Имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано при изучении поведения тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) ядерных реакторов экспериментальным моделированием тепловых и гидродинамических процессов при различных режимах работы реактора, в том числе аварийных. Имитатор твэла содержит оболочку, в которой размещен столб таблеток натурного топлива с центральным отверстием и расположенный с зазором в отверстиях таблеток электрический нагреватель, снабженный верхним и нижним токоподводами. Между таблетками установлены кольцевые центрирующие дистанционаторы из высокотемпературного электроизоляционного материала с тем же, что и у топливных таблеток внешним диаметром. Диаметр центрального отверстия дистанционаторов и расстояние между ними определяют из двух соотношений, учитывающих диаметры нагревателя, отверстий таблеток; коэффициенты линейного расширения материалов нагревателя, таблеток и дистанционаторов; температуру нагревателя; коэффициент, характеризующий способ заделки концов нагревателя. Предлагаемый имитатор позволяет обеспечить полноту моделирования процессов в тепловыделяющих элементах реакторов на имитаторах с теми же размерами, что и натурные твэлы, при использовании натурных топливных материалов и тех же, что и в реальных условиях испытаний твэлов, температур. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано при изучении поведения тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) ядерных реакторов экспериментальным моделированием тепловых и гидродинамических процессов при различных режимах работы реактора, в том числе аварийных.

Известна конструкция имитатора ТВЭЛ, состоящая из трубчатого корпуса (оболочки) диаметром 9,1 мм из сплава циркония Э110, концевых элементов (пробок) и размещенных внутри корпуса таблеток из диоксида урана. Имитатор размещается вертикально внутри соосного с ним трубчатого нагревателя [Сборник докладов VIII Российской конференции по реакторному материаловедению; Димитровград, 21-25 мая 2007 г., с 21-40]. Внешнее по отношению к имитатору размещение нагревателя позволяет проводить испытания элементов конструкции ТВЭЛ с геометрией, точно соответствующей геометрии натурных изделий, и с натурными таблетками ядерного топлива.

Недостатком известной конструкции является невозможность проведения корректного моделирования тепловых процессов и напряженного состояния топлива и оболочек, так как направление тепловых потоков и градиентов температуры при внешнем нагревателе противоположны натурным.

Известен имитатор тепловыделяющего элемента [A.c. SU 1 264 754, МПК G21C 17/06, опубл. 27.09.1999// С.М. Балашов и др.//], включающий оболочку и размещенный внутри нее трубчатый нагреватель. Между оболочкой и нагревателем размещен электроизолирующий материал - порошок периклаза (MgO).

Недостаток известного имитатора - невозможность полного моделирования теплового и гидродинамического состояний, химического взаимодействия, так как конструкция не предусматривает размещение в корпусе имитатора таблеток из натурного топлива. Теплофизические свойства и элементный состав заполняющего полость имитатора электроизоляционного порошка существенно отличаются от свойств материала таблеток.

Известен также имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора, содержащий оболочку, топливный столб в виде таблеток натурного топлива из диоксида урана, внутренний стержневой нагреватель, расположенный с зазором в канале, образованном центральными отверстиями таблеток, и токоподводящие узлы [Гонтарь A.C., Гриднев A.A. и др. Диоксид урана с управляемой перестройкой структуры в составе твэла термоэмиссионного реактора-преобразователя. Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе», Москва - Подольск, 1-3 марта 2005 г., сборник докладов, т.2, с.267 - 270]. По совокупности существенных признаков данный имитатор наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.

Данная конструкция обеспечивает предварительный прогрев таблеток натурного топлива с целью дальнейшего их нагрева путем прямого пропускания через таблетки электрического тока.

Недостатком известного имитатора является невозможность полноты моделирования теплового и гидродинамического состояния топливного столба и оболочки. Для полного моделирования процессов имитатор должен обеспечивать геометрические пропорции и форму, которые определяют степень подобия тепловых и гидродинамических условий на поверхности оболочки, а также те же что и у натурных твэлов теплофизические свойства и энерговыделение в материалах. В известном имитаторе не выдерживается характерное для натурных твэлов соотношение между длиной и диаметром. Длина топливного столба из таблеток натурного диаметра в устройстве, принятом за прототип, составляет 60 мм, тогда как у натурных твэлов длина топливного столба превышает метр. Количество таблеток диоксида урана в топливном столбе имитатора той же длины что и твэл более 100. Обеспечить в таком случае равномерный нагрев топливного столба прямым пропусканием через него тока невозможно из-за большого количества контактов между таблетками, где высока вероятность перегрева. Моделирование профиля температуры по длине твэла при прямом пропускании тока также невозможно.

Необходимые для моделирования теплового и гидродинамического состояния уровни температуры, профили температуры по длине и энерговыделение могут быть обеспечены использованием центрального стержневого нагревателя. Однако при больших длинах нагревателя и малых зазорах между нагревателем и таблетками (0,5-1,5 мм), между таблетками и металлической оболочкой (0,065 мм для твэла ВВЭР) из-за возможного искривления нагревателя при повышении температуры велика вероятность касания токопроводящего стержня с таблетками и таблеток с оболочкой. С ростом температуры UO₂ теряет электроизоляционные свойства. Например, для обеспечения на оболочке температуры в 1200°C, что требуется условиями испытаний при проектной аварии, температура нагревателя должна составлять ~ 2000°C, а таблеток диоксида урана 1400-1600°C. Удельное электросопротивление UO₂ при таком нагреве снижается на три порядка - с 1 Ом•м до 10^-3 Ом•м [Кржижановский P.E., Штерн З.Ю. Теплофизические свойства неметаллических материалов, Л., «Энергия», 1973], тогда как сопротивление нагревателя возрастает. Поскольку толщина топливной таблетки мала (~ 2 мм в ТВЭЛ ВВЭР), электрическое сопротивление промежутка нагреватель-оболочка при касании стержнем таблетки становится сопоставимым с сопротивлением нагревателя, длина которого может превышать несколько метров.

Касание токоведущим стержнем таблетки приводит к электрическому пробою и разрушению имитатора.

Таким образом, основным недостатком известной конструкции является ограничение по температуре при моделировании процессов с натурным материалом (диоксидом урана) и натурными размерами имитатора при исследованиях поведения твэлов на различных режимах работы реактора, в том числе аварийных.

Еще большие ограничения по температуре должны устанавливаться при модельных испытаниях твэлов с перспективными топливными композициями, у которых электропроводность выше, чем у диоксида урана.

Задача, на решение которой направлено изобретение, и обеспечиваемый им технический результат - полнота моделирования процессов в тепловыделяющих элементах реакторов на имитаторах с теми же размерами, что и натурные твэлы, при использовании натурных топливных материалов и тех же, что и в реальных условиях испытаний твэлов, температур.

Решение поставленной задачи и обеспечиваемый изобретением технический результат достигаются тем, что в имитаторе твэла, содержащем оболочку с размещенным внутри соосно оболочке топливным столбом из таблеток натурного топлива, в центральных отверстиях которых установлен стержневой нагреватель, снабженный токоподводами, согласно изобретению между таблетками установлены кольцевые центрирующие дистанционаторы из высокотемпературного электроизоляционного материала с тем же, что и у топливных таблеток внешним диаметром и с диаметром центрального отверстия, определяемого из соотношения:

$$\frac{\left(1+{\alpha }_TТ\right)}{1+{\alpha }_{Д}Т}{d}_{Т}>d_{Д}>d_{Н}\frac{\left(1+{\alpha }_{Н}Т\right)}{\left(1+{\alpha }_{Д}Т\right)}\left(1\right)$$ ,

при этом расстояние между соседними центрирующими дистанционаторами не превышает величину, равную:

$$0.25\frac{1}{\sqrt{K}}\frac{\pi d_H}{\sqrt{{\alpha }_{H}T}}\left(2\right)$$ , где

d_Н, d_Т, d_Д - соответственно диаметры нагревателя, отверстий таблеток, отверстий центрирующих дистанционаторов;

α_Н, α_Т, α_Д - соответственно коэффициенты линейного расширения материалов нагревателя, таблеток и дистанционаторов;

Т - температура нагревателя;

К - коэффициент, характеризующий способ заделки концов нагревателя.

Соблюдение условий, представляемых выражениями (1) и (2), позволяет проводить моделирование на имитаторах с таблетками не только из диоксида урана, но и из токопроводящих топливных композиций, таких как нитрид урана.

В качестве материала кольцевых центрирующих дистанционаторов может быть использован оксид бериллия. Данный материал обладает высокими электроизоляционными свойствами и с высокой надежностью обеспечивает постоянство зазора между нагревателем и топливным столбом.

Увеличение расстояния между дистанционаторами (уменьшение коэффициента К) может быть достигнуто установкой гибкого элемента на одном из токоподводов.

Выражение (1), устанавливающее границы для диаметра отверстия центрирующих дистанционаторов, позволяет учесть различие в изменениях диаметров нагревателя и отверстий в таблетках и дистационаторах с ростом температуры и не допустить превышения диаметра отверстий в дистационаторах над диаметром отверстий в таблетках, когда возможно касание нагревателя с материалом таблеток.

Причина касания токоведущего стержня (нагревателя) таблеток, приводящего к электрическому пробою и разрушению имитатора, - изгиб стержня. Изгиб может появляться как следствие провисания стержня при недостаточно строгой вертикальности имитатора (при длинах нагревателя более 1 м отклонение от вертикали не должно превышать долей градуса), так и как следствие появления осевой нагрузки Р из-за ограничения свободного удлинения стержня при тепловом расширении.

Назначение центрирующих дистанционаторов - не допустить изгиба, приводящего к касанию с топливными таблетками.

Выражение (2) для определения необходимого расстояния между соседними дистанционаторами получено из решения задачи об устойчивости сжатого стержня (задача Эйлера). Первая критическая сила, при которой стержень начинает изгибаться, запишется как:

$$P_K=\frac{{\pi }^{2}EJ}{L^2}\left(3\right)$$ ,

где E - зависящий от температуры модуль упругости материала, L - длина стержня, J - момент инерции стержня при изгибе, равный для стержня с сечением в виде круга $$\raisebox{1ex}{$\pi d_H^4$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$64$}\right.$$ .

Осевая нагрузка Р, действующая на стержень, для сохранения его прямолинейной формы не должна превышать Р_кр. При жесткой заделке концов нагревателя осевая нагрузка, вызванная нагревом стержня, определяется выражением:

$$P=\epsilon EF=\frac{\Delta L}{L}EF\left(4\right)$$ ,

где ε - осевая деформация стержня, площадь сечения стержня $$F=\frac{\pi d_H^2}{4}$$ , тепловое удлинение стержня ΔL=Lα_HТ. Тогда P=α_HTEF.

Из условия Р_кр≥Р можно получить:

$$\frac{{\pi }^{2}EJ}{{\alpha }_{H}TEF}\ge L^2или\frac{d_H^2}{16}\frac{{\pi }^2}{{\alpha }_{H}T}\ge L^2\left(5\right)$$

Выражение (5) позволяет определить допустимую длину стержня (расстояние между точками крепления) для наиболее сложного случая, когда жесткая заделка концов не позволяет стержню свободно удлиняться при нагреве. Применяемые методы - установка сильфонных развязок или гибких токоподводов - снижают осевую нагрузку, но полностью ее не устраняют.

Влияние способа заделки концов нагревателя учитывается введением в выражение (5) коэффициента К. Значение К равно единице для случая жесткой заделки концов, для других вариантов заделки К определяется как отношение суммы действующих на стержень осевых сил, вызванных сопротивлением упругих элементов (гибкого токоподвода или сильфона), тепловым расширением токоподводов и корпуса к рассчитанной по формуле Р=α_HTEF силе, возникающей в стержне при жесткой заделке концов:

$$\frac{P_{У}+{Р}_{Д}-{Р}_{К}}{Р}\left(6\right)$$ .

Сила сопротивления Р_У определяется расчетным путем или экспериментально: измеряется осевая сила на стержень с упругим элементом, необходимая для такого же удлинения, что и при нагреве. Дополнительная сила Р_Д на стержень, связанная с тепловым расширением лежащих на одной оси с нагревателем составных токоподводов, рассчитывается как сумма сил от каждой части токоподвода с учетом материала и геометрии этой части. Тепловое расширение корпуса имитатора (оболочки), в котором размещен нагреватель, снижает нагрузку на нагреватель. Сила Р_К, вызванная удлинением корпуса, в выражении (6) имеет отрицательный знак, она рассчитывается по температуре, коэффициенту теплового расширения и модулю упругости материала оболочки.

Окончательно выражение для определения максимально допустимой длины стержня между элементами его крепления запишется как:

$$L=0.25\frac{1}{\sqrt{K}}\frac{\pi d_H}{\sqrt{{\alpha }_{H}T}}\left(7\right)$$ .

Электроизоляционные дистанционаторы с отверстием, диаметр которых меньше диаметра отверстий в таблетках, выполняют роль промежуточных опор - креплений, препятствующих изгибу стержня.

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежом, на котором изображена конструкция имитатора твэла.

Имитатор состоит из оболочки 1, стержневого нагревателя 2, топливных таблеток 3, кольцевых центрирующих дистанционаторов 4, верхнего токоподвода 5 и нижнего составного токоподвода 6, снабженного гибким элементом в виде токоподводящего жгута 7 в изоляционных бусах 8, гермовводов 9, 10.

Нагреватель 2, представляющий собой стержень круглого сечения, установлен внутри оболочки 1 соосно последней. Между оболочкой 1 и нагревателем 2 размещен столб из топливных таблеток 3 - цилиндров с осевым отверстием для размещения нагревателя. Через промежутки, рассчитанные с помощью выражения, приведенного в формуле изобретения, установлены центрирующие дистанционаторы 4. Нагреватель 1, выполненный из вольфрама, соединен сваркой с молибденовыми частями и далее - резьбовыми соединениями с медными частями верхнего токоподвода 5 и нижнего составного токоподвода 6. Последовательно с нижним токоподводом установлен гибкий токоподводящий жгут 7 из медной проволоки, помещенной в электроизоляционные керамические бусы 8. Подсоединения токоподводов к источнику питания осуществлено через гермовводы 9, 10.

Имитатор работает следующим образом. Один или несколько имитаторов, моделирующих тепловыделяющую сборку, устанавливаются вертикально в герметичном канале. От источника питания через токоподводы 5, 6 и нагреватель 2 пропускается ток. Материал и диаметры токоподводов подбираются таким образом, чтобы основное тепловыделение приходилось на нагреватель, где соосно с нагревателем размещены топливные таблетки. Тепловой поток от нагревателя поступает на исследуемые элементы - таблетки топлива, оболочку, обеспечивая заданные по условиям испытаний уровни и радиальные градиенты температуры.

Установленные между таблетками через рассчитанные расстояния центрирующие дистанционаторы из высокотемпературного электроизоляционного материала ограничивают перемещения нагревателя поперек его оси, связанные с возможной потерей устойчивости и изгибом, и не допускают контакта токоведущего стержня с топливными таблетками, приводящего к электрическому пробою.

Для проведения исследований деформационного и коррозионного поведения тепловыделяющих элементов в таких условиях необходим имитатор, воспроизводящий геометрические размеры натурных твэлов и использующий те же материалы, что и в натурных твэлах.

Пример 1

В качестве первого примера конкретного осуществления может быть рассмотрен имитатор твэла реактора ВВЭР, предназначенный для моделирования проектных аварийных ситуаций, связанных с разрывом трубопровода теплоносителя. Условия испытания: температура оболочки 1200, агрессивная среда с наружной стороны оболочки (перегретый водяной пар), давление внутри оболочки до 60 атм.

Оболочка имитатора выполнена из сплава Э110, наружный и внутренний диаметры соответственно 9.13 и 7.73 мм. Топливные таблетки имитатора - из необлученного диоксида урана. Диаметр таблеток 7.6 мм, высота - 11 мм, диаметр центрального отверстия - 4.2 мм. Высота стержневого нагревателя из вольфрама - 1275 мм, столба топливных таблеток - 1200 мм. Длина оболочки, в которой размещается нагреватель с токоподводами, гибким токопроводящим жгутом в бусах из окиси алюминия - 2000 мм. Общая длина имитатора - 2100 мм.

Для нагревателя диаметром 3 мм геометрия отверстия в центрирующих дистанционаторах из окиси бериллия при предполагаемой температуре нагревателя 2000°C определяется условием:

$$\frac{\left(1+{\alpha }_TТ\right)}{1+{\alpha }_{Д}Т}{d}_{Т}>d_{Д}>d_{Н}\frac{\left(1+{\alpha }_{Н}Т\right)}{\left(1+{\alpha }_{Д}Т\right)}$$ ,

или рассчитанным по значениям коэффициентов линейного расширения и максимальной температуре, принятой одинаковой для дистанционаторов, таблеток и нагревателя (2000°C), условием 4.1>d_Д>3.

Высота дистанционатора выбирается из условия достаточной прочности при сжатии силой, равной весу топливного столба с центрирующими дистанционаторами (~ 0.4 кг на 1 м столба), так как конструкция имитатора позволяет топливному столбу свободно удлиняться при нагреве. Для рассматриваемого случая высота дистанционатора 3 мм, диаметр отверстия 3.2 мм.

Расстояние между дистанционаторами l и количество дистанционаторов n, размещаемых в имитаторе, вычисляется по формуле:

$$l=\frac{L}{n}=0.25\frac{1}{\sqrt{К}}\frac{\pi d_{Н}}{\sqrt{{\alpha }_{Н}Т}}$$

Для рассматриваемого примера $$l=\frac{1.275}{n}=0.25\frac{1}{\sqrt{К}}\frac{3.14\cdot 3\cdot {10}^{-3}}{\sqrt{7\cdot {10}^{-6}\cdot 2\cdot {10}^3}}~\frac{0.02}{\sqrt{К}}$$

При жесткой заделке концов нагревателя (К=1) расстояние между соседними центрирующими дистанционаторами ~ 20 мм; количество центрирующих дистанционаторов - 65.

Установка гибкого элемента позволяет уменьшить количество дистанционаторов, увеличить расстояние между ними. Экспериментально определенное значение коэффициента К для токоподводов с гибким жгутом с бусами составляет 0.12; в этом случае l=57.5 мм, n=22. Значение К при установке дополнительного гибкого элемента, обеспечивающего относительно свободное удлинение корпуса имитатора при нагреве, равно 0.036; и в этом случае расстояние между центрирующими дистанционаторами ~105 мм, их количество 12.

Пример 2

Оболочка имитатора выполнена из специальной стали ЭП823, наружный и внутренний диаметры 9.1 мм и 8.1 мм. Топливные таблетки имитатора - из топливной композиции из нитрида урана. Диаметр таблеток 8.0 мм, высота - 11 мм, диаметр центрального отверстия - 4.2 мм. Высота стержневого нагревателя из вольфрама - 600 мм, столба топливных таблеток - 580 мм. Длина оболочки, в которой размещается нагреватель с токоподводами, гибким токопроводящим жгутом в бусах из окиси алюминия - 1100 мм. Общая длина имитатора - 1200 мм.

Расчеты, определяющие количество дистанционаторов по длине нагревателя, для примера 2 аналогичны расчетам, приведенным выше для примера 1.

Установка в имитаторе центрирующих дистанционаторов из высокотемпературного электроизоляционного материала с обоснованными размерами и расстоянием между ними позволяет повысить достоверность результатов испытаний ТВЭЛ за счет использования натурных топливных материалов и исключить разрушение имитаторов при высоких температурах.

1. Имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора, содержащий оболочку, в которой размещен столб таблеток натурного топлива с центральным отверстием и расположенный с зазором в отверстиях таблеток электрический нагреватель, снабженный верхним и нижним токоподводами, отличающийся тем, что между таблетками установлены кольцевые центрирующие дистанционаторы из высокотемпературного электроизоляционного материала с тем же, что и у топливных таблеток внешним диаметром и с диаметром центрального отверстия, определяемого из соотношения:
,
при этом расстояние между соседними центрирующими дистанционаторами не превышает величину, равную:
, где
d_Н, d_Т, d_Д - соответственно диаметры нагревателя, отверстий таблеток, отверстий центрирующих дистанционаторов;
α_Н, α_Т, α_Д - соответственно коэффициенты линейного расширения материалов нагревателя, таблеток и дистанционаторов;
Т - температура нагревателя;
К - коэффициент, характеризующий способ заделки концов нагревателя.

2. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что таблетки выполнены из токопроводящей топливной композиции.

3. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что центрирующие дистанционаторы выполнены из оксида бериллия.

4. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что нижний токоподвод снабжен гибким элементом в виде токоподводящего жгута, помещенного в электроизоляционные керамические бусы.