Макет транспортно-упаковочного контейнера

Полезная модель относится к макетам контейнеров, имитирующим контейнеры для транспортирования и временного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС) в виде отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС), предназначенным для испытаний и проведения тепловых экспериментов.
ОТВС характеризуются высоким остаточным тепловым энерговыделением и уровнем радиационного излучения, что требует для их безопасного транспортирования использования специальных контейнеров. При создании новых видов топлива или тепловыделяющих сборок, требуется проведение испытаний транспортно-упаковочных контейнеров, в том числе, тепловых испытаний. Такие устройства изготавливаются преимущественно из металла и характеризуются большой массой (до 100 тонн), затруднено проведение экспериментов для определения оптимальных параметров, например тепловых параметров. Например, известен контейнер для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива (патент RU 2593273), содержащий металлический корпус с оребрением, концентрично закрепленные на днище цилиндрические обечайки с образованием полости, крышки, радиационную защиту.
Известны имитаторы тепловыделяющих элементов (например, CN 106328226, CN 107945895, JPH 04289494), выполненные в виде стержней с установленными в них в качестве имитаторов тепловыделяющих элементов электрических нагревательных стержней (ТЭНов). Известен корпус транспортно-упаковочного комплекта (патент RU 133963 U1, выбран в качестве прототипа), включающий цилиндрическую внешнюю оболочку, выполненную в виде литого стакана, с оребрением.
Технической задачей полезной модели является упрощение проведения тепловых испытаний макетов транспортно-упаковочных контейнеров.
Технический результат достигается в макете транспортно-упаковочного контейнера (далее - макет), включающем цилиндрический корпус с днищем и крышкой, в корпус помещен чехол с имитаторами топливных сборок, выполненных в виде электрических нагревателей. На наружной поверхности корпуса выполнено секторное оребрение с отличающимися по секторам геометрическими характеристиками. Секторное оребрение выполнено в виде вертикальных ребер. Геометрической характеристикой секторного оребрения в пределах одного сектора является набор параметров: длина ребра, высота ребра, толщина ребра, расстояние между ребрами в местах соединения с наружной поверхностью. Используются секторы не менее чем 100°.
Полезная модель поясняется рисунками
фиг. 1 - стенд температурных испытаний с макетом транспортно-упаковочного контейнера;
фиг. 2-4, макеты № 1-3 (слева направо) с разбиением на секторы с разными геометрическими характеристиками оребрения по секторам;
фиг.5 - термограммы макетов № 1-3.
Макет транспортно-упаковочного контейнера включает металлический цилиндрический корпус 1 с днищем 2 и крышкой 3. В корпус 1 помещен чехол 4 с имитаторами 5 топливных сборок, выполненных в виде электрических нагревателей (ТЭНов).
На наружной поверхности корпуса 1 выполнено секторное оребрение с отличающимися по секторам геометрическими характеристиками. Секторное оребрение выполнено преимущественно в виде вертикальных ребер 6, поскольку это упрощает изготовление оребрения - соединение с наружной поверхностью корпуса происходит по прямым линиям, образующим цилиндр. Геометрической характеристикой секторного оребрения в пределах одного сектора является набор параметров: длина ребра, высота ребра, толщина ребра, расстояние между ребрами в местах соединения с наружной поверхностью. Указанный набор параметров, в частности, определяет площадь секторного оребрения, от которой зависят параметры теплообмена наружной поверхности корпуса 1 с внешней средой; расстояние между ребрами 6 в местах соединения с наружной поверхностью определяет количество (плотность) точек истечения тепла от корпуса.
Угловые размеры секторов составляют не менее 100°, при этом в центральной части сектора создается поле температур, эквивалентное тому, что образуется при аналогичной геометрической характеристике такого оребрения на всей окружности. Например, может быть образовано три равных сектора по 120° (угол α) на наружной поверхности корпуса 1 с отличающимися геометрическими характеристиками по секторам (вариант трехсекторного оребрения показан на рисунках).
Использование секторного оребрения позволяет упростить проведение тепловых испытаний, которые проводятся с целью выбора оптимальной конфигурации транспортно-упаковочного контейнера, поскольку позволяет одновременно испытать разные типы оребрения, отличающиеся друг от друга указанными геометрическими характеристиками, в ходе одного цикла нагрева макета. При этом кратно сокращается время, необходимое на проведение тепловых испытаний, снижается металлоемкость.
Специалистами ООО «Энергоспецмонтаж» разработана программа измерений, изготовлен стенд температурных испытаний (фиг. 1), состоящий из
макета с секторным оребрением; наружная поверхность макета во время экспериментов была покрыта сажей;
чехла 4 с ячейками для 20 имитаторов 5 топливных сборок (ОТВС); используемые нагреватели имеют индивидуальную мощность 3,2 кВт, что позволяет получить суммарную мощность нагрева установки до 64 кВт;
герметичной крышки 3 макета, для создания вакуума во внутренней полости;
шкафа 7 управления (автоматы, блоки управления, регистрирующий прибор, ваттметр), управляющих и информационных термопар;
персонального компьютера 8 с программным обеспечением.
В качестве измерительного оборудования были выбраны и использованы следующие средства измерений: тепловизор Testo 868; блоки измерения МАВ-РВ4-115/12УВ; ватт-метр; Termodat - многоканальный ПИД-регулятор температуры и электронный самописец; термопары.
Программой измерений предусматривалось проведение исследований на 3 макетах, отличающихся секторным оребрением на наружной поверхности корпусов 1 (фиг. 2-4). Секторами по 120° на каждом макете варьировались - глубина, толщина, длина ребер 6 и/или шаг между ними. Варьируемые размеры выбирались в диапазоне, перекрывающем, аналогичные параметры, выбранные для конструкции реального транспортно-упаковочного контейнера ОДЭК.
Испытания трех макетов ТУК ОДЭК в части комплексных измерений тепловых параметров проводились в восемь циклов нагрева, в вертикальном, горизонтальном положении (фиг. 4), в условиях атмосферного давления, в условиях вакуума
В таблице приведены геометрические характеристики секторного оребрения трех макетов, каждый из которых имел трехсекторное оребрение: геометрические размеры ребер - длина Н, высота L, толщина t, расстояние между ребрами в месте соединения с корпусом S.
На каждом цикле нагрева проводились измерения температуры элементов макетов в двух режимах тепловой мощности - 19 кВт и 38 кВт, при этом для ускорения набора стендом рабочих температур нагрев до характерных значений температур для заданных режимов производился на мощности, близкой к максимальной (64 кВт). Для макета № 1 был осуществлен также нагрев до стабилизации температур на мощности 60 кВт. Для макета №1 было предусмотрено выполнить 2 цикла нагрева с различным исполнением (материалами) имитаторов ОТВС. Для макета № 3 было предусмотрено 4 цикла нагрева - по 2 цикла нагрева в вертикальном и горизонтальном положении с вариантами внутренней среды воздух или вакуум. Для макета № 2 был выполнен цикл полного повторного нагрева, для подтверждения повторяемости получаемых результатов. Для каждого сектора фиксировались температуры корпуса на средней линии сектора и температуры вершин ребер в этой области. Для горизонтального положения макета № 3 дополнительно определялись температуры в верхней части (на стыке секторов 1 и 2).
При проведении испытаний главным показателем являются измерения, полученные с помощью информационных (до 40 точек контроля) и управляющих (12 шт.) термопар. Показания термопар записывались на электронный носитель непрерывно, в течение всех выполненных циклов нагрева. Дополнительным источником информации являются термограммы, полученные с помощью тепловизора. Термограммы наружной поверхности макетов снимались периодически и, обязательно, на этапах циклов нагрева со стабилизацией температур на заданных уровнях мощности. Для дополнительного контроля достигнутых диапазонов температур также использовались пороговые термопленки на наружной поверхности макетов. Для измерения температуры окружающей среды и скорости конвективных воздушных потоков вокруг наружной поверхности макетов была использована переносная метеостанция. На различных промежуточных этапах по подготовке и работе стенда производилось фотографирование с помощью цифрового фотоаппарата. Примеры термограмм макетов приведены на фиг. 5.