ТЕПЛОВОЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОЕ ПУСКОВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1999 года по МПК G21C7/02 G21C7/08 G21C7/12 

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к системам прямодействующей аварийной защиты ядерных реакторов по превышению допустимого уровня температуры, и может быть использовано также для защиты по уровню температуры химического, технологического и энергетического оборудования.

Известно устройство (пат. США N 3115453 от 02.08.61, кл. МКИ G 21 C 7/08, кл. НКИ 376-336), содержащее рабочий элемент из температурочувствительного вещества, температура плавления которого соответствует температуре срабатывания устройства. Один конец элемента (рабочего) - фиксированный, а на втором подвижном конце закреплен поглотитель нейтронов.

Рабочий элемент при достижении определенной температуры срабатывания плавится и происходит падение поглотителя нейтронов в активную зону.

Недостатками известного устройства являются:
1. Невозможность вторичного использования (разовый характер срабатывания).

2. Нерегулируемость.

3. Трудность подбора материала рабочего элемента из-за коррозионного воздействия теплоносителя.

4. Материал рабочего элемента может являться источником загрязнения теплоносителя. После срабатывания устройства при выводе ядерной энергетической установки (ЯЭУ) в нормальные условия эксплуатации кристаллизация температурочувствительного вещества рабочего элемента в узких проходных сечениях может привести к аварийной ситуации.

5. Высокая инерционность устройства из-за необходимости проплавления рабочего элемента по всему сечению.

6. Отсутствие силового элемента, обеспечивающего ускорение поглотителю нейтронов при его сбросе.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство для освобождения нейтронного поглотителя согласно пат. США N 3992257, МКИ G 21 C 7/08, НКИ 176-366, опубл. 16.11.1976.

Известное устройство представляет горизонтально расположенный эластичный контейнер с фиксированным и подвижным концом, обеспечивающим удержание поглотителя при горизонтальном расположении устройства. Устройство содержит пружину, расположенную вдоль оси контейнера и придающую ему форму. Внутри эластичного контейнера помещено температурочувствительное вещество, имеющее температуру плавления, соответствующую критической температуре. Температурочувствительное вещество занимает существенную часть объема эластичного контейнера. Когда температурочувствительное вещество находится в твердом состоянии, устройство имеет указанную форму.

Когда температура окружающей среды становится равной или выше критической, температурочувствительное вещество переходит в жидкое состояние и его прочность и упругость пружины становятся недостаточными для удержания поглотителя нейтронов. В результате под действием силы со стороны поглотителя нейтронов на устройство последнее изгибается. При этом нарушается связь между устройством и поглотителем, поглотитель нейтронов падает. Пружина возвращает устройство в исходное состояние.

Основным недостатком прототипа является ненадежность срабатывания, так как:
1. Отсутствуют пассивные силовые элементы в устройстве, позволяющие при достижении температуры окружающей среды (около устройства) критического значения произвести активный сброс поглотителя.

2. Наличие пружины в эластичном контейнере увеличивает инерционность устройства, так как она удерживает контейнер в нейтральном (горизонтальном) положении, а не побуждает к действию.

3. Температурочувствительное вещество занимает существенную часть объема эластичного контейнера и играет пассивную роль: при плавлении лишь разрешает контейнеру изменить форму под воздействием веса поглотителя нейтронов.

4. Для надежного срабатывания устройства необходимо полное расплавление температурочувствительного вещества в эластичном контейнере.

5. Отсутствует возможность регулировки усилия срабатывания устройства.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно увеличение надежности срабатывания устройства.

Для решения указанной задачи предлагается в известном устройстве, содержащем заполненный температурочувствительным веществом, температура плавления которого соответствует температуре срабатывания устройства, эластичный контейнер с фиксированным и подвижным концом, который связан со спусковым механизмом, в эластичный контейнер введен капиллярно-пористый материал, несмачиваемый температурочувствительным веществом, причем температурочувствительное вещество по крайней мере частично находится в порах капиллярно-пористого материала.

В заявленном устройстве расплавление температурочувствительного вещества освобождает запасенную энергию, определяемую равенством

где - капиллярное давление Лапласа,
σ - поверхностное натяжение температурочувствительного вещества в жидком состоянии,
θ краевой угол ( θ > 90^o),
r - радиус пор и капилляров в капиллярно-пористом материале,
Ω - межфазная поверхность контакта жидкое температурочувствительное вещество - капиллярно-пористый материал.

Под действием давления Лапласа P жидкое температурочувствительное вещество выходит из пор несмачиваемого им капиллярно-пористого материала, эластичный контейнер удлиняется и создает усилие, которое заставляет спусковой механизм отпустить поглощающий элемент.

Таким образом, устройство само производит усилие для освобождения поглотителя, что обеспечивает большую надежность срабатывания. Для срабатывания устройства не нужно полного проплавления температурочувствительного вещества по сечению эластичного контейнера, т.к. в первую очередь происходит плавление температурочувствительного вещества по контуру эластичного контейнера. Поэтому капиллярно-пористый материал можно разместить в непосредственно близости к стенкам контейнера. Порозность (доля свободного объема) же капиллярно-пористого материала доходит до 90^o. Следовательно, используя сравнительно небольшой объем эластичного контейнера под капиллярно-пористый материал, заполненный несмачивающим его температурочувствительным веществом, можно получить значительное удлинение контейнера.

Использование несмачиваемых капиллярно-пористых материалов с различным размером пор и капилляров позволяет регулировать усилие срабатывания.

Использование изобретения позволит увеличить безопасность эксплуатации и ресурс работы ядерных энергетических установок.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где
фиг. 1 - устройство в исходном состоянии (до срабатывания);
фиг. 2 - местный разрез капиллярно-пористого материала, заполненного несмачиваемым его температурочувствительным веществом (до срабатывания);
фиг. 3 - устройство после срабатывания;
фиг. 4 - местный разрез капиллярно-пористого материала после срабатывания.

Устройство фиг. 1 состоит из эластичного контейнера в виде сильфона 1, корпуса 2, фиксированного 3 и подвижного 4 концов сильфона 1, спускового механизма 5, несмачиваемого капиллярно-пористого материала 6 с капиллярами (порами) 7 фиг. 2, температурочувствительного вещества 8 и опор 9.

Корпус установлен на опорах 9 в головке тепловыделяющей сборки 10, спусковой механизм 5 при нормальном температурном режиме эксплуатации ЯЭУ удерживает поглощающий элемент 11. Устройство омывается теплоносителем.

В исходном состоянии поры 7 несмачиваемого капиллярно-пористого материала 6 заполнены температурочувствительным веществом 8, находящимся в твердом состоянии.

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 3 и 4). Когда температура теплоносителя, двигающегося по тепловыделяющей сборке 10 к эластичному контейнеру 1 с температурочувствительным веществом 8 и несмачиваемым им капиллярно-пористым материалом 6, поднимается выше значения температуры срабатывания, температурочувствительное вещество 8 плавится и под действием капиллярного давления Лапласа

где σ - поверхностное натяжение температурочувствительного вещества в жидком состоянии;
θ - краевой угол (θ > 90^o);
r - радиус пор и капилляров в капиллярно-пористом материале,
выходит из пор 7 капиллярно-пористого материала 6. Эластичный контейнер удлиняется на величину рабочего хода, верхний фиксированный конец 3, закрепленный в корпусе 2, остается на месте, нижний подвижный конец 4 опустится относительно корпуса 2 на величину рабочего хода, спусковой механизм 5 размыкается при воздействии усилия
F = P • S,
где S - поперечное сечение эластичного контейнера, и выпускает поглощающий элемент 11 со скоростью движения подвижного конца эластичного контейнера, которая зависит от скорости выхода температурочувствительного вещества 8 из пор 7 капиллярно-пористого материала 6.

Использование предлагаемого технического решения позволяет значительно повысить надежность и эффективность срабатывания устройства, а это увеличивает безопасность эксплуатации и ресурс работы ЯЭУ.

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к системам прямодействующей аварийной защиты ядерных реакторов по превышению допустимого уровня температуры, может быть использовано для защиты по уровню температуры химического, технологического и энергетического оборудования, позволяет значительно повысить надежность и эффективность срабатывания устройства, а это увеличивает безопасность эксплуатации и ресурс работы оборудования. Сущность изобретения: в тепловом чувствительном пусковом устройстве, содержащем заполненный температурочувствительным веществом, температура плавления которого соответствует температуре срабатывания устройства, эластичный контейнер с фиксированным и подвижным механизмом, в эластичный контейнер введен капиллярно-пористый материал, не смачиваемый температурочувствительным веществом, причем температурочувствительное вещество по крайней мере частично находится в порах капиллярно-пористого материала. 4 ил.

Тепловое чувствительное пусковое устройство, содержащее заполненный температурочувствительным веществом эластичный контейнер с фиксированным и подвижным концом, который связан со спусковым механизмом, отличающееся тем, что в эластичный контейнер введен капиллярно-пористый материал, не смачиваемый температурочувствительным веществом и заполнен им, причем температура плавления вещества соответствует температуре срабатывания устройства, радиус пор материала удовлетворяет условию

где r - радиус пор;
σ - поверхностное натяжение температурочувствительного вещества в жидком состоянии;
θ - краевой угол контакта (θ > 90^o);
P - давление на эластичный контейнер от внешних воздействий.