ИМИТАТОР ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2003 года по МПК G21C17/00 

Изобретение относится к атомной энергетике и, в частности, к элементам активной зоны ядерного реактора.

В период проведения пусконаладочных работ на вновь вводимых в промышленную эксплуатацию блоках атомных электростанций (АЭС), например, типа ВВЭР в соответствии с установленными регламентами требуется проведение специальных проверок работоспособности внутриреакторного оборудования, оборудования машинного зала, определения гидродинамических характеристик 1-го контура реактора. Для этих целей в реактор в это время загружаются имитационные тепловыделяющие сборки (ТВС), через которые осуществляют прокачку горячего теплоносителя с температурой и с режимами, близкими к эксплуатационным. Одновременно этот процесс используется также для промывки 1-го контура реактора и отработки транспортно-технологических операций по загрузке топлива. Для получения объективной и достоверной информации о работе оборудования и гидродинамических процессах имитационные сборки должны максимально соответствовать по своим весовым, гидродинамическим, механическим характеристикам рабочим ТВС. В то же время в целях безопасности применение в них делящихся материалов недопустимо.

Известны самовыгорающие поглотители (СВП), по форме и габаритным размерам повторяющие тепловыделяющие элементы и используемые в тепловыделяющих сборках одновременно с ними (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Кн.1. М.: Энергоатомиздат, 1995, с. 184-185). Под оболочкой СВП находится ядерно-безопасный материал. Однако весовые характеристики этого материала существенно отличаются от весовых характеристик тепловыделяющего элемента, что делает невозможным использование его в качестве имитатора.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является имитатор тепловыделяющего элемента, состоящий из вольфрамового стержня, окруженного таблетками сердечника и оболочкой из нержавеющей стали. На концах имитатора таблетки ограничены заглушками из асбоцемента. В качестве материала сердечника выбран диоксид хрома. Между стержнем и сердечником, сердечником и оболочкой существуют зазоры (Усынин Г.Б. и др. Модельное изучение процессов, возникающих при перегреве твэлов. Атомная энергия, 1986, т. 61, вып.5, с.347-350).

Технической задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего ядерно-безопасное проведение предварительных испытаний энергоблоков атомных станций при пуске их в работу и получение объективной информации о готовности оборудования атомных станций к физическому пуску при относительно небольших затратах для его реализации.

Решение технической задачи достигается тем, что имитатор тепловыделяющего элемента, представляющий собой герметичную оболочку с геометрическими размерами, соответствующими размерам оболочки тепловыделяющего элемента, внутри которой находится сердечник, согласно изобретению сердечник выполнен из ядерно-безопасного материала составным в виде цилиндрических стержней и высотой, по крайней мере, не меньше высоты столба ядерного топлива в тепловыделяющем элементе и установлен в оболочку с зазором по радиальному и осевому направлениям. Стержни сердечника по цилиндрической поверхности или полностью заключены в рубашку из материала с более высокими термомеханическими свойствами, чем материал стержней, например свинец, контактирующий со стороны нижнего конца имитатора непосредственно со сварным швом.

Представленная совокупность признаков является новой, неизвестна из уровня техники и позволяет решить поставленную задачу.

Свинец является самым доступным и дешевым материалом, обеспечивающим выполнение требований по весу и ядерной безопасности. Однако в связи с ползучестью этого материала при длительном воздействии повышенных температур с течением времени уменьшается высота сердечника, особенно в нижней части имитатора, сердечник вступает в силовой контакт с оболочкой, что изменяет жесткость имитатора и имитационной тепловыделяющей сборки в целом. Поэтому в случае использования в качестве материала стержней сердечника свинца или подобного ему материала диаметр стержней сердечника определяется экспериментально в зависимости от условий испытаний, их длительности и термомеханических свойств материала. Для кратковременных, разовых испытаний обеспечить гарантированный зазор между сердечником и оболочкой можно за счет уменьшения диаметра сердечника с учетом его изменения в процессе испытаний из-за ползучести. Уменьшение веса в этом случае компенсируется увеличением высоты топливного столба с учетом его осадки в процессе испытаний за счет уменьшения газосборника в верхнем конце имитатора и посадки нижнего торца сердечника непосредственно на сварной шов. Увеличение высоты сердечника возможно вплоть до верхнего конца оболочки с учетом необходимости установки фиксатора и компенсации на температурное расширение. Уменьшение объема газосборника не принципиально для условий и безопасности испытаний, так как в процесс их проведения процесс газовыделения под оболочкой не происходит, а на изменение жесткости имитатора это влияния практически не оказывает. Отсутствие под оболочкой имитатора активных по отношению к материалу оболочки веществ, избыточного давления и в целом радиационного воздействия на сварные соединения позволяет осуществлять упор столба непосредственно в сварной шов. При необходимости многократного использования имитационных кассет стержни сердечника имитатора заключаются в оболочку с более высокими термомеханическими свойствами, например стальную. Наличие такой оболочки исключает увеличение диаметра сердечника за счет ползучести и его взаимодействие с оболочкой. Конкретное выполнение сердечника в виде оного стержня или набора отдельных, например, цилиндрических элементов зависит от имеющихся технологических возможностей.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан имитатор тепловыделяющего элемента.

На фиг. 2, 3 изображены варианты исполнения имитатора тепловыделяющего элемента.

Имитатор тепловыделяющего элемента состоит из оболочки 1, загерметизированной заглушками 2 и 3 сварными швами 4, 5. Под оболочкой находится сердечник 6 из ядерно-безопасного материала, свинца, в виде сплошного стержня или в виде отдельных цилиндрических стержней, которые, как вариант, полностью или частично покрыты рубашкой из материала с более высокими термомеханическими характеристиками 7, чем материал сердечника 6. Со стороны верхнего конца сердечник 6 упирается в фиксатор 8, а в нижней части он контактирует либо с посадочным местом 9 заглушки 3 (фиг.2), либо непосредственно со сварным швом 5 (фиг.1, 3).

Имитатор работает следующим образом.

После загрузки имитационных сборок в реактор через них осуществляется прокачка горячего теплоносителя. Разогрев имитатора приводит к увеличению длины его сердечника 6. Изменению длины сердечника 6 препятствует фиксатор 8, вызывая осевые нагрузки на материал сердечника 6. Величина осевых нагрузок определяется также весом сердечника 6 и его трением о внутреннюю поверхность оболочки 1 при температурном расширении имитатора. Однако заклинивание сердечника 6 в оболочке не происходит, так как между сердечником 6 и оболочкой 1 всегда присутствует зазор. Это обеспечивает оболочке 1 имитатора продольную устойчивость, такую же, как и в реальном тепловыделяющем элементе, что дает возможность оценить поведение реального тепловыделяющего элемента в рабочем режиме. При использовании сердечника 6, покрытого рубашкой из материала с более высокими термомеханическими характеристиками 7, его радиальное расширение воспринимается этой рубашкой, которая ограничивает ползучесть материала сердечника 6 в радиальном направлении и не дает выбрать зазор с оболочкой 1. Нижний сварной шов 5 (фиг.1, 3), контактирующий непосредственно с сердечником 6, воспринимают только осевые усилия, величина которых не лимитирует его работоспособность.

Применение предложенного имитатора тепловыделяющего элемента обеспечивает ядерно-безопасное проведение предварительных испытаний тепловыделяющих сборок в энергоблоках ядерных реакторов и позволяет получить объективную информацию о готовности оборудования атомных электростанций к физическому пуску при относительно небольших затратах на реализацию.

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к элементам активной зоны ядерного реактора. Имитатор тепловыделяющего элемента представляет собой герметичную оболочку с геометрическими размерами, соответствующими размерам оболочки тепловыделяющего элемента. Внутри оболочки находится сердечник. Сердечник выполнен из ядерно-безопасного материала составным в виде цилиндрических стержней. Высота сердечника, по крайней мере, не меньше высоты столба ядерного топлива в тепловыделяющем элементе. Сердечник установлен с зазором по радиальному и осевому направлениям. Стержни сердечника по цилиндрической части или полностью заключены в рубашку из материала с более высокими термомеханическими свойствами, чем материал стержней. Стержни сердечника выполнены из свинца. Технический результат: создание устройства, обеспечивающего ядерно-безопасные предварительные испытания энергоблоков атомных станций при пуске их в работу, и получение объективной информации о готовности оборудования атомных станций к физическому пуску. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Имитатор тепловыделяющего элемента, представляющий собой герметичную оболочку с геометрическими размерами, соответствующими размерам оболочки тепловыделяющего элемента, внутри которой находится сердечник, отличающийся тем, что сердечник выполнен из ядерно-безопасного материала составным в виде цилиндрических стержней и высотой, по крайней мере, не меньшей высоты столба ядерного топлива в тепловыделяющем элементе и установлен с зазором по радиальному и осевому направлениям. 2. Имитатор по п. 1, отличающийся тем, что стержни сердечника по цилиндрической поверхности или полностью заключены в рубашку из материала с более высокими термомеханическими свойствами, чем материал стержней. 3. Имитатор по п. 1, отличающийся тем, что стержни сердечника выполнены из свинца.