RU2168776C1 - Nuclear reactor fuel element simulator - Google Patents

Nuclear reactor fuel element simulator Download PDF

Info

Publication number
RU2168776C1
RU2168776C1 RU2000100598/06A RU2000100598A RU2168776C1 RU 2168776 C1 RU2168776 C1 RU 2168776C1 RU 2000100598/06 A RU2000100598/06 A RU 2000100598/06A RU 2000100598 A RU2000100598 A RU 2000100598A RU 2168776 C1 RU2168776 C1 RU 2168776C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
simulator
shell
internal electrode
insulating layer
fuel element
Prior art date
Application number
RU2000100598/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Э.А. Болтенко
С.В. Зевалкин
А.С. Зуйков
Г.В. Скивка
Original Assignee
Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных станций ВНИИ по эксплуатации атомных электростанций
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных станций ВНИИ по эксплуатации атомных электростанций filed Critical Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных станций ВНИИ по эксплуатации атомных электростанций
Priority to RU2000100598/06A priority Critical patent/RU2168776C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2168776C1 publication Critical patent/RU2168776C1/en

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Abstract

FIELD: thermal investigations; simulation of reactor fuel element temperature conditions. SUBSTANCE: simulator used for investigating burnout margin and various emergency conditions of fuel elements on electrically heated rigs as well as for conducting heat runs in industrial and practical investigations has upper current lead-in assembly, pressurizing assembly, simulator shell, and internal electrode. Shell is made of stainless steel. Insulating material in the form of ceramic bushings is placed between fuel element simulator case and internal electrode. Intermediate layer of low-melting material having high thermal conductivity is inserted between shell and insulating layer. Internal electrode is made of low- melting electricity conducting material. Boiling point of low-melting materials is higher than simulator operating temperature. EFFECT: enhanced power capacity and reliability of simulator. 3 cl, 1 dwg

Description

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. The invention relates to the field of thermophysical research and can be used to simulate the temperature regime of fuel elements (fuel elements) of nuclear reactors, in the study of stocks before the heat transfer crisis and the study of various emergency modes of operation of fuel elements in electrically heated stands, as well as in industry and research practice when conducting thermal tests .

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. A known design of a simulator of a fuel element (fuel element) of a nuclear reactor simulating thermal conditions in nuclear reactors. The TVEL simulator consists of a simulator housing - a shell made of stainless steel and used to place a heating element inside it in the form of a wire or rod through which current is passed from a current source. As the material of the heating element using nichrome, steel, etc.

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). The heating element is installed in the upper current-carrying unit, which is made integral with the simulator body. An electrically insulating material is placed between the housing of the TVEL simulator and the heating element. As the latter, as a rule, MgO powder (filler) is used - periclase. The output of the heating element from the housing is carried out through the sealing unit. (A. p. 1340441 USSR. Simulator of a fuel element of a nuclear reactor S. M. Balashov, A. S. Konkov, A. M. Pavlov // Discovery. Inventions. 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/мo•C 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.The main disadvantage of this design is that the electrically insulating material (filler) during compression does not reach the required thermal conductivity. Experiments show that the thermal conductivity coefficient of the filler is in the range of 3 - 6 W / m o • C and decreases with increasing temperature (S.M. Balashov, E. A. Boltenko, V. A. Vinogradov. Experience in developing simulators of water-to-water fuel elements). Reactors // Thermal Engineering, 1998, N 12). Low coefficients of thermal conductivity of the filler do not allow to remove high heat fluxes, which limits the power of simulators of this design. In addition, the fillers used, in case of moisture, swell and destroy the shell. Moisture, as a rule, enters (is absorbed) into the filler from ambient air, or is present in the filler as primary.

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 1000-3000oC.The closest in technical essence to the proposed technical solution is a TVEL simulator (Patent N 55-34998 MKI H 05 B 3/48, G 21 C 23/00 (Japan), dated 09.26.76.), In which they use as an insulating material ceramic ring bushings. The main disadvantage of such a TVEL simulator is that during assembly it is practically impossible to ensure a tight fit of the ceramic bushings to the internal electrode and to the walls of the housing. With changes in the temperature of the coolant (thermal cycles), due to the difference in the coefficients of thermal expansion of ceramics and metal, air gaps are formed (increase) between the body and ceramic bushings and between the bushings and the internal electrode. The presence of air gaps and their increase leads to a significant increase in the temperature of the internal electrode and to its destruction. Depending on the density of the heat flux and the values of the air gaps, the temperature increase can reach 1000-3000 o C.

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. The technical results to which the invention is directed are to increase the reliability of the fuel rod simulator and increase its power, which is ensured by the fact that between the shell and the insulating layer (ceramic sleeves) an intermediate layer is formed from a fusible highly heat-conducting material, and the inner electrode is made of fusible electrically conductive material and the boiling point of fusible materials is higher than the maximum operating temperature of the simulator.

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. To reliably fill the gap between the shell and the insulating layer and the volume occupied by the inner electrode and compensate for temperature expansion in the upper current-supplying unit, a cavity is made, the cavity volume being equal to or higher than the increment of the total layer volume between the shell and the insulating layer and the volume of the internal electrode resulting from the temperature expansions at the maximum working temperature of the simulator.

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. To simulate uneven heat generation along the length of the fuel rod simulator, the electrically insulating layer is made of variable thickness with a constant outer diameter. In this case, the material of the inner electrode (fusible electrically conductive material) will also have a variable thickness. With the passage of current, the amount of heat generated in the internal electrode will change in accordance with the resistance of the electrode (proportionally). The law of variation in the thickness of the electrode and, accordingly, of the insulating layer is selected in accordance with the heat release profile, which is simulated by the simulator.

На чертеже показан имитатор ТВЭЛ - вертикальный разрез. The drawing shows a simulator of a fuel rod - a vertical section.

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 Ом•м, коэффициент теплопроводности 16 - 30 Вт/м•град). 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.The simulator consists of a shell 1 made of stainless steel and serves to place the elements of the simulator and hold the pressure of the working medium. Since during the experiments, the pressure of the working medium (coolant) is high enough (10-20 MPa), the shell is sufficiently strong and tight (wall thickness of at least 1 mm). Inside the shell, an internal electrode 2 is made, made of a fusible electrically conductive material, for example, Wood's alloy, the melting temperature is 338-341 K, the electrical resistivity depending on the temperature is 40 - 100, 10 -8 Ohm • m, the thermal conductivity is 16 - 30 W / m • city). The inner electrode 2 is separated from the shell 1 by an electrically insulating layer made of ceramic bushings 3. Aluminum oxide Al 2 O 3 is used as a ceramic. Between the casing and the electrically insulating layer, an intermediate layer 4 is made of a fusible, highly conductive material. Wood's alloy is also used as the latter. The shell 1 is rigidly connected to the upper current-supplying unit 5, in which the cavity 6. is located. The upper current-supplying unit 5 is connected to the power source through the current-supplying device 7. The lower current lead 8 is fixed in the sealing unit 9. The sealing unit 9 is made of non-conductive material - ceramics. Current leads 7 and 8 are made of copper. To measure the temperature of the shell, thermocouples 10 are installed on the inside, leaving the simulator through the sealing unit 11. A device for refueling the simulator 12 with fusible materials is installed in the upper current-supplying unit. After assembling the simulator, the assembly 11 is sealed with sealant 13.

Имитатор ТВЭЛ работает следующим образом. The TVEL simulator works as follows.

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. Before installation in the assembly, the simulator is filled with fusible material. Refueling is carried out in a pre-heated simulator through the simulator refueling device 12. After refueling the simulator and controlling the filling of the gap between the shell and the insulating layer and the cavity inside the insulating layer, the internal electrode (control is carried out by passing the current between electrodes 7 and 8), the filling unit is sealed (sealed) . Next, the simulator is installed in the assembly and connected to the power source using current leads 7 and 8. When current passes through the inner electrode 2, heat is released that passes through the simulator (electrical insulating layer, intermediate layer, shell wall) and is removed through the outer wall of the shell using a coolant passing along the outer wall of the simulator.

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 800oC. 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 200oC. Следовательно, температура внутреннего электрода достигает примерно 1000oC. Поскольку температура кипения материала электрода составляет 1900-2100oC, внутренний электрод будет всегда в однофазном состоянии. При тепловом расширении электрода излишки жидкого металла будут выдавливаться в полость 6.As an example, consider a simulator that models a fuel rod of a VVER reactor. The maximum power of the simulator lies in the range of 60-100 kW and is determined by the critical heat fluxes occurring in the reactor at nominal operating parameters. Active length 3.5 m. The outer diameter of the fuel rod is 9.1 mm. The power source has a voltage of 150 V. The calculation gives that in order to allocate the required power, a resistance in the range of 0.3-0.35 Ohms is necessary. In this case, the diameter of the liquid electrode (with uniform heat dissipation) is 2.5-3.5 mm. Accordingly, the thickness of the ceramic bushings is 1.5-2 mm, the layer thickness between the housing and the bushings is 0.5 mm. The maximum sheath temperatures in the experiments can reach 800 o C. The calculated estimates show that at the maximum heat flux (heat flux at which there is a heat exchange crisis in VVER assemblies at nominal operating parameters) 1 • 10 6 W / m 2 temperature difference through the simulator (axis - outer wall) is not more than 200 o C. Therefore, the temperature of the inner electrode reaches about 1000 o C. Since the boiling point of the electrode material is 1900-2100 o C, the inner electrode will always be in a single-phase state ui. With thermal expansion of the electrode, excess liquid metal will be extruded into the cavity 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. Thus, the proposed design of the TVEL simulator can significantly increase its power and reliability. The proposed TVEL simulator can be used in any thermal tests - studies of the heat transfer crisis in stationary and non-stationary conditions, repeated flooding, etc.

Claims (3)

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. 1. A simulator of a fuel element of a nuclear reactor containing an upper current-carrying unit, a sealing unit, a simulator shell and an internal electrode separated by an electrically insulating layer, characterized in that an intermediate layer of fusible high-conductive material is formed between the shell and the electrically insulating layer, and the inner electrode is made of fusible electrically conductive material, and the boiling point of fusible materials is higher than the maximum operating temperature of the simulator. 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. 2. The simulator according to claim 1, characterized in that the upper current-supplying unit contains a cavity whose volume is equal to or higher than the increment of the total volume of the cavity between the shell and the electrically insulating layer and the volume of the internal electrode formed due to thermal expansions at the maximum operating temperature of the simulator. 3. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что электроизолирующий слой выполнен переменной толщины при постоянном наружном диаметре. 3. The simulator according to claim 1, characterized in that the insulating layer is made of variable thickness with a constant outer diameter.
RU2000100598/06A 2000-01-14 2000-01-14 Nuclear reactor fuel element simulator RU2168776C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000100598/06A RU2168776C1 (en) 2000-01-14 2000-01-14 Nuclear reactor fuel element simulator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000100598/06A RU2168776C1 (en) 2000-01-14 2000-01-14 Nuclear reactor fuel element simulator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2168776C1 true RU2168776C1 (en) 2001-06-10

Family

ID=20229215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000100598/06A RU2168776C1 (en) 2000-01-14 2000-01-14 Nuclear reactor fuel element simulator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2168776C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104517656B (en) * 2013-09-30 2016-08-17 中国核动力研究设计院 A kind of slender type non-uniform heating element and processing technique thereof

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
БАЛАШОВ С.М. и др. Разработка имитаторов ТВЭЛов РБМК и АСТ.-Атомная энергия, М., Н.Ц. "Курчатовский институт", т.74, вып.2, февраль 1999, с.104-108. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104517656B (en) * 2013-09-30 2016-08-17 中国核动力研究设计院 A kind of slender type non-uniform heating element and processing technique thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5066852A (en) Thermoplastic end seal for electric heating elements
CN105007641B (en) Critical heat flux density test heating rod
Răduca et al. Finite element analysis of heat transfer in transformers from high voltage stations
JP5025626B2 (en) Simulated fuel rod, simulated fuel rod assembly, and method of manufacturing simulated fuel rod
CN107945895A (en) A kind of non-homogeneous electrically heated nuclear fuel simulation rod
Gatzsche et al. Electric-thermal performance of contact elements in high power plug-in connections
Zhang et al. Investigation of the thermal transfer coefficient by the energy balance of fault arcs in electrical installations
RU2168776C1 (en) Nuclear reactor fuel element simulator
Yu et al. Investigation on the thermal performance of a 363 kV vacuum circuit breaker using a 3D coupled model
US11457513B2 (en) Ceramic heating element
CN207425373U (en) A kind of non-homogeneous electrically heated nuclear fuel simulation stick
Gatzsche et al. Validity of the voltage-temperature relation for contact elements in high power applications
CN203191029U (en) Heating type thermocouple liquid level measurement sensor
Rochette et al. Numerical study of the short pre-arcing time in high breaking capacity fuses via an enthalpy formulation
US1802892A (en) Electric furnace
Hoffmann et al. Thermal modeling of high voltage HRC fuses and simulation of tripping characteristic
US4258570A (en) High voltage power transformer winding temperature control system
RU162139U1 (en) FUEL ELEMENT SIMULATOR
RU127236U1 (en) ELECTRIC HEATER
RU152614U1 (en) NUCLEAR REACTOR HEAT FUEL SIMULATOR
CN114698164B (en) Indirect uniform electric heating rod
CN217717918U (en) Conductive solid resistance measuring device suitable for high temperature condition
Boltenko et al. Fuel element simulators for investigating accident regimes on full-scale stands
RU2193244C1 (en) Method and device for cooling fuel assembly with fuel-element simulators
CN112540249B (en) Vegetable oil transformer thermal fault simulation device based on dual-temperature model

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20040115