Разработка методики ультразвуковой томографии сварных соединений пеналов для хранения отработавшего ядерного топлива

АЭ является одной из наиболее перспективных отраслей, обеспечивающих производство
безуглеродной электрической и тепловой энергии.
Но в то же время, ее развитие приводит к накоплению большого количества ОЯТ. На
сегодняшний день в нашей стране накоплено более двадцати тысяч тонн ядерного топлива, а
ежегодно вырабатывается еще более 600 тонн ОЯТ. По условным расчетам можно сказать, что к
2030 году в России будет накоплено около 40000 тонн ОЯТ реакторов [1].
Для расширения мощностей по размещению топлива, а также осуществления перехода к
замкнутому ЯТЦ, происходит активное развитие методов сухого хранения ОЯТ. В нашей стране
предположительный срок размещения ОЯТ в хранилищах сухого типа достигает 50 лет. В связи
с этим, одной из важнейших задач для атомной промышленности становится обеспечение
безопасности при долговременном (бессрочном) хранении ОЯТ [2].
Строительство и запуск первого в России централизованного хранилища производится на
базе ФГУП ФЯО «ГХК». В настоящее время уже запущено две очереди предприятия,
позволяющих размещать топливо как от реакторов типа РБМК, так и ВВЭР-1000 [3]. В целях
обеспечения ядерной и радиационной безопасности размещение ОЯТ осуществляется в
специализированном пенале, представляющим собой герметичную стальную емкость.
Герметизация при хранении обеспечивается свариванием крышки пенала с его корпусом [4].
Таким образом, наиболее значимым является проведение эффективного контроля
качества данных герметизирующих сварных соединений, которые являются наиболее
уязвимыми местами пенала [5]. При этом в целях сохранения целостности изделия после
диагностики могут быть применены только неразрушающие методы контроля, включающие в
себя магнитные, тепловые, ультразвуковые, радиографические и другие методы.
На данный момент в атомной энергетике наиболее распространено применение
метода РК. Это связано с длительной практикой применения данного метода и сопутствующим
созданием нормативных документов, регламентирующих проведение инспекций сварных
соединений объектов атомной энергетики. Но в то же время проведение дефектоскопии с
применением рентгеновского излучения сопряжено с рядом недостатков. Наиболее
существенными являются риск возможной повышенной радиационной нагрузки на персонал, а
также неспособность выявления дефектов типа трещина и непровар, если плоскость их
раскрытия не совпадает с направлением просвечивания. Кроме того, для наибольшей
чувствительности применяются рентгеновские трубки, которые не обладают достаточной
проникающей способностью, что важно в случае производственного контроля пеналов для
хранения ОЯТ, на этапе до механической обработки, в связи с чрезмерной толщиной заготовок.
В связи с этим возникает потребность в развитии альтернативных технологий контроля,
которые могут быть использованы вместо или в дополнение к радиографии. Примером таких
методов являются развивающиеся ультразвуковые технологии. Современные технологии УЗК
позволяют проводить эффективную оценку качества с точностью сопоставимой с
результатами РК [6].
Основной сложностью при применении методов УЗК является то, что результаты
измерений позволяют проводить лишь относительную количественную оценку обнаруживаемых
дефектов. Для сопоставления индикаций, получаемых при ультразвуковой инспекции с
реальными размерами несплошностей необходимо наличие калибровочных образцов, которые
соответствуют по своим акустическим свойствам и конструкционным особенностям
контролируемому объекту. Кроме того, традиционные методы ультразвуковой диагностики
позволяют получение результатов только в виде зависимости изменения амплитуды волны от
времени прохождения. Это может приводить к большим погрешностям в связи с тем, что
решение по интерпретации результатов возлагается на оператора.
Благодаря значительному развитию традиционных методов и появлению способов,
основанных на применении ФАР, стало возможным точное определение типов, размеров и
положения дефектов путем построения трехмерных изображений внутренней структуры
контролируемых объектов.
Реконструкция реальных изображений дефектов при измерении акустических сигналов с
использованием ФАР достигается путем применения специализированных алгоритмов
математической обработки. Такой подход лежит в основе акустической голографии, как одного
из методов ультразвуковой дефектометрии.
В России вопросы применения ультразвуковых методов для осуществления
дефектометрии начали развиваться достаточно давно. Например, коллективы под руководством
Вопилкина А.Х., Бадаляна В.Г. занимаются исследованиями вопросов применения
голографических методов с целью повышения корреляции между условными и реальными
дефектами контролируемых объектов [7]. На основе их исследований было предложено
использование фокусированных нерасходящихся пучков, озвучивающих дефекты по технологии
SAFT. На сегодняшний день под руководством данных ученых совместно с академиком РАН
Алешиным Н.П. на базе «Научно-производственный центр неразрушающего контроля ЭХО+»
активно ведутся работы по созданию автоматизированных ультразвуковых систем с
применением методов ультразвуковой голографии. Так, созданная ими система Авгур широко
применяется для контроля качества сварных соединений энергоблоков атомных станций. Работа,
проделанная указанными научными коллективами, показала, что применение методов
ультразвуковой голографии может быть эффективно при контроле аустенитных сталей [8-11].
Акустическая голография представляет метод измерений, позволяющий без
использования фокусированных датчиков, на основе применения принципов волновой
интерференции восстанавливать трехмерные изображения внутренней структуры ОК. Ее
принципы совпадают с методами ультразвуковой томографии, применение которой также
развивается выдающимися коллективами исследователей в области УЗК нашей страны.
Так, например, под руководством Самокрутова А.А. и Шевалдыкина В.Г. на базе Научно-
производственной фирмы «АКС» происходит создание передовых систем ультразвукового
томографического контроля различных объектов. Основным принципом работы таких систем
является многоракурсное сканирование заданной точки пространства с последующей
когерентной пространственной-временной обработкой сигналов и присвоением результатам
определённого цвета на получаемых изображениях [12-14].
Учитывая вышесказанное, можно сказать, что на сегодняшний день ультразвуковая
томография является наиболее актуальным направлением исследований в области
неразрушающего контроля. Создание методики, реализующей ее применение для контроля
качества сварных соединений пеналов сухого хранения ОЯТ, позволит избежать ограничений,
обусловленных применением существующих радиографических методов. Разрабатываемая в
работе БД дефектов, учитывающая особенности ОК и применяемых режимов сварки,
обеспечивает возможность осуществления количественной оценки несплошностей на основе
полученных индикаций ультразвуковой томографии. Кроме того, в рамках диссертационной
работы предлагается создание автоматизированного сканирующего устройства для инспекции
сварных соединений пенала, что существенно повысит производительность и точность контроля
по сравнению с традиционными ультразвуковыми методами.
Объектом исследования является безопасность сухого хранения ОЯТ в рамках
осуществления перехода к замкнутому ЯТЦ.
Предметом исследования являются методики УЗК качества сварных соединений
пеналов для хранения ОЯТ из аустенитных сталей для реакторов типа РБМК-1000 (далее-пенал
для хранения ОЯТ).
Целью настоящей работы является разработка средства и методики
автоматизированного контроля качества сварных соединений пеналов для хранения ОЯТ
реакторов типа РБМК-1000 посредством ультразвуковой томографии.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1) Анализ и классификация дефектов, возникающих при аргонодуговой сварке
конструкционного материала пенала для хранения ОЯТ.
2) Формирование характеристических признаков для интерпретации индикаций
ультразвуковой томографии, позволяющих определить тип дефектов сварных соединений пенала
для хранения ОЯТ.
3) Разработка методики ультразвуковой томографии сварных соединений пеналов для
хранения ОЯТ.
4) Выбор и обоснование параметров измерительного и акустического трактов для
инспекции сварных соединений пеналов для хранения ОЯТ.
5) Проведение экспериментальных исследований образцов с реальными дефектами на
лабораторной установке ультразвуковой томографии.
6) Верификация экспериментальных результатов ультразвуковой томографии
методом РК.
7) Разработка и апробация средства автоматизированного сканирования пенала для
хранения ОЯТ с целью проведения ультразвуковой томографии.
Положения, выносимые на защиту:
– БД дефектов сварных соединений пенала для хранения ОЯТ реакторов типа РБМК-1000.
– Методика автоматизированного контроля качества пенала для хранения ОЯТ на основе
трехмерной визуализации результатов ультразвуковой томографии.
– Результаты экспериментальной оценки качества образцов предоставленных
ФГУП ФЯО «ГХК» с помощью ультразвуковой томографии, подтвержденные
соответствующими данными РК.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые:
– Разработана методика ультразвуковой томографии пеналов для хранения ОЯТ реакторов
РБМК-1000.
– Разработан способ анализа и интерпретации результатов ультразвуковой томографии
сварных соединений пеналов для хранения ОЯТ.
– Установлено соответствие между реконструированными результатами ультразвуковой
томографии пеналов для хранения ОЯТ и данными их РК.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты внедрены в
производственный процесс ОАО «СибАтомСервис», а также в учебный процесс кафедры
физико-энергетических установок Национального исследовательского Томского
политехнического университета, что подтверждено соответствующими актами,
представленными в Приложениях Д и Е.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработана и апробирована
методика контроля для проведения исследований технического состояния пеналов для хранения
ОЯТ реакторов типа РБМК-1000. Полученные результаты позволяют осуществить ее внедрение
на базе централизованного хранилища ГХК.
Применение разработанной методики на реальных пеналах ОЯТ даст возможность
расширения созданной БД дефектов, характерных для сварных соединений изделий из
аустенитной стали, что позволит в дальнейшем усовершенствовать методику для проведения
ультразвуковой томографии других компонентов атомной энергетики, изготавливаемых из
данного материала.
Практическая значимость также подтверждается выполнением автором в качестве
соисполнителя следующих научно-исследовательских работ, посвященных разработке и
применению ультразвуковых методов контроля сварных соединений в атомной энергетике:
1) ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-
технического комплекса России на 2014-2020 годы» – Разработка технологии диагностики и
оценки остаточного ресурса контейнеров с ОЯТ на базе метода ультразвуковой томографии,
соглашение о предоставлении субсидии от 27 июня 2014 г. № 14.575.21.0048, уникальный
идентификатор проекта RFMEFI57514X0048.
2) Государственное задание «Наука» Министерства образования и науки Российской
Федерации, проект № 11.3683.2017/4.6.
3) Государственное задание «Наука» Министерства образования и науки Российской
Федерации, проект № 11.6342.2017/8.9.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректностью
постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, применением комплексного
подхода и современной элементной базы при разработке методики ультразвуковой томографии
сварных соединений пеналов для хранения ОЯТ, а также при создании лабораторной установки
для проведения эксперимента, сопоставлением данных полученных в работе с результатами,
полученными другими исследователями при использовании РК.
Личный вклад автора заключается в формировании критериев классификации и
создании БД дефектов сварных соединений пеналов для хранения ОЯТ; разработке и апробации
методики ультразвуковой томографии, включая проведение экспериментов, обработку
полученных данных и проведение сравнительного анализа для подтверждения достоверности
результатов; проведении экспериментальной апробации разработанного автоматизированного
манипулятора ультразвуковой томографии пеналов для хранения ОЯТ.
Апробация работы и публикации: материалы диссертации были представлены на
всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: VI Школа-конференция
молодых атомщиков Сибири, Томск, 2015; Конференция молодых специалистов «Инновации в
атомной энергетике», Москва, 2015; Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле:
взгляд в будущее, Сборник научных трудов, IV Международной конференции школьников,
студентов, аспирантов, молодых ученых, Томск, 2015; 2015 International Congress on Ultrasound,
Метц, Франция, 2015; The International Congress on Advances in Nuclear Power Plants, Сан-
Франциско, США, 2016.
Результаты диссертационной работы опубликованы в 21 работе: 8 статьях в журналах из
списка ВАК (в т. ч. 6 статьей в БД SCOPUS), а также в 13 материалах сборников трудов
российских и международных конференций. Получен патент РФ.