ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО НАГРЕВА ЖИДКОСТИ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЯДЕРНЫХ ТОПЛИВНЫХ СТЕРЖНЕЙ Российский патент 2016 года по МПК G21C17/06 G21C19/08 H05B3/78 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к новому электрическому устройству нагрева жидкости с увеличенным тепловым потоком.

Основным вариантом применения изобретения является реализация нового устройства электрического моделирования ядерных топливных стержней, предназначенных для соединения в сборки при помощи поддерживающих решеток и для использования в так называемых энергетических ядерных реакторах, в частности работающих с водой под давлением (сокращенно на французском языке REP или на английском языке PWR - реактор с водой под давлением). Как будет описано ниже, применение такого устройства позволяет производить термогидравлическую оценку качества топливных стержней посредством отслеживания наступления критического кипения жидкости, в которую они должны быть погружены.

В целом изобретение предназначено для увеличения срока службы и улучшения качества существующих устройств нагрева с увеличенным тепловым потоком, в частности, для оценки качества существующих устройств электрического моделирования ядерных топливных стержней с увеличенным тепловым потоком.

Хотя описание представлено для этого основного варианта применения, заявленное устройство можно использовать для нагрева жидкости, в которую его погружают.

Уровень техники

Для оценки качества сборки ядерных топливных стержней, предназначенной для использования в энергетическом ядерном реакторе с водой под давлением (REP), необходимо провести испытания на критическое кипение. В частности, необходимо иметь возможность отслеживать наступление критического кипения. Действительно, в целом критическое кипение можно определить как резкое повышение температуры стенки при незначительном изменении термогидравлических параметров управления. Конкретно оно выражается резким ухудшением теплообмена между нагревающей стенкой и окружаемым ею теплоносителем. В реакторе REP наступление этого явления может привести к разрыву оболочки ядерного топливного стержня.

До настоящего времени применяемые устройства электрического моделирования ядерного топливного стержня с увеличенным тепловым потоком можно определить как устройства прямого нагрева. Действительно, оболочка устройства представляет собой также элемент с функцией резистора. Иначе говоря, происходит прямой нагрев оболочки.

Однако современные ядерные топливные сборки, в частности, предназначенные для применения в реакторах REP, имеют более сложную конструкцию и более высокие термические характеристики, чем ранее использовавшиеся сборки, что делает невозможными обычные процедуры оценки качества, в частности, что касается соответствия устройств электрического моделирования стержней, объединенных в сборку.

Так, авторы изобретения установили, что современные поддерживающие решетки, которые образуют значительные отводы тока, могут вызвать быстрое разрушение устройств электрического моделирования стержней прямого нагрева: точки контакта между выступами рассматриваемой поддерживающей решетки и данным стержнем могут привести к появлению резкого скачка тока и, следовательно, к локальному электролизу, что является причиной быстрого разрушения стержней. Таким образом, авторы изобретения пришли к выводу, что устройства электрического моделирования с прямым нагревом могут препятствовать надежной оценке качества топливных сборок.

Кроме того, в зависимости от необходимого типа устройств прямого нагрева оболочки с функцией резистора должны быть очень тонкими, чтобы их электрическое сопротивление соответствовало имеющимся источникам электрического питания, что отрицательно сказывается на сроке службы рассматриваемых устройств моделирования и на возможности надежной оценки качества сборок.

Кроме того, использование устройства электрического моделирования прямого нагрева предполагает его эффективную и надежную электрическую изоляцию при одних и тех же условиях работы, что можно обеспечить только с применением сложных технологий и дорогих материалов, которые все равно являются хрупкими и имеют ограниченный срок службы.

Наконец, по определению, устройства электрического моделирования с прямым нагревом не могут быть использованы для оценки качества ядерных топливных сборок, предназначенных для погружения в электропроводящий теплоноситель. Однако, исследования по обеспечению надежности будущих ядерных реакторов на быстрых нейтронах (RNR), называемых реакторами IV-го поколения и работающих на натриевом теплоносителе (RNR-Na), требуют также проведения испытаний кипения натрия с увеличенным тепловым потоком. Поскольку натрий изначально имеет повышенную электропроводимость, устройства электрического моделирования с прямым нагревом невозможно использовать при указанных испытаниях кипения для реакторов (RNR).

Другие существующие устройства электрического моделирования являются устройствами с непрямым нагревом, так как сопротивления или резисторы выполнены в виде нитей, питаемых трехфазным током.

Эти устройства не являются удовлетворительными, так как они создают неравномерный тепловой поток с профилем в виде прибойной волны в поперечном направлении к оболочке, то есть с азимутальным профилем в виде прибойной волны.

Задача изобретения состоит в создании устройства электрического моделирования ядерного топливного стержня с увеличенным тепловым потоком, позволяющего полностью или частично устранить вышеуказанные недостатки, являющегося надежным, создающего равномерный тепловой поток и имеющего большой срок службы, чтобы выдерживать большое число испытаний прочности к кипению.

Еще одна задача изобретения состоит в создании нового устройства электрического моделирования ядерного топливного стержня с увеличенным тепловым потоком, позволяющего производить испытания прочности к кипению с небольшими затратами и в гарантированные сроки.

В целом, изобретение призвано предложить устройство электрического моделирования ядерного топливного стержня с увеличенным и равномерным по азимуту тепловым потоком, которое является надежным и имеет большой срок службы.

Раскрытие изобретения

Поставленные задачи решены в электрическом устройстве нагрева жидкости, которое, согласно изобретению, содержит:

- первую трубку из электропроводящего материала, образующую резистор,

- два электрических соединения, каждое из которых посажено в один из концов резистора, при этом электрические соединения выполнены с возможностью подачи и, соответственно, вывода постоянного тока через резистор,

- промежуточный элемент из материала, который одновременно является теплопроводным и электроизоляционным, охватывающий с прямым механическим контактом соответственно резистор и оба электрических соединения, по меньшей мере, на части их длины,

- вторую трубку, образующую оболочку, выполненную из теплопроводящего материала и охватывающую с прямым механическим контактом теплопроводящий промежуточный элемент, при этом оболочка предназначена для погружения, по меньшей мере, на большей части своей длины в нагреваемую жидкость.

Иначе говоря, заявленное решение в основном состоит:

- в использовании такого же типа трубчатого резистора, что и в используемых в настоящее время устройствах электрического моделирования с прямым нагревом, чтобы получать увеличенный тепловой поток с осевым профилем, задаваемым исключительно посредством изменения толщины резистора, и с равномерным поперечным профилем, то есть с профилем без азимутального изменения,

- в питании указанного трубчатого резистора постоянным током,

- в реализации уменьшенных радиальных размеров трубчатого резистора, чтобы изолировать его электрически при помощи электроизоляционного и в то же время теплопроводящего промежуточного элемента, предпочтительно с очень высоким коэффициентом теплопроводности, такого как нитрид бора, и

- в закрывании комплекса трубчатый резистор/промежуточный элемент оболочкой из теплопроводящего материала с заданным наружным диаметром типа диаметра оболочек стержней для реакторов REP, предпочтительно из металла, не ржавеющего в деминерализованной воде.

Электрическое устройство нагрева, которое можно определить как устройство непрямого нагрева (трубчатый резистор опосредованно нагревает жидкость за счет теплопроводности через промежуточный элемент и оболочку), позволяет добиться увеличенного теплового потока до нескольких МВт/м² и имеет те же метрологические качества, которые отмечаются на эффективных существующих устройствах электрического моделирования с прямым нагревом.

Иначе говоря, благодаря заявленному устройству можно производить оценку качества ядерных топливных стержней, предназначенных для силовых реакторов типа REP. Кроме того, учитывая электрическую изоляцию устройства по отношению к внешней окружающей среде, позволяющую устранить многие проблемы монтажа, можно также производить оценку качества сборок ядерных топливных стержней с использованием современных поддерживающих решеток без риска быстрого разрушения трубчатого резистора, которое помешало бы успешно завершать испытания на критическое кипение, как это может происходить с существующими в настоящее время устройствами электрического моделирования с прямым нагревом.

Чтобы уменьшить термическое сопротивление на границах раздела между различными компонентами устройства, прямые механические контакты одновременно между промежуточным элементом и резистором и между промежуточным элементом и оболочкой обеспечены за счет плотной посадки.

Предпочтительно в заявленном устройстве можно предусмотреть одну или несколько механических вставок, устанавливаемых внутри резистора, при этом механическая(ие) вставка(и) выполнена(ы) с возможностью механического поддержания трубчатого резистора. В частности, такие вставки предпочтительно могут поддерживать трубчатую стенку резистора в случае обжатия оболочки на всем устройстве. Предпочтительно механическая(ие) вставка(и) выполнена(ы) из керамического материала, такого как оксид магния, оксид алюминия, диоксид циркония. Керамические вставки отличаются одновременно хорошей механической прочностью и высоким удельным электрическим сопротивлением, что и требуется для осуществления изобретения.

Предпочтительно трубчатый резистор выполнен из материала Inconel 600 или из медно-никелевого сплава 70/30.

Предпочтительно электроизоляционный и теплопроводный промежуточный элемент выполнен в виде столбика из множества таблеток с отверстием в центре, посаженных друг на друга. За счет этого облегчается монтаж изолирующего элемента вокруг резистора. Предпочтительно таблетки промежуточного элемента выполнены из нитрида бора или из нитрида алюминия. В частности, нитрид бора имеет термические и электрические характеристики, вполне удовлетворяющие условиям реализации изобретения. Кроме того, изготовление таблеток из нитрида бора позволяет получить компактный промежуточный элемент.

Для обеспечения коррозионной стойкости предпочтительно оболочку выполняют из металла, не ржавеющего в деминерализованной воде, как правило, в воде с температурой 350°C и даже 600°C в переходном режиме. Предпочтительно речь идет о нержавеющей стали 316L или о сплаве никель/хром/железо с массовым содержанием никеля более 50%, предпочтительно с составом, в который входят не менее 72% никеля, от 14% до 17% хрома, от 6% до 10% железа (сплав называют также Inconel 600; в его состав могут входить также несколько дополнительных элементов в небольшом количестве, таких как Mn (не более 1%), и/или Cu (не более 0,5%), и/или Si (не более 0,5%), и/или C, и/или S).

Предпочтительно оба электрических соединения представляют собой цельные детали, которые позволяют вставить термопары в оболочку, что будет описано ниже. Предпочтительно эти цельные детали выполнены из проводящего материала, содержащего медь или никель, или из молибдена, если для них оказывается необходимой высокотемпературная термическая обработка, в частности сверхбыстрая закалка.

Предпочтительно заявленное устройство является устройством электрического моделирования ядерного топливного стержня.

Оно содержит множество термопар, предпочтительно вставленных, каждая, в паз, выполненный на наружной периферии оболочки. Таким образом, в отличие от известных устройств электрического моделирования термопары можно вставлять с высокой точностью. Эти термопары обычно являются термопарами типа N с оболочкой из Inconel 600.

Поставленная задача решена также в способе изготовления электрического устройства нагрева жидкости, при этом указанное устройство содержит:

- первую трубку из электропроводящего материала, образующую резистор,

- два электрических соединения, каждое из которых посажено в один из концов резистора, при этом электрические соединения выполнены с возможностью подачи и, соответственно, вывода постоянного тока через резистор,

- промежуточный элемент из материала, который одновременно является теплопроводным и электроизоляционным, охватывающий с прямым механическим контактом соответственно резистор и оба электрических соединения, по меньшей мере, на части их длины,

- вторую трубку, образующую оболочку, выполненную из теплопроводящего материала и охватывающую с прямым механическим контактом теплопроводящий промежуточный элемент, при этом оболочка предназначена для погружения, по меньшей мере, на большей части своей длины в нагреваемую жидкость,

при этом способ включает, по меньшей мере, один этап обжатия оболочки на промежуточном элементе и резисторе для обеспечения их плотной посадки между собой.

Предпочтительно этап обжатия позволяет также уплотнить электроизоляционный промежуточный элемент с повышением его теплопроводности.

Для осуществления этапа обжатия можно предусмотреть три альтернативных варианта:

- либо при помощи обработки ковкой наружного диаметра оболочки: при этом различные зазоры при монтаже между резистором, твердым изолирующим промежуточным элементом и оболочкой выбираются за счет уменьшения наружного диаметра в результате ковки с одновременным осевым расширением,

- либо за счет воздействия изостатическим давлением на внутренний диаметр резистора: при этом различные зазоры при монтаже между резистором, твердым изолирующим промежуточным элементом и оболочкой выбираются за счет расширения внутреннего диаметра в результате действия изостатического давления и причем без осевого расширения,

- либо посредством термического фреттажа с нагревом оболочки за счет эффекта Джоуля при одновременном охлаждении резистора за счет внутреннего пропускания теплоносителя в течение всей продолжительности этапа. В этом варианте в электрических соединениях выполняют отверстия, предпочтительно размером 3 мм.

При вариантах обжатия посредством ковки или при помощи изостатического давления (гидростатическое расширение) эти этапы можно осуществлять, по меньшей мере, по длине оболочки с установленными на место электрическими соединениями, причем к последним можно применить удлинение.

Объектом изобретения является также способ изготовления электрического устройства нагрева жидкости, при этом указанное устройство содержит:

- первую трубку из электропроводящего материала, образующую резистор,

- два электрических соединения, каждое из которых посажено в один из концов резистора, при этом электрические соединения выполнены с возможностью подачи и, соответственно, вывода постоянного тока через резистор,

- промежуточный элемент из материала, который одновременно является теплопроводным и электроизоляционным, охватывающий с прямым механическим контактом соответственно резистор и оба электрических соединения, по меньшей мере, на части их длины,

- вторую трубку, образующую оболочку, выполненную из теплопроводящего материала и охватывающую с прямым механическим контактом промежуточный элемент, при этом оболочка предназначена для погружения, по меньшей мере, на большей части своей длины в нагреваемую жидкость,

при этом способ, согласно изобретению, содержит, по меньшей мере, один этап напыления керамического материала промежуточного элемента на резистор, этап шлифования промежуточного элемента, нанесенного на резистор, этап напыления металлического материала оболочки на промежуточный элемент и, наконец, этап шлифования металлической оболочки.

Технологии напыления покрытия, применяемые в рамках изобретения, могут быть любыми технологиями нанесения поверхностного покрытия из металлов для оболочки или из керамики для промежуточного элемента, совместимыми с требуемыми спецификациями, например осаждение в паровой фазе, в жидкой фазе, электролиз, эпитаксия и т.д.

Элементы с нанесенным покрытием можно шлифовать по очень небольшой толщине, чтобы компенсировать их относительно низкую проводимость. Авторы изобретения считают, что для этапа напыления покрытия и для этапа шлифования наиболее подходящими материалами являются диоксид циркония и оксид алюминия.

Для получения заявленного устройства электрического моделирования ядерного топливного стержня с увеличенным и равномерным тепловым потоком в основном необходимо контролировать максимальные внутренние температуры, связанные с геометрией и с материалами, а также с термическими сопротивлениями на поверхностях раздела.

Так, следует стремиться минимизировать радиальное расстояние, которое должен пройти тепловой поток, излучаемый резистором, при этом выбор материалов для резистора, оболочки и промежуточного элемента позволяет максимизировать их теплопроводность.

Наконец, благодаря заявленным способам, термические сопротивления на границах раздела уменьшаются за счет радиального сжатия, получаемого при обжатии оболочки на устройстве, или за счет напыления различных элементов.

Предпочтительно дополнительно выполняют ряд продольных пазов для установки в каждый из них термопары с целью получения устройства электрического моделирования ядерного топливного стержня.

Таким образом, позиционирование термопар, вставляемых в оболочку в разных азимутальных и продольных положениях, является очень точным, примерно с точностью около миллиметра.

Краткое описание чертежей

Другие преимущества и отличительные признаки изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта осуществления, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показано известное устройство электрического моделирования ядерного топливного стержня, вид в продольном разрезе;

на фиг.2 показано устройство электрического моделирования ядерного топливного стержня согласно первому варианту осуществления изобретения, вид в продольном разрезе;

на фиг.3 показано устройство электрического моделирования ядерного топливного стержня согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в продольном разрезе.

Раскрытие изобретения

Следует уточнить, что известное (фиг.1) и заявленное (фиг.2) устройства электрического моделирования должны обеспечивать обнаружение наступления критического кипения, определяемого как резкий скачок температуры стенки при незначительном изменении термогидравлических параметров управления.

Следует также отметить, что на фиг.1-3 обозначениями Lt, Ln и Lc показаны:

Lt: общая длина устройства;

Ln: длина, на которую устройство погружено в жидкость;

Lc: длина нагрева устройства.

Следует отметить, что монтаж известного устройства электрического моделирования (фиг.1) предусматривает погружение электрического соединения, тогда как монтаж заявленного устройства электрического моделирования (фиг.2) позволяет не погружать электрические соединения, что является преимуществом, так как можно не выполнять сложную электрическую изоляцию относительно внешней окружающей среды.

Следует также уточнить, что для осуществления испытаний на критическое кипение заявленное устройство электрического моделирования помещают внутри сборки (не показано) из нескольких идентичных устройств с поддерживающими решетками внутри бака (не показан), содержащего предназначенную для нагрева жидкость, при этом выступающие из бака электрические соединения изолированы от него при помощи соответствующих средств, и в трубчатый резистор подают постоянный ток. Для реакторов с водой под давлением нагреваемой жидкостью является вода. В других вариантах применения можно использовать другую нагреваемую жидкость. Как правило, для реакторов на быстрых нейтронах RNR-Na нагреваемой жидкостью является натрий.

При испытаниях на критическое кипение для каждого устройства электрического моделирования задают следующие параметры:

- длина Lc нагрева, как правило, от 1 до 4,3 метра;

- осевой профиль теплового потока на каждый стержень, как правило, от 0.2 до 3 МВт/м²;

- наружный диаметр оболочки, как правило, от 8.5 до 12.9 мм;

- общая электрическая мощность, как правило, от 0.5 до 10 МВт.

Точно так же, при этих испытаниях для соединенных между собой нескольких устройств электрического моделирования задают следующие параметры;

- тип и положения поддерживающих решеток, определяющие тип и шаг решетки сборки,

- ограниченное число устройств в каждой сборке, как правило, от 19 до 37. Рабочими условиями для нагреваемой жидкости, обозначенной Liq на фигурах (деминерализованная вода), являются:

- давление от 1 до 172 бар,

- температура от 50 до 350°C,

- расход от 0.1 до 40 кг/с при условиях теплового потока и общей мощности, применяемых для каждого устройства, как будет показано ниже.

Для ясности одинаковые элементы известного и заявленного устройств обозначены одинаковыми позициями.

На фиг.1 показано известное устройство электрического моделирования, называемое устройством прямого нагрева. Известное устройство 1 содержит резистор 2 в виде трубки, которая служит также оболочкой. Иначе говоря, трубчатая оболочка 2 выполняет также функцию электрического резистора, то есть функцию детали, в которую подают ток для нагрева жидкости, в которую погружено устройство. Внутреннее пространство 20 резистора/трубчатой оболочки 2 заполнено азотом под давлением. Два электрических соединения 30, 31 посажены, каждое, в один из концов оболочки/резистора 2. Одно из соединений 30 служит для подачи тока: оно имеет в центре отверстие для установки измерительных термопар 4, которые расположены в продольном направлении вдоль оси устройства во внутреннем пространстве 20 оболочки.

С этой стороны герметизацию азота под давлением во внутреннем пространстве 20 оболочки 2 обеспечивают одновременно при помощи самого соединения 30 и при помощи концевой пробки 5 из электроизоляционного материала. Другое из соединений 31 служит для выхода тока: оно является цельным и тоже выполняет функцию герметичной пробки.

Основными недостатками известного устройства электрического моделирования с прямым нагревом, показанного на фиг.1, являются:

- сложность установки устройства в испытательный бак,

- в случае использования поддерживающих решеток они образуют отводы для тока, которые могут привести к быстрому разрушению оболочки/резистора 2, нагреваемого непосредственно током питания: это может помешать успешному завершению испытаний. Это еще больше касается современных поддерживающих решеток, так как они являются более толстыми и более высокими, чем поддерживающие решетки более ранних конструкций;

- оно не может быть использовано для проведения испытаний на критическое кипение жидкости с повышенной электропроводимостью, такой как натрий, предусмотренный для реакторов RNR-Na IV-го поколения.

Для устранения этих недостатков при сохранении возможности получения увеличенных тепловых потоков порядка нескольких МВт/м², необходимых для качественной оценки топлива и имеющих такие же метрологические характеристики, что и в известном устройстве 1, авторы изобретения решили прежде всего разделить функцию оболочки и функцию резистора устройства.

Таким образом, заявленное устройство 1 в основном содержит:

- резистор 2 такого же типа, что и трубчатый резистор известного устройства 1, показанного на фиг.1, для получения увеличенного теплового потока с осевым профилем, задаваемым исключительно изменением толщины резистора, и с равномерным поперечным профилем, то есть без азимутального изменения,

- уменьшенные радиальные размеры трубчатого резистора для электрической изоляции при помощи электроизоляционного и в то же время теплопроводящего промежуточного элемента 6, 22 предпочтительно с очень высоким коэффициентом теплопроводности,

- оболочку 7 из теплопроводящего материала, охватывающую комплекс трубчатый резистор 21 промежуточный элемент 6, 22, при этом наружным диаметром указанной оболочки является вышеуказанный заданный диаметр (8.5-12.9 мм), то есть диаметр оболочек ядерных топливных стержней, предназначенных для реакторов REP.

Кроме того, согласно изобретению, резистор 2 получает питание постоянным током через соединение 30. Для других вариантов применения, отличных от оценки качества ядерного топлива, электрическое питание может обеспечиваться однофазным переменным током.

В варианте осуществления, показанном на фиг.2, в качестве электроизоляционного и теплопроводящего промежуточного элемента служит столбик таблеток 6, которые в центре содержат отверстие и посажены друг на друга и вокруг трубчатого резистора 2 по всей его длине и на части электрических соединений 30, 31.

В варианте осуществления, показанном на фиг.3, в качестве электроизоляционного и теплопроводящего промежуточного элемента служит керамическое покрытие 22, нанесенное в жидком виде посредством напыления (термического напыления) непосредственно на трубчатый резистор 2.

Внутри резистора 2 помещены механические вставки 21 из керамики, чтобы поддерживать его стенку, в частности, когда оболочка вытягивается во время этапа обжатия посредством ковки. Вместо керамических вставок 21 можно также предусмотреть газ под давлением.

Независимо от представленного варианта осуществления, чтобы максимально снизить тепловые сопротивления на границе раздела резистор 2/изолирующий промежуточный элемент 22, 6/оболочка 7 осуществляют радиальное сжатие полученного комплекса за счет обжатия оболочки 2 на остальной части 22, 6; 7 устройства 1. Эта операция обжатия позволяет также уплотнить электроизоляционный промежуточный элемент в виде уложенных друг на друга таблеток 6 с увеличением их теплопроводности.

Измерение для обеспечения испытаний на критическое кипение осуществляют при помощи термопар 4 типа N, охваченных оболочкой из Inconel 600 (сплав никель/хром/ железо с составом, в который входят, по меньшей мере, 72% никеля, 14-17% хрома, 6-10% железа; в состав могут также входить несколько дополнительных элементов в небольших количествах, таких как Mn (не более 1%), и/или Cu (не более 0,5%), и/или Si (не более 0,5%), и/или C, и/или S), каждую из которых располагают в разных осевых и азимутальных положениях в специальных местах с допуском +/- 2 мм.

Предпочтительно, как показано на фиг.2 и 3, каждую термопару 4 вставляют после этапа обжатия непосредственно в паз, выполненный на наружном диаметре оболочки 7. Таким образом, можно очень точно располагать термопары с вышеуказанным допуском.

Вокруг каждого электрического соединения 30, 31 можно выполнить элементы 5 герметизации из смолы для электрической изоляции резистора 2 и его соединений 30, 31 от оболочки 7.

Например, заявленные устройства 1 электрического моделирования могут быть выполнены со следующими размерами и из следующих материалов:

РАЗМЕРЫ УСТРОЙСТВА 1, ПОКАЗАННОГО НА ФИГ.2 И 3:

- устройство 1 в комплекте:

- длина Ln погружения: 1,2-4,5 м;

- общая длина Lt: 1,5-4,8 м;

- оболочка 7:

- наружный диаметр: 8,5-12,9 мм,

- толщина: ~1 мм,

- резистор 2:

- длина Lc нагрева: 1-4,3 м,

- наружный диаметр, меньший примерно на 2 мм внутреннего диаметра оболочки 7 (фиг.2),

- наружный диаметр, меньший примерно на 0.5 мм внутреннего диаметра оболочки 7 (фиг.3),

- внутренний диаметр в зависимости от данного электрического сопротивления,

- электроизоляционный и теплопроводящий промежуточный элемент:

- толщина таблеток 6 (фиг.2): около 2 мм,

- толщина керамического покрытия 22: около 0,5 мм,

- термопара 4 с оболочкой: диаметр около 0.5 мм.

МАТЕРИАЛЫ УСТРОЙСТВА 1, ПОКАЗАННОГО НА ФИГ.2 И 3:

- оболочка 7: Inconel 600 или нержавеющая сталь 316L,

- резистор 2: Inconel 600 или медно-никелевый сплав 70/30,

- электроизоляционный и теплопроводящий промежуточный элемент: уложенные друг на друга таблетки 6 из нитрида бора или из нитрида алюминия и керамическое покрытие 22 из диоксида циркония,

- термопара 4: оболочка из Inconel 600 или из нержавеющей стали 316L,

- электрические соединения 30, 31: медь, никель или молибден,

- керамические вставки: оксид магния, или оксид алюминия, или диоксид циркония,

- электроизоляционные элементы 5 герметизации: смола или силикон, если локальная температура остается относительно низкой.

Хотя представленное на фиг.2 и 3 заявленное устройство было описано исключительно как устройство электрического моделирования ядерного топливного стержня для реализации испытаний на критическое кипение, оно может также быть электрическим устройством нагрева жидкости, в частности, если требуется увеличенный тепловой поток, как правило, до нескольких МВт/м².

Таким образом, заявленное устройство предпочтительно может заменять существующие в настоящее время нагревательные стержни, поверхностная мощность которых ограничена:

- технологией реализации, когда она предполагает слишком высокие температуры внутри его конструкции по причине материалов, используемых только по термическим соображениям, или по причине недостаточной электрической изоляции,

- характеристиками теплообмена окружающего теплоносителя, связанными с его собственными физическими свойствами (теплопроводность, вязкость…) или с условиями прохождения его потока (незначительный расход, высокие температуры…).

В случае, когда заявленное устройство действительно используют в качестве нагревательного устройства, его два конца служат для электрического питания.

Изобретение относится к электрическим нагревателям, предпочтительным применением которых является электрическое моделирование ядерных топливных стержней, предназначенных для соединения в сборки в силовых реакторах. Устройство (1) нагрева жидкости (Liq) с увеличенным тепловым потоком содержит трубчатый резистор (2), питаемый постоянным током, который может нагревать жидкость за счет теплопроводности через охватывающий его с прямым механическим контактом электроизоляционный и теплопроводящий промежуточный элемент (6, 22), при этом комплекс трубчатый резистор/промежуточный элемент окружен оболочкой (7), предназначенной для погружения в нагреваемую жидкость, по меньшей мере, на части своей длины. Устройство обеспечивает создание равномерного теплового потока, надежно в работе и имеет большой срок службы. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрическое устройство (1) нагрева жидкости (Liq), характеризующееся тем что содержит:
- первую трубку (2) из электропроводящего материала, образующую резистор,
- два электрических соединения (30, 31), каждое из которых посажено в один из концов резистора, при этом электрические соединения выполнены с возможностью подачи и, соответственно, вывода постоянного тока через резистор (2),
- промежуточный элемент (6, 22) из материала, который одновременно является теплопроводным и электроизоляционным, охватывающий с прямым механическим контактом соответственно резистор и оба электрических соединения, по меньшей мере, на части их длины,
- вторую трубку (7), образующую оболочку, выполненную из теплопроводящего материала и охватывающую с прямым механическим контактом теплопроводящий промежуточный элемент, при этом оболочка предназначена для погружения, по меньшей мере, на большей части своей длины в нагреваемую жидкость.

2. Электрическое устройство по п.1, в котором прямые механические контакты одновременно между промежуточным элементом (4) и резистором (2) и между промежуточным элементом (4) и оболочкой (7) обеспечены за счет плотной посадки.

3. Электрическое устройство по п.1, дополнительно содержащее одну или несколько механических вставок (21), установленных внутри резистора, при этом механическая(ие) вставка(и) выполнена(ы) с возможностью механического поддержания трубчатого резистора.

4. Электрическое устройство по п.3, в котором механическая(ие) вставка(и) (21) выполнена(ы) из керамического материала, такого как оксид магния, оксид алюминия, диоксид циркония.

5. Электрическое устройство по п.1, в котором трубчатый резистор (2) выполнен из сплава никель/хром/железо с составом, в который входят, в массовых процентах, не менее 72% никеля, 14-17% хрома, 6-10% железа, или из медно-никелевого сплава 70/30.

6. Электрическое устройство по п.1, в котором электроизоляционный и теплопроводящий промежуточный элемент (4) выполнен в виде столбика из множества таблеток (6) с отверстием в центре, уложенных друг на друга.

7. Электрическое устройство по п.6, в котором таблетки (6) промежуточного элемента выполнены из нитрида бора или из нитрида алюминия.

8. Электрическое устройство по п.1, в котором оболочка (7) выполнена из металла, не ржавеющего в деминерализованной воде.

9. Электрическое устройство по п.8, в котором оболочка выполнена из сплава никель/хром/железо с составом, в который входят, в массовых процентах, не менее 72% никеля, 14-17% хрома, 6-10% железа, или из нержавеющей стали 316L.

10. Электрическое устройство по п.1, в котором оба электрических соединения (30, 31) представляют собой цельные детали.

11. Электрическое устройство по п.10, в котором оба электрических соединения выполнены из меди, из никеля или из молибдена.

12. Электрическое устройство по п.1, являющееся устройством (1) электрического моделирования ядерного топливного стержня.

13. Электрическое устройство по п.12, которое содержит множество термопар (4), каждая из которых вставлена в паз, выполненный на наружной периферии оболочки.

14. Электрическое устройство по п.13, в котором термопары являются термопарами типа N с оболочкой из сплава никель/хром/железо с составом, в который входят, в массовых процентах, не менее 72% никеля, 14-17% хрома, 6-10% железа.

15. Способ изготовления электрического устройства нагрева жидкости (Liq), при этом указанное устройство (1) содержит:
- первую трубку (2) из электропроводящего материала, образующую резистор,
- два электрических соединения (30, 31), каждое из которых посажено в один из концов резистора, при этом электрические соединения выполнены с возможностью подачи и, соответственно, вывода постоянного тока через резистор,
- промежуточный элемент (6, 22) из материала, который одновременно является теплопроводным и электроизоляционным, охватывающий с прямым механическим контактом соответственно резистор и оба электрических соединения, по меньшей мере, на части их длины,
- вторую трубку (7), образующую оболочку, выполненную из теплопроводящего материала и охватывающую с прямым механическим контактом промежуточный элемент, при этом оболочка предназначена для погружения, по меньшей мере, на большей части своей длины в нагреваемую жидкость,
отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один этап обжатия оболочки (7) на промежуточном элементе (6, 22) и резисторе (2) с обеспечением их плотной посадки между собой.

16. Способ изготовления по п.15, в котором этап обжатия осуществляют посредством обработки ковкой наружного диаметра оболочки.

17. Способ изготовления по п.15, в котором этап обжатия осуществляют посредством воздействия изостатическим давлением на внутренний диаметр резистора.

18. Способ изготовления по п.15, в котором этап обжатия осуществляют посредством термического фреттажа с нагревом оболочки за счет эффекта Джоуля при одновременном охлаждении резистора за счет внутреннего пропускания теплоносителя в течение всей продолжительности этапа.

19. Способ изготовления по п.15, в котором после завершения этапа обжатия выполняют ряд продольных пазов на наружном диаметре оболочки для установки в каждый из них термопары (4) для получения устройства электрического моделирования ядерного топливного стержня.

20. Способ изготовления электрического устройства нагрева жидкости (Liq), при этом указанное устройство (2) содержит:
- первую трубку (2) из электропроводящего материала, образующую резистор,
- два электрических соединения (30, 31), каждое из которых посажено в один из концов резистора, при этом электрические соединения выполнены с возможностью подачи и, соответственно, вывода постоянного тока через резистор,
- промежуточный элемент (6, 22) из материала, который одновременно является теплопроводным и электроизоляционным, охватывающий с прямым механическим контактом соответственно резистор и оба электрических соединения, по меньшей мере, на части их длины,
- вторую трубку (7), образующую оболочку, выполненную из теплопроводящего материала и охватывающую с прямым механическим контактом промежуточный элемент, при этом оболочка предназначена для погружения, по меньшей мере, на большей части своей длины в нагреваемую жидкость,
при этом способ отличается тем, что содержит, по меньшей мере, один этап напыления керамического материала промежуточного элемента на резистор, этап шлифования промежуточного элемента, нанесенного на резистор, этап нанесения металлического материала оболочки на промежуточный элемент и, наконец, этап шлифования металлической оболочки.

21. Способ изготовления по п.20, в котором после завершения этапа шлифования металлической оболочки выполняют ряд продольных пазов на наружном диаметре оболочки для установки в каждый из них термопары (4) для получения устройства электрического моделирования ядерного топливного стержня.