Устройство для определения выгорания топлива

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ соцИАлистических

РЕСПУБЛИК

3(я) G 21 С 17/06 г;

° 4

ОПИСАНИЕ ИЗ06РЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОткРытий (21 ) 2957402/18-25 (22) 05.05.80 (46) 07.06.83. Бюл. N 21 (72) И.Г. Гвердцители, А.Г. Каландаришвили и В.А. Кучухидзе (53). 621 ° 039.566(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР по заявке N 2853226/18-25, о кл. G 21 С 17/06, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке К 2615977/1.8-25, кл. G 21 С 17/06, 1978 (прототип), (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ВЫГОРАНИЯ ТОПЛИВА, содержащее тепловыделяющий элемент, в компенсационном

„„SU„„936733 A объеме которого установлено устройство для определения давления газообразных продуктов деления, о т л ичающееся тем, что, с целью повышения надежности измерения выгорания, устройство для определения давления газообразных продуктов деления выполнено в виде газорегулируемой тепловой трубы, объем неконденсируюшегося газа которой сообщен с компенсационным объемом тепловыделяющего элемента, изотермическая зона сн во же на уст рой ст вом для из мере ния температуры, а зона испарения снабжена нагревателем.

936733

Изобретение относится к области ядерной физики и атомной энергетики, а более конкретно к устройствам для определения выгорания топлива, выполненным в виде тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) с датчиком для измерения давления газообразных продуктов деления, по изменению которого определяют выгорание.

Известно устройство для определе- 10 ния выгорания, представляющее собой

ТВЭЛ, в компенсационном объеме которого установлен датчик для измерения количества продуктов деления, выполненный в виде пиролитического графита, собирающего осколки деления (l) .

Недостатком известного устройства является сложность интерпретации результатов, так как имеющимися средствами достаточно сложно определить из" щ менение размеров блока пиролитического графита.

Известно также устройство для определения выгорания топлива, содержащее ТВЭЛ, в компенсационнм объеме 25 которого установлено устройство для определения давления газообразных продуктов деления (2), Недостатком известного устройства является невысокая надежность изме" рения выгорания, что связано с тем, что электрофизические свойства устройства для определения давления гаэообразных продуктов деления, выполненного в виде вольфрамовой нити, по которой пропускают импульсный ток, изменяются под действием излучения.

Кроме того, существенное изменение в,показания устройства вносят колебания окружающей температуры.

Целью изобретения является повышение надежности измерений выгорания.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для определения выгорания топлива, содержащем ТВЭЛ, в компенсационном объеме которого установлено устройство для определения давления газообразных продуктов деления, устройство для определения давления газообразных продуктов деления выполнено в виде газо50 регулируемой тепловой трубы, объем неконденсирующегося газа который со" общен с компенсационным объемом ТВЭЛ, изотермическая зона снабжена устройством для измерения температуры, а зона испарения снабжена нагревателем, На чертеже показано устройство для определения выгорания, 2

Устройство содержит ТВЭЛ с оболочкой 1, концевые 2 и дистанционирующие 3 детали., компенсационный объем 4, который через отверстие 5 сообщается с объемом 6 неконденсирующегося газа газорегулируемой тепловой трубы, состоящей из зоны 7 испарения, изотермической эоны 8, зоны 9 конденсации теплоносителя 10, радиатора 11 излучателя, нагревателя 12, и устройство

13 контроля (измерения) температуры.

Предварительно объем тепловыделяющего элемента вакуумируется, затем заполняется неконденсирующимся инертным газом, например гелием, под давлением

5-6 торр и герметизируется. Нагреватель размещен в зоне 7 испарения, а устройство контроля температур в зоне 8.

Устройство работает следующим образом.

4о выхода реактора на мощность с помощью нагревателя 12 по высоте тепловой трубы выставляется изотермическая эона 8, которая контролируется с помощью устройства 13 контроля температуры, при этом давление неконденсирующегося газа (ксенона и криптона) в тепловыделяющем элементе будет соответствовать давлению теплоносителя в изотермической зоне, которое определяется по известной зависимости

В

0 Р= -—

Т где Р - давление насыщенных паров теплоносителя;

Т - температура в иэотермической зоне;А, — постоянные коэффициенты, зависящие от вида теплоносителя.

При работе реактора по мере выгорания ядерного топлива пропорционально растет количество (давление) выдеI ляемых газообразных продуктов деления (ксенона и криптона), которые, диффундируя в топливе через отверстие 5, попадают в объем 6 неконденсирующегося газа и вызывают изменение давления в объеме на величину dP, что соответственно приводит к изменению температуры теплоносителя в изотермической зоне на величину Т.

Измеряя изменение температуры в изотермической зоне по градуировочной кривой зависимости температуры от давления, можно определить давление теплоносителя в изотермической зоне, которое соответствует давлению

3 93673 неконденсирующегося газа в тепловыделяющем элементе, тем самым определить выгорание ядерного топлива, которое прямо пропорционально количеству выделяемых газообразных продуктов деления. Повышая температуру в зоне

7 испарения нагревателем 12, можно повысить диапазон измеряемого давления, тем самым повысить диапазон определения выгорания. 10

Пример. Проводился расчет эффективности изобретения для топливных элементов реакторов типа ВВЭР-440 с

3,5 обогащением по урану-235 в среднем потоке тепловых нейтронов порядка 10 нейтр. см c и размерами топлива и тепловой трубы d = 7,7 мм;

h = 2500 мм; и 0 = 7 мм; Н = 2000 мм

Таблица 1!

Т 2, Выход, Т4 2

Выход, 3 на 1 акт деления

U-235

Изотоп

ИЗОтОп на 1 акт деления

-235

Кг-83

Кг-84

Кг-85

Кг-86

0,8

0 544

Хе-129

Хе-131

Хе-132

Хе-134

Хе-136

Хе-133

Хе-135

ХЕ-137

Хе-138 стаб. стаб. стаб, стаб. стаб. стаб, стаб.

10,6 г

2,93

4,39

8,06

6,46

1,00

0,293 стаб.

2,02

Кг-87

Кг-88

Кг-89

Кг-90

Кг-91

Кг-92

78 мин

2,8 ч

3,2 мин

6,62

6,3

6,0

5,49

5,4

3,8

5,27 дн, 9,2 ч

3,9 мин

17 мин

4,59

33 с

5,0

3,45

1,87

0,48

10 с

41 с

Хе-139

Хе-140

16 с

3 с

Хе-141

Хе-142

Хе-143

Кг-93

Кг-94

2,0 с

1,4 с

1,33

1,7 с

1,5 с

0,10

0,051

0,35

1,0 с топлива объемом V за время облучеп ния, вычислялось по формуле °

Количество Ni стабильных и долгоживущих изотопов, выделившихся из

3 4 соответственно. При расчете объем неконденсирующегося газа брали равным

100 см .

Выгорание ядерного топлива вычислялось по формуле

Z = 1006 1 < Cf.с 4 >

Г где э - сечение деления атома урана-235, см2;

Ч - поток тепловых нейтронов, см-2 с-1 л время облучения, с, В результате облучения ядерного топлива выделяются газообразные продукты деления (ксенон и криптон), которые имеют различные ядерные характеристики, В таблице 1 приведены характеристики газообразных изотопов, получающихся при делении урана-235, 936733

Таблица 2

Примечание

Давление газа в объеме неконденс. газа, гПа

Температура в изотермической зоне, К

Выгорание

0,66

Температура теплоносителя реактора равна

308+5 K

Составитель Ю. Ушаков

Редактор Г ° Прусова Техред И.Гайду Корректор И. Ватрушкина

Тираж 427 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, N-35, Раушская наб., д, 4/5

Заказ 6342/1

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 где f - скорость деления урана-235;

М - относительный выход l-го

4 изотопа на один акт деления, 0 - коэффициент диффузии. осколков деления, см с

-f. а " радиус сфер, из которых спечено топливо, см

Зная количество выделившихся атомов газообразных продуктов деления, можно по известной зависимости

Р * nKT, 12,0

24,0

36,0

48,0

60,0

Применение изобретения позволит повысить надежность и оперативность где n - число молекул в единице объема

К - постоянная Больцмана;

Т - -температура в единицах Кель5 вина, определить давление газа в тепловыделяющем элементе в любой момент измерения и соответственно определить степень выгорания.

Результаты расчета сведены в табл. 2.

603

769

816

847

854

869 измерения степени выгорания ядерного топлива.,