МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКАЯ АМПУЛА ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ ОБРАЗЦОВ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ

Полезная модель относится к атомной энергетике, в частности к облучению образцов в ядерном реакторе для их дальнейшего исследования, и может найти применение на АЭС с реакторами ВВЭР-1000 для исследования радиационного роста циркониевых оболочек в условиях реакторного облучения и дальнейшей аналитической оценки полученных данных и валидации расчетных программных кодов.
Тепловыделяющие элементы (твэлы) являются ответственными и самыми напряженными конструкциями активной зоны современного ядерного энергетического реактора. Оболочка твэла обеспечивает требуемую механическую прочность конструкции, а также являясь барьером безопасности, защищает теплоноситель от взаимодействия с ядерным топливом и продуктами деления. Выход твэла из строя приводит к наиболее опасным последствиям - попаданию ядерного топлива и продуктов деления в контур теплоносителя. Помимо механического взаимодействия топлива, в результате которого в оболочке возникают окружные и осевые растягивающие напряжения, на оболочку одновременно воздействуют продукты деления и так же существует радиационный рост материала оболочки. Совместное взаимодействие этих факторов может привести к разрушению оболочки.
Одним из факторов, приводящих к накоплению повреждений и соответствующему снижению ресурсных характеристик твэла, является радиационный рост оболочки и изменение ее механических свойств.
Реакторное исследование образцов проводится с целью получения достоверных данных о накопленном повреждении циркониевых оболочек нейтронным потоком и радиационном росте.
Известно устройство для облучения образцов в ядерном реакторе [RU 9332 U1, кл. G21C 17/06, опубликовано 16.02.1999]. Устройство для облучения образцов в ядерном реакторе содержит цилиндрический корпус с выполненными в нем отверстиями, гильзу, установленную внутри корпуса с возможностью перемещения в осевом направлении, верхний и нижний узлы уплотнения отверстий корпуса и коллектора сепаратора, тростинки с ампулами, размещенные в сепараторе, регулятор расхода теплоносителя, привод. Нижний клапан выполнен в виде мембраны полого шарового слоя переменного сечения, меньшего на крыльях и увеличающегося к центру, а привод выполняет два обратно противоположных поступательных принудительных движений и регулировку расхода теплоносителя.
Недостатками данного устройства являются: сложность конструкторского исполнения, вероятность отказа деталей устройства из-за большого количества сопрягаемых деталей, а также требование дополнительного контроля во время облучения и создания параметров облучения и течения теплоносителя отличных от внутриреакторных.
Известна ампула облучательного устройства ядерного реактора [RU 2342716 C1, кл. G21C 7/10, G21G 4/04, опубликовано 27.12.2008]. Ампула состоит из корпуса и двух приваренных к нему крышек. Ампула заполнена таблетками из кобальта-59 и проставышами из циркониевого сплава в виде пружинящих колец. В гнездах крыши ампулы установлены пружины для прижатия проставышей к таблеткам в направлении продольной оси ампулы. При облучении ампул нейтронами кобальт-59 в таблетках превращается в гамма-активный кобальт-60. После достижения необходимой гамма-активности ампулы извлекаются из облучательного устройства и передаются потребителю.
При облучении в данной ампуле имеется следующие недостатки: наличие дополнительного сложного оборудования для сборки и производства, отсутствие в штатных технологиях по сборке ампул приварки концевых элементов и газонаполнений.
Задачей полезной модели является создание материаловедческой ампулы для получения данных о поведении новых оболочечных циркониевых материалов в условиях облучения и температуры в течение от одного года до шести лет в энергетическом (коммерческом) реакторе.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение сохранности образцов от влияния факторов коррозионного взаимодействия с теплоносителем и во время транспортно-технологических операций, небольшие искажения нейтронного потока реактора, отсутствие использования дополнительного сложного оборудования при изготовлении материаловедческой ампулы.
Технический результат достигается тем, что материаловедческая ампула для облучения образцов в ядерном реакторе содержит оболочку, приваренные к оболочке верхнюю заглушку с резьбовым наконечником и проточкой, нижнюю заглушку с коническим наконечником, размещенные внутри оболочки две капсулы с образцами, одну капсулу с индикатором нейтронно-активационным и фиксатор.
Капсула с индикатором нейтронно-активационным размещена между двух капсул с образцами.
Образцы представляют собой сегмент циркониевой твэльной оболочки.
Капсулы с образцами снабжены образцами, помещенными внутрь капсул, верхними и нижними заглушками, выполненными с отверстиями, причем нижние и верхние заглушки капсул зафиксированы кернением в оболочках капсул.
Капсула с индикатором нейтронно-активационным снабжена индикатором нейтронно-активационным, помещенным внутрь капсулы, и верхней и нижней заглушками, выполненными с отверстиями, причем нижняя и верхняя заглушки капсулы зафиксированы кернением в оболочке капсулы.
На фиг. 1 изображена материаловедческая ампула для облучения образцов.
На фиг. 2 изображено сечение А-А.
На фиг. 3 изображена схематичная компоновка кластера материаловедческих ампул.
Материаловедческая ампула для облучения образцов содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 заглушки ампулы, оболочку 3 ампулы, и размещенные внутри ампулы две капсулы 4A, 4B с образцами и одну капсулу 4C с индикатором нейтронно-активационным.
Материаловедческая ампула снизу закрыта нижней заглушкой 2, которая приварена к оболочке 3 ампулы. Нижняя заглушка 2 ампулы имеет конический наконечник для уменьшения сопротивления потоку теплоносителя в направляющем канале и для центрирования при загрузке кластера.
Обе капсулы 4A, 4B с образцами одинаковой конструкции и снабжены верхними 5A, 5B и нижними 6A, 6B заглушками, выполненными с отверстиями для прохода газа, и образцами 7, помещенными внутрь капсул. Верхние 5A, 5B и нижние 6A, 6B заглушки зафиксированы кернением в оболочках 8A, 8B капсул 4A, 4B соответственно. Образцы 7 представляют собой сегмент, вырезанный из циркониевой твэльной оболочки.
Капсула 4C с индикатором нейтронно-активационным отличается от капсул 4A, 4B с образцами уменьшенной длиной оболочки. Капсула 4C с индикатором нейтронно-активационным снабжена верхней 5C и нижней 6C заглушками, выполненными с отверстиями для прохода газа, и индикатором нейтронно-активационным 9, помещенного внутрь капсулы. Верхняя 5C и нижняя 6C заглушки зафиксированы кернением в оболочке 8C капсулы 4С.Индикатор нейтронно-активационный 9 размещают в капсуле 4C с целью валидации расчетных данных и получения более точного значения при расчете флюенса, полученном во время облучения образцов 7.
Загрузку материаловедческой ампулы в оболочку 3 ампулы осуществляют в следующем порядке: сначала загружают капсулу 4 В с образцами, далее капсулу 4C с индикатором нейтронно-активационным, затем капсулу 4A с образцами и сверху устанавливают фиксатор 10. Таким образом, капсулу 4C с индикатором нейтронно-активационным размещают между двух капсул 4A, 4B с образцами с целью получения данных о среднем нейтронном потоке в материаловедческой ампуле.
Нижняя заглушка 6B капсулы 4B с образцами упирается в нижнюю заглушку 2 ампулы. Нижняя заглушка 6C капсулы 4C с индикатором нейтронно-активационным упирается в верхнюю заглушку 5B капсулы 4B с образцами. Нижняя заглушка 6A капсулы 4A с образцами упирается в верхнюю заглушку 5C капсулы 4C с индикатором нейтронно-активационным. Капсула 4А с образцами внутри оболочки 3 ампулы ограничена в осевом перемещении фиксатором 10.
После загрузки ампулы капсулами 4A, 4B, 4C и фиксатором 10 внутренний объем ампулы заполняют гелием, для предотвращения схлопывания оболочки под действием давления теплоносителя, проникающим внутрь капсул через отверстия в заглушках, с избыточным давлением и приваривают верхнюю заглушку 1 ампулы к оболочке 3 ампулы. Верхняя заглушка 1 ампулы выполнена с резьбовым наконечником и проточкой. Резьбовой наконечник привинчивается к штанге 11 кластера, а с помощью проточки обеспечивается фиксация кернением.
Материаловедческая ампула выполняется в герметичном исполнении. Все материалы, используемые при изготовлении ампулы из циркония.
Материаловедческая ампула работает следующим образом.
Материаловедческие ампулы используются в кластере по шесть штук. Каждая ампула через штангу 11 крепится к внутреннему ряду отверстий траверсы 12, стандартной конструкции используемой со стержнями выгорающего поглотителя. Кластер загружается в тепловыделяющую сборку и далее совместно эксплуатируется до выгрузки в течение от 1 до 6 лет. После выгрузки кластера материаловедческие ампулы отделяются от штанг 11 и разрезаются для извлечения образцов 7 и индикатора нейтронно-активационного 9 для их дальнейших исследований.
Данная материаловедческая ампула создается впервые для опытной эксплуатации в энергетическом реакторе (АЭС «Темелин»). Исследоваться будут шесть сплавов в различных состояниях термической обработки.
В таблице 1 представлены условия облучения материаловедческой ампулы в составе материаловедческой сборки в активной зоне реактора АЭС «Темелин».
Таблица 1
Наименование
Значение
1
Давление теплоносителя на выходе из активной зоны, МПа:
- номинальное (абсолютное)
15,7<sup>1∗</sup>
- расчетное (абсолютное)
17,6
2
Давление теплоносителя, избыточное, МПа:
- при гидравлических испытаниях
24,5<sup>2∗</sup>
- при проверках на плотность
17,6<sup>3∗</sup>
3
Температура гидроиспытаний, °C
85-130<sup>4∗</sup>
4
Температура оболочки MA при работе на мощности (номинальная), °C
≤350
5
Максимально допустимое время пребывания MA, в активной зоне, лет
6
6
Максимальный флюенс нейтронов с энергией нейтронов Е>0.1 МэВ, см<sup>-2</sup>
≤4.5·10<sup>235∗</sup>
<sup>1∗</sup> Допустимые пределы поддержания параметров активной зоны (с учетом погрешности измерения):
- по тепловой мощности - не более ±4% от номинального значения;
- по давлению теплоносителя первого контура - не более ±0,29 МПа;
- по температуре теплоносителя на входе в активную зону - не более +2-5°C.
<sup>2∗</sup> Время выдержки при гидравлических испытаниях - не менее 10 мин (однократно, но не более 60 минут за весь срок эксплуатации каждой ТВСА-Т), после чего давление должно быть понижено до величины 19,6 МПа и проведен осмотр оборудования в доступных местах в течение времени, достаточного для осмотра.
<sup>3∗</sup> Проверка плотности проводится в течение не менее 1 ч, время выдержки оборудования под указанным давлением - в течение времени, достаточного для осмотра.
<sup>4∗</sup> Определяется требованиями к реактору.
<sup>5∗</sup> Флюенс, набираемый образцами за максимально допустимое время пребывания MA в активной зоне.
MA - Материаловедческая ампула
ТВСА-Т - Тепловыделяющая сборка для АЭС «Темелин»
Номенклатура образцов загружаемых в материаловедческую ампулу может включать в себя любой циркониевый сплав - конструкционный или для оболочек твэлов.
Каждый образец уникально отмаркирован для однозначного определения. Маркировка выполнена в виде системы прорезей на гранях образцов.
Радиационный рост за шесть лет составит порядка одной сотой миллиметра, а наличие отложений или коррозионных продуктов на образцах недопустимо и не позволит однозначно оценить величину непосредственно радиационного распухания. Для устранения данного эффекта материаловедческая ампула выполнена в герметичном исполнении.
Конструкция материаловедческой ампулы не накладывает ограничений на тип циркониевого сплава образца, ограничивается только габаритный размер: ширина может быть не более 5 мм и длина не более 50 мм. Конструкция материаловедческой ампулы может быть адаптирована под образцы другой длины, ширина же ограничивается необходимостью обеспечения сохранения формы оболочки материаловедческой ампулы и капсулы при длительном облучении в энергетическом реакторе.
Использование материаловедческой ампулы позволит однозначно оценить величину непосредственного радиационного роста (вносит небольшие искажения в нейтронный поток), обеспечить сохранность образцов от влияния факторов коррозионного взаимодействия с теплоносителем и во время транспортно-технологических операций, гарантированно извлечь образцы в условиях горячей камеры, отказаться от использования дополнительного сложного оборудования.
Таким образом, конструкция материаловедческой ампулы для облучения образцов позволяет получить данные о поведении новых оболочечных циркониевых материалов в условиях облучения и температуры в течении от одного года до шести лет в энергетическом (коммерческом) реакторе и данные о флюенсе для валидации кодов для нейтронно-физических расчетов.