Результат интеллектуальной деятельности: АМПУЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАКТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к ампульным облучательным устройствам для реакторных исследований свойств тепловыделяющих элементов (твэлов).

Известно экспериментальное ампульное устройство, предназначенное для использования в реакторной технике при проведении внутриреакторных испытаний конструкционных и делящихся материалов и изделий из них [Гудков Л.В., Корольков А.В. Экспериментальное ампульное устройство, патент РФ на изобретение №2027233, МПК⁶ G12C 17/06, опубл. 20.01.1995]. Известное экспериментальное ампульное устройство состоит из герметичного корпуса, внутри которого расположена капсула с образцами. Зазор между капсулой и корпусом заполнен легкоплавким металлическим сплавом. В верхней части корпуса расположена полость с газом, а внутренний объем корпуса соединен с отвакуумированной емкостью. Между внутренним объемом и вакуумированной полостью установлена разрушаемая пробка.

В верхней части корпуса расположена полость с парами воды, которая предназначена для моделирования аварийной ситуации на ядерном реакторе при внезапной потере теплоносителя в активной зоне.

При достижении необходимого выгорания в образцах по сигналу оператора разрушается пробка и металлический расплав вытекает в отвакуумированную емкость. Зазор между корпусом и капсулой заполняется газом. При этом радиальное термическое сопротивление устройства увеличивается на 2-3 порядка.

Вследствие этого возможно заполнение зазора между капсулой и корпусом водой, что характерно для аварийной ситуации.

Известно также устройство для облучения материалов в ядерном реакторе [см. Середкин СВ. Авторское свидетельство СССР №1422883, МПК⁷ G12C 17/06, опубл. 20.11.2002].

Устройство содержит наружный корпус и ампулу с образцами, отделенную от наружного корпуса газовым зазором. Устройство для облучения материалов в ядерном реакторе предназначено для увеличения производительности эксперимента при сохранении автоматического регулирования температуры образцов. Для решения поставленной цели цилиндрический наружный корпус соединен с ампулой посредством кольцевых гофр, выполненных из биметалла, а наружный корпус имеет продольные гофры. Недостатком данного устройства является то, что в наружном корпусе может быть расположена только одна ампула, что не позволяет в одном эксперименте облучать несколько различных материалов твэлов в одинаковых условиях.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по решаемой задаче и техническому результату является ампульное устройство для реакторных исследований; приведенное в работе B.C.Синявского «Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок. М.: Энергоатомиздат, 2000, с.112. Данное техническое решение по количеству совпадающих существенных признаков выбрано в качестве прототипа.

Известное ампульное устройство предназначено для изучения свободного распухания и совместного свелинга системы топливо-оболочка и состоит из высокотемпературной капсулы цилиндрической формы, внутри которой размещены образцы, покрытые тугоплавким металлом. Капсула снабжена газовой магистралью для заполнения инертными газами. На выходе магистрали установлены пневматические клапаны для герметизации капсулы. Капсула размещена в нержавеющей оболочке с радиальным зазором, заполненным инертным газом с различной теплопроводностью.

Капсула ампульного устройства снабжена датчиками нейтронного потока и температуры. Ампульное устройство позволяет облучать образцы при тепловыделении 60÷240 Вт/см³ и температурах на оболочке образцов 1600-2200 K. Ампульное устройство является инструментированным и позволяет регулировать параметры облучения при испытаниях.

Однако данное техническое решение имеет ряд недостатков:

- не позволяет анализировать в ходе эксперимента газообразные продукты деления (ГПД), выделяющиеся при ядерном распаде;

- не позволяет измерять температуру исследуемого образца в ходе эксперимента;

- герметизация рабочей полости ампульного устройства осуществляется пневмоклапанами, что усложняет конструкцию и технологию изготовления устройства, кроме того, процесс разгерметизации происходит под воздействием высокого давления на рабочий элемент клапана, что предполагает наличие в испытательном стенде дополнительного оборудования, например газовой магистрали высокого давления.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание ампульного устройства для реакторных исследований, позволяющее измерять температуру исследуемых образцов в ходе эксперимента, проводить анализ ГПД, выделяющихся при ядерном распаде в процессе проведения эксперимента, иметь простые с конструктивной и технологической точки зрения механизмы временной герметизации рабочей полости.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в ампульном устройстве для реакторных исследований, включающем оболочку с герметизирующими торцевыми крышками, внутри которой расположена, по крайней мере, одна капсула, с исследуемыми образцами, помещенными в негерметичную тонкостенную оболочку из тугоплавкого материала, согласно изобретению капсула снабжена помимо одной газовой магистрали дополнительной магистралью с возможностью проточной вентиляции рабочей полости капсулы, на выходе каждой магистрали установлены заглушки для временной герметизации капсулы, выполненные в виде втулок с осевыми отверстиями, заполненными легкоплавким материалом, термометрические датчики, заключенные в герметичные чехлы, расположены в одной из магистралей, при этом чувствительный элемент каждого датчика введен в рабочую полость капсулы.

Герметичное соединение капсулы с оболочкой ампульного устройства может быть осуществлено при помощи сильфона, размещенного в одной из магистралей.

В частном варианте исполнения втулка, расположенная в магистрали с термометрическими датчиками, может быть снабжена дополнительными осевыми отверстиями для размещения чехлов термометрических датчиков, герметизированных с втулкой при помощи паяного соединения.

Ампульное устройство может быть дополнительно снабжено теплоотводящим радиатором, установленным внутри с зазором коаксиально оболочке ампульного устройства, при этом в теплоотводящем радиаторе выполнены осевые отверстия, расположенные по окружности на одинаковом осевом расстоянии от торца радиатора, для установки капсул с исследуемыми образцами.

Введение в ампульное устройство дополнительной магистрали позволяет анализировать в ходе эксперимента газообразные продукты деления (ГПД), выделяющиеся при ядерном распаде, за счет проточной вентиляции рабочей полости капсулы, которая обеспечивает транспортировку ГПД к анализирующему стенду реактора.

Расположение чувствительных элементов термометрических датчиков в рабочей полости капсулы позволяет измерять в ходе эксперимента непосредственно температуру исследуемого образца.

Конструктивное исполнение заглушек для временной герметизации рабочей полости капсулы в виде втулок с осевыми отверстиями, заполненными легкоплавким материалом, упрощает технологию изготовления заглушек. Кроме того, такое исполнение упрощает процесс разгерметизации рабочей полости капсулы, при этом не требуется создания в магистралях высокого давления.

Наличие в конструкции ампульного устройства теплоотводящего радиатора, в осевых отверстиях которого установлены капсулы на одинаковом осевом расстоянии от торца радиатора (соответственно на одном уровне активной зоны реактора), позволяет одновременно в одинаковых условиях испытывать несколько исследуемых образцов в автономных капсулах.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором схематически изображена конструкция ампульного устройства.

Ампульное устройство состоит из цилиндрической оболочки (1) с двумя торцевыми герметизирующими крышками (2, 3), цилиндрического теплоотводящего радиатора (4), установленного внутри оболочки (1) коаксиально последней с зазором, оптимальным для отвода тепла. В осевых отверстиях радиатора (4), выполненных на одинаковом осевом расстоянии от торца радиатора, расположены капсулы (5) из нержавеющей стали. Каждая капсула включает в себя исследуемый тепловыделяющий образец (6), заключенный в тонкостенную оболочку (7) из тугоплавкого материала. Каждая капсула герметично соединена с газовыми магистралями (8, 9) и с оболочкой (1) ампульного устройства при помощи сильфона (10), установленного в одну из газовых магистралей. На выходе газовых магистралей установлены заглушки (11, 12), выполненные в виде втулок (13, 14). Втулка (13) имеет осевые отверстия (15, 16) для установки термодатчиков и отверстие (17) для прохода газов. Втулка (14) также снабжена отверстием (18) для прохода газов. Отверстия (17, 18) заполнены припоем из легкоплавкого материала. Герметичные чехлы (19, 20) термодатчиков установлены в осевых отверстиях (15, 16) и герметично соединены с втулкой (13), а чувствительные элементы (21) термодатчиков введены в рабочую полость (22) капсулы (5). Кроме того, в капсуле предусмотрены тарельчатые пружины (23), проставки (24), направляющая втулка (25).

На чертеже представлен вариант ампульного устройства с тремя капсулами, установленными в осевых отверстиях теплоотводящего радиатора, которые выполнены на одинаковом осевом расстоянии от торца радиатора, что дает возможность проводить испытания образцов при одинаковых потоках нейтронов в реакторе. Однако капсул может быть другое количество.

Работа предложенного ампульного устройства осуществляется следующим образом. Ампульное устройство, в состав которого входят одна или несколько капсул с исследуемыми образцами твэлов, присоединяется к газовым коммуникациям реактора. При этом заранее осуществляется заполнение инертным газом рабочей полости капсулы, в которой расположены исследуемые образцы твэлов, временная герметизация ее при помощи легкоплавкого материала заглушек. Чувствительные элементы термодатчиков, расположенные в герметично введенных в полости исследуемых образцов чехлах, заводятся в газовые магистрали капсул. Соединение ампульного устройства с газовыми коммуникациями реактора осуществляется при помощи сварки. После того как газовые магистрали ампульного устройства будут герметизированы, осуществляется разрушение плавкого материала заглушек за счет нагрева мест их расположения и создания разности давлений в нужном направлении. Далее вся сборка устанавливается в ячейку реактора.

При выходе устройства на номинальный режим исследуемый образец (6) входит в контакт с тонкостенной оболочкой (7) вследствие теплового расширения. Тонкостенная оболочка образца позволяет ему свободно расширяться. Для компенсации осевого расширения образца предусмотрены тарельчатые пружины (23). При этом между тонкостенной оболочкой (7) и оболочкой капсулы (5) остается зазор для прохода газов.

Система позволяет регулировать условия теплопередачи с поверхности твэлов к теплоносителю (вода) с помощью изменения состава газа в зазоре между тонкостенной оболочкой (7) и оболочкой капсулы (5).

Пример конкретного осуществления.

Разработана конструкция ампульного устройства для испытания топливных образцов UN в реакторе ИВВ-2М.

Ампульное устройство содержит оболочку из нержавеющей стали толщиной 1 мм и диаметром 54 мм, две торцевые крышки с отверстиями для газовых магистралей, алюминиевый цилиндрический радиатор с выполненными в нем тремя осевыми отверстиями, в которых расположены капсулы. Каждая капсула имеет оболочку из нержавеющей стали толщиной 1 мм, в которую с зазором 200 мкм помещен исследуемый топливный образец в тонкостенной оболочке, две торцевые крышки с герметично присоединенными к ним газовыми магистралями из нержавеющей стали. Топливный образец диаметром 8 мм и длиной 35 мм установлен в тонкостенную оболочку из монокристаллического вольфрама толщиной 0,3 мм с зазором 30 мкм. Один из датчиков введен в топливный образец. Второй термодатчик расположен за пределами исследуемого образца, контактирует с оболочкой через проставку из молибдена и служит для контроля температуры тонкостенной оболочки исследуемого образца. В каждой газовой магистрали установлена втулка с осевым отверстием диаметром 22 мм, заполненным легкоплавким припоем ПОС61 для временной герметизации капсулы. Причем одна из втулок снабжена двумя дополнительными отверстиями диаметром 2 мм, в которые впаяны чехлы термодатчиков, выполненные из молибдена. Оболочки капсул соединены с оболочкой ампульного устройства через сильфоны из нержавеющей стали. Для компенсации осевого расширения исследуемого топливного образца введены тарельчатые пружины из сплава ВР-27.

Конструкция ампульного устройства позволяет осуществить полную сборку при условии отсутствия контакта исследуемого образца с кислородом.

Система позволяет транспортировать газообразные продукты деления к анализирующему стенду реактора путем осуществления проточной вентиляции рабочей полости капсулы через газовые магистрали. Это дает возможность анализировать выделяющиеся в ходе эксперимента ГПД.

Ампульное устройство позволяет одновременно в одинаковых условиях испытывать несколько исследуемых образцов в автономных капсулах, расположенных в теплоотводящем радиаторе на одном осевом расстоянии от торца радиатора, соответственно - на одном уровне активной зоны реактора.

После окончания испытаний при проведении послереакторных исследований капсул непосредственное измерение геометрии исследуемых образцов позволит оценивать изменение размеров в конкретных условиях облучения.