Ампульное устройство для реакторных исследований
AMPULE DEVICE FOR THE REACTOR STUDIES

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно - к ампульным облучательным устройствам для реакторных исследований свойств тепловыделяющих элементов (твэлов).
Известно экспериментальное ампульное устройство для одновременного измерения свободного распухания топлива и выхода газообразных продуктов деления (ГПД) [см. В.В. Синявский. Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок. М.: Энергоатомиздат, 2000, с. 109-111]. В этом устройстве цилиндрические топливные образцы в тонкостенных оболочках из монокристаллического молибдена последовательно размещены в капсуле, заполненной инертным газом. Полости образцов и капсулы выполнены сообщающимися для разгрузки оболочки от одностороннего давления, соединены с источником инертного газа и снабжены компенсационным объемом. Теплопередающий зазор между оболочками образца и капсулы выбран достаточно большим (~1 мм) для компенсации распухания без существенного изменения температуры топливного образца. В автономной капсуле сопровождения в составе той же ампулы размещен топливный образец для измерения выхода ГПД, который соединен газовыми коммуникациями с γ-спектрометрическим стендом. Обе эти капсулы снабжены приводами осевого перемещения для согласования условий их облучения. Ампульное устройство может включать несколько параллельных ветвей из указанных 2-х типов капсул. В этом случае капсулы каждого типа выполнены с общим компенсационным объемом и приводом осевого перемещения.
Однако это ампульное устройство не позволяет исследовать кинетику распухания исследуемых образцов. Недостатком аналога является также отсутствие прямого измерения температуры топлива, т.к. термометрические датчики размещены на оболочке капсулы. Кроме того, устройство не позволяет осуществлять его сборку вне вакуумной камеры без контакта исследуемых образцов с окружающей средой, т.к. не содержит временных герметизирующих заглушек емкостей с исследуемыми образцами. Это усложняет технологию сборки устройства и может привести к попаданию в исследуемые образцы кислородной среды, что недопустимо для отдельных видов топливных композиций, например, перспективного нитридного топлива.
Известно экспериментальное ампульное устройство для реакторных исследований, приведенное в работе B.C. Синявского «Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок. М.; Энергоатомиздат, 2000, с. 112. Ампульное устройство предназначено для изучения свободного распухания и совместного свелинга системы топливо-оболочка и состоит из высокотемпературной капсулы цилиндрической формы, внутри которой размещены образцы, покрытые тугоплавким металлом. Капсула снабжена газовой магистралью для заполнения инертными газами. На выходе магистрали установлены пневматические клапаны для герметизации капсулы. Капсула размещена в нержавеющей оболочке с радиальным зазором, заполненным инертным газом с различной теплопроводностью.
3
Капсула ампульного устройства снабжена датчиками нейтронного потока и температуры. Ампульное устройство позволяет облучать образцы при тепловыделении 60÷240 Вт/см и температурах на оболочке образцов 1600-2200К. Ампульное устройство является инструментированным и позволяет регулировать параметры облучения при испытаниях.
Однако данное техническое решение имеет ряд недостатков:
- не позволяет исследовать кинетику распухания исследуемых образцов;
- не позволяет анализировать в ходе эксперимента газообразные продукты деления, выделяющиеся при ядерном распаде;
- не позволяет измерять температуру исследуемого образца в ходе эксперимента;
герметизация рабочей полости ампульного устройства осуществляется пневмоклапанами, что усложняет конструкцию и технологию изготовления устройства, кроме того, процесс разгерметизации происходит под воздействием высокого давления на рабочий элемент клапана, что предполагает наличие в испытательном стенде дополнительного оборудования, например, газовой магистрали высокого давления.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по решаемой задаче и техническому результату является ампульное устройство для реакторных исследований [Алексеев С.В., Выбыванец В.И., Гонтарь А.С., Карагозян P.M., Колесников Е.Г., Сериков B.C., Солнцева Е.С., Степанчиков П.А. Ампульное устройство для реакторных исследований, патент РФ на изобретение №2526328, МПК G12C 17/06, опубл. 20.08.2014]. Данное техническое решение по количеству совпадающих существенных признаков выбрано в качестве прототипа.
Ампульное устройство предназначено для исследования кинетики выхода газообразных продуктов деления в процессе эксперимента и свободного распухания топливных образцов. Состоит из герметичной ампулы, внутри которой в цилиндрическом радиаторе расположены капсулы с исследуемыми образцами. Каждая капсула имеет возможность проточной вентиляции, что позволяет анализировать в ходе эксперимента газообразные продукты деления, выделяющиеся при ядерном распаде. Исследуемые образцы размещены в тугоплавких эластичных монокристаллических оболочках, позволяющих им свободно распухать в процессе эксперимента. Образцы также снабжены высокотемпературными термопарами, измеряющими температуру непосредственно в центре образцов, и дублирующими термопарами, имеющими длительный ресурс. Капсулы снабжены герметизирующими заглушками, позволяющими исключить контакт исследуемых образцов с окружающей средой на этапе сборки устройства.
Однако это ампульное устройство позволяет измерить свободное распухание исследуемых образцов лишь после завершения эксперимента, не позволяя при этом исследовать кинетику распухания.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание ампульного устройства для реакторных исследований, позволяющее исследовать кинетику распухания исследуемых образцов в процессе эксперимента.
Технический результат достигается тем, что в ампульном устройстве, включающем внешнюю цилиндрическую оболочку с герметизирующими торцевыми крышками, внутри которой расположена, по крайней мере, одна капсула, заключенная в герметичную оболочку и снабженная газовыми магистралями для ее проточной вентиляции, внутри капсулы расположены исследуемые образцы, помещенные в общую тонкостенную оболочку из тугоплавкого материала, согласно изобретению, каждая капсула дополнительно снабжена экраном из тугоплавкого материала, установленным коаксиально с зазорами между оболочкой капсулы и общей оболочкой с образцами, при этом величина эффективного пропускного сечения зазора между общей оболочкой с заключенными в нее образцами и экраном не превышает величину минимального пропускного сечения газовых магистралей.
Дополнительно введенный экран, выполненный из тугоплавкого материала и установленный между оболочкой капсулы и общей оболочкой с помещенными в нее образцами, направляет поток проточного газа в зазор между экраном и общей тонкостенной оболочкой исследуемых образцов, обеспечивая возможность исследовать кинетику распухания исследуемых образцов в процессе эксперимента. Исследуемые образцы, распухая в процессе эксперимента, изменяют величину указанного зазора. При этом величина пропускного сечения указанного зазора, которая не превышает величину минимального пропускного сечения газовых магистралей, является определяющей для расхода газа при постоянном перепаде давления проточного газа на входе и выходе из магистралей. Таким образом, по изменению расхода газа можно определить кинетику распухания исследуемых образцов.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом (Фиг. 1), на котором схематически изображена конструкция ампульного устройства.
Ампульное устройство состоит из цилиндрической внешней оболочки (1) с двумя торцевыми герметизирующими крышками (2, 3), цилиндрического теплоотводящего радиатора (4), установленного внутри оболочки (1) коаксиально последней. В осевых отверстиях радиатора (4), выполненных на одинаковом осевом расстоянии от торца радиатора, расположены капсулы (5) из нержавеющей стали. Каждая капсула включает в себя исследуемые тепловыделяющие образцы (6), заключенные в тонкостенную оболочку (7) из тугоплавкого материала, и экран (8) из тугоплавкого материала, установленный между оболочкой капсулы (9) и тонкостенной оболочкой (7), образующий совместно с тонкостенной оболочкой (7) зазор (10). При этом образуется зазор (11) между оболочкой капсулы (9) и экраном (8) из тугоплавкого материала, величина которого выбрана оптимальной для отвода тепла. Каждая капсула герметично соединена с газовыми магистралями (12, 13) и с оболочкой (1) ампульного устройства при помощи сильфона (14), установленного в одну из газовых магистралей. На выходе газовых магистралей установлены заглушки (15, 16), выполненные в виде втулок (17, 18). Втулка (17) имеет осевые отверстия (19, 20) для установки термодатчиков и отверстие (21) для прохода газов. Втулка (18) также снабжена отверстием (22) для прохода газов. Отверстия (21, 22) заполнены припоем из легкоплавкого материала. Герметичные чехлы (23, 24) термодатчиков установлены в осевых отверстиях (19, 20) и герметично соединены с втулкой (17), а чувствительные элементы (25) термодатчиков введены в рабочую полость (26) капсулы (5). Кроме того, в капсуле предусмотрены тарельчатые пружины (27), проставки (28), направляющая втулка (29).
На чертеже представлен вариант ампульного устройства с тремя капсулами, установленными в осевых отверстиях теплоотводящего радиатора, которые выполнены на одинаковом осевом расстоянии от торца радиатора, что дает возможность проводить испытания образцов при одинаковых потоках нейтронов в реакторе. Однако капсул может быть другое количество.
Работа предложенного ампульного устройства осуществляется следующим образом. Ампульное устройство, в состав которого входят одна или несколько капсул с исследуемыми образцами твэлов, присоединяется к газовым коммуникациям реактора. При этом заранее осуществляется заполнение инертным газом рабочей полости капсулы, в которой расположены исследуемые образцы твэлов, временная герметизация ее при помощи легкоплавкого материала заглушек. В качестве инертного газа выбран гелий, что существенно облегчает технологию проведения контроля герметичности замкнутого изделия. Чувствительные элементы термодатчиков, расположенные в герметично введенных в полости исследуемых образцов чехлах, заводятся в газовые магистрали капсул. Соединение ампульного устройства с газовыми коммуникациями реактора осуществляется при помощи сварки. После того как газовые магистрали ампульного устройства будут герметизированы, осуществляется разрушение плавкого материала заглушек за счет нагрева мест их расположения и создания разности давлений в нужном направлении. Далее вся сборка устанавливается в ячейку реактора.
При выходе устройства на номинальный режим исследуемые образцы (6) входят в контакт с тонкостенной оболочкой (7) вследствие теплового расширения. Тонкостенная оболочка образцов позволяет им свободно расширяться. Для компенсации осевого расширения образцов предусмотрены тарельчатые пружины (27). При этом между тонкостенной оболочкой (7) и экраном (8) из тугоплавкого материала остается зазор (10) для прохода газов, а между экраном (8) и оболочкой капсулы (9) остается зазор (11), обеспечивающий необходимый температурный режим испытаний образцов (6).
Зазор (10) выбран таким образом, что величина его эффективного пропускного сечения не превышает величину минимального пропускного сечения газовых магистралей (12, 13) на момент старта эксперимента. В процессе эксперимента уменьшение величины данного зазора приводит к уменьшению пропускного сечения газовых магистралей, что позволяет контролировать распухание исследуемых образцов (6) при проточной вентиляции через газовые магистрали.
Зазор (11) выбран таким образом, что его величина существенно превосходит величину зазора (10) и определяет температурный режим испытаний образцов (6), при этом изменение температуры в процессе распухания образцов не является принципиальным и укладывается в 5%.
Пример конкретного осуществления.
Разработана конструкция ампульного устройства для испытания топливных образцов диоксида и карбонитрида урана в реакторе ИВВ-2М.
5
Ампульное устройство содержит оболочку из нержавеющей стали толщиной 1 мм и диаметром 58 мм, две торцевые крышки с отверстиями для газовых магистралей, алюминиевый цилиндрический радиатор с выполненными в нем тремя осевыми отверстиями, в которых расположены капсулы. Каждая капсула имеет оболочку из нержавеющей стали толщиной 1 мм, в которую помещены исследуемые топливные образцы в тонкостенной оболочке из тугоплавкого материала, две торцевые крышки с герметично присоединенными к ним газовыми магистралями из нержавеющей стали. В одну из капсул, в которой будут исследоваться образцы из диоксида урана, установлен экран. Экран выполнен из монокристаллического вольфрама толщиной 0,2 мм. При этом величина зазора между тонкостенной оболочкой исследуемого образца и экраном из монокристаллического вольфрама составляет 0,3 мм, величина зазора между экраном и оболочкой капсулы -1,05 мм. Оба зазора в процессе эксперимента заполнены неоном при давлении 10 Па. Исследуемые топливные образцы диаметром 6 мм и суммарной длиной 35 мм установлены в тонкостенную оболочку из монокристаллического вольфрама толщиной 0,2 мм с зазором 30 мкм. Один из термодатчиков введен в центр секции топливных образцов. Каждая секция может включать от 2-х и более топливных образцов, содержащих однотипное топливо, и находящихся в процессе испытаний в равных температурных условиях. Второй термодатчик расположен за пределами исследуемого образца, контактирует с оболочкой через проставку из молибдена и служит для контроля температуры тонкостенной оболочки исследуемого образца. В каждой газовой магистрали установлена втулка с осевым отверстием диаметром 3,2 мм, заполненным легкоплавким припоем ПОС61 для временной герметизации капсулы. Причем, одна из втулок снабжена двумя дополнительными отверстиями диаметрами 2 и 1,5 мм, в которые впаяны чехлы термодатчиков, выполненные из молибдена и нержавеющей стали. Оболочки капсул соединены с оболочкой ампульного устройства через сильфоны из нержавеющей стали. Для компенсации осевого расширения исследуемых топливных образцов введены тарельчатые пружины из сплава ВР-27.
Конструкция ампульного устройства позволяет измерить кинетику распухания исследуемых топливных образцов в процессе эксперимента.
Также, конструкция ампульного устройства позволяет осуществить полную сборку при условии отсутствия контакта исследуемых образцов с кислородом.
Система позволяет транспортировать газообразные продукты деления к анализирующему стенду реактора путем осуществления проточной вентиляции рабочей полости капсулы через газовые магистрали. Это дает возможность анализировать выделяющиеся в ходе эксперимента ГПД.
Ампульное устройство позволяет одновременно в одинаковых условиях испытывать несколько секций исследуемых образцов в автономных капсулах, расположенных в теплоотводящем радиаторе на одном осевом расстоянии от торца радиатора, соответственно - на одном уровне активной зоны реактора.
После окончания испытаний при проведении послереакторных исследований капсул непосредственное измерение геометрии исследуемых образцов позволит оценивать изменение размеров в конкретных условиях облучения.