Способ определения контактной термической проводимости между оболочкой и сердечником модельного твэла

Способ определения контактной термической проводимости между оболочкой и сердечником модельного твэла

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: преимущественно для модельных твэлов те рмоэмиссион ных реакторов-преобразователей . Сущность: измерения проводят во внереакторн ых условиях при иммтацШдавйёнйя р а с пухающего топливного сердечника путем обеспечения контакта оболочки и сердечника за счет изотермической выдержки твэла в течение 0,5...20 ч, в зависимости от Материала оболочки , и последующего fenndsoro расширения сердечника со скоростью, равной скорости относительного объемного изменения сердечника, обусловленмого е сГраспуханием в peakfo pwux условиях. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.,2 табл. сл С

1785046 сердечником модельного твэла, включающий подвод электрйческой мощности к центральном у (в центральном канале сердечника) и внешнему (в виде осесимг етричного экрана) нагревателям при одновременном: измерении температур оболочки, внешней поверхности сердечника (йли промежуточных между оболочкой и сердечником элементов) через радиальные отверстия в оболочке. Одновременное использование двух нагревателей в укаэанном способе обеспечивает возможность получения заданного соотношения между температурой оболочки и тепловым потокам с ее поверхности. Этот способ является наиболее близким к предлагаемому и принят за прототип.

Недостаток прототипа состайт в том, что определяемый перепад температуры по сущеСтву относится лишь к начальному йерйоду эксплуатации твэла, так как при испытаниях "не моделируется механическое нагружение оболочки со стороны распухаю.щего сердечника. Получаемые таким образом значения перепадов температуры могут существейно отличаться от реальных, так как контактная термическая проводимость имеет степенной характер зависимости от давления.

Целью изобретения является"определе ние контактной термической проводимости между оболочкой и сердечником модельного твэла термаэмиссионного реактора-преобразователя, нагреваемого с "помощью центрального и внешнега нагревателей; путем измерения температуры внешней по верхности сердечника через соосные отверстия во внешнем нагревателе и обо= лочке и температуры оболочки, позволво " щих вычислить иакомую велиЧЙну как частное от деления плотности теплового патока на грайице раздела сердечника с обо " лочкой и разности температур между-ними.

Для приближения условий испытаний к . щтатным моделируется механическое воз действие распухающего сердечника на оболочку путем увеличения его объема при нагреве, при этом о достижении механиче ского взаимодействия таблеток с оболочкой

" при номинальном режиме судят по вырав ниванию температур таблеток, сдвинутых

"" первоначально к диаметрально противоположным образующим оболочки.

Поставлен Йая цель достигается тем, что при определении контактной термической проводимости между сердечником и оболочкой твэла на номинальном уровне темпе.. ратуры оболочки проводят изотермическую выдержку в течение 0,5 ... 20 ч, затем одноаременна увеличивают мощность, подаваемую на центральный, и.уменьшают мощность, подаваемую на внешний нагреватель, при этом скорость уменьшения мощности, выделяемой внешним нагревателем, выбирают из условия сохранения не5 изменной температуры оболочки, а скорость увеличения мощности, подаваемой на центральный нагреватель, получают. из соотношения между скоростью объемного термического расширения сердечника и

10 скоростью его распухания в реакторных условиях.

Кроме таго,при испытании топлива с низкой упругостью паров по-крайней мере две таблетки серде: ника в исходном состо15 янии через радиальные отверстия в оболочке смещают к . диаметрально противоположным образующим оболочки и при номинальном уровйе температуры оболочки проводят сравнение- температур этих

20 таблеток, по которому судят о достижении механического взаимодействия таблеток с оболочкой..

Для реализации способа необходимо выполнение следующего основного усло25 вия:

Т=V/За,, где V - скорость относительного объемного изменения сердечника при распухании; й, — коэффициент линейного термического

30; Т вЂ” ско- рость измейения температуры сердечника в модельном эксперименте, По имеющимся данным скорость распухания диоксида ура-. на при высокотемпературном облучении на35 ходится в диапазоне 0.5 105 ... 1.10 ч .

Используя для диоксида значение а = 1

10 град, находим Т = 0,2 ... 3 град/ч; Ука-. занные значения скоростей нагрева могут быть обеспечены изменением электриче40 ской мощности, подаваемой на центральный нагреватель в рабочем участке с модельным твэлом, При этом они оказываются существенно ниже скорости установления стационарного распределения

"5 температуры (пастоянная времени рабочего участка 1 мин.), что обеспечивает квазистационарность условий проведения испытаний, 50 Для получения конкретйого значения скорости увеличения мощности нагревателя предварительно с помощью прототипа была построена KpplBBA завйсймасти скорости изменения температурй сердечника от скора55 сти увеличения мощности центрального нагревателя путем замера мощности, падвадимай к нагревателю и измерения температуры внешней поверхности сердечника через соасные отверстия в оболочке и внеш1785046

6 нем нагревателе при постоянной темпера- давления) и скоростью деформации. за котуре оболочки. торую ответственна скорость распухания.

В предлагаемом способе скорость теп- Именчо это и позволяет в предлагаемом лового расширения сердечника определя- способе моделировать скорость распухания ется по температуре наружной поверхности 5 топлива скоростью его термического расшисердечника(вставки). Оценки, проведенные рения. по известной методике, показывают, что по- Если между сердечником и оболочкой грешность, привносимая логарифмическим твэла расположена вставка (гофрированная законом распределения температуры от фольга), то из-за высоких рабочих темперапринятого,в предлагаемом способе состав- 10 тур термоэмиссионного твэла диоксид ураляет 30%.0äíàêîýòàпогрешностьсуще- на переконденсируется на внутреннюю ственно меньше диапазона поверхностьфольгиираспухающийсердечнеопределенности в скорости распухания ник воздействует непосредственно íà обосердечника из-за сложности и мнотоообра- лочку по гофрам, прилегающим к оболочке. зия процессов ее определяющих.. 15 При этом имеет место частичная компенсаДругое необходимое условие для осу- ция распухания впадинами вставки (для че ществления способа состоит в том. что но- го они и предназначены). Однако эта лишь минальные рабочие температуры оболочки снижаетвеличинуконтактногодавления, но исердечникадолжнысохраняться неизмен- не меняет существа дела. При реализации ными при увеличении мощности централь- 20 способа указанный факт учитывается автоного нагревателя. Это требование вызвано . матически и поскольку он трудно поддается необходимостью сохранения соотношения расчету, возможность исследовать. и оптижесткостей между сердечником и оболоч- мизировать конструкцию твэла (например, кой; которое наряду с заданной скоростью по исполнению гофрированного элемента) нагружения оболочки определяет величину 25 при проведении испытаний относится к доконтактного давления; и, как следствие; полнительному преимуществу йредложенконтактную термическую проводимость. ного способа.

Результаты прямых реакторных экспе- flocTQAHcTDo температуры оболочки при риментов показывают, что деформация обо- увеличении мощности центрального нагрелочки термоэмиссионного твэла в 30 вателя можно обеспечить одновременным стационарном режиме работы достигает ве- уменьшением мощности внешнего нагреваличин 1,5-2% (или Л0- 0,3мм). - теля, ориентируясь, например, на показаЭти данные позволяют сделать вывод, ния термопар, закрепленных на оболочке. ITo информация оболочки не является упру- Сохранение температуры сердечника вблигой(т.е.такой,для которой всоответствиис 35 зи номинального значения достигается эа законом Гука существует однозначное сост- счет того, что скорость заданного увеличеветствие между величиной деформации и ния температуры сердечника, как указываконтактным давлением), так как максималь- лось выше, относительнО невелика, а время ная величина упругой деформации по оцен- испытаний определяется временем замера кам, полученным с использованием, 40 температур и составляет 1 ч. Для получемеханических свойств молибдена и вольф- ния данных, строго соответствующих номирама, используемых в качестве материала нальному значению температуры оболочки, может составлять всего лишь сердечника, представляется возможным

1 ° 10 (или Л О 0,002 мм), т,е. на 2 увеличение мощности центрального нагре-2 о порядка ниже экспериментально измерен- 45 вателя начинать и заканчивать при значениных значений. Это позволяет однозначно яхтемпературы сердечника соответственно (имея в виду стационарный режим работы ниже и выше номинального значения. реактора) заключить, что основным меха- Возможность существенйого сокращенизмом деформироаания оболочки являет- . ния времени испытаний по сравнению с реся ползучесть ее материала. Это 50 акторным экспериментом обеспечивается подтверждается и сравнением эксперимен- подбором внешнегодиаметра таблеток, при. тальных данных с результатами провероч- котором механический койтакт с оболочкой и ых (нормированных) расчетов, . достигается при выходе на номинальный репроведенных в предположении, что оболоч- жим испытаний. Напряжения, возникаюка деформируется распухающим сердечни- 55 щие s оболочке иэ-за случайного ком по механизму ползучести. При данном (неблагоприятного) сочетания фактических механизмедеформированиясуществуетод- размеров оболочки и таблеток в поле их нозначное соответствие между уровнем на- допусков, устраняются иэотермической выпряжений (или величиной контактного держкой. Для гарантированного устранения этих. напряжсний время выдержки выбира1785046 ется из условия снижения напряжения от максимально возможного значения (предел текучести) до значения, заведомо ниже рабочего. Поскольку при испытаниях твэлов в реакторах реальные рабочие напряжения приводят к наблюдаемым деформациям оболочки, то в качестве нижнего предела напряжений принима|отся значения, при которых деформация оболочки практически отсутствует за заданный ресурс.

Время, необходимое для релаксации напряжений, рассчитывается по общепринятой методике. Результаты расчета для характерных материалов (Mo, W) рассматриваемых высокотемйературных термоэмиссионных твэлов и их рабочихтемператур (1500 ... 1800 С) представлены в табл. 1 и2.

Нижняя граница диапазона времени выдержки определялась максимальной скоростью релаксации (что соответствует максимальной температуре и- наименее жаропрочному материалу (T = 1800 С; Mo); верхняя — минимальной скоростью релаксации (Г = 1500 С; W).

Наибольшие значения напряжений в таблицах соответствуют пределу текучести, а наименьшие — указанному минимальному . дойустимому значению йапряжений.

KBK видно из таблиц, время йзотермической выдержки находится в диапазоне 0,5 ...

20 ч, что прйменимо с точки зрения прове-. дения испытаний..

В случае, когда на иомина ьном уровне температуры йсходный механический контакт между сердечником и оболочкой не гарантирован, например, при испытании твэла с перспективньгм топливным материалом, даэлеййе насыщенных паров которого на 2-3 порядка ниже, чем у диоксида . урана, и топливо поэтому не переконденсируется на оболочку в процессе испытаний, о существовании механического контакта может свидетельствовать равенство перепадов температуры нэ номинальном режиме между оболочкой и таблетками, смещенными в исходном состоянии в диаметрально противоположных направлениях через соответствующие отверстия в оболочке, Предложенный способ позволяет по измеренным температурам вычислить контактную термическую и роводимость между сердечником и оболочкой для топлив, кото-. рйе не.переконденсируются на оболочку, и контактную термическую проводимость между оболочкой и вставкой (конструктивным элементом, расположенным между сердечником и оболочкой) для топлив, которые в процессе эксплуатации переконденсйруются на вставку.

Сущность предложенного способа поясняется на фиг. 1, где 1 — оболочка твэла. внутрь которой вставлены топливные таблетки 2. Между таблетками и оболочкой помещена гофрированная вставка 3. Для нагрева твэла через центральные отверстия топливных таблеток проходит стержневой нагреватель 4, а снэружй твэла в виде теплового экрайа - внешйий нагреватель 5. В оболочке и внешним нагревателе имеются радиальные отверстия 6 для измерения температуры. Регистрация температуры оболочки осуществляется закрепленными на ней термопарами 7, а измерение перепада

15 температуры между оболочкой и топливным сердечником-пирометром 8. Электрические мощности определяются из показаний амперметров и вольтметров 9. Задание величины электрической мощности, подаваемой

20 на централ, ный нагреватель, производится задатчиком 10, а изменение электрического напряжения на внешнем нагревателе — ручным регулятором 11.

Поперечное сечение (сечение А-А) мо25 дельного твэла представлено на фиг. 2.

Изобретение выполняется следующим образом. Сйачала собирается модельный твэл, для чего в оболочку вставляется гофри. рованная вставка, затем топливные таблет30 ки. После сборки торцевых узлов и приварки термопар к оболочке твэл помещают во внешний нагреватель так, чтобы радиальные отверстия в оболочке и нагревателе были соосньг. После закрепления нагревателей

35 и откачки воздуха из вакуумной камеры, в которой размещается рабочий участок, постепенным увеличением электрической мощности, подаваемой нэ центральный и внешний нагреватели, регуляторами 10 и 11

40 устанавливают необходимую температуру оболочки и тепловые потоки. При сохранении значений электрических мощностей, подаваемых на нагреватели, проводят выдержку. Время выдержкй оценива|от исходя

45 из времен релаксации для материала обо: лочки. В случае модельного твэла без гофрированной вставки и топлива с низкой упругостью паров минимум две таблетки сердечника перед проведением испытаний

50 через. радиальные отверстия в оболочке смещают противоположно в диаметраль-ном направлении и после выдержки на номинальном режиме проводят сравнение температур этих таблеток; по которому су55 дят о достижении механического взаимодействия. При этом отсутствии эксперимент повторяют с таблетками большего диаметра, Из результатов предварительных экспе риментов оценивается увеличение мощности на центральном нагревателе не>

1785046

ЛТ обходимое для прироста температуры на нем нагревателе имели диаметр 2 м . П м. ере, определяют среднюю скорость подъема конденсация топлива осуществлялась при мощности и устанавливают это значение на температуре оболочки 1660 С. При этом задатчике 10. Периодически снижением электрические мощности, подаваемые на мощности на внешнем нагревателе ручным 5 центральный и внешний нагреватели, сорегулятором 11 восстанавливают исходную ставляли соответственно 0,6 и 1,15 кВт. Вызаданную температуру оболочки, а пира- держка для снятия механических метром 8 измеряют температуры оболочки, напряжений в оболочке продолжалась в тевнешнего нагревателя и гофрированной чение f ч. Средняя скорость изменения .вставки. Количество замеров определяется 10 мощности центрального нагревателя была временами каждого замера и подъема мощ- равна 30 Вт/ч, что примерно соответствует ление к ности на центральном нагревателе. Опреде- верхней границе скорости нагрева се д ер ечие контактной термической ника, определяемой из скорости распухапроводимости а проводится по формуле ния топлива при облучении. В процессе а, где q я случая твэла с гофриро- 5 эксперимента температура гофрированной

15 к ГТ ., р вставки менялась от 1695 до 1705 С, а темванной вставкой между оболочкой и сердеч- пература внешнего нагревателя снижалась ником определяется по формуле от 1390 до 1335 С. По результатам 12 замек — 20 ной термической проводимости, рэвнэв

0.33+0,02 Вт/см К. гдео — плотностьтеплового потока сповер- Предложенный способ определения хности оболочки в местах контакта ее с гоф- контактной термической и роводимости рированной вставкой; между сердечником и оболочкой модельно25 го твэла позволяет приблизить условия исЬТ1 Твст. - Т о6 „Тоб ., Твн.нагр., Тест. - fl btTB HH A к н атУР н ым за счет на гРУжен иЯ соответственно температуры оболочки, оболочки давящим на нее сердечником c внешнего нагревателя и вставки в местах ее заранее заданным обьемным изменением, контакта с оболочкой; соответствующим скорости его распухания е пр, 1, F, ttp . 2 — приведенные степе- 30 при облучении, При этом контактная термини черноты материалов соответственно обо- ческаЯ пРоводимость и соответственно конлочки и внешнего нагревателя, оболочки и тактноедавление приближаются к штатным гофрированной вставки; значениям. а- постоянная Стефана-Больцмана; Формула изобретения

F g — площадь внешней поверхности 35 1, Способ определения контактной тероболочки; мической проводимости между оболочкой и

Вст.1 суммарная площадь контактов сеРдечником моДельйо1.о твэла термоэмисвыступов гофрированной фольги с внутрен- . сионного реактоРа-преобразователя, заней поверхностью оболочки; . ключающийся в подводе электрической

Рост.z — площадь внутренней поверхно- 40 мощности к центральному нагревателю, сти оболочки, не имеющей контактов с гоф- расположенному в канале, образованному рированной фольгой, отверстиями в кольцевых топливных таблетПример осуществления способа. Испы- ках, Размещенных в оболочке и к внешнемУ танию подвергался твэл со следующими па- соосно расположенному нагревателю, диараметрами. Оболочка, изготовленная из 45 метР котоРого больше диаметРа оболочки, сплава МНЗ с наружным диаметром 19,6 и при одновременном измеРении темпеРатУвнутренним 17,3 мм, имела длину 63 мм. Ры внешней rlîtteÐxHoc»l сеРДечни а ерез

Таблетки иэ диоксида урана шлифовали до соосные отверстия во внешнем нагревателе размера внешнего диаметра 16,7 и внутрен- и оболочке и темпеРатУРы оболочки и вычиснего 8,0 мм. Гофрированную вставку выре 50 лении искомой величины как частного от зали иэ молибденовой. фольгой толщиной деления плотности теплового потока на гра0.05 мм, Гофры имели прямоугольную фор- нице раздела сердечника с оболочкой на му с азимутальными размерами выступов и разность температур между ними, о т л и ч авпадин по 0,5 мм. Внешний нагреватель ю шийся тем, что, с целью приближения имел диаметр 45 мм и был изготовлен из 55 Условий испытаний к штатным пУтем модетанталовой фольги толщиной 0,07 мм, цен- лирования механического воздействия на тральный нагреватель представлял собой оболочку распухающего сердечника, на новольфрамовый стержень диаметром 6,0 мм, минальном уровне температуры оболочки

Радиальные отверстия в оболочке и внеш- ро одят изотермическую выдержку в течение 0,5 ... 20 ч в зависимости от материала

1785046

12 а — коэффициент линейного термического расширения топливного материала, К .

Таблица1

Изменение напрлжений за счет релаксации в оболочке из Мо в зависимости от времени выдер>кки (Т = 1800 С) 10 мин

0,5 мин

0,5

1 мин

В емя

Напряжения.

МПа

1,8

2,4

2,1

Таблица2

Изменение напряжений эа счет релаксации в оболочке из вольфрама в зависимости от времени выдержки (Т = 1800 С)

Время

0,5 мин

20ч

10ч

0,5 мин

Напряжения, МПа

8,2

25,4

6,2 оболочки, затем одновременно увеличивают мощность центрального и уменьша(от мощность внешнего нагревателей, при атом скорость уменьшения тощ((ости внешнего нагревателя выбирают из условия сохранения неизменной температуры оболочки, а скорость увеличения мощности центрального нагревателя — из условия Т = V/3 Пт, где Т вЂ” скорость изменения температуры сердечника при модельных испытаниях, К/с,, V скорость отнасительйого объемного изменения сердечника эа счет его распухания в реакторных условиях, 2. Способ по и. 1, отличающийся

5 тем, что при испытании топлива с низкой упругостью паров по крайней мере две таб. летки сердечника в исходном состоянии через радиальные отверстия в оболочке смещают к диаметрально противополож10 ным образующим оболочки и при номинальном уровне температурьi оболочки проводят сравнение температур этих таблеток, по результатам катореого судят о достижении механического взаимодействия таблеток с

15 оболочкой.

1785046

Составитель В.Зазноба

Техред M.Moðlåíòçë Корректор А.Козориз

Редактор

Заказ 4369 Тираж - Подписное

ВНИЙПИ Государственйого комитета по изобретениям и откритиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гаг"ðèíà,,101