Результат интеллектуальной деятельности: ИМИТАТОР ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к производству и использованию тепловыделяющих сборок для ядерных реакторов АЭС.

Известно, что тепловыделяющие элементы ядерных реакторов в процессе работы их в составе тепловыделяющих сборок неравномерно увеличивают свою длину. Одной из причин этого является термомеханическое взаимодействие топлива с оболочкой, причем, чем выше по высоте тепловыделяющего элемента произошло такое взаимодействие, тем больше может удлиниться оболочка. Неодинаковое удлинение оболочек тепловыделяющих элементов вызывает сложную пространственную деформацию тепловыделяющих сборок, которую необходимо учитывать в расчетах по обоснованию безопасности реактора. В связи с этим для верификации расчетных кодов возникает необходимость моделирования таких условий. Однако использование для этих целей непосредственно тепловыделяющих элементов не представляется возможным, так как их конструкция и условия проведения стендовых экспериментов не позволяет смоделировать весь комплекс ситуаций, не обеспечивает чистоту эксперимента. Кроме этого в результате испытаний не исключается разрушение оболочек и загрязнение оборудования и оснастки делящимся материалом.

Известны выгорающие поглотители (СВП), по форме и габаритным размерам повторяющие тепловыделяющие элементы и используемые в тепловыделяющих сборках одновременно с ними (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1995 г., кн.1, с.184-185). Под оболочкой СВП находится неделящийся материал. Однако теплофизические и механические характеристики материала сердечника такого элемента, а также использование в конструкции СВП, фиксирующих сердечник элементов, делает невозможным использование его в качестве имитатора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является имитатор тепловыделяющего элемента (см. патент РФ №2197023, МПК7 G 21 С 17/00, приоритет 03.01.2001 г., опубл. 20.01.03, бюл. №2) - прототип, представляющий собой герметичную оболочку с геометрическими размерами, соответствующими размерам оболочки тепловыделяющего элемента, и сердечником, выполненным из ядерно-безопасного материала, составным и установленным с зазором по радиальному и осевому направлению, что является недостатком, так как нежесткое закрепление сердечника не позволяет использовать имитатор для нагружения оболочки требуемыми осевыми усилиями, возникающими, например, при тепловом расширении сердечника. Кроме этого, стержни, из которых состоит сердечник, выполнены из материала, близкого только по весу к материалу ядерного топлива, но имеющего другие теплофизические и механические свойства.

Технической задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего при относительно небольших затратах для его реализации проведение работ по исследованию влияния осевых растягивающих напряжений в оболочках тепловыделяющих элементов и их удлинений на формоизменение тепловыделяющей сборки в целом, с соблюдением необходимой точности экспериментов.

Решение технической задачи достигается тем, что в имитаторе тепловыделяющего элемента, представляющем собой герметизированную приваренными по торцам заглушками оболочку с геометрическими размерами, соответствующими размерам оболочки тепловыделяющего элемента, внутри которой находится сердечник из ядерно-безопасного материала, выполненный составным в виде цилиндрических стержней и установленный с гарантированным радиальным зазором, согласно изобретению, сердечник имитатора установлен в оболочке до упора с торцами заглушек, представляет с ними единую термомеханическую систему, а цилиндрические стержни сердечника выполнены из материала, имеющего коэффициент температурного линейного расширения, не меньший коэффициента температурного линейного расширения оболочки тепловыделяющего элемента.

Поставленная задача решается также и тем, что, по крайней мере, два из цилиндрических стержней сердечника выполнены из материала с коэффициентом температурного линейного расширения, не меньшим коэффициента температурного линейного расширения ядерного топлива.

Кроме того, поставленная задача решается также и тем, что цилиндрические стержни сердечника на участке длиной, равной длине топливного столба тепловыделяющего элемента, выполнены из материала с коэффициентом температурного линейного расширения, не меньшим коэффициента температурного линейного расширения ядерного топлива, а на остальном участке цилиндрические стержни сердечника выполнены из материала с коэффициентом температурного линейного расширения, равным коэффициенту температурного линейного расширения материала оболочки.

Представленная совокупность признаков позволяет решить поставленную задачу, так как:

- конструкция сердечника с опорой на торцы заглушек и образование с ними единой термомеханической системы, при коэффициенте температурного линейного расширения материала сердечника, равном или превышающим коэффициент температурного линейного расширения оболочки тепловыделяющего элемента, позволяет организовать весь диапазон осевых нагрузок на оболочку имитатора тепловыделяющего элемента, необходимый для моделирования требуемых ситуаций;

- конструкция сердечника из разнородных материалов позволяет комбинировать материалы с разными коэффициентами температурного линейного расширения, что повышает точность экспериментов и расширяет возможности использования имитатора;

- конструкция сердечника, когда его часть на длине, равной длине топливного столба тепловыделяющего элемента, имеет коэффициент температурного линейного расширения, равный или выше коэффициента температурного линейного расширения ядерного топлива, а на остальной части - равный или выше коэффициента температурного линейного расширения материала оболочки тепловыделяющего элемента, позволяет наиболее точно имитировать поведение оболочки тепловыделяющего элемента при ее осевом нагружении.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан предлагаемый имитатор тепловыделяющего элемента.

На фиг.2 показан вариант исполнения имитатора тепловыделяющего элемента.

Имитатор тепловыделяющего элемента состоит из оболочки 1, загерметизированной заглушками 2 и 3, с торцами которых контактирует сборный сердечник из ядерно-безопасного материала, состоящий из отдельных цилиндрических стержней 4 (фиг.1). Длина этих элементов устанавливается в зависимости от требований к жесткости имитатора в направлении, перпендикулярном его оси. Обычно она примерно равна длине таблеток ядерного топлива. Цилиндрические стержни 4 выполнены из материала, имеющего коэффициент температурного линейного расширения, не меньший коэффициента температурного линейного расширения оболочки тепловыделяющего элемента.

Как вариант, по крайней мере, два из цилиндрических стержней 4 сердечника могут быть выполнены из материала с коэффициентом температурного линейного расширения, отличающимся от коэффициента температурного линейного расширения оболочки тепловыделяющего элемента, и равным или выше коэффициенту температурного линейного расширения ядерного материала.

Также как вариант, часть сердечника, равная по длине величине топливного столба тепловыделяющего элемента, может быть выполнена из материала, имеющего коэффициент температурного линейного расширения не ниже коэффициента температурного линейного расширения ядерного материала, например, из коррозионной стали аустенитного класса, а другая часть 5 (фиг.2) - из материала, аналогичного материалу оболочки тепловыделяющего элемента, например, сплава Э-110.

Имитатор работает следующим образом.

Собранный имитатор (фиг. 1, 2) помещают в условия, имитирующие тепловой режим работы тепловыделяющего элемента в составе специальной имитационной сборки. При этом сердечник имитатора, состоящий из элементов 4, материал которых имеет коэффициент температурного линейного расширения не меньше коэффициента температурного линейного расширения материала оболочки, начинает удлиняться и взаимодействовать с торцами заглушек 2 и 3, передавая усилие на оболочку 1. Так как между оболочкой и цилиндрическими стержнями 4 сердечника в радиальном направлении имеется гарантированный зазор, то все усилие, возникающее при термическом расширении сердечника, направлено на создание в оболочке осевых растягивающих напряжений. При строго определенной общей длине сердечника или отдельных его частей, выполненных из разнородных материалов, необходимая величина растягивающих напряжений при конкретных температурных условиях испытаний определяется коэффициентами температурного линейного расширения этих материалов.

Использование предлагаемого имитатора, обладающего различной величиной удлинения при одних и тех же условиях экспериментов за счет использования сердечников из одного или, по крайней мере, двух материалов позволяет моделировать не только процессы, связанные с температурным увеличением длины оболочки тепловыделяющего элемента, но и с учетом их дополнительного удлинения за счет термомеханического взаимодействием топлива с оболочкой тепловыделяющего элемента.