Установка для термических испытаний облученных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов

Полезная модель относится к атомной промышленности и может быть использована при проведении исследований в области реакторного материаловедения, в частности, термических испытаний тепловыделяющих элементов (твэлов) после эксплуатации в ядерном реакторе. Технический результат полезной модели - повышение чувствительности измерений радиационных характеристик продуктов деления, выходящих из твэлов при разгерметизации в процессе термических испытаний, и, соответственно, расширение возможностей проведения подобных измерений на твэлах с малым выгоранием топлива. Установка для термических испытаний облученных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов содержит установленные в защитной камере нагреватель и приспособление для размещения тепловыделяющего элемента, источник инертного газа, трубопровод с регулирующей аппаратурой, ротаметр. После нагревателя трубопровод содержит два параллельно соединенных участка, на которых за пределами защитной камеры размещена система измерения радиационных характеристик газа, причем на одном участке последовательно расположены измерительный фильтр с детектором бета-излучения и ионизационной камерой, на втором участке - измерительный объем с сорбентом, выполненный в виде сосуда из нержавеющей стали, где в качестве сорбента используется преимущественно порошкообразный активированный уголь, и детектор гамма-излучения. Между нагревателем и тепловыделяющим элементом установлен защитный чехол, между нагревателем и системой измерения радиационных характеристик газа установлено устройство для охлаждения газа. 6 з.п. ф-лы, 1 илл.

Полезная модель относится к атомной промышленности и может быть использована при проведении исследований в области реакторного материаловедения, в частности, термических испытаний тепловыделяющих элементов (твэлов) после эксплуатации в ядерном реакторе. Подобные испытания являются модельными экспериментами, имитирующими аварийные ситуации при уходе теплоносителя из активной зоны, приводящими к значительному перегреву твэлов по сравнению с номинальными температурными условиями эксплуатации.

Известна установка для термических испытаний облученных твэлов (Материаловедческие исследования отработавшего топлива ИЯР СМ в обоснование концепции модернизации активной зоны, В.А.Цыканов, В.Г.Дворецкий, Ю.Ю.Косвинцев и др. Сборник докладов Седьмой Российской конференции по реакторному материаловедению, г.Димитровград, 8-12 сентября 2003 г., Т.2, Часть 2, с.40-55), которая принята за прототип. Эта установка включает в себя установленные в защитной камере нагреватель и приспособление для размещения тепловыделяющего элемента, а также источник инертного газа, трубопровод с регулирующей аппаратурой, ротаметр, систему электропитания и систему измерения радиационных характеристик газа.

Недостатком этой установки является невозможность проведения термических испытаний твэлов с малым выгоранием топлива с получением значимых экспериментальных результатов по радиационным характеристикам газообразных (ГПД) и легколетучих (ЛПД) продуктов деления, выходящих из твэлов при разгерметизации. Указанный недостаток обусловлен недостаточной чувствительностью системы измерения радиационных характеристик потока газа в контуре установки.

Технический результат полезной модели - повышение чувствительности измерений радиационных характеристик продуктов деления, выходящих из твэлов при разгерметизации в процессе термических испытаний, и, соответственно, расширение возможностей проведения подобных измерений на твэлах с малым выгоранием топлива.

Установка для термических испытаний облученных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов содержит установленные в защитной камере нагреватель и приспособление для размещения тепловыделяющего элемента, источник инертного газа, трубопровод с регулирующей аппаратурой, ротаметр, систему измерения радиационных характеристик газа. При этом после нагревателя трубопровод содержит два параллельно соединенных участка, на которых размещена система измерения радиационных характеристик газа, причем она включает в себя на одном из участков трубопровода последовательно расположенные измерительный фильтр с детектором бета-излучения и ионизационной камерой, на втором участке - измерительный объем с сорбентом и детектор гамма-излучения.

Между нагревателем и тепловыделяющим элементом может быть дополнительно установлен защитный чехол.

Между нагревателем и системой измерения радиационных характеристик газа может быть дополнительно установлено устройство для охлаждения газа, выполненное преимущественно в виде спиральной трубки из нержавеющего материала, омываемой снаружи хладагентом.

На трубопроводе после устройства для охлаждения газа или, по крайней мере, на одном из параллельных участков трубопровода установлен регулятор потока газа.

Система измерения радиационных характеристик газа преимущественно размещена за пределами защитной камеры.

Измерительный объем выполнен в виде сосуда из нержавеющей стали, а в качестве сорбента используется преимущественно порошкообразный активированный уголь.

В отличие от прототипа после нагревателя трубопровод содержит два параллельно соединенных участка, на которых размещена система измерения радиационных характеристик газа, преимущественно размещенная за пределами защитной камеры, причем на одном участке последовательно расположены измерительный фильтр с детектором бета- излучения и ионизационной камерой, на втором участке - измерительный объем с сорбентом, выполненный в виде сосуда из нержавеющей стали, где в качестве сорбента используется преимущественно порошкообразный активированный уголь, и детектор гамма-излучения, между нагревателем и тепловыделяющим элементом установлен защитный чехол, между нагревателем и системой измерения радиационных характеристик газа установлено устройство для охлаждения газа, выполненное преимущественно в виде спиральной трубки из нержавеющего материала, омываемой снаружи хладагентом, на трубопроводе после нагревателя или, по крайней мере, на одном из параллельных участков трубопровода установлен регулятор потока газа.

Разделение потока газа в трубопроводе на два участка проводится для разделения детектирования бета-активных и гамма-активных продуктов деления (ПД), чем достигается повышение чувствительности измерений радиационных характеристик ЛПД и ГПД. В зависимости от вида ядерного топлива в испытываемом твэле и уровня выгорания, из чего следует наличие и количество того или иного бета- или гамма-активных ПД, выходящих в контур после разгерметизации твэла, устанавливается соотношение потоков газа в двух параллельно соединенных участках трубопровода. На первом участке последовательно расположены измерительный фильтр с детектором бета-излучения и ионизационная камера. На измерительном фильтре

происходит осаждение ЛПД, активность которых непрерывно измеряется детектором бета-излучения. Расположенная в контуре после него ионизационная камера является сравнительно более чувствительным дозиметрическим прибором, который также измеряет интенсивность бета-излучения потока газа. Оставшаяся часть ЛПД, прошедшая через измерительный фильтр, и ГПД в виде изотопа ⁸⁵ Кr, который практически не задерживается на фильтре, регистрируются ионизационной камерой. На втором параллельном участке расположен измерительный объем в виде сосуда из нержавеющей стали, заполненный сорбентом. На сорбенте происходит адсорбция ЛПД и ГПД, активность которых измеряется детектором гамма-излучения. Сорбент должен иметь развитую поверхность для эффективной адсорбции ПД, поэтому используется порошкообразный материал. Одним из наиболее эффективных и доступных сорбентов является активированный уголь, который применен в установке.

В качестве источника инертного газа, преимущественно гелия или аргона, может быть использован баллон со сжатым газом, размещенный вне защитной камеры. В качестве газа-носителя используется инертный газ для снижения до минимума химического взаимодействия газа с материалами тепловыделяющего элемента, трубопровода и приспособления для размещения тепловыделяющего элемента, особенно их компонентов, работающих при высоких температурах. Давление в баллоне, как правило, составляет 12 МПа, при этом давление в трубопроводе на выходе из баллона регулируется редуктором, расход газа контролируется ротаметром, размещенным, например, на выходе трубопровода из защитной камеры. Трубопровод для потока газа является герметичным от источника газа до момента сброса газа в спецветиляцию после прохождения через систему измерения радиационных характеристик газа, расположенную вне защитной камеры, то есть в помещении постоянного пребывания персонала. Этим достигается максимально возможная чувствительность проведения измерений на дозиметрической аппаратуре. В случае размещения датчиков

дозиметрической аппаратуры внутри защитной камеры высокий радиационный фон от испытываемого тепловыделяющего элемента вносит недопустимо высокую погрешность в результаты измерений или вообще может подавить процесс измерений в случае термических испытаний твэла с низким выгоранием и, соответственно, небольшим образованием и выходом продуктов деления при разгерметизации.

Наличие в конструкции установки защитного чехла позволяет осадить на нем при разгерметизации твэла в процессе испытаний большую часть ЛПД (99%), таких как радиоактивные изотопы ¹³⁷ Cs, ¹³⁴Cs, ¹²⁵Sb, ¹⁴⁴Се, ¹³¹I. Это происходит вследствие того, что чехол является вследствие своего расположения ближайшим барьером для ЛПД после выхода их из твэла, и он необходим для существенной очистки протекающего по трубопроводу газа перед выходом на участок за пределами защитной камеры, чем обеспечивается безопасность обслуживающего установку персонала. Для обеспечения процесса измерений радиационных характеристик газа в трубопроводе оставшегося количества ЛПД вполне достаточно. Дополнительной функцией защитного чехла является непосредственная защита от сильного радиоактивного загрязнения компонентов нагревателя. Поскольку защитный чехол является съемным, его легче заменить дистанционно, чем проводить дезактивацию всего нагревателя при необходимости захода персонала в камеру для проведения ремонта.

Наличие устройства для охлаждения газа на выходе из нагревателя позволяет в случае термических испытаний твэла с высоким выгоранием провести дополнительную очистку потока газа, движущегося по трубопроводу, путем осаждения ЛПД на компонентах устройства для охлаждения газа, поскольку ЛПД обладают свойством высаживаться на холодных участках. Поскольку устройство для охлаждения газа расположено сразу после выхода газа из нагревателя, ЛПД, как показано экспериментально, в нем осаждаются, в результате чего достигается дополнительное снижение ЛПД до уровня 99,95-99,98%. Необходимость

дополнительного снижения ЛПД в потоке газа также возникает в случае испытаний твэла, имеющего высокий уровень выгорания ядерного топлива и, соответственно, большое количество ЛПД. Поэтому устройство для охлаждения газа включается только при испытаниях твэлов с высоким выгоранием, когда необходимо дополнительно снизить радиоактивность в потоке газа до приемлемого уровня, позволяющего продолжить циркуляцию газа по трубопроводу вне защитной камеры. В остальных случаях поток газа проходит без охлаждения. Устройство для охлаждения газа выполнено в виде спирали из нержавеющего материала, например, нержавеющей стали, чем достигается увеличение поверхности теплосъема при смывании спирали снаружи хладагентом. В качестве хладагента можно использовать проточную холодную воду или другую жидкость с пониженной температурой.

По ходу трубопровода после устройства для охлаждения газа и уже после выхода трубопровода за пределы защитной камеры, то есть в помещение постоянного пребывания персонала, установлен регулятор потока газа, который позволяет регулировать разделение потока газа на два параллельно соединенных участка. Этот регулятор может быть установлен на одном из параллельных участков, поскольку регулирование баланса соотношения потоков газа на двух участках проходит аналогично случаю, когда регулятор установлен перед разделением трубопровода на два участка. Регулятор позволяет изменять соотношение потоков газа в каждом из параллельно соединенных участков трубопровода в пределах от 0 до 100%. Например, если в первом участке будет 70% потока, тогда во втором - 30%, или в первом 100%, тогда во втором - 0%. Этим достигается оптимизация использования расположенных на каждом из двух участков дозиметрических приборов из системы измерения радиационных характеристик газа в зависимости от типа испытываемого твэла и его выгорания.

После осаждения ЛПД на защитном чехле, а затем и в устройстве для охлаждения газа, в потоке газа в трубопроводе после регулятора потока газа находится примерно 0,02-0,05% вышедших из твэла ЛПД и около 100%

ГПД. В качестве ГПД рассматриваются радиоактивные инертные газы - это изотопы ⁸⁵Кr, ¹³¹Хе, ¹³³Хе. Однако изотопы ксенона имеют периоды полураспада от 12 суток и менее, поэтому к моменту начала термических испытаний, которые проводятся, как правило, через месяц и более после окончания эксплуатации твэла в реакторе, практически значимое количество ГПД остается только в виде изотопа ⁸⁵Кr.

Новыми существенными признаками являются разделение трубопровода на два параллельно соединенных участка, наличие на первом участке последовательно расположенных измерительного фильтра с детектором бета-излучения и ионизационной камеры, на втором участке - измерительного объема в виде сосуда с сорбентом и детектором гамма-излучения, наличие защитного чехла, расположенного между нагревателем и твэлом, устройства для охлаждения газа, установленного на выходе из нагревателя, регулятора потока газа, расположенный за пределами защитной камеры. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение обладает новизной.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом, на котором изображена схема установки.

Предлагаемая установка для термических испытаний облученных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов включает нагреватель (1) и приспособление для размещения тепловыделяющего элемента (2), расположенные в защитной камере (3) с окном (4). Нагреватель (1) расположен в корпусе печи (5) с теплоизоляцией (6). В нагреватель (1) помещается испытываемый тепловыделяющий элемент (7). Между нагревателем (1) и тепловыделяющим элементом (7) дополнительно установлен защитный чехол (8). Инертный газ от источника газа, например, из баллона (9) через редуктор (10) подается в контур установки и движется по трубопроводу (11) в зону нагрева нагревателя (1). На выходе из нагревателя (1) размещено устройство для охлаждения газа (12), выполненное в виде спиральной трубки из нержавеющего материала, омываемой снаружи хладагентом.

После выхода трубопровода за пределы защитной камеры на нем установлен ротаметр (13) и вентиль для аварийного перекрытия потока газа из камеры, регулятор потока газа (14), после которого трубопровод разделен на два параллельно соединенных участка - первый участок (15) и второй участок (16), на которых размещена система измерения радиационных характеристик газа. На первом участке расположены измерительный фильтр (17) с детектором бета-излучения (18) и ионизационная камера (19), на втором участке - измерительный объем (20) с детектором гамма-излучения (21). Измерительный объем выполнен в виде сосуда из нержавеющей стали, а в качестве сорбента используется преимущественно порошкообразный активированный уголь.

Примером использования предлагаемой установки может служить проведение термических испытаний твэлов тепловыделяющей сборки (ТВС) типа «Гирлянда», облученных в петле реактора МИР до выгорания топлива - 0,95 г оск/см ³. Температурный интервал испытаний составил 600-800°С. Момент разгерметизации твэла по всплеску активности в газовом контуре был зафиксирован в процессе испытания при температуре 800°С. Испытания проводились с использованием водяного озлаждения. В качестве газа-носителя использовали аргон, давление в системе поддерживали на уровне 0,1 МПа, расход газа составлял 1,0-1,5 л/мин. В соответствие с предварительным расчетом количества ЛПД и ГПД в испытываемых твэлах предполагалось, что в качестве ЛПД будут присутствовать изотопы ¹³⁷Cs и ¹³⁴Cs, имеющих суммарную гамма-активность на уровне 9-10 Ки, при этом до детектора гамма-излучения дойдет менее 0,01% образовавшегося количества. Активность изотопа ⁸⁵Кr составляла 0,8 Ки, при этом до бета-детектора дойдет не менее 80% образовавшегося количества. Обработка результатов дозиметрических измерений полностью подтвердила правильность предварительных расчетов.

Предлагаемая установка не требует специальных материалов, может быть изготовлена с помощью известных технических средств и обеспечивает технический результат. Следовательно, установка обладает промышленной применимостью.

1. Установка для термических испытаний облученных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, содержащая установленные в защитной камере нагреватель и приспособление для размещения тепловыделяющего элемента, источник инертного газа, трубопровод с регулирующей аппаратурой, ротаметр, систему измерения радиационных характеристик газа, отличающаяся тем, что после нагревателя трубопровод содержит два параллельно соединенных участка, на которых размещена система измерения радиационных характеристик газа, причем она включает в себя на одном из участков трубопровода последовательно расположенные измерительный фильтр с детектором бета-излучения и ионизационной камерой, на втором участке - измерительный объем с сорбентом и детектор гамма-излучения.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что между нагревателем и тепловыделяющим элементом дополнительно установлен защитный чехол.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что между нагревателем и системой измерения радиационных характеристик газа дополнительно установлено устройство для охлаждения газа.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что устройство для охлаждения газа выполнено преимущественно в виде спиральной трубки из нержавеющего материала, омываемой снаружи хладагентом.

5. Установка по п.1 или 3, отличающаяся тем, что на трубопроводе после устройства для охлаждения газа или, по крайней мере, на одном из параллельных участков трубопровода установлен регулятор потока газа.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что система измерения радиационных характеристик газа преимущественно размещена за пределами защитной камеры.

7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что измерительный объем выполнен в виде сосуда из нержавеющей стали, а в качестве сорбента используется преимущественно порошкообразный активированный уголь.