Разработка и экспериментальные исследования ультразвуковых датчиков для контроля жидкометаллических теплоносителей

На правах рукописи

Камнев Михаил Анатольевич РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ 05.14.03 «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2006 г.

Работа выполнена на кафедре “Ядерные реакторы и энергетические установки” Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Мельников В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Пичков С.Н.

заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Трофимов А. И.

Ведущая организация: ФГУП "ГНЦ РФ Научно исследовательский институт атомных реакторов", г.Димитровград.

Защита состоится “15” декабря 2006 г. в 10 часов на заседании регионального диссертационного совета Д 212.165.03 Нижегородского государственного технического университета по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д.24, корп. 5, ауд.5232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан “” _2006 г.

Ученый секретарь регионального диссертационного совета доктор технических наук, профессор Дмитриев С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Одним из направлений развития мировой ядерной энергетики является использование жидкометаллических систем в качестве теплоносителей для ядерных энергетических установок, развитие и безопасная эксплуатация которых неразрывно сочетается с разработкой и использованием совершенных систем контроля и средств их диагностики. Важным компонентом таких систем являются приборы контроля состояния теплоносителя, от быстродействия и надежности которых во многом зависит правильный выбор технологического регламента и обоснованность действия персонала, особенно в нештатных ситуациях. Изучение поведения теплоносителя необходимо и при отработке перспективных конструкций и элементов будущих ядерных энергетических установок. Применение ультразвуковых приборов и устройств для диагностики процессов в жидкометаллическом теплоносителе является технически обоснованным. Проведенные ранее исследования различных авторов подтверждают перспективность работ в этом направлении.

В настоящее время выполнены эксперименты с использованием акустической техники, направленные на решение ряда задач. В частности, это обнаружение вскипания натриевого теплоносителя, регистрация течи в теплообменниках натрий-вода, обнаружение посторонних предметов в теплоносителе над активной зоной реактора, измерение уровня и расхода жидкометаллического теплоносителя в трубопроводах. Вместе с тем, практическое применение акустических систем при эксплуатации ядерных энергетических установок для контроля процессов в жидкометаллическом теплоносителе фактически отсутствует. Основными причинами, препятствующими их использование в ядерной энергетике, являются, во-первых, недостаточная стойкость погружных датчиков, подвергающихся воздействию высокой температуры и радиации (при этом их стоимость весьма значительна), во-вторых, проблема акустического контакта поверхности датчика с расплавом, и, наконец, в-третьих, низкий уровень используемой электроники для детектирования и генерации акустических сигналов.

Настоящая работа посвящена исследованиям, направленным на совершенствование и разработку новых ультразвуковых датчиков для контроля и диагностики жидкометаллических теплоносителей.

Цель работы Главной целью работы является разработка и исследование волноводных ультразвуковых датчиков для контроля жидкометаллических теплоносителей.

Для достижения этой главной цели в диссертации решаются следующие задачи:

исследование распространения ультразвуковых волн в материалах, потенциально пригодных для использования в конструкции волновода, в диапазоне температур от 20 до 1000°С;

исследование особенностей передачи ультразвуковых колебаний через приграничную область: материал волновода – тяжелый жидкометаллический теплоноситель;

поиск технологических приемов, направленных на обеспечение акустического контакта волновода с контролируемой жидкометаллической средой;

разработка конструкций волноводных ультразвуковых датчиков для контроля движения жидкометаллического теплоносителя и их экспериментальное исследование.

На защиту выносятся следующие основные положения:

физические основы волноводных линий связи датчиков для распространения продольных и сдвиговых волн;

конструкции и основные характеристики волноводных ультразвуковых датчиков для контроля и диагностики жидкометаллического теплоносителя, использующие волноводы продольных и сдвиговых волн, способные работать на частотах до 6МГц;

результаты экспериментальных исследований распространения ультразвуковых волн в материалах, потенциально пригодных для использования в конструкции волновода, в диапазоне температур от 20 до 1000°С;

результаты экспериментальных исследований приграничной области конструкционный материал – тяжелый жидкометаллический теплоноситель при различных состояниях системы с помощью ультразвука различной частоты;

результаты применения волноводных ультразвуковых датчиков в системах измерения скорости движения жидкого натрия и эвтектики свинец висмут по трубопроводам, а также в ряде локальных экспериментов по отработке контрольного оборудования.

Научная новизна Научная новизна работы заключается в следующем:

впервые разработаны волноводные ультразвуковые датчики для контроля и диагностики жидкометаллического теплоносителя, использующие волноводы продольных и сдвиговых волн;

выполнены экспериментальные исследования затухания ультразвука в материалах для волновода в диапазоне температур от 20 до 1000°С;

выполнены экспериментальные исследования приграничной области конструкционный материал – тяжелый жидкометаллический теплоноситель при различных состояниях системы с помощью ультразвука различной частоты;

найдены технологические приемы, обеспечивающие акустический контакт волновода с контролируемой жидкометаллической средой;

впервые при помощи разработанных волноводных датчиков выполнены измерения профиля скорости эвтектики свинец-висмут и натрия на циркуляционных стендах в различных температурных диапазонах;

выполнены тестовые измерения профиля скорости различных жидкометаллических сред при температурах свыше 1000°С.

Практическая ценность Разработаны новые волноводные ультразвуковые датчики для контроля и диагностики жидкометаллических теплоносителей. Получены экспериментальные зависимости коэффициента затухания продольных волн от температуры (в диапазоне температур от 20 до 1000°С) для различных конструкционных материалов. Результаты проведенных исследований зоны контакта конструкционный материал – тяжелый жидкометаллический теплоноситель (свинец, эвтектика свинец-висмут) позволяют обосновать причины затухания ультразвука в приграничной области. Разработана технология подготовки поверхности волновода, с целью обеспечения акустического контакта его с жидкометаллической средой. Подтверждена возможность применения волноводных датчиков для контроля процессов в ряде теплоносителей: натрии, эвтектике свинец-висмут и различных жидкометаллических средах.

Публикации Основные научные результаты опубликованы в одиннадцати печатных работах.

Апробация полученных результатов Основные результаты работы были представлены на I и II региональном молодежном научно-техническом форуме (Н.Новгород, 2002-2003г), на девятой ежегодной молодежной научно-практической конференции ядерного общества России (Н.Новгород, 2004г), на VIII, IX и X сессии молодых ученых (Н.Новгород, 2003-2006г), на IV международной молодежной научно технической конференции «Будущее технической науки» (Н.Новгород, 2005г), на III Курчатовской молодежной научной школе (Москва, 2005г), на научных семинарах департамента магнитной гидродинамики научно-исследовательского центра Розендорф (г.Дрезден, Германия, 2003-2005г) и на научных семинарах кафедры “Ядерные реакторы и энергетические установки”.

Личный вклад автора Исследования, результаты которых представлены в настоящей работе, проводились непосредственно автором с использованием оборудования и экспериментальных установок НГТУ кафедр “ЯР и ЭУ”, “АТС и МИ”, а также в департаменте магнитогидродинамики научно-исследовательского центра Розендорф (г.Дрезден, Германия). Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проведения исследований, обработки и обсуждения результатов.

Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору В.И.

Мельникову осуществлявшему научное руководство этой работой и предоставившему автору все условия для научной деятельности. Автор благодарит д.т.н., профессора А.В. Безносова, к.т.н. Дунцева А.В., к.т.н. Хохлова В.Н., к.т.н. Иванова В.В., доктора Г.Гунтера и доктора С.Экерта принявших участие в обсуждении полученных результатов и помогавшими полезными советами.

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы. Объем работы составляет 155 текстовых страниц, 109 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 92 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, формулируется цель диссертационной работы, отмечается ее научная новизна и практическая ценность, дается краткое описание структуры изложения материала диссертации.

В первой главе диссертационной работы представлен аналитический обзор методов контроля и диагностики жидкометаллических теплоносителей. На основе литературного обзора приведен сравнительный анализ существующих, классифицируемых по физическим принципам, методов контроля жидкометаллических теплоносителей. Для каждого из рассмотренных методов можно указать, как и недостатки, так и наиболее целесообразную область применения, где он имеет определенные преимущества перед другими.

Показано, что наряду с традиционными методами контроля жидкометаллических теплоносителей: механическими, электромагнитными, радиационными и термометрическими наиболее эффективны акустические методы контроля, обладающие наибольшими возможностями для измерения их параметров.

Преимущество акустических средств контроля состоит в их высокой чувствительности, высокой производительности, быстродействии и универсальности аппаратуры, в возможности определять характеристики потока теплоносителя без внесения в него возмущений и нарушения герметичности трубопровода. При этом на распространение и передачу акустических колебаний не оказывает существенного влияния ни температура среды, ни мощные радиационные потоки. Для передачи акустических колебаний могут быть использованы как элементы самой установки, в том числе и теплоноситель, так и специальные волноводы. Акустические методы позволяют проводить измерения не только основных технологических параметров теплоносителя, но и осуществлять контроль отклонений от нормального режима работы установки (контроль течей, кипения и др.). Они эффективны для эксплуатационного контроля ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем.

В тоже время, развитие и совершенствование акустических средств измерений не должно стоять на месте. С целью сохранения устойчивости и работоспособности акустических датчиков в экстремальных условиях ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем, остается перспективным направление использования волноводных линий связи, позволяющие вынести электромеханические преобразователи за пределы высокотемпературной зоны.

При этом становится возможным использовать высококачественную пьезокерамику для генерации и приема ультразвуковых волн и применять хорошо отработанные технологии ее монтажа и согласования с электрической линией связи. Вместе с тем, без учета физических и конструктивных особенностей волноводных линий связи эффективная передача ультразвуковых колебаний по волноводам практически исключается. Это подтверждается неуспешным опытом применения волноводных датчиков в жидкометаллических теплоносителях, например, при исследованиях по изучению возможности регистрации кипения натрия в реакторе БОР-60 по акустическому шуму.

Во второй главе представлены физические основы волноводных линий связи датчиков для распространения продольных и сдвиговых волн;

представлены экспериментальные исследования затухания ультразвука в широкой группе теплостойких материалов, пригодных для изготовления акустических волноводов датчиков контроля ЯЭУ, в диапазоне температур от до 1000°С;

рассмотрены основные свойства и характеристики пьезокерамических преобразователей, как элемента возбуждения и регистрации ультразвуковых волн в акустических датчиках.

Основными параметрами, определяющими качество передачи ультразвуковых колебаний по волноводу, является правильный выбор его геометрии и частоты ультразвуковых колебаний. Для бездисперсионной передачи продольных волн нулевого порядка по цилиндрическому волноводу необходимо выполнение условия df/cст0.1, в котором d – диаметр волновода;

f – верхняя граница частоты передаваемых колебаний;

сст – скорость продольных волн в волноводе (стержневая скорость). Для бездисперсионной передачи сдвиговых или изгибных волн представленное соотношение должно быть Рис.1 Дисперсионные кривые больше или равно единице (Рис.1).

продольных (L0,1) и сдвиговых волн Игнорирование выполнения представленных (F0,1) в цилиндрическом волноводе соотношений приводит к возникновению в волноводе волн более высокого порядка, распространяющихся с различными скоростями и уносящих большую часть энергии. В результате происходит ослабление полезного сигнала, появление множества паразитных волн, причем с ростом длины волновода эти процессы многократно усиливаются. Например, предельная частота сигналов продольных волн, передаваемых по стальному волноводу диаметром 0,8мм, составляет не более 600кГц, а при диаметре волновода 8мм всего 60кГц.

Поскольку диаметр такого волновода много меньше длины ультразвуковой волны в теплоносителе, при передаче сигналов возникает проблема ввода акустического сигнала в теплоноситель. Возможным выходом из этой ситуации является использование комбинированного волновода, составленного из тонких стержней, собранных в пучок и обеспечивающего поршневой характер излучения. На практике изготовление наборного волновода из тонких проволок встречает серьезные технологические затруднения. Особенно возрастающие при необходимости изготовления высокочастотных датчиков с рабочей частотой до 4-5МГц, поскольку при этом необходимо использовать волноводы диаметром около 0,1мм.

Затухание ультразвукового сигнала в волноводе описывается формулой: A = A0 exp [ (t ) l ], где l – длина волновода;

(t) – постоянная затухания;

А0, А – амплитуда сигнала на входе в волновод и на его выходе, соответственно. Постоянная затухания зависит от материала волновода, его температуры и частоты (зависимость линейная). Для определения ослабления сигнала, возникающего при нагреве волновода, была экспериментально определена зависимость постоянной затухания нормальных продольных волн нулевого порядка от температуры в различных конструкционных материалах, включая некоторые тугоплавкие: молибден, вольфрам, цирконий, тантал и др. В ходе проведения исследований определялась амплитуда отраженного сигнала от дефекта и амплитуда отраженного ультразвукового сигнала от торца волновода в различном температурном диапазоне от 20 до 1000°С при частоте ультразвука Рис.2 Схема экспериментальной установки по измерению постоянной затухания продольных волн от температуры в 600-700кГц (Рис.2).

различных материалах.

По значениям фиксируемых амплитуд акустических колебаний определялся At т At д ln 0 Aт коэффициент постоянной затухания продольных волн в Aд, = 2l котором A0 т, A0 д - амплитуда отраженных УЗ импульсов от торца и дефекта At т, At д волновода при нормальной температуре (20°С);

- амплитуда отраженных УЗ импульсов от торца и дефекта волновода при нагреве волновода (от 20°С до 1000°С);

l – расстояние от дефекта до торца волновода, в метрах.

Согласно полученным результатам, наиболее распространенные материалы в ядерной энергетике, такие как нержавеющая сталь, титан, цирконий оказываются приемлемыми для изготовления волноводных линий связи датчиков при температурах до 600°С, поскольку выше 600°С наблюдается затухание ультразвука в данных материалах;

в тантале и ниобии наблюдается затухание ультразвука в диапазоне температур от 400 до 600°С (рис.3). Наиболее Рис.3 Зависимости коэффициента затухания продольных волн нулевого порядка в цилиндрических волноводах от температуры подходящими материалами, с точки зрения передачи ультразвука по волноводу в диапазоне температур от 20 до 1000°С, являются молибден и вольфрам.

Учитывая все особенности волноводных линий связи датчиков, становится возможным использование высококачественной пьезокерамики на основе цирконата – титаната свинца.

В третьей главе диссертации описываются проблемы передачи акустических колебаний в жидкометаллический теплоноситель;

представлены основные результаты экспериментальных исследований области контакта “конструкционный материал – тяжелый жидкометаллический теплоноситель” с помощью ультразвука различной частоты;

описаны технологические приемы, позволяющие обеспечить акустический контакт волновода с жидким натрием, свинцом, эвтектикой свинец – висмут.

Согласно литературным данным, эффективная передача ультразвуковых колебаний осуществляется из среды в среду с близкими значениями акустических импедансов. Например, при контакте излучающей поверхности стали (сст=4045·106 кг/(м·с)) со свинцовым расплавом (ссв=19·106 кг/(м·с)) должна осуществляться эффективная передача ультразвуковых импульсов в жидкометаллическую среду. Однако на практике акустического контакта между стальной поверхностью излучателя и тяжелым жидкометаллическим теплоносителем не происходит. Причины затухания ультразвуковых импульсов сводятся к исследованию пристенной области стенка конструкционного материала – жидкометаллический теплоноситель, поскольку именно в приграничной области нарушается передача ультразвука.

Выполнены экспериментальные исследования такой области в тяжелых жидкометаллических теплоносителях (свинец, свинец-висмут) при помощи ультразвука различной частоты 8МГц, 1МГц и 30кГц. Проведение исследований с различной частотой зондирования обуславливается изменением параметров ультразвука, например изменением длины волны и увеличением пропускной способности препятствий при передаче ультразвука низкой частоты через границу раздела конструкционный материал - тяжелый жидкометаллический теплоноситель. Исследования выполнены методом излучения ультразвука на просвет через контролируемую среду с использованием волноводных датчиков продольных и сдвиговых волн разной геометрии (Рис.4).

а) в) б) Рис.4 Общий вид акустических датчиков: (а) – погружной датчик с частотой прозвучивания 8МГц;

(б) – одно-мегагерцовый датчик с “трубчатыми” волноводами: 1, 3 – приемный и излучающий волновод, 2 – экспериментальная емкость;

(в) – датчик с волноводами переменного сечения, частота 30кГц.

По амплитуде принятого сигнала определялась интенсивность прохождения ультразвука при различных состояниях системы, а именно от температуры ТЖМТ (от температуры плавления теплоносителя до 600С);

от величины концентрации кислорода в контуре (от состояния насыщения до 10-7);

от величины избыточного давления (от 0,1кгс/см2 до 60кгс/см2 (ати)), вакуума в газовом объёме над свободным уровнем теплоносителя (от 1-10мм.рт.ст. до 760мм.рт.ст. (ата)) и от предыстории изменения характеристик контура.

Основные результаты представлены в следующих графиках и зависимостях.

Наиболее сильное влияние на прохождение ультразвука в жидкометаллический теплоноситель оказывает увеличение давление в контуре над свободным уровнем теплоносителя. Характер изменения амплитуды ультразвукового сигнала от величины изменения давления имеет вид петли гистерезиса, причем, чем меньше температура теплоносителя, тем больше возрастание амплитуды при повышении давления до одних и тех же величин (Рис.5, 6).

Рис.5 Зависимость амплитуды Рис.6 График зависимостей амплитуды УЗ ультразвукового сигнала от увеличения (—) сигнала от увеличения (—) и уменьшения (- и уменьшения (----) давления над свободным --) давления (частота 1МГц):

уровнем теплоносителя при 400 0С (), 450 —— - температура теплоносителя 500°С, С (), 500 0С (), частота ультразвуковых —— - температура свинца 450°С;

импульсов 8МГц —— - температура теплоносителя 350°С.

При высокой частоте зондирования (8МГц) на характер изменения амплитуды акустического сигнала существенное влияние оказывает скорость возрастания давления газа над свободным уровнем теплоносителя (Рис.7). При плавном возрастании давления газа, с выдержкой по времени, характер изменения сигнала отличается от аналогичного при резком увеличении давления. При частоте зондирования пристенной области конструкционный материал – ТЖМТ 30кГц отклик амплитуды акустических импульсов становится более чувствительным к плавному изменению давления газа над свободным уровнем теплоносителя (Рис.8).

Рис.8. График зависимости амплитуды Рис.7. Зависимость амплитуды ультразвукового сигнала (——) и давления ультразвукового сигнала (1) и давления (2) (——) от времени при температуре свинца от времени при 4500С (частота 8МГц) 4500С (частота 30кГц) С длительной подачей водорода (более 25ч.) под “активную” часть волноводов выявлен отклик амплитуды УЗ на пузыри барботируемого газа.

Совместные операции подачи водорода и увеличения давления в контуре приводит к увеличению амплитуды акустического сигнала, при извлечении погружного датчика фиксировалось смачивание волноводов свинцом.

После вакуумирования контура повышается “чувствительность отклика” амплитуды УЗ сигнала на изменение величины давления газа над свободным уровнем теплоносителя. Значения амплитуд ультразвуковых импульсов после вакуумирования контура превышают значения амплитуд ультразвуковых импульсов при одних и тех же значениях давления (Рис.9). Подача кислорода на барботаж приводит к уменьшению величины амплитуды ультразвуковых импульсов. В некоторых сериях экспериментов последующее увеличение давления в контуре над свободным уровнем теплоносителя (после подачи кислорода) не приводило к изменению амплитуды акустических импульсов.

Последующий ввод водорода на барботаж обеспечивал восстановление прохождения акустических колебаний (Рис.10).

Рис.9 График зависимостей амплитуды УЗ сигнала от давления, при температуре Рис.10. Общий график зависимостей амплитуды 3500С (частота 30кГц): —— -без ультразвукового сигнала (——) и давления предварительной обработки контура (——) от времени (частота 30кГц): 1 – подача водородом, —— после 4-х часовой воздуха на барботаж;

2 – прекращение подачи подачи “сухого” водорода в контур воздуха на барботаж;

() – начало, ()– (5000С);

—x— после 30-минутного прекращение подачи “сухого” водорода.

вакуумирования контура.

Результаты экспериментальных исследований позволяют обосновать причины затухания ультразвука. По нашему мнению, основной причиной затухания ультразвукового сигнала является газовая среда между жидким металлом и несмачиваемой им поверхностью конструкционного материала, поскольку только среда с низким волновым сопротивлением (акустически “мягкая” среда) может вызывать такое значительное затухание акустических колебаний. Предположительно, газ находится во впадинах микрошероховатостей, на различных дефектах поверхности стенки и дисперсных частиц примесей в пристенном слое, при этом доля контактирующего теплоносителя с поверхностью твердой стенки незначительна и ультразвуковые колебания вследствие отражения от среды с низким волновым сопротивлением не достигают приемного волновода. При силовом воздействии на данную среду, например давления, газовая фаза сжимается, следовательно, область контакта теплоносителя с излучающей поверхностью волновода увеличивается, интенсифицируя при этом прохождение акустических импульсов. Вследствие воздействия молекулярных (возможно, капиллярных) сил между частицами жидкометаллического теплоносителя и конструкционного материала, а также пористой структуры оксидированной поверхности конструкционного материала, зависимость изменения амплитуды ультразвуковых импульсов от изменения давления в контуре имеет вид гистерезиса. При длительной подаче водорода в контур и под волноводы, восстанавливающего оксидные покрытия с поверхностей стальных волноводов, газовая среда, препятствующая прохождению упругих колебаний, вследствие смачивания теплоносителем конструкционного материала, уходит с его поверхности, что фиксируется по резкому увеличению амплитуды принимаемого ультразвукового сигнала.

Разработка новых ультразвуковых датчиков для контроля жидкометаллических теплоносителей должна включать решение задачи передачи акустических колебаний в теплоноситель. Как показывают проведенные исследования, основным условием обеспечения акустического контакта или ввода ультразвука в жидкометаллический теплоноситель является условие смачивания излучающей поверхности датчика жидкометаллической средой, так как высокие значения давлений и другое в условиях контуров ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем не допустимы. С целью осуществления передачи ультразвука в жидкометаллический теплоноситель разработаны технологические приемы, позволившие обеспечить, акустический контакт волновода с жидким натрием, свинцом и эвтектикой свинец-висмут. Так, в натрии для более эффективной передачи ультразвука в теплоноситель предлагается предварительно облуживать рабочую поверхность датчика “мягкими” припоями, например оловянными. Для обеспечения прохождения ультразвуковых волн в свинце и эвтектике свинец-висмут нами предложено использовать промежуточный слой, содержащий никелевую основу и размещаемый на излучающей поверхности волновода.

В четвертой главе представлены конструкции и основные характеристики ультразвуковых волноводных датчиков, использующие волноводы продольных и сдвиговых волн. Приведены экспериментальные результаты измерения профиля скорости эвтектического сплава свинец-висмут, натрия и других жидкометаллических систем.

Для решения задачи передачи продольных волн, в широком диапазоне частот, предлагается использовать волноводы, сформированные из тонкой фольги, свернутой в виде трубки. Волновод изготовлен из стальной нержавеющей фольги аустенитного класса 0Х18Н10Т толщиной 0,1мм, которая свернута соосно вокруг капиллярной трубки. К одному из кончиков волновода присоединен пьезоэлемент в виде диска диаметром 7,5мм, толщиной 0,4мм, изготовленный из керамики ЦТС-19 (Рис.11). Рабочий Рис.11 Конструкция датчика с витым торец волновода герметизируется волноводом: 1 – узел герметизации;

2 – волновод;

3 – корпус;

4 – разъем;

диском из фольги. Наружный диаметр 5 – трансформатор;

6 – пьезоэлемент.

волновода - 7.5мм, длина варьируется от 100мм до 1,5м. Максимальная рабочая частота такого датчика достигает 4МГц, при ширине полосы пропускания около 1МГц. Затухание сигнала, обусловленное потерями при преобразовании электрического сигнала в акустический и обратно и двойном пробеге акустического сигнала в волноводе длиной 1000мм при температуре 200С, составляет примерно 36дБ. При этом затухание сигнала собственно в материале волновода на частоте 4МГц всего 14дБ. Согласование пьезопреобразователя с линией связи и подавление возможных помех обеспечивает трансформатор с дифференциальной вторичной обмоткой. Угол направленности датчика в воде составляет около 2° (Рис.12).

Рис.12 Диаграмма направленности В качестве волновода для ультразвуковых волн витого волновода в воде передачи сдвиговых волн предлагается использовать стальной стержень сечением 3х4мм длиной 200мм, который устанавливается в корпус (Рис.13). В верхней части волновода происходит генерация сдвиговой волны путем расщепления продольной волны при ее падении на скошенную поверхность.

Рис.13 Конструкция датчика с волноводом Рис.14 Диаграмма направленности датчика сдвиговых волн: 1 - волновод 2,3 – корпус на сдвиговых волнах в воде датчика;

4 – пьезоэлемент.

Нижняя часть волновода выполнена скошенной для трансформации сдвиговой волны в поверхностную. При этом диаграмма направленности лепестка излучения оказывается наклоненной под углом около 330 в воде при нормальных условиях. Угол направленности в воде составляет 4-4,5° (Рис.14). Рабочая частота датчика до 4-6МГц, при ширине полосы пропускания около 1МГц.

Для высокотемпературных измерений в жидкометаллических теплоносителях разработаны витые датчики из молибдена с рабочими частотами до 4МГц. Также изготовлены различные испытательные датчики, например, датчик с наборным волноводом, состоящий из вольфрамовых стержней с частотами до 700кГц и трех мегагерцовые витые датчики из тантала и ниобия.

Разработанные ультразвуковые волноводные датчики были использованы нами в системах измерения скорости движения жидкого натрия и сплава свинец висмут по трубопроводам, а также в ряде локальных экспериментов по отработке контрольного оборудования. Большая часть работ - по тестированию и испытанию датчиков, измерению скорости и профиля скорости ЖМТ выполнены в научно-исследовательских центрах Розендорф и Карлсруэ (Германия). Исследования выполнены при помощи импульсной доплеровской системы DOP2000, позволяющая измерять скорость рассеивателей в потоке на различном удалении от датчика (рис. 15).

Рис.15 Функциональная схема и внешний вид доплеровской системы DOP2000 фирмы Signal Processing's: 1,3 – усилитель сигнала;

2 – генератор;

4 – модулятор синхронизации;

5 – авто коррелятор;

6,7 – фильтр;

8 – вывод Первоначально датчики испытывались на экспериментальном водяном стенде. Датчики устанавливались в тарированном экспериментальном канале, прямоугольного сечения под углом к оси канала 45° (Рис.16). Для повышения чувствительности датчика использовались рассеиватели, в виде пузырьков маленького диаметра (менее 0,1мм). Образование рассеивателей осуществлялось за счет электролиза воды специального состава при переменной подаче напряжения на электрод, расположенного в экспериментальном канале. В ходе проведения исследований определялись профили и значения средней скорости движения рассеивателей в диапазонах скорости от 40 до 100мм/сек (Рис.17).

Рис. 17 Профиль скорости движения в рассеивателей на расстоянии 50мм от места Рис.16 Схема размещения датчика установки волноводного датчика (скорость экспериментальном канале.

движения воды в канале 60мм/сек).

Совместно с измерением скорости движения рассеивателей волноводными ультразвуковыми датчиками определялась скорость потока стандартным (безволноводным) ультразвуковым датчиком TR10405, изготовленного швейцарской фирмой Signal-Processing. В ходе проведения исследований, средние значения скорости рассеивателей в экспериментальном канале, измеряемые безволноводным датчиком, соответствовали показаниям волноводного ультразвукового датчика.

Для отработки технологии движения газовой фазы в жидкометаллическом теплоносителе были выполнены измерения профиля скорости перемещения эвтектики свинец-висмут, вызванного движением цепочки всплывающих пузырьков в емкости. Последовательность пузырьков формировалась впрыскиванием азота через капилляр с внутренним диаметром 0,5мм. Излучающий торец датчика погружался в сплав сверху и находился на дистанции 150мм по вертикали и 30мм по горизонтали от точки ввода газа. Угол наклона датчика от вертикали составлял 200 (Рис.18). В ходе проведения исследований определялась вертикальная компонента скорости движения всплывающих пузырьков. Регистрация скорости движения единичных всплывающих пузырьков осуществлялась при небольшом расходе газа, около 0,05см3/с. Измеряемый профиль скорости при единичных всплывающих пузырьках представлен вашему вниманию (Рис.19). По нему можно наблюдать движение как жидкой фазы теплоносителя 1, так и газовых включений 2.

Рис.18 Схема экспериментальной установки для Рис.19 Профиль скорости движения исследования движения всплывающих эвтектики свинец-висмут (1) и пузырьков пузырьков: 1 – датчик;

2 – экспериментальная газа (2).

емкость;

3 – капилляр Опыты по измерению скорости натриевого теплоносителя в трубопроводе проводились на стенде НАТАН, научно-исследовательского центра Розендорф, г.Дрезден, Германия (Рис.20). Измерения проводились в температурном диапазоне 150-3000С. Датчики с волноводом длиной 200мм устанавливались в вертикальном экспериментальном канале, в трубе прямоугольного сечения 44х44мм под углом к оси трубы 700. Рабочая частота Рис.20 Схема экспериментального стенда Рис.21 Профиль скорости натрия в NATAN: 1 - электромагнитный насос;

2 - экспериментальном канале: 1 – v=0,43 м/с;

горизонтальная экспериментальная секция;

2 – v=0,64 м/с 3 - буферная емкость;

4 - вертикальный экспериментальный канал;

5 - плавильный бак;

6 – холодная ловушка.

ультразвука 4МГц. Представлены некоторые экспериментальные результаты по измерению профиля скорости потока натрия при помощи датчика с витым волноводом продольных волн (рис.21). Аналогичные профили скорости натриевого теплоносителя были получены и при помощи датчиков с волноводами сдвиговых волн.

Витыми волноводными датчиками выполнены измерения профиля скорости потока эвтектики свинец-висмут в трубопроводе, в частности, в петле “Тезис” лаборатории KALLA исследовательского центра Карлсруэ (Германия).

Датчики устанавливались в цилиндрической трубе диаметром 60мм под углом 450. Датчики устойчиво работали в течение 72 часов, обеспечивая измерение профиля скорости движения сплава в температурном диапазоне от 180 до 3500С (Рис.22).

Исследования, демонстрирующие устойчивость и работоспособность витых волноводных датчиков при высоких температурах, были проведены в различных жидкометаллических системах. В частности, высокотемпературными датчиками выполнены проверочные измерения скорости движения олова, Рис.22 Профиль скорости эвтектики свинец-висмут в экспериментальном алюминия, оловянных сплавов при канале: Расход теплоносителя: 1 – 25% температурах свыше 1000 0С.

от максимального;

2 – 50% от максимального;

3 – 75% от максимального;

4 – максимальный.

В пятой главе диссертационной работы представлены некоторые конструктивные и технологические особенности и недостатки витых волноводных ультразвуковых датчиков, а также возможные пути их решения.

ВЫВОДЫ:

1. Впервые выполнены экспериментальные исследования затухания ультразвука в широкой группе теплостойких материалов, пригодных для изготовления акустических волноводов датчиков контроля ЯЭУ, в диапазоне температур от 20 до 1000°С.

2. Разработаны новые волноводные ультразвуковые датчики для контроля и диагностики жидкометаллического теплоносителя, использующие волноводы продольных и сдвиговых волн, способные работать на частоте до 6МГц.

3. Исследовано распространение ультразвука различной частоты через приграничную область: конструкционный материал – тяжелый жидкометаллический теплоноситель. По результатам исследований обоснованы причины затухания ультразвука.

4. Найдены технологические приемы, обеспечивающие акустический контакт материала волновода с контролируемой жидкометаллической средой.

5. Впервые при помощи разработанных волноводных датчиков выполнены измерения профиля скорости эвтектики свинец-висмут и натрия на циркуляционных стендах в различных температурных диапазонах.

6. Впервые проверена работоспособность датчиков в олове и его сплавах при температурах свыше 1000°С.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Мельников В.И., Камнев М.А., G. Gerbeth, S. Eckert. Разработка и исследование волноводных ультразвуковых датчиков для контроля жидкометаллических теплоносителей. Ядерная энергетика, №2, 2005, c. 9-15.

2. Безносов А.В., Камнев М.А., Пинаев С.С., Лавренов В.С.

Ультразвуковые исследования характеристик приграничного слоя конструкционный материал — ТЖМТ. Атомная энергия, т.97, вып. 6, декабрь, 2004, с. 465-467.

3. Безносов А.В., Камнев М.А., Пинаев С.С. Экспериментальное исследование приграничного слоя «конструкционный материал – ТЖМТ» с использованием ультразвука. Сборник тезисов докладов регионального молодежного научно-технического форума, Нижний Новгород, май 2002, с.319.

4. Безносов А.В., Камнев М.А., Назаров А.В., Мелузов А.Г., Пинаев С.С.

Исследования характеристик пристенной области: конструкционный материал свинцовый и свинец – висмутовый теплоносители. Сборник тезисов докладов конференции «ТЖМТ в ядерных технологиях», Обнинск, 11 – 12 декабря, 2003, с.93.

5. Мельников В.И., Камнев М.А. Исследование технологии передачи ультразвука через границу раздела “волновод — жидкий металл” с целью разработки систем диагностики течения жидкометаллического теплоносителя.

Сборник тезисов докладов девятой нижегородской сессии молодых учёных, 2004.

6. Мельников В.И., Камнев М.А., Зеленов Г. А. Исследование и разработка акустических волноводных систем для контроля жидкометаллических теплоносителей. Сборник тезисов докладов девятой ежегодной молодежной научно-практической конференции ядерного общества России, Н.Новгород, 14-17сентября, 2004.

7. Безносов А.В., Камнев М.А. Ультразвуковые исследования приграничного слоя конструкционный материал ТЖМТ. Сборник научных трудов Четвертой научно-технической конференции «Научно инновационное сотрудничество», часть 1, Москва, 2005, с 54-55.

8. Камнев М.А. Ультразвуковые исследования приграничной области:

сталь 12Х18Н10Т – свинец, свинец-висмут. Сборник тезисов докладов десятой нижегородской сессии молодых учёных, 2005.

9. Камнев М.А., Зеленов Г.А. Разработка и исследование волноводных ультразвуковых датчиков для контроля жидкометаллических теплоносителей.

Сборник тезисов докладов десятой нижегородской сессии молодых учёных, 2005.

10. Безносов А.В., Камнев М.А. Исследование области контакта конструкционный материал свинцовый и свинцово-висмутовый теплоносители ультразвуком. Сборник докладов межотраслевой тематической конференции «Теплогидравлические аспекты безопасности ЯЭУ с реакторами на быстрых нейтронах» г. Обнинск, 2005.

11. Мельников В.И., Камнев М.А. Разработка и исследование волноводных ультразвуковых датчиков для контроля жидкометаллических теплоносителей. Сборник аннотаций работ 3-ей Курчатовской молодежной научной школы, г. Москва, 14-16 ноября, 2005.