способ имитации термомеханического разрушения топливного канала ядерного реактора

Формула изобретения

1. Способ имитации термомеханического разрушения топливного канала ядерного реактора, включающий косвенный разогрев канальной трубы нагревателем, размещенным в рабочем пространстве внутри трубы и электрически связанным с внешним источником питания, отличающийся тем, что нагреватель выполняют из СВС-смесей в виде снабженной воспламенителем термитной шашки, высокотемпературные продукты горения которой в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) осуществляют нагрев канала до заданной температуры с регулируемой скоростью.

2. Способ имитации термомеханического разрушения по п.1, отличающийся тем, что термитную шашку и воспламенитель помещают в защитную оболочку.

3. Способ имитации термомеханического разрушения по п.1, отличающийся тем, что температуру и скорость разогрева канала регулируют с помощью изменения состава СВС-смеси.

4. Способ имитации термомеханического разрушения по п.1, отличающийся тем, что температуру и скорость разогрева канала регулируют с помощью изменения конструкции термитной шашки.

5. Способ имитации термомеханического разрушения по п.1, отличающийся тем, что воспламенитель размещают в различных точках термитной шашки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области экспериментальных теплофизических исследований по безопасности атомных электростанций и может быть использовано для исследования и моделирования способов и закономерностей развития аварийных ситуаций при термомеханических разрушениях топливных каналов ядерного реактора, а также в промышленности и исследовательской практике при проведении различных тепловых испытаний.

Известен способ имитации термомеханического разрушения топливного канала (ТК) ядерного реактора, при котором имитировался аварийный разогрев штатных элементов ТК (канальная труба, графитовые кольца и блоки) ядерного реактора типа РБМК. Разогрев производился по схеме прямого нагрева за счет джоулева тепла, выделяемого при пропускании электрического тока непосредственно через канальную трубу, как одиночную, так и с графитовыми элементами (Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование поведения ТК РБМК в аварийных и переходных режимах с нарушением теплосъема. Расчетно-экспериментальное моделирование поведения и разрушения одиночной трубы ТК РБМК в аварийных условиях типа LOCA: Отчет о НИР (промежуточ.) / ЭНИЦ; Электрогорск; Руководитель Гашенко В.А. - №ГР 01.9.80.009251; Инв. №02.20.0002048. 1999-41 с).

Основные недостатки указанного способа следующие:

1. Сложность локализации максимального разогрева трубы по причине прямой зависимости тепловой мощности, выделяемой на каждом участке трубы, от величины электрического сопротивления данного участка (например, в ходе наладочных работ наблюдалось незапланированное кратковременное повышение температуры участка трубы до 600°С при разогреве всей трубы до 400°С).

2. Место максимального тепловыделения на трубе, в котором ожидается наибольший нагрев и раздутие трубы (в этом месте устанавливаются датчики перемещений), не выбирается заранее, а по вышеуказанным причинам определяется только в ходе наладочных пусков.

3. При нагреве канальной трубы с графитовыми элементами из-за снижения тепловыделения в трубе за счет факторов теплоотвода в графитовую колонну и электрического шунтирования канальной трубы графитом, проявляющихся особенно в последней стадии нагрева (когда труба раздувается, теряя свою прочность), требуется значительное увеличение потребляемой мощности, по сравнению с нагревом одиночной трубы.

4. Использование специального дополнительного оборудования для управления процессом нагрева, такого как рассеиватели тепла и внешние подогреватели, которые, создавая изначально неравномерное распределение температуры по высоте трубы, позволяли в определенной степени управлять процессом прямого нагрева, локализуя максимум тепловыделения в нужном месте. Тем не менее, как показал эксперимент, вопрос о степени управляемости этим процессом - насколько точно можно задать скорость разогрева каждого участка трубы - остался открытым.

5. Кроме того, здесь в качестве рабочей среды использовался газ - азот, а не натурная пароводяная среда, рабочие параметры которой: температура - до 300°С, давление - до 8 МПа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является известный способ имитации термомеханического разрушения топливного канала ядерного реактора с использованием косвенного электрического нагрева, при котором разогрев канальной трубы с графитовыми элементами макета ТК РБМК осуществлялся за счет излучения от регулируемого электрического нагревателя, размещенного внутри канальной трубы. При этом получена скорость разогрева канальной трубы свыше 5 К/с, давление рабочей среды (газ-азот) изменялось от 6,2 до 6,9 МПа, разрушение произошло в области наиболее нагретого сечения трубы (Расчетно-экспериментальный анализ термомеханического поведения трубы ТК РБМК с графитовыми элементами типа LOCA: Отчет о НИР (заключ.) / ЭНИЦ; Электрогорск; Руководитель Локтионов В.Д. - № ГР 01.200.1.19092; Инв. №02.20.02 04339.2001 - 70 с.).

Косвенный нагрев позволяет воспроизвести реальный процесс разогрева канальной трубы ТК, тепловая нагрузка здесь распределяется по ее внутренней поверхности, как и в штатной трубе (тепло исходит изнутри от топливного сердечника к стенке трубы). Однако использование данного способа для имитации аварийного разогрева ТК РБМК сопряжено с рядом трудностей, возникающих уже на стадии конструктивной реализации косвенного электрического нагревателя. Основные трудности:

1. Геометрические ограничения на размеры нагревателя и его токоподводы, определяемые малой величиной внутреннего диаметра штатной трубы ТК (80 мм), высотой графитовых блоков (600 мм), необходимостью зазора между нагревателем и внутренней стенкой трубы.

2. Сложности выбора материала и конструкции нагревателя. Согласно расчетам для нагрева трубы излучением материал нагревателя должен иметь температуру плавления, превышающую 2000°С, при этом обладать достаточной прочностью, быть технологичным при изготовлении и т.п. Такими свойствами обладают уникальные и дорогостоящие материалы, как, например, вольфрам, молибден, окислы и карбиды тугоплавких и редкоземельных элементов и др. А если материал нагревателя приобретает нужные электрические свойства лишь при высокой температуре, то должен быть еще дополнительно разработан, так называемый стартовый нагреватель для осуществления предварительного нагрева.

3. Сложности выбора материала и конструкции токоподводов нагревателя. Токоподводы нагревателя, начиная от источника питания, включают внешние токоподводящие элементы, затем - внутренние (находящиеся в рабочей среде внутри трубы) и непосредственно концевые токоподводы самого нагревателя, к которым подключаются вышеупомянутые. Здесь необходимо учитывать следующее:

- удельное электрическое сопротивление материала токоподводящих элементов должно быть на порядок ниже удельного электрического сопротивления материала нагревателя;

- конструкция токоподводящих элементов должна предусматривать возможность компенсации температурного удлинения нагревателя и токоподводов;

- температура поверхностей контакта токоподводящих элементов и нагревателя не должна превышать температуру плавления материала токоподводов, в противном случае следует обеспечивать принудительное охлаждение поверхностей контакта (в прототипе, например, используют жидкометаллические контакты).

4. Сложности при герметизации рабочего пространства нагревателя. Нагреватель должен работать внутри трубы в натурной пароводяной среде с давлением 8 МПа и температурой до 300°С. Одновременно он должен быть подключен своими концевыми токоподводами к внешнему источнику питания. Обеспечение герметизации рабочей среды и электрических выводов создает дополнительные сложности при конструировании нагревателя как с двусторонним, так и односторонним токоподводами.

В указанном способе применен косвенный электрический нагреватель с довольно сложной, но не надежной конструкцией, хотя в ней частично и были учтены вышеперечисленные факторы. Используемый нагреватель - стержневого типа, изготовлен из углеродных материалов и снабжен жидкометаллическими токоподводами. И то, и другое как самостоятельные узлы обычно сами имеют непростую конструкцию и требуют кропотливую отладку режима работы.

Основной причиной низкой надежности работы данного нагревателя представляется неточность в подборе материалов нагревателя и его токоподводов. При температуре 1000°С и более скорости реакции окисления углеродных материалов, из которых был изготовлен нагреватель, оказались настолько большими (графит, например, начинает окисляться на воздухе уже при 400-450°С), что на 178 секунде произошли возгорание нагревателя и разрушение разогреваемого макета ТК.

К недостаткам указанного способа следует отнести также сложность реализации самого процесса нагрева и большую материалоемкость. Использовались две фазы разогрева: сначала стартовая - прямой нагрев трубы до 300-600°С, затем активная - быстрый подвод дополнительной мощности к косвенному нагревателю. Помимо источников электропитания - трех трансформаторов типа ОСУ-100, мощностью по 100 кВА каждый, массивных токоподводов к нагревателю, использовались еще: тиристорный преобразователь, системы автоматического управления, различное вспомогательное оборудование.

Вопрос об управляемости скоростью нагрева здесь также остается открытым. Если при стартовом разогреве еще как-то можно управлять процессом нагрева путем регулировки напряжения источника питания, то в активной, наиболее важной, фазе процесс нагрева неуправляем, поскольку он протекает лавинообразно.

Указанные выше недостатки устраняются в заявляемом изобретении. Предлагается способ имитации термомеханического разрушения топливного канала ядерного реактора, при котором косвенный разогрев канальной трубы осуществляют нагревателем, выполненным из СВС-смеси в виде снабженной воспламенителем термитной шашки, высокотемпературные продукты горения которой в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза осуществляют нагрев канала до заданной температуры с регулируемой скоростью в заданной среде.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении надежности работы нагревателя, в упрощении его конструкции, что достигается выполнением нагревателя в виде снабженной воспламенителем термитной шашки из СВС-смесей, способной влиять на процесс нагрева канальной трубы путем изменения состава реагентов и конструкции термитной шашки; помещения термитной шашки и воспламенителя в защитную оболочку; изменения места расположения воспламенителя в объеме шашки.

Выполнение термитной шашки из СВС-смесей, ее высокотемпературные продукты горения, получаемые в процессе самораспростаняющегося высокотемпературного синтеза (СВС), обеспечивают надежность нагрева канала до заданной температуры и надежность регулирования скорости нагрева. Из теории и практики СВС известно, что «неуправляемость» СВС-процессом только кажущаяся. Синтез в волне горения представляет собой отнюдь не пожар, не хаотическое сгорание реагентов. Это управляемый процесс, строго подчиняющийся своим внутренним закономерностям. Нагрев реагентов в волне СВС может происходить как по простому, так и по весьма сложному закону. При этом достигаются высокие температуры процесса - 1500-4000°С, большие скорости распространения фронта горения - 0,5-15 см/с, а скорость нагрева может изменяться в каждый момент времени в очень широком диапазоне (от 0 до 10⁶ К/с), который недоступен другим способам.

Необычность СВС-горения с отсутствием пламени (при этом состав продуктов и параметры горения слабо зависят от внешней среды) позволяет проводить процесс синтеза в вакууме, атмосфере инертного газа и других при разных давлениях. Помещение термитной шашки и воспламенителя в защитную оболочку обеспечивает надежность работы нагревателя в любой заданной рабочей среде внутри исследуемой трубы, в том числе и пароводяной среде.

Изменением состава термитной СВС-смеси, процентных долей добавок компонентов в смеси обеспечивают заданные температуру и скорость разогрева канала.

Конструктивные изменения в части размещения слоев СВС-смеси, использование слоев барьерных и слоев с быстрогорящим составом, а также размещение воспламенителя в различных точках шашки, позволяют регулировать температуру и скорость разогрева канала.

Выполнение нагревателя в виде термитной шашки из СВС-смесей значительно упрощает его конструкцию и изготовление. Обычно термитную шашку изготавливают вручную, или с помощью вибратора, или таблетированием, при этом из недорогих, доступных материалов (например, порошков FeO, WO₃, Al, SiO₂, С и др.).

Выполнение воспламенителя, например, в виде электрической спирали из вольфрама и размещение ее в термитной смеси значительно уменьшает габариты и упрощает конструкцию токоподводов нагревателя, одновременно повышая надежность его работы, при этом уменьшая энергозатраты и упрощая весь процесс нагрева в целом. Воспламенение термитной шашки существующими электрическими способами осуществляют кратковременной подачей электрического импульса от маломощного источника питания (обычно ток - порядка 10 А, напряжение - порядка 50 В) на спираль, погруженную в термитную смесь. Для этого не требуется мощных источников питания, массивного от них токоподвода, сложного и дополнительного оборудования, не нужен стартовый разогрев, тем более стартовый нагреватель, воспламенение термитной шашки здесь фиксируется обычным вольтметром по размыканию электрической цепи после перегорания спирали.

Надежность работы нагревателя повышается за счет упрощения конструкции и уменьшения габаритов токоподводов к электрической спирали (например, два проводника - прямой и обратный - сечением порядка 2,5 мм², ток 10 ампер). Такие токоподводы свободно размещаются в ограниченном натурными габаритами рабочем пространстве внутри трубы, что облегчает выполнение электрической изоляции между разнополярными проводниками, при этом отпадает необходимость исполнения нагревателя с двусторонним токоподводом, а следовательно, и его герметизация односторонняя.

Предложенный способ имитации термомеханического разрушения топливного канала ядерного реактора реализуется следующим образом.

Например, имитируя аварийную ситуацию в ТК РБМК. Аварийная ситуация в топливных каналах РБМК возникает в случае превышения скорости выделения тепла в них за счет ядерной реакции над скоростью теплоотвода. Теплоотвод осуществляется за счет циркуляции вскипающего при смывании твэлов теплоносителя. В номинальном режиме реактора температура стенки канальной трубы составляет порядка 300°С, а давление пароводяной среды - до 8 МПа. В аварийной ситуации при нарушении теплоотвода температура стенки канальной циркониевой трубы ТК может возрасти до 600-700°С, в результате чего прочность ее снижается ниже критического значения и происходит разрыв трубы. Для имитации данной аварийной ситуации, чтобы нагреть в заданном месте канальную трубу до 600-700°С косвенным нагревателем за счет излучения, его расчетная температура должна быть, как указывалось выше, порядка 2000°С.

Исходя из заданных параметров и сценария эксперимента по имитации термомеханического разрушения ТК ядерного реактора изготавливают термитную шашку и помещают ее на каком-то опорном устройстве вовнутрь канальной трубы макета ТК РБМК, а именно в заданном месте нагрева (раздутия) по длине трубы. Макет обычно представляет собой фрагмент штатного ТК РБМК и монтируется на специальном испытательном стенде для проведения исследований. При этом выполняют, например, такие операции:

Вначале, для изготовления шашки, выбирают исходные компоненты термитной СВС-смеси из условий их термической стабильности, возможности реализовать высокие температуру и скорость горения, производят расчет адиабатической температуры горения и определяют оптимальный состав термитной СВС-смеси. В состав термитной шашки включают высокотемпературные смеси, такие как, например, порошки окислов, выбранных из группы: WO₃, Fe₂О ₃, МоО₃, с восстановителями, выбранными из группы: Al, Si, Mg, и разбавителями, выбранными из группы: Al₂O₃, SiO₂, С. После дозировки исходные компоненты перемешивают в смесителях барабанного или другого типа, затем изготавливают известными методами термитную шашку необходимых габаритов и формы для данного эксперимента.

Горение термитной СВС-смеси инициируют размещенной в ней вольфрамовой проволокой (спиралью), пропуская через последнюю электрический ток. Хотя существует множество способов инициировать реакцию, и выбор одного из них определяется лишь удобствами, так как он не влияет на свойства продукта. После воспламенения СВС-смеси формируется плоский фронт горения, который распространяется по термитной шашке с постоянной скоростью. Продукты горения имеют высокую температуру, поэтому после сгорания протекают процессы интенсивного теплообмена «горячих» продуктов горения с «холодными» частями ТК. При этом скорость разогрева канальной трубы определяется наиболее медленным процессом - теплопередачей в продуктах горения термитной шашки. А менее инерционные процессы - излучение тепла с поверхности термитной шашки и теплопередача в стенке трубы - подстраиваются под указанную медленную стадию.

Температуру и скорость разогрева канала регулируют с помощью изменения состава термитной СВС-смеси. Например, температура горения смесей на основе WO₃ достигает высокого значения - 3800 К, а на основе FeO - 3000 К. Восстановителями и разбавителями корректируют температуру продуктов горения до заданной. Максимальная температура разогрева трубы ограничивается температурой горения термитной шашки и соотношением скоростей подвода тепла к трубе и отвода тепла от трубы. Плавление продуктов горения термитной шашки, ее деформация ограничивают максимальную температуру горения. Скорость теплопередачи, определяемую коэффициентом температуропроводности продуктов горения, изменяют, варьируя соотношение металлической и оксидной фаз в продуктах горения термитной шашки. Это соотношение изменяют, вводя в состав исходной смеси с различным процентным содержанием, например, окись алюминия, медь, избыток алюминия, или разбавитель, состоящий из смеси корунда с медью, или другие элементы.

Температуру и скорость разогрева канала регулируют также с помощью изменения конструкции термитной шашки. Изменяют габариты шашки, например изменением диаметра шашки увеличивают или уменьшают зазор между ней и канальной трубой. Выполняют ее многослойной, включая при этом и слои с быстрогорящим составом (например, из Ti+C), которые обеспечивают еще и надежность зажигания смеси. Создают, так называемые, барьерные слои - помещают шашку в оболочку, устанавливают зазоры между внутренней стороной оболочки и термитной шихтой (смесью) внутри самой шашки и т.п.

В процессе подготовительного периода с целью предотвращения влияния влаги, присутствующей в рабочей среде внутри канальной трубы, надежности зажигания смеси, термитную шашку помещают в защитную герметичную оболочку (чехол). В качестве оболочки используют, например, фольгу из латуни толщиной 0,1-0,2 мм, или нержавеющую сталь с толщиной стенки 1-2 мм. В первом случае, после воспламенения и в процессе горения термитной шашки, защитный чехол разрушается - сгорает в волне СВС. Во втором случае - сохраняется и участвует в теплообмене со стенкой канальной трубы, замедляя теплообмен, т.е. является в данном случае барьерным слоем.

В общем случае, в зависимости от присутствующей рабочей среды внутри трубы (агрессивности, влажности и прочих факторов), термитную шашку и токоподводы к инициирующей спирали, находящиеся внутри трубы, или помещают в защитные герметичные оболочки, или обходятся без них. Кроме этого, токоподводы, при выходе их из трубы наружу, электрически изолируют от корпуса и выполняют необходимую герметизацию их выводов и рабочей среды соответствующими прокладками.

Для надежности поджигания термитной смеси во влажной среде под защитную оболочку вместе с термитной смесью помещают и воспламенитель, например электрическую вольфрамовую спираль голую или размещенную в кварцевом стакане. При этом кварцевый стакан наполняют высокотемпературным легко воспламеняемым термитным составом, например стехиометрическая смесь окиси вольфрама с алюминием, имеющая температуру горения 3500 К.

С целью ускорения сгорания термитной шашки и увеличения однородности разогрева канальной трубы воспламенитель располагают в различных точках термитной шашки. Например, размещают воспламенитель по центральной оси шашки (вдоль или поперек). После воспламенения фронт горения распространяется в обе стороны от воспламенителя, достигая краев шашки одновременно. Такой же результат получают и при аналогичном размещении в шашке слоев с быстрогорящим составом.

Выполнив все операции, необходимые перед пуском испытательного стенда, подают вовнутрь канальной трубы рабочую среду. Кратковременной подачей электрического импульса от запального устройства на вольфрамовую спираль осуществляют воспламенение термитной шашки. При этом работают все системы контроля: воспламенения, температуры, давления, времени нагрева, видеокамеры и др.

После выполнения программы исследований по нагреву ТК все работающие системы стенда отключают и приступают к обработке результатов эксперимента.

Предложенный способ был использован на экспериментальных стендах ЭНИЦ, Электрогорск, и ИСМАН, Черноголовка, при имитации аварийных ситуаций на макетах ТК РБМК с целью отработки конструкции термитного нагревателя и получения заданной динамики косвенного разогрева канальной трубы ТК. Для сравнения с прототипом можно представить следующие позитивные результаты.

На стенде ТКР-Ф, ЭНИЦ, эксперименты проводились с термитной шашкой, размещенной внутри исследуемой трубы ТК в потоке водяного пара с температурой до 330°С и давлением до 8 МПа. В качестве исходных термитных СВС-смесей были использованы смеси оксида вольфрама с алюминием. Такие смеси способны к горению, а продуктами их горения являются оксид алюминия и интерметаллиды вольфрама, разогретые до температуры 2000-2300°С. Габариты термитной шашки: цилиндр высотой 500 мм, наружным диаметром 60 мм, весом 3 кг, с герметичной оболочкой из латунной фольги толщиной 0,2 мм. Воспламенитель - вольфрамовая спираль (ток 10 ампер, напряжение 50 вольт, токоподводы - два проводника сечением 2,5 мм²). Термитная шашка размещалась по центру в середине разогреваемой канальной трубы, при этом использовались канальные трубы длиной 3 м из нержавеющей стали (в целях экономии штатных циркониевых труб) с натурными внутренним диаметром 80 мм и толщиной стенки 4 мм, а также штатные циркониевые трубы.

Зажигание смеси производилось с верхнего торца шашки, время горения в условиях стенда составило порядка 20 секунд, тепловыделение - на уровне 6 МДж, температура поверхности шашки в начальный момент после процесса горения - 1600-1800°С, при этом до разрыва трубы нагреватель сохранил свою форму, размеры, местоположение в канале. При эксперименте со стальной трубой температура ее наружной стенки составляла 800°С, темп нагрева - порядка 10°С/с, а с циркониевой - при достижении на поверхности трубы температуры 713°С произошел ее разрыв, темп нагрева составлял около 20°С/с.

Эксперимент также показал, что при добавке компонента в виде 40% алюминия к указанной выше смеси и при увеличении давления среды от 1 до 8 МПа, скорость горения смеси уменьшается от 0,86 до 0,68 см/с, а яркость свечения продуктов горения и время яркого свечения заметно возрастают.

Расчетное время горения термитной смеси, заложенное при ее приготовлении, незначительно отличалось от полученного экспериментально - от долей секунд до 2-х секунд (в плюсовую или минусовую стороны). Кроме того, в ходе экспериментов были получены скорости нагрева исследуемых труб, превышающие 40°С/с.

В настоящее время исследования предложенным способом продолжаются на маломасштабном стенде ТКР-Ф при отработке конкретных сценариев по аварийному разогреву ТК РБМК с целью переноса их уже на крупномасштабный стенд ТКР.

Предложенный способ по сравнению не только с прототипом, но и с другими известными способами в практике данных исследований, имеет неоспоримые преимущества. Они заключаются в том, что он не требует ни дорогих материалов для изготовления нагревателя, ни сложных конструкций нагревателя и его токоподводов, ни мощных источников питания, ни сложного оборудования как при изготовлении нагревателя, так и эксперименте, а главное то, что при этом обеспечивается надежность работы нагревателя в заданном режиме и управляемость процессом нагрева ТК. Например, если в прототипе был использован нагреватель со сложными жидкометаллическими токоподводами и мощностью более 60 кВт (плюс дополнительная мощность), то при использовании термитного нагревателя тех же габаритов и получения заданного нагрева ТК потребуется для возгорания термитной СВС-смеси всего лишь электрический импульс мощностью порядка Р=I×U=10×50=500 Вт=0,5 кВт, поскольку нагрев здесь происходит за счет экзотермической реакции, инициированной электрической спиралью, а не за счет электрической мощности нагревателя.

Применение предложенного способа, по сравнению с прототипом, за счет выполнения косвенного нагревателя в виде термитной шашки из СВС-смесей, способной надежно управлять процессом нагрева ТК, а также простоты ее конструкции и изготовления, не требующего высокой квалификации рабочего персонала, позволит решить более широкий круг задач, поставленных при исследовании термомеханических разрушений топливных каналов ядерного реактора, причем с меньшими экономическими, материальными, энергетическими и трудовыми затратами.