Установка для получения неравномерного распределения водорода в образце циркониевого сплава

Установка для получения неравномерного распределения водорода в образце циркониевого сплава.
Полезная модель относится к ядерной технике и может быть использована для получения образцов циркониевых сплавов с неравномерным распределением водорода, что имитирует процесс наводораживания твэлов при эксплуатации в ядерных реакторах.
Известен метод и установка получения градиента концентрации водорода в образцах из циркониевых сплавов. Цилиндрические образцы сплава циркония насыщались водородом в закрытой системе, содержащей необходимое количество водорода при температуре 900°С в течение 6 часов, что приводило к внедрению заданного количества водорода в образец и к равномерному распределению водорода в нем. Создание поверхностного барьерного слоя оксида циркония путем нагревания наводороженных образцов на воздухе в течение нескольких минут для предотвращения выхода внедренного в образец водорода в результате последующих операций. Закрепление наводороженного образца с поверхностным слоем оксида между нагревателем, представляющим собой цилиндр из нержавеющей стали, и охладителем, представляющим собой пластину из меди (либо медный пруток). Нагрев стального цилиндра производился с помощью цилиндрической печи, охлаждение медной пластины (либо медного прутка) производилось на воздухе без дополнительных приспособлений. Создание градиента температуры по длине образца, которое контролировалось с помощью нескольких термопар, выдержка в данных условиях в течение 44 недель для перераспределения водорода по длине образца (SawatzkyA. Hydrogen in Zircaloy-2: Its distribution and heat of transport. Journal of Nuclear Materials, 2 (4), 321-328).
Данный способ не позволяет получить градиент концентрации водорода по толщине стенки трубки циркониевого сплава (оболочки ТВЭЛа). Создание градиента концентрации водорода данным методом требует длительного времени; полученные данным методом концентрации на горячем и холодном концах образца отличаются не более чем в четыре-пять раз, что не позволяет имитировать процесс наводораживания твэлов при эксплуатации в ядерных реакторах.
Наиболее близкой является установка и метод получения градиента концентрации водорода в образцах из циркониевых сплавов (Hanson В., Shimskey R., Lavender С, MacFarlan P., Eslinger P. Hydride rim formation in unirradiated Zircaloy: [Электронный ресурс]. Режим доступа к ст.: http://www.energy.gov/sites/prod/files/2013/08/f2/HydrideRimFormationZircaloy.pdf). Наводораживание осуществлялось в трубчатой печи при температурах до 400°С из газовой среды в атмосфере либо чистого водорода, либо смеси водорода и аргона. По изменению давления в реакционной камере в процессе наводораживания определялось количество сорбированного водорода. После достижения необходимой концентрации водорода в образцах осуществлялось охлаждение до комнатной температуры со скоростью, не превышающей 7°С/мин. Перераспределение водорода в образцах после наводороживания проводилось следующим образом: внутрь трубки помещался нагреватель и никелевая паста для обеспечения контакта между внутренней стороной и нагревателем. Наружная сторона охлаждалась двумя способами: окружающим воздухом и насыщенным паром в автоклаве. Температура на внутренней и внешней поверхностях контролировалась при помощи термопар.
Одним из недостатков описанного выше метода получения градиента концентрации водорода в образцах циркониевых сплавов является большая продолжительность процесса, так как процесс является двухстадийным и каждая из стадий проводится с использованием дополнительного оборудования. Так, согласно результатам, даже после 100 часов не удается получить необходимый градиент распределения водорода и гидридов по толщине оболочек твэла из необлученного циркониевого сплава Zr-4.
Технической проблемой является разработка экспериментальной установки, позволяющей получить неравномерное распределение водорода в образце циркониевого сплава в условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации твэлов и других элементов конструкций, работающих в режиме эксплуатации.
Техническим результатом является упрощение конструкции установки, позволяющей проводить процесс получения неравномерного распределения водорода в циркониевых сплавах в одну стадию, что уменьшает продолжительность процесса в несколько раз.
Технический результат достигается в установке для получения неравномерного распределения водорода в образце циркониевого сплава, содержащей печь с закрепленной в ней трубкой, термопары для контроля температуры на ее внутренней и внешней поверхностях, причем трубка выполнена за одно целое и состоит из трех частей, средняя часть которой представляет собой образец циркониевого сплава, концевые части выполнены из стали, а вкладки между средней и концевыми частями выполнены из ниобия, при этом внутри печи расположена вакуумная камера для насыщения образца водородом, в центральной части которой закреплена вышеупомянутая трубка, терморегуляция внутренней поверхности которой осуществляется путем подачи теплоносителя внутрь трубки, причем в верхней части вакуумной камеры расположен патрубок для подачи в камеру водорода и патрубок с термопарой для измерения температуры на внешней поверхности образца, а на внутренней поверхности образца закреплена термопара для контроля температуры, причем на внешней поверхности вакуумной камеры закреплена термопара для измерения температуры.
В качестве теплоносителя используют воздух, воду или масло, температура кипения которого больше температуры кипения воды.
Образец циркониевого сплава соединен с вкладками из ниобия с помощью пайки.
Концевые части трубки соединены с вкладками из ниобия с помощью сварки.
Предлагаемая конструкция позволяет проводить наводораживание циркониевого образца при наличии разницы температур на его внешней и внутренней стенках, что позволяет получить неравномерное распределение водорода в одну стадию, и сократить время проведения эксперимента.
На фиг. 1 изображена схема установки для получения неравномерного распределения водорода в образце циркониевого сплава.
На фиг. 2 изображена радиолюминоргамма среза образца циркониевого сплава и график распределения водорода в нем (красной рамкой на радиолюминоргамме отмечено место снятия концентрационного профиля).
Установка для получения неравномерного распределения водорода в образце циркониевого сплава содержит печь 1, служащую для обогрева вакуумной камеры 2. Вакуумная камера 2 представляет собой стальной цилиндр для насыщения образца водородом, в центральной части которой располагается трубка 5, выполненная за одно целое и состоящая из трех частей. Средняя часть трубки 5 представляет собой образец 3 из циркониевого сплава Э635, соединенного при помощи пайки с вкладками из ниобия 4, которые, в свою очередь, соединены с концевыми частями трубки 5 с помощью сварки (например, аргонно-дуговой сваркой), материал концевых частей трубки 5 сталь 12Х18Н10Т. Вакуумная камера 2 приварена к концевым частям трубки. В верхней части вакуумной камеры 2 приварен патрубок 6 для подачи водорода внутрь камеры и патрубок 7 с термопарой 8 для измерения температуры на внешней поверхности образца 3. На внутренней стенке трубки 5 также прикреплена термопара 9 для контроля температуры на внутренней стенке образца. В зазор между печью 1 и вакуумной камерой 2 также помещается термопара 10 для измерения температуры на внешней стенке вакуумной камеры 2.
Установка работает следующим образом.
-4
-4
Из вакуумной камеры 2 откачивают воздух до остаточного давления не выше 5⋅10 торр. Для устранения оставшихся газов вакуумную камеру 2 нагревают печью 1 до температуры 150°С, выдерживают в таком состоянии до достижения вакуума не выше 5⋅10 торр, а затем выдерживают еще 2 часа. Для охлаждения внутренней стенки трубки 5 через трубку 5 прокачивают теплоноситель, например, воздух, воду или масло, температура кипения которого больше температуры кипения воды. Вакуумная камера 2 нагревается печью 1 до рабочей температуры, после чего при постоянной температуре через патрубок 6 в вакуумную камеру 2 подается водород. Насыщение образца 3 водородом проводится в течение заданного времени. После насыщения производится контролируемое охлаждение вакуумной камеры 2 с заданной скоростью, либо неконтролируемое охлаждение. С помощью термопары 8 производят измерения температуры на внешней стенке образца 3. При помощи термопары 9 осуществляют непрерывный контроль за температурой на внутренней стенке образца 3. С помощью термопары 10 производят измерения температуры на внешней стенке вакуумной камеры 2.
Как видно из графика, изображенного на фиг. 2, в образце циркониевого сплава было достигнуто неравномерное распределение водорода по сечению образца. По горизонтальной оси отложено расстояние от внешней стенки к внутренней. По вертикальной оси отложено количество импульсов ФСЛ (фотостимулированной люминесценции) - величина, которая прямо пропорциональна концентрации водорода. Из графика видно, что концентрация водорода неравномерна и монотонно убывает в направлении от внешней (нагреваемой) стенки к внутренней (охлаждаемой) стенке.
Таким образом, заявляемая экспериментальная установка позволяет получить неравномерное распределение водорода в образце циркониевого сплава в условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации твэлов и других элементов конструкций.