Нагревная секция

 

Использование: в нагревных секциях для тепловыделяющихся сборок газоохлаждаемых реакторов, в частности ядерных ракетных двигателей. Сущность изобретения: нагревная секция содержит твэлы из карбидов тугоплавких металлов, выполненные в виде винтообразных стержней фасонного профиля, набранных в пучок по плотной треугольной упаковке с контактом друг относительно друга. Пучок выполнен закрученным относительно продольной оси, а стержни в местах контакта диффузионно соединены друг с другом высокотемпературной пайкой. Шаг закрутки стержней составляет (5-15)d, а шаг закрутки пучка - (5-6)D, где d и D - соответственно описанный диаметр поперечного сечения стержня и пучка. Использование такой монолитной карбидной нагревной секции обеспечивает ее высокое сопротивление ползучести и коррозийную стойкость в потоке водорода при температурах порядка 3200 К. Наличие в объеме секции спиральных, сообщающихся друг с другом каналов обеспечивает высокую степень интенсификации теплообмена. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к нагревным секциям тепловыделяющих сборок и может быть использовано в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах, в частности в реакторах ядерных ракетных двигателей (ЯРД) с водородным теплоносителем.

Известна нагревная секция, предназначенная для использования в ЯРД, выполненная в виде призматического блока гексагональной формы из композиции, включающей карбид бериллия и графит в молярном отношении 3:1. В объеме блока равномерно диспергировано топливо из карбида урана, обогащенного до 90% по ²³⁵U. По высоте блока выполнены гладкие сквозные отверстия для прохода водородного теплоносителя.

Также известна нагревная секция, аналогичная описанной, выполненная в виде многоканального призматического блока гексагональной формы из графита с диспергированными в нем сферическими частицами из карбидного топлива, покрытыми пироуглеродом (1).

Недостатками известных нагревных секций являются недостаточно интенсивный в гладких цилиндрических каналах, а также низкая коррозионная стойкость графитовой матрицы в потоке горячего водорода, приводящая к вымыванию графита и топлива и резко снижающая эксплуатационную надежность ЯРД.

Наиболее близкой к заявляемой нагревной секции по решаемой технической задаче (прототипом) является нагревная секция, включающая сферические частицы из карбидной топливной композиции типа ZrC-UC+C, которые диспергированы в многоканальном призматическом блоке гексагональной формы, выполненном из графита. Для повышения коррозионной стойкости графитовой матрицы в потоке горячего водорода, на стенках каналов и на наружных поверхностях блока нанесены защитные покрытия из карбидов ниобия или циркония (2).

Данная секция также характеризуется низкой интенсификацией теплообмена. Кроме того, вследствие растрескивания защитных покрытий из-за существенно различных температурных расширений матрицы и покрытий известная нагревная секция также не обладает необходимой эксплуатационной надежностью при рабочих параметрах ЯРД.

Анализ уровня техники в области нагревных секций, разрабатываемых для ЯРД, показывает, что использование в них керамических твэлов из коррозионностойких в потоке водорода топливосодержащих композиций на основе карбидов и циркония, является наиболее предпочтительным для достижения необходимой температуры водорода (до 3200 К) в течение требуемого ресурса работы ЯРД (несколько часов). Но выполнение многоканальных блочных нагревных секций целиком из таких композиций сопряжено с трудностями организации их эффективного охлаждения, снижающего опасность терморазрушения керамического тепловыделяющего блока, вследствие существенно неравномерного тепловыделения по высоте и поперечному сечению активной зоны.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности нагревной секции.

Для решения поставленной задачи предлагается блочная нагревная секция, целиком выполненная из топливосодержащей композиции на основе карбидов тугоплавких металлов, в которой твэлы выполнены в виде винтообразно закрученных стержней фасонного профиля, набранных в пучок и размещенных в его поперечном сечении по треугольной решетке с контактом относительно друг друга по максимальному размеру профиля, пучок выполнен закрученным относительно оси, стержни в местах контакта диффузионно скреплены друг с другом, причем шаг закрутки стержней составляет (5-15)d, а шаг закрутки пучка составляет (5-6)D, где d описанный диаметр поперечного сечения стержня, D описанный диаметр поперечного сечения пучка.

Кроме того, стержни могут быть выполнены в виде трубок, например овального профиля.

Выполнение твэлов в виде винтообразно закрученных стержней фасонного профиля, позволяет организовать спиральную закрутку водорода в межстержневом пространстве и интенсифицировать теплообмен при незначительном увеличении гидравлического сопротивления. При выполнении стержней в виде трубок овального профиля, интенсификация теплоомбена наблюдается также и внутри трубок. Закрутка стержней в пучке относительно его оси приводит к перераспределению расхода водорода по радиусу в межстержневом пространстве из-за различия в коэффициентах гидравлического сопротивления для стержней, расположенных на разных радиусах относительно оси пучка. При этом дополнительно интенсифицируется теплообмен в периферийных областях пучка, что ведет к выравниванию температур в его поперечном сечении. Размещение стержней в поперечном сечении пучка по треугольной решетке с контактом относительно друг друга по максимальному размеру профиля обеспечивает надежное дистационирование стержней между собой с сохранением требуемых геометрических размеров каналов для прохода водорода. Диффузионное скрепление стержней в точках соприкосновения позволяет получить монолитный карбидный блок со строго заданными размерами каналов как в осевом, так и в радиальном направлениях. Такое скрепление не увеличивает исходное гидравлическое сопротивление нагревной секции и также, как и закрутка стержней в пучке, препятствует радиальному и осевому смещениям фрагментов стержней в случае, например, аварийного растрескивания стержней. В результате предотвращается вынос фрагментов потоком водорода и закупорка ими каналов между стержнями. Также увеличивается сопротивляемость нагревной секции высокотемпературной ползучести.

Как показывают экспериментальные исследования, газовая (объемная) пористость нагревной секции может быть изменена в интервале 20-80% за счет выбора, в основном, относительной толщины профиля стержней. На практике достаточно технологичными являются сплошными стержни 2-х, 3-х, 4-х лопастного профиля, а также трубчатые стержни капилляры овального профиля. При этом толщина лопасти и стенки капилляра может составлять 0,5-3 мм, описанный диаметр 1-5 мм, шаг закрутки стержня 5-75 мм. Шаг закрутки пучка, набранного из таких стержней, составляет 50-360 мм, описанный диаметр 10-60 мм. Длина нагревной секции может составлять 50-1000 мм и более, то есть нагревная секция может быть выполнена целиком на длину всей активной зоны. С учетом экспериментальных данных по исследованию теплогидравлических и механических характеристик предлагаемой нагревной секции, шаг закрутки стержней составляет (5-15)d, где d описанный диаметр поперечного сечения стержня, а шаг закрутки пучка составляет (5-6) D, где D описанный диаметр поперечного сечения пучка. При изготовлении стержней и пучка с шагом, меньшим соответственно 5d и 5D, гидравлическое сопротивление нагревной секции существенно возрастает и, кроме того, при ее изготовлении возможны разрывы стержней и искажение их профиля. При изготовлении стержней и пучка с шагом, большим соответственно 15d и 6D, существенно снижается спиральная закрутка потока водорода и, как следствие, уменьшается интенсификация теплообмена в периферийных областях пучка, что может привести к перегреву и недопустимому растрескиванию нагревной секции. Также снижается несущая способность секции из-за уменьшения числа диффузионных соединений между стержнями. Таким образом, указанные соотношения являются оптимальными для достижения цели изобретения.

На фиг. 1 изображен общий вид нагревной секции; на фиг. 2 поперечное сечение нагревной секции; на фиг. 3 витой стержень, общий вид; на фиг. 4-7 - сечение А-А на фиг. 3, варианты профилей.

Нагревная секция содержит винтообразные стержневые твэлы 1 фасонного профиля, набранные в пучок 2, закрученный относительно продольной оси. В местах контакта 3 стержней друг с другом они скреплены диффузионно так, что пучок представляет собой цельное керамическое тело, пронизанное по оси спиральными каналами 4, сообщающимися друг с другом по радиусу пучка. Нагревная секция помещена внутри корпусной обечайки 5 тепловыделяющей сборки и фиксируется от радиальных перемещений в обечайке с помощью заполнителей 6.

При работе нагревной секции теплоноситель-водород поступает на ее торцовую часть, попадая в каналы 4, закручивается по спирали вдоль между стержнями и одновременно часть расхода перераспределяется по радиусу в межстержневом пространстве нагревной секции, интенсифицируя теплообмен в ее периферийных областях, нагревается до высокой температуры и выходит с противоположного торца секции.

Пример. Нагревная секция содержит спиральный пучок диаметром 20 мм и длиной 800 мм из винтообразных двухлопастных стержневых твэлов диаметром 2,2 мм, с толщиной лопасти 0,9 мм и шагом 20 мм. Шаг закрутки пучка составляет 100 мм, газовая пористость 52% Твэлы изготовлены из тройного карбида ZrC-NbC-UC, с концентрацией урана до 20% мас. Максимальная температура эксплуатации нагревной секции составляет 3200 К, удельное тепловыделение до 40 МВт/л.

После термонагружения нагревной секции в течение 2 ч при температуре 3200 К и удельной нагрузке до 10 МПа уменьшение ее длины не превышает 5% от исходной, увеличение газодинамического сопротивления не более 10% Технология изготовления нагревной секции включает следующие основные операции: получение "сырых" винтообразных стержневых твэлов методом продавливания пресс-массы через соответствующую фильеру (требуемого профиля); сборка "сырых" стержней в пучок; закрутка пучка с помощью специального приспособления; обжатие пучка для обеспечения плотной упаковки стержней; термообработка для спекания стержней; диффузионная пайка для неразъемного соединения стержней в пучке; механическая обработка полученной секции "в размер".

Варьирование содержания урана в исходных стержнях позволяет осуществлять радиальное профилирование концентрации урана в нагревной секции. При этом за счет применения стержней с уменьшенной относительной толщиной лопастей обеспечивается возможность получения нагревной секции с соответствующим распределением газовой пористости. Например, при максимальном энерговыделении в периферийных областях нагревной секции они выполняются из стержней с меньшей относительной толщиной лопастей и с большей концентрацией урана. В результате большая газовая пористость и больший расход водорода организуются в области максимального энерговыделения, что обеспечивает более равномерное охлаждение нагревной секции.

Комбинирование содержания урана в стержнях (вплоть до нулевого) при изготовлении пучка, позволяет более просто, чем в прототипе, осуществлять крепление монолитной нагревной секции в активной зоне, например, с помощью зажима типа цанги, устанавливаемой на входной, менее горячей части секции.

Как показывают опытно-экспериментальные исследования предлагаемой нагревной секции, ее эксплуатационные характеристики отвечают требованиям высокой эксплуатационной надежности перспективных ЯРД.

Формула изобретения

1. Нагревная секция, включающая керамические твэлы из материала на основе карбидов тугоплавких металлов, между которыми образованы каналы для прохода теплоносителя, отличающаяся тем, что твэлы выполнены в виде винтообразно закрученных стержней фасонного профиля, набранных в пучок и размещенных в его поперечном сечении по треугольной решетке с контактом относительно друг друга по максимальному размеру профиля, пучок выполнен закрученным относительно продольной оси, стержни в местах контакта диффузионно скреплены друг с другом, причем шаг закрутки стержней составляет (5 15)d, а шаг закрутки пучка (5 6)D, где d описанный диаметр поперечного сечения стержня, D описанный диаметр поперечного сечения пучка.

2. Секция по п.1, отличающаяся тем, что стержни выполнены в виде трубок, например, овального профиля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7