имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора

Формула изобретения

1. Имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора, содержащий верхний токоподводящий узел, узел герметизации, оболочку имитатора и внутренний электрод, разделенные электроизолирующим слоем, отличающийся тем, что между оболочкой и электроизолирующим слоем образован промежуточный слой из легкоплавкого высокотеплопроводного материала, а внутренний электрод выполнен из легкоплавкого электропроводного материала, причем температура кипения легкоплавких материалов выше максимальной рабочей температуры имитатора.

2. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что верхний токоподводящий узел содержит полость, объем которой равен или выше приращения суммарного объема полости между оболочкой и электроизолирующим слоем и объема внутреннего электрода, образующихся за счет температурных расширений при максимальной рабочей температуре имитатора.

3. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что электроизолирующий слой выполнен переменной толщины при постоянном наружном диаметре.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для имитации температурного режима тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) ядерных реакторов, при исследовании запасов до кризиса теплообмена и исследовании различных аварийных режимов работы ТВЭЛ на электрообогреваемых стендах, а также в промышленности и исследовательской практике при проведении тепловых испытаний.

Известна конструкция имитатора тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) ядерного реактора, имитирующего тепловые условия в ядерных реакторах. Имитатор ТВЭЛ состоит из корпуса имитатора - оболочки, выполняемого из нержавеющей стали и служащего для размещения внутри него нагревательного элемента в виде проволоки или стержня, по которому пропускают ток от источника тока. В качестве материала нагревательного элемента используют нихром, сталь и т. п.

Нагревательный элемент установлен в верхний токоподводящий узел, который выполнен заодно с корпусом имитатора. Между корпусом имитатора ТВЭЛ и нагревательным элементом располагают электроизолирующий материал. В качестве последнего используют, как правило, порошок (наполнитель) MgO - периклаз. Выход нагревательного элемента из корпуса осуществляется через узел герметизации. (А. с. 1340441 СССР. Имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора С. М. Балашов, А.С. Коньков, А.М. Павлов // Открытия. Изобретения. 1987).

Основной недостаток такой конструкции заключается в том, что электроизолирующий материал (наполнитель) при обжатии не достигает требуемой теплопроводности. Опыты показывают, что коэффициент теплопроводности наполнителя лежит в пределах 3 - 6 Вт/м^oC и убывает с возрастанием температуры (С.М. Балашов, Э. А. Болтенко, В.А. Виноградов. Опыт разработки имитаторов ТВЭЛов водо-водяных реакторов // Теплоэнергетика, 1998, N 12). Низкие коэффициенты теплопроводности наполнителя не позволяют отводить высокие тепловые потоки, что ограничивает мощность имитаторов такой конструкции. Кроме того, используемые наполнители, в случае попадания в них влаги, распухают и разрушают оболочку. Влага, как правило, поступает (напитывается) в наполнитель из окружающего воздуха, либо присутствует в наполнителе в качестве первичной.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является имитатор ТВЭЛ (Патент N 55-34998 МКИ H 05 B 3/48, G 21 C 23/00 (Япония), от 26.09.76.), в котором в качестве электроизолирующего материала используют керамические кольцевые втулки. Основной недостаток такого имитатора ТВЭЛ заключается в том, что при сборке практически невозможно обеспечить плотное прилегание керамических втулок к внутреннему электроду и к стенкам корпуса. При изменениях температуры теплоносителя (термоциклах) из-за различия коэффициентов термического расширения керамики и металла образуются (увеличиваются имеющиеся) воздушные зазоры между корпусом и керамическими втулками и между втулками и внутренним электродом. Наличие воздушных зазоров и их увеличение приводит к значительному повышению температуры внутреннего электрода и к его разрушению. В зависимости от плотности теплового потока и величин воздушных зазоров повышение температуры может достигать 1000-3000^oC.

Технические результаты, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в повышении надежности имитатора ТВЭЛ и повышении его мощности, что обеспечивается тем, что между оболочкой и электроизолирующим слоем (керамическими втулками) образован промежуточный слой из легкоплавкого высокотеплопроводного материала, а внутренний электрод выполнен из легкоплавкого электропроводного материала, причем температура кипения легкоплавких материалов выше максимальной рабочей температуры имитатора.

Для надежного заполнения зазора между оболочкой и электроизолирующим слоем и объема, занимаемого внутренним электродом и компенсации температурных расширений в верхнем токоподводящем узле выполнена полость, причем объем полости равен или выше приращения суммарного объема слоя между оболочкой и электроизолирующим слоем и объема внутреннего электрода, образующихся в результате температурных расширений при максимальной рабочей температуре имитатора.

Для имитации неравномерного тепловыделения по длине имитатора ТВЭЛа электроизолирующий слой выполнен переменной толщины при постоянном наружном диаметре. В этом случае переменную толщину будет также иметь материал внутреннего электрода (легкоплавкий электропроводный материал). При прохождении тока количество тепла, выделяемое во внутреннем электроде, будет изменяться в соответствии с сопротивлением электрода (пропорционально). Закон изменения толщины электрода и, соответственно, электроизолирующего слоя выбирается в соответствии с тем профилем тепловыделения, который моделируется имитатором.

На чертеже показан имитатор ТВЭЛ - вертикальный разрез.

Имитатор состоит из оболочки 1, выполненной из нержавеющей стали и служащей для размещения элементов имитатора и удержания давления рабочей среды. Так как при проведении экспериментов давление рабочей среды (теплоносителя) достаточно высоко (10-20 МПа) оболочка выполняется достаточно прочной и герметичной (толщина стенки не менее 1 мм). Внутри оболочки размещен внутренний электрод 2, выполненный из легкоплавкого электропроводного материала, например сплава Вуда, температура плавления - 338-341 К, удельное электрическое сопротивление в зависимости от температуры составляет 40 - 100, 10^-8 Омм, коэффициент теплопроводности 16 - 30 Вт/мград). Внутренний электрод 2 отделен от оболочки 1 электроизолирующим слоем, выполненным из керамических втулок 3. В качестве керамики используется окись алюминия Al₂O₃. Между оболочкой и электроизолирующим слоем размещен промежуточный слой 4, выполненный из легкоплавкого высокотеплопроводного материала. В качестве последнего использован также сплав Вуда. Оболочка 1 жестко соединена с верхним токоподводящим узлом 5, в котором расположена полость 6. Верхний токоподводящий узел 5 через токоподвод 7 соединен с источником питания. Нижний токоподвод 8 укреплен в узле герметизации 9. Узел герметизации 9 выполнен из неэлектропроводного материала - керамики. Токоподводы 7 и 8 выполнены из меди. Для измерения температуры оболочки с внутренней стороны установлены термопары 10, выходящие из имитатора через узел герметизации 11. В верхний токоподводящий узел установлено устройство для заправки имитатора 12 легкоплавкими материалами. После сборки имитатора узел 11 герметизируется с помощью герметика 13.

Имитатор ТВЭЛ работает следующим образом.

Перед установкой в сборку имитатор заправляется легкоплавким материалом. Заправка осуществляется в предварительно разогретый имитатор через устройство заправки имитатора 12. После заправки имитатора и контроля заполняемости зазора между оболочкой и электроизолирующим слоем и полости внутри электроизолирующего слоя - внутренний электрод (контроль осуществляется по прохождению тока между электродами 7 и 8) узел заправки герметизируется (запаивается). Далее имитатор устанавливается в сборку и подсоединяется к источнику питания с помощью токоподводов 7 и 8. При прохождения тока через внутренний электрод 2 выделяется тепло, которое проходит через имитатор (электроизолирующий слой, промежуточный слой, стенку оболочки) и отводится через наружную стенку оболочки с помощью теплоносителя, проходящего вдоль наружной стенки имитатора.

В качестве примера рассмотрим имитатор, который моделирует ТВЭЛ реактора ВВЭР. Максимальная мощность имитатора лежит в интервале 60-100 кВт и определяется критическими тепловыми потоками, имеющими место в реакторе при номинальных режимных параметрах. Активная длина 3,5 м. Наружный диаметр ТВЭЛа 9,1 мм. Источник питания имеет напряжение 150 В. Расчет дает, что для выделения требуемой мощности необходимо сопротивление в диапазоне 0,3-0,35 Ом. В этом случае диаметр жидкого электрода (при равномерном тепловыделении) 2,5-3,5 мм. Соответственно толщина керамических втулок 1,5-2 мм, толщина слоя между корпусом и втулками 0,5 мм. Максимальные температуры оболочки в опытах могут достигать 800^oC. Расчетные оценки показывают, что при максимальном тепловом потоке (тепловой поток, при котором имеет место кризис теплообмена в сборках типа ВВЭР при номинальных режимных параметрах) 1 10⁶ Вт/м² перепад температур через имитатор (ось - наружная стенка) составляет не более 200^oC. Следовательно, температура внутреннего электрода достигает примерно 1000^oC. Поскольку температура кипения материала электрода составляет 1900-2100^oC, внутренний электрод будет всегда в однофазном состоянии. При тепловом расширении электрода излишки жидкого металла будут выдавливаться в полость 6.

Таким образом, предлагаемая конструкция имитатора ТВЭЛ позволяет значительно повысить его мощность и надежность. Предлагаемый имитатор ТВЭЛ может быть использован при любых тепловых испытаниях - исследованиях кризиса теплообмена в стационарных и нестационарных условиях, повторных затоплениях и т.д.