14.578.21.0067

Разработка и создание экспериментальных систем контроля качества тепловыделяющих элементов (твэл) и тепловыделяющих сборок (ТВС) при их производстве и эксплуатации для повышения надёжности, экологичности и экономической эффективности ядерных реакторов нового поколения с перспективными видами ядерного топлива, в том числе для реакторов на быстрых нейтронах.
Основными задачами ПНИ являются:
создание методического и инструментального обеспечения гарантии качества новых типов твэлов, тепловыделяющих сборок (ТВС) с перспективными видами ядерного топлива и элементов конструкции ядерного реактора для повышения его надёжности и эффективности;
создание экспериментальных образцов средств контроля элементов конструкций и характеристик перспективных видов твэлов и ТВС ядерных энергетических установок в производственных и эксплуатационных условиях;
разработка проекта технического задания на создание малой серии опытных образцов установок для контроля элементов конструкций и характеристик перспективных видов твэлов и тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерно-энергетических установок в производственных и эксплуатационных условиях.

Безопасность ядерных энергетических установок обеспечивается, прежде всего, надёжностью защитных барьеров безопасности, к которым относятся ядерное топливо и оболочка твэлов. Последние способны выполнять функции барьеров безопасности только в случае высокого качества, надёжности и отсутствия дефектности. Эти характеристики закладываются не только на этапе проектных разработок топлива, но обеспечиваются контролем в процессе производства и выходным контролем продукции. Это весьма дорогостоящая компонента технологического цикла топлива.
В связи с перспективами использования в реакторах нового типа топлива, содержащего плутоний и другие высокоактивные элементы, особуюактуальность приобретает направление, связанное с разработкой методов и экспериментальных средств для промышленного и эксплуатационного автоматизированного контроля качества твэлов и тепловыделяющих сборок (ТВС). Применение автоматизированных контрольно-измерительных и управляющих комплексов при фабрикации топлива, прежде всего, должно обеспечить радиационную безопасность производственного персонала. Автоматизированный производственный контроль должен исключить и, так называемый, «человеческий фактор» при интерпретации результатов контроля. Это, в свою очередь, позволит обеспечить повышение качества выпускаемой продукции и, следовательно, надёжность и безопасность новых ядерных энергетических установок.
Безопасность и надёжность в совокупности с экономической эффективностью являются приоритетами будущей масштабной ядерной энергетики. Эти факторы обеспечат повышение конкурентоспособности российского ядерного топлива на мировых рынках и экспортного потенциала российской атомной промышленности.

В ходе выполнения ПНИ разработаны следующие методики контроля следующих служебных характеристик твэлов и ТВС, а также конструктивных элементов ядерных энергетических установок в производственных и эксплуатационных условиях:

• параметров газовой среды – давление и чистоту гелия, в твэлах при их производстве;
• коррозионных повреждений оболочки твэлов;
• искривлений и скручиваний ТВС;
• герметичности твэлов в ТВС;
• наминов главного разъёма реакторов типа ВВЭР.

Известные методики и средства контроля указанных характеристик твэлов и ТВС имеют ряд недостатков, что накладывает ограничения на их применимость в производственных и эксплуатационных условиях для обеспечения реализации концепции «нулевого отказа», принятой в атомной промышленности. В частности, недостаточно высокая точность и предельная чувствительность при измерении контролируемых параметров (давление и чистота гелия в твэлах), возможность проведения контроля только при определённых ограниченных условиях (контроль герметичности твэлов только до исчерпания зазора между топливом и оболочкой в твэлах, выявление коррозионных повреждений на внутренней стороне оболочек твэлов только разрушающими методами, оценка формоизменения ТВС при эксплуатации только в условиях горячих камер), ограниченный набор выявляемых отклонений и повреждений (не выявляются трещины, задиры, отслоения металла и других дефекты главного разъёма реактора).

В качестве основного направления исследований были выбраны акустические методы исследования и контроля материалов и изделий. На их основе предложены способы контроля твэлов в производственных и эксплуатационных условиях, включая контроль давления и чистоту гелия, контроль герметичности твэлов в составе ТВС для любых стадий их эксплуатации, контроль коррозионных повреждений оболочек в условиях горячих камер. Предложен разностно-импульсный ультразвуковой способ контроля формоизменения ТВС, позволяющий проводить измерения прогибов и скручиваний ТВС на стендах инспекции и ремонта АЭС.

Методики основаны на возбуждении и регистрации локальных резонансных колебаний оболочек твэл в различных частотных диапазонах, выделения информативных параметров этих колебаний – значений резонансных частот и добротности резонансных пиков, по которым с помощью градуировочных зависимостей определяются параметров газовой среды характеристики твэлов.

Методика контроля искривлений и скручиваний ТВС основана на разработанной модификации ультразвукового эхо-импульсного метода с использованием частот в диапазоне от 2 до 5 МГц. В результате обеспечена возможность определять величину прогибов ТВС, их направление, а также общий угол скручивания кассет на стендах инспекции и ремонта АЭС.

Методика контроля герметичности твэлов в составе ТВС, основана на возбуждении и регистрации резонансных колебаний сложной колебательной системы – снаряжённый твэл, в низкочастотной области, выделения информативных параметров этих колебаний – значений усреднённой добротности резонансных пиков, по которым делается заключение «герметичен» или «негерметичен» твэл.

Для контроля технического состояния главного разъёма реакторов типа ВВЭР предложен и обоснован оптический способ, обеспечивающий выявление не только зон пластической деформации металла, но и всех поверхностных дефектов канавок главного разъёма реакторов.

Разработанные в ходе выполнения проекта методики и средства их реализации обладают научной новизной, заключающейся в том, что в отличие от известных методов и средств контроля позволяют проводить измерения контролируемых параметров твэлов и ТВС неразрушающими способами с повышенной точностью, на всех стадиях эксплуатации ТВС, в том числе при исчерпании зазора топливо-оболочка в твэлах.

В установленном порядке обеспечена охрана разработанных методик в режиме коммерческой тайны:

1. Режим «коммерческая тайна» «Методика контроля параметров газовой среды в твэлах при их производстве» (Приказ НИЯУМИФИ от 25.06.2015 г. № 176/5-3. Об отнесении информации к коммерческой тайне университета);

2. Режим «коммерческая тайна» «Методика контроля коррозионных повреждений оболочки твэлов». (Приказ НИЯУ МИФИ от 25.06.2015 г. № 176/9-3. Об отнесении информации к коммерческой тайне университета);

3. Режим «коммерческая тайна» «Методика контроля искривлений и скручиваний ТВС» (Приказ НИЯУ МИФИ от 26.11.2015 г. № 330/12-3. Об отнесении информации к коммерческой тайне университета);

4. Режим «коммерческая тайна» «Методика контроля герметичности твэлов в ТВС». (Приказ НИЯУ МИФИ от 26.11.2015 г. № 330/13-3. Об отнесении информации к коммерческой тайне университета).

Разработаны и изготовлены методики и экспериментальные образцы информационно-измерительных систем (ИИС), составляющие основу автоматизированной промышленной и эксплуатационной системы неразрушающего контроля комплекса технических характеристик твэлов при их производстве и ТВС непосредственно в эксплуатационных условий во время планово-предупредительных работ на действующих и перспективных АЭС.

Разработанные методики и экспериментальные ИИС предназначены для определения следующих служебных характеристик твэлов и ТВС:

- параметров газовой среды в твэлах при их производстве;

- герметичности твэлов в составе ТВС в условиях АЭС на стендах инспекции и ремонта для любых сроков их эксплуатации;

- геометрических характеристики ТВС, включая прогибы и скручивания;

- толщины оболочки твэлов, включая участки коррозионных повреждений;

- величины зон пластического деформирования металла (наминов) главного разъёма реакторных установок типа ВВЭР.

Разработанные методики и экспериментальные ИИС обеспечивают определение:

- давления гелия в твэлах в диапазоне 0,5-0,7 МПа с погрешностью не более 0,05 МПа;

- давления гелия в твэлах в диапазоне 1,8-2,5 МПа с погрешностью не более 0,05 МПа;

- чистоту гелия в твэлах в диапазоне 98-100% гелия с погрешностью не более 0,3 %;

- чистоту гелия в твэлах реакторов типа БН в диапазоне 94-100% гелия с погрешностью не более 2 %;

- толщина оболочки по длине твэлов, включая участки коррозионных повреждений, с погрешностью не более 2 мкм;

- определение разгерметизации твэлов в составе ТВС на стендах инспекции и ремонта для всех стадий их эксплуатации с достоверностью не менее 95%;

- прогибы ТВС в условиях АЭС на стендах инспекции и ремонта с погрешностью не более 1 мм;

- скручивание ТВС в условиях АЭС на стендах инспекции и ремонта с погрешностью не более 2 град.;

- величину зон пластического деформирования металла главного разъёма реакторных установок (наминов) с погрешностью не более 5% от площади уплотнительной канавки разъёма.

В результате выполнения ПНИ разработаны:

- методики неразрушающего контроля служебных характеристик перспективных твэлов и ТВС в производственных и эксплуатационных условиях, а также элементов конструкции корпуса ядерных энергетических установок;

- техническая (конструкторская) документация на экспериментальные образцы ИИС для контроля служебных характеристик перспективных твэлов и ТВС производственных и эксплуатационных условиях, а также элементов конструкции корпуса ядерных энергетических установок;

- программная документация на программное обеспечение для автоматизации процесса, обработки и представления данных контроля служебных характеристик твэлов, ТВС и элементов конструкции корпуса ядерных энергетических установок;

- программы и методики экспериментальных исследований и испытаний экспериментальных образцов ИИС.

- технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учётом технологических возможностей и особенностей индустриального партнёра;

- рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.

- технико-экономическое обоснование разработки продукции в целях коммерциализации результатов ПНИ.

- проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка и изготовление опытных образцов систем контроля элементов конструкций и характеристик перспективных видов твэлов и ТВС при их производстве и эксплуатации».

Полученные в ходе выполнения проекта результаты обеспечат повышение надёжности и качества твэлов и ТВС реакторов нового поколения, и будут способствовать расширению рынков сбыта наукоёмкой продукции российского ядерного комплекса.
Разработанные методы и средства контроля качества продукции будут использованы на заводах отрасли по производству топлива, твэлов и ТВС энергетических реакторов. Средства неразрушающего эксплуатационного контроля тепловыделяющих элементов и сборок ядерных реакторов будут внедрены на предприятиях и атомных электростанциях для изучения состояния и остаточного ресурса элементов активных зон.
Созданные экспериментальные образцы и программно-аппаратных средств составят основу автоматизированной промышленной и эксплуатационной системы неразрушающего контроля компонентов активных зон энергетических ядерных реакторов.
Полученные при выполнении проекта результаты будут переданы индустриальному партнёру для пополнения базы данных по эксплуатационным свойствам элементов активных зон и для разработки методов и технологии контроля изделий атомной промышленности.