Ампульное устройство для реакторных исследований


 


Владельцы патента RU 2526328:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к ампульным облучательным устройствам для реакторных исследований свойств тепловыделяющих элементов (твэлов). Устройство содержит оболочку с герметизирующими торцевыми крышками, внутри которой расположена, по крайней мере, одна капсула с исследуемыми образцами, помещенными в негерметичную тонкостенную оболочку из тугоплавкого материала. Капсула соединена с газовыми магистралями, обеспечивающими возможность 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. В одной из магистралей расположены термометрические датчики, при этом чувствительный элемент каждого датчика введен в рабочую полость капсулы. Технический результат - возможность измерять температуру исследуемых образцов в ходе эксперимента, проводить анализ ГПД, выделяющихся при ядерном распаде в процессе проведения эксперимента, простые с конструктивной и технологической точки зрения механизмы временной герметизации рабочей полости капсулы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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.

1. Ампульное устройство для реакторных исследований, включающее оболочку с герметизирующими торцевыми крышками, внутри которой расположена, по крайней мере, одна капсула с исследуемыми образцами, помещенными в негерметичную тонкостенную оболочку из тугоплавкого материала, при этом капсула снабжена термометрическими датчиками, заключенными в герметичные чехлы, и соединена с газовой магистралью, отличающееся тем, что капсула снабжена дополнительной газовой 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 расположены в одной из магистралей, при этом чувствительный элемент каждого датчика введен в рабочую полость капсулы.

2. Ампульное устройство по п.1, отличающееся тем, что капсула герметично соединена с оболочкой ампульного устройства при помощи сильфона, размещенного в одной из магистралей.

3. Ампульное устройство по п.1, отличающееся тем, что втулка, расположенная в магистрали с термометрическими датчиками, снабжена дополнительными осевыми отверстиями для размещения чехлов термометрических датчиков, герметизированных с втулкой при помощи паяного соединения.

4. Ампульное устройство по п.1, отличающееся тем, что оно 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано при изучении поведения тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов.

Группа изобретений относится к устройству и способу измерения и корректировки отклонения от параллельности в стержне для ядерного топлива, в частности, отклонения от параллельности на конце, снабженном верхней заглушкой.

Изобретение относится к области реакторного материаловедения и может быть применено для реакторных испытаний конструкционных материалов ядерных реакторов. Изготавливают образец из двух коаксиально совмещенных трубчатых элементов, один из которых полностью или частично находится внутри другого, создают давление газа в полости между элементами, герметизируют, размещают в ядерном реакторе и облучают.

Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к устройствам контроля структуры таблеток ядерного топлива для тепловыделяющих элементов, и предназначено для использования при контроле плотности таблеток ядерного топлива.

Изобретение относится к области исследования прочностных характеристик материалов. .

Изобретение относится к устройству таблетирования ядерного топлива, в частности топлива МОХ, и способу изготовления таблеток с использованием такого устройства. .

Изобретение относится к области контроля ядерных реакторов, а именно к способам контроля давления газа в тепловыделяющем элементе (ТВЭЛ) реактора. .

Изобретение относится к средствам идентификации тепловыделяющих сборок (ТВС), в частности отработанных тепловыделяющих сборок, извлекаемых из ядерного реактора или водного бассейна-хранилища, и предназначенных для последующего хранения и переработки.

Изобретение относится к области контроля ядерных реакторов, а именно к устройствам контроля давления газа в тепловыделяющем элементе (ТВЭЛе) реактора. .

Изобретение относится к средствам контроля ядерного топлива, выполненного в виде таблеток цилиндрической формы. Устройство для автоматизированного контроля поверхностных и объемных дефектов керамического ядерного топлива содержит трансформатор оптического изображения, каналы оптической и тепловизионной регистрации, источники подсветки, систему ввода в контролируемое изделие импульсного теплового потока и селектор, обеспечивающий синхронную регистрацию как оптического, так и тепловизионного изображений. Техническим результатом является получение достоверных результатов о наличии или отсутствии дефектов в контролируемых изделиях и, следовательно, надежная селекция дефектных и бездефектных изделий. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области испытаний материалов, в частности, к испытаниям на коррозионную стойкость и водородостойкость циркониевых сплавов, разрабатываемых и используемых в качестве материалов элементов активной зоны легководных ядерных реакторов, в условиях, приближенных к реакторным. В заявленном способе в процессе выдержки образцов циркониевых сплавов в пароводяной среде в температурном диапазоне активной зоны легководного реактора создают газоразрядную плазму в парах воды, после чего облучают образованными при этом положительно заряженными ионами водорода образцы путем подачи на них отрицательного электрического потенциала относительно плазмы. Техническим результатом является приближение условий испытаний образцов циркониевых сплавов в пароводяной среде к условиям активной зоны легководного реактора, что позволяет повысить достоверность прогнозируемой картины поведения исследуемых циркониевых сплавов в активной зоне легководного реактора в процессе его работы, составленной на основе результатов данных испытаний. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к средствам контроля тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Способ включает определение давления гелия под оболочкой (11) тепловыделяющего элемента после его герметизации, при котором удерживают тепловыделяющий элемент (1) на позиции измерения, осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области компенсационного объема (8), регистрируют временную зависимость температуры участков оболочки в месте нагрева (10) и на противоположной стороне оболочки, по ней оценивают давление гелия и состояние тепловыделяющего элемента. Перед локальным нагревом тепловыделяющий элемент выдерживают до выравнивания его температуры с температурой окружающей среды, а после завершения контроля создают температуру окружающей среды ниже 0°C, перед локальным нагревом тепловыделяющий элемент выдерживают до выравнивания его температуры с новой температурой окружающей среды, далее повторяют цикл нагрев-измерения и сравнивают полученные временные зависимости давлений при разных температурах с калибровочными зависимостями для разных давлений гелия и разными уровнями содержания воздуха в нем. Технический результат заключается в обеспечении дополнительной возможности неразрушающего контроля ТВЭЛ. 1 ил.

Заявленное изобретение относится к способу проверки тепловыделяющих элементов. Способ включает определение давления гелия под оболочкой (9) тепловыделяющего элемента после его герметизации, при котором удерживают тепловыделяющий элемент (1) на позиции измерения в течение всего времени контроля, осуществляют локальный импульсный нагрев тепловыделяющего элемента в области (4) компенсационного объема, регистрируют временную зависимость температуры участков оболочки в месте нагрева (10) и на удаленном от места нагрева участке (12) оболочки в течение всего времени контроля. Далее по ней оценивают давление гелия и состояние тепловыделяющею элемента. Перед локальным нагревом по всему периметру части оболочки в области компенсационного объема обеспечивают исключение теплопередачи. Удаленный участок выбирают на другой стороне области компенсационного объема, далее тепловыделяющий элемент выдерживают до выравнивания его температуры с температурой окружающей среды. Затем создают температуру окружающей среды ниже 0°C, перед локальным нагревом тепловыделяющий элемент выдерживают до выравнивания его температуры с новой температурой окружающей среды, повторяют цикл нагрев-измерения с исключением теплопередачи по телу оболочки от места нагрева к удаленному участку. Техническим результатом является возможность проверки ТВЭЛа с одной стороны оболочки. 1 ил.

Изобретение относится к дожиганию водорода, входящего в состав газовой среды. Дожигатель состоит из корпуса, имеющего отверстия для подвода и отвода газовой среды, и наполнителя в форме оксида висмута Bi2O3 и/или оксида свинца, размещенного в корпусе. Дожигатель может применяться в ядерной реакторной установке. Технический результат - получение дожигателя водорода, не загрязняющего газовую среду, в частности защитный газ реактора, примесями, вредными для элементов установки и/или теплоносителя, например свинцово-висмутового; удаление из газовой среды, прошедшей через дожигатель, паров воды, образовавшихся в результате дожигания водорода. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при изготовлении таблеток ядерного топлива. Предложенное устройство содержит бункер 1 с пресс-порошком, который соединен вертикальной засыпной трубой 2 с устройством 3 прессования таблеток. Вблизи устройства 3 прессования с противоположных сторон трубы 2 установлены источник 4 гамма-излучения (при достаточном количестве пресс-порошка для регистрации может быть использовано его собственное гамма-излучение) и блок 5 детектирования, который соединен с блоком регистрации, включающим преобразователь 6 сигнала и электронный графический регистратор 7, последовательно соединенные линиями 8 связи. Блок регистрации выполнен с возможностью передачи сигнала в систему управления работой устройства прессования для регулировки подачи пресс-порошка или его остановки. Технический результат - своевременность отслеживания снижения плотности пресс-порошка и остановки прессования с целью недопущения производства топливных таблеток с неправильной геометрией и пониженной плотностью. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к способам определения совместимости различных видов ядерного топлива и конструкционных материалов. Способ испытания на совместимость порошка ядерного топлива с материалом оболочки твэла заключается в отжиге диффузионной пары порошка ядерного топлива и оболочки твэла. Из материала оболочки твэла изготавливают тигель с полированной внутренней поверхностью, а также крышку, после чего в него запрессовывают порошок испытуемого ядерного топлива с имитаторами продуктов деления и проводят герметизацию тигля в инертной газовой среде с последующим отжигом в диапазоне температур 600-1000°C. Для испытания использует порошки сплавов урана или мононитрида урана крупностью 10-20 мкм. Для изготовления тигля и крышки используют коррозионно-стойкую сталь или сплавы циркония, а в качестве имитаторов химически активных продуктов деления йод и/или цезий, и/или теллур. Технический результат - надежный контакт (адгезия) топливного и конструкционного материалов, что повышает надежность и информативность диффузионных испытаний. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электрическим нагревателям, предпочтительным применением которых является электрическое моделирование ядерных топливных стержней, предназначенных для соединения в сборки в силовых реакторах. Устройство (1) нагрева жидкости (Liq) с увеличенным тепловым потоком содержит трубчатый резистор (2), питаемый постоянным током, который может нагревать жидкость за счет теплопроводности через охватывающий его с прямым механическим контактом электроизоляционный и теплопроводящий промежуточный элемент (6, 22), при этом комплекс трубчатый резистор/промежуточный элемент окружен оболочкой (7), предназначенной для погружения в нагреваемую жидкость, по меньшей мере, на части своей длины. Устройство обеспечивает создание равномерного теплового потока, надежно в работе и имеет большой срок службы. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх