ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ АМПУЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК G21C17/06 

Изобретение относится к реакторной технике, а конкретно - к экспериментальным устройствам исследовательских ядерных реакторов, и может быть использовано при проведении внутриреакторных испытаний конструкционных и делящихся материалов и изделий из них, в частности для моделирования аварийных ситуаций, связанных с резким уменьшением теплоотдачи от исследуемых образцов за счет потери теплоносителя.

Известен ампульный канал, охлаждаемый теплоносителем и состоящий из корпуса и помещенной в него ампулы, причем зазор между ними заполнен теплопроводящим газообразным веществом (Не, Аr и т.п.). Регулирование процесса теплосъема с ампулы производится путем изменения давления газа в зазоре. Термическое сопротивление зазора при этом меняется не более, чем на порядок [1]. К недостаткам этой конструкции следует отнести сравнительно узкий диапазон изменения термического сопротивления. Кроме того, при облучении данной ампулы в реакторе накладываются ограничения на максимальное энерговыделение в ампуле и химическую активность газа.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является помещенное в поток теплоносителя экспериментальное ампульное устройство, внутри корпуса которого с зазором по отношению к корпусу размещена капсула с образцами, а зазор заполнен легкоплавким металлическим сплавом (Рb + Bi), находящимся в жидком состоянии при облучении ампулы в реакторе [1] . Регулирование процесса теплосъема с капсулы производится изменением скорости потока теплоносителя, омывающего ампульное устройство. Данное ампульное устройство, не имея существенных ограничений по уровню энерговыделения в капсуле, не способно обеспечить резкое изменение (в 100 - 1000 раз) теплосъема с капсулы с образцами.

Целью изобретения является расширение экспериментальных возможностей ампульного устройства за счет значительного, не менее чем на 2 порядка, изменения термического сопротивления зазора между капсулой с образцами и корпусом ампульного устройства в процессе облучения в реакторе, позволяющего имитировать аварийную ситуацию при внезапной потере теплоносителя, для выработки рекомендаций по повышению безопасности реактора.

Для достижения цели предложено экспериментальное ампульное устройство, состоящее из герметичного корпуса, внутри которого расположена капсула с образцами, а зазор между корпусом и капсулой заполнен легкоплавким металлическим сплавом, при этом в верхней части корпуса расположена полость с газом, а внутренний объем корпуса посредством отверстия в нижней части корпуса, перекрытого разрушаемой пробкой, соединен с отвакуумированной емкостью.

Кроме того, полость в верхней части корпуса может быть заполнена парами воды.

Ампульное устройство с целью управления моментом разрушения пробки может быть снабжено нагревателем, размещенным на корпусе вокруг пробки, а пробка выполнена из сплава с температурой плавления, на 50-200^о выше рабочей температуры расплава.

Для разрушения пробки предложено выполнить ее из сплава, температура плавления которого лежит в интервала 250-400^оС, что вызвано необходимостью удержания расплава металла, имеющего рабочую температуру выше температуры его плавления на 50-150^оС (в зависимости от уровня энерговыделения в капсуле), в зазоре между корпусом и капсулой до необходимой величины выгорания в образцах, с одной стороны, а с другой стороны - минимизацией энергии, подводимой к нагревателю и необходимой для разрушения пробки. Диапазон температур выбран на основании проведенного теплофизического расчета ампулы.

При разрушении пробки расплавленный металлический сплав вытекает в отвакуумированную емкость, а зазор между капсулой и корпусом оказывается заполненным газом. Термическое сопротивление зазора резко возрастает, теплосъем с капсулы ухудшается на 2-3 порядка. В случае заполнения полости парами воды оболочка капсулы, имеющей прежний уровень энерговыделения, оказывается в соприкосновении с парами воды, что характерно для аварийной ситуации, вызванной потерей теплоносителя в активной зоне реактора. Для анализа последствий химической реакции оболочки капсулы с парами воды в ряде экспериментов пары воды могут быть заменены инертным газом.

На фиг. 1 представлено экспериментальное ампульное устройство, общий вид; на фиг.2 представлен вариант выполнения ампульного устройства с разрушаемой пробкой из легкоплавкого сплава и управлением моментом ее разрушения с помощью нагревателя; на фиг.3 - вариант выполнения ампульного устройства с пробкой, разрушаемой давлением газа.

Предлагаемое экспериментальное ампульное устройство (фиг.1) состоит из корпуса 1, омываемого потоком теплоносителя 2, и капсулы с образцами 3, установленной с зазором внутри корпуса и имеющей центрирующие выступы. Зазор между корпусом и капсулой заполнен легкоплавким металлическим сплавом 4. Корпус в нижней части имеет закрытое разрушаемой пробкой 5 отверстие 6, соединяющее внутренний объем корпуса с герметичной отвакуумированной емкостью 7. В верхней части корпуса расположена полость 8, заполненная парами воды или каким-либо иным газом.

Устройство работает следующим образом. После установки в канал реактора за счет энерговыделения в капсуле с образцами 3 повышается температура ампульного устройства и металлический сплав 4, заполняющий зазор между капсулой 3 и корпусом 1, переходит в жидкое состояние. Теплосъем с капсулы осуществляется теплоносителем 2, омывающим ампульное устройство. При достижении необходимого выгорания в образцах, расположенных внутри капсулы 3, по сигналу оператора разрушается пробка 5 и весь металлический расплав через отверстие 6 под действием разности давлений и силы тяжести вытекает в предварительно отвакуумированную емкость 7. Зазор между корпусом и капсулой заполняется газом из полости 8, термическое сопротивление зазора при этом увеличивается в λ_м/λ_г раз, где λ_м, λ_г - коэффициент теплопроводности металлического расплава и газа соответственно. Так, при использовании в качестве теплопроводящего вещества эвтектического сплава Рb+Sn+Bi с температурой плавления ≈ 70^оС и λ _м≈ 15 Вт/м ˙ град и паров воды с λ_г ≈ 0,04 Вт м ˙ град при температуре ≈ 300^оС и давлении до 5 кгс/cм² термическое сопротивление увеличивается в ≈ 350 раз.

Вариантом исполнения ампульного устройства (фиг.2) является изготовление разрушаемой пробки 5 из материала с температурой плавления на 50-200^оС выше, чем рабочая температура расплава 4 в зазоре, например, из эвтектического сплава на основе Рb + Sn. Снаружи на корпусе размещается нагреватель 9, подачей сигнала на который определяется момент разрушения пробки и истечения расплава 4 из зазора в отвакуумированную емкость 7.

В другом варианте исполнения ампульного устройства (фиг.3) разрушаемая пробка 5 выполнена в виде мембраны, разрушающейся при определенном давлении. При этом полость с газом 8 контактирует через сильфон 9 с газовой системой 10. При подаче в газовую систему давления сильфон сжимается, давление газа внутри корпуса повышается и мембрана 5 разрывается. Расплав 4 из зазора между корпусом 1 и капсулой 3 выдавливается в емкость 7.

Для моделирования процессов, протекающих в реакторах типа ВВЭР при аварии с потерей теплоносителя, спроектировано устанавливаемое в канал исследовательского реактора с протоком дистиллированной воды ампульное устройство со следующими параметрами: материал оболочки капсулы - циркониевый сплав, наружный диаметр капсулы - 9,1 мм, внутренний - 7,8 мм, образцы - топливные таблетки из UO₂ (типа ВВЭР), высота топливного столба ≈ 150 мм, внешний диаметр корпуса - 18 мм, внутренний - 11 мм, материал корпуса - коррозионностойкая сталь, материал - заполнитель зазора - эвтектика Рb+Sn+Bi с температурой плавления ≈70^оС и коэффициентом теплопроводности λ_м ≈ 15 Вт (м ˙ град), заполнитель газовой полости - пары воды (в чистом виде или в смеси с другими газами) с коэффициентом теплопроводности λ_г от 0,4 до 0,24 Вт/м ˙ град при температуре ≈300^оС и давлении до 5 кгс/см², отношение объема газовой полости к объему расплава ≈ 1,5, материал пробки - эвтектика на основе Рb+Sn с температурой плавления 250-400^оС, тип нагревателя - электрический.

Наличие паров воды, заполняющих зазор между корпусом и капсулой, создает практически полную имитацию аварийной ситуации на реакторе, вызванной потерей теплоносителя (воды), и позволяет исследовать процессы химического взаимодействия оболочки капсулы с парами воды в зависимости от времени выдержки в нейтронном потоке в достаточно широком диапазоне температур (от 600^оС и выше). Изучение этих процессов при различных исполнениях капсулы (материал и конструкция оболочки, состав образцов и т.п.) и режимах облучения позволит выявить оптимальные с точки зрения безопасности варианты исполнения топливных элементов реакторов и разработать обоснованные технические требования к системам безопасности реактора (система аварийной защиты, система аварийного расхолаживания, системы локализации и другие).

Кроме того, простота и надежность конструкции корпуса ампульного устройства, не имеющего мест ослабления (газовые коммуникации, прокладки, сильфоны и т.п.), имеют большое значение для безопасности проводимых экспериментов.

Использование: в реакторной технике, при проведении внутриреакторных испытаний конструкционных и делящихся материалов и изделий из них. Сущность изобретения: экспериментальное ампульное устройство, состоящее из герметичного корпуса, внутри которого расположена капсула с образцами, причем зазор между капсулой и корпусом заполнен легкоплавким металлическим сплавом. В верхней части корпуса расположена полость с газом, а внутренний объем корпуса посредством отверстия в нижней части корпуса, перекрытого разрушаемой пробкой, соединен с отвакуумированной емкостью. Полость в верхней части корпуса может быть заполнена парами воды. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ АМПУЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее капсулу для образцов, размещенную внутри корпуса с зазором, заполненным легкоплавким металлическим сплавом, отличающееся тем, что, с целью моделирования аварийной ситуации на ядерном реакторе при внезапной потере теплоносителя в активной зоне, в верхней части корпуса расположена полость с парами воды, внутренний объем корпуса посредством отверстия в нижней части корпуса соединен с отвакуумированной емкостью, а отверстие перекрыто разрушаемой пробкой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пробка выполнена из металлического сплава, имеющего температуру плавления на 50-200^o выше рабочей температуры металлического сплава, заполняющего зазор между капсулой и корпусом, а на корпусе в нижней его части размещен нагреватель.