УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРУЖЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ В КАНАЛЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
DEVICE TO LOAD AND TEST SAMPLES IN CHANNEL OF NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для проведения механических испытаний материала, в частности испытаний на растяжение и ползучесть образцов в канале ядерного реактора.
В технике испытания материалов на прочность в ядерном реакторе большое внимание уделяется проблемам крепления образцов материалов, механизмам, обеспечивающим нагружение образцов, обеспечению широкого диапазона воспроизведения параметров испытаний при получении результатов измерений, что представляют патенты РФ: №2244284 G01N 3/28 [1]; №2049324 G01N 3/18 [2]; №2184357 G01L 1/02 [3]; №1325993 G01N 3/08 [4]; №2250447 G01N 3/08 [5]; №2330261 G01N 3/04 [6].
Устройство для нагружения и испытания образцов в канале ядерного реактора при различных температурах имеет применение в следующих областях:
- исследование механизмов воздействия нейтронного облучения на макроскопические свойства высокотемпературных сверхпроводников;
- изучение влияния нейтронного облучения на структурные превращения и эффекты обратимости неупругой деформации в сплавах с памятью формы при различных температурах;
- исследование кинетики накопления и отжига радиационных повреждений конструкционных материалов для атомных и термоядерных реакторов;
- исследование механических свойств конструкционных материалов для источников холодных нейтронов, работающих при криогенных температурах.
Известно устройство для испытания образцов, описанное в работе [1]: Патент РФ №2244284 (Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе). Устройство предназначено для проведения механических испытаний, в частности испытаний на длительную прочность и ползучесть образцов исследуемых материалов в ядерном реакторе. Устройство содержит корпус с одним или несколькими образцами, силовой шток, опорный фланец, тарированный упругий элемент для создания осевого усилия нагрузки, которые помещены в герметичную капсулу. При этом опорный фланец установлен в корпусе с возможностью поступательного движения, причем перед облучением и после облучения опорный фланец расположен в упор к корпусу для передачи осевого усилия нагрузки на образец через корпус, а в процессе облучения опорный фланец расположен в упор к герметичной капсуле для передачи осевого усилия нагрузки на образец через герметичную капсулу. Устройство снабжено внешней оболочкой с отверстиями для направленного потока теплоносителя. Наличие опорного фланца, установленного в корпусе с возможностью поступательного движения, позволяет обеспечивать технологический контроль конструкции, контроль геометрических размеров образцов и контроль величины осевого усилия нагрузки на образцы до облучения, при контрольных выгрузках из реактора в процессе проведения программы облучения образцов, и после облучения, а также позволяет в процессе проведения реакторных испытаний передавать осевое усилие нагрузки на образцы через герметичную капсулу, наружная поверхность которой охлаждается контактирующим с ней теплоносителем реактора.
Устройство характеризуется наличием сложных элементов конструкции, требующих высокой техники исполнения, а также оно сложно в эксплуатации в условиях ядерного реактора. Область применения его ограничена, т.к. устройство не предназначено для проведения испытаний при низких и сверхнизких температурах, а также в каналах ядерного реактора изогнутой формы, т.к. принцип его работы основан на температурных расширениях материалов, входящих в состав устройства для испытания материалов, а также разности температур на оболочке герметичной капсулы и в элементах конструкции, размещенных в ее внутренней полости.
Известно устройство для нагружения образца, описанное в патенте РФ №2049324 [2]. Изобретение относится к испытаниям материалов на прочность, а именно к испытаниям на малоцикловую усталость при высоких температурах, в испытательной технике, в испытаниях на прочность внутри атомного реактора и других закрытых сосудов. Устройство состоит из тяги, один конец которой выполнен с возможностью соединения с образцом, а другой снабжен винтовой парой. Один конец штока выполнен с возможностью контактирования с образцом, а другой - с винтовой парой. На штоке размещен, например, спиральный нагревательный элемент, помещенный в герметичный теплоизолирующий кожух. При этом нагружающий элемент выполнен в виде штока и снабжен электрическим нагревателем, шток выполнен из материала с коэффициентом линейного расширения материала тяги. Исходную нагрузку, прикладываемую к образцу, задают за счет затяжки винтовой пары. Последующее нагревание штока с помощью спирального нагревательного элемента приводит к изменению его удлинения, а следовательно, и нагрузки, приложенной к образцу. Величину нагрузки определяют, например, с помощью тензорезисторов, наклеенных на тяге. Нагружающий шток выполнен в виде корпуса с полостью, в которой размещено активное тело из материала с коэффициентом линейного расширения более высоким, чем коэффициент линейного расширения материала штока. Тело контактирует с подвижным стержнем, воздействуя на образец. С помощью приборов, находящихся вне сосуда, можно задавать нагрузку на образец в необходимых пределах.
Устройство предназначено для проведения испытаний только при высоких температурах. Кроме того, воплощение принципа использования материалов с разными коэффициентами температурного расширения требует сложной конструктивной реализации.
Наиболее близким к заявляемому по конструктивным признакам является устройство для испытания образцов, описанное в патенте РФ №2184357 [3]. Устройство может быть использовано для проведения механических испытаний, в частности испытаний на циклическую прочность образцов прямоугольного сечения, в том числе образцов, предварительно облученных в атомном реакторе.
Устройство для испытания образцов содержит узел фиксации образца, механизм создания нагрузки, датчики измерения параметров процесса, блок регулирования и управления, тарированный динамометр, конструкция которого включает в себя два силомерных элемента, а также нагреватель, в корпусе которого установлены упоры для приложения нагрузки на образец. Нагреватель закреплен с возможностью колебательного движения относительно оси крепления в опорах внутри герметичной камеры. Устройство работает следующим образом. Тарированный динамометр с закрепленным одним концом образца в узле фиксации образца устанавливается в опорах герметичной камеры. При этом другой конец образца располагается между упорами, которые установлены в корпусе нагревателя, закрепленного в опорах с возможностью колебательных движений относительно оси крепления в опорах внутри герметичной камеры. Нагреватель включает в себя узел крепления к приводному рычагу механизма создания нагрузки, который соединен с герметичной камерой сильфонным гермовводом. Нагружение образца производится от механизма создания нагрузки, который приводит нагреватель в колебательное движение, с заданной амплитудой, вокруг оси крепления шарнирных опор, а упоры, установленные в корпусе нагревателя, непосредственно воздействуют усилием нагрузки на нижний конец образца. При этом осуществляется равномерный по времени нагрев образца, а также обеспечивается выравнивание температуры по его длине. Для осуществления контроля параметров процесса испытаний устройство содержит датчики измерения параметров процесса. Усилие нагружения определяют по сигналу тензорезисторов на силомерных элементах тарированного динамометра. При этом по сопоставлению показаний тензорезисторов силомерных элементов осуществляется контроль отсутствия воздействия крутящего момента на образец. Величина прогиба образца в точке приложения усилия нагрузки контролируется датчиком линейного перемещения посредством кронштейна, закрепленного на корпусе нагревателя. Блок регулирования и управления обеспечивает в процессе испытаний заданную, в зависимости от времени, функцию изменения величины прогиба и/или усилия нагружения, а также регистрацию измеряемых параметров процесса. Техническим результатом является то, что изобретение позволяет расширить область испытаний, в частности проводить испытания консольно-закрепленных облученных образцов прямоугольного сечения в условиях поперечного изгиба на усталость, малоцикловую усталость, релаксацию напряжений, и повысить их достоверность.
Данное устройство связано с созданием определенных температур (нагреватель, в корпусе которого установлены упоры для приложения нагрузки на образец) для получения колебательного движения и нагрузки на образец, сложно в исполнении и эксплуатации. Область применения его ограничена, т.к. оно не может быть использовано при испытаниях образцов при любых и криогенных температурах, а также в каналах ядерного реактора изогнутой формы.
Задачей изобретения является создание простой конструкции устройства для испытания образцов на растяжение с использованием принципа нагружения образцов, не связанного с нагревом, создание более универсального устройства, работающего при разных температурах, включая криогенные температуры, с возможностью установки устройства в каналах ядерного реактора изогнутой конфигурации.
Технический результат заключается в расширении области испытания образцов.
Такая задача продиктована необходимостью изучения механических свойств материалов после набора дозы нейтронного облучения непосредственно при температурах облучения. Исследованию механических свойств в первую очередь подлежат материалы, работающие при криогенных температурах в условиях радиационного облучения.
Для снижения радиационной нагрузки на персонал в реакторах часто используются изогнутые каналы, что усложняет размещение в них устройств для изучения механических свойств материалов в процессе облучения.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для нагружения и испытания образцов в канале ядерного реактора, содержащем узел фиксации образца, узел создания и регулирования нагрузки, узел контроля за изменением параметров образца, новым является то, что узел создания и регулирования нагрузки выполнен в виде сильфона, связанный в верхней своей части с длинной гибкой трубкой, обеспечивающей подачу газа от внешнего наружного источника в устройство, а дно сильфона герметично закрыто, и узел фиксации образца расположен вне сильфона и состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из которых содержит первый и второй элементы для закрепления образца, жестко связанные с соответствующей тягой, причем первый элемент для закрепления образца в верхней его части через первую тягу жестко связан с наружной стороной верха сильфона, а второй элемент для закрепления образца в нижней части через вторую тягу жестко связан с наружной стороной дна сильфона, и узел контроля за изменением параметров образца закреплен на тягах между первым и вторым элементом для закрепления образца, а расстояние между дном сильфона и первым элементом для закрепления образца превышает возможное удлинение образца под максимальной нагрузкой. Узел контроля за изменением параметров образца (например, сердечник катушки индуктивности) закреплен на первой неподвижной тяге, а подвижный нижний сердечник узла контроля за изменением параметров образца закреплен на нижней тяге и может перемещаться внутри вышеуказанного узла контроля. Каждый элемент для закрепления образца имеет прорези и отверстия для штифтового закрепления образца.
В заявляемом устройстве используется совершенно иной принцип нагружения образца, основанный на давлении, которое создает газ, подаваемый снаружи. Это не связано ни с какими дополнительными механизмами, что упрощает конструкцию и позволяет проводить испытания образцов при любых температурах. Данный принцип нагружения образца не описан, что свидетельствует о нестандартном подходе к решению проблем в реакторной области техники. Необходимая температура облучения и испытания образца создается за счет обдувания снаружи устройства с образцом, который устанавливается в канале реактора, газом заданной температуры.
Длинная трубка, обладающая гибкостью, наряду с возможностью доставлять газ для нагружения образца в сильфон, позволяет также устанавливать устройство в изогнутый канал ядерного реактора.
На фиг.1 изображена схема устройства, где: 1 - сильфон из нержавеющей стали; 2 - длинная гибкая трубка, связанная с верхней частью сильфона для подачи газа извне; 3 - дно сильфона, герметично закрывающее сильфон; 4 - первый элемент для закрепления образца; 5 - второй элемент для закрепления образца; 6 - первая тяга, жестко связанная с наружной стороной верха сильфона (1); 7 - вторая тяга, жестко связанная с дном (3) сильфона (1); 4, 6 - образуют первую часть узла фиксации образца сверху; 5, 7 - образуют вторую часть узла фиксации образца снизу; 8, 9, 10 - образуют узел контроля за изменением параметров образца, например, в виде катушки индуктивности (10), где: 8 - неподвижный сердечник, закрепленный на первой тяге (6); 9 - подвижный нижний сердечник, прикрепленный к второй тяге (7); 11 - провода от узла контроля за изменением параметров образца к измерительному прибору, расположенному снаружи вне канала реактора.
На фиг.2 изображена схема реакторного канала, где 12 - устройство для нагружения и испытания образцов в канале ядерного реактора.
Устройство работает следующим образцом: в прорези первого (4) и второго (5) элементов для закрепления образца устанавливается образец и закрепляется штифтами. Затем сборка на длинной гибкой трубке (2) опускается в канал реактора, и в канале устанавливается циркуляция газа необходимой температуры испытания образца. Реактор выводится на мощность, и спустя время, необходимое для набора нужной дозы нейтронного облучения, через трубку (2) в герметичный сильфон (1) подается газ под давлением, что приводит к растяжению сильфона. Верхняя часть образца, закрепленная в элементе (4), жестко удерживается тягой 6 и остается неподвижной. Через тягу (7), жестко связанную со вторым элементом (5), передается растягивающее усилие (величина усилия определяется давлением газа подаваемого в сильфон), которое приводит к растяжению образца. Расстояние между дном сильфона и первым элементом для закрепления образца превышает возможное растяжение образца под максимальной нагрузкой. Возникающее перемещение измеряется узлом контроля перемещения, который закреплен между первым и вторым элементами для закрепления образца (например, катушкой индуктивности).
Особенностью устройства является то, что используется совершенно иной принцип нагружения образца, который состоит в создании усилия на образце за счет давления газа. Этот принцип позволяет загружать данное устройство, закрепленное на длинной гибкой трубке подачи газа в любой, в том числе и изогнутый, канал реактора, создавать и поддерживать усилие на образце при любой температуре испытаний образца, включая криогенные температуры. Необходимая температура для испытания образца обеспечивается газом, продуваемым через канал реактора (например, гелием). При необходимости количество тяг и узлов контроля за изменением параметров образца может быть увеличено.
Данное устройство отличается простотой, маленькими габаритными размерами, низкими требованиями к точности изготовления. Использование нержавеющей стали для изготовления устройства обеспечивает его радиационную стойкость и прочность при криогенных температурах.
В конкретной реализации устройства узел контроля за изменением параметров образца регистрирует изменение длины образца и выполнен на основе трансформаторного моста (ТМ) с тесной индуктивной связью. ТМ состоит из первичной катушки, витки которой равномерно намотаны по всей длине датчика, и двух идентичных вторичных катушек, размещенных внутри первичной катушки симметрично относительно середины. Длина каждой из вторичных катушек примерно равна половине длины первичной катушки. Вторичные катушки соединены между собой последовательно и противофазно. Одна из вторичных катушек ТМ крепится на верхнем сердечнике (8) из магнитомягкого материала, который прикреплен к первой тяге (4) неподвижного узла фиксации образца. Второй идентичный подвижный нижний сердечник (9) из магнитомягкого материала, прикрепленный к тяге (7), свободно входит внутрь другой вторичной катушки. Через первичную катушку ТМ от генератора переменного тока пропускается ток. Использование нержавеющей стали для изготовления устройства обеспечивает его радиационную стойкость и прочность при криогенных температурах.
Устройство разработано в ФГБУ «ПИЯФ» для эксплуатации на реакторе ВВР-М для исследования изменения механических свойств материалов при различных температурах в условиях радиационного облучения в канале реактора. С помощью данного устройства изучаются механические свойства высокотемпературных сверхпроводников, сплавов с памятью формы, конструкционных материалов для атомных и термоядерных реакторов, конструкционных материалов источников холодных нейтронов. В процессе растяжения измеряется удлинение образца, при этом прилагаемое усилие на растяжение образца может плавно увеличиваться. Устройство отличается простотой изготовления и эксплуатации.
Список литературы
1. Патент РФ №2244284 МПК G01N 3/28
2. Патент РФ №2049324 МПК G01N 3/28
3. Патент РФ №2184357 МПК G01L 1/02 прототип.