ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ МАКЕТ ПЕТЛЕВОГО КАНАЛА Российский патент 2001 года по МПК G21D7/04 H01J45/00 

Изобретение относится к реакторной теплофизике и термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в программе реакторной отработке различного рода твэл, прежде всего термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС).

В практике реакторных теплофизических исследований ТВЭЛ и реакторных испытаний ЭГС получил широкое распространение реакторный эксперимент с использованием теплофизического макета испытательного устройства с моделью ТВЭЛ. Основное назначение такого эксперимента - определение тепловой мощности и распределения тепловыделения в исследуемых ТВЭЛ. Так, например, применительно к реакторным испытаниям термоэмиссионных ЭГС реакторный эксперимент с ТФМ позволяет:
1) определить абсолютное значение и пространственное распределение тепловыделения в топливных сердечниках ЭГС и тем самым найти коэффициент пропорциональности этих величин тепловой или нейтронной мощности реактора или нейтронно-физической обстановки в испытательной ячейке реактора;
2) измерить реактивность, вносимую испытательным устройством (петлевым каналом - ПК), и тем самым спрогнозировать допустимую длительность компании реактора при испытаниях устройства;
3) при необходимости сформировать требуемый профиль тепловыделения по высоте испытываемой ЭГС, а в некоторых случаях - и требуемый спектр нейтронов;
4) провести ряд диагностических экспериментов.

Основное требование к ТФМ, по существу являющемся аналогом ПК с испытываемой ЭГС - идентичность используемых при изготовлении ТФМ материалов и геометрии с материалами и геометрией ПК с ЭГС.

Близким к изобретению по технической сущности является ТФМ петлевого канала, описанный в [1]. Он содержит корпус с размещенными в нем с зазором калориметрами, выполненными с возможностью размещения в каждом из них топливно-эмиттерного узла электрогенерирующего элемента (ЭГЭ) моделируемой ЭГС, причем между двумя соседними калориметрами размещена вставка в виде топливного сердечника из делящегося вещества, диаметр которой равен диаметру топливного сердечника топливно-эмиттерного узла, при этом расстояние между торцами топливно-эмиттерного узла ЭГЭ, размещенного внутри калориметра, и топливного сердечника равно расстоянию между соседними ЭГЭ в моделируемой ЭГС.

В таком ТФМ обеспечивается высокая точность определения тепловыделения вследствие полного соответствия материалов и геометрии в ТФМ и моделируемом ПК с ЭГС. Однако он требует изготовления дополнительного количества топливных сердечников из делящегося вещества, используемых в виде вставок между калориметрами. Это удорожает изготовление ТФМ и усложняет утилизацию ТФМ после реакторных испытаний.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТФМ петлевого канала, предложенный в [2]. Он также содержит корпус с размещенными в нем с зазором калориметрами, выполненными с возможностью размещения в каждом из них топливно-эмиттерного узла электрогенерирующего элемента (ЭГЭ) моделируемой ЭГС, причем между двумя соседними калориметрами размещена вставка в виде двух тонких таблеток из делящегося вещества, диаметр которых равен диаметру топливного сердечника топливно-эмиттерного узла, при этом расстояние между торцем топливно-эмиттерного узла ЭГЭ, размещенного внутри калориметра, и ближайшем к нему торцем вставки равно расстоянию между соседними ЭГЭ в моделируемой ЭГС.

В таком ТФМ ПК также обеспечивается высокая точность определения тепловыделения вследствие полного соответствия материалов и геометрии в ТФМ и моделируемом ПК с ЭГС. Такой ТФМ при изготовлении требует меньшего количества топливных таблеток из делящегося вещества, используемых в виде вставок между калориметрами. Это несколько снижает изготовление ТФМ. Однако все же требует специального изготовления тонких таблеток топлива и усложняет утилизацию ТФМ после реакторных испытаний.

Техническим результатом, достигаемом при применении изобретения, является уменьшение количества делящегося вещества в ТФМ, и соответственно, снижения его стоимости изготовления и упрощение утилизации ТФМ после реакторных испытаний.

Указанный технический результат достигается тем, что в теплофизическом макете петлевого канала, содержащем корпус с размещенными внутри него калориметрами, выполненными с возможностью размещения в каждом из них топливно-эмиттерного узла ЭГЭ моделируемой термоэмиссионной ЭГС, причем между двумя соседними калориметрами размещена вставка, выполненная из неделящегося вещества с большим сечением поглощения нейтронов. В качестве материала вставки с большим сечением поглощения нейтронов может быть использован бор или его соединения, в том числе обогащенные по изотопу бора-10.

На чертеже приведена конструкционная схема предлагаемого ТФМ ПК.

ТФМ ПК содержит корпус 1, который может быть выполнен герметичным, и внутри него размещены калориметры 2, выполненные, например, в виде стаканов с крышкой, на наружной поверхности которых через слой электроизоляции навита измерительная цепочка 3 из последовательно соединенных термоэлектрических элементов, которая снабжена выводами 4, выполненными, например, в виде термопар. Между соседними торцами 5 всех калориметров 2 размещена вставка 6 из неделящегося вещества, но с большим сечением поглощения нейтронов. Вставки не размещаются у крайних торцов 7 сборки всех калориметров. В качестве материала вставки с такими свойствами может быть использован бор или его соединения с естественным изотопным составом или с обогащением по изотопу бор-10, у которого максимальное значение сечения поглощения тепловых нейтронов. Внутри каждого из калориметров 2 размещены топливно-эмиттерные узлы ЭГЭ, содержащие эмиттерную оболочку 8 и размещенный внутри нее топливный сердечник 9 из делящейся композиции, например, оксида или карбида урана. Возможно размещение внутри калориметра 2 топливного сердечника 9 и без эмиттерной оболочки 8. Расстояние между торцом топливного сердечника 9 и торцом вставки 6 выбрано равным расстоянию между торцами топливных сердечников соседних ЭГЭ в моделируемой ЭГС. Высота вставки 6 может быть выбрана любой и будет определяться конструкцией ТФМ и соотношением количества топливно-эмиттерных узлов в ТФМ и количеством ЭГЭ в моделируемой ЭГС. Диаметр вставки 6 выбран равным диаметру топливного сердечника 9.

ТФМ ПК работает следующим образом.

После изготовления отдельных калориметров 2 они должны быть отградуированы. Для этого внутрь каждого из калориметров 2 помещается электронагреватель. При электрической мощности W электронагревателя при прохождении теплового потока через цепочку термоэлементов в ней возникает термоэдс в виде электрического сигнала E, который регистрируется с помощью термопарных выводов 4. Одновременно регистрируется и температура Т термоэлектрической цепочки 3. В результате для каждого i-го калориметра 2 будет определен зависящий от температуры коэффициент чувствительности
К_i+(Т) = W_i/E_i. (1)
После градуировки в каждый из калориметров 2 размещается топливно-эмиттерный узел 8. Производится сборка всех калориметров 2 с размещением между ними вставок 6 из неделящегося вещества с большим сечением поглощения нейтронов. ТФМ помещается в ячейку ядерного реактора, в которой затем будет испытываться петлевой канал с ЭГС. Мощность реактора поднимается до рабочего значения N. В результате деления ядер урана в каждом топливном сердечнике 9 выделяется тепловая мощность Qi. Тепло проходит через измерительную термоэлектрическую цепочку 3, что вызывает появление электрического сигнала E на каждом из калориметров 2. Сигнал E и температура T каждого калориметра регистрируются. После этого тепловая мощность каждого i-го топливного сердечника определяется по формуле
Q_i = К_i/T_i) E_i. (2)
Зная Q_i и мощность реактора N, при которой испытывался ТФМ, можно найти соотношение тепловой мощности каждого топливного сердечника и мощности реактора
A_i = Q_i/N. (3)
Это полученное таким образом соотношение и используется при реакторных испытаниях петлевого канала с ЭГС для определения тепловой мощности каждого ЭГЭ
Q_ЭГЭi = A_iN. (4)
Просуммировав все Q_ЭГЭi можно найти и тепловую мощность Q_ЭГС всей ЭГС при любой мощности реактора.

Погрешность определения Q_ЭГЭi по (4) и соответственно Q_ЭГС в основном будет определяться степенью соответствия материалов и геометрии ТФМ и ПК с ЭГС, а также условиями реакторного эксперимента с ТФМ и испытаний ПК с ЭГС. В предлагаемом ТФМ имеет место соответствие геометрии (диаметр и длина топливных сердечников ЭГЭ) и материала топливного сердечника (диоксид или карбид урана). В то же время вставка 6, моделирующая экранирование потока нейтронов соседними ЭГЭ, выполнена из неделящегося материала. Однако изготовление вставки 6 из материала с большим сечением поглощения нейтронов позволяет ей выполнять ту же функцию, что и вставка из делящегося материала. Задача вставки не генерирование тепла при делении ядер урана (как в топливных сердечниках, размещенных в калориметрах), а экранирование потоков нейтронов с торцов, моделирующее экранирующее действие соседнего ЭГЭ в ЭГС. Такое экранирование позволяет определять тепловую мощность топливных сердечников в калориметрах с практически с той же погрешностью, что и при использовании вставки из делящегося вещества. В качестве вещества с большим сечением поглощения нейтронов может быть выбран бор или его соединения, в том числе обогащенные по изотопу бор-10. В то же время использование в вставке неделящегося вещества удешевляет изготовление ТФМ, так как дорогое делящееся вещество заменено более дешевым. Кроме того, такая замена приводит к упрощению обращения с ТФМ, в особенности при его утилизации, так как не требует специального обращения с облученной вставкой.

Таким образом, в предлагаемом ТФМ ПК уменьшено количество делящегося вещества и тем самым снижена стоимость и упрощена эксплуатация.

Источники информации
1. Синявский В. В. Методы определения характеристик термоэмиссионных ТВЭЛОВ. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 54-55.

2. Патент RU 2087047 C1. Теплофизический макет термоэмиссионного петлевого канала /Синявский В.В., Соболев Ю.А., Цоглин Ю.А., 10.08.97. Бюл. N 22.

Использование: при определении тепловой мощности преобразования тепловой энергии в электрическую термоэмиссионных твэлов. Сущность изобретения: для уменьшения количества делящегося вещества в теплофизическом макете петлевого канала, снижения его стоимости и упрощения последующей утилизации внутри корпуса макета между двумя соседними калориметрами интегрального теплового потока, внутри которых находится топливно-эмиттерный узел термоэмиссионной электрогенерирующей сборки, размещена вставка, выполненная из материала с большим сечением поглощения нейтронов, например из бора или его соединения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Теплофизический макет петлевого канала, содержащий корпус с размещенными внутри него калориметрами, выполненными с возможностью размещения в каждом из них топливно-эмиттерного узла электрогенерирующего элемента моделируемой термоэмиссионной электрогенерирующей сборки, причем между двумя соседними калориметрами размещена вставка, отличающийся тем, что вставка выполнена из неделящегося вещества с большим сечением поглощения нейтронов. 2. Теплофизический макет петлевого канала по п.1, отличающийся тем, что в качестве вещества с большим сечением поглощения нейтронов выбран бор или его соединения. 3. Теплофизический макет петлевого канала по пп.1 и 2, отличающийся тем, что бор или его соединения обогащены по изотопу бор-10.