УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ Российский патент 2014 года по МПК G01L1/02 

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано при проведении радиационных испытаний, в частности испытаний при исследовании влияния облучения на механические свойства, зависимости деформации радиационного формоизменения и радиационно-термической ползучести образцов исследуемых материалов в ядерных реакторах.

При испытаниях радиационно-термической ползучести газонаполненных трубчатых образцов конструкционных материалов для получения характеристик от воздействия на них нагрузок с разным соотношением тангенциальных и аксиальных напряжений, и получения достоверного результата необходимо обеспечивать одинаковые внешние условия. А именно, условия облучения по нейтронному потоку, температуре образцов, а также точность заданного растягивающего усилия. Распределение нейтронного потока в активной зоне реактора неравномерно, а это влияет на энерговыделение в элементах конструкции, поэтому использование одновременно нескольких устройств в разных ячейках не обеспечит одинаковые внешние условия облучения. При использовании одной ячейки в разные промежутки времени тоже не обеспечит одинаковые внешние условия облучения, связанные с выгоранием топлива в ТВС и заменой их на свежие, а также компоновкой активной зоны исследовательскими сборками. Причем на точность растягивающего усилия влияет погрешность, обусловленная не только отклонениями при изготовлении нагружающего устройства, но и условиями эксплуатации в активной зоне реактора.

Известно устройство для испытания материалов в ядерном реакторе (Патент РФ №80956, G01L 1/02), включающее, по меньшей мере, одну ампулу с образцами, нагреватель, термопары, регулятор потока теплоносителя, размещенные в корпусе, в стенках которого выполнена герметичная полость, заполненная газом, для обеспечения термоизоляции, а в нижней части корпуса выполнены отверстия для входа теплоносителя, при этом нижняя часть корпуса снабжена элементом для его соединения с внутрикорпусным устройством реактора с возможностью продольного удлинения корпуса от температурных деформаций

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, с.136-137. 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°C 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 вышеприведенных устройств являются:

- Низкая достоверность результатов испытаний на ползучесть трубчатых образцов при получении характеристик от воздействия на них нагрузок с разным соотношением тангенциальных и аксиальных напряжений путем проведения раздельных по времени испытаний.

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

- 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:

- наличием одной гирлянды образцов при воздействии на нее растягивающей нагрузки от одного нагружающего устройства;

- наличием большого числа коммуникаций, технологического оборудования и арматуры;

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

Заявляемое техническое решение позволяет повысить достоверность результатов испытаний, при расширении области использования и упрощении конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для испытания материалов в ядерном реакторе содержит корпус и раму, с соосно установленной обоймой, в которой расположен образец для испытания на растяжение, закрепленный верхней частью к обойме. А нижняя его часть установлена в упор к нижнему торцу рамы. Причем верхняя ее часть содержит коромысло, к которому с двух сторон шарнирно закреплены образцы для испытания на растяжение. А их нижние части закреплены к корпусу блока нагрузки, нагружающий шток которого установлен в упор к нижнему торцу обоймы. При этом суммарное усилие на образцах, закрепленных к коромыслу, соответствует усилию на образец, расположенный в обойме.

Блок нагрузки включает в себя герметичную сильфонную камеру, заполненную газом, расчетное давление во внутренней полости которой соответствует заданному усилию на образцы в условиях проведения реакторных испытаний. Кроме этого он снабжен регулировочным винтом для достижения заданного давления в сильфонной камере.

Образец может быть выполнен в виде гирлянды, состоящей из нескольких образцов последовательно соединенных между собой. А уровни расположения образцов в гирляндах совпадают.

Плечи коромысла выполнены в соотношении длин, пропорциональном усилиям растяжения закрепленных к нему образцов.

В стенках корпуса выполнена полость, заполненная газом, для обеспечения термоизоляции с целью снижения влияния подогрева от соседних тепловыделяющих сборок ядерного реактора

Корпус содержит отверстия для направленного потока теплоносителя ядерного реактора, который охлаждает наружные поверхности образцов.

Корпус выполнен разъемным для извлечения образцов и проведения измерений в радиационно-защитной камере с последующей сборкой и установкой в ячейку активной зоны ядерного реактора для продолжения реакторных испытаний.

Наличие рамы, с соосно установленной обоймой, в которой расположен образец для испытания на растяжение, закрепленный верхней частью к обойме, а нижняя его часть установлена в упор к нижнему торцу рамы, причем верхняя ее часть содержит коромысло, к которому с двух сторон шарнирно закреплены образцы для испытания на растяжение, а их нижние части закреплены к корпусу блока нагрузки, нагружающий шток которого установлен в упор к нижнему торцу обоймы позволяет одновременно проводить испытания на ползучесть трех трубчатых образцов в одинаковых внешних условиях для получения характеристик от воздействия на них нагрузок с разным соотношением тангенциальных и аксиальных напряжений, используя одно нагружающее устройство.

Наличие гирлянд, состоящих из нескольких образцов последовательно соединенных между собой, причем уровни расположения образцов в гирляндах совпадают, позволяет проводить испытания образцов для каждого уровня с одинаковыми тангенциальными напряжениями и различными между уровнями в одинаковых внешних условиях.

Наличие коромысла, плечи которого выполнены в соотношении длин, пропорциональном усилиям растяжения закрепленных к нему образцов, позволяет проводить испытания образцов для каждой гирлянды образцов с различными аксиальными напряжениями.

Наличие сильфонной камеры в блоке нагрузки, заполненной газом, расчетное давление во внутренней полости которой соответствует заданному усилию на образцы в условиях проведения реакторных испытаний позволяет воздействовать на образцы постоянной по времени растягивающей нагрузкой.

Наличие регулировочного винта позволяет отрегулировать заданное давление в сильфонной камере, которая воздействует на нагружающий шток.

Наличие в стенках корпуса полости, заполненной газом, позволяет предотвратить влияние неравномерного температурного поля внешней среды на стабильное и равномерное распределение температуры в образцах.

Наличие в корпусе отверстий для направленного потока теплоносителя ядерного реактора, который охлаждает наружные поверхности образцов, позволяет поддерживать заданную температуру в образцах, нагрев которых осуществляется энерговыделением в них при поглощении реакторного излучения.

Наличие разъемного соединения в корпусе позволяет многократно использовать устройство, а также извлекать образцы с целью проведения измерений.

Предложенное устройство позволяет проводить реакторное испытание в любой ячейке реактора одновременно трех гирлянд, образцы которых расположены на одном уровне. При этом условия облучения по нейтронному потоку и температуре образцов, расположенных на одном уровне максимально совпадают. Кроме того, возможность приложения к трем гирляндам образцов трех различных нагрузок от одного нагружающего элемента позволяет выявить влияние соотношения тангенциального и аксиального напряжения на характеристики ползучести образцов с максимальной достоверностью при упрощении конструкции.

Новым существенным признаком является форма исполнения узлов и деталей устройства для испытания материалов в ядерном реакторе и их взаимное расположение - рама, с соосно установленной обоймой, в которой расположен образец для испытания на растяжение, закрепленный верхней частью к обойме, а нижняя его часть установлена в упор к нижнему торцу рамы, причем верхняя ее часть содержит коромысло, к которому с двух сторон шарнирно закреплены образцы для испытания на растяжение, а их нижние части закреплены к корпусу блока нагрузки, нагружающий шток которого установлен в упор к нижнему торцу обоймы.

Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение обладает новизной.

Предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, опубликованной в научной и технической литературе, совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.

Перечень фигур графического изображения: на чертеже рис.1 изображен продольный разрез устройства для испытания материалов в ядерном реакторе; на чертеже рис.2 изображена схема устройства для испытания материалов в ядерном реакторе.

Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе содержит корпус 1, раму 2, с соосно установленной обоймой 3, в которой расположена гирлянда с трубчатыми образцами 4, заполненные газом с заданным давлением. Верхняя часть гирлянды с трубчатыми образцами 4 закреплена к обойме 3, а нижняя часть установлена в упор к нижнему торцу рамы 2. Верхняя часть рамы 2 содержит коромысло 5, к которому с двух сторон шарнирно закреплены гирлянды с трубчатыми образцами 4, заполненные газом с заданным давлением. А их нижние части закреплены к корпусу блока нагрузки 6, нагружающий шток 7 которого установлен в упор к нижнему торцу обоймы 3. Причем плечи коромысла 5 выполнены в соотношении длин, пропорциональном усилиям растяжения закрепленных к нему образцов 4. При этом суммарное усилие на образцах 4 в гирляндах, закрепленных к коромыслу 5, соответствует усилию на образцы 4 гирлянды, расположенной в обойме 3. Блок нагрузки 6 включает в себя герметичную сильфонную камеру 8, заполненную газом, расчетное давление во внутренней полости которой соответствует заданному усилию на образцы в условиях проведения реакторных испытаний. Кроме этого он снабжен регулировочным винтом 9 для достижения заданного давления в сильфонной камере 8.

Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе работает следующим образом.

Для реакторных испытаний материалов на ползучесть используются газонаполненные трубчатые образцы с заданными значениями давления. Заданное растягивающее усилие от нагружающего элемента - сильфонной камеры 8 блока нагрузки 6 передается к центральной гирлянде образцов 4 посредством нагружающего штока 7 и обоймы 3. При этом на образцы 4 центральной гирлянды воздействует заданное растягивающее усилие. Нижняя часть центральной гирлянды образцов 4, установленная в упор к нижнему торцу рамы 2, передает через нее заданное усилие к оси коромысла 5 и затем распределяется в соотношении, пропорциональном длинам плеч коромысла на две периферийные гирлянды образцов 4, нижние части которых закреплены к корпусу блока нагрузки 6. Перед загрузкой устройства в реактор регулировочным винтом 9 устанавливают заданное давление в сильфонной камере 8. Нагрев образцов в процессе проведения реакторных испытаний осуществляется энерговыделением в них при поглощении реакторного излучения. Поддержание заданной температуры в образцах осуществляется охлаждением теплоносителем первого контура реактора, который через отверстия в корпусе 1 создает поток во внутренней полости устройства и контактирует с наружными поверхностями образцов 4. Для снижения влияния подогрева от соседних ТВС в стенках корпуса 1 выполнена полость, заполненная газом, для обеспечения термоизоляции. При плановых остановах реактора устройство извлекается из реактора и транспортируется в радиационно-защитную камеру. В радиационно-защитной камере устройство разбирается с соблюдением предусмотренных процедур. После проведения измерений образцов устройство собирается и устанавливается в ячейку активной зоны реактора для продолжения реакторных испытаний.

Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе позволяет проводить реакторное испытание в любой ячейке реактора одновременно трех гирлянд, образцы которых расположены на одном уровне. При этом условия облучения по нейтронному потоку и температуре образцов, расположенных на одном уровне максимально совпадают. Кроме того, возможность приложения к трем гирляндам образцов трех различных нагрузок от одного нагружающего элемента позволяет выявить влияние соотношения тангенциального и аксиального напряжения на характеристики ползучести образцов с максимальной достоверностью при упрощении конструкции, применив в устройстве, размещенную в корпусе раму, с соосно установленной обоймой, в которой расположен образец для испытания на растяжение, закрепленный верхней частью к обойме. Нижняя его часть установлена в упор к нижнему торцу рамы. Причем верхняя часть рамы содержит коромысло, к которому с двух сторон шарнирно закреплены образцы для испытания на растяжение. А их нижние части закреплены к корпусу блока нагрузки, нагружающий шток которого установлен в упор к нижнему торцу обоймы. При этом суммарное усилие на образцах в гирляндах, закрепленных к коромыслу, соответствует усилию на образцы гирлянды, расположенной в обойме. А также, блок нагрузки может включать в себя герметичную сильфонную камеру, заполненную газом, расчетное давление во внутренней полости которой соответствует заданному усилию на образцы в условиях проведения реакторных испытаний и снабжен регулировочным винтом для достижения заданного давления в сильфонной камере. Кроме этого образец может быть выполнен в виде гирлянды, состоящей из нескольких образцов последовательно соединенных между собой. А плечи коромысла выполнены в соотношении длин, пропорциональном усилиям растяжения закрепленных к нему образцов. То есть, позволяет повысить достоверность результатов испытаний, при расширении области использования и упрощении конструкции.

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано при проведении радиационных испытаний, в частности испытаний при исследовании влияния облучения на механические свойства, зависимости деформации радиационного формоизменения и радиационно-термической ползучести образцов исследуемых материалов в ядерных реакторах. Для этого устройство для испытания материалов в ядерном реакторе содержит корпус и раму, с соосно установленной обоймой, в которой расположен образец для испытания на растяжение, закрепленный верхней частью к обойме, а нижняя его часть установлена в упор к нижнему торцу рамы, причем верхняя часть рамы содержит коромысло, к которому с двух сторон шарнирно закреплены образцы для испытания на растяжение, а их нижние части закреплены к корпусу блока нагрузки, нагружающий шток которого установлен в упор к нижнему торцу обоймы. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для испытания материалов в ядерном реакторе, включающее корпус и раму, с соосно установленной обоймой, в которой расположен образец для испытания на растяжение, закрепленный верхней частью к обойме, а нижняя его часть установлена в упор к нижнему торцу рамы, причем верхняя часть рамы содержит коромысло, к которому с двух сторон шарнирно закреплены образцы для испытания на растяжение, а их нижние части закреплены к корпусу блока нагрузки, нагружающий шток которого установлен в упор к нижнему торцу обоймы.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что блок нагрузки включает в себя герметичную сильфонную камеру, заполненную газом, расчетное давление во внутренней полости которой соответствует заданному усилию на образцы в условиях проведения реакторных испытаний.

3. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что блок нагрузки дополнительно снабжен регулировочным винтом для достижения заданного давления в сильфонной камере.

4. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что образец может быть выполнен в виде гирлянды, состоящей из нескольких образцов последовательно соединенных между собой.

5. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что уровни расположения образцов в гирляндах совпадают.

6. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что плечи коромысла выполнены в соотношении длин, пропорциональном усилиям растяжения закрепленных к нему образцов.

7. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что в стенках корпуса выполнена полость, заполненная газом, для обеспечения термоизоляции.

8. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что корпус содержит отверстия для направленного потока теплоносителя, который охлаждает наружные поверхности образцов.

9. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что корпус выполнен разъемным.