геометрических характеристик и параметров рабочего процесса для диагностики герметичности верхнег о блока ВВЭР-1000 в процессе его гидроиспытаний. Численными и экспериментальными исследованиями установлено, что при малых массовых концентрациях гелия в диагностируемом потоке с индукторным газом гелием чувствительность датчика создаваемого гелиевого течеискателя увеличивается, а при больших — снижается. С учетом выявленных оптимальных характеристик по чувствительности созданы датчики с оптимальными геометрическими характеристиками и параметрами рабочего процесса для выявления неплотностей в исследуемых конструкциях АЭС на герметичность. Установлена связь между те-плофизическими и электрическими характеристиками чувствительного элемента, что позволяет подбирать более дешевые материалы создаваемого датчика без снижения физико-технических характеристик гелиевого течеискателя.

Разработана и эффективно используется в натурных условиях новая технология диагностики неплотностей фланцевых соединений верхних блоков реакторов ВВЭР-1000 в период гидроиспытаний первого контура двухконтурных АЭС, основу которой составляет созданный новый малогабаритный гелиевый течеискатель с автономным и универсальным электропитанием с чувс гвительностью не хуже 1.0 • 10~3 м^ Па/с и системой подачи индукторного газа гелия в верхний блок реактора ВВЭР-1000.

3. Разработана и апробирована на тестовых задачах методика численного моделирования конвективного тепломассопереноса в кольцевом зазоре фланцевого соединения системы СУЗ верхнего блока реактора ВВЭР-1000. С помощью созданных двух и трехмерных математических моделей впервые выявлены температурные режимы циклических усилий, воздействующих на уплотняющую конструкцию фланцевых соединений верхнего блока реактора ВВЭР-1000 и приводящих к возникновению неплотности. На основе этих результатов разработаны метод и средства технической диагностики раннего обнаружения и непрерывного, контроля протечек теплоносителя на верхнем блоке ВВЭР-1 ООО как в период гидроиспытаний, так и при работе энергоблока АЭС на мощности.

4. Впервые созданы и испытаны датчики раннего обнаружения протечек теплоносителя на ВБ РУ ВВЭР-1000, которые отличаются высокой чувствительностью, надежностью, небольшими габаритами, размещаются в межпрокладочной полости фланцевого соединения и позволяют вести контроль влажности как в режимах гидроиспытаний, так и при работе энергоблока на мощности. Показано, что монтаж датчиков на РУ не создает дополнительных значительных монтажных и демонтажных работ, помех для нормальной эксплуатации реактора. Датчики испытаны на стендах в условиях, близких к натурным условиям эксплуатации РУ ВВЭР-1000, совместно с комплексом аппаратных и программных средств наблюдения за процессами функционирования и обеспечивают возможность раннего обнаружения и контроля протечек.

5. Впервые создана компьютеризированная (диалоговый и автоматический режимы работы) система раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек с автоматическим определением места и величины протечки (фланец) теплоносителя из фланцевых соединений ВБ РУ ВВЭР-1000 как при гидроиспытаниях, так и при работе энергоблока на мощности. Установлено, что компьютеризированная система раннего обнаружения и контроля протечек на верхнем блоке ВВЭР-1000 позволяет определить в течение 5 минут величину протечки менее 0.02 л/ч), а также место протечки с точностью до одного фланца. Установлено, что система раннего обнаружения и непрерывного контроля протечек теплоносителя на верхнем блоке ВВЭР-1000 позволяет надежно выявлять неплотности в процессе гидроиспытаний верхнего блока, так как датчики системы размещены в межпрокладочной полости фланцевого соединения малого объема и практически мгновенно (доли сек.) в реальном масштабе времени реагируют на изменение влажности, что позволяет регистрировать очень малые течи вследствие большой чувствительности датчиков и широкого диапазона сигнала (два порядка) между «сухим» и «влажным» состоянием. Показано, что' гибкая система управления режимом опроса датчиков позволяет перераспределять ресурсы системы мониторинга в зависимости от поведения датчиков в цикле гидроиспытаний.

6. Разработан и создан специализированный программный комплекс для обеспечения мониторинга фланцевых соединений верхнего блока РУ ВВЭР-1000, включающий в себя средства автоматического выполнения измерений величины протечек на всех контролируемых фланцевых соединениях, средства обработки результатов измерений для повышения их достоверности, встроенные средства контроля работоспособности системы раннего обнаружения, средства для обеспечения надежной передачи результатов измерений от верхнего блока ВВЭР-1000 до БЩУ. разнообразные средства документирования результатов измерений. Разработана эксплуатационная документация на программное обеспечение. Программное обеспечение не содержит защищаемых лицензионными соглашениями компонент. Реализована система меню, позволяющая в диалоговом режиме изменять настройку системы и режимы её работы (допустимые отклонения параметров фланцевого соединения, скорость передачи данных, последовательность опроса датчиков и др.). Разработанный комплекс аппаратных и программных средств, включающий в себя подсистемы сбора информации, предварительной обработки, передачи, документирования, регистрации и управления процессом мониторинга, позволяет накапливать данные о поведении фланцевых соединений и формирует таблицы результатов наблюдений за сутки, 7 суток, 30 суток и 180 суток. Предусмотрена гибкая система управления процессом наблюдения и надежная передача данных на расстояния до 900 м.

7. Показано, что компьютеризированная (автоматический и диалоговый режимы работы) система раннего обнаружения и контроля протечек теплоносителя на верхнем блоке реакторной установки ВВЭР-1000 выдает диагностические сведения о приближении параметров датчика к верхнему пределу установленного допуска, а также о превышении указанными параметрами предельно допустимого порога по максимальным протечкам. Показано, что эта информация может использоваться обслуживающим персоналом для принятия технических решений как на этапе гидроиспытаний после очередных перегрузок ядерного топлива, так и при работе блока на мощности.

8. Разработана математическая модель, позволяющая исследовать естественно-конвективную циркуляцию теплоносителя в пристенной области бассейна выдержки при отсутствии и наличии протечек на его стенках. С помощью теоретического исследования установлены характерные значения максимальной скорости конвекции теплоносителя в пристенной области, профили скорости конвекции теплоносителя и профили температуры. В результате применения разработанного программного комплекса определены условия, при которых определяется место и интенсивность протечек.

Выявлено, что при наличии протечек на стенках бассейна выдержки в области конвекции образуется замкнутая циркуляционная зона, границы которой определяются уровнем дна бассейна и местом протечки. Результаты теоретического и численного исследования естественно-конвективного движения теплоносителя в бассейне выдержки при наличии протечек впервые позволили создать новый метод точного измерения места и интенсивности протечек на ранней стадии их возникновения в процессе эксплуатации АЭС (минимальные значения — порядка 1 л/час). Разработаны высокочувствительные датчики и система раннего обнаружения места, величины и контроля протечек на ранней стадии их возникновения.

9. Создан и апробирован макет системы раннего обнаружения и контроля протечек теплоносителя в соединениях «пробка-технологический канал» в центральном зале плитного настила РБМК-1000. Создан радиочастотный датчик для бесконтактной компьютеризированной системы непрерывной диагностики герметичности разъемного соединения «пробка-технологический канал» с чувствительностью менее 0.01 литр в час. Впервые представлены экспериментальные результаты об уровне помеховой обстановки в диапазоне 420−450 МГц в центральном зале реактора РБМК-1000, работающего в штатном режиме. Получены экспериментальные данные, подтверждающие работоспособность макета системы при расстояниях между ее элементами более 190 метров.