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

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для генерации радиационных дефектов и проведения 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, преимущественно в реакторах на быстрых нейтронах с металлическим теплоносителем, например натриевым, свинцовым, свинцово-висмутовым.
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, оболочка которых содержит теплоизолирующий зазор.
Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым изобретением по наибольшему количеству существенных признаков, является конструкция ампульной сборки «Fusion-2» для облучения сплавов ванадия, которая описана в статье 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.
Эта конструкция состоит их трех независимых ампул: верхней, средней и нижней. Все три ампулы размещаются в стандартном корпусе для БОР-60 с размером 44×1 мм «под ключ» с теплоизолирующим газовым зазором для предотвращения теплового влияния соседних сборок. Верхняя ампула предназначена для облучения при 700°C, средняя - 600°C и нижняя - 450°C. В верхней и нижней ампулах располагаются по три кассеты с образцами высотой около 26 мм каждая. В средней, основной, ампуле размещаются шесть кассет.
7
Каждая ампула состоит из наружного и внутреннего контейнеров, изготовленных из нержавеющей стали или жаропрочного сплава типа инконель - 625 и обеспечивающих расчетный газовый зазор. Внутренний контейнер заполняется натрием для выравнивания температуры образцов внутри ампулы, в которой размещаются шесть капсул из молибденового сплава типа TZM: три из них большого диаметра (12-14 мм) и три малого (7 мм) для экономии экспериментального объема. Образцы в каждой из капсул находятся в среде Li
Недостатками прототипа являются:
Отсутствие непосредственного доступа к образцам, размещенным в герметичной ампуле, после извлечения из ядерного реактора для проведения измерений.
Длительный по времени процесс, включающий в себя разгерметизацию ампул в условиях радиационно-защитной камеры, удаление из внутренней полости натрия и извлечение образцов для проведения измерений, и еще более длительные последующие операции по сборке ампул, заполнению натрием и их герметизации, значительно превышает период планового останова ядерного реактора.
Высокая пожароопасность при заполнении ампулы натрием, а также при его извлечении, которая может привести к недопустимому нарушению требований температурного режима образцов материалов.
Указанные недостатки обусловлены герметичной конструкцией ампул и наличием в них металла-теплопроводника в твердой фазе после извлечения из ядерного реактора.
Заявляемое техническое решение позволяет повысить производительность проведения испытаний, значительно упростить конструкцию при повышении безопасности.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для испытания материалов в ядерном реакторе, включающее корпус, содержит клапан и гильзу с отверстием, в которой расположена кассета с закрепленными в ней образцами материалов, а клапан закреплен с возможностью продольного перемещения, причем при погружении в ядерный реактор под действием выталкивающей силы клапан перемещается вверх, закрывая отверстие в дне гильзы, и открывает его, при извлечении из ядерного реактора под действием силы тяжести перемещаясь вниз.
В стенках гильзы может быть выполнена полость, заполненная газом, для обеспечения термоизоляции внутренней полости гильзы с непроточным теплоносителем, а величина газового зазора по высоте гильзы может быть переменной.
Клапан может быть выполнен полым и заполнен газом. А между корпусом и клапаном, при недостаточном воздействии выталкивающей силы для продольного перемещения вверх, дополнительно установлена пружина.
Корпус содержит отверстия для направленного потока теплоносителя ядерного реактора, который охлаждает наружные поверхности гильзы. При этом во внутренней полости гильзы содержится непроточный теплоноситель, температура которого, а значит и температура образцов в кассете, определяется теплопередачей в зависимости от толщины стенки гильзы, либо от величины газового зазора в полости стенки гильзы с учетом энерговыделения в элементах конструкции.
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 образцов и проведения измерений в радиационно-защитной камере с последующей сборкой и установкой в ячейку активной зоны ядерного реактора для продолжения реакторных испытаний.
Наличие гильзы, дно которой содержит отверстие, и ее стенки могут иметь полость, заполненную газом, для обеспечения термоизоляции, а величина газового зазора этой полости по высоте гильзы может быть переменной, позволяет заполнить внутреннюю полость гильзы теплоносителем при загрузке устройства в реактор и слить при извлечении из него, при этом, обеспечив заданную температуру внутренней полости гильзы в процессе проведения реакторных испытаний, упростить конструкцию и значительно сократить процессы извлечения образцов для измерений и сборки устройства для дальнейших испытаний в пределах планового останова реактора при повышении безопасности.
Наличие клапана позволяет закрывать отверстие в дне гильзы под действием выталкивающей силы в теплоносителе при загрузке в ядерный реактор и при проведении реакторных испытаний, обеспечивая при этом отсутствие расхода теплоносителя во внутренней полости гильзы, а также открытие отверстия в дне гильзы под действием силы тяжести для слива теплоносителя из внутренней полости гильзы при извлечении из реактора.
Наличие в корпусе отверстий для направленного потока теплоносителя ядерного реактора, который охлаждает наружные поверхности гильзы, 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 образцы с целью проведения измерений.
Предложенное устройство позволяет упростить конструкцию и значительно сократить процессы извлечения образцов для измерений и сборки устройства для дальнейших испытаний в пределах планового останова реактора, тем самым повысить производительность проведения испытаний при повышении безопасности.
Новыми существенными признаками являются форма исполнения узлов и деталей устройства для испытания материалов в ядерном реакторе и их взаимное расположение:
- гильза, стенки которой могут иметь полость, заполненную газом, для обеспечения термоизоляции, а величина газового зазора этой полости по высоте гильзы может быть переменной, кроме того, ее дно содержит отверстие;
- клапан, который может быть выполнен полым и заполнен газом, для закрытия отверстия в дне гильзы при загрузке в ядерный реактор и открытия при извлечении из него.
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 при загрузке в реактор и в процессе проведения реакторных испытаний;
на чертеже рис.2 изображен продольный разрез устройства при извлечении из реактора.
Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе содержит корпус 1, гильзу 2, и клапан 3. Между корпусом 1 и клапаном 3 установлена пружина 4. Корпус 1 выполнен разъемным и содержит отверстия (на чертеже не показано) для направленного потока теплоносителя, а в его стенках выполнена полость, заполненная газом, для обеспечения термоизоляции. В гильзе 2 расположена кассета 5 с закрепленными в ней образцами материалов. В стенке гильзы 2 выполнена полость, заполненная газом, для обеспечения термоизоляции, а в дне гильзы 2 имеется отверстие 6, которое закрываться клапаном 3 при загрузке в ядерный реактор, и открывается при извлечении из него. Клапан 3 выполнен полым и заполнен газом.
Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе работает следующим образом.
В исходном состоянии клапан 3 под действием силы тяжести находится в нижнем положении и отверстие 6 в дне гильзы 2 открыто. При загрузке в ядерный реактор теплоноситель заполняет внутренние полости устройства через отверстия в корпусе 1. Под действием выталкивающей силы в теплоносителе клапан 3 перемещается вверх и закрывает отверстие 6 в дне гильзы 2. При использовании устройства в ядерном реакторе с теплоносителем низкой плотности, например с натрием, для увеличения усилия закрытия отверстия 6 в дне гильзы 2 клапаном 3 между корпусом 1 и клапаном 3 может быть установлена пружина 4. При работе реактора, в потоке теплоносителя создается перепад давления по высоте клапана 3, который дополнительно увеличивает усилие закрытия отверстия 6 в дне гильзы 2. В процессе проведения реакторных испытаний поток теплоносителя первого контура реактора контактирует с наружной поверхностью гильзы 2. При этом во внутренней полости гильзы 2 содержится непроточный теплоноситель, температура которого, а значит и температура образцов в кассете 5, определяется расчетным способом в зависимости от толщины стенки гильзы 2, либо от величины газового зазора в полости стенки гильзы 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 подогрева от соседних тепловыделяющих сборок 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 процессе извлечения устройства из реактора клапан 3 под действием силы тяжести перемещается вниз, при этом отверстие 6 в дне гильзы 2 открывается и теплоноситель сливается из ее внутренней полости. 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.