УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ
DEVICE FOR TESTING MATERIALS IN NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано при проведении радиационных испытаний, в частности испытаний при исследовании влияния облучения на механические свойства, зависимости деформации радиационного формоизменения и радиационно-термической ползучести образцов исследуемых материалов в ядерных реакторах.
В качестве выполнения одного из основных требований при исследованиях влияния радиационного воздействия на физико-механические свойства материалов для уменьшения разброса измеряемых параметров и повышения точности необходимо обеспечивать заданную температуру с минимальными колебаниями в процессе облучения. Современные требования к отклонениям от заданной величины температуры составляют 5%. В технической литературе: Голованов В.Н., Шамардин В.К., Прохоров В.И. и др. «Исследования конструкционных материалов в БОР-60 и перспективы развития работ» // Атомная энергия, 2001. Т. 91, вып. 5, С. 389-400, сборник «Исследовательские реакторы института и их экспериментальные возможности» // НИИАР, 1992 описаны конструкции облучательных устройств для исследований важнейших радиационных явлений в материалах различных классов, выполненных либо в виде специальных образцов, либо оболочечных труб и чехлов тепловыделяющих сборок. Для получения требуемой температуры образцов при облучении конструкционных материалов в РУ БОР-60 использовали один из трех типов облучательных устройств:
- ампулы с протоком теплоносителя без подогрева или с подогревом за счет γ-разогрева вольфрамовых стержней, а также с использованием тепловыделяющих элементов;
- герметичные ампулы, заполненные инертным газом, причем достижение температуры образцов производится за счет γ-разогрева металлических блоков, размещенных с зазором с оболочкой ампулы;
- герметичные ампулы, заполненные натрием, состоящие из двух контейнеров.
Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым изобретением по наибольшему количеству существенных признаков, является конструкция экспериментального пакета для облучения материалов в застойном натрии, которая описана в статье Самсонов Б.В., Шулимов В.Н., Крутикова В.В. и др. «Разработка экспериментальных облучательных устройств для проведения материаловедческих испытаний в реакторе БОР-60» // Вопросы атомной науки и техники, серия: радиационное материаловедение, методика и техника облучения, выпуск 5, Димитровград, 1975.
Ампула этой конструкции имеет два корпуса - внешний и внутренний. Внешняя поверхность внутреннего корпуса выполнена ступенчатой. При сопряжении ее с гладкой поверхностью наружного корпуса возникает необходимое термическое сопротивление. Полость внутреннего корпуса заполняется образцами, заливается натрием и герметизируется. В пакетах с герметичными ампулами проводятся испытания материалов в интервале температур 500-700°C.
Анализ распределения температуры в такой конструкции приведен в научном издании: Самсонов Б.В., Цыканов В.Л., Щулимов В.Н. Использование металл-металлического контакта в ампульных устройствах высокопоточного реактора. Препринт НИИАР, П-101, Мелекесс, 1971. А также приведены выводы проведенного анализа, в частности максимальное расхождение расчетных и экспериментальных результатов не превышает 15%, кроме того, неточность определения температуры, связанную с погрешностью определения эквивалентного термического сопротивления и случайным характером контактного термосопротивления, необходимо корректировать одним из инструментованных способов регулирования температуры в ампульных устройствах в специализированной ячейке реактора.
Недостатком прототипа является: сопряжение в виде металлического контакта ступенчатой поверхности внутреннего корпуса с гладкой поверхностью наружного корпуса весьма трудно поддается расчету, что создает большие расчетные погрешности до 15% по температуре образцов, и требует корректировки экспериментальными методами. Это связано как с технологическими отклонениями от сложной геометрии ступенчатого профиля и с неравномерным температурным полем в корпусах на участке прерывистого сопряжения, так и со случайным характером контактного термосопротивления. А в связи с тем, что нагрев конструкции в процессе проведения реакторных испытаний осуществляется энерговыделением в ней при поглощении реакторного излучения, то экспериментальные методы корректировки значительно увеличивают как финансовые расходы, так и время на подготовку реакторных испытаний.
Указанный недостаток обусловлен прерывистым сопряжением в виде металлического контакта двух отдельных корпусов ампулы - внешнего и внутреннего.
Заявляемое техническое решение позволяет повысить точность температуры образцов в процессе проведения реакторных испытаний при значительном упрощении конструкции.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для испытания материалов в ядерном реакторе, включающее корпус, одну или несколько герметичных ампул, каждая из которых содержит наружную и внутреннюю полости, разделенные внутренней оболочкой с заглушкой, причем наружная и внутренняя оболочки закреплены к наконечнику, а во внутренней полости расположена кассета с закрепленными в ней образцами материалов.
При этом наружная полость ампулы заполнена газом для обеспечения термоизоляции внутренней полости, а величина газового зазора по высоте ампулы может быть переменной.
Кроме того, внутренняя полость ампулы на уровне расположения кассеты с образцами материалов заполнена металлом-теплопроводником, а ее верхняя часть заполнена газом, для обеспечения термоизоляции кассеты с образцами материалов. При этом температура образцов в кассете определяется теплопередачей в зависимости от величины газового зазора в наружной полости ампулы с учетом энерговыделения в элементах конструкции.
Заглушки наружной и внутренней оболочек ампулы содержат сопрягаемые центрирующие поверхности.
Наконечник ампулы содержит термопарный карман для размещения в нем измерительных датчиков.
Корпус содержит отверстия для направленного потока теплоносителя ядерного реактора, который охлаждает наружные поверхности ампулы.
В стенках корпуса выполнена полость, заполненная газом, для обеспечения термоизоляции с целью снижения влияния подогрева от соседних тепловыделяющих сборок ядерного реактора.
Корпус выполнен разъемным для извлечения ампул, изменения компоновки в радиационно-защитной камере с последующей сборкой и установкой в ячейку активной зоны ядерного реактора для продолжения реакторных испытаний.
Наличие герметичных ампул, каждая из которых содержит наружную и внутреннюю полости, разделенные внутренней оболочкой с заглушкой, причем наружная и внутренняя оболочки закреплены к наконечнику, при этом наружная полость ампулы заполнена газом, а величина газового зазора по высоте ампулы может быть переменной, внутренняя полость ампулы на уровне расположения кассеты с образцами материалов заполнена металлом-теплопроводником, а ее верхняя часть заполнена газом, кроме того, заглушки наружной и внутренней оболочек содержат сопрягаемые центрирующие поверхности, а наконечник содержит термопарный карман, позволяет упростить расчетную схему конструкции, снизив погрешности температуры образцов до 5%, при определении теплопередачи в зависимости от величины газового зазора в наружной полости ампулы с учетом энерговыделения в элементах конструкции.
Наличие в корпусе отверстий для направленного потока теплоносителя ядерного реактора, который охлаждает наружные поверхности ампулы, позволяет поддерживать температурный баланс в элементах конструкции, а следовательно, заданную температуру образцов.
Наличие в стенках корпуса полости, заполненной газом, позволяет предотвратить влияние неравномерного температурного поля внешней среды на стабильное и равномерное распределение температуры в образцах.
Наличие разъемного соединения в корпусе позволяет многократно использовать устройство, а также извлекать и заменять ампулы.
Предложенное устройство позволяет упростить конструкцию, а следовательно, упростить расчетную схему при определении теплопередачи в зависимости от величины газового зазора в наружной полости ампулы с учетом энерговыделения в элементах конструкции, тем самым повысить точность температуры образцов в процессе проведения реакторных испытаний при значительном упрощении конструкции, применив в устройстве ампулу. При этом герметичная ампула содержит наружную и внутреннюю полости, разделенные внутренней оболочкой с заглушкой, причем наружная и внутренняя оболочки закреплены к наконечнику. Кроме того, наружная полость ампулы заполнена газом, а величина газового зазора по высоте ампулы может быть переменной, внутренняя полость ампулы на уровне расположения кассеты с образцами материалов заполнена металлом-теплопроводником, а ее верхняя часть заполнена газом. А также заглушки наружной и внутренней оболочек содержат сопрягаемые центрирующие поверхности, а наконечник ампулы содержит термопарный карман.
Новым существенным признаком является форма исполнения узлов и деталей устройства для испытания материалов в ядерном реакторе и их взаимное расположение: герметичная ампула, которая содержит наружную и внутреннюю полости, разделенные внутренней оболочкой с заглушкой, причем наружная и внутренняя оболочки закреплены к наконечнику, при этом наружная полость ампулы заполнена газом, а величина газового зазора по высоте ампулы может быть переменной, внутренняя полость ампулы на уровне расположения кассеты с образцами материалов заполнена металлом-теплопроводником, а ее верхняя часть заполнена газом, кроме того, заглушки наружной и внутренней оболочек содержат сопрягаемые центрирующие поверхности, а наконечник ампулы содержит термопарный карман.
Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение обладает новизной.
Предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, опубликованной в научной и технической литературе, совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.
Перечень фигур графического изображения:
на чертеже рис.1 изображен продольный разрез устройства для испытания материалов в ядерном реакторе;
на чертеже рис.2 изображен продольный разрез герметичной ампулы.
Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе содержит корпус 1 и ампулы 2. В ампуле 2 расположена кассета 3 с закрепленными в ней образцами материалов. Ампула 2 содержит наружную полость 4 и внутреннюю полость 5, разделенные внутренней оболочкой 6 с заглушкой 7, причем наружная оболочка 8 и внутренняя оболочка 6 закреплены к наконечнику 9. Наружная полость 4 ампулы 2 заполнена газом для обеспечения термоизоляции внутренней полости 5. Внутренняя полость 5 ампулы 2 на уровне расположения кассеты 3 с образцами материалов заполнена металлом-теплопроводником 10, а ее верхняя часть заполнена газом, для обеспечения термоизоляции кассеты 3 с образцами материалов. Заглушка 11 наружной оболочки 8 и заглушка 7 внутренней оболочки 6 содержат сопрягаемые центрирующие поверхности 12, а наконечник 9 содержит термопарный карман 13. Корпус 1 выполнен разъемным и содержит отверстия 14 для направленного потока теплоносителя, а в его стенках выполнена полость 15, заполненная газом, для обеспечения термоизоляции.
Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе работает следующим образом.
В процессе проведения реакторных испытаний поток теплоносителя первого контура реактора, через нижнее отверстие 14, попадает во внутреннюю полость корпуса 1 и образует поток, который контактирует с наружной поверхностью ампул 2. В верхней части корпуса теплоноситель через верхние боковые отверстия 14 выходит из внутренней полости устройства. При этом во внутренней полости 5 ампулы 2 содержится металл-теплопроводник 10, температура которого, а значит и температура образцов в кассете 3, определяется расчетным способом в зависимости от величины газового зазора в наружной полости 4 ампулы 2 с учетом энерговыделения в элементах конструкции, подогрева от соседних тепловыделяющих сборок, с использованием экспериментального значения расхода теплоносителя через внутреннюю полость изделия, а также с учетом условий работы реактора. Для снижения влияния охлаждения образцов в кассете 3 от реакторного теплоносителя через наконечник 9 верхняя часть внутренней полости 5 ампулы 2 заполнена газом для обеспечения термоизоляции. При изготовлении ампулы 2 по фактическому внутреннему диаметру наружной оболочки 8 и расчетной величине газового зазора обрабатывается наружная поверхность внутренней оболочки 6. При этом достигаются минимальные до 0,005 мм технологические отклонения геометрических параметров, влияющих на значение газового зазора. Сопрягаемые центрирующие поверхности 12 заглушки 11 наружной оболочки 8 и заглушки 7 внутренней оболочки 6 обеспечивают центрирование оболочек 6 и 8 ампулы 2 при изготовлении, а также взаимное продольное перемещение при различных температурных удлинениях оболочек 6 и 8 в процессе эксплуатации. Термопарный карман 13 наконечника 9 ампулы 2 предназначен для размещения в нем измерительных датчиков. В процессе эксплуатации он заполняется реакторным теплоносителем, температура которого соответствует температуре металла-теплопроводника 10, а значит и температуре образцов в кассете 3. Для снижения влияния подогрева от соседних тепловыделяющих сборок в стенках корпуса 1 выполнена полость 15, заполненная газом, для обеспечения термоизоляции. При плановых остановах реактора устройство извлекается из реактора и транспортируется в радиационно-защитную камеру. В радиационно-защитной камере устройство разбирается с соблюдением предусмотренных процедур. После извлечения ампул 2 и изменения компоновки устройство собирается и устанавливается в ячейку активной зоны ядерного реактора для продолжения реакторных испытаний.
Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе позволяет упростить конструкцию, а следовательно, упростить расчетную схему при определении теплопередачи в зависимости от величины газового зазора в наружной полости ампулы с учетом энерговыделения в элементах конструкции, тем самым повысить точность температуры образцов в процессе проведения реакторных испытаний при значительном упрощении конструкции, применив в устройстве ампулу.