Ампульное облучательное устройство для исследования возможностей выведения расплава активной зоны ядерного реактора вверх по направляющей трубе

МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ нижней части ТВС будет заблокировано фрагментами застывшего расплава конструкционных и делящихся материалов. Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении раннего выведения расплава топлива из активной зоны вверх в безопасные области внутри корпуса реактора, что позволяет избежать возникновения повторной критичности и дальнейшего развития тяжелой аварии. Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией ампульного облучательного устройства, содержащего ампулу,блок плавления, ловушку и систему измерения параметров. Работа предложенного ампульного облучательного устройства осуществляется следующим образом. При выходе устройства на рабочий режим происходит повышение температуры топлива до температуры плавления стали (1420 С) и начало плавления оболочек твэлов ТВС. Происходит появление локальных очагов плавления топлива в ТВС и распространение процесса плавления топлива по всему объему ТВС с образованием бассейна расплава на дне камеры плавления. Контакт расплава со стенкой внутренней трубы инициирует начало процесса плавления стенки внутренней трубы. Проплавление стенки внутренней трубы и частичное охлаждение расплава натрием вызывает интенсивный рост давления в полости внутреннего корпуса и кратковременное снижение давления в полости ТВС, вызванное разгерметизацией полости последующее взаимодействие расплава с натрием инициирует последующий рост давления в полости ТВС. Далее происходит резкий выброс расплава и паров натрия из нижней части полости ТВС и внутренней трубы в расширительную емкость. Менее нагретый натрий начинает поступать в полость чехла ТВС, снижая температуру в полости ТВС.(72) Скаков Мажын Канапинович Вурим Александр Давидович Мухамедов Нуржан Еролович Батырбеков Эрлан Гадлетович Пахниц Александр Владимирович Витюк Владимир Анатольевич Хаметов Серик Зинабилович Дерявко Илья Ильич(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Национальный ядерный центр Республики Казахстан Комитета по атомной энергии Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан(54) АМПУЛЬНОЕ ОБЛУЧАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ВЫВЕДЕНИЯ РАСПЛАВА АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА ВВЕРХ ПО НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ТРУБЕ(57) Изобретение относится к ядерной технике, а именно к облучательным устройствам для реакторных испытаний модельных тепловыделяющих сборок(ТВС) в исследовательском реакторе, и может быть использовано при разработке и обосновании конструкции активной зоны, защищенной от аварии с повторной критичностью. Задача, решаемая изобретением, заключается в ампульном облучательном устройстве для устранения проблемы повторной критичности в сформированном большом бассейне расплава топлива активной зоны быстрого энергетического реактора с натриевым теплоносителем в процессе ее разрушения (плавления) путем раннего выведения расплавленного топлива с накопленной в нем энергией из полости ТВС вверх по внутренней трубе, имитирующей канал вывода расплава реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, когда сечение внутренней трубы в Изобретение относится к ядерной технике, а именно к облучательным устройствам для реакторных испытаний модельных тепловыделяющих сборок(ТВС) в исследовательском реакторе, и может быть использовано при разработке и обосновании конструкции активной зоны, защищенной от аварии с повторной критичностью. Известно экспериментальное ампульное устройство, предназначенное для исследования скорости свободного распухания и кинетики выхода газовых продуктов деления из топлива с возможностью определения его температуры и температурной зависимости исследуемых процессов при характерных для быстрого реактора высоких плотностях энерговыделения Патент РФ 2515516,кл. 21 17/00, оп. 2014. Недостатком известного облучательного устройства является то, что оно предназначено лишь для определения свободного распухания и выхода газообразных продуктов деления и может быть использовано для разработки и обосновании конструкции твэла энергетического реактора, но не предусматривает разработку активной зоны и защищенность ее от аварии с повторной критичностью. Наиболее близким техническим решением,выбранным в качестве прототипа, является экспериментальное ампульное устройство,предназначенное для проведения внутриреакторных испытаний конструкционных и делящихся материалов и изделий из них, в частности для моделирования аварийных ситуаций Гудков Л.В.,Корольков А.В. Экспериментальное ампульное устройство, Патент РФ на изобретение 2027233,МПК 12 17/06, оп. 20.01.1995. Недостатком данного устройства является то, что в устройстве не предусмотрено техническое решение, когда отверстие, соединяющее внутренний объем корпуса с герметичной отвакуумированной емкостью, будет заблокировано фрагментами застывшего расплава конструкционных и делящихся материалов реактора. Задача, решаемая изобретением, заключается в ампульном облучательном устройстве для устранения проблемы повторной критичности в сформированном большом бассейне расплава топлива активной зоны быстрого энергетического реактора с натриевым теплоносителем в процессе ее разрушения (плавления) путем раннего выведения расплавленного топлива с накопленной в нем энергией из полости ТВС вверх по внутренней трубе, имитирующей канал вывода расплава реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, когда сечение внутренней трубы в нижней части ТВС будет заблокировано фрагментами застывшего расплава конструкционных и делящихся материалов. Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении раннего выведения расплава топлива из активной зоны вверх в безопасные области внутри корпуса реактора, что позволяет избежать возникновения повторной 2 критичности и дальнейшего развития тяжелой аварии. Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией ампульного облучательного устройства, содержащего ампулу, блок плавления,ловушку и систему измерения параметров. Схема продольного разреза предлагаемого ампульного устройства изображена на фиг.1, где 1 - крышка ампулы 2 - внутренний корпус 3 силовой корпус 4 - расширительная емкость 5 внутренняя труба 6 - крышка чехла ТВС 7 рубашка охлаждения чехла ТВС 8 - кассета ТВС 9 графитовый стакан 10 - сильфон 11 - лайнер 12 ловушка аварийная. Блок плавления предназначен для размещения в нем ТВС и натрия для формирования бассейна расплава, организации процесса взаимодействия расплава и натрия между собой после проплавления разделяющей их стальной стенки внутренней трубы. Блок плавления состоит из чехла ТВС,расширительной емкости и рубашки охлаждения и представляет собой сварную конструкцию. Полости чехла ТВС, расширительной емкости и рубашки охлаждения герметично разделены между собой. Внутренняя труба чехла ТВС, проходя через крышку чехла, входит в днище расширительной емкости, соединяя натриевые полости чехла ТВС и расширительной емкости и являясь при этом силовым элементом, посредством которого чехол подвешивается к расширительной емкости. Для предотвращения прямого контакта блока плавления со стенкой внутреннего корпуса ампулы предусмотрены дистанционирующие элементы на наружной поверхности блока плавления. Чехол ТВС является силовым элементом и состоит из обечайки, днища, крышки и внутренней трубы. На днище чехла ТВС установлен графитовый стакан, представляющий собой втулку с днищем и крышкой. С наружной стороны стакан имеет теплоизоляцию из графитового войлока. ТВС размещена внутри графитового стакана. В ТВС использована трехрядная компоновка. Заданная компоновка обеспечена путем использования верхней и нижней дистанционирующих решеток. ТВС содержит 75 модельных твэлов (по 25 твэлов в каждом ряду). В составе модельных твэлов применены оболочки и топливные таблетки типа БН-350 из диоксида урана с обогащением 17 по 235 в активной части и с обогащением 0,27 по 235 в бланкетной части топливного столба. Основным назначением расширительной емкости является компенсация расширения натрия, которое имеет место при предпусковом разогреве натрия и в ходе процессов взаимодействия натрия с расплавом топлива и стали 12 Х 18 Н 10 Т. В крышке расширительной емкости предусмотрен штуцер заполнения внутренней трубы и емкости натрием. Полость расширительной емкости сообщается через крышку с полостью внутреннего корпуса ампулы, при этом предусмотрены конструктивные меры (например, отбойник в виде полусферы) против выплескивания натрия из расширительной емкости в полость внутреннего корпуса ампулы. Днище емкости и внутренняя труба защищены графитовой втулкой на высоту 300 мм, а графитовая втулка, в свою очередь, защищена танталовой вставкой, изготавливаемой из листа толщиной 2 мм. На крышке расширительной емкости размещены следующие конструктивные элементы- четыре приварных шпильки, являющихся силовыми элементами для соединения блока плавления со штангами, на которых блок плавления подвешивается и крепится к крышке ампулы- токовводы для питания электронагревателей отверстия для вывода электрических соединительных линий от первичных датчиков измерения. Для организации защиты внутреннего корпуса ампулы от теплового и прямого контактного воздействия топлива ТВС блок имеет систему газового охлаждения. В качестве охлаждающего газа используется азот. Система охлаждения состоит из рубашки охлаждения чехла ТВС, рубашки охлаждения расширительной емкости и подводящих, отводящих и соединительных трубопроводов. Рубашка охлаждения чехла ТВС состоит из обечайки, днища и крышки. Крышкой является крышка чехла. Для компенсации разницы температурных расширений корпуса чехла ТВС и рубашки охлаждения предусмотрен зазор величиной не менее 8 мм между днищем чехла ТВС(выступающим элементом в днище) и днищем рубашки охлаждения. Рубашка охлаждения расширительной емкости также состоит из обечайки днища и крышки. Крышкой рубашки охлаждения расширительной емкости служит крышка емкости. В нижней части обечайки предусмотрен сильфон для компенсации разницы температурных расширений обечайки и корпуса емкости. Обечайки чехла ТВС и расширительной емкости имеют спиральные ребра для задания направления потоку охлаждающего газа по тракту охлаждения. Подвод охлаждающего газа осуществляется через днище рубашки охлаждения чехла ТВС двумя трубками 81 мм. Рубашки охлаждения чехла ТВС и расширительной емкости соединяются между собой последовательно посредством трубы 142 мм. Выход охлаждающего газа организован из рубашки охлаждения емкости через охлаждающий тракт в крышке ампулы, для чего предусмотреть штуцер на крышке рубашки охлаждения. Для предварительного разогрева топлива и натрия предусмотрены электрические нагреватели. Система предварительного разогрева обеспечивает разогрев топлива и натрия до температуры до 673 К в течение 3-4 часов при постоянном контроле и управлении процессом разогрева. Ловушка предназначена для защиты внутреннего корпуса ампулы от прямого контакта с расплавом топлива при его проливе в случае разрушения блока плавления во время эксперимента. Ловушка теплоизолирована от внутреннего корпуса ампулы слоем графитового войлока. Внутренний объем ловушки соответствует предполагаемому объему расплава топлива, стали и натрия, который может пролиться в ловушку. Система измерения параметров предназначена для измерения и регистрации изменяющихся параметров конструкции и рабочих сред ЭУ во время эксперимента (подготовительный период,пуск и послепусковой период). Для вывода электрических соединительных линий датчиков измерения параметров использованы электрические гермопроходники,имеющиеся в крышке ампулы. Работа предложенного ампульного облучательного устройства осуществляется следующим образом. При выходе устройства на рабочий режим происходит повышение температуры топлива до температуры плавления стали (1420 С) и начало плавления оболочек твэлов ТВС. Происходит появление локальных очагов плавления топлива в ТВС и распространение процесса плавления топлива по всему объему ТВС с образованием бассейна расплава на дне камеры плавления. Контакт расплава со стенкой внутренней трубы инициирует начало процесса плавления стенки внутренней трубы. Проплавление стенки внутренней трубы и частичное охлаждение расплава натрием вызывает интенсивный рост давления в полости внутреннего корпуса и кратковременное снижение давления в полости ТВС, вызванное разгерметизацией полости последующее взаимодействие расплава с натрием инициирует последующий рост давления в полости ТВС. Далее происходит резкий выброс расплава и паров натрия из нижней части полости ТВС и внутренней трубы в расширительную емкость. Менее нагретый натрий начинает поступать в полость чехла ТВС, снижая температуру в полости ТВС. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ампульное облучательное устройство,содержащее ампулу, внутренний корпус, блок плавления, аварийную ловушку отличающееся тем,что для выведения расплава активной зоны ядерного реактора вверх по направляющей трубе в аварийной ситуации энергетического реактора, в верхней части чехла ТВС расположена расширительная емкость. 2. Ампульное облучательное устройство по п.1,отличающееся тем,что имеет систему предварительного разогрева топлива и натрия до температуры 673 К.