СПОСОБ РЕАКТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD OF REACTOR TESTS OF HIGH-TEMPERATURE VENTILATED HEAT-RECOVERING ELEMENTS

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно - к способам реакторных испытаний высокотемпературных вентилируемых твэлов в составе ампульного облучательного устройства и может быть использовано при разработке конструкции и обосновании ресурса высокотемпературных, например, термоэмиссионных твэлов космической ЯЭУ.
Ресурсное поведение термоэмиссионного твэла во многом определяется характеристиками ползучести используемых материалов оболочки и топлива. Наиболее сложной при этом является задача определения характеристик ползучести диоксида урана, которые могут существенно изменяться в ресурсе, так как эксплуатация термоэмиссионного твэла сопровождается структурными изменениями диоксида, характер которых определяется уровнем и распределением температуры в тепловыделяющем сердечнике. При характерных режимах эксплуатации термоэмиссионного твэла в зоне сердечника со стороны оболочки имеет место 2-3 кратный рост исходных равноосных зерен диаметром 10-30 мкм и образование в центральной по сечению зоне сердечника вытянутых в радиальном направлении столбчатых зерен с диаметральным размером 200-300 мкм и длиной 500-3500 мкм. В наиболее напряженных твэлах зона столбчатых зерен может распространяться на все поперечное сечение сердечника.
Столбчатая структура диоксида оказывает наибольшее влияние на деформационное поведение твэла, так как скорость его ползучести в области низких напряжений, характерных для высокотемпературного твэла, обратно пропорциональна диаметральному размеру зерна [1].
Поскольку структурные изменения диоксида урана являются термически активируемым процессом, разработана технология получения перестроенной структуры во внереакторных условиях путем переконденсации диоксида в условиях электронагрева. Полученные по этой технологии образцы диоксида урана с перестроенной структурой использовались для определения характеристик ползучести при изотермических испытаниях [1]. Образец помещался в установку для испытаний на сжатие, подвергался воздействию заданного сжимающего напряжения, после чего определялось изменение его размера и на его основе вычислялись характеристики ползучести.
Недостатки указанного способа определения характеристик ползучести диоксида урана с перестроенной структурой состоят в следующем:
• В испытаниях используются только структурно однородные образцы в соответствии с возможностями способа переконденсации.
• В испытаниях используются только изотермические образцы, что приводит к несоответствию напряженного состояния в рассматриваемой базовой конструкции твэла и в испытуемом образце.
• В способе не отражено влияние потока и спектра нейтронов, которые могут оказывать существенное влияние на характер структурных изменений диоксида урана.
Известен также способ реакторных испытаний модельных тепловыделяющих элементов, содержащих топливный сердечник с оболочкой, нанесенной на него горячим прессованием под высоким газовым давлением, обеспечивающим механическое взаимодействие под облучением оболочки и распухающего сердечника, включающий их размещение в ампульном облучательном устройстве, облучение при температуре ≤850°C и измерение диаметральной деформации их оболочек [2]. По результатам измерений определяли скорость ползучести топлива, используя также известные значения сопротивления ползучести оболочки и скорости распухания топлива. Скорость распухания при указанных низких температурах облучения определяется твердыми продуктами деления, достоверно оценивается расчетным методом и поэтому считается известной величиной. Этот способ по большинству существенных признаков является наиболее близким к заявляемому и принят в качестве прототипа.
Основной недостаток прототипа заключается в ограниченной по температуре (≤850°C) области применимости, так как при повышении температуры испытаний до рабочей температуры термоэмиссионного твэла (≥1400°C) распухание топлива происходит за счет газообразных продуктов деления, при этом скорость распухания возрастает более, чем на порядок [3], зависит от сформированной структуры и требует поэтому экспериментального определения, но в прототипе такая возможность не реализуется.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа реакторных испытаний высокотемпературного вентилируемого твэла на основе диоксида урана, позволяющего определить характеристику ползучести топливного сердечника в реакторных условиях с учетом штатного распределения температуры в диапазоне 1400-1800°C и структурных зон в тепловыделяющем сердечнике.
Поскольку при характерных напряжениях в диоксиде урана термоэмиссионного твэла скорость ползучести  прямо пропорциональна напряжению  то коэффициент пропорциональности В является интегральным коэффициентом ползучести, который полностью характеризует свойство ползучести диоксида в явном виде (в отличие от скорости ползучести, зависящей от напряжения) и поэтому является предпочтительным для использования в проектных работах.
-4
-3
Поставленная задача решается тем, что в способе реакторных испытаний высокотемпературных вентилируемых тепловыделяющих элементов, включающем их размещение в ампульном облучательном устройстве, облучение и измерение диаметральной деформации их оболочек, согласно изобретению в ампульном облучательном устройстве размещают пары твэлов натурных диаметральных размеров базовой конструкции с одинаковыми сердечниками из диоксида урана и оболочками из разных материалов: монокристаллического молибдена и из вольфрама или жаропрочного сплава тугоплавких металлов, обладающего скоростью ползучести, равной 10-10 от скорости ползучести монокристаллического молибдена, проводят облучение твэлов в диапазоне 1400-1800°C, при этом температуры между соседними парами твэлов выбирают отличающимися на 100-150°C, и по результатам измерений далее определяют интегральный коэффициент ползучести топливного сердечника по формуле:
где
-1
-1
В (МПач) - интегральный коэффициент ползучести топливного сердечника;
А - обобщенная безразмерная характеристика твэла, определяемая по формуле:
R (мм) - наружный радиус оболочки;
r (мм) - внутренний радиус оболочки, равный наружному радиусу сердечника;
к
r (мм) - радиус центрального канала в сердечнике;
об
-m
-1
В (МПач) - коэффициент ползучести вольфрама или жаропрочного сплава;
m (безразмерная величина) - показатель ползучести вольфрама или жаропрочного сплава;
ΔD* (мм) - измеренная деформация оболочки из монокристаллического молибдена;
ΔD (мм) - измеренная деформация оболочки из вольфрама или жаропрочного сплава;
τ (ч) - время испытаний.
Указанная формула получена на основе аналитического рассмотрения задачи термомеханического взаимодействия сердечника с указанными типами оболочек.
Данные по деформации оболочек, по меньшей мере, трех одновременно испытанных при различных температурах вентилируемых твэлов с оболочкой из вольфрама или жаропрочного сплава и такого же количества твэлов с оболочкой из монокристаллического молибдена определяют температурную зависимость интегрального коэффициента ползучести топливного сердечника.
Сущность предложенного технического решения иллюстрируется при помощи чертежа, на котором схематично изображен продольный разрез ампульного облучательного устройства.
Ампульное устройство содержит герметичный корпус 1, в котором с радиальным зазором последовательно размещены пары вентилируемых твэлов 2 и 3, включающие топливный сердечник из диоксида урана и оболочку. При этом оболочка у твэлов 2 выполнена из вольфрама или из жаропрочного сплава тугоплавких металлов, а у твэлов 3 - из монокристаллического молибдена. Внутренняя полость ампульного устройства соединена с испытательным стендом газовым трактом 4, что позволяет проводить отвод выделившихся газообразных продуктов деления из облучательного устройства.
Испытания в соответствии с предложенным способом осуществляются следующим образом. Во всех модельных твэлах 2 и 3 топливный сердечник в процессе распухания нагружает и деформирует оболочку. При этом в твэле 2 прочная оболочка перераспределяет часть объемных изменений диоксида урана, вызванных распуханием, в центральный канал сердечника, в то время как у твэлов 3 такое перераспределение практически отсутствует, а деформация оболочки определяется свободным распуханием диоксида урана, что позволяет поэтому вычислить кроме того скорость свободного распухания по величине измеренной деформации оболочки.
Необходимая разность температур испытываемых пар твэлов 2 и 3 может быть обеспечена, например, выбором величины радиального зазора между корпусом ампулы и оболочкой твэла для каждой пары твэлов. В качестве жаропрочного сплава может быть использован, например, сплав Mo+(3-6) % масс. Nb, отвечающий заданным требованиям по скорости ползучести.
В способе использован тот факт, что материальный состав и прочностные характеристики используемых оболочек практически не влияют на структурные изменения в диоксиде урана, но в то же время позволяют определить свободное распухание диоксида в твэле с оболочкой из монокристаллического молибдена по величине ее деформации из-за возможности практически беспрепятственного расширения распухающего сердечника и деформацию при частичном перераспределении распухания в свободный объем твэла (например, центральный канал в сердечнике), когда проявляются характеристики ползучести диоксида. Как видно из приводимой формулы, знание этих деформаций позволяет однозначно определить искомый интегральный коэффициент ползучести, который определяет деформационное поведение твэла, а также является входной характеристикой комплексной математической модели ресурсного поведения высокотемпературного твэла, например, [4].
Следует отметить, что решение поставленной задачи по предлагаемому способу не требует обязательного проведения трудоемких и дорогостоящих исследований структурного состояния и характеристик ползучести составляющих структуры диоксида урана при послереакторных исследованиях. Этот сопутствующий технический результат достигается за счет возможности получить интегральную характеристику ползучести топливного сердечника непосредственно в разрабатываемом твэле. Более того, предложенный способ дает полезный результат по непосредственной отработке конструкции, так как способ реализуется при реакторных испытаниях твэлов базовой конструкции с натурными диаметральными размерами.
Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения.
-4
-3
В соответствии с заявленным изобретением в ампульном облучательном устройстве размещаются три пары твэлов натурных диаметральных размеров базовой конструкции с сердечниками из диоксида урана. При этом в каждой паре твэлов оболочки выполняются из монокристаллического молибдена и, например, сплава Mo + (3-6) % масс. Nb, обладающего скоростью ползучести, равной 10-10 от скорости ползучести монокристаллического молибдена.
Облучение твэлов проводится в диапазоне 1400-1800°C, при этом температуры между парами твэлов отличаются на 100-150°C, т.е составляют, например, 1400-1450°C для первой пары, 1550-1600°C для второй и 1700-1750°C для третьей. Эта разность температур испытываемых пар твэлов обеспечивается выбором величины радиального зазора между корпусом ампулы и оболочкой твэла для каждой пары твэлов.
В обоснование полезности и возможности реализации предложенного сопоставим результаты определения интегрального коэффициента ползучести топливного сердечника В, полученные на основе реакторных испытаний вентилируемого термоэмиссионного твэла в составе наземного прототипа ЯЭУ [5], и результаты испытаний на ползучесть диоксида во внереакторных условиях [6]. Сравнение проведем при одинаковых температурных условиях, при которых в топливном сердечнике сохраняется однородная равноосная структура зерен, и поэтому сопоставляемые варианты наиболее близки по структурному состоянию диоксида урана.
В реакторных испытаниях [5] были реализованы следующие условия и режимы:
3
- продолжительность испытаний - 5⋅10 ч,
-5
-1
- скорость распухания - 1,2⋅10 ч,
- средняя температура топлива - 1630°C,
об
-9
-4,9
-1
- коэффициент ползучести оболочки из монокристаллического молибдена с покрытием из вольфрама - В=5,91⋅10(МПа)ч,
- деформация оболочки в сечении твэла, где преимущественно сохранилась равноосная структура зерен - 0,35 мм.
-5
-1
-1
-5
-1
-1
По результатам испытаний [5] был определен интегральный коэффициент ползучести В топливного сердечника по приведенной в заявке формуле, который составил 4,7⋅10 (МПа)ч. Интегральный коэффициент ползучести В для тех же температурных условий, определенный по скорости ползучести диоксида урана с равноосной структурой зерен во внереакторных условиях [6] составлял (2-4)-10 (МПа)ч.
Полученные результаты определения В достаточно близки, что подтверждает действительную применимость предложенного способа реакторных испытаний.
Полезность способа состоит в том, что он не имеет ограничений на состояние структурных зон в топливном сердечнике; во всех случаях сердечник проявляет себя при взаимодействии с оболочкой через интегральный коэффициент ползучести. Для реализации предложенного способа не требуется проведение послереакторных исследований твэлов, поэтому способ является экспрессным и может быть использован при реакторной отработке твэла, особенно в сочетании с нейтронографическим контролем деформационного поведения твэла.
Литература
1. Гриднев А.А., Джаландинов Д.Н., Зубарев П.В., Панов А.С. Исследование высокотемпературной ползучести крупнозернистого диоксида урана - Атомная энергия, 1985, т. 59, вып. 1, с. 27-29.
2. Brucklacher D., Dienst W. Creep Behaviour of Ceramic Nuclear Fuels under Neutron Irradiation - Journal of Nuclear Materials, 1972, v. 42, p. 285-296.
3. Чабб У., Сторхок В., Келлер Д, Факторы, влияющие на распухание ядерного топлива при высоких температурах. - Атомная техника за рубежом, 1972, №2, с. 8-22.
4. Nikolaev Yu.V., Gontar A.S., Sotnikov V.N. et al. Complex Computational Investigation of Single-Element TFE Time-Dependent Behaviour with Consideration for Mutual Influence of Lifetime Limiting Processes. - Proc. 30 IECEC, Orlando, 1995, v. 1, pp. 637-642
5. Дегальцев Ю.Г., Пономарев-Степной H.H., Кузнецов В.Ф. Поведение высокотемпературного ядерного топлива при облучении. - М., Энергоатомиздат, 1987.
6. Физическое материаловедение. Том 6, часть 2. Ядерные топливные материалы. М., НИЯУ МИФИ, 2011.