устройство для имитации термомеханического разрушения топливного канала ядерного реактора

Формула изобретения

1. Устройство для имитации термомеханического разрушения топливного канала ядерного реактора, содержащее внутри исследуемой канальной трубы нагреватель, электрически связанный с источником питания, отличающееся тем, что нагреватель выполнен в виде термитной шашки из СВС-смесей, снабжен воспламенителем, защитными, герметичными оболочками и смонтирован на передвижном опорном узле, при этом сохранность формы продуктов горения шашки и управление нагревом в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) обеспечены подбором исходных компонентов термитной смеси, а также размещением ее слоев и воспламенителя в объеме шашки.

2. Устройство для имитации по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено центрирующими элементами в форме дисков, крестовин, подпружинивающих элементов, закрепленных на опорном узле.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области экспериментальных теплофизических исследований по безопасности атомных электростанций и может быть использовано при реализации методов по изучению аварийных ситуаций, проблем одиночного и множественного разрушений топливных каналов ядерных реакторов типа РБМК, а также в промышленности и исследовательской практике при проведении различных тепловых испытаний.

Известно устройство для имитации термомеханического разрушения топливного канала ядерного реактора, которое использовалось для исследования аварий с нарушением штатного теплосъема в технологическом канале (ТК) РБМК (Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование 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. № 02.20.002048.1999. - 41 с.). Устройство содержало отрезок штатной (необлученной) канальной трубы ТК РБМК из циркониевого сплава длиной 1410 мм с двумя штатными переходниками и массивными фланцами из нержавеющей стали для подвода электрического тока, рабочая мощность составляла порядка 60 кВт. Аварийные сценарии, связанные с разогревом и разрушением ТК, производились по схеме прямого нагрева, при которой канальная труба нагревалась джоулевым теплом, выделяющимся при непосредственном пропускании через нее электрического тока. Результаты известного эксперимента: разрыв трубы в незапланированном месте, заданные параметры и скорость нагрева не получены.

Основные недостатки известного устройства: сложность локализации разогрева трубы в заданном месте; сложность управления процессом нагрева (температурой и скоростью) при экспериментах как с одиночной канальной трубой, так и канальной трубой с графитовыми элементами (штатные графитовые кольца и блоки); необходимость использования для этих целей специального дополнительного оборудования (рассеиватели тепла, внешние подогреватели), мощных регулируемых источников питания и т.п. Кроме того, вместо натурной рабочей среды (пароводяная смесь с температурой 310°С и давлением до 8 МПа) использовалась более упрощенная (газ-азот).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является известное устройство для имитации термомеханического разрушения топливного канала ядерного реактора, содержащее отрезок штатной канальной трубы ТК РБМК с графитовыми элементами и косвенный нагреватель, размещенный внутри данной трубы в заданном месте (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.). Нагреватель выполнялся из углеродных материалов, стержневого типа, с жидкометаллическими токоподводми. Были использованы: рабочая среда - газ-азот; электропитание - три трансформатора по 100 кВА каждый; дополнительное и вспомогательное оборудование; герметизация трубы - двухсторонняя и т.п. Нагрев производился в две стадии: сначала стартовая - разогрев канальной трубы до 300-600°С по схеме прямого нагрева, затем активная - быстрый подвод мощности к косвенному нагревателю. Результаты известного эксперимента: разрушение разогреваемого макета ТК на 178 секунде, сопровождаемое возгоранием косвенного нагревателя; скорость разогрева канальной трубы была достигнута порядка 6 К/с при изменении давления рабочей среды от 6,2 до 6,9 МПа.; выполнить до конца заданную программу нагрева не удалось.

Основные недостатки известного устройства: ненадежность косвенного нагревателя; сложность его конструкции и его токоподводов; сложность управления нагревом и его скоростью; большие энергетические, материальные, трудовые затраты.

Указанные недостатки устраняются в заявляемом изобретении. Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в повышении надежности работы нагревателя, в упрощении его конструкции и его токоподводов, что обеспечивается тем, что нагреватель выполнен в виде термитной шашки из СВС-смесей, снабжен воспламенителем, защитными, герметичными оболочками и смонтирован на передвижном опорном узле, при этом сохранность формы продуктов горения шашки и управление нагревом в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) обеспечены подбором исходных компонентов термитной смеси, размещением ее слоев и воспламенителя в объеме шашки, а также наличием центрирующих элементов в форме дисков, крестовин, подпружинивающих элементов, закрепленных на опорном узле.

Достижение технического результата, заключающееся в повышении надежности работы нагревателя, обеспечивается тем, что нагреватель выполняется в виде термитной шашки из СВС-смесей, и ее высокотемпературные продукты горения, получаемые в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), обеспечивают надежность нагрева канала до заданной температуры и надежность регулирования скорости нагрева. Из теории и практики СВС известно, что нагрев реагентов в волне СВС может происходить как по простому, так и весьма сложному закону. При этом достигаются высокие температуры процесса - 1400-4000°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 не доступен другим методам.

Помещение термитной шашки и воспламенителя в защитные, герметичные оболочки обеспечивает надежность поджигания СВС-смеси и надежность работы нагревателя практически в любой заданной рабочей среде внутри исследуемой трубы.

Передвижным опорным узлом обеспечивается установка нагревателя и разогрев трубы на заданном участке. Центрирующие элементы опорного узла обеспечивают осесимметричное положение нагревателя в трубе и постоянство величины зазора между внутренними стенками трубы и нагревателем, а подпружинивающие элементы - беспрепятственное перемещение опорного узла вдоль трубы при его установке в заданную область нагрева.

Изменением состава термитной СВС-смеси, процентных долей добавок компонентов в смеси обеспечивают заданные температуру и скорость разогрева канала. Помимо этого, подбором исходных компонентов термитной смеси также обеспечивают сохранение формы, размеров, местоположение нагревательного элемента в канале на период - после сгорания термитной смеси и до разрыва трубы.

Использование быстрогорящих барьерных слоев в составе термитной смеси, изменение места расположения их и воспламенителя в объеме шашки (например, вдоль или поперек) позволяют управлять временем сгорания СВС-смеси, регулировать температуру и скорость нагрева канала.

Достижение технического результата, заключающееся в упрощении конструкции нагревателя, обеспечивается тем, что нагреватель выполняется в виде термитной шашки, которая обычно сама по себе проста и конструктивно, и в изготовлении. Известные методы изготовления термитных шашек просты и доступны: вручную; с помощью вибратора; таблетированием и т.п., при этом из недорогих недефицитных материалов (например, СВС-смеси из порошков FeO, WO₃, Al, SiO₂ , С и др.). Упрощение конструкции токоподводов нагревателя создается из-за значительного уменьшения (в сотни раз, по сравнению с прототипом) рабочего тока и сечения проводников, поскольку воспламенение термитной шашки при электрической системе поджига осуществляется всего лишь кратковременной подачей электрического импульса малой мощности (около 500 Вт) на спираль, погруженную в термитную смесь. Токоподводами к спирали в этом случае являются 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; упрощает герметизацию и конструкцию нагревателя (нет необходимости выполнять нагреватель с двухсторонним токоподводом) и одновременно повышает надежность работы нагревателя.

На чертеже изображен один из вариантов заявляемого устройства для имитации термомеханического разрушения топливного канала ядерного реактора.

Устройство содержит разъемное фланцевое соединение исследуемой канальной трубы 1 и крышки 2 с уплотнительной прокладкой 3. Внутри канальной трубы 1, в рабочей среде, подвешен передвижной опорный узел 4, включающий: соединительную трубу 5, которая с помощью разъемных соединений на концах верхней втулкой 6 через уплотнительные прокладки 7 герметично присоединена к крышке 2, а нижней втулкой 8 - герметично к термитной шашке 9, размещенной на платформе 10; стяжные шпильки 11; центрирующие элементы в форме дисков (или крестовин) 12 и подпружинивающих элементов, например, из проволоки пружинной 13. Термитная шашка 9, выполненная из СВС-смесей 14 и снабженная воспламенителем в виде вольфрамовой электрической спирали 15, размещенной в защитной электроизоляционной втулке 16, имеет защитную оболочку, выполненную в форме герметичного тонкостенного стакана (например, из латунной фольги, или нержавеющей стали) 17. Спираль 15 с помощью электрически изолированных друг от друга токоподводов, состоящих из: токовводов 18, инициирующих проводов 19, протянутых через соединительную трубу 5, и конических токовводов 20, герметично запрессованных в крышке 2, подключена внешними электрическими связями к источнику питания (последние на чертеже условно не показаны). В качестве электроизоляции 21 используют электроизоляционные материалы, например, на основе фторопласта.

Устройство работает следующим образом:

На испытательном стенде монтируют макет ТК, обычно представляющий фрагмент штатного ТК ядерного реактора, содержащий штатную канальную трубу 1. Исходя из заданных параметров и сценария эксперимента по имитации термомеханического разрушения ТК ядерного реактора, изготавливают термитную СВС-смесь 14. В ее состав включают высокотемпературные СВС-смеси, такие как, например, порошки окислов, выбранных из группы: WO₃ , Fe₂О₃, МоО₃, с восстановителями, выбранными из группы: Al, Si, Mg, разбавителями, выбранными из группы: Al₂О₃, SiO₂, С, и другие исходные компоненты в определенных пропорциях и соотношениях. Затем изготавливают известными способами термитную шашку 9 с воспламенителем в виде вольфрамовой спирали 15 (необходимым условием при сборке является касание спирали термитной смеси). В зависимости от состояния (агрессивности, влажности и т.п.) рабочей среды внутри трубы, термитную шашку 9 с воспламенителем 15 и ее токоподводы помещают в защитные, герметичные оболочки или обходятся без них. Инициирующие провода 19 при этом могут быть выполнены как голыми, так и в термостойкой электроизоляции. В качестве оболочки 17 для термитной шашки 9 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 9, защитный чехол (оболочка) 17 из фольги разрушается - сгорает в волне СВС. Во втором случае - защитный чехол (оболочка) 17 из стали сохраняется и участвует в теплообмене со стенкой канальной трубы 1, замедляя теплообмен, т.е. в данном случае он является так называемым барьерным слоем. Кроме того, при изготовлении термитной шашки 9 используют различные варианты ее исполнения, влияющие на процесс нагрева ТК, например, такие:

1. Для надежности поджигания термитной смеси во влажной среде спираль помещают в кварцевый стакан и наполняют его высокотемпературным легко воспламеняемым термитным составом, например стехиометрическая смесь окиси вольфрама с алюминием, имеющая температуру горения 3500 К.

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

3. Температуру и скорость разогрева канала регулируют также с помощью изменения конструкции термитной шашки. Например, изменяют габариты шашки, зазор между шашкой и внутренней стенкой трубы; выполняют шашку многослойной, включая при этом слои с быстрогорящим составом (например, из Ti+C), которые дополнительно обеспечивают еще и надежность зажигания смеси. Создают барьерные слои - помещают термитную смесь в оболочку (например, бумажный футляр, молибденовая фольга и др.), устанавливают разные по величине зазоры между внутренней стороной этой оболочки и термитной смесью, а также применяют другие варианты, используемые при СВС-нагреве.

Изготовленную с учетом выше изложенного термитную шашку 9; токоподводы к ней, начиная от электрической спирали 15 до конических токовводов 20 в крышке 2; центрирующие элементы 12 и 13 - все это монтируют на опорном передвижном узле 4. Собранную конструкцию, какими-либо подъемными средствами, устанавливают внутрь канальной трубы 1, в заданном месте нагрева. Место нагрева в ходе эксперимента можно изменять, устанавливая при сборке соединительную трубу 5 разной длины. По ходу монтажа выполняют необходимые герметизацию и электроизоляцию элементов устройства. Подают внутрь трубы 1 рабочую среду с заданными параметрами, задействуют все средства измерения и контроля. Кратковременной подачей электрического импульса от запального устройства (источника питания) на вольфрамовую спираль 15 осуществляют воспламенение термитной шашки 9 и начинают разогрев канальной трубы 1. Следует отметить то, что в практике СВС-нагрева, помимо электрического поджига термитной смеси с помощью спирали, существует множество других способов инициировать реакцию, и выбор одного из них определяется лишь удобствами, так как он не влияет на свойства получаемого продукта горения. Дальнейшие исследования производят согласно заданной программе эксперимента.

Предложенное устройство было использовано 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 РБМК в натурной рабочей среде - 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. Термитная шашка размещалась осесимметрично, в середине разогреваемой канальной трубы. При этом в качестве канальных труб использовались трубы 3-метровой длины 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.

Кроме того, в ходе экспериментов были получены скорости нагрева исследуемых труб, превышающие 40°С/с.

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).

В настоящее время на маломасштабном стенде ТКР-Ф было успешно опробовано предложенное устройство с аналогичным по составу и конструкции нагревателем, но длиной 1000 мм. Такой нагреватель планируется задействовать в многоканальном фрагменте РБМК, смонтированном на крупномасштабном стенде ТКР (ЭНИЦ), пуск которого намечается в ближайшее время.

Применение предложенного устройства, по сравнению с прототипом, за счет надежности работы нагревателя, простоты его конструкции позволит значительно сократить расход дефицитных материалов, оборудования, электроэнергии, трудозатрат и дать экономический эффект. А получаемая при этом надежность управления процессом нагрева ТК в широких диапазонах температуры и скорости позволит значительно расширить возможности проводимых в этой области экспериментов, результаты которых могут быть использованы для целей совершенствования и верификации расчетных термомеханических кодов, предназначенных для моделирования задач одиночного и множественного разрывов ТК РБМК.