ИМИТАТОР ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
NUCLEAR REACTOR FUEL ELEMENT SIMULATOR

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано при изучении поведения тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов экспериментальным моделированием тепловых и газодинамических процессов.
Известен имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора, содержащий оболочку, таблетки натурного топлива, внутренний цилиндрический нагреватель, расположенный с зазором в отверстиях таблеток, и токоподводящие узлы (см. Гонтарь А.С., Гриднев А.А. и др. Диоксид урана с управляемой перестройкой структуры в составе твэла термоэмиссионного реактора-преобразователя. Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе», Москва - Подольск, 1-3 марта 2005 г., сборник докладов, т.2, с.267-268).
Недостаток известного имитатора - неполнота моделирования, поскольку устройство не позволяет воспроизводить профили изменения теплового потока по длине твэла, характерные для натурных условий работы.
6
Для моделирования профиля температуры (теплового потока) по длине имитатора применяют нагреватели с переменным по длине тепловыделением при прохождении тока через нагреватель. Известен имитатор, содержащий трубчатую оболочку, размещенный внутри нее электронагревательный элемент, выполненный в виде засыпки из смеси порошков графита и тугоплавкого металла, и разделяющий оболочку и нагреватель слой из электроизоляционного материала (см. Балашов С.М. и др. Имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора, патент РФ 1499569, МПК G21C 17/06, опубл. 20.10.1999). Изменением соотношения порошков графита и металла в смеси засыпки достигают необходимого для получения заданного профиля температуры распределения электросопротивления засыпки по длине имитатора.
Недостаток такого имитатора - сложность получения засыпок со стабильной плотностью при больших длинах имитатора и малых диаметрах электронагревательного элемента; нарушение однородности плотности приводит к перегреву и разрушению имитатора.
7
Известен имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора, содержащий оболочку из нержавеющей стали, внутренний нагреватель с изменяющимися электрофизическими свойствами по его длине, керамические изоляторы и токоподводящие узлы (см. Болтенко Э.А., Зевалкин С.В. и др. Имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора, патент РФ №2168776, МПК G21C 17/00, Н05В 3/48, опубл. 10.06.2001). Для моделирования неравномерности тепловыделения по длине имитатора керамические изоляторы выполнены в виде втулок переменной толщины при постоянстве наружного диаметра, а нагреватель в расплавленном состоянии заполняет полости втулок и, соответственно, имеет разный диаметр по длине имитатора.
Недостаток известного имитатора - сложность его заправки легкоплавким материалом и возможность проникновения жидкости в зазоры и полости конструкции. Последнее исключает возможность исследования в таком имитаторе поведения натурного таблеточного топлива, поскольку наличие жидкостного контакта таблеток с оболочкой не соответствует реальным условиям работы тепловыделяющего элемента.
По решаемой задаче и совокупности существенных признаков для достижения технического результата наиболее близок к заявляемому имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора, содержащий трубчатую оболочку с размещенным в ней нагревателем - стержнем или трубой из электропроводного материала с переменным по длине сечением, а также токоподводящие узлы (см. Болтенко Э.А. Электрообогреваемые тепловыделяющие элементы для исследования теплогидравлических характеристик энергоустановок. Атомная энергия, т.107, вып.3, 2009, с.173-177). Нагреватель выполнен из стержней разного диаметра, последовательно соединенных сваркой. За счет разной температуры нагревателя на участках с разным электросопротивлением подбирают профиль распределения теплового потока по длине имитатора, моделирующий натурный.
Площадь сечения нагревателя в известной конструкции изменяется ступенчато и профиль теплового потока также ступенчатый, что не соответствует натурным условиям работы твэла. Кроме того, искажения профиля теплового потока на участках сварных соединений недопустимо велики. Таким образом, основной недостаток выбранного в качестве прототипа имитатора - неудовлетворительная точность моделирования натурных условий.
Задача предлагаемого изобретения - повышение точности моделирования натурных тепловых режимов твэлов.
Поставленная задача достигается тем, что в имитаторе тепловыделяющего элемента ядерного реактора, содержащем оболочку, столб таблеток натурного топлива с центральным отверстием и расположенный с зазором в отверстиях таблеток электрический нагреватель, согласно изобретению нагреватель выполнен в виде трубки из тугоплавкого материала, на наружной поверхности которой сформирован переменный по длине нагревателя микрорельеф, обеспечивающий оптически переменные свойства по длине поверхности, соответствующие моделируемому профилю температуры.
Поставленная задача достигается также тем, что снаружи с зазором коаксиально оболочке установлена экранирующая труба из тугоплавкого материала, на внутренней и внешней поверхностях которой сформирован переменный микрорельеф, обеспечивающий оптически переменные свойства по длине нагревателя.
В частных вариантах исполнения переменный по длине микрорельеф может быть сформирован участками поверхности с различным уровнем шероховатости, соответствующим классам шероховатости от первого до четырнадцатого, или нанесенным на поверхность покрытием с переменной плотностью и толщиной, или выполненными на поверхности углублениями с переменным отношением глубины углублений к их диаметру.
Экранирующая труба может быть дополнительно снабжена автономным источником питания, а ее наружная поверхность может быть снабжена по всей длине многослойными экранами из фольги тугоплавкого материала, выполненными в виде намотки с переменным количеством слоев.
Выполнение нагревателя в виде трубки из тугоплавкого материала, на наружной поверхности которой сформирован переменный по длине нагревателя микрорельеф, обеспечивает моделирование профиля температур и тепловых потоков, соответствующих штатным твэлам. Экранирующая труба, установленная снаружи оболочки, с профилированным по длине микрорельефом, сформированным на внутренней и внешней поверхностях, выполняет роль первого экрана и позволяет дополнительно управлять распределением теплового потока по длине имитатора. Плавное изменение оптических свойств поверхности нагревателя и экранирующей трубы по длине, например за счет изменения шероховатости, позволяет получить плавное, соответствующее натурному профилю изменение тепловыделения и температуры исследуемых элементов (оболочки, таблеток топлива) в отличие от ступенчатого, свойственного для имитатора по прототипу. Установка дополнительных экранов из фольги снижает нагрузку на нагреватель, т.е. позволяет достигать необходимую температуру исследуемых элементов при меньших температурах нагревателя. Выполнение таких экранов, например, в виде развертки в плане трапеции перед намоткой на трубу, позволяет за счет переменного количества слоев по длине имитатора дополнительно управлять распределением теплового потока.
Подсоединение экранирующей трубы к отдельному источнику питания расширяет возможности по профилированию полей температуры в исследуемых элементах твэла, например, позволяет получать одинаковые перепады температуры по радиусу таблетки топлива при разных уровнях температуры при исследовании термопрочности материала.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен имитатор тепловыделяющего элемента,
На фиг.2 - пример развертки экрана из фольги.
Имитатор, изображенный на фиг.1, состоит из оболочки 1, нагревателя 2, топливных таблеток 3, центрирующих изоляторов 4, верхнего 5 и нижнего 6 токоподводов, экранирующей трубы 7 и дополнительных экранов 8.
Нагреватель 2 в виде трубки из тугоплавкого металла с переменным по внешней поверхности микрорельефом установлен внутри оболочки и соосно с ней. Между оболочкой 1 и нагревателем 2 размещен столб топливных таблеток 3. Центрирующие изоляторы 4 установлены по концам топливного столба 3, нагреватель соединен через отверстия в изоляторах 4 с верхним 5 и нижним 6 токоподводами. Экранирующая труба 7 установлена коаксиально оболочке 1 и нагревателю 2. На экранирующую трубу намотаны несколько слоев фольги 8 с зазорами между слоями. Верхний токоподвод соединен с гибким токопроводящим шнуром, компенсирующим тепловое расширение нагревателя. Развертка экрана из фольги (фиг.2) показана для случая симметричного относительно середины имитатора профиля теплового потока.
Имитатор работает следующим образом. Устройство размещается в охлаждаемом герметичном корпусе, заполненном инертным газом. Регулировкой величины тока через токоподводы 5 и 6 и нагреватель 2 устанавливаются необходимые уровни температуры нагревателя. Тепловой поток от нагревателя поступает на таблетки топлива 3 и далее на оболочку 1. Экранирующая труба 7 и экраны 8 ограничивают сброс тепла в охлаждаемый корпус. Основной механизм переноса тепла через зазоры между нагревателем и таблетками, таблетками и оболочкой, оболочкой и экранами - лучистый. Величина лучистого потока зависит от оптических свойств излучающей поверхности, и изменением микрорельефа поверхностей нагревателя и экранирующей трубы можно получать в каждом сечении имитатора тепловые потоки, заданные условиями испытаний.
Пределы возможного изменения лучистого теплового потока за счет изменения оптических свойств поверхностей данной конструкции имитатора определяются с помощью известного выражения для приведенной степени черноты в системе из двух коаксиальных цилиндров бесконечной длины (см. Адрианов В.Н., Основы радиационного и сложного теплообмена. М., «Энергия», 1972):
<mrow><msub><mi>ε</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>ε</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>ε</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext>                   </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
1
2
Здесь ε и ε - степени черноты, F и F - площади поверхностей цилиндров меньшего и большего диаметров. Например, рассмотрим диапазон температуры нагревателя 1500 К - 3000 К. Интегральная степень черноты поверхности нагревателя (вольфрам) имеет значение 0,1-0,9 в зависимости от микрорельефа поверхности. Интегральная степень черноты поверхности топливных таблеток (диоксид урана) для таких же условий - 0,3-0,4. При отношении площадей поверхностей таблеток и нагревателя 1,5-2,0 возможно изменение приведенной степени черноты, определяющей изменение лучистого теплового потока к топливным таблеткам, от 0,1 до 0,4, т.е. в ~ 4 раза.
Изменять оптические свойства поверхностей по длине нагревателя или экранирующей трубки можно разными способами: шлифованием и полированием до разного класса чистоты участков трубы с исходно большой шероховатостью (трубы получены осаждением металла из газовой фазы), получением регулярной шероховатости механической обработкой исходно гладких труб, например нанесением рисок с возрастающим по длине трубы отношением глубины риски к ее ширине, пескоструйной обработкой, нанесением на поверхность покрытий с изменяющейся плотностью и толщиной, электрохимическим фрезерованием углублений (глухих отверстий) с разным отношением глубины к диаметру. При определении необходимых характеристик микрорельефа поверхности (среднего арифметического отклонения профиля, т.е. высоты неровностей и среднего шага неровностей, т.е. расстояния между выступами) для профилирования теплового потока по длине имитатора могут быть использованы табличные данные по эффективной излучательной способности глухих отверстий с отношениями глубины отверстий к их диаметру от 1 до 12 в материалах с разными интегральными излучательными свойствами (см. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. Под общ. ред. А.Е.Шейндлина. М.: Энергия, 1974). Указанные данные обеспечивают удовлетворительную точность при расчетах тепловых потоков для материалов с регулярным микрорельефом (шероховатостью), для расчетов с материалами произвольной шероховатости следует использовать данные по интегральным излучательным способностям, полученным экспериментально.
Вычисление значений приведенной излучательной способности для каждого радиального сечения имитатора, на основании которых выбирается класс шероховатости поверхности нагревателя (экранирующей трубы) в этом сечении, выполняется с помощью выражения:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mi>Q</mi><mo>/</mo><mi>σ</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mn>4</mn></msup><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mn>4</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                            </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
1
1
2
2
Здесь Q - радиальный тепловой поток, при котором исследуемые элементы твэла находятся в рассматриваемом сечении в натурных условиях, σ - постоянная Стефана-Больцмана, T - расчетное (ожидаемое) значение температуры, обращенной к нагревателю поверхности исследуемого элемента, T - устанавливаемая температура нагревателя имитатора. При вычислении необходимой интегральной излучательной способности ε поверхности нагревателя по значению приведенной интегральной способности из формулы (1) табличное значение ε (нагреваемой поверхности топливных таблеток, оболочки) берется для температуры T. На основании полученных расчетных данных по интегральной излучательной способности обрабатывается поверхность нагревателя.
Пример конкретного осуществления.
В качестве примера конкретного осуществления устройства рассматривается имитатор, предназначенный для исследования работоспособности твэлов с новыми топливными материалами в условиях повышенных температур, радиальных и осевых градиентов температуры. Имитатор состоит из оболочки из тугоплавкого сплава с той же, что и у натурного твэла, геометрией, топливных таблеток диаметром 8,2 мм с центральным отверстием диаметром 4,2 мм и нагревателя - трубки из вольфрама диаметром 3,2 мм и толщиной стенки 0,5 мм. Длина нагревателя составляет 600 мм, концы нагревателя сваркой соединены со стержневыми токоподводами из молибдена. Токоподводы установлены в центрирующих изоляторах, верхний токоподвод соединен с гермовводом через гибкий медный жгут, обеспечивающий возможность свободного удлинения нагревателя. Коаксиально оболочке на всю ее длину установлена с зазором в 1 мм экранирующая труба из вольфрама, снаружи трубы размещен многослойный экран из фольги. Имитатор установлен в герметичном водоохлаждаемом корпусе, заполненном гелием.
Профиль температуры поверхности топливных таблеток по оси топливного столба, например по условиям испытаний, должен состоять из трех участков: среднего - длиной 300 мм с постоянной по длине температурой (2200К), и крайних - по 150 мм с понижением температуры к концам с градиентом 2К/мм (1900 К на краях). Заданный радиальный тепловой поток в сечениях в средней зоне и на краях составляет соответственно 1,3 МВт/м и 0,4 МВт/м. Необходимый профиль температуры обеспечивается при температуре нагревателя 3000 К и значениях приведенной излучательной способности 0,4 и 0,1. Интегральная степень черноты должна быть равна 0,9 на среднем участке и равномерно снижаться до 0,4 на краях нагревателя. Такие значения интегральной степени черноты поверхности вольфрама можно получить при отношениях глубины к диаметру от 5 (ε=0,9) до 1 (ε=0,4) образующих шероховатость поверхности углублений.
Средний участок нагревателя длиной 300 мм не обрабатывается после изготовления трубки, шероховатость поверхности здесь после осаждения вольфрама из газовой фазы максимальна. Участки, примыкающие к среднему, обрабатываются шлифованием таким образом, чтобы на длине 150 мм шероховатость плавно снизилась на 6 пунктов, соответствующих классам шероховатости (см. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Т.1. М.: Машиностроение, 1980, с.264-267).
Экранирующая труба диаметром 17 мм получена осаждением газофазного вольфрама на медную трубу с предварительно обработанной в соответствии с расчетными данными по шероховатости поверхностью. Поверхность центрального участка медной трубы протяженностью 300 мм обрабатывалась по 12-му классу чистоты, чистота поверхностей концов по 150 мм плавно снижалась от 12-го до 5-го класса. После удаления химическим травлением медной подложки (трубы) внутренняя поверхность экранирующей трубы сохраняла необходимый профиль шероховатости. Внешняя поверхность трубы после изготовления имела 14-ый класс чистоты, профилирование шероховатости осуществлялось механической обработкой.
Предлагаемый имитатор позволяет повысить точность моделирования теплового состояния исследуемых тепловыделяющих элементов за счет получения таких же, как и в натурных условиях, уровней температуры, тепловых потоков и профилей температуры.