ИМИТАТОР ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Полезная модель относится к теплофизическим исследованиям и может быть использована для имитации температурного режима тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) ядерных реакторов, при исследовании запасов до кризиса теплообмена и исследовании различных аварийных режимов работы ТВЭЛ на электрообогреваемых стендах.
Известна конструкция имитатора тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) ядерного реактора, имитирующего тепловые условия в ядерных реакторах. Имитатор ТВЭЛ состоит из корпуса имитатора - оболочки, выполняемого из нержавеющей стали и служащего для размещения внутри него нагревательного элемента в виде проволоки или стержня, по которому пропускают ток от источника тока. В качестве материала нагревательного элемента используют нихром, сталь и т.п.
Нагревательный элемент установлен в верхний токоподводящий узел, который выполнен заодно с корпусом имитатора. Между корпусом имитатора ТВЭЛ и нагревательным элементом располагают электроизолирующий материал. В качестве последнего используют, как правило, порошок (наполнитель) MgO - периклаз. Выход нагревательного элемента из корпуса осуществляется через узел герметизации. (А.с. 1340441 СССР. Имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора С.М. Балашов, А.С. Коньков, A.M. Павлов // Открытия. Изобретения. 1987).
Основной недостаток такой конструкции заключается в том, что данный имитатор не обладает свойством самозащиты от перегрева за счет повышения сопротивления или разрыва электрической цепи.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является имитатор ТВЭЛ (Ru 2168776 от 14.01.2000, G21C 17/00, H05B 3/48.), в котором имитатор содержит верхний токоподводящий узел, узел герметизации, оболочку имитатора и внутренний электрод. Оболочка выполнена из нержавеющей стали. Между корпусом имитатора ТВЭЛ и внутренним электродом расположен электроизолирующий материал в виде керамических втулок. Между оболочкой и электроизолирующим слоем введен промежуточный слой из легкоплавкого высокотеплопроводного материала. Внутренний электрод выполнен из легкоплавкого электропроводного материала. Температура кипения легкоплавких материалов выше максимальной рабочей температуры имитатора.
Недостатком данной конструкции является низкая надежность имитатора от превышения рабочей температуры в режимах возникновения кризиса теплоотдачи, так как данный имитатор не обладает свойством самозащиты от перегрева за счет повышения сопротивления или разрыва электрической цепи при превышении температуры кипения нагревательного элемента.
Технической задачей является создание имитатора тепловыделяющего элемента ядерного реактора, обладающего свойством самозащиты от перегрева, за счет разрыва цепи при превышении установленной температуры кипения внутреннего электрода.
Техническим результатом решения поставленной задачи является повышение представительности результатов испытаний за счет расширения диапазона исследований кризиса теплоотдачи в область отрицательной энтальпии теплоносителя и надежности испытательного оборудования.
Технический результат достигается тем, что в известном Имитаторе тепловыделяющего элемента ядерного реактора, содержащем верхний токоподводящий узел с полостью, узел герметизации, оболочку имитатора и внутренний электрод, разделенные электроизолирующим слоем, внутренний электрод выполнен из легкоплавкого электропроводного материала с температурой кипения ниже максимальной рабочей температуры имитатора.
Полость верхнего токоподводящего узла снабжена штуцером подвода давления и имеет объем больший, чем объем легкоплавкового электропроводящего материала внутреннего электрода.
На Фиг. изображен имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора.
Имитатор состоит из верхнего токоподводящего узла 1 с полостью 2 и нижнего токопроводящего узла 8, узла герметизации 3, оболочки имитатора 4 и внутреннего электрода из легкоплавкого электропроводящего материала 5, разделенных электроизолирующим слоем 6. Полость верхнего токоподводящего узла 2 имеет объем больший, чем объем материала легкоплавкого электропроводящего внутреннего электрода 5 и снабжена штуцером 7 подвода давления. Для измерения температуры оболочки имитатора 4 в зазоре 9 между электроизолирующим слоем 6 и оболочкой имитатора 4 предусмотрены датчики температуры 10.
Имитатор работает следующим образом. При замыкании цепи, тепловыделение в имитаторе твэл осуществляется за счет сопротивления электрическому току подводимого к внутреннему легкоплавкого электроду 5 через верхний токоподводящий узел 1 и нижний токоподводящий узел 8. Внутренний легкоплавкий электрод 5, например ртуть, калий, натрий или цезий в рабочем состоянии расплавлен и заполняет внутренний объем оболочки имитатора 4 твэл. Внутренний легкоплавкий электрод 5 может иметь неравномерную площадь сечения образованную диэлектрическим температуростойким вытеснителем 6 (например, керамическим) для создания аксиальной неравномерности тепловыделений. В верхнем токоподводящем узле 1 выполнена камера 2 с штуцером подвода или выравнивания давления, предназначенная для приема материала внутреннего легкоплавкого электрода 5 при его кипении или тепловом расширении. Причем в верхней камере 2 создается и поддерживается давление газа соответствующее температуре насыщения внутреннего легкоплавко электрода 5, которая, в свою очередь, не превышает максимальной рабочей температуры имитатора твэл. Изменение давления в камере 2 позволяет регулировать температуру самозащиты имитатора твэл.
При возникновении на участке имитатора твэл кризиса теплоотдачи и повышении температуры до максимальной рабочей происходит вскипание внутреннего электрода 5 с выходом его материала в полость 2 токоподводящего узла 1, что приводит к повышению электросопротивления или разрыву электрической цепи внутреннего электрода 5, что, в свою очередь, приводит к снижению или прекращению тепловыделения и предотвращает разрушение имитатора твэл от превышения рабочей температуры.
Таким образом, предлагаемый имитатор твэл обладает свойством самозащиты (без затрат времени на инерционность датчиков температуры и системы регулирования мощности) от перегрева в любой области тепловыделения за счет повышения сопротивления или разрыва электрической цепи при превышении установленной температуры кипения внутреннего электрода. Причем при понижении температуры ниже аварийной работоспособность имитатора твэл восстанавливается без дополнительного вмешательства.
Предлагаемый твэл позволяет повысить представительность результатов испытаний за счет возможности безопасно для имитаторов твэл производить испытания в режимах с быстропротекающим развитием кризиса теплоотдачи особенно в области с отрицательной относительной энтальпией теплоносителя.