Способ моделирования взаимодействия расплавленного ядерного топлива с теплоносителем Советский патент 1989 года по МПК G21C17/00 

Изобретение относится к реакторной технике и может быть использовано в исследованиях безопасности ядерных реакторов и аварийных ситуаций при технологических процессах в алюминиевой и титановой промьшшенности.

Цель изобретения - повьшение качества моделирования краевых условий взаимодействия расплавленного ядерного топлива с теплоносителем.

Способ моделирования взаимодействия расплавленного ядерного топлива с теплоносителем включает плавление ядерного топлива или вещества его моделирукяцего в камере, перелив расплава в тигель и приведение в контакт расплава с теплоносителем. Предварительно расплав перегревают в камере до температуры

сл

AetJA H( y)ren/()pacn -Т,п1|()),„/(1с|))рй,„ПТ;с, .

а контакт топлива с теплоносителем осуществляют путем погружения тигля с расплавом под уровень теплоносителя на глубину расположения расплавленного топлива в реакторе со скоростью, превышающей скорость падения теплоносителя на поверхность расплава.

При перегреве расплава до указанной температуры и погружении тигля со скоростью, превышакяцей скорость паде

а

ния теплоносителя на поверхность расплава, взаимодействие расплава топлива или вещества его моделирующего не начинается до достижения тиглем заданной глубины.

: Взаимодействие начинается после :прекращения движения тигля, когда над поверхностью расплава имитируется столб теплоносителя, равный высоте столба теплоносителя в реакто- ре. При этом осуществляется фронтальный контакт теплоносителя с топливом (или моделирующим его веществом) .

Чтобы не происходило взаимодействия расплава с теплоносителем необ- ходимо выполнение условия

Т ,

(О

где контактная температура,

лемА температура Лейденфроста. Контактная температура при взаимодействии двух сред равна

т focn/ теп

N(cp)Ten /(cjj),

ро&п

коцт

1 ( Лер)твп /(cf )рслоп

(2)

где Т

рмбп

температура расплава в момент времени контакта (в объеме расплава)i

(lcp)Teh

и Gtp )patf, - произведения теплопроводности, теплоемкости и плотности теплоносителя и расплава соответственно,

В свою очередь температура расплва в момент контакта ниже, чем начальная температура расплава (перед переливом из камеры в тигль), т.е.

рооп

т,

-ДТп

(3)

де Т

поТ

ра СП f п от 5 - изменение температуры в объеме расплава при переливе и погружении тигля ;: с расплавом.

Она может быть определена экспериментально.

Подставляя (3) и (2) в (1), имеем

Трасп / (( Hen )раеп- пот ()

Таким образом, перегрев расплава в камере-, удовлетворякжщй соотношение (4), препятствует началу преждевременного взаимодействия.

0

5

0

5

0

5

0

5

Быстрое погружение тигля с расплавом - погружение со скоростью, превышающей скорость падения теплоносителя на поверхность расплава в тигле, препятствует грубому перемешиванию расплава с теплоносителем до достижения необходимой глубины погружения. При достижении заданной глубины погружения (равной высоте столба теплоносителя в реакторе над зоной расположения расплава ядерного топлива) на поверхность расплава фронтально падает столб теплоносителя, имитируя необходимые краевые условия взаимодействия. Кроме того, предотвращается разбрызгивание расплава топлива из зоны взаимодействия .

Предлагаемьй способ может быть реализован на установке, изображенной на фиг.1.

Ядерное топливо 1 (или его моделирующее вещество) загружено в камеру 2, находящуюся в печи 3, Б нижней части камеры 2 имеется отверстие 4 с запорным клапаном 5, соединенным со штоком 6. В полости камеры 2 расположена погружная термопара 7. Направляющие 8 соединены с подвижным тиглем 9, внутри полости которого размещена погружная термопара 10. Печь 3 установлена над корпусом участка 11 взаимодействия, часть объема которого заполнена теплоносителем 12. В объеме теплоносителя размещена погружная термопара 13.

Ядерное топливо 1 (или моделирующее его вещество) может загружаться в камеру 2 в виде кусочков, таблеток стружки или порошка. Печь 3 желательно закрыть крышкой. В качестве печи могут быть использованы, например, электропечь с нагревателями из вольфрама (для плавления высокотемпературного ядерного топлива) или нихрома (при плавлении веществ, включая и моделирующие с низ кими температурами плавления), печь- индуктор, питаемый высокочастотным генератором. Отверстие 4 в нижней части камеры 2 может быть выполнено цилиндрическим, а запорный клапан 5 - коническим. Шток 6 прижимает запорный клапан 5 к отверстию 4, напри-, мер, с помощью пружины, размещенной вне высокотемпературной зоны. При плавлении высокотемпературного ядерного топлива 1 в качестве погружных

5

термопар 7, 10 н 13 могут быть использованы, например, вольфрам-ре- ниевые и платино-платииородиевые темопары.

Направляюище 8 можно выполнить и полых трубок, через которые удобно вынести концы погруженной термопары 10, размещенной в полости подвижного тигля 9. Тигль 9 вьтолняется с двумя стенками, внутренняя из кого- рых имитирует стенку канала активной зоны, а наружная обеспечивает движение тигля в теплоносителе 12 с малым гидравлическим сопротивле- нием, имея обтекаемую носовую часть Герметичный воздушный зазор медду двумя стенками тигля служит быстрому термостатированию расплава топлива 1, снижению тепловых потерь и предотвращению нежелательного взаимодействия между теплоносителем и наружной поверхностью тигля.

Высота корпуса участка взаимодействия 11 выбирается таким образом, чтобы обеспечить возможность погружения подвижного тигля 9 на максимальную заданную глубину погружения под уровень теплоносителя.

Погружение подвижного тигля 9 мо- жет осуществляться либо его сбросом (свободно или с помощью пружины - при зтом йысота падения тигля в свободном газовом объеме внутри участка взаимодействия 11 должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить необходимую скорость движения тигля в объеме теплоносителя 12), либо с помощью электропривода.

На фил.2 показан пример синхрон- ной записи показаний акустического датчика и датчика давления на диаграммной ленте светолучевого осциллографа, полученный в эксперименте с подачей висмута массой 350 г при 750°С в дистиллированную воду с температурой на установке, схема которой показана на фиг.1. Подвижный ТИГЛЬ с расплавом висмута сбрасывался с высоты 0,5 м.

Импульсы давления регистрировались индуктивным датчиком давления, расположенным в нижней части установки. Затем сигнал от датчика давления после усиления выводился на шлейфо- вьт осциллограф. Одновременно на это же шлейфовьй осциллограф выводились высокочастотные составляющие акустических шумов акустического датчи

5 0

5

О

д с Q

,

5

766

ка, представ: 5аКХ1Д1м собой волноводный преобразователь с пьезоэлементом из ЦТС-19. Волновод акустического датчика изготовлен в виде цилиндрического стержня из стали Х18Н10Т и служит механическим фильтром, подавляю- пд1м низкочастотные составляющие спектра .

На фиг.2 показан момент входа в воду подвижного тигля с расплавом имитатора ядерного топлива по всплеску давления, момент начала контакта воды с расплавом, по резкому нарастанию высокочастотных составляющих шумов кипения и момент парового взрыва по второму резкому нарастанию высокочастотных составляющих шумов кипения и также по появлению и fflyльcoв давления. Время от момента входа тигля с расплавом в воду до начала взаимодействия (фиг.2) составило 0,18 с. Тигль с расплавом свободно падал с высоты 0,5 м и погружался под уровень воды на глубину Н 0,3 м. Время движения тигля в воде вьтислялось как разность между полным временем движения тигля и временем свободного падения тигля в газовой фазе и не превьщ1ало с учетом погрешности 0,15 с.

Таким образом, улучшение качества моде1П1рования краевых условий взаимодействия достигается за счет взаимосвязанного влияния двух факторов: предотвращения грубого смешения расплава с теплоносителем из-за более быстрого перемещения тигля относительно основной массы теплоносителя и выпаривания пристенного слоя теплоносителя, увлекаемого вязкими силами из-за высокой TehmepaTypbi расплава. По найденной экспериментально зависимости величины падения температуры расплава при переливе и транспортировке от величины исходных параметров расплава в камере устанавливается величина начального перегрева расплава в камере, обеспечивающая необходимые начальные условия взаимодействия под уровнем теплоносителя.

Формула изобретения

Способ моделирования взаимодействия расплавленного ядерного топлива с теплоносителем, включаюш 1й плавление ядерного топлива или вещества

его моделирукнцех о в камере, перелив расплава в тигль и осуществление ко такта расплава с теплоносителем, отличающийся тем, что, с целью повьшения качества моделирования краевых условий взаимодействия, расплав перегревают в камере до температуры

Т

-рпсп

СЯср )

ТдеиД .п /(7)|

-т

T.eiA

(Kcp lren )р«са

ро&

теп / С Р - ЛТ„„ ,

температура Лёйденфрост теплоносителя;

произведения теплопроводности, теплоемкости и плотности теплоноси

т«п

пот

теля и расплава, соответственно;

температура теплоносителя;

экспериментально опреде- деляемое изменение температуры в объеме расплава при перепиве и погру- 10жении;

а контакт расплава соответственно с теплоносителем осуществляют путем погружения тигля с расплавом под уровень теплоносителя на глубину 15 расположения расплавленного топлива в реакторе со скоростью, превышающей скорость падения теплоносителя на поверхность расплава.

«м

9

Изобретение относится к реакторной технике и может быть использовано в исследованиях безопасности ядерных реакторов. Целью изобретения является повышение качества моделирования краевых условий взаимодействия расплава топлива с теплоносителем. Перед осуществлением контакта расплава с теплоносителем расплав перегревают в камере до температуры Трасп.≥Тлейд. /1+√(λСρ)теп/(λСρ)расп) - ттеп √(λСργтеп/√(⁸лС⁸P)расп + Δ Тпот, где98лСργтеп/ Тлейд - температура теплоносителя, Тпот- экспериментально определяемое изменение температуры в объеме расплава при переливе и погружении, (λСρ)теп и (ΛCρ)расп - произведения теплопроводности, теплоемкости и плотности теплоносителя и расплава соответственно. Контакт расплава с теплоносителем осуществляют путем погружения тигля с расплавом под уровень теплоносителя на глубину расположения расплавленного топлива в реакторе со скоростью, превышающей скорость падения теплоносителя на поверхность расплава. 2 ил.