ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ МАКЕТ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ТЕРМОЭМИССИОННОЙ СБОРКИ ПЕТЛЕВОГО КАНАЛА И СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО МАКЕТА МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ТЕРМОЭМИССИОННОЙ СБОРКИ ПЕТЛЕВОГО КАНАЛА Российский патент 2004 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к реакторной теплофизике и термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в программе реакторной отработки 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 (ТФМ) модели твэл и испытательного устройства. Основное назначение такого эксперимента - определение тепловой мощности и распределения тепловыделения в исследуемых твэл. Так, например, применительно к реакторным испытаниям термоэмиссионных ЭГС реакторные испытания ТФМ позволяют [1]:

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 являющемуся аналогом испытываемой ЭГС в составе ПК, - идентичность используемых при изготовлении ТФМ материалов и геометрии с материалами и геометрией ЭГС и ПК.

Близким к изобретению по технической сущности является ТФМ многоэлементной ЭГС в составе ПК, описанный в [2]. 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. Между двумя соседними калориметрами размещена вставка в виде топливного сердечника из делящегося вещества, диаметр которой равен диаметру топливного сердечника топливно-эмиттерного узла, а 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 моделируемой ЭГС и ПК. Однако он требует изготовления достаточно большого количества топливно-эмиттерных узлов и 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 многоэлементной термоэмиссионной сборки петлевого канала, предложенный в [3]. Он содержит корпус с расположенной внутри него моделью ЭГС в виде эмиттерных узлов с топливным сердечником, размещенных внутри калориметров, причем между двумя соседними калориметрами размещена вставка в виде двух тонких таблеток из делящегося вещества.

В таком ТФМ также обеспечивается высокая точность определения тепловыделения в ЭГЭ моделируемой ЭГС вследствие полного соответствия материалов и геометрии в ТФМ и моделируемой ЭГС в составе ПК. Такой ТФМ при изготовлении требует меньшего количества топливных таблеток из делящегося вещества, используемых в виде вставок между калориметрами. Это несколько снижает стоимость изготовления ТФМ. Однако все же требуется большое количество эмиттерных узлов с топливными сердечниками и специальное изготовление тонких таблеток топлива, что приводит к большой стоимости ТФМ и усложняет утилизацию ТФМ после реакторных испытаний.

Известен способ испытаний ТФМ многоэлементной термоэмиссионной сборки петлевого канала [2], включающий предварительную тарировку калориметров, размещение в каждый из них топливно-эмиттерного узла моделируемой ЭГС, загрузку ТФМ в петлевую ячейку исследовательского реактора, в которой после испытаний ТФМ будет испытываться многоэлементная термоэмиссионная ЭГС, вывод реактора на рабочий уровень мощности, измерение электрических сигналов калориметров и оценку тепловой мощности топливно-эмиттерных узлов по измеренным электрическим сигналам калориметров.

Однако в этом способе требуется ТФМ с достаточно большим количеством делящегося вещества, что удорожает реакторные испытания ТФМ и усложняет утилизацию ТФМ после испытаний.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ испытаний ТФМ многоэлементной термоэмиссионной ЭГС в составе петлевого канала, рассмотренный в [3] и включающий градуировку отдельных калориметров с помощью электронагревателей, вставляемых внутрь калориметра, с получением индивидуального для каждого калориметра коэффициента чувствительности, загрузку ТФМ в петлевую ячейку исследовательского реактора, в которой после испытаний макета будет испытываться многоэлементная термоэмиссионная сборка, вывод реактора на рабочий уровень мощности, измерение электрических сигналов калориметров и оценку удельной тепловой мощности электрогенерирующих элементов моделируемой термоэмиссионной сборки.

Однако в этом способе также требуется ТФМ с достаточно большим количеством делящегося вещества, что удорожает реакторные испытания ТФМ и усложняет утилизацию ТФМ после испытаний.

Техническим результатом, достигаемом при применении изобретения, является уменьшение количества делящегося вещества в ТФМ, снижение стоимости создания и испытаний ТФМ и упрощение утилизации ТФМ после реакторных испытаний.

Указанный технический результат достигается тем, что в ТФМ многоэлементной термоэмиссионной сборки ПК, содержащем корпус с расположенной внутри него моделью сборки в виде эмиттерных узлов с топливным сердечником, размещенных внутри калориметров, модель сборки выполнена из трех эмиттерных узлов с диаметрами и длиной топливных сердечников, равными диаметру и длине топливных сердечников элементов моделируемой термоэмиссионной сборки, и расстоянием между торцами соседних крайних и центрального топливных сердечников, равным расстоянию между топливными сердечниками элементов моделируемой термоэмиссионной сборки, при этом внутри корпуса установлена цилиндрическая оболочка, на наружной поверхности которой размещены через слой электроизоляции калориметры, а внутри размещена модель сборки с возможностью перемещения вдоль ее оси.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе испытаний ТФМ многоэлементной термоэмиссионной сборки ПК, включающем загрузку ТФМ в петлевую ячейку исследовательского реактора, вывод реактора на рабочий уровень мощности, измерение электрических сигналов калориметров и оценку удельной тепловой мощности электрогенерирующих элементов моделируемой термоэмиссионной сборки, до измерения электрических сигналов калориметров модель сборки устанавливают в одно из крайних положений, когда центр первого крайнего эмиттерного узла модели сборки соответствует центру эмиттерного узла первого элемента термоэмиссионной сборки при петлевых испытаниях, измерение электрических сигналов сначала проводят в калориметрах, расположенных напротив первого крайнего и центрального эмиттерных узлов модели сборки, затем последовательно перемещают модель сборки вдоль оси цилиндрической оболочки с шагом, равным шагу элементов моделируемой термоэмиссионной сборки, измеряя электрический сигнал калориметра напротив центрального эмиттерного узла модели сборки, причем перемещение модели сборки проводят до тех пор, пока модель сборки не займет другое крайнее положение, когда центр второго крайнего эмиттерного узла модели сборки будет совпадать с центром эмиттерного узла последнего элемента моделируемой термоэмиссионной сборки при петлевых испытаниях, после чего измерение электрического сигнала проводят для калориметров, расположенных напротив центрального и второго крайнего эмиттерных узлов модели сборки, а оценку удельной тепловой мощности первого и последнего электрогенерирующих элементов моделируемой термоэмиссионной сборки проводят по измеренным электрическим сигналам калориметров напротив первого и второго крайних эмиттерных узлов модели сборки, а всех остальных электрогенерирующих элементов - по измеренным электрическим сигналам калориметров напротив центрального эмиттерного узла модели сборки.

На чертеже приведена конструкционная схема предлагаемого ТФМ многоэлементной термоэмиссионной сборки ПК.

ТФМ содержит наружный корпус 1, который может быть выполнен герметичным, и внутри него снаружи внутренней цилиндрической оболочки 2 через слой электроизоляции 3 размещены калориметры 4, выполненные, например, в виде измерительной цепочки 5 из последовательно соединенных термоэлектрических элементов, которая снабжена выводами 6, выполненными, например, в виде термопар. Калориметры 4 установлены напротив электрогенерирующих элементов моделируемой термоэмиссионной сборки. В отверстии 7 внутри оболочки 2 размещена модель сборки 8, которая образована тремя эмиттерными узлами, а именно первым крайним эмиттерным узлом 9, центральный узлом 10 и вторым крайним узлом 11. Внутри каждого эмиттерного узла 9, 10 и 11 размещен топливный сердечник 12, например, из оксида или карбида урана высокого обогащения. Диаметры и длина топливных сердечников 12 в эмиттерных узлах 9, 10 и 11 выбрана равными диаметру и длине топливных сердечников элементов моделируемой термоэмиссионной сборки. Расстояние между торцами топливных сердечников 12 эмиттерных узлов 9 и 10 и 10 и 11 соответственно выбрано равным расстоянию между торцами топливных сердечников соседних ЭГЭ в моделируемой ЭГС.

Модель сборки 8 подсоединена к штанге 13 (или какому-либо другому устройству), обеспечивающей последовательное перемещение модели сборки 8 внутри отверстия 7 с шагом, равным шагу элементов моделируемой термоэмиссионной сборки, и фиксацию расположения центров эмиттерных узлов 9, 10 и 11 относительно корпуса 1 ТФМ.

ТФМ многоэлементной термоэмиссионной сборки ПК работает и способ испытаний ТФМ многоэлементной термоэмиссионной сборки ПК реализуется следующим образом.

После изготовления отдельных калориметров 4, или всей сборки из калориметров 4, или корпуса 1 с калориметрами 4 калориметры должны быть отградуированы. Для этого внутрь каждого из калориметров 4 помещают электронагреватель. При тарировке сборки калориметров возможно размещение одного, но секционированного электронагревателя. При электрической мощности W электронагревателя при прохождении теплового потока через цепочку термоэлементов 5 калориметра 4 в ней возникает термоЭДС в виде электрического сигнала Е, который регистрируют с помощью термопарных выводов 6. Одновременно регистрируется и температура Т термоэлектрической цепочки 5. В результате для каждого i-го калориметра 4 будет определен зависящий от температуры коэффициент чувствительности

К_i(Т)= W_i/E_i. (1)

После градуировки производят окончательную сборку ТФМ, в том числе внутрь отверстия 7 загружают модель сборки 8 из трех эмиттерных узлов 9, 10 и 11 с топливными сердечниками 12. По используемым материалам, прежде всего делящегося материала топливного сердечника 12, геометрии и размерам (диаметру и длине топливных сердечников 12, расстоянию между торцами соседних топливных сердечников) модель сборки 8 идентична моделируемой многоэлементной термоэмиссионной сборке. Модель сборки 8 подсоединяют к устройству перемещения 13 и проверяют возможность перемещения модели сборки 8 внутри отверстия 7 оболочки 2 с требуемым шагом.

ТФМ помещают в ячейку ядерного реактора, в которой затем будет испытываться петлевой канал с моделируемой многоэлементной ЭГС. Модель сборки 8 устанавливают в одно из крайних положений, например, как показано на чертеже, в верхнее, когда центр первого крайнего эмиттерного узла 9 модели сборки 8 совпадает с центром эмиттерного узла первого элемента моделируемой термоэмиссионной сборки, которая будет испытываться в этой же ячейке реактора после испытаний ТФМ.

Мощность реактора поднимают до рабочего значения N_p. В результате деления ядер урана в каждом топливном сердечнике 12 эмиттерных узлов 9, 10 и 11 выделяется тепловая мощность Q. Тепло с эмиттерных узлов проходит через внутреннюю цилиндрическую оболочку 2, слой электроизоляции 3 и попадает на измерительную термоэлектрическую цепочку 5 калориметров 4 напротив каждого из трех эмиттерных узлов 9, 10 и 11. Проходящий тепловой поток вызывает появление электрического сигнала Е на измерительной цепочке 5 каждого из указанных калориметров 4, а именно на калориметрах 1, 2 и 3 (условно расположение номеров калориметров и элементов моделируемой сборки примем сверху вниз). Однако измеряется и регистрируется электрический сигнал Е и температура Т калориметров 4 лишь напротив первого крайнего эмиттерного узла 9 и центрального 10, т.е. фиксируются Е₁ и Е₂ и T₁ и T₂ соответственно для калориметров 1 и 2.

После этого модель сборки 8 с помощью штанги 13 перемещают, например, вниз, на один шаг, а именно в положение, когда крайний первый эмиттерный узел модели сборки будет напротив второго калориметра, а центральный - напротив третьего калориметра. Измеряют электрический сигнал Е₃ (и температуру Т₃) третьего калориметра при нахождении напротив него центрального эмиттерного узла 10 модели сборки 8. После этого модель сборки 8 перемещают еще на один шаг, измеряют электрический сигнал следующего калориметра напротив центрального эмиттерного узла 10. Так повторяется до тех пор, пока модель не займет следующее крайнее положение, а именно второй крайний эмиттерный узел 11 будет находиться напротив последнего (нижнего) калориметра (с номером n), а следовательно, в месте расположения последнего n-го элемента моделируемой термоэмиссионной сборки при петлевых испытаниях. После этого измеряют электрический сигнал Е калориметров 4, расположенных напротив центрального 10 и второго крайнего 11 эмиттерных узлов модели, т.е. E_n-1 и Е_n (и T_n-1 и T_n).

Таким образом, при мощности реактора N_p измерены показания калориметров напротив эмиттерных узлов в месте расположения эмиттерных узлов элементов моделируемой термоэмиссионной сборки при последующих петлевых испытаниях. При этом измерения на модели проведены в условиях, в максимальной степени моделирующих условия работы элементов термоэмиссионной сборки при петлевых испытаниях, а именно измерения применительно к крайним элементам проведены при отсутствии экранирования нейтронного потока с торцов крайних элементов, а всех центральных - при наличии такого экранирования соседними эмиттерными узлами. Это обеспечивает высокую точность перенесения результатов измерений на модели сборки на результаты петлевых испытаний термоэмиссионной сборки.

После этого тепловую мощность каждого i-го топливного сердечника определяют по формуле

Q_i=К_i(Т_i)E_i. (2)

Зная Q_i и мощность реактора N_p, при которой испытывался ТФМ, можно найти соотношение тепловой мощности топливного сердечника каждого эмиттерного узла и мощности реактора

А_i=Q_i/N_p. (3)

Это соотношение и используется при реакторных испытаниях петлевого канала с моделируемой ЭГС для определения тепловой мощности каждого ЭГЭ при любой мощности N реактора

Q_ЭГЭI=A_iN. (4)

Просуммировав все Q_ЭГЭI, можно найти и тепловую мощность Q_эгс всей ЭГС при любой мощности N реактора.

Погрешность определения Q_ЭГЭI по (4) и соответственно Q_эгс в основном будет определяться степенью соответствия материалов и геометрии ТФМ с моделью и ПК с моделируемой ЭГС, а также условиями реакторных испытаний ТФМ с моделью и реакторных испытаний ПК с моделируемой ЭГС. В предлагаемом ТФМ имеет место соответствие геометрии (диаметр и длина топливных сердечников ЭГЭ), материала топливного сердечника (диоксид или карбид урана), расстояния между топливными сердечниками.

В то же время использование в модели всего лишь трех эмиттерных узлов с топливными сердечниками удешевляет изготовление ТФМ, так как снижается количество дорогого делящегося вещества в модели. Эмиттерная оболочка может быть выполнена герметичной, что 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 многоэлементной термоэмиссионной сборки петлевого канала уменьшено количество делящегося вещества и тем самым снижена стоимость и упрощена его эксплуатация.

Источники информации

1. Синявский В.В, Соболев Ю.А., Цоглин Ю.Л. Разработка и внедрение в практику реакторных испытаний многоэлементных термоэмиссионных ЭГК калориметрических методов и средств определения радиационного тепловыделения в топливных композициях и конструкционных материалах. // Ракетно-космическая техника. Тр. Сер. XII. Вып. 2-3. Расчет, проектирование, конструирование и испытания космических систем. Космические термоэмиссионные ЯЭУ и ЭРДУ большой мощности. / Под ред. В.В. Синявского. Ч. 2. Изд. РКК "Энергия" им. С.П.Королева. 1996. С.132-138.

2. Синявский В.В. Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов. // М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 54-55.

3. Патент RU 2087047 C1, МКИ Н 01 J 45/00. Теплофизический макет термоэмиссионного петлевого канала. В.В. Синявский, Ю.А. Соболев, Ю.Л. Цоглин. Изобретения. 10.08.97. Бюл. № 22.

Назначение: реакторная теплофизика и термоэмиссионный метод преобразования тепловой энергии в электрическую. Теплофизический макет (ТФМ) многоэлементной термоэмиссионной электрогенерирующей сборки (ЭГС) петлевого канала (ПК) содержит корпус с расположенной внутри него моделью ЭГС в виде трех эмиттерных узлов с топливными сердечниками, размещенных внутри калориметров. Внутри корпуса установлена цилиндрическая оболочка, на наружной поверхности которой размещены через слой электроизоляции калориметры, а внутри размещена модель сборки с возможностью перемещения вдоль ее оси. Способ испытаний ТФМ включает: загрузку ТФМ с моделью ЭГС в петлевую ячейку исследовательского реактора, в которой после испытаний ТФМ будет испытываться моделируемая многоэлементная термоэмиссионная ЭГС, вывод реактора на рабочий уровень мощности, измерение электрических сигналов калориметров при последовательном перемещении модели ЭГС вдоль калориметров с шагом, равным шагу элементов моделируемой термоэмиссионной ЭГС, оценку удельной тепловой мощности электрогенерирующих элементов моделируемой термоэмиссионной ЭГС. Технический результат - уменьшение в предлагаемом теплофизическом макете многоэлементной термоэмиссионной сборки количества делящегося вещества и, соответственно, снижение стоимости и упрощение эксплуатации. 1 ил.

1. Теплофизический макет многоэлементной термоэмиссионной сборки петлевого канала, содержащий корпус с расположенной внутри него моделью сборки в виде эмиттерных узлов с топливным сердечником, размещенных внутри калориметров, отличающийся тем, что модель сборки выполнена из трех эмиттерных узлов с диаметрами и длиной топливных сердечников, равными диаметру и длине топливных сердечников элементов моделируемой термоэмиссионной сборки, и расстоянием между торцами соседних крайних и центрального топливных сердечников, равным расстоянию между топливными сердечниками элементов моделируемой термоэмиссионной сборки, при этом внутри корпуса установлена цилиндрическая оболочка, на наружной поверхности которой размещены через слой электроизоляции калориметры, а внутри размещена модель сборки с возможностью перемещения вдоль ее оси.2. Способ испытаний теплофизического макета многоэлементной термоэмиссионной сборки петлевого канала, включающий загрузку теплофизического макета с моделью сборки в петлевую ячейку исследовательского реактора, вывод реактора на рабочий уровень мощности, измерение электрических сигналов калориметров и оценку удельной тепловой мощности электрогенерирующих элементов моделируемой термоэмиссионной сборки, отличающийся тем, что до измерения электрических сигналов калориметров модель сборки устанавливают в одно из крайних положений, когда центр первого крайнего эмиттерного узла модели сборки соответствует центру эмиттерного узла первого элемента моделируемой термоэмиссионной сборки при петлевых испытаниях, измерение электрических сигналов сначала проводят в калориметрах, расположенных напротив первого крайнего и центрального эмиттерных узлов модели сборки, затем последовательно перемещают модель сборки внутри цилиндрической оболочки с шагом, равным шагу элементов моделируемой термоэмиссионной сборки, измеряя электрический сигнал напротив центрального эмиттерного узла модели сборки, причем перемещение модели сборки проводят до тех пор, пока модель сборки не займет другое крайнее положение, когда центр второго крайнего эмиттерного узла модели сборки будет совпадать с центром эмиттерного узла последнего элемента моделируемой термоэмиссионной сборки при петлевых испытаниях, после чего измерение электрического сигнала проводят для калориметров, расположенных напротив центрального и второго крайнего эмиттерных узлов модели, а оценку удельной тепловой мощности первого и последнего электрогенерирующих элементов моделируемой термоэмиссионной сборки проводят по измеренным электрическим сигналам калориметров напротив первого и второго крайних эмиттерных узлов модели сборки, а всех остальных электрогенерирующих элементов - по измеренным электрическим сигналам калориметров напротив центрального эмиттерного узла модели сборки.