УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ Российский патент 2005 года по МПК G01N3/28 

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для проведения механических испытаний, в частности испытаний на длительную прочность и ползучесть образцов исследуемых материалов в ядерном реакторе.

При испытаниях длительной прочности и ползучести образцов конструкционных материалов для получения достоверного результата необходимо обеспечить заданную точность температуры испытываемых материалов, а также точность и стабильность величины осевого усилия нагрузки на образцы в процессе проведения внутриреакторного облучения. Дистанционное обеспечение точности и стабильности величины осевого усилия нагрузки на образцы, размещенные в глубоких каналах небольшого диаметра, весьма сложно. Но сложность усугубляется еще и тем, что все элементы конструкции имеют различные деформации, причем не всегда известные, при радиационном распухании материалов вследствие радиационного воздействия. Температурные расширения конструкций вносят существенные и к тому же непостоянные во времени погрешности, влияющие на точность и стабильность величины осевого усилия нагрузки на образцы.

В книге Цыканов В.А., Самсонов Б.В. “Техника облучения материалов в реакторах с высоким нейтронным потоком”. М., Атомиздат, 1973, среди опубликованных описаний устройств для испытаний, реализующих реакторные испытания материалов, существуют технические решения следующих типов:

- петлевые системы, позволяющие проводить реакторные испытания материалов, используя автономный контур теплоносителя;

- активные ампульные устройства, позволяющие проводить испытания материалов с одновременным измерением физических характеристик;

- облучательные устройства, позволяющие проводить только испытания материалов для последующих материаловедческих исследований в защитных камерах.

Наиболее целесообразным и экономичным вариантом проведения реакторных испытаний материалов является устройство для испытаний, геометрические параметры которого позволяют устанавливать его в топливной ячейке активной зоны реактора, обеспечивающее возможность одновременного облучения большого количества образцов, как при одинаковой, так и при различных температурах одновременно, а также позволяющее поддерживать параметры испытания в заданных диапазонах.

Материалы деталей устройства для испытаний, воздействующих на образцы и воспринимающих нагрузки, действующие на образцы, несмотря на то, что они также подвергаются действию излучений и температур, не должны менять своих параметров.

Для проведения исследований материалов на длительную прочность и ползучесть конструкция устройства для испытания материалов в ядерном реакторе должна удовлетворять взаимно противоречивым требованиям: материалы деталей, воздействующих на образец и воспринимающих нагрузки, действующие на образцы, должны нагреваться до высокой температуры, чтобы обеспечивать точный нагрев образцов до высокой температуры, и не должны нагреваться до высокой температуры, чтобы обеспечивать постоянную заданную величину усилия нагрузки на образцы.

Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым изобретением по наибольшему количеству существенных признаков, является устройство для испытания материалов в ядерном реакторе на длительную прочность при одноосном напряженном состоянии, описанное в книге Цыканов В.А., Самсонов Б.В. “Техника облучения материалов в реакторах с высоким нейтронным потоком”. М., Атомиздат, 1973, 264 с. Это устройство включает в себя: корпус, содержащий узел герметизации с фланцем ампульного канала и с коммуникациями, соединяющими узлы устройства, размещенные в активной зоне реактора, и оборудование, размещенное вне активной зоны; образцы; силовой шток; опорный фланец; узел для создания осевого усилия на образцы (гидроцилиндр); тензометрический датчик для корреляции между давлением в гидроцилиндре и заданным осевым усилием нагрузки на образцы.

Устройство позволяет проводить испытания образцов конструкционных материалов на длительную прочность при осевых нагрузках до 250 кГ и температурах 350...800°С в ампульном канале реактора.

В описанном устройстве нагрузка от поршня гидроцилиндра посредством силового штока передается на образец (образцы) со стороны приложения нагрузки. Другая сторона образца (образцов), упорная, закреплена к корпусу устройства. Корпус гидроцилиндра жестко закреплен к корпусу устройства посредством опорного неподвижного фланца. Корреляция между давлением в гидроцилиндре и заданным осевым усилием нагрузки на образцы осуществляется с помощью тензометрического датчика, размещенного на силовом штоке непосредственно в корпусе устройства. При понижении давления в гидроцилиндре по регистрации тензометрического датчика, включается насос гидросистемы и осуществляется подпитка системы для повышения давления. Нагрев образцов достигается энерговыделением в образцах при поглощении реакторного излучения. Поддержание заданной температуры в образцах осуществляется охлаждением циркулирующим гелием в корпусе ампульного канала.

Недостатками прототипа являются:

1. Низкая достоверность результатов испытаний вследствие:

- возможности возникновения эксцентриситета образца относительно оси устройства из-за деформации конструкции от влияния радиационного распухания материалов и неравномерного распределения температурного расширения элементов конструкции;

- необходимости поддержания осевого усилия нагрузки на образцы в диапазоне значений, ограниченном степенью чувствительности тензометрического датчика при регулировании величины давления в гидроцилиндре, для достижения заданного осевого усилия на образцы, в зависимости от регистрируемой тензометрическим датчиком величины действующего осевого усилия нагрузки на образцы, что затрудняет стабилизацию осевой нагрузки на образцы.

2. Область использования ограничена узким диапазоном параметров теплофизических характеристик активной зоны реактора, величины которых соответствуют координатам в месте стационарно расположенного корпуса ампульного канала.

3. Затруднены транспортные операции по загрузке-выгрузке устройства и связанные с ними операции по герметизации узлов уплотнений механических, гидравлических, электрических коммуникаций, соединяющих узлы, размещенные в активной зоне реактора, и оборудование, размещенное вне активной зоны;

Указанные недостатки обусловлены:

- большими значениями величин геометрических параметров деталей устройства;

- наличием большого числа коммуникаций, технологического оборудования и арматуры;

- инерционностью управления гидравлической системы;

- размещением только в стационарно расположенном ампульном канале корпуса ядерного реактора.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить точность и стабильность величины осевого усилия нагрузки на образцы, а следовательно, повысить достоверность результатов испытаний, при расширении области использования и упрощении конструкции устройства для проведения реакторных испытаний образцов материалов.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для испытания материалов в ядерном реакторе содержит корпус с одним или несколькими образцами, силовой шток, опорный фланец, тарированный упругий элемент для создания осевого усилия нагрузки, которые помещены в герметичную капсулу. При этом опорный фланец установлен в корпусе с возможностью поступательного движения, причем перед облучением и после облучения опорный фланец расположен в упор к корпусу для передачи осевого усилия нагрузки на образец через корпус, а в процессе облучения опорный фланец расположен в упор к герметичной капсуле для передачи осевого усилия нагрузки на образец через герметичную капсулу. Кроме того, устройство дополнительно снабжено внешней оболочкой с отверстиями для направленного потока теплоносителя, который охлаждает герметичную капсулу.

Наличие узла создания осевого усилия, выполненного тарированным упругим элементом, обеспечивает точность и стабильность величины заданного усилия осевой нагрузки на образцы в процессе проведения реакторных испытаний.

Наличие герметичной капсулы, в которой размещены корпус, силовой шток, опорный фланец, тарированный упругий элемент, позволяет разместить устройство для испытания материалов в любой топливной ячейке активной зоны реактора.

Наличие опорного фланца, установленного в корпусе с возможностью поступательного движения, причем перед облучением и после облучения опорный фланец расположен в упор к корпусу для передачи осевого усилия нагрузки на образец через корпус, а в процессе облучения опорный фланец расположен в упор к герметичной капсуле для передачи осевого усилия нагрузки на образец через герметичную капсулу, позволяет обеспечивать технологический контроль конструкции, контроль геометрических размеров образцов и контроль величины осевого усилия нагрузки на образцы до облучения, при контрольных выгрузках из реактора в процессе проведения программы облучения образцов, и после облучения, а также позволяет в процессе проведения реакторных испытаний передавать осевое усилие нагрузки на образцы через герметичную капсулу, наружная поверхность которой охлаждается контактирующим с ней теплоносителем реактора.

Предложенная конструкция позволяет значительно упростить устройство для испытания материалов, обеспечить точность и стабильность величины заданного осевого усилия нагрузки на образцы в процессе проведения реакторных испытаний, расширить область использования возможностью размещения устройства в любой топливной ячейке активной зоны реактора.

Новыми существенными признаками являются форма исполнения узлов и деталей устройства и их взаимное расположение:

- узел создания осевого усилия нагрузки выполнен тарированным упругим элементом;

- герметичная капсула, в которой размещены корпус, силовой шток, опорный фланец, тарированный упругий элемент;

- опорный фланец, установленный в корпусе с возможностью поступательного движения, причем перед облучением и после облучения опорный фланец расположен в упор к корпусу для передачи осевого усилия нагрузки на образец через корпус, а в процессе облучения опорный фланец расположен в упор к герметичной капсуле для передачи осевого усилия нагрузки на образец через герметичную капсулу.

Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение обладает новизной.

Новые существенные признаки заявляемого решения в научной и технической литературе не обнаружены, предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.

Перечень фигур графического изображения:

- на фиг.1 изображена схема устройства для испытания материалов в ядерном реакторе перед облучением и после облучения;

- на фиг.2 изображена схема устройства для испытания материалов в ядерном реакторе в процессе облучения.

Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе содержит образцы 1, корпус 2, силовой шток 3, тарированный упругий элемент 4, опорный фланец 5, размещенные в герметичной капсуле 6. Между опорным фланцем 5 и герметичной капсулой 6 перед облучением имеется зазор в осевом направлении. Опорный фланец 5 установлен в корпусе 2 с возможностью поступательного движения. Перед облучением опорный фланец 5 расположен в упор к корпусу 2 для передачи осевого усилия нагрузки на образцы 1 от тарированного упругого элемента 4 через корпус 2, а в процессе облучения опорный фланец 5 расположен в упор к герметичной капсуле 6 для передачи осевого усилия нагрузки на образцы 1 от тарированного упругого элемента 4 через герметичную капсулу 6. Кроме того, устройство снабжено внешней оболочкой 7 с отверстиями для направленного потока теплоносителя реактора.

Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе работает следующим образом.

Производится сборка конструкции, включающей в себя образцы 1, корпус 2, силовой шток 3, тарированный упругий элемент 4, опорный фланец 5. При этом опорный фланец 5 расположен в упор к корпусу 2 и осевое усилие нагрузки на образцы 1 передается от тарированного упругого элемента 4 через корпус 2. Проводится технологический контроль конструкции и контроль величины осевого усилия нагрузки на образцы до облучения. Собранная конструкция вставляется в капсулу 6 и герметизируется, причем между опорным фланцем 5 и герметичной капсулой 6 перед облучением имеется зазор в осевом направлении. Величина зазора зависит от свойств используемых материалов и заданных условий облучения и нагрузок. Затем герметичная капсула 6 помещается во внешнюю оболочку 7 и размещается в топливной ячейке реактора. Оболочка герметичной капсулы 6 контактирует с реакторным теплоносителем, температура которого 330°С. Заданная температура в образцах 1 до 700°С достигается радиационным энерговыделением. В результате температурных расширений материалов, входящих в состав устройства для испытания материалов, а также разности температур на оболочке герметичной капсулы 6 и в элементах конструкции, размещенных в ее внутренней полости, в процессе облучения корпус 2 удлиняется относительно герметичной капсулы 6. Опорный фланец 5, расположенный в упор к корпусу 2, перемещается и упирается во фланец герметичной капсулы 6, а между опорным фланцем 5 и корпусом 2 образуется зазор. При этом осевое усилие на образцы 1 передается от тарированного упругого элемента 4 через герметичную капсулу 6, которая охлаждается реакторным теплоносителем, направленно протекающим через отверстия внешней оболочки 7. При извлечении устройства для испытания материалов из реактора в процессе охлаждения, корпус 2 сжимается относительно герметичной капсулы 6. Между опорным фланцем 5 и корпусом 2 уменьшается зазор до соприкосновения. В этом положении опорный фланец 5 расположен в упор к корпусу 2, а между опорным фланцем 5 и фланцем герметичной капсулы 6 образуется зазор. При этом осевое усилие нагрузки на образцы 1 передается от тарированного упругого элемента 4 через корпус 2. Затем производится разгерметизация герметичной капсулы 6 и извлечение из нее конструкции, включающей в себя образцы 1, корпус 2, силовой шток 3, тарированный упругий элемент 4, опорный фланец 5. После чего производится технологический контроль конструкции, контроль величины осевого усилия нагрузки на образцы.

Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе при значительном упрощении конструкции позволяет повысить точность и стабильность величины заданного значения усилия осевой нагрузки на образцы в процессе проведения реакторных испытаний. Кроме этого, для достижения заданных параметров облучения позволяет разместить испытываемые образцы в любой топливной ячейке активной зоны реактора и обеспечивает при этом технологический контроль конструкции, контроль геометрических размеров образцов и контроль величины усилия нагрузки на образцы до облучения, при контрольных выгрузках из реактора в процессе проведения программы облучения образцов и после облучения. А также позволяет в процессе проведения реакторных испытаний передавать усилие нагрузки на образцы через оболочку герметичной капсулы, наружная поверхность которой охлаждается контактирующим с ней теплоносителем реактора. То есть, при упрощении конструкции, позволяет расширить область использования и повысить точность и стабильность величины усилия нагрузки на образцы, а следовательно, повысить достоверность результатов испытаний.

Использование: для проведения механических испытаний, в частности испытаний на длительную прочность и ползучесть образцов исследуемых материалов в ядерном реакторе. Сущность заключается в том, что устройство для испытания материалов в ядерном реакторе содержит корпус с одним или несколькими образцами, силовой шток, опорный фланец, тарированный упругий элемент для создания осевого усилия нагрузки, которые помещены в герметичную капсулу. При этом опорный фланец установлен в корпусе с возможностью поступательного движения, причем перед облучением и после облучения опорный фланец расположен в упор к корпусу для передачи осевого усилия нагрузки на образец через корпус, а в процессе облучения опорный фланец расположен в упор к герметичной капсуле для передачи осевого усилия нагрузки на образец через герметичную капсулу. Кроме того, устройство снабжено внешней оболочкой с отверстиями для направленного потока теплоносителя. Технический результат: повышение точности и стабильности величины осевого усилия нагрузки на образцы и, следовательно, повышение достоверности результатов испытаний при расширении области использования и упрощении конструкции устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе, включающее корпус с одним или несколькими образцами, силовой шток, опорный фланец, тарированный упругий элемент для создания осевого усилия нагрузки, помещенные в герметичную капсулу, при этом опорный фланец установлен в корпусе с возможностью поступательного движения, причем перед облучением и после облучения опорный фланец расположен в упор к корпусу для передачи осевого усилия нагрузки на образец через корпус, а в процессе облучения опорный фланец расположен в упор к герметичной капсуле для передачи осевого усилия нагрузки на образец через герметичную капсулу.2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что дополнительно снабжено внешней оболочкой с отверстиями для направленного потока теплоносителя, который охлаждает герметичную капсулу.