Ампульное облучательное устройство для реакторных исследований
AMPOULE IRRADIATION DEVICE FOR REACTOR RESEARCH

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно - к ампульным облучательным устройствам для реакторных исследований свойств тепловыделяющих элементов, а именно - микросферического капсулированного ядерного топлива (микротвэлов) для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР).
Микротвэлы являются составной частью топливных компактов, из которых формируется активная зона ВТГР. Необходимость исследования микротвэлов отдельно от топливных компактов возникает при отработке технологии топливных компактов. Экспериментальные исследования выборки из партии микротвэлов позволяют определить качество партии перед изготовлением компактов. Такие исследования позволяют более корректно проводить и анализировать результаты последующих реакторных испытаний компактов и дают представление о качестве технологического процесса изготовления компактов в целом.
Известно облучательное устройство для реакторных испытаний шаровых твэлов (Еремеев B.C., Черников А.С., Иванов В.Я., Казьмин Ю.М., Кузнецов А.А., Приятнов Ю.М. Методика реакторных испытаний шаровых твэлов ВТГР при импульсном нагружении. Атомная энергия, т. 71, вып. 3, сентябрь 1991). Устройство предназначено для экспериментального исследования поведения шаровых твэлов в аварийных ситуациях в импульсном самогасящемся уран-графитовом исследовательском реакторе (ИГР). В качестве аварийных ситуаций рассматриваются кратковременные высокоэнергетические всплески потока нейтронов, вызывающие быстрый подъем температуры шаровых твэлов, существенный градиент температуры от центра к периферии и, как следствие, возникновение механических напряжений. В устройстве шаровые твэлы располагаются в графитовом стакане со свободной посадкой, что исключает возможность появления напряжений в изделиях за счет их контактного взаимодействия при тепловом расширении. Температура шаровых твэлов измеряется расчетно-экспериментальным способом - в нескольких модельных твэлах на их поверхности и в центре установлены термодатчики, а значения температуры в остальных твэлах, как и температурные градиенты, могут быть получены при помощи расчетов. Данное устройство позволяет контролировать выход газообразных продуктов деления (ГПД) из шаровых твэлов при помощи газовой пробы из устройства после каждого импульса, для этого устройство снабжено газовой магистралью тупикового типа.
Однако данное облучательное устройство предназначено для проведения исследований в импульсном реакторе и не позволяет исследовать выход ГПД из исследуемых образцов при длительных испытаниях в ресурсе. Пробы отбираются после короткого импульса реактора при помощи откачки гелия из зазора между шаровыми твэлами и графитовым стаканом. Для проведения отбора пробы на мощности реактора при ресурсных испытаниях требуется замена (продувка) газа в терморегулирующем зазоре при помощи двух газовых магистралей. Кроме того, данное устройство имеет в качестве рабочей зоны для размещения исследуемых объектов графитовый стакан с внутренним диаметром 65 мм, что при испытании в нем засыпки из микротвэлов диаметром 0,8…1,0 мм неизбежно приведет к появлению существенного градиента температур от одного микротвэла к другому.
Известно облучательное устройство для реакторных испытаний микротвэлов (Zoller P. Das Transportverhalten der Spaltprodukte Casium und Strontium in beschichteten Brennstoffteilchen fur Hochtemperatur-Reaktoren unter Bestrahlungsbedingungen, seite 17, abb. 3.1). Устройство состоит из цилиндрического корпуса из нержавеющей стали, внутри которого последовательно размещаются четыре экспериментальные ампулы. Каждая ампула содержит испытуемые объекты в графитовых секциях и снабжена автономными газовыми магистралями для подачи инертного газа или смеси газов и осуществления пробоотбора с целью контроля выхода ГПД из микротвэлов в процессе эксперимента. Для контроля температуры микротвэлов в ампулы установлены термодатчики.
Для данного экспериментального устройства разработаны несколько конструкций ампул, отличающихся размещением микротвэлов и представляющих наибольший интерес с точки зрения решения поставленной задачи.
Конструкция ампулы 1-го типа (Zoller P. Das Transportverhalten der Spaltprodukte Casium und Strontium in beschichteten Brennstoffteilchen fur Hochtemperatur-Reaktoren unter Bestrahlungsbedingungen, seite 21, abb. 3.4) отличается тем, что исследуемые микротвэлы засыпаются в кольцевое пространство, образованное центральным графитовым вкладышем и графитовой оболочкой, размещенной коаксиально вкладышу. Для исключения внешних напряжений в кольцевом пространстве свободно располагаются несколько слоев микротвэлов. Микротвэлы, размещенные в зазоре между вкладышем и внутренней оболочкой из графита, совместно с последними устанавливаются во внешнюю графитовую оболочку и образуют секцию. Секции в количестве двух штук соосно устанавливаются в ампулы. Секции разделены пластиной из молибдена, что позволяет исследовать выход продуктов деления отдельно из каждой части ампулы. В данной конструкции ампулы проблема образования существенных градиентов температур в засыпке микротвэлов решена путем расположения их в узком кольцевом зазоре между деталями из графита, выполняющими роль радиаторов. Таким образом, условия охлаждения для каждого из микротвэлов приблизительно одинаковые. При этом температуры микротвэлов могут быть определены расчетно-экспериментальным путем, т.к. термодатчики могут быть установлены в центральную трубку из ниобия, которая, в свою очередь, вводится в полость секции соосно с последней, и в графитовую оболочку секции.
Конструкция ампулы 2-го типа (Zoller P. Das Transportverhalten der Spaltprodukte Casium und Strontium in beschichteten Brennstoffteilchen fur Hochtemperatur-Reaktoren unter Bestrahlungsbedingungen, seite 25, abb. 3.8) отличается тем, что микротвэлы в виде монослоя засыпаются в три концентрические канавки, выполненные в плоском графитовом пробосборнике в форме диска. Конструкция ампулы позволяет размещать от 10 до 20 пробосборников. При этом свободное пространство по высоте может быть заполнено графитовыми шайбами. Пробосборники насаживаются на центральную трубку из молибдена в графитовом чехле. Сверху и снизу сборка пробосборников подпирается шайбами из графита и фиксируется гайками. Такая сборка размещается коаксиально в графитовую оболочку, образуя секцию с микротвэлами. Секция в свою очередь также коаксиально размещена в оболочке ампулы из нержавеющей стали. Между сборкой пробосборников и оболочкой секции также как между последней и оболочкой ампулы сформированы терморегулирующие зазоры, заполненные инертным газом. В центральную трубку из молибдена, как и в графитовую оболочку, устанавливаются термодатчики для контроля температурных полей. Температуры микротвэлов при этом контролируются расчетно-экспериментальным способом. Перепад температур от микротвэла к микротвэлу сведен к минимуму благодаря организации близких условий теплоотвода вследствие их размещения в графитовых пробосборниках монослоем.
Однако данное облучательное устройство имеет крайне невысокую степень заполнения графитовых секций микротвэлами, что ограничивает его применение при испытаниях сравнительно больших партий микротвэлов в ячейках существующих исследовательских реакторов. Степень заполнения составляет не более 1% и не более 2% от общего объема секции для ампул 1-го и 2-го типа соответственно.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по решаемой задаче и техническому результату является облучательное устройство для реакторных испытаний микротвэлов (Zoller P. Das Transportverhalten der Spaltprodukte Casium und Strontium in beschichteten Brennstoffteilchen fur Hochtemperatur-Reaktoren unter Bestrahlungsbedingungen, seite 23, abb. 3.6). Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Облучательное устройство содержит три экспериментальные ампулы с автономными газовыми магистралями для подачи инертных газов и осуществления пробоотбора с целью контроля выхода ГПД из микротвэлов в процессе эксперимента. В каждую ампулу через ее верхнюю крышку введены газовые магистрали, при этом для обеспечения циркуляции газа в ампулу установлена центральная трубка малого диаметра из ниобия. Внутри ампулы с зазором размещены графитовые вкладыши, которые установлены на трубку из ниобия с зазором по отношению к последней. Графитовые вкладыши заключены в оболочку из графита и закрыты с обеих сторон торцевыми крышками.
Вопрос температурного градиента между микротвэлами в данном устройстве решен методом размещения микротвэлов в каналах вкладыша столбом диаметром, не превышающим размер одного микротвэла. Такое размещение позволяет обеспечить близкие условия теплоотвода для всех микротвэлов. В то же время, уменьшая толщину графитовой оболочки секции одновременно с увеличением длины вкладышей и количества каналов с микротвэлами, можно добиться высокой степени заполнения графитовой секции микротвэлами.
Внутри ниобиевой трубки установлены термодатчики для контроля температур микротвэлов. Дополнительные термодатчики могут быть установлены в графитовую оболочку вкладышей.
Однако данное облучательное устройство имеет недостаток, оно не позволяет в процессе проведения ресурсных испытаний обеспечивать температуру испытуемых образцов с заданной точностью. Для достоверности результатов расчетно-экспериментального определения температуры микротвэлов в процессе испытаний важна точность определения температуры непосредственно испытуемых образцов. Вместе с тем, на точность определения температуры образцов существенное влияние оказывают потоки газа. Установленные в центральной трубке термодатчики омываются охлаждающим газом, протекающим через трубку, кроме этого газ протекает в зазоре между указанной трубкой и вкладышами с микротвэлами. Сложность учета конвективного теплообмена в данных зазорах неизбежно отрицательно скажется на точности определения температур микротвэлов.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности и достоверности реакторных исследований.
Техническим результатом является создание ампульного устройства для реакторных исследований, позволяющего исследовать выход ГПД из больших партий микротвэлов при одновременном обеспечении температуры испытуемых образцов с заданной точностью.
Технический результат достигается тем, что в ампульном облучательном устройстве для реакторных исследований, включающем, по меньшей мере, одну герметичную ампулу, снабженную газовыми магистралями для ее проточной вентиляции, с установленными в ней с зазором и закрытыми торцевыми пробками графитовыми вкладышами, в которых для размещения исследуемых образцов выполнено множество регулярно расположенных вертикальных каналов с диаметром, сопоставимым с диаметром исследуемых образцов, согласно заявленному изобретению в графитовых вкладышах выполнен центральный осевой канал, в котором по плотной посадке установлен, по меньшей мере, один из термодатчиков и, по меньшей мере, один из термодатчиков установлен в одной из торцевых пробок графитовых вкладышей, при этом газовые магистрали подсоединены к верхней и нижней крышкам ампулы.
Преимущественно в ампульном облучательном устройстве для реакторных исследований диаметр регулярно расположенных вертикальных каналов, выполненных в графитовых вкладышах, составляет не более 1,1-1,2 диаметра исследуемых образцов.
Так же в торцевых пробках графитовых вкладышей ампульного облучательного устройства для реакторных исследований могут быть выполнены сквозные отверстия для контроля утечки газообразных продуктов деления диаметром, не превышающим диаметр исследуемых образцов.
Между торцевыми пробками графитовых вкладышей и верхней и нижней крышками ампул преимущественно установлены тарельчатые пружины для компенсации осевых тепловых расширений вкладышей относительно корпуса ампулы.
Установка термодатчиков непосредственно в центральный осевой канал, выполненный в графитовом вкладыше, и в одной из его торцевых пробок графитовых вкладышей по плотной посадке позволяет избежать влияния потоков газа на точность определения температуры испытуемых микротвэлов, что в свою очередь позволяет в процессе испытаний обеспечивать температурный режим испытуемых образцов с заданной точностью.
Вкладыш, выполненный из графита и имеющий множество регулярно расположенных вертикальных каналов, позволяет обеспечить как минимальный температурный градиент между микротвэлами в процессе испытаний за счет обеспечения близких условий теплоотвода для всех микротвэлов, так и высокую степень заполнения рабочей зоны ампулы микротвэлами за счет минимального шага расположения вертикальных каналов и минимального диаметра центрального осевого канала вкладышей (достаточного для размещения термопары).
В предлагаемом техническом решении газовые магистрали подсоединены к верхней и нижней крышкам ампулы, благодаря чему изменяется схема протока газа по отношению к прототипу на прямопроточную, что в свою очередь позволило разместить, по меньшей мере, один из термодатчиков в центре графитовых вкладышей с микротвэлами по плотной посадке.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором схематически изображена конструкция ампульного облучательного устройства.
Предлагаемое техническое решение - ампульное облучательное устройство для реакторных исследований, поясняется конкретным исполнением, описанным ниже, однако, приведенный пример не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заявленного технического результата.
Ампульное облучательное устройство в соответствии с изобретением содержит, по меньшей мере, одну герметичную ампулу 1 из нержавеющей стали. Каждая ампула включает в себя исследуемые (испытуемые) образцы 2 микротвэлов, установленные внутри выполненных из графита вкладышей 3, заключенных в тонкостенную графитовую оболочку 4, с двух сторон снабженную верхней 5 и нижней 6 торцевыми пробками графитовых вкладышей 3, также выполненными из графита. При этом образуется терморегулирующий зазор 7 между оболочкой 8 ампулы 1 и оболочкой 4 графитовых вкладышей 3, величина которого выбрана оптимальной для отвода тепла.
В центральный осевой канал 9 вкладышей 3 установлен термодатчик 10 канала, а также в одну из его торцевых пробок графитовых вкладышей 3, например, верхнюю торцевую пробку 5, установлен термодатчик 11 пробки соответственно. С обеих сторон от вкладышей 3 с исследуемыми образцами и торцевыми пробками 5 и 6, соответственно, установлены тарельчатые пружины 12. Каждая ампула имеет верхнюю крышку 13 и нижнюю крышку 14 с герметично присоединенными к ним газовыми магистралями верхней 15 и нижней 16, соответственно.
Ампульное устройство имеет корпус 17, внутри которого располагается теплоотводящий радиатор 18, в котором в свою очередь выполнены отверстия для установки ампул 1 и нижних газовых магистралей 16. С обоих торцов корпуса 17 установлены верхняя 19 и нижняя 20 герметизирующие торцевые заглушки. Через верхнюю герметизирующую торцевую заглушку 19 проходят верхняя 15 и нижняя 16 газовые магистрали.
На чертеже представлен вариант ампульного устройства с тремя ампулами 1, установленными в вертикальных отверстиях теплоотводящего радиатора 18, которые выполнены на одинаковом осевом расстоянии от оси радиатора, что дает возможность проводить испытания образцов при одинаковых потоках нейтронов в реакторе. Однако ампул 1 может быть другое количество.
Работа предложенного ампульного устройства осуществляется следующим образом. Ампульное устройство, в состав которого входят несколько ампул 1 с исследуемыми образцами 2 микротвэлов, присоединяется к газовым коммуникациям реактора. При этом газовые магистрали верхняя 15 и нижняя 16 ампульного устройства соединяются с газовыми коммуникациями реактора, например, при помощи сварки. После выполнения контрольных операций проверки герметичности соединений и работоспособности термодатчиков (электрического сопротивления) полости ампул 1 заполняются гелием. При выходе устройства на номинальный режим фиксируются показания термодатчика 10 канала 9 и термодатчика 11 пробки 5 для каждой из ампул 1. Компенсация тепловых расширений графитовых вкладышей 3 в осевом направлении обеспечивается тарельчатыми пружинами 12. По показаниям термодатчиков 10 канала 9 и 11 пробки 5 и их соотношению с расчетными показаниями происходит выбор концентрации компонентов смеси инертных газов для каждой из ампул 1 с последующим заполнением через верхнюю 15 и нижнюю 16 газовые магистрали. Таким образом, достигается выполнение требований по обеспечению температурных режимов испытаний образцов 2 микротвэлов. Далее в соответствии с программой и методикой эксперимента производятся пробоотборы газовой среды из каждой ампулы 1 с последующим анализом результатов. В процессе выгорания образцов 2 микротвэлов для поддержания заданных температурных режимов испытаний происходит корректировка состава смесей инертных газов в терморегулирующих зазорах 7 каждой из ампул 1.
Осуществление изобретения.
Разработана конструкция ампульного устройства для испытаний образцов 2 микротвэлов в реакторе ИВВ-2М.
Ампульное устройство содержит корпус 17 из нержавеющей стали толщиной 1 мм и диаметром 55 мм, верхнюю и нижнюю герметизирующие торцевые заглушки 19 и 20, которые выполненные из нержавеющей стали, при этом в верхней герметизирующей торцевой заглушке 19 выполнены отверстия для верхней 15 и нижней 16 газовых магистралей, алюминиевый теплоотводящий радиатор 18 с выполненными в нем тремя вертикальными отверстиями, в которых расположены ампулы 1, и тремя отверстиями для нижних газовых магистралей 16.
Каждая ампула 1 имеет оболочку 8 из нержавеющей стали толщиной 1 мм, в которую помещены исследуемые (испытуемые) образцы 2 микротвэлов в графитовых вкладышах 3. Графитовые вкладыши 3 заключены в оболочку 4 из графита внешним диаметром 14 мм и толщиной 1 мм и снабжены верхней 5 и нижней 6 торцевыми пробками из графита, в которых выполнены отверстия диаметром 0,70…0,75 мм.
В каждом графитовом вкладыше 3 выполнено 45 регулярно расположенных вертикальных каналов диаметром 0,85…0,90 мм. В каждом канале установлены исследуемые образцы 2 микротвэлов диаметром 0,81 мм. Общая длина графитовых вкладышей 3 составляет 81 мм. Таким образом, в графитовых вкладышах 3 установлено суммарно 4500 микротвэлов.
Между верхней 5 и нижней 6 торцевыми пробками графитовых вкладышей 3 и верхней 13 и нижней 14 крышками ампулы 1 установлены тарельчатые пружины 12 из молибдена.
Один термодатчик 10 канала введен в центральный осевой канал 9 графитовых вкладышей 3 по плотной посадке. Второй термодатчик 11 пробки расположен за пределами исследуемых образцов 2 микротвэлов и контактирует с верхней торцевой пробкой 5 графитовых вкладышей 3.
В данном облучательном устройстве, изготовленном и поставленном на испытания в ячейку исследовательского реактора ИВВ-2М, степень заполнения графитовых вкладышей 3 микротвэлами 2 обеспечена на уровне 8% от суммарного объема с пробками. Что позволило в одном устройстве обеспечить проведение испытаний образцов 2 микротвэлов в трех ампулах 1, каждая из которых содержит требуемое количество микротвэлов, сопоставимое с их количеством в разрабатываемых компактах. При этом обеспечены все три уровня среднеобъемных температур испытаний микротвэлов и заданная точность их контроля.
Конструкция ампульного устройства позволяет обеспечивать температуру испытуемых образцов с заданной точностью при проведении реакторных испытаний микротвэлов с выполнением пробоотборов из рабочей полости каждой ампулы с целью определения целостности исследуемых образцов в процессе эксперимента.