Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно - к способам испытаний высокотемпературных твэлов в исследовательском реакторе в составе ампульного облучательного устройства, и может быть использовано при разработке и обосновании конструкции невентилируемых высокотемпературных твэлов, например, термоэмиссионного реактора-преобразователя наземной атомной станции малой мощности для использования в труднодоступных и удаленных районах.

При обосновании работоспособности указанных невентилируемых твэлов необходим надежный инструмент прогнозирования деформации их оболочек, выполняемых из жаропрочных сплавов тугоплавких металлов. Таким инструментом является, например, комплексная компьютерная программа HERMETICTVEL [Свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012611060, 2011 г.], предназначенная для моделирования ресурсного поведения невентилируемого высокотемпературного, например, термоэмиссионного твэла. В процессе моделирования программа HERMETICTVEL рассчитывает и деформацию оболочки твэла, являющуюся одним из основных ресурсоограничивающих факторов. В программе учтены две составляющие деформации, обусловленные распуханием топлива и нарастанием давления газообразных продуктов деления (ГПД), соотношение между которыми изменяется во времени. При этом для обеспечения высокой достоверности получаемых результатов необходимо проведение представительного экспериментального тестирования программы с определением составляющих деформации оболочки от распухания сердечника и от совместного воздействия распухающего сердечника и давления ГПД, вышедших из топлива.

Известен способ испытания стержневых тепловыделяющих элементов, включающий облучение и определение характеристик твэлов и трубок, по физико-механическим свойствам идентичных оболочкам твэлов. В известном способе в процессе облучения в 0,2-0,5 от общего количества трубок давление ГПД повышают по режиму повышения давления ГПД в твэлах, а в 0,05-0,5 от общего количества твэлов и в остальных трубках давление ГПД поддерживают на уровне (1,0-1,1)⋅10⁵ Па, измеряют характеристики оболочек твэлов и трубок, находят изменение характеристик от давления ГПД и изменение характеристик от воздействия топлива , где c₁, c₂, c₃, c₄ - соответственно характеристики оболочек твэлов, испытанных в номинальном режиме, трубок, в которых в процессе облучения давление ГПД поддерживали на уровне (1,0-1,1)⋅10⁵ Па, трубок, в которых давление ГПД в процессе облучения повышали по режиму повышения ГПД в твэлах, оболочек твэлов, в которых давление ГПД в процессе облучения поддерживали на уровне (1,0-1,1)⋅10⁵ Па [Авторское свидетельство СССР №957659 A1, МПК G21C 17/06 (2000.01), опубл. 10.11.2001].

Целью авторов изобретения является повышение надежности оценки работоспособности твэлов путем разделения вкладов в изменение характеристик оболочки от воздействия топлива и воздействия ГПД. Однако использование данного способа ограничено температурами оболочек энергетических реакторов (500-700°C) и не применимо для высокотемпературных твэлов. Кроме того, из приведенных математических формул видно, что в данном техническом решении воздействие на оболочку твэла давления ГПД и распухающего топлива равно сумме отдельных воздействий этих факторов. Однако давление ГПД после достижения механического контакта оболочки с топливом вследствие распухания последнего действует на оболочку через слой топлива и поэтому суммарное воздействие на оболочку твэла давления ГПД и распухающего топлива не равно сумме отдельных воздействий этих факторов, а соотношение этих воздействий зависит от скорости нарастания давления ГПД (то есть, от величины компенсационного объема в твэле) при одной и той же скорости распухания топлива. Поэтому в данном способе точность разделения составляющих деформации оболочки твэла невелика.

Известен способ исследования совместного свеллинга системы топливо-оболочка высокотемпературного твэла термоэмиссионного реактора-преобразователя, характерная температура оболочки которого превышает 1400°C, а сердечника из диоксида урана - 1700°C [В.В. Синявский. Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок. М.: Энергоатомиздат, 2000, с. 112-113].

Модельные твэлы в виде топливных сердечников в негерметичных оболочках коаксиально размещали в капсуле ампульного облучательного устройства, которая была снабжена газовыми коммуникациями, сообщенными с испытательным стендом для начального заполнения ее инертными газами или их смесью. На газовых коммуникациях устанавливали пневматические клапаны для возможности герметизации при проведении испытаний. Капсулу размещали в герметичной оболочке из нержавеющей стали с радиальным зазором для регулирования температуры капсулы заменой смеси инертных газов с помощью газового тракта с пневмоклапаном. После проведенных реакторных испытаний проводили измерение деформации оболочек твэлов. Этот способ является наиболее близким к заявляемому способу и принят в качестве прототипа.

Недостаток способа-прототипа состоит в том, что он не позволяет оценить вклад каждой составляющей деформации оболочки в невентилируемом твэле: от распухания сердечника и от давления ГПД, поскольку негерметичная оболочка модельного твэла разгружена от одностороннего внутреннего давления ГПД и на нее воздействует лишь распухающий сердечник, как в штатной конструкции вентилируемого термоэмиссионного твэла. В то время как для моделирования деформационного поведения невентилируемого высокотемпературного, например, термоэмиссионного твэла, необходимы и значимы обе составляющие деформации оболочки.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа испытания высокотемпературных твэлов, позволяющего с высокой степенью достоверности определить составляющие деформации упрочненной оболочки от распухания сердечника и от совместного воздействия распухающего сердечника и давления ГПД, вышедших из топлива.

Поставленная задача решается тем, что в способе испытания высокотемпературных тепловыделяющих элементов с оболочками из жаропрочных сплавов тугоплавких металлов в исследовательском реакторе, включающем размещение в ампульном облучательном устройстве вентилируемых твэлов, имеющих диаметральные размеры и материальный состав базовых твэлов, облучение и последующее измерение диаметральной деформации их оболочек, согласно изобретению в ампульном облучательном устройстве дополнительно размещают и одновременно с вентилируемыми испытывают с последующим измерением деформации оболочек не менее трех невентилируемых твэлов с теми же диаметральными размерами и материальным составом, имеющих различные компенсационные объемы, величины которых отличаются друг от друга не менее чем в два раза, при этом внутреннюю полость вентилируемых твэлов заполняют инертным газом под давлением, которое в процессе испытаний поддерживают в диапазоне (0,4÷4)⋅10⁴ Па.

В частных случаях осуществления изобретения в качестве инертного газа используют ксенон.

Данные по деформации оболочек по меньшей мере трех невентилируемых твэлов, испытанных одновременно в одинаковых условиях, но при различных темпах нарастания давления ГПД, т.е. при различных величинах компенсационного объема в твэлах, и по меньшей мере одного вентилируемого твэла, обеспечивают высокую степень достоверности определения составляющих деформации оболочки твэла от распухания сердечника и от совместного воздействия распухающего сердечника и давления ГПД, вышедших из топлива. Однако при испытании твэла на основе низкотеплопроводного топлива с высоким уровнем давления паров (как в случае диоксида урана) и сильно разреженной газовой среды или вакуума в полости этого твэла возможна блокировка газоотводного канала конденсатом UO₂ вследствие интенсивного осевого массопереноса и конденсации его в области пониженных температур. Замедление массопереноса диоксида урана достигается путем поддержания в полости вентилируемого твэла давления инертного газа, например ксенона, в диапазоне (0,4-4)⋅10⁴ Па, что позволяет практически исключить массоперенос UO₂, не привнося при этом заметного вклада в деформацию оболочки, выполненной из используемых в настоящее время жаропрочных сплавов на основе молибдена и вольфрама.

Сущность предложенного технического решения иллюстрируется при помощи чертежей.

На фиг. 1 схематично изображен продольный разрез ампульного облучательного устройства.

На фиг. 2 представлена температурная зависимость давления ксенона в вентилируемом твэле, сдерживающего массоперенос топлива в центральном канале топливного сердечника.

Ампульное устройство, приведенное на фиг. 1, содержит герметичный корпус 1, в котором с радиальным зазором последовательно размещены вентилируемый твэл 2, включающий топливный сердечник и оболочку, и невентилируемые твэлы 3, включающие топливный сердечник, оболочку и компенсационный объем 4. При этом внутренняя полость вентилируемого твэла 2 соединена с испытательным стендом (на чертеже не показан) газовым трактом 5, снабженным пневмоклапаном, а внутренняя полость ампулы - газовым трактом 6, также снабженным пневмоклапаном.

Испытания в соответствии с предложенным способом осуществляются следующим образом. Во всех модельных твэлах (2, 3) топливный сердечник в процессе распухания нагружает и деформирует оболочку. При этом в твэле (2) оболочка деформируется лишь за счет объемных изменений сердечника, вызванных распуханием, так как вышедшие из топлива ГПД отводятся из твэла по газовому тракту (5). В невентилируемых твэлах (3) оболочки нагружаются совместным воздействием распухающего сердечника и давления ГПД. Поскольку составляющие деформации оболочки при нагрузках первого и второго рода (распухания и газового давления) аддитивно не суммируются, а соотношение составляющих кроме того изменяется во времени из-за нарастания газового давления с выгоранием, то вклад составляющих может быть определен с одновременным использованием в качестве входных данных к расчету, например, по программе HERMETICTVEL результатов испытаний невентилируемых и вентилируемого твэлов. Согласование экспериментально полученной деформации оболочки невентилируемого твэла с результатами итерационных расчетов с использованием экспериментальных значений деформации оболочки вентилируемого твэла определяет величины составляющих при совместном воздействии на оболочку газового давления и распухания сердечника.

Использование в рамках предложенного способа в составе облучательного устройства невентилируемых твэлов с различными величинами компенсационного объема (4) позволяет одновременно оптимизировать величину компенсационного объема для штатной конструкции разрабатываемого твэла.

Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения

Для исследования деформационного поведения высокотемпературных твэлов, которые находятся в стадии отработки и являются базовыми для реакторов с предусмотренным выходом ГПД во внешнее пространство или их локализацией в пределах реакторной установки, в герметичном корпусе ампульного облучательного устройства размещают два типа твэлов, имеющих диаметральные размеры и материальный состав базовых твэлов: один вентилируемый твэл диаметром 19,6 мм с топливным сердечником из диоксида урана высотой 50 мм с центральным каналом диаметром 8 мм, заключенным в оболочку из монокристаллического сплава MH3(Mo+3% масс. Nb), и три невентилируемых твэла диаметром 19,6 мм с топливными сердечниками из диоксида урана высотой 50 мм с центральным каналом диаметром 8 мм, заключенными в оболочки из монокристаллического сплава MH3(Mo+3% масс. Nb), имеющие компенсационный объем высотой 1 мм, 5 мм и 20 мм.

Внутреннюю полость корпуса ампульного облучательного устройства и внутреннюю полость вентилируемого твэла соединяют с испытательным стендом отдельными газовыми трактами с пневмоклапанами.

Ампульное облучательное устройство с твэлами двух типов (фиг. 1) помещают в петлевой канал исследовательского реактора и проводят реакторные испытания. В процессе испытаний для предотвращения продольного массопереноса топлива UO₂ в вентилируемом твэле посредством газового трактра с пневмоклапаном поддерживают давление ксенона в диапазоне (0,4-4)⋅10⁴ Па, не влияющее на геометрическую стабильность оболочки, но подавляющее продольный массоперенос топлива.

Из представленных на фиг. 2 результатов следует, что выбранный диапазон давления ксенона в вентилируемом твэле является приемлемым для характерных режимов эксплуатации термоэмиссионного твэла. При этих давлениях радиальная деформация оболочки из монокристаллического сплава MH3 при максимальной температуре оболочки 1650°C на конец типичного ресурса сравнима с чувствительностью измерений при послереакторных исследованиях твэла, т.е. выбранный для блокировки массопереноса диоксида урана в вентилируемом твэле диапазон газового давления является вполне допустимым. В качестве критерия сдерживания массопереноса принято максимальное изменение диаметра центрального канала за год не более 0,1 мм.

После проведения реакторных испытаний выполняют измерения геометрических диаметральных размеров оболочки для определения величины их деформации. Данные о составляющих деформации могут быть использованы для представительного тестирования комплексной компьютерной программы, например, HERMETICTVEL.

Качественно новым результатом предложенного способа является высокая степень достоверности определения составляющих деформации упрочненной оболочки от распухания сердечника и от совместного воздействия распухающего сердечника и давления ГПД, вышедших из топлива, позволяющая создать надежную методику прогнозирования деформации упрочненных оболочек высокотемпературных невентилируемых термоэмиссионных твэлов. При этом заявленный способ не только позволяет решить поставленную задачу, но совместить ее выполнение с испытанием базовых твэлов двух типов реакторов.