Применение электрофизических методов диагностики и неразрушающего контроля изделий

при внутриреакторных физико-механических испытаниях

В.И. Сурин,

к.т.н., доц. каф. №18, visconst@rambler.ru,

С.Е. Арефинкина,

студ.-дипл., ase_esa@mail.ru,

Е.В. Рябиковская,

студ.-дипл., lacrizza@gmail.com

А.М.Гладцин,

студ.-дипл., amgladtsin@mephi.ru,

НИЯУ МИФИ, г. Москва

В докладе представлены результаты внутри реакторной диагностики и неразрушающего контроля топливных таблеток на основе карбонитридов и нитрида урана. Приводятся номенклатура и характеристики диагностических параметров, алгоритм диагностирования и расчетно-программные комплексы, правила измерения диагностических параметров, правила анализа и обработки диагностической информации. Рассмотрены основные этапы построения диагностической модели, ее параметры и перспективы применения.

The report presents the results of the intrareactor diagnostics and non-destructive testing of uraniumcarbonitride and nitridfuel. The nomenclature and characteristics of diagnostic parameters, the algorithm of diagnosis and software packagesfor calculation, rules of measurement and diagnostic parameters, rules of analysis and processing of diagnostic information are given. The main stages of construction of diagnostic model, its parameters and prospects of application are presented.

1. Методика проведения испытаний

Как известно техническая диагностика – наука о распознании технического состояния объекта, включающая широкий круг проблем, связанных с получением и обработкой диагностической информации. Функциональная техническая диагностика опирается на ограниченную информацию, получаемую обычно в процессе эксплуатации или научного исследования и не предусматривает разборку объекта диагностирования. Диагностические алгоритмы, или алгоритмы распознавания и постановки диагнозов, представляют собой последовательность действий в процессе диагностирования и используют диагностические модели и модели отказов.

Под диагностической моделью понимается формализованное описание объекта, необходимое для решения задач диагностирования. Под системой технического диагностирования понимается совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимая для проведения контроля по правилам, установленным в технической документации[1].

Результаты испытаний на реакторе ИРТ МИФИ послужили базой для создания диагностической модели (Рис. 1).

Набор диагностических параметров определяет изменяющиеся в процессе испытаний свойства изделия. В целях построения функции, дающей количественную оценку технического состояния изделия, были рассмотрены различные структурные и диагностические параметры [2,3]. Для качественной оценки технического состояния изделия (структурный параметр) выбрана форма, изменяющаяся в процессе механических испытаний или эксплуатации. Выбор в качестве структурного параметра деформации обусловлен особенностями проведения диагностики при механических испытаниях и эксплуатации. В этом случае деформация однозначно описывает состояние изделия от начала (деформация имеет нулевое значение) до конца испытаний (максимальное значение деформации или разрушение изделия). Разрушение изделия имеет однозначную качественную оценку. Для количественной оценки состояния выбрана локальная (точечная) и полная деформация изделия.

рис. 1. Общая схема диагностической модели

Как показывает практика электрофизические методы, обладая высокой чувствительностью и информативностью, обеспечивают эффективную диагностику, контроль и надежность результатов измерений в условиях близких к рабочим условиям эксплуатации ядерных и конструкционных материалов [4]. Использование данных методов позволяет получать высокие результаты не только в рабочих условиях, но и на стадии разработки новой технологии, выбора материалов, состава топлива и оболочек твэлов, исследования их физико-механических свойств, а также отбраковки готовых изделий [5-8].

В качестве основного диагностического параметра было выбрано электрическое напряжение. Использовались электрические методы измерения сигнала: термоэлектрический и метод контактной разности потенциалов. Согласно ГОСТ 25315-82, термоэлектрический метод представляет собой метод электрического неразрушающего контроля, основанный на регистрации величины термоэдс., возникающей при прямом контакте нагретого образца известного материала с объектом контроля. Метод контактной разности потенциалов – метод электрического неразрушающего контроля, основанный на регистрации контактной разности потенциалов на участках объекта контроля, через который пропускается электрический ток.

В качестве внешних параметров задавались различные значения температуры и нагрузки. Объектом диагностики были выбраны изделия из карбонитридаи нитрида урана (цилиндрические образцы высотой 10-13 мм и диаметром 5-7 мм).

Применяли метод радиационной температурно-силовой обработки (методика малоцикловых усталостных испытаний под облучением), которая использовалась для моделирования и реализации условий размерной нестабильности топливных материалов под облучением. Для обеспечения диагностики во внитриреакторных условиях использовали экспериментальный комплекс ПОИСК. Осуществляя в разных циклах изотермическую выдержку образца при различных нагрузках и длительностях испытаний, получали изменения диагностических параметров в достаточно широких диапазонах.

Целью работы являлось получение информации по диагностическим параметрам и постановки диагнозов относительно состояния изделия.

2. Результаты и их обсуждение

Проведенные исследования позволили выявить закономерности экстремальных изменений диагностического параметра, предшествующих деформации высокой степени или разрушению образца.

Анализ зависимостей диагностического параметра от внешних и связь со структурным параметромпроводится в докладе на примере изделий из карбонитрида урана.

рис. 2. Изменение диагностического параметра, а также деформации от времени при испытаниях

уран-циркониевого карбонитрида (Образец №1)

Для образца №1 уран-циркониевого карбонитрида (рис.2) при первых трех циклах по нагрузке и далее до начала четвертого цикла наблюдается заметный тренд в повышении значений электросопротивления. Это можно объяснить ростом числа дефектов в материале, появление которых может быть вызвано, как изменениями температуры и нагрузки, так и облучением. На ранних стадиях облучения преобладают простые дефекты – типа вакансий и междоузлий (дефекты Френкеля). При более высоких дозах – простые дефекты конденсируются в кластеры и дислокационные петли. В конце четвертого цикла по нагрузке (около 35 часов облучения) для первого образца наблюдаются спонтанные скачки значений электросопротивления, которые предшествуют деформации высокой степени.

Для образца №1 было проведено сравнение экспериментальной деформации с расчетной, которая получена с использованием методов расчета деформации на основе электрофизических характеристик [4] (рис.3 и 4).

Из графиков (рис.3 и 4) видно, что кривая расчетной деформации, построенная по детектированному сигналу DU, на ранних этапах облучения дает более близкие к экспериментальным значения, чем построенная по детектированному сигналу Е. Кривая, построенная по детектированному сигналу Е, становится более показательной на поздних этапах облучения. При этом рассчитанное значение корреляции деформации и электрического сопротивления равно 0,6, корреляция деформации и термоэдс чуть выше. Это показывает, что значения сигнала DU и сигнала E коррелируют со структурным параметром деформации с незначительными различиями и являются в сходной степени значимыми для его определения.

При сравнении результатов применения радиационной температурно-силовой обработки для различных образцовиз карбонитрида урана можно выделить и ряд других закономерностей в реакции диагностического параметра на изменения внешних и проследить связь с наличием деформации.

рис.3. Изменение экспериментальной eэксп (в мкм) и расчётной eрасч (в условных ед.) деформации карбонитрида урана в процессе проведения радиационной температурно-силовой обработки. Кривая (2) построена по детектированному сигналу DU.	рис.4. Изменение экспериментальной eэксп (в мкм) и расчётной eрасч (в условных ед.) деформации карбонитрида урана в процессе проведения радиационной температурно-силовой обработки. Кривая (2) построена по детектированному сигналу Е.

рис. 5. Изменение диагностического параметра от времени при испытаниях уран-циркониевого карбонитрида (Образец №2)

В отличие от первого образца, где можно выделить только общий тренд роста, для образца №2 уран-циркониевого карбонитрида (рис.5) наблюдается ярко выраженная реакция значений электросопротивления на циклирование внешних параметров. В частности, при росте нагрузки значения электросопротивления (по модулю) заметно растут, сохраняясь на довольно высоком уровне и при увеличенных значениях температуры. При этом после возвращения значений внешних параметров к более низкому уровню, электросопротивление также снижается до своих начальных значений. В данном случае рост можно объяснить реакцией элетросопротивления на появление дефектов в материале образца, вызванных циклическим увеличением нагрузки. Возвращение значений электросопротивления к начальному уровню можно связать с отжигом дефектов под воздействием высокой температуры. Таким образом, можно предположить, что в отличие от первого, во втором образце из-за всплесков значений температуры, накопление дефектов носит циклический характер. Для образца №2 имеет место заметная реакция кривой термоэдс на изменения температуры – увеличенным значениям температуры соответствуют более высокие значения термоэдс. Для образца №1 столь яркой зависимости не наблюдается – на повышение температуры значения термоэдс реагируют только незначительными кратковременными всплесками.

Для образца №3 карбонитрида урана (рис.6) на более поздних стадиях облучения наблюдаются значительные колебания значений электросопротивления и всплески значений термоэдс, которые предшествуют сильной деформации образца. Для образцов №1 и №2 карбонитрида урана были построены карты Эшби-Фроста, на которых показаны соответствующие области изменения параметров радиационной температурно-силовой обработки и нанесены соответствующие маршруты проведения испытаний.

Результаты, полученные при помощи карт Эшби-Фроста, показывают, что для обоих образцов значения скоростей деформации лежат в основном в области упругой (квазиупругой) деформации. При этом имеет место попадание части значений в область зернограничной ползучести Кобла.

рис. 6. Изменение диагностического параметра от времени при испытаниях карбонитрида урана (Образец №3)

Также для отслеживания динамики взаимных изменений внешних параметров радиационной температурно-силовой обработки для образцов карбонитрида урана №1 и №2 маршруты испытаний были построены с учетом зависимости от времени (Рис. 7 и 8).

рис.7. Поверхность испытаний для Образца №1 уран-циркониевого карбонитрида с зависимостью от времени

рис.8. Поверхность испытаний для Образца №2 уран-циркониевого карбонитрида с зависимостью от времени

Выводы

Применение диагностической модели позволило сделать следующие общие выводы по рассмотренным в работе образцамкарбонитрида урана. Несмотря на существующие различия в циклировании внешних параметров и соответствующей реакции диагностического, для трех образцов можно сделать вывод о том, что колебания значений электросопротивления и термоэдс спонтанного характера предшествуют деформации высокой степени. Для первого образца колебания электросопротивления и колебания термоэдс являются в сходной степени показательными (при различной значимости на разных этапах облучения), для второго образца – более показательными являются колебания термоэдс, для третьего образца значимы показания обоих сигналов.

Проведенный в работе анализ доказывает применимость построенной модели для постановки диагнозов относительно состояния изделий из топливных материалов.

Литература

1. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения.

2. Диагностика материалов и конструкций топливно-энергетического комплекса/ В.М.Баранов, А.М.Карасевич, Е.М.Кудрявцев, В.В.Ремизов, Г.А.Сарычев, А.Д.Седых– М.: Энергоатомиздат, 1999.

3. Бирюков А.П., Востренков Ю.Ю., Кокряков Р.А., Сурин В.И. Автоматизированная система для электрофизической диагностики материалов при испытаниях на разрыв//Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире. Материалы IV Международной научно-практической конференции – Санкт-Петербург, 2013, с. 100-109.

4. Сурин В.И., Евстюхин Н.А. Электрофизические методы неразрушающего контроля и исследования реакторных материалов. М.: МИФИ, 2008, 167 с.

5. Экспериментальный комплекс «ПОИСК» для высокотемпературных физико-механических исследований /Н.А. Евстюхин, В.И. Князев, В.И. Сурин, С.Н. Тарасов, Ю.Д.Фурсов // Экспериментальное обеспечение реакторных исследований материалов. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 60-67.

6. Структурный анализ пористых материалов методом измерения электросопротивления и термо-эдс / В.И. Сурин, Н.А. Евстюхин, С.Н. Тарасов, В.И. Чебурков // Испытания реакторных материалов. М.: Энергоатомиздат, 1998, с. 37-43.

7. Белова В.С., Евстюхин Н.А., Морозов А.А., Сурин В.И. Информационно-измерительная система для внутриреакторных исследований материалов // Информационные технологии в проектировании и производстве. М.: ФГУП ВИМИ, выпуск №1, 2010г., с.39-47.

8. Surin V.I., Evstyukhin N.A., KapralovYu.A., Morozov A.A. High-effective control system for reactor technological equipment. International Conference “Nuclear Energy for New Europe 2010”, Nuclear Society of Slovenia, Ljubljana, Slovenia, Book of Abstracts, Invited Lectures, pp.58-59.