УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ
DEVICE TO TEST 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.
При испытаниях радиационно-термической ползучести газонаполненных трубчатых образцов конструкционных материалов для получения характеристик от воздействия на них нагрузок с разным соотношением тангенциальных и аксиальных напряжений, и получения достоверного результата необходимо обеспечивать одинаковые внешние условия. А именно, условия облучения по нейтронному потоку, температуре образцов, а также точность заданного растягивающего усилия. Распределение нейтронного потока в активной зоне реактора неравномерно, а это влияет на энерговыделение в элементах конструкции, поэтому использование одновременно нескольких устройств в разных ячейках не обеспечит одинаковые внешние условия облучения. При использовании одной ячейки в разные промежутки времени тоже не обеспечит одинаковые внешние условия облучения, связанные с выгоранием топлива в ТВС и заменой их на свежие, а также компоновкой активной зоны исследовательскими сборками. Причем на точность растягивающего усилия влияет погрешность, обусловленная не только отклонениями при изготовлении нагружающего устройства, но и условиями эксплуатации в активной зоне реактора.
Известно устройство для испытания материалов в ядерном реакторе (Патент РФ №80956, G01L 1/02), включающее, по меньшей мере, одну ампулу с образцами, нагреватель, термопары, регулятор потока теплоносителя, размещенные в корпусе, в стенках которого выполнена герметичная полость, заполненная газом, для обеспечения термоизоляции, а в нижней части корпуса выполнены отверстия для входа теплоносителя, при этом нижняя часть корпуса снабжена элементом для его соединения с внутрикорпусным устройством реактора с возможностью продольного удлинения корпуса от температурных деформаций
Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым изобретением по наибольшему количеству существенных признаков, является устройство для испытания материалов в ядерном реакторе на длительную прочность при одноосном напряженном состоянии, описанное в книге Цыканов В. А., Самсонов Б. В. «Техника облучения материалов в реакторах с высоким нейтронным потоком». М., Атомиздат, 1973, с.136-137. Это устройство включает в себя: корпус, содержащий узел герметизации с фланцем ампульного канала и с коммуникациями, соединяющими узлы устройства, размещенные в активной зоне реактора и оборудование, размещенное вне активной зоны; образцы; силовой шток; опорный фланец; узел для создания осевого усилия на образцы (гидроцилиндр); тензометрический датчик для корреляции между давлением в гидроцилиндре и заданным осевым усилием нагрузки на образцы.
Устройство позволяет проводить испытания образцов конструкционных материалов на длительную прочность при осевых нагрузках до 250 кг и температурах 350…800°C в ампульном канале реактора.
В описанном устройстве нагрузка от поршня гидроцилиндра посредством силового штока передается на образец (образцы) со стороны приложения нагрузки. Другая сторона образца (образцов), упорная, закреплена к корпусу устройства. Корпус гидроцилиндра жестко закреплен к корпусу устройства посредством опорного неподвижного фланца. Корреляция между давлением в гидроцилиндре и заданным осевым усилием нагрузки на образцы осуществляется с помощью тензометрического датчика, размещенного на силовом штоке непосредственно в корпусе устройства. При понижении давления в гидроцилиндре по регистрации тензометрического датчика, включается насос гидросистемы и осуществляется подпитка системы для повышения давления. Нагрев образцов достигается энерговыделением в образцах при поглощении реакторного излучения. Поддержание заданной температуры в образцах осуществляется охлаждением, циркулирующим гелием в корпусе ампульного канала.
Недостатками вышеприведенных устройств являются:
- Низкая достоверность результатов испытаний на ползучесть трубчатых образцов при получении характеристик от воздействия на них нагрузок с разным соотношением тангенциальных и аксиальных напряжений путем проведения раздельных по времени испытаний.
- Область использования ограничена узким диапазоном параметров теплофизических характеристик активной зоны реактора, величины которых соответствуют координатам в месте стационарно расположенного корпуса ампульного канала.
- Затруднены транспортные операции по загрузке-выгрузке устройства и связанные с ними операции по герметизации узлов уплотнений механических, гидравлических, электрических коммуникаций, соединяющих узлы, размещенные в активной зоне реактора и оборудование, размещенное вне активной зоны.
Указанные недостатки обусловлены:
- наличием одной гирлянды образцов при воздействии на нее растягивающей нагрузки от одного нагружающего устройства;
- наличием большого числа коммуникаций, технологического оборудования и арматуры;
- размещением только в стационарно расположенном ампульном канале корпуса ядерного реактора.
Заявляемое техническое решение позволяет повысить достоверность результатов испытаний, при расширении области использования и упрощении конструкции.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для испытания материалов в ядерном реакторе содержит корпус и раму, с соосно установленной обоймой, в которой расположен образец для испытания на растяжение, закрепленный верхней частью к обойме. А нижняя его часть установлена в упор к нижнему торцу рамы. Причем верхняя ее часть содержит коромысло, к которому с двух сторон шарнирно закреплены образцы для испытания на растяжение. А их нижние части закреплены к корпусу блока нагрузки, нагружающий шток которого установлен в упор к нижнему торцу обоймы. При этом суммарное усилие на образцах, закрепленных к коромыслу, соответствует усилию на образец, расположенный в обойме.
Блок нагрузки включает в себя герметичную сильфонную камеру, заполненную газом, расчетное давление во внутренней полости которой соответствует заданному усилию на образцы в условиях проведения реакторных испытаний. Кроме этого он снабжен регулировочным винтом для достижения заданного давления в сильфонной камере.
Образец может быть выполнен в виде гирлянды, состоящей из нескольких образцов последовательно соединенных между собой. А уровни расположения образцов в гирляндах совпадают.
Плечи коромысла выполнены в соотношении длин, пропорциональном усилиям растяжения закрепленных к нему образцов.
В стенках корпуса выполнена полость, заполненная газом, для обеспечения термоизоляции с целью снижения влияния подогрева от соседних тепловыделяющих сборок ядерного реактора
Корпус содержит отверстия для направленного потока теплоносителя ядерного реактора, который охлаждает наружные поверхности образцов.
Корпус выполнен разъемным для извлечения образцов и проведения измерений в радиационно-защитной камере с последующей сборкой и установкой в ячейку активной зоны ядерного реактора для продолжения реакторных испытаний.
Наличие рамы, с соосно установленной обоймой, в которой расположен образец для испытания на растяжение, закрепленный верхней частью к обойме, а нижняя его часть установлена в упор к нижнему торцу рамы, причем верхняя ее часть содержит коромысло, к которому с двух сторон шарнирно закреплены образцы для испытания на растяжение, а их нижние части закреплены к корпусу блока нагрузки, нагружающий шток которого установлен в упор к нижнему торцу обоймы позволяет одновременно проводить испытания на ползучесть трех трубчатых образцов в одинаковых внешних условиях для получения характеристик от воздействия на них нагрузок с разным соотношением тангенциальных и аксиальных напряжений, используя одно нагружающее устройство.
Наличие гирлянд, состоящих из нескольких образцов последовательно соединенных между собой, причем уровни расположения образцов в гирляндах совпадают, позволяет проводить испытания образцов для каждого уровня с одинаковыми тангенциальными напряжениями и различными между уровнями в одинаковых внешних условиях.
Наличие коромысла, плечи которого выполнены в соотношении длин, пропорциональном усилиям растяжения закрепленных к нему образцов, позволяет проводить испытания образцов для каждой гирлянды образцов с различными аксиальными напряжениями.
Наличие сильфонной камеры в блоке нагрузки, заполненной газом, расчетное давление во внутренней полости которой соответствует заданному усилию на образцы в условиях проведения реакторных испытаний позволяет воздействовать на образцы постоянной по времени растягивающей нагрузкой.
Наличие регулировочного винта позволяет отрегулировать заданное давление в сильфонной камере, которая воздействует на нагружающий шток.
Наличие в стенках корпуса полости, заполненной газом, позволяет предотвратить влияние неравномерного температурного поля внешней среды на стабильное и равномерное распределение температуры в образцах.
Наличие в корпусе отверстий для направленного потока теплоносителя ядерного реактора, который охлаждает наружные поверхности образцов, позволяет поддерживать заданную температуру в образцах, нагрев которых осуществляется энерговыделением в них при поглощении реакторного излучения.
Наличие разъемного соединения в корпусе позволяет многократно использовать устройство, а также извлекать образцы с целью проведения измерений.
Предложенное устройство позволяет проводить реакторное испытание в любой ячейке реактора одновременно трех гирлянд, образцы которых расположены на одном уровне. При этом условия облучения по нейтронному потоку и температуре образцов, расположенных на одном уровне максимально совпадают. Кроме того, возможность приложения к трем гирляндам образцов трех различных нагрузок от одного нагружающего элемента позволяет выявить влияние соотношения тангенциального и аксиального напряжения на характеристики ползучести образцов с максимальной достоверностью при упрощении конструкции.
Новым существенным признаком является форма исполнения узлов и деталей устройства для испытания материалов в ядерном реакторе и их взаимное расположение - рама, с соосно установленной обоймой, в которой расположен образец для испытания на растяжение, закрепленный верхней частью к обойме, а нижняя его часть установлена в упор к нижнему торцу рамы, причем верхняя ее часть содержит коромысло, к которому с двух сторон шарнирно закреплены образцы для испытания на растяжение, а их нижние части закреплены к корпусу блока нагрузки, нагружающий шток которого установлен в упор к нижнему торцу обоймы.
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 изображена схема устройства для испытания материалов в ядерном реакторе.
Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе содержит корпус 1, раму 2, с соосно установленной обоймой 3, в которой расположена гирлянда с трубчатыми образцами 4, заполненные газом с заданным давлением. Верхняя часть гирлянды с трубчатыми образцами 4 закреплена к обойме 3, а нижняя часть установлена в упор к нижнему торцу рамы 2. Верхняя часть рамы 2 содержит коромысло 5, к которому с двух сторон шарнирно закреплены гирлянды с трубчатыми образцами 4, заполненные газом с заданным давлением. А их нижние части закреплены к корпусу блока нагрузки 6, нагружающий шток 7 которого установлен в упор к нижнему торцу обоймы 3. Причем плечи коромысла 5 выполнены в соотношении длин, пропорциональном усилиям растяжения закрепленных к нему образцов 4. При этом суммарное усилие на образцах 4 в гирляндах, закрепленных к коромыслу 5, соответствует усилию на образцы 4 гирлянды, расположенной в обойме 3. Блок нагрузки 6 включает в себя герметичную сильфонную камеру 8, заполненную газом, расчетное давление во внутренней полости которой соответствует заданному усилию на образцы в условиях проведения реакторных испытаний. Кроме этого он снабжен регулировочным винтом 9 для достижения заданного давления в сильфонной камере 8.
Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе работает следующим образом.
Для реакторных испытаний материалов на ползучесть используются газонаполненные трубчатые образцы с заданными значениями давления. Заданное растягивающее усилие от нагружающего элемента - сильфонной камеры 8 блока нагрузки 6 передается к центральной гирлянде образцов 4 посредством нагружающего штока 7 и обоймы 3. При этом на образцы 4 центральной гирлянды воздействует заданное растягивающее усилие. Нижняя часть центральной гирлянды образцов 4, установленная в упор к нижнему торцу рамы 2, передает через нее заданное усилие к оси коромысла 5 и затем распределяется в соотношении, пропорциональном длинам плеч коромысла на две периферийные гирлянды образцов 4, нижние части которых закреплены к корпусу блока нагрузки 6. Перед загрузкой устройства в реактор регулировочным винтом 9 устанавливают заданное давление в сильфонной камере 8. Нагрев образцов в процессе проведения реакторных испытаний осуществляется энерговыделением в них при поглощении реакторного излучения. Поддержание заданной температуры в образцах осуществляется охлаждением теплоносителем первого контура реактора, который через отверстия в корпусе 1 создает поток во внутренней полости устройства и контактирует с наружными поверхностями образцов 4. Для снижения влияния подогрева от соседних ТВС в стенках корпуса 1 выполнена полость, 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 проведения измерений образцов устройство собирается и устанавливается в ячейку активной зоны реактора для продолжения реакторных испытаний.
Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе позволяет проводить реакторное испытание в любой ячейке реактора одновременно трех гирлянд, образцы которых расположены на одном уровне. При этом условия облучения по нейтронному потоку и температуре образцов, расположенных на одном уровне максимально совпадают. Кроме того, возможность приложения к трем гирляндам образцов трех различных нагрузок от одного нагружающего элемента позволяет выявить влияние соотношения тангенциального и аксиального напряжения на характеристики ползучести образцов с максимальной достоверностью при упрощении конструкции, применив в устройстве, размещенную в корпусе раму, с соосно установленной обоймой, в которой расположен образец для испытания на растяжение, закрепленный верхней частью к обойме. Нижняя его часть установлена в упор к нижнему торцу рамы. Причем верхняя часть рамы содержит коромысло, к которому с двух сторон шарнирно закреплены образцы для испытания на растяжение. А их нижние части закреплены к корпусу блока нагрузки, нагружающий шток которого установлен в упор к нижнему торцу обоймы. При этом суммарное усилие на образцах в гирляндах, закрепленных к коромыслу, соответствует усилию на образцы гирлянды, расположенной в обойме. А также, блок нагрузки может включать в себя герметичную сильфонную камеру, заполненную газом, расчетное давление во внутренней полости которой соответствует заданному усилию на образцы в условиях проведения реакторных испытаний и снабжен регулировочным винтом для достижения заданного давления в сильфонной камере. Кроме этого образец может быть выполнен в виде гирлянды, состоящей из нескольких образцов последовательно соединенных между собой. А плечи коромысла выполнены в соотношении длин, пропорциональном усилиям растяжения закрепленных к нему образцов. То есть, позволяет повысить достоверность результатов испытаний, при расширении области использования и упрощении конструкции.