一种用于燃料元件裂变气体释放压力在线测量装置及方法与流程

本发明涉及反应堆及研究堆堆芯燃料元件运行行为参数测量领域，具体涉及一种用于燃料元件裂变气体释放压力在线测量装置及方法。

背景技术：

1、反应堆运行过程中核燃料会发生链式裂变反应，产生裂变产物，其中最明显的释放裂变气体。燃料包壳内一般是密闭结构内部芯块产生大量裂变气体，会对燃料以及包壳造成一定的影响，使燃料元件发生一定程度的肿胀甚至破损。肿胀增大，导致燃料包壳之间的相互作用将变得更为强烈，冷却剂流道发生变化，导致燃料元件在堆内的运行危险性将上升。鉴于此，针对反应堆运行过程中核燃料裂变气体释放压力进行测量具有极其重要的意义及价值。

2、裂变气体的测量分为裂变气体压力测量以及裂变气体成分测量。裂变气体成分的分析，常规的手段为采样法，需将裂变气体引出到堆外进行分析，需对包壳结构完整性进行保证，因此运行过程中重点考虑裂变气体压力的测量。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术的不足，目的在于提供一种用于燃料元件裂变气体释放压力在线测量装置及方法，通过采用位移传感器结合波纹管进行测量，从而能解决现存的反应堆燃料裂变气体压力难以在线测量的问题，能够提高反应堆运行经济性、安全性，同时可为研究堆新燃料研发验证提供技术支持。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种用于燃料元件裂变气体释放压力在线测量装置，包括设置于压力容器内的裂变气体测量工装以及设置于压力容器外的气体调节装置；

4、所述裂变气体测量工装包括外套管，所述外套管一端和燃料包壳固定；所述外套管内侧一端到另一端方向依次固定有承压套管和线性位移传感器；所述承压套管朝向燃料包壳的一端开口，并和燃料芯块连通；

5、所述承压套管内固定有波纹管，所述波纹管两端的承压套管内分别带有调节气室和测量气室，所述波纹管朝向测量气室的一端开口，所述燃料芯块依次通过承压套管一端开口、测量气室、波纹管一端开口和波纹管内部连通；

6、所述波纹管另一端固定有导磁铁芯杆，所述导磁铁芯杆穿出承压套管另一端，并伸入到线性位移传感器绕线骨架内腔，所述导磁铁芯杆的导磁段中心置于线性位移传感器绕线骨架内腔轴向中心；

7、所述气体调节装置用于向所述调节气室和测量气室输送惰性气体，并调节所述调节气室和测量气室的内部气压。

8、相对于现有技术中，现存的反应堆燃料裂变气体压力难以在线测量的问题，本发明提供了一种用于燃料元件裂变气体释放压力在线测量装置，采用位移传感器结合波纹管进行测量；随着气体释放压力的增加，导致波纹管被压缩，进一步在位移传感器中产生感应信号而得到波纹管的伸缩量，可以推算得到内部气体的压力，结合波纹管的弹力以及内部气体的压力从而可以得到裂变气体的压力；同时形成一套裂变气体压力测量工艺方法，适用于反应堆内恶劣工况，在线测量燃料元件裂变气体释放压力以评估反应堆运行经济性、安全性，以及新燃料研发过程的先进性，具备广阔市场前景。具体方案中，波纹管一端开口，而另一端封闭，在波纹管一端带有测量气室，并和燃料芯块连通，燃料芯块产生的裂变气体会进入到测量气室内并推动波纹管另一端进行伸缩，从而带动导磁铁芯杆同步位移；波纹管另一端设置有调节气室，通过气体调节装置向调节气室内充入惰性气体，从而推动波纹管另一端进行伸缩，并带动导磁铁芯杆同步位移；故随着测量气室内裂变气体的增加，动态调节惰性气体的充入量，并保持波纹管的位移平衡，从而通过充入的惰性气体压力计算得到裂变气体释放压力p；另外，本装置结合位移信号测量波纹管位移，配合气体动态调节，保持波纹管保持在灵敏弹性限度内，提高测量精度。

9、更进一步的方案，所述气体调节装置包括用于分别向调节气室和测量气室输送惰性气体的高压气源瓶、用于和调节气室排气出口连接的尾气罐以及用于和测量气室排气出口连接的收集罐；其中尾气罐用于和高压气源瓶相互配合，动态调节调节气室内的气压；收集罐用于收集裂变气体，可转运进行成分分析。

10、更进一步的方案，所述高压气源瓶的输出端连接有气源缓冲罐，所述高压气源瓶通过所述气源缓冲罐向所述调节气室和测量气室输送惰性气体；所述高压气源瓶和气源缓冲罐之间依次设置有减压阀和第一电动阀；将高压气源瓶通过不锈钢金属管路连接至减压阀，通过减压阀可将气体压力减压至需要的气压；减压阀通过不锈钢金属管路连接至第一电动阀，打开第一电动阀可以向气源缓冲罐内充入减压后的气体。

11、更进一步的方案，所述气源缓冲罐的输出端处依次设置有第二电动阀和第一气体质量流量计；其中减压后的气体经金属气管通过第二电动阀与第一气体质量流量计进行精确控制调节气体流量，进而可得到调节气体量。

12、更进一步的方案，所述第一气体质量流量计的输出端和所述调节气室之间设有第三电动阀；所述第一气体质量流量计的输出端和所述测量气室之间设有第四电动阀。

13、更进一步的方案，所述测量气室排气出口和所述收集罐之间设有第五电动阀；所述调节气室排气出口和所述尾气罐之间依次设有第六电动阀和第二气体质量流量计。

14、更进一步的方案，所述高压气源瓶、气源缓冲罐、第三电动阀输出端、第四电动阀输出端以及尾气罐处均设有压力变送器。

15、更进一步的方案，一种用于燃料元件裂变气体释放压力在线测量装置的测量方法，包括以下步骤：

16、s1：测得所述波纹管的初始位移以及所述调节气室内的初始压力值；

17、s2：随着燃料芯块释放裂变气体增加，当所述线性位移传感器测量波纹管的位移v增加到va时，调节所述减压阀的阀后压力，并打开所述第一电动阀，向所述调节气室充入惰性气体；所述va为波纹管灵敏弹性范围内裂变气体压力达到a时对应伸长位移；

18、s3：当线性位移传感器测量波纹管的位移v减小到初始位移0时，记录此时所述调节气室内的压力值；

19、s4：重复步骤s2～s3，并逐次增加所述减压阀的阀后压力，记录每一次所述波纹管的位移v减小到初始位移0时，所述调节气室内的压力值；

20、s5：将所述调节气室内的初始压力值和每一次记录的所述调节气室内的压力值相加即为裂变气体释放压力p。

21、更进一步的方案，所述步骤s3还包括以下子步骤：

22、当波纹管的位移v变为负值时，打开所述调节气室排气出口和所述尾气罐之间的第六电动阀，向所述尾气罐内释放惰性气体，直至所述波纹管的位移v变为0。

23、更进一步的方案，当所述燃料芯块释放的裂变气体过高时，还包括以下步骤：

24、s6：当所述燃料芯块释放的裂变气体过高时，打开所述测量气室排气出口和所述收集罐之间的第五电动阀，向所述收集罐内释放裂变气体；

25、s7：当所述波纹管的位移v减小到阈值vb时，关闭所述第五电动阀；控制所述第六电动阀将所述调节气室内的惰性气体释放至尾气罐，直至所述波纹管的位移v变为0；vb为波纹管灵敏弹性范围内裂变气体压力小于调节气体b时对应压缩位移；

26、s8：重复步骤s6和s7，将气体压力进行泄压，并收集释放裂变气体。

27、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

28、1.本发明提供的一种用于燃料元件裂变气体释放压力在线测量装置及方法，采用位移传感器结合波纹管进行测量；随着气体释放压力的增加，导致波纹管被压缩，进一步在位移传感器中产生感应信号而得到波纹管的伸缩量，可以推算得到内部气体的压力，结合波纹管的弹力以及内部气体的压力从而可以得到裂变气体的压力；同时形成一套裂变气体压力测量工艺方法，适用于反应堆内恶劣工况，在线测量燃料元件裂变气体释放压力以评估反应堆运行经济性、安全性，以及新燃料研发过程的先进性，具备广阔市场前景。

29、2.本发明提供的一种用于燃料元件裂变气体释放压力在线测量装置及方法，设置气体调节系统，与波纹管，承压套管构成调节气室，在裂变气体释放至一定高压时，波纹管压缩量接近弹性限度限值，可通过气体调节系统，增加调节气室压力，减小波纹管内外两侧的受力，从而保证波纹管始终有效工作在可压缩范围内可保障波纹管在伸缩弹性限度范围内增加装置对裂变气体的检测范围与精度，大幅度缩小波纹管体积，符合堆内狭小空间安装运用场景。

30、3.本发明提供的一种用于燃料元件裂变气体释放压力在线测量装置及方法，气体调节装置的子系统布置于压力容器外部放射性工艺间，而裂变气体测量工装与燃料元件耦合安装于压力容器内部，实现安全分区管理，避免放射性产物带来危害。