АМПУЛЬНОЕ ОБЛУЧАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
AMPOULE IRRADIATING DEVICE

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к облучательным устройствам и тепловыделяющим сборкам для реакторных испытаний топливных образцов, а также модельных твэлов в исследовательском реакторе, и может быть использовано при разработке и обосновании конструкций твэла для энергетических реакторов.
2
2
2
Известно облучательное устройство для реакторных испытаний твэлов применительно к энергетическому, в том числе быстрому реактору [см., например, H.Hafner, G Schold Fuel Irradiation capsules and capsule fabrication and assembly techniques at the FRS. Kerntechnik, 8/9, 1974]. Капсула облучательного устройства состоит из топливного образца, заключенного в толстостенную молибденовую оболочку, заполненную NaK смесью и помещенную в оболочку из стали. Это устройство предназначено для испытаний базовых вариантов разрабатываемого твэла при натурных диаметральных размерах и уменьшенной высоте. Устройство использовалось для испытаний твэлов быстрого реактора при характерных для него значениях линейной мощности (500-600 Вт/см) и температуры оболочки (500-700°C). Исследовалось влияние вида топлива (UО, UO/PUO, карбидные и нитридные композиции) на деформационное поведение твэла и совместимость исследуемых топлив с материалом оболочки.
Однако такие испытания позволяют лишь определить предпочтительный вариант из числа испытанных модификаций твэла, но не выявляют пути его дальнейшего усовершенствования, так как не предусматривают исследование кинетики внутренних процессов в твэле, прежде всего газовыделения, распухания и структурных изменений топлива. По этой причине использование таких устройств приводит к большому объему испытаний и длительным срокам на отработку твэла.
Для устранения этого недостатка, в дополнение к указанным испытаниям твэла, целесообразно проведение упреждающих реакторных испытаний топлива с исследованием его радиационного поведения для оптимизации исходных характеристик. Такой подход имел место, в частности, при разработке высокотемпературных твэлов для термоэмиссионных реакторов-преобразователей. С этой целью созданы и использованы при реакторных испытаниях топливных материалов ампульные облучательные устройства.
По конструктивным признакам и решаемой задаче наиболее близким из них к предлагаемому является 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 неочехлованный топливный образец для измерения выхода ГПД, который соединен газовыми коммуникациями с у-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 проводить исследования распухания топливных образцов при рабочих условиях быстрого реактора, в котором плотность энерговыделения в 8-10 раз выше, чем в термоэмиссионном реакторе. По этой причине зазор между оболочками образца и капсулы, который имеет определяющее значение при исследовании распухания, не может быть выбран достаточно большим, как в случае прототипа, так как при этом температура топливного образца становится выше рабочих температур даже при наличии высокотеплопроводного гелия в этом зазоре.
Недостатком прототипа является также отсутствие прямого измерения температуры топлива, а термометрические датчики, размещенные на оболочке капсулы в активной зоне реактора, имеют ресурс (1000-1500 ч), что существенно меньше планируемой продолжительности испытаний твэла энергетического реактора. Использование 2-х типов капсул, размещенных по высоте активной зоны реактора, может приводить к заметной погрешности определения температур при длительных испытаниях, когда датчики температуры исчерпают свой ресурс.
Задачей настоящего изобретения является создание ампульного облучательного устройства для исследования скорости свободного распухания и кинетики выхода ГПД из топлива с возможностью определения его температуры и температурной зависимости исследуемых процессов при характерных для быстрого реактора высоких плотностях энерговыделения.
Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией ампульного устройства, содержащего газовый тракт и газозаполненную капсулу, включающую оболочку, герметично соединенную с торцевыми элементами, размещенные в ней с радиальным зазором топливный образец в виде столба таблеток в негерметичной тонкостенной оболочке из высокопластичного жаростойкого материала, компенсационный объем и термометрические датчики, в котором согласно изобретению один из термометрических датчиков размещен в торцевой топливной таблетке, а другой - с противоположной стороны топливного образца за пределами активной зоны, зазор между тонкостенной оболочкой и топливным образцом выбран не более разности значений их радиальных термических расширений, а зазор между оболочками капсулы и топливного образца выбран в диапазоне возможных значений радиального зазора между оболочкой и топливным сердечником штатного твэла.
2
При этом оболочка топливного столба может быть выполнена из монокристаллического W или Мо, а топливный образец - из UN, или (U-Pu)N, или (U-Pu)O.
В качестве газового заполнителя может быть применен гелий или смесь инертных газов гелия и неона.
Зазор между оболочками капсулы и топливного образца может составлять 100-300 мкм.
Кроме того, газовый тракт может быть выполнен с возможностью периодической прокачки ампульного устройства и смены соотношения составляющих газовой смеси.
Газовый тракт соединен с источником инертного газа, полостью капсулы и у-спектрометрическим стендом, причем состав газового заполнителя капсулы, например He+Ne, и периодичность его смены выбраны из условия поддержания при испытаниях заданных температур на топливных образцах.
Предлагаемое ампульное устройство позволяет реализовать различные уровни температуры топливных образцов при групповых испытаниях ампул с различными зазорами между оболочками капсулы и образца.
Сущность предложенного технического решения иллюстрируется при помощи чертежа, на котором схематично изображен продольный разрез капсулы, где
1 - топливный образец в виде столба таблеток; 2 - зазор между топливным образцом и его оболочкой; 3 - оболочка топливного образца; 4 - зазор между оболочками образца и капсулы; 5 - оболочка капсулы; 6 - концевые элементы капсулы; 7 - газовый тракт; 8 - термометрический датчик, размещенный в торцевой топливной таблетке; 9 - термометрический датчик, размещенный вне активной зоны; 10 - компенсационный объем.
Работа предложенного ампульного облучательного устройства осуществляется следующим образом. При выходе устройства на рабочий режим таблетки топливного образца (1), например, из UN при термическом расширении приходят в термомеханический контакт с тонкостенной монокристаллической оболочкой (3), например, из W ввиду выбранной малой величины зазора (2). Оболочка (3) выбрана из жаростойкого материала для возможности исследования распухания и газовыделения в диапазоне температур 1200-1600°C, которые реализуются в штатном твэле до выборки радиального зазора между сердечником и оболочкой, поскольку именно в этот период, как показывают расчеты, в твэле развивается основное давление ГПД. Монокристаллическая структура оболочки в дополнение к ее малой толщине обеспечивает повышенную (примерно на порядок) скорость ползучести по сравнению с поликристаллическим аналогом и высокую (до 100%) пластичность. Эти свойства обеспечивают возможность определения свободного распухания и исключают ее разрушение при испытаниях. Стальная оболочка капсулы (5) герметично соединена с концевыми элементами (6) и образует с тонкостенной оболочкой радиальный зазор (4), достаточный для компенсации распухания топлива за период существования высоких температур в твэле, так как величина этого зазора выбрана в диапазоне возможных значений величин радиального зазора между сердечником и оболочкой (100-300 мкм) штатного твэла. Зазоры (2) и (4) выполнены сообщающимися для исключения одностороннего газового давления на тонкостенную оболочку (3), что позволяет по деформации оболочки определить свободное распухание топлива без сопутствующего воздействия на оболочку газового давления.
В начальный период испытаний с помощью газового тракта (7) полость капсулы заполняется Не или смесью He+Ne для получения заданных температур топливного образца. Этот газ используется также и как транспортный при продувке капсулы для периодической (~1 раз в сутки) транспортировки ГПД на измерительный стенд. При уменьшении зазора между оболочками за счет распухания топливного образца концентрация Ne в газовой смеси увеличивается с целью поддержания неизменной температуры образцов. Критерием достаточного количества Ne является сохранение неизменной исходной температуры топливного образца по показаниям термометрического датчика (8) в начальный период испытаний, а в дальнейшем при выходе его из строя температуру определяют по показаниям датчика (9) с использованием экспериментально полученной градуировочной кривой, связывающей показания датчиков (8) и (9). Компенсационный объем (10) в составе капсулы способствует увеличению продолжительности работы капсулы без продувки за счет разбавления выделяющихся ГПД высокотеплопроводным газом-заполнителем и, соответственно, более длительного сохранения уровня рабочей температуры топливного образца.
Капсулы в количестве не менее 3-х могут размещаться азимутально в радиаторе используемой в практике испытаний конструкции. Указанное количество капсул и их расположение в радиаторе позволяют в одном испытании получать зависимости радиационного поведения топлива от его исследуемой характеристики (например, пористости, преимущественного размера пор) или уровня рабочей температуры.
Пример осуществления
Разработана конструкция капсулы для испытания топливных образцов UN в составе исследовательского реактора ИВВ-2М применительно к разрабатываемому реактору БН-1200. На последующих этапах испытаний в составе разработанной конструкции возможно испытание штатного (U-Pu)N топлива по мере готовности технологии его производства.
Разработанная капсула включает топливный образец диаметром 8 мм и длиной 45 мм, тонкостенную оболочку толщиной 0,3 мм из монокристаллического W, в которой образец размещен с зазором ~30 мкм (путем подбора сборочных единиц по фактическим размерам или путем их доводки), оболочку капсулы из нержавеющей стали толщиной 1 мм, которая сваркой герметично соединена с торцевыми крышками капсулы и имеет зазор ~150 мкм относительно тонкостенной оболочки. Между торцами топливного образца и крышками размещены тарельчатые пружины и разделенный на две части компенсационный объем, равный объему топливного сердечника. Капсула снабжена двумя вольфрам-рениевыми термопарами, одна из которых размещена в топливном образце на глубине одной таблетки, а другая - с противоположной стороны за пружиной и закреплена в держателе. Диаметр капсулы составляет 11 мм, а ее длина между торцевыми крышками 104 мм.
Начало испытаний разработанного ампульного устройства планируется на конец 2012 года.