Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии диагностики и оценки остаточного ресурса контейнеров с отработавшим ядерным топливом на базе метода ультразвуковой томографии

Докладчик: Болотина Ирина Олеговна

Должность: доцент кафедры промышленной и медицинской электроники Института неразрушающего контроля ТПУ, доцент, кандидат технических наук

Цель проекта:
Цель ПНИ: Разработка технологии контроля сварных соединений и основного материала контейнеров с отработавшим ядерным топливом, позволяющей оценить остаточный ресурс контейнеров с ОЯТ. Результатом создания данной технологии должно стать решение комплекса технологических задач, в частности: •Создание нового класса оборудования контроля и диагностики объектов атомной энергетики с потенциалом вывода на мировой рынок; •Увеличение срока эксплуатации оборудования и уровня ее безопасности за счёт применения передовых технологий дефектометрии; •Создание научно-технических решений и продуктов в смежных областях: математического моделирования свойств материалов, высокопроизводительных вычислительных систем, электроники и измерительной техники, что внесет свой вклад в повышение конкурентноспособности отечественной науки и промышленности.

Основные планируемые результаты проекта:
В процессе выполнения ПНИ должны быть разработаны:
1.Программа и методика проведения лабораторных исследований по УЗК экспериментальных образцов сварных швов со стандартизированными дефектами, переданных индустриальным партнером.
2.Структурная схема лабораторной установки УЗК сварных швов со стандартизированными дефектами.
3.Эскизы на экспериментальные образцы сварных швов со стандартизированными дефектами.
4.Текст программы томографической реконструкции изображений сварных соединений контейнеров с ОЯТ.
5.Библиотека дефектов сварных соединений контейнеров с ОЯТ.
6.Основы технологии ультразвуковой томографии и оценки остаточного ресурса контейнеров с ОЯТ.
7.Алгоритм автоматического обнаружения и распознавания дефектов сварных соединений контейнеров с ОЯТ.
8.Методика количественной оценки дефектов сварных соединений контейнеров с ОЯТ.
9.Методика оценки остаточного ресурса контейнеров с ОЯТ, основанной на результатах неразрушающего контроля.
10.Функциональная схема блока ультразвуковой электроники системы для УЗК сварных соединений контейнеров с ОЯТ.
11.Структурная схема макета системы для УЗК сварных соединений контейнеров с ОЯТ.
12.Эскизная конструкторская документация на макет автоматизированной системы ультразвуковой томографии.
В процессе выполнения ПНИ должны быть изготовлены:
1. Лабораторная установка УЗК сварных швов со стандартизированными дефектами.
2. Экспериментальные образцы сварных швов со стандартизированными дефектами.
3. Программа томографической реконструкции изображений сварных соединений контейнеров с ОЯТ.
4. Библиотека дефектов сварных соединений контейнеров с ОЯТ.
5. Макет автоматизированной системы ультразвуковой томографии.
6. Блок управления автоматизированной системой контроля сварных соединений контейнеров с ОЯТ.
7. Измерительные преобразователи фазированных антенных решеток.
9. Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка промышленной автоматизированной системы ультразвуковой томографии».
Характеристики:
1. Основные параметры приёмо-передающего тракта должны соответствовать следующим показателям:
динамический диапазон акустического тракта 100 дБ;
полоса рабочих частот по уровню 3 дБ 500 кГц … 20 МГц;
регулировка коэффициента усиления 100 дБ;
напряжение зондирующего импульса на нагрузку 50 Ом минус 50… минус 180 В.
2. Основные параметры аналого-цифрового преобразователя должны соответствовать следующим показателям:
Разрядность 14 бит;
Частота оцифровки 80, 40, 20, 10 MГц, регулируемая для такта измерения;
Динамический диапазон АЦП более 72 дБ при частоте оцифровки 80 MГц.
3. Основные параметры блока механического сканирования должны соответствовать следующим показателям:
диапазон перемещения по координате Х,Y - 1,5 м;
скорость перемещения 5 см/с;
шаг перемещения 1 мм … 5 см;
точность позиционирования 0,1 мм.

Новизна разработки.
В результате проведенного ПНИ будет разработана технология контроля сварных соединений контейнеров с ОЯТ, позволяющая выполнять реконструкцию и визуализацию ультразвуковых данных, получать трёхмерные изображения контролируемых объектов с возможностью количественной оценки несплошностей материала. В отличие от традиционных методов измерения, обработки и интерпретации сигналов, основанных на эффекте отражения ультразвуковых волн на границах раздела сред, для получения томографических изображений будут применяться алгоритмы наложения так называемых дифракционных сигналов, основанных на принципе синтетической фокусировки апертуры.
Для получения данных сигналов оптимальным является применение многоэлементных измерительных преобразователей в комбинации с многоканальной ультразвуковой электроникой и специализированными вычислительными модулями для реконструкции, визуализации и автоматической оценки томографических изображений в режиме реального времени.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет является ведущей отечественной организацией в данной области. Высокий уровень технологического развития удалось достичь в том числе за счёт сотрудничества с зарубежными партнёрами. Собственными уникальными разработками ТПУ являются методы моделирования распространения ультразвуковых волн в различных средах, а также алгоритмы реконструкции трёхмерных изображений на базе графических ускорителей, которые превосходят зарубежные аналоги.
Решаемая в данном проекте проблема оценки остаточного ресурса контейнеров с ОЯТ методами ультразвуковой томографии является уникальной возможностью для практического применения данной технологии как с точки зрения задачи контроля, не имеющей на данный момент стандартизированных решений, так и с точки зрения инновационности и мультидисциплинарности разрабатываемых технологических подходов, заключающаяся в применении последних достижений электроники, вычислительной техники и компьютерного моделирования.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет является ведущей отечественной организацией в данной области. Высокий уровень технологического развития удалось достичь в том числе за счёт сотрудничества с зарубежными партнёрами. Собственными уникальными
разработками ТПУ являются методы моделирования распространения ультразвуковых волн в различных средах, а также алгоритмs реконструкции трёхмерных изображений на базе графических ускорителей,
которые превосходят зарубежные аналоги.
В то же время необходимо отметить, что в отличие от зарубежного рынка применение инновационных методов и систем ультразвуковой томографии на отечественных предприятиях достаточно ограничено в силу значительной консервативности и жесткости требований действующих норм и руководящих
документов соответствующих отраслей промышленности. Реализация пилотных проектов, подобных предлагаемому ПНИ, возможно лишь на предприятиях, имеющих в своем составе, так называемые,
Опытно-демонстрационные центры (ОДЦ). В состав ФГУП "Горно-химический комбинат" входит ОДЦ "Сухое хранилище ОЯТ", на которым представляется возможным практическая апробация результатов предлагаемого ПНИ.
Адресуемая в данном проекте проблема оценки остаточного ресурса контейнеров с отработавшим ядерным топливом методами ультразвуковой томографии является уникальной возможностью для практического применения данной технологии как с точки зрения задачи контроля, не имеющей на данный момент
стандартизированных решений, так и с точки зрения инновационности и мультидисциплинарности разрабатываемых технологических подходов.

Выбранный способ решения поставленных в ПНИ задач отличается высокой степенью инновационности и комплексным мультидисциплинарным подходом, сочетающим в себе методики томографической реконструкции объекта контроля на основе физики распространения акустических волн и их взаимодействия с границами раздела сред, а также методики моделирования механики разрушения для оценки остаточного ресурса объекта. Разработанная технология в обязательном порядке подлежит правовой охране, в том числе путём патентования за рубежом.

Ограничения и риски: санкции в отношении РФ в области научных исследований, закупок зарубежных комплектующих и оборудования, курс евро к рублю.






Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Кроме непосредственного применения системы ультразвукового контроля для дефектометрии контейнеров с отработавшим ядерным топливом, создаваемая технология может быть использована для количественного контроля конструкционных материалов с аустенитными или неоднородными сварными швами, например сварные швы магистральных труб газо- и нефтепроводов. Одна из ключевых характеристик системы – синтетическая фокусировка по всему объему контроля также позволит производить количественный контроль дефектов в композиционных и полимерных материалов высокой прочности, которые все более широко применяются в качестве конструкционных материалов.
Созданный макет установки, позволит приступить к разработке промышленных образцов системы, которые уже в свою очередь могут быть проданы конечным потребителем или же переданы в аренду через индустриального партнера ПНИ.
Измерительные преобразователи, которые будут созданы в ходе реализации проекта, могут являться отдельным коммерческим продуктом, готовым к выходу на рынок непосредственно после реализации ПНИ.
Оригинальный алгоритм томографической реконструкции, также может выступать в качестве обособленного продукта для выхода на рынок.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет продолжительное время сотрудничает ФГУП «Горно-химический комбинат» в сфере науки и образования. Ряд сотрудников ГХК обучается в аспирантуре ТПУ, что способствует совместному решению актуальных на производстве научно-исследовательских задач. В том числе одной из таких задач является обеспечение безопасного хранения ОЯТ в «сухом» хранилище ГХК. Представители ГХК однозначно высказывали необходимость реализации количественного метода неразрушающего контроля сварных соединений контейнеров с ОЯТ для анализа остаточного ресурса упаковки и своевременного выявления необходимости ремонта или замены. На сегодняшний день, Горно-химический комбинат единственное предприятие в России, реализующее перспективную систему сухого хранения ОЯТ. Уникальное хранилище, находящееся в статусе опытно-демонстрационного центра международного уровня, имеет необходимость внедрения в производство передовых мировых технологий, которой и является предлагаемая к разработке технология контроля сварных соединений.
Для реализации проекта в качестве индустриального партнера выбрано малое инновационное предприятие ООО «ИнТех», созданное в декабре 2013 года на базе ТПУ с целью развивать и коммерциализировать прорывные технологии неразрушающего контроля. ООО «ИнТех» выступает в качестве соисполнителя проекта и готово использовать результаты проекта в своей коммерческой деятельности: производство, поставка оборудования неразрушающего контроля и оказание услуг по неразрушающему контролю, в т.ч. для ФГУП «ГХК» и других заинтересованных конечных потребителей.

Разработчики, ТПУ и ООО «ИнТех», будут производить данную систему в случае единичных заказов от ФГУП «ГХК», который является инициатором разработки подобной системы. Формой доведения до конечного потребителя будет являться поставка оборудование, возможно также оказание услуг и передача оборудования в аренду. В случае бурного роста рынка, права на серийное производство могут быть проданы заинтересованной профильной компании, с оставлением права на выполнение проектов по спецификации заказчика, требующих значительной доработки. С целью продвижения продукта на рынок, разработчики будут принимать участие в всероссийских и международных профильных выставках (АтомЭкспо, АтомЭко, Nuclear Expo, NDT Russia и т.д.), представлять результаты на научно-практических конференциях и семинарах (Обращение с отработавшим ядерным топливом в России, Waste Management, Annual ESARDA meeting, International Conference on Management of Spent Fuel from Nuclear Power Reactors, INMM Spent Fuel Management Seminar), а также публиковать свои результаты в профессиональных и научных изданиях.

Текущие результаты проекта:
1. Промежуточный отчет по ПНИ.
2. Отчет о патентных исследованиях.
3. Программа и методика проведения лабораторных исследований по УЗК экспериментальных образцов сварных швов со стандартизированными дефектами, переданных индустриальным партнером.
4. Протокол о лабораторных испытаниях на лабораторной установке для УЗК экспериментальных образцов сварных швов со стандартизированными дефектами, переданных индустриальным партнером.
5. Структурная схема лабораторной установки УЗК сварных швов со стандартизированными дефектами.
6. Комплект эскизной документации на экспериментальные образцы сварных швов со стандартизированными дефектами.
7. Акты изготовления экспериментальных образцов.