Способ определения контактной термической проводимости между оболочкой и сердечником модельного твэла Советский патент 1992 года по МПК H01J45/00 G21C17/06 

Изобретение относится к области ядерной техники, а более конкретно к способам моделирования термомеханического поведения твэлов во внереакторных условиях, и может быть использовано при определении контактной термической проводимости на границе раздела топливным сердечником и оболочкой высокотемпературного твэла.

Известен способ определения контактной термической проводимости на границе раздела двух цилиндрических тел, в том числе из разнородных материалов. Сущность способа состоит в том, что экспериментальная зависимость перепада температуры на границе раздела плоских образцов от величины контактного давления сравнивается с аналогичной зависимостью для цилиндрических тел, полученной расчетным методом при произвольно принятых пер е Иадах температуры. Единственное решение, удовлетворяющее обеим зависимостям, дает истинное значение кбИта ктной термической проводимости, а также соответствующее ему значение контакТШгб давле нй й Цилиндрической пары.

Указанный способ не может быть ис-- пользован применительно к твэ лу, так как именно расчет контактного давления при заданном перепаде температуры представляет наибольшую трудность и поэтому необходимо его экспериментальное определение.

Известен также способ определения контактной термической проводимости (или перепада температуры) между оболочкой и

4 00

СЛ О 4 О

сердечником модельного твэла, включающий подвод электрической мощности к центральному (в центральном канале сердечника) и внешнему (в виде осесимгет- ричного экрана) нагревателям при одновре- менном измерении температур оболочки, внешней поверхности сердечника (или промежуточных между оболочкой и сердечником элементов) через радиальные отверстия в оболочке. Одновременное использование двух нагревателей в указанном способе обеспечивает возможность получения заданного соотношения между температурой оболочки и тепловым потоком с ее поверхности. Этот способ является наиболее близ- ким к предлагаемому и принят за прототип. Недостаток прототипа состоит в том, что определяемый перепад температуры по существу относится лишь к начальному периоду эксплуатации твэла, так какприиспы- таниях не моделируется механическое нагружение оболочки со стороны распухающего сердечника. Получаемые таким образом значения перепадов температуры могут существенно отличаться от реальных, так как контактная термическая проводимость имеет степенной характер зависимости от давления.

Целью изобретения является определение контактнрй термической проводимости между оболочкой и сердечником модельного твэла термоэмиссионного реактора-преобразователя, нагреваемого с помощью центрального и внешнего нагревателей, путем измерения температуры внешней по-

верхности сердечника через соосные отверстия во внешнем нагревателе и оболочке и температуры оболочки, позволяющих вычислить искомую величину как частное от деления плотности теплового по- тока на границе раздела сердечника с обо лочкой и разности температур между ними. Для приближения условий испытаний к

. штатным моделируется механическое воздействие распухающего сердечника на обо- лочку путем увеличения его объема при нагреве, при этом о достижении механического взаимодействия таблеток с оболочкой

при номинальном режиме судят по выравниванию температур таблеток, сдвинутых первоначально к диаметрально противопо- ложнымЪбразующим оболочки.

Поставленная цель достигается тем, что при определении контактной термической проводимости между сердечником и обо- лочкой твэла на номинальном уровне температуры оболочки проводят изотермическую выдержку в течение 0,5 ... 20 ч, затем одновременно увеличивают мощность, подаваемую на центральный, и уменьшают

мощность, подаваемую на внешний нагреватель, при этом скорость уменьшения мощности, выделяемой внешним нагревателем, выбирают из условия сохранения неизменной температуры оболочки, а скорость увеличения мощности,4 подаваемой на центральный нагреватель, получают из соотношения между скоростью объемного термического расширения сердечника и скоростью его распухания в реакторных условиях.

Кроме того,при испытании топлива с низкой упругостью паров по-крайней мере две таблетки сердечника в исходном состоянии через радиальные отверстия в оболочке смещают к диаметрально противоположным образующим оболочки и при номинальном уровне температуры оболочки проводят сравнение температур этих таблеток, по которому судят о достижении механического взаимодействия таблеток с оболочкой.

Для реализации способа необходимо выполнение следующего основного условия:, ,

т v/з ат.

где V - скорость относительного объемного изменения сердечника при распухании; «т - коэффициент линейного термического расширения топливного материала; Т - скорость изменения температуры сердечника в модельном эксперименте. По имеющимся данным скорость распухания диоксида урана при высокотемпературном облучении наг5

v ..-1

ходится в диапазоне 0, ... ЫО ч Используя для диоксида значение 2Т - 1 , находим Т 0,2 ... 3 град/ч. Указанные значения скоростей нагрева могут быть обеспечены изменением электрической мощности, подаваемой на центральный нагреватель в рабочем участке с модельным твэлом. При этом они оказываются существенно ниже скорости установления стационарного распределения температуры (постоянная времени рабочего участка S 1 мин.), что обеспечивает квазистационарность условий проведения испытаний.

Для получения конкретного значения скорости увеличения мощности нагревателя предварительно с помощью прототипа была построена кривая зависймости скорости изменения температуры сердечника от скорости увеличения мощности центрального нагревателя путем замера мощности, подводимой к нагревателю и измерения температуры внешней поверхности сердечника через соосные отверстия в оболочке и внешнем нагревателе при постоянной температуре оболочки.

В предлагаемом способе скорость теплового расширения сердечника определяется по температуре наружной поверхности сердечника (вставки). Оценки, проведенные по известной методике показывают, что по- грешность, привносимая логарифмическим законом распределения температуры от принятого,в предлагаемом способе составляет 30%. Однако эта погрешность существенноменьшедиапазонанеопределенности в скорости распухания сердечника из-за сложности и многоообра- зия процессов ее определяющих.

Другое необходимое условие для осуществления способа состоит в том, что номинальные рабочие температуры оболочки и сердечника должны сохраняться неизменными при увеличении мощности центрального нагревателя. Это требование вызвано необходимостью сохранения соотношения жесткостей между сердечником и оболочкой, которое наряду с заданной скоростью нагружения оболочки определяет величину контактного давления, и, как следствие, контактную термическую проводимость.

Результаты прямых реакторных экспериментов показывают, что деформация обо- лочки термоэмиссионного твэла в стационарном режиме работы достигает величин 1,5-2% (или AD 0,3мм).

Эти данные позволяют сделать вывод, что информация оболочки не является упругой (т.е. такой, для которой в соответствии с законом Гука существует однозначное соответствие между величиной деформации и контактным давлением), так как максимальная величина упругой деформации по оценкам, полученным с использованием механических свойств молибдена и вольфрама, используемых в качестве материала оболочки, может составлять всего лишь 1 И % (или Д0 0,002 мм), т.е. на 2 порядка ниже экспериментально измеренных значений. Это позволяет однозначно (имея в виду стационарный режим работы реактора) заключить, что основным механизмом деформирования оболочки является ползучесть ее материала. Это подтверждается и сравнением экспериментальных данных с результатами провероч- ных (нормированных) расчетов, проведенных в предположении, что оболочка деформируется распухающим сердечником по механизму ползучести. При данном механизме деформирования существует однозначное соответствие между уровнем напряжений (или величиной контактного

давления) и скоростью деформации, за которую ответственна скорость распухания. Именно это и позволяет в предлагаемом способе моделировать скорость распухания 5 топлива скоростью его термического расширения.

Если между сердечником и оболочкой твэла расположена вставка (гофрированная фольга), то из-за высоких рабочих темпера0 тур термоэмиссионного твэла диоксид урана переконденсируется на внутреннюю поверхность фольги и распухающий сердечник воздействует непосредственно на оболочку по гофрам, прилегающим к оболочке.

5 При этом имеет место частичная компенсация распухания впадинами вставки (для чего они и предназначены). Однако это лишь снижает величину контактного давления, но не меняет существа дела. При реализации

0 способа указанный факт учитывается автоматически и поскольку он трудно поддается расчету, возможность исследовать и оптимизировать конструкцию твэла (например, по исполнению гофрированного элемента)

5 при проведении испытаний относится к дополнительному преимуществу предложенного способа.

Постоянство температуры оболочки при увеличении мощности центрального нагре0 вателя можно обеспечить одновременным уменьшением мощности внешнего нагревателя, ориентируясь, например, на показания термопар, закрепленных на оболочке. Сохранение температуры сердечника вбли5 зи номинального значения достигается за счет того, что скорость заданного увеличения температуры сердечника, как указывалось выше, относительно невелика, а время испытаний определяется временем замера

0 температур и составляет 1 ч. Для получения данных, строго соответствующих номинальному значению температуры сердечника, представляется возможным увеличение мощности центрального нагре5 вателя начинать и заканчивать при значениях температуры сердечника соответственно ниже и выше номинального значения.

Возможность существенного сокращения времени испытаний по сравнению с ре0 акторным экспериментом обеспечивается подбором внешнего диаметра таблеток, при котором механический контакт с оболочкой достигается при выходе на номинальный режим испытаний. Напряжения, возникаю5 щие в оболочке из-за случайного (неблагоприятного) сочетания фактических размеров оболочки и таблеток в поле их допусков, устраняются изотермической выдержкой. Для гарантированного устранения этих напряжений время выдержки выбирается из условия снижения напряжения от максимально возможного значения (предел текучести) до значения, заведомо ниже рабочего. Поскольку при испытаниях твэлов в реакторах реальные рабочие напряжения приводят к наблюдаемым деформациям оболочки, то в качестве нижнего предела напряжений принимаются значения, при которых деформация оболочки практически отсутствует за заданный ресурс.

Время, необходимое для релаксации напряжений, рассчитывается по общепринятой методике. Результаты расчета для ха- рактерных материалов (Mo, W) рассматриваемых высокотемпературных термоэмиссионных твэлов и их рабочихтем- ператур (1500 ... 1800°С) представлены в табл. 1 и 2.

Нижняя граница диапазона времени выдержки определялась максимальной ско- ростыо релаксации (что соответствует мак- симальной температуре и наименее жаропрочному материалу (Т 1800°С; Мо); верхняя - минимальной скоростью релаксации (Т 1500°С; W).

Наибольшие значения напряжений в таблицах соответствуют пределу текучести, а наименьшие - указанному минимальному допустимому значению напряжений.

Как видно из таблиц, время изотермиче- ской выдержки находится в диапазоне 0,5... 20 ч, что применимо с точки зрения проведения испытаний.

В случае, когда на номинальном уровне температуры исходный механический кон- такт между сердечником и оболочкой не гарантирован, например, при испытании твэла с перспективным топливным материалом, давление насыщенных паров которого на 2-3 порядка ниже, чем у диоксида урана, и топливо поэтому не переконденсируется на оболочку в процессе испытаний, о существовании механического контакта может свидетельствовать равенство перепадов температуры на номинальном режиме между оболочкой и таблетками, смещенными в исходном состоянии в диаметрально противоположных направлениях через соответствующие отверстия в оболочке.

Предложенный способ позволяет по из- меренным температурам вычислить контактную термическую проводимость между сердечником и оболочкой для топлив, которые не переконденсируются на оболочку, и контактную термическую проводимость между оболочкой и вставкой (конструктивным элементом, расположенным между сердечником и оболочкой) для топлив, которые в процессе эксплуатации переконденсируются на вставку.

Сущность предложенного способа поясняется на фиг. 1, где 1 - оболочка твэла, внутрь которой вставлены топливные габ- летки 2. Между таблетками и оболочкой помещена гофрированная вставка 3. Для нагрева твэла через центральные отверстия топливных таблеток проходит стержневой нагреватель 4, а снаружи твэла в виде теплового экрана - внешний нагреватель 5. В оболочке и внешним нагревателе имеются радиальные отверстия 6 для измерения температуры. Регистрация температуры оболочки осуществляется закрепленными на ней термопарами 7, а измерение перепада температуры между оболочкой и топливным сердечником-пирометром 8. Электрические мощности определяются из показаний амперметров и вольтметров 9. Задание величины электрической мощности, подаваемой на центральный нагреватель, производится задатчиком 10, а изменение электрического напряжения на внешнем нагревателе - ручным регулятором 11.

Поперечное сечение (сечение А-А) модельного твэла представлено на фиг. 2.

Изобретение выполняется следующим образом. Сначала собирается модельный твэл, для чего в оболочку вставляется гофрированная вставка, затем топливные таблетки. После сборки торцевых узлов и приварки термопар к оболочке твэл помещают во внешний нагреватель так, чтобы радиальные отверстия в оболочке и нагревателе были соосны. После закрепления нагревателей и откачки воздуха из вакуумной камеры, в которой размещается рабочий участок, постепенным увеличением электрической мощности, подаваемой на центральный и внешний нагреватели, регуляторами 10 и 11 устанавливают необходимую температуру оболочки и тепловые потоки. При сохранении значений электрических мощностей, подаваемых на нагреватели, проводят выдержку. Время выдержки оценивают исходя из времен релаксации для материала оболочки. В случае модельного твэла без гофри- рованной вставки и топлива с низкой упругостью паров минимум две таблетки сердечника перед проведением испытаний через радиальные отверстия в оболочке смещают .противоположно в диаметральном направлении и после выдержки на номинальном режиме проводят сравнение температур этих таблеток, по которому судят о достижении механического взаимодействия. При этом отсутствии эксперимент повторяют с таблетками большего диаметра. Из результатов предварительных экспериментов оценивается увеличение мощности на центральном нагревателе еобходимое для прироста температуры на AT, определяют среднюю скорость подъема мощности и устанавливают это значение на задатчике 10. Периодически снижением мощности на внешнем нагревателе ручном регулятором 11 восстанавливают исходную заданную температуру оболочки, а пирометром 8 измеряют температуры оболочки, внешнего нагревателя и гофрированной вставки. Количество замеров определяется временами каждого замера и подъема мощности на центральном нагревателе. Опреде- ление контактной термической проводимости а проводится по формуле

а ГЗ , где q для случая твэла с гофрированной вставкой между оболочкой и сердечником определяется по формуле

Ot Of I Fp6 Ров -Т4,, В1ГР )-gfoplFtCTj(T,ct -Тов )

„ ,

где q - плотность теплового потока с поверхности оболочки в местах контакта ее с гофрированной вставкой;

Дм Тест. Т об., Тоб . Твн.нзгр., Тост. соответственно температуры оболочки, внешнего нагревателя и вставки в местах ее контакта с оболочкой;

Јпр,1 , Спр.2 - приведенные степени черноты материалов соответственно оболочки и внешнего нагревателя, оболочки и гофрированной вставки;

а- постоянная Стефана-Больцмана;

Роб. - площадь внешней поверхности оболочки;

FBCT.I - суммарная площадь контактов выступов гофрированной фольги с внутренней поверхностью оболочки;

Рест.2 - площадь внутренней поверхности оболочки, не имеющей контактов с гофрированной фольгой,

Пример осуществления способа. Испытанию подвергался твэл со следующими параметрами. Оболочка, изготовленная из сплава МНЗ с наружным диаметром 19,6 и внутренним 17,3 мм, имела длину 63 мм. Таблетки из диоксида урана шлифовали до размера внешнего диаметра 16,7 и внутреннего 8,0 мм. Гофрированную вставку вырезали из молибденовой фольгой толщиной 0,05 мм. Гофры имели прямоугольную форму с азимутальными размерами выступов и впадин по 0,5 мм. Внешний нагреватель имел диаметр 45 мм и был изготовлен из танталовой фольги толщиной 0,07 мм. Центральный нагреватель представлял собой вольфрамовый стержень диаметром 6,0 мм. Радиальные отверстия в оболочке и внешнем нагревателе имели диаметр 2 мм. Переконденсация топлива осуществлялась при температуре оболочки 1660°С. При этом электрические мощности, подаваемые на 5 центральный и внешний нагреватели, составляли соответственно 0,6 и 1,15 кВт. Выдержка для снятия механических напряжений в оболочке продолжалась в течение 1 ч. Средняя скорость изменения

0 мощности центрального нагревателя была равна 30 Вт/ч, что примерно соответствует верхней границе скорости нагрева сердечника, определяемой из скорости распухания топлива при облучении. В процессе

5 эксперимента температура гофрированной вставки менялась от 1695 до 1705°С, а температура внешнего нагревателя снижалась от 1390 до 1335°С. По результатам 12 замеров температур получена величина контакт0 ной термической проводимости, равная 0.33+0,02 Вт/см2 К.

Предложенный способ определения контактной термической проводимости между сердечником и оболочкой модельно5 го твэла позволяет приблизить условия испытаний к натурным за счет нагружения оболочки давящим на нее сердечником с заранее заданным объемным изменением, соответствующим скорости его распухания

0 при облучении. При этом контактная термическая проводимость и соответственно контактное давление приближаются к штатным значениям.

Формула изобретения

5 1. Способ определения контактной термической проводимости между оболочкой и ( сердечником модеттьй бТ6 твзла тёрмоэмис- сионного реактора-преобразователя, заключающийся в подводе электрической

0 мощности к центральному нагревателю, расположенному в канале, образованному отверстиями в кольцевых топливных таблетках, размещенных в оболочке и к внешнему соосно расположенному нагревателю, диа5 метр которого больше диаметра оболочки, при одновременном измерении температур ры внешней поверхности сердечника через соосные отверстия во внешнем нагревателе и оболочке и температуры оболочки и вычис0 лении искомой величины как частного от деления плотности теплового потока на границе раздела сердечника с оболочкой на разность температур между ними, отличающийся тем, что, с целью приближения

5 условий испытаний к штатным путем моделирования механического воздействия на оболочку рас-пухающего сердечника, на номинальном уровне температуры оболочки проводят изотермическую выдержку в течение 0,5 ... 20 ч о зависимости от материала

оболочки, затем одновременно увеличивают мощность центрального и уменьшают мощность внешнего нагревателей, при этом скорость уменьшения мощности внешнего нагревателя выбирают из условия сохранения неизменной температуры оболочки, а скорость увеличения мощности центрального нагревателя - из условия Т V/3 #т , где t - скорость изменения температуры сердечника при модельных испытаниях,

К/с,.,...

V - скорость относительного объемного изменения сердечника за счет его распухания в реакторных условиях,

«т - коэффициент линейного термического расширения топливного материала, К

-1

2. Способ по п. 1,отличающийся тем. что при испытании топлива с низкой упругостью паров по крайней мере две таблетки сердечника в исходном состоянии через радиальные отверстия в оболочке смещают к диаметрально противополож- ным образующим оболочки и-при номинальном уровне температуры оболочки проводят сравнение температур этих таблеток, по результатам которого судят о достижении механического взаимодействия таблеток с оболочкой.

Использование: преимущественно для модельных твэлов те рмоэмиссион ных реакторов-преобразователей. Сущность: измерения проводят во внереакторн ых условиях при иммтацШдавйёнйя р а с пухающего топливного сердечника путем обеспечения контакта оболочки и сердечника за счет изотермической выдержки твэла в течение 0,5...20 ч, в зависимости от Материала оболочки, и последующего fenndsoro расширения сердечника со скоростью, равной скорости относительного объемного изменения сердечника, обусловленмого е сГрас- пуханием в peakfo pwux условиях. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.,2 табл. сл С

Таблица 1

Изменение напряжений за счет релаксации в оболочке из Мо в зависимости от времени выдержки (Т 1800°С) Таблица2

Изменение напряжений за счет релаксации D оболочке из вольфрама в зависимости от

времени выдержки (Т 1800°С)

Фи.г.1