Ампульное облучательное устройство для испытаний модельных твэлов энергетического реактора

(51) 21 17/06 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ Сущность полезной модели заключается в такой конструкции ампульного облучательного устройства, которая содержит следующие основные элементы герметичная капсула ампульное устройство,снабженное конструктивными элементами для размещения в нем герметичной капсулы. Такая конструкция позволяет получать расплав кориума в условиях, моделирующих тяжелую реакторную аварию быстрого энергетического реактора при несанкционированном увеличении мощности энерговыделения в твэлах тепловыделяющей сборки или при нарушении режима теплоотвода от твэлов,для дальнейших материаловедческих и теплофизических исследований. Получению расплава кориума исследуемого твэла способствует то, что ампульное облучательное устройство снабжено танталовым стаканом,системой предварительного разогрева из нагревательного кабеля КТМС-Н, аварийной ловушкой из графита, стальным экраном и монитором энерговыделения, выполненным из таблетки диоксида урана, и калиброванным на содержание 235 .(72) Скаков Мажын Канапинович Вурим Александр Давидович Мухамедов Нуржан Еролович Пахниц Александр Владимирович Хаметов Серик Зинабилович Дерявко Илья Ильич(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Национальный ядерный центр Республики Казахстан Министерства энергетики Республики Казахстан(54) АМПУЛЬНОЕ ОБЛУЧАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛЬНЫХ ТВЭЛОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА(57) Полезная модель относится к ядерной технике,а именно к облучательным устройствам для реакторных испытаний модельных тепловыделяющих элементов(твэлов) в исследовательском ядерном реакторе, и может быть использовано для испытания твэлов в различных режимах работы реактора, а также для получения расплава кориума в условиях, моделирующих тяжелую аварию энергетического реактора. Полезная модель относится к ядерной технике, а именно к облучательным устройствам для реакторных испытаний модельных тепловыделяющих элементов(твэлов) в исследовательском реакторе, и может быть использовано для испытания твэлов в различных режимах работы реактора, а также для получения расплава кориума в условиях, моделирующих тяжелую аварию энергетического реактора при несанкционированном увеличении мощности энерговыделения в твэлах тепловыделяющей сборки или при нарушении режима теплоотвода от твэлов,для дальнейших материаловедческих и теплофизических исследований. Известно экспериментальное ампульное устройство, предназначенное для исследования скорости свободного распухания и кинетики выхода газовых продуктов деления (ГПД) 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. 10.05.2014. Недостатком известного облучательного устройства является то, что оно предназначено лишь для исследования распухания и газовыделения в диапазоне температуры 1200-1600 С и не предусматривает исследование поведения твэла при более высокой температуре. Наиболее близким техническим решением,выбранным в качестве прототипа, является экспериментальное ампульное устройство,предназначенное для реакторных исследований свойств тепловыделяющих элементов (твэлов). Экспериментальное устройство (ЭУ) содержит оболочку с герметизирующими торцевыми крышками, внутри которой расположена, по крайней мере, одна капсула с исследуемыми образцами,помещенными в негерметичную тонкостенную оболочку из тугоплавкого материала. Капсула соединена с газовыми магистралями,обеспечивающими возможность проточной вентиляции рабочей полости капсулы. На выходе каждой магистрали установлены заглушки для временной герметизации капсулы, выполненные в виде втулок с осевыми отверстиями, заполненными легкоплавким материалом. В одной из магистралей расположены термометрические датчики, при этом чувствительный элемент каждого датчика введен в рабочую полость капсулы Патент РФ 2526328,кл. 21 17/06, оп. 20.08.2014. Недостатком данного устройства является то, что устройство предназначено лишь для измерения температуры исследуемых образцов в ходе эксперимента,проведения анализа ГПД,выделяющихся при ядерном распаде в ходе эксперимента и не предусматривает исследований поведения твэла при температуре выше 1930 С, а также при температуре выше температуры его плавлении. Задача,решаемая полезной моделью,заключается в создании такого ампульного облучательного устройства для реакторных испытаний модельных тепловыделяющих элементов в исследовательском реакторе, которое может быть использовано для испытания твэлов в различных режимах работы реактора, а также для получения расплава кориума в условиях, моделирующих тяжелую аварию энергетического реактора при несанкционированном увеличении мощности энерговыделения в твэлах тепловыделяющей сборки или при нарушении режима теплоотвода от твэлов. Технический результат от использования полезной модели заключается в получении расплава кориума в условиях, моделирующих тяжелую реакторную аварию быстрого энергетического реактора для дальнейших материаловедческих и теплофизических исследовании. Сущность полезной модели заключается в такой конструкции ампульного облучательного устройства, которая содержит следующие основные элементы- герметичная капсула ампульное устройство,снабженное конструктивными элементами для размещения в нем герметичной капсулы. Схема продольного разреза предлагаемого ампульного устройства изображена на фиг.1, где 1 капсула 2 - танталовая вставка 3 - нагреватель омического типа 4 - втулки электроизоляционные 5 - теплоизоляция 6 - крышка 7 - штанга 8 ловушка аварийная 9 - экран 10 - трубка импульсная 11 - трубка монитора энерговыделения 12 - трубопроводы подачи и сброса азота 13 ампула 14 - соединительная линия 15 герморазъем 16 - токовводы 17 - топливные таблетки. Капсула представляет собой герметичный сосуд,изготовленный из нержавеющей стали, в который вставлен стакан из тантала. В конструкции капсулы предусмотрены устройства, позволяющие в процессе подготовки эксперимента производить замену газовой среды в капсуле с контролируемым давлением и обеспечивать герметизацию капсулы после выполнения этих операций. В капсуле внутри танталового стакана в оболочке размещается модельный твэл. В составе твэла применены топливные таблетки типа БН-350 из диоксида урана с обогащением 17 по 235 . Характеристики топлива приведены в таблице 1. Таблица 1 Характеристики топлива в модельном твэле Наименование параметра Топливо Содержание 235 в топливе,Плотность, г/см 3 Наружный диаметр топливной таблетки, мм Внутренний диаметр топливной таблетки, мм Длина топливного столба, мм Материал оболочки Наружный диаметр оболочки, мм Внутренний диаметр оболочки, мм Масса топливных таблеток суммарная, кг С целью обеспечения безопасного проведения эксперимента капсула с топливными таблетками размещается в ампульном устройстве (далее ампула),изготовленном из сплава Э 125(2,5). Внутренняя боковая поверхность ампулы защищена экраном из стали от прямого теплового воздействия и от возможного прямого контакта с расплавленным или горячим топливом в случае разрушения капсулы. Для предотвращения превышения давления в объеме ампулы предусмотрен предохранительный клапан. Для предварительного разогрева топлива и натрия внутри капсулы предусмотрен электрический нагреватель, изготовленный из кабеля КТМС-Н с наружным диаметром 3 мм. Система предварительного нагрева обеспечивает разогрев топлива и натрия до температуры 400 С при постоянном контроле и управлении процессом разогрева. В нижней части ампулы установлена аварийная ловушка расплава, изготовленная из графита. Ловушка теплоизолирована по наружной поверхности с целью предотвращения разрушающего температурного воздействия на стенки и днище ампулы. Для измерения и регистрации изменяющихся параметров конструкции и рабочих сред ЭУ во время эксперимента (подготовительный период,пуск и послепусковой период) предусмотрена система измерения параметров. Для измерения температуры наружной стенки капсулы использованы термоэлектрические преобразователи,которые установлены на уровне центра, верха и низа топливного столба. Для косвенного измерения энерговыделения в топливе в полости ампулы установлен монитор энерговыделения, калиброванный на содержание 235. Во избежание повреждения монитора энерговыделения вследствие разогрева этот монитор установлен в трубке, которая может быть использована для подачи азота на его охлаждение. Значение диоксид урана 2 17 10,310,8 5,90,02 1,50,1 80 Х 16 Н 15 М 3 Б 6,9 6,1 0,021 Для вывода электрических соединительных линий датчиков измерения параметров и нагревателей использованы электрические гермопроходники и токовводы. 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 начала плавления оболочки твэла. Далее происходит развитие локальных очагов плавления топлива в твэле и распространение процесса плавления топлива по всему объему модельного твэла с образованием бассейна расплава на дне танталового стакана. ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ 1. Ампульное облучательное устройство для испытаний модельных твэлов энергетического реактора, содержащее ампулу и капсулу с исследуемыми образцами, отличающееся тем, что для исследования поведения твэла при температуре выше 1930 С капсула дополнительно снабжена танталовым стаканом. 2. Ампульное облучательное устройство по п.1,отличающееся тем, что оно снабжено системой предварительного разогрева топлива и натрия внутри капсулы. 3. Ампульное облучательное устройство по п.1,отличающееся тем, что оно снабжено аварийной ловушкой для приема расплава в случае разрушения капсулы. 4. Ампульное облучательное устройство по п.1,отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено экраном для защиты от прямого теплового воздействия. 5. Ампульное облучательное устройство по п.1,отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено монитором энерговыделения для косвенного измерения энерговыделения в топливе полости ампулы.