RU2526856C1 - Imitator of fuel element of nuclear reactor - Google Patents

Imitator of fuel element of nuclear reactor Download PDF

Info

Publication number
RU2526856C1
RU2526856C1 RU2013127170/07A RU2013127170A RU2526856C1 RU 2526856 C1 RU2526856 C1 RU 2526856C1 RU 2013127170/07 A RU2013127170/07 A RU 2013127170/07A RU 2013127170 A RU2013127170 A RU 2013127170A RU 2526856 C1 RU2526856 C1 RU 2526856C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heater
fuel
pellets
tablets
spacers
Prior art date
Application number
RU2013127170/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Сергеевич Базюк
Дмитрий Николаевич Игнатьев
Геннадий Николаевич Мельников
Дмитрий Михайлович Солдаткин
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ")
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 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ")
Priority to RU2013127170/07A priority Critical patent/RU2526856C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2526856C1 publication Critical patent/RU2526856C1/en

Links

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: invention may be used in investigation of behaviour of fuel elements (FE) of nuclear reactors by experimental modelling of thermal and hydrodynamic processes under various modes of reactor operation, including emergency ones. A fuel element imitator comprises a shell, in which there is a column of pellets of natural fuel with a central hole and an electric heater arranged with a gap in holes of pellets and equipped with upper and lower shunts. Between the pellets there are circular aligning spacers from high-temperature electric insulation material with the same outer diameter as in fuel pellets. The diameter of the central hole of spacers and the distance between them is determined on the basis of two ratios that take into account diameters of the heater, holes of the pellets; coefficients of linear expansion of heater, pellets and spacers materials; heater temperature; a coefficient that characterises the method of heater end closing.
EFFECT: imitator makes it possible to provide for complete modelling of processes in fuel elements of reactors on imitators with the same dimensions, as the natural fuel elements, using natural fuel materials and the same temperature as in actual conditions of fuel elements testing.
4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано при изучении поведения тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) ядерных реакторов экспериментальным моделированием тепловых и гидродинамических процессов при различных режимах работы реактора, в том числе аварийных.The invention relates to the field of thermophysical research and can be used to study the behavior of fuel elements (fuel elements) of nuclear reactors by experimental modeling of thermal and hydrodynamic processes under various operating conditions of the reactor, including emergency ones.

Известна конструкция имитатора ТВЭЛ, состоящая из трубчатого корпуса (оболочки) диаметром 9,1 мм из сплава циркония Э110, концевых элементов (пробок) и размещенных внутри корпуса таблеток из диоксида урана. Имитатор размещается вертикально внутри соосного с ним трубчатого нагревателя [Сборник докладов VIII Российской конференции по реакторному материаловедению; Димитровград, 21-25 мая 2007 г., с 21-40]. Внешнее по отношению к имитатору размещение нагревателя позволяет проводить испытания элементов конструкции ТВЭЛ с геометрией, точно соответствующей геометрии натурных изделий, и с натурными таблетками ядерного топлива.A known design of the TVEL simulator, consisting of a tubular body (shell) with a diameter of 9.1 mm from an alloy of zirconium E110, end elements (plugs) and uranium dioxide tablets placed inside the case. The simulator is placed vertically inside a tube heater coaxial with it [Collection of reports of the VIII Russian Conference on Reactor Materials Science; Dimitrovgrad, May 21-25, 2007, from 21-40]. The placement of the heater external to the simulator allows testing the elements of the fuel element design with a geometry that exactly matches the geometry of full-scale products, and with full-scale tablets of nuclear fuel.

Недостатком известной конструкции является невозможность проведения корректного моделирования тепловых процессов и напряженного состояния топлива и оболочек, так как направление тепловых потоков и градиентов температуры при внешнем нагревателе противоположны натурным.A disadvantage of the known design is the impossibility of carrying out the correct simulation of thermal processes and the stress state of the fuel and shells, since the direction of heat fluxes and temperature gradients with an external heater are opposite to full-scale ones.

Известен имитатор тепловыделяющего элемента [A.c. SU 1 264 754, МПК G21C 17/06, опубл. 27.09.1999// С.М. Балашов и др.//], включающий оболочку и размещенный внутри нее трубчатый нагреватель. Между оболочкой и нагревателем размещен электроизолирующий материал - порошок периклаза (MgO).Known simulator of a fuel element [A.c. SU 1 264 754, IPC G21C 17/06, publ. 09/27/1999 // S.M. Balashov et al. //], including a shell and a tubular heater placed inside it. Between the shell and the heater there is an electrically insulating material - periclase powder (MgO).

Недостаток известного имитатора - невозможность полного моделирования теплового и гидродинамического состояний, химического взаимодействия, так как конструкция не предусматривает размещение в корпусе имитатора таблеток из натурного топлива. Теплофизические свойства и элементный состав заполняющего полость имитатора электроизоляционного порошка существенно отличаются от свойств материала таблеток.A disadvantage of the known simulator is the impossibility of a complete simulation of thermal and hydrodynamic states, chemical interaction, since the design does not provide for placement of tablets made of natural fuel in the simulator case. The thermophysical properties and elemental composition of the cavity filling simulator of the electrical insulating powder are significantly different from the properties of the material of the tablets.

Известен также имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора, содержащий оболочку, топливный столб в виде таблеток натурного топлива из диоксида урана, внутренний стержневой нагреватель, расположенный с зазором в канале, образованном центральными отверстиями таблеток, и токоподводящие узлы [Гонтарь A.C., Гриднев A.A. и др. Диоксид урана с управляемой перестройкой структуры в составе твэла термоэмиссионного реактора-преобразователя. Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе», Москва - Подольск, 1-3 марта 2005 г., сборник докладов, т.2, с.267 - 270]. По совокупности существенных признаков данный имитатор наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.Also known is a simulator of a fuel element of a nuclear reactor containing a shell, a fuel column in the form of natural fuel pellets made of uranium dioxide, an internal rod heater located with a gap in the channel formed by the central openings of the tablets, and current-carrying nodes [Gontar A.C., Gridnev A.A. and others. Uranium dioxide with controlled restructuring of the structure of the fuel element of the thermionic converter reactor. International Conference "Nuclear Energy in Space", Moscow - Podolsk, March 1-3, 2005, collection of reports, vol.2, p.267-270]. In terms of the set of essential features, this simulator is closest to the claimed one and is selected as a prototype.

Данная конструкция обеспечивает предварительный прогрев таблеток натурного топлива с целью дальнейшего их нагрева путем прямого пропускания через таблетки электрического тока.This design provides the preliminary heating of natural fuel tablets with the aim of further heating them by directly passing electric current through the tablets.

Недостатком известного имитатора является невозможность полноты моделирования теплового и гидродинамического состояния топливного столба и оболочки. Для полного моделирования процессов имитатор должен обеспечивать геометрические пропорции и форму, которые определяют степень подобия тепловых и гидродинамических условий на поверхности оболочки, а также те же что и у натурных твэлов теплофизические свойства и энерговыделение в материалах. В известном имитаторе не выдерживается характерное для натурных твэлов соотношение между длиной и диаметром. Длина топливного столба из таблеток натурного диаметра в устройстве, принятом за прототип, составляет 60 мм, тогда как у натурных твэлов длина топливного столба превышает метр. Количество таблеток диоксида урана в топливном столбе имитатора той же длины что и твэл более 100. Обеспечить в таком случае равномерный нагрев топливного столба прямым пропусканием через него тока невозможно из-за большого количества контактов между таблетками, где высока вероятность перегрева. Моделирование профиля температуры по длине твэла при прямом пропускании тока также невозможно.A disadvantage of the known simulator is the inability to fully simulate the thermal and hydrodynamic state of the fuel column and shell. For a complete simulation of the processes, the simulator must provide geometric proportions and a shape that determine the degree of similarity of thermal and hydrodynamic conditions on the surface of the cladding, as well as the thermal properties and energy release in materials of natural fuel elements. In the known simulator, the ratio between length and diameter, which is characteristic for full-time fuel elements, is not maintained. The length of the fuel column of natural diameter tablets in the device adopted for the prototype is 60 mm, while the full-length fuel rods have a fuel column length of more than a meter. The number of uranium dioxide tablets in the fuel column of the simulator of the same length as the fuel rod is more than 100. In this case, it is impossible to ensure uniform heating of the fuel column by directly passing current through it due to the large number of contacts between the tablets, where there is a high probability of overheating. Modeling the temperature profile along the length of a fuel rod with direct current transmission is also impossible.

Необходимые для моделирования теплового и гидродинамического состояния уровни температуры, профили температуры по длине и энерговыделение могут быть обеспечены использованием центрального стержневого нагревателя. Однако при больших длинах нагревателя и малых зазорах между нагревателем и таблетками (0,5-1,5 мм), между таблетками и металлической оболочкой (0,065 мм для твэла ВВЭР) из-за возможного искривления нагревателя при повышении температуры велика вероятность касания токопроводящего стержня с таблетками и таблеток с оболочкой. С ростом температуры UO2 теряет электроизоляционные свойства. Например, для обеспечения на оболочке температуры в 1200°C, что требуется условиями испытаний при проектной аварии, температура нагревателя должна составлять ~ 2000°C, а таблеток диоксида урана 1400-1600°C. Удельное электросопротивление UO2 при таком нагреве снижается на три порядка - с 1 Ом•м до 10-3 Ом•м [Кржижановский P.E., Штерн З.Ю. Теплофизические свойства неметаллических материалов, Л., «Энергия», 1973], тогда как сопротивление нагревателя возрастает. Поскольку толщина топливной таблетки мала (~ 2 мм в ТВЭЛ ВВЭР), электрическое сопротивление промежутка нагреватель-оболочка при касании стержнем таблетки становится сопоставимым с сопротивлением нагревателя, длина которого может превышать несколько метров.The temperature levels necessary for modeling the thermal and hydrodynamic state, temperature profiles along the length, and energy release can be provided using a central rod heater. However, with large lengths of the heater and small gaps between the heater and the tablets (0.5-1.5 mm), between the tablets and the metal sheath (0.065 mm for a WWER fuel element), due to the possible distortion of the heater with increasing temperature, it is likely that the conductive rod touches with tablets and coated tablets. With increasing temperature, UO 2 loses its insulating properties. For example, to provide a temperature of 1200 ° C on the shell, which is required by the test conditions during a design basis accident, the temperature of the heater should be ~ 2000 ° C, and that of uranium dioxide tablets 1400-1600 ° C. The electrical resistivity of UO 2 with such heating is reduced by three orders of magnitude - from 1 Ohm • m to 10 -3 Ohm • m [Krzhizhanovsky PE, Stern Z.Yu. Thermophysical properties of non-metallic materials, L., "Energy", 1973], while the resistance of the heater increases. Since the thickness of the fuel pellet is small (~ 2 mm in VVER fuel elements), the electrical resistance of the heater-shell gap when the rod touches the pellet becomes comparable to the heater resistance, the length of which can exceed several meters.

Касание токоведущим стержнем таблетки приводит к электрическому пробою и разрушению имитатора.Touching the current-carrying rod of the tablet leads to electrical breakdown and destruction of the simulator.

Таким образом, основным недостатком известной конструкции является ограничение по температуре при моделировании процессов с натурным материалом (диоксидом урана) и натурными размерами имитатора при исследованиях поведения твэлов на различных режимах работы реактора, в том числе аварийных.Thus, the main drawback of the known design is the temperature limitation when modeling processes with full-scale material (uranium dioxide) and full-scale dimensions of the simulator when studying the behavior of fuel rods in various reactor operating modes, including emergency ones.

Еще большие ограничения по температуре должны устанавливаться при модельных испытаниях твэлов с перспективными топливными композициями, у которых электропроводность выше, чем у диоксида урана.Even greater temperature restrictions should be established during model tests of fuel elements with promising fuel compositions, in which the electrical conductivity is higher than that of uranium dioxide.

Задача, на решение которой направлено изобретение, и обеспечиваемый им технический результат - полнота моделирования процессов в тепловыделяющих элементах реакторов на имитаторах с теми же размерами, что и натурные твэлы, при использовании натурных топливных материалов и тех же, что и в реальных условиях испытаний твэлов, температур.The problem to which the invention is directed, and the technical result provided by it, is the completeness of the modeling of processes in the fuel elements of reactors on simulators with the same dimensions as full-time fuel rods, when using full-scale fuel materials and the same as in real test conditions for fuel rods, temperatures.

Решение поставленной задачи и обеспечиваемый изобретением технический результат достигаются тем, что в имитаторе твэла, содержащем оболочку с размещенным внутри соосно оболочке топливным столбом из таблеток натурного топлива, в центральных отверстиях которых установлен стержневой нагреватель, снабженный токоподводами, согласно изобретению между таблетками установлены кольцевые центрирующие дистанционаторы из высокотемпературного электроизоляционного материала с тем же, что и у топливных таблеток внешним диаметром и с диаметром центрального отверстия, определяемого из соотношения:The solution of the problem and the technical result provided by the invention are achieved by the fact that in a fuel element simulator containing a casing with a fuel column made of natural fuel pellets placed inside a coaxial casing, in the central openings of which there is a rod heater equipped with current leads, according to the invention, ring-type centering spacers from high-temperature insulating material with the same as that of fuel pellets with an outer diameter and with a diameter ENTRAL openings defined by the relation:

( 1 + α T Т ) 1 + α Д Т d Т > d Д > d Н ( 1 + α Н Т ) ( 1 + α Д Т ) ( 1 )

Figure 00000001
, ( one + α T T ) one + α D T d T > d D > d N ( one + α N T ) ( one + α D T ) ( one )
Figure 00000001
,

при этом расстояние между соседними центрирующими дистанционаторами не превышает величину, равную:the distance between adjacent centering spacers does not exceed a value equal to:

0.25 1 K π d H α H T ( 2 )

Figure 00000002
, где 0.25 one K π d H α H T ( 2 )
Figure 00000002
where

dН, dТ, dД - соответственно диаметры нагревателя, отверстий таблеток, отверстий центрирующих дистанционаторов;d N , d T , d D - respectively, the diameters of the heater, the holes of the tablets, the holes of the centering spacers;

αН, αТ, αД - соответственно коэффициенты линейного расширения материалов нагревателя, таблеток и дистанционаторов;α H , α T , α D - respectively, the coefficients of linear expansion of the materials of the heater, tablets and spacers;

Т - температура нагревателя;T is the temperature of the heater;

К - коэффициент, характеризующий способ заделки концов нагревателя.K is a coefficient characterizing the method of sealing the ends of the heater.

Соблюдение условий, представляемых выражениями (1) и (2), позволяет проводить моделирование на имитаторах с таблетками не только из диоксида урана, но и из токопроводящих топливных композиций, таких как нитрид урана.Observance of the conditions represented by expressions (1) and (2) allows modeling on simulators with tablets not only from uranium dioxide, but also from conductive fuel compositions, such as uranium nitride.

В качестве материала кольцевых центрирующих дистанционаторов может быть использован оксид бериллия. Данный материал обладает высокими электроизоляционными свойствами и с высокой надежностью обеспечивает постоянство зазора между нагревателем и топливным столбом.As the material of the ring centering spacers, beryllium oxide can be used. This material has high electrical insulation properties and with high reliability ensures a constant gap between the heater and the fuel column.

Увеличение расстояния между дистанционаторами (уменьшение коэффициента К) может быть достигнуто установкой гибкого элемента на одном из токоподводов.An increase in the distance between the remote controllers (a decrease in the K coefficient) can be achieved by installing a flexible element on one of the current leads.

Выражение (1), устанавливающее границы для диаметра отверстия центрирующих дистанционаторов, позволяет учесть различие в изменениях диаметров нагревателя и отверстий в таблетках и дистационаторах с ростом температуры и не допустить превышения диаметра отверстий в дистационаторах над диаметром отверстий в таблетках, когда возможно касание нагревателя с материалом таблеток.Expression (1), which sets the boundaries for the diameter of the holes of the centering spacers, allows one to take into account the difference in the diameters of the heater and the holes in the tablets and dispensers with increasing temperature and to prevent the diameter of the holes in the dispensers from exceeding the diameter of the holes in the tablets when it is possible to touch the heater with the material of the tablets .

Причина касания токоведущего стержня (нагревателя) таблеток, приводящего к электрическому пробою и разрушению имитатора, - изгиб стержня. Изгиб может появляться как следствие провисания стержня при недостаточно строгой вертикальности имитатора (при длинах нагревателя более 1 м отклонение от вертикали не должно превышать долей градуса), так и как следствие появления осевой нагрузки Р из-за ограничения свободного удлинения стержня при тепловом расширении.The reason for touching the current-carrying rod (heater) of the tablets, leading to electrical breakdown and destruction of the simulator, is the bending of the rod. Bending can occur as a result of the sagging of the rod when the simulator is not strictly vertical (for heater lengths greater than 1 m, the deviation from the vertical should not exceed a fraction of a degree), and as a result of the appearance of axial load P due to the restriction of free elongation of the rod during thermal expansion.

Назначение центрирующих дистанционаторов - не допустить изгиба, приводящего к касанию с топливными таблетками.The purpose of centering spacers is to prevent bending leading to contact with the fuel pellets.

Выражение (2) для определения необходимого расстояния между соседними дистанционаторами получено из решения задачи об устойчивости сжатого стержня (задача Эйлера). Первая критическая сила, при которой стержень начинает изгибаться, запишется как:Expression (2) for determining the required distance between adjacent spacers is obtained from the solution to the problem of stability of a compressed rod (Euler problem). The first critical force at which the rod begins to bend is written as:

P K = π 2 E J L 2 ( 3 )

Figure 00000003
, P K = π 2 E J L 2 ( 3 )
Figure 00000003
,

где E - зависящий от температуры модуль упругости материала, L - длина стержня, J - момент инерции стержня при изгибе, равный для стержня с сечением в виде круга π d H 4 64

Figure 00000004
.where E is the temperature-dependent elastic modulus of the material, L is the length of the bar, J is the moment of inertia of the bar during bending, which is equal to a bar with a cross section in the form of a circle π d H four 64
Figure 00000004
.

Осевая нагрузка Р, действующая на стержень, для сохранения его прямолинейной формы не должна превышать Ркр. При жесткой заделке концов нагревателя осевая нагрузка, вызванная нагревом стержня, определяется выражением:The axial load P acting on the rod, to maintain its rectilinear shape should not exceed P cr . When rigidly terminating the ends of the heater, the axial load caused by the heating of the rod is determined by the expression:

P = ε E F = Δ L L E F ( 4 )

Figure 00000005
, P = ε E F = Δ L L E F ( four )
Figure 00000005
,

где ε - осевая деформация стержня, площадь сечения стержня F = π d H 2 4

Figure 00000006
, тепловое удлинение стержня ΔL=LαHТ. Тогда P=αHTEF.where ε is the axial deformation of the rod, the cross-sectional area of the rod F = π d H 2 four
Figure 00000006
, thermal elongation of the rod ΔL = Lα H T. Then P = α H TEF.

Из условия Ркр≥Р можно получить:From the condition P cr ≥P you can get:

π 2 E J α H T E F L 2 и л и d H 2 16 π 2 α H T L 2 ( 5 )

Figure 00000007
π 2 E J α H T E F L 2 and l and d H 2 16 π 2 α H T L 2 ( 5 )
Figure 00000007

Выражение (5) позволяет определить допустимую длину стержня (расстояние между точками крепления) для наиболее сложного случая, когда жесткая заделка концов не позволяет стержню свободно удлиняться при нагреве. Применяемые методы - установка сильфонных развязок или гибких токоподводов - снижают осевую нагрузку, но полностью ее не устраняют.Expression (5) makes it possible to determine the permissible length of the rod (the distance between the attachment points) for the most difficult case, when the rigid termination of the ends does not allow the rod to elongate freely when heated. The methods used - the installation of bellows junctions or flexible current leads - reduce the axial load, but do not completely eliminate it.

Влияние способа заделки концов нагревателя учитывается введением в выражение (5) коэффициента К. Значение К равно единице для случая жесткой заделки концов, для других вариантов заделки К определяется как отношение суммы действующих на стержень осевых сил, вызванных сопротивлением упругих элементов (гибкого токоподвода или сильфона), тепловым расширением токоподводов и корпуса к рассчитанной по формуле Р=αHTEF силе, возникающей в стержне при жесткой заделке концов:The influence of the method of sealing the ends of the heater is taken into account by introducing the coefficient K. The value of K is equal to unity for the case of rigid sealing of the ends, for other variants of sealing K is defined as the ratio of the sum of the axial forces acting on the rod caused by the resistance of the elastic elements (flexible current supply or bellows) , thermal expansion of the current leads and the housing to the force calculated by the formula P = α H TEF arising in the rod during hard termination of the ends:

P У + Р Д Р К Р ( 6 )

Figure 00000008
. P At + R D - R TO R ( 6 )
Figure 00000008
.

Сила сопротивления РУ определяется расчетным путем или экспериментально: измеряется осевая сила на стержень с упругим элементом, необходимая для такого же удлинения, что и при нагреве. Дополнительная сила РД на стержень, связанная с тепловым расширением лежащих на одной оси с нагревателем составных токоподводов, рассчитывается как сумма сил от каждой части токоподвода с учетом материала и геометрии этой части. Тепловое расширение корпуса имитатора (оболочки), в котором размещен нагреватель, снижает нагрузку на нагреватель. Сила РК, вызванная удлинением корпуса, в выражении (6) имеет отрицательный знак, она рассчитывается по температуре, коэффициенту теплового расширения и модулю упругости материала оболочки.The resistance force Р У is determined by calculation or experimentally: the axial force on the rod with an elastic element is measured, which is necessary for the same elongation as when heating. The additional force R D on the rod associated with the thermal expansion of the composite current leads lying on the same axis as the heater is calculated as the sum of the forces from each part of the current lead taking into account the material and geometry of this part. Thermal expansion of the simulator housing (shell) in which the heater is located reduces the load on the heater. The force P K caused by the elongation of the body in the expression (6) has a negative sign, it is calculated by temperature, coefficient of thermal expansion and the elastic modulus of the shell material.

Окончательно выражение для определения максимально допустимой длины стержня между элементами его крепления запишется как:Finally, the expression for determining the maximum permissible length of the rod between the elements of its fastening is written as:

L = 0.25 1 K π d H α H T ( 7 )

Figure 00000009
. L = 0.25 one K π d H α H T ( 7 )
Figure 00000009
.

Электроизоляционные дистанционаторы с отверстием, диаметр которых меньше диаметра отверстий в таблетках, выполняют роль промежуточных опор - креплений, препятствующих изгибу стержня.Electrical insulating spacers with a hole, the diameter of which is less than the diameter of the holes in the tablets, act as intermediate supports - fasteners that prevent bending of the rod.

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежом, на котором изображена конструкция имитатора твэла.The essence of the claimed technical solution is illustrated by the drawing, which shows the design of the simulator of a fuel rod.

Имитатор состоит из оболочки 1, стержневого нагревателя 2, топливных таблеток 3, кольцевых центрирующих дистанционаторов 4, верхнего токоподвода 5 и нижнего составного токоподвода 6, снабженного гибким элементом в виде токоподводящего жгута 7 в изоляционных бусах 8, гермовводов 9, 10.The simulator consists of a shell 1, a rod heater 2, fuel pellets 3, ring centering spacers 4, an upper current lead 5 and a lower composite current lead 6, equipped with a flexible element in the form of a lead wire 7 in insulating beads 8, pressure leads 9, 10.

Нагреватель 2, представляющий собой стержень круглого сечения, установлен внутри оболочки 1 соосно последней. Между оболочкой 1 и нагревателем 2 размещен столб из топливных таблеток 3 - цилиндров с осевым отверстием для размещения нагревателя. Через промежутки, рассчитанные с помощью выражения, приведенного в формуле изобретения, установлены центрирующие дистанционаторы 4. Нагреватель 1, выполненный из вольфрама, соединен сваркой с молибденовыми частями и далее - резьбовыми соединениями с медными частями верхнего токоподвода 5 и нижнего составного токоподвода 6. Последовательно с нижним токоподводом установлен гибкий токоподводящий жгут 7 из медной проволоки, помещенной в электроизоляционные керамические бусы 8. Подсоединения токоподводов к источнику питания осуществлено через гермовводы 9, 10.The heater 2, which is a rod of circular cross section, is installed inside the shell 1 coaxially with the latter. Between the shell 1 and the heater 2 there is a column of fuel pellets 3 - cylinders with an axial hole for placing the heater. At intervals calculated using the expression given in the claims, centering spacers 4 are installed. The heater 1, made of tungsten, is connected by welding to molybdenum parts and then threaded to copper parts of the upper current supply 5 and the lower composite current supply 6. In series with the lower a flexible current-conducting bundle 7 made of copper wire placed in insulating ceramic beads 8 is installed with the current lead. The current leads are connected to the power source through pressure seal 9, 10.

Имитатор работает следующим образом. Один или несколько имитаторов, моделирующих тепловыделяющую сборку, устанавливаются вертикально в герметичном канале. От источника питания через токоподводы 5, 6 и нагреватель 2 пропускается ток. Материал и диаметры токоподводов подбираются таким образом, чтобы основное тепловыделение приходилось на нагреватель, где соосно с нагревателем размещены топливные таблетки. Тепловой поток от нагревателя поступает на исследуемые элементы - таблетки топлива, оболочку, обеспечивая заданные по условиям испытаний уровни и радиальные градиенты температуры.The simulator works as follows. One or more simulators simulating a fuel assembly are mounted vertically in an airtight channel. From the power source through current leads 5, 6 and heater 2, current is passed. The material and diameters of the current leads are selected so that the main heat generation falls on the heater, where fuel pellets are placed coaxially with the heater. The heat flux from the heater enters the elements under study - fuel pellets, the shell, providing the levels and radial temperature gradients specified by the test conditions.

Установленные между таблетками через рассчитанные расстояния центрирующие дистанционаторы из высокотемпературного электроизоляционного материала ограничивают перемещения нагревателя поперек его оси, связанные с возможной потерей устойчивости и изгибом, и не допускают контакта токоведущего стержня с топливными таблетками, приводящего к электрическому пробою.Installed between the tablets at calculated distances, centering spacers made of high-temperature electrical insulation material limit the heater's movements across its axis associated with possible loss of stability and bending, and do not allow the current-carrying rod to come into contact with fuel pellets, leading to electrical breakdown.

Для проведения исследований деформационного и коррозионного поведения тепловыделяющих элементов в таких условиях необходим имитатор, воспроизводящий геометрические размеры натурных твэлов и использующий те же материалы, что и в натурных твэлах.To conduct research on the deformation and corrosion behavior of fuel elements under such conditions, a simulator is needed that reproduces the geometric dimensions of full-size fuel elements and uses the same materials as in full-time fuel elements.

Пример 1Example 1

В качестве первого примера конкретного осуществления может быть рассмотрен имитатор твэла реактора ВВЭР, предназначенный для моделирования проектных аварийных ситуаций, связанных с разрывом трубопровода теплоносителя. Условия испытания: температура оболочки 1200, агрессивная среда с наружной стороны оболочки (перегретый водяной пар), давление внутри оболочки до 60 атм.As a first example of a specific implementation, a WWER reactor fuel element simulator can be considered, designed to simulate design emergency situations associated with a rupture of a coolant pipeline. Test conditions: shell temperature 1200, aggressive environment from the outside of the shell (superheated water vapor), pressure inside the shell up to 60 atm.

Оболочка имитатора выполнена из сплава Э110, наружный и внутренний диаметры соответственно 9.13 и 7.73 мм. Топливные таблетки имитатора - из необлученного диоксида урана. Диаметр таблеток 7.6 мм, высота - 11 мм, диаметр центрального отверстия - 4.2 мм. Высота стержневого нагревателя из вольфрама - 1275 мм, столба топливных таблеток - 1200 мм. Длина оболочки, в которой размещается нагреватель с токоподводами, гибким токопроводящим жгутом в бусах из окиси алюминия - 2000 мм. Общая длина имитатора - 2100 мм.The simulator shell is made of alloy E110, the outer and inner diameters are 9.13 and 7.73 mm, respectively. The fuel simulator tablets are from unirradiated uranium dioxide. The diameter of the tablets is 7.6 mm, the height is 11 mm, the diameter of the central hole is 4.2 mm. The height of the rod heater made of tungsten is 1275 mm, the column of fuel pellets is 1200 mm. The length of the shell in which the heater is located with current leads, a flexible conductive harness in aluminum oxide beads is 2000 mm. The total length of the simulator is 2100 mm.

Для нагревателя диаметром 3 мм геометрия отверстия в центрирующих дистанционаторах из окиси бериллия при предполагаемой температуре нагревателя 2000°C определяется условием:For a heater with a diameter of 3 mm, the geometry of the hole in the centering spacers of beryllium oxide at an assumed heater temperature of 2000 ° C is determined by the condition:

( 1 + α T Т ) 1 + α Д Т d Т > d Д > d Н ( 1 + α Н Т ) ( 1 + α Д Т )

Figure 00000010
, ( one + α T T ) one + α D T d T > d D > d N ( one + α N T ) ( one + α D T )
Figure 00000010
,

или рассчитанным по значениям коэффициентов линейного расширения и максимальной температуре, принятой одинаковой для дистанционаторов, таблеток и нагревателя (2000°C), условием 4.1>dД>3.or calculated according to the values of the linear expansion coefficients and the maximum temperature, which is assumed to be the same for spacers, tablets and a heater (2000 ° C), condition 4.1> d Д > 3.

Высота дистанционатора выбирается из условия достаточной прочности при сжатии силой, равной весу топливного столба с центрирующими дистанционаторами (~ 0.4 кг на 1 м столба), так как конструкция имитатора позволяет топливному столбу свободно удлиняться при нагреве. Для рассматриваемого случая высота дистанционатора 3 мм, диаметр отверстия 3.2 мм.The height of the spacer is selected from the condition of sufficient compressive strength equal to the weight of the fuel column with centering spacers (~ 0.4 kg per 1 meter of column), since the design of the simulator allows the fuel column to extend freely when heated. For the case under consideration, the height of the spacer is 3 mm, the diameter of the hole is 3.2 mm.

Расстояние между дистанционаторами l и количество дистанционаторов n, размещаемых в имитаторе, вычисляется по формуле:The distance between the remote controllers l and the number of remote controllers n placed in the simulator is calculated by the formula:

l = L n = 0.25 1 К π d Н α Н Т

Figure 00000011
l = L n = 0.25 one TO π d N α N T
Figure 00000011

Для рассматриваемого примера l = 1.275 n = 0.25 1 К 3.14 3 10 3 7 10 6 2 10 3 ~ 0.02 К

Figure 00000012
For the example in question l = 1.275 n = 0.25 one TO 3.14 3 10 - 3 7 10 - 6 2 10 3 ~ 0.02 TO
Figure 00000012

При жесткой заделке концов нагревателя (К=1) расстояние между соседними центрирующими дистанционаторами ~ 20 мм; количество центрирующих дистанционаторов - 65.With a rigid termination of the heater ends (K = 1), the distance between adjacent centering spacers is ~ 20 mm; the number of centering remote controllers - 65.

Установка гибкого элемента позволяет уменьшить количество дистанционаторов, увеличить расстояние между ними. Экспериментально определенное значение коэффициента К для токоподводов с гибким жгутом с бусами составляет 0.12; в этом случае l=57.5 мм, n=22. Значение К при установке дополнительного гибкого элемента, обеспечивающего относительно свободное удлинение корпуса имитатора при нагреве, равно 0.036; и в этом случае расстояние между центрирующими дистанционаторами ~105 мм, их количество 12.Installation of a flexible element allows you to reduce the number of remote controllers, increase the distance between them. The experimentally determined value of the coefficient K for current leads with a flexible harness with beads is 0.12; in this case, l = 57.5 mm, n = 22. The value of K when installing an additional flexible element that provides relatively free elongation of the simulator body during heating is 0.036; and in this case, the distance between the centering spacers is ~ 105 mm, their number is 12.

Пример 2Example 2

Оболочка имитатора выполнена из специальной стали ЭП823, наружный и внутренний диаметры 9.1 мм и 8.1 мм. Топливные таблетки имитатора - из топливной композиции из нитрида урана. Диаметр таблеток 8.0 мм, высота - 11 мм, диаметр центрального отверстия - 4.2 мм. Высота стержневого нагревателя из вольфрама - 600 мм, столба топливных таблеток - 580 мм. Длина оболочки, в которой размещается нагреватель с токоподводами, гибким токопроводящим жгутом в бусах из окиси алюминия - 1100 мм. Общая длина имитатора - 1200 мм.The simulator shell is made of special steel EP823, the outer and inner diameters are 9.1 mm and 8.1 mm. Fuel simulator tablets - from a fuel composition of uranium nitride. The diameter of the tablets is 8.0 mm, the height is 11 mm, the diameter of the central hole is 4.2 mm. The height of the tungsten rod heater is 600 mm, the column of fuel pellets is 580 mm. The length of the shell in which the heater is located with current leads, a flexible conductive bundle in aluminum oxide beads is 1100 mm. The total length of the simulator is 1200 mm.

Расчеты, определяющие количество дистанционаторов по длине нагревателя, для примера 2 аналогичны расчетам, приведенным выше для примера 1.The calculations determining the number of spacers along the length of the heater for example 2 are similar to the calculations given above for example 1.

Установка в имитаторе центрирующих дистанционаторов из высокотемпературного электроизоляционного материала с обоснованными размерами и расстоянием между ними позволяет повысить достоверность результатов испытаний ТВЭЛ за счет использования натурных топливных материалов и исключить разрушение имитаторов при высоких температурах.The installation in the simulator of centering spacers made of high-temperature electrical insulation material with reasonable dimensions and the distance between them allows to increase the reliability of the test results of the fuel elements due to the use of full-scale fuel materials and to prevent the destruction of the simulators at high temperatures.

Claims (4)

1. Имитатор тепловыделяющего элемента ядерного реактора, содержащий оболочку, в которой размещен столб таблеток натурного топлива с центральным отверстием и расположенный с зазором в отверстиях таблеток электрический нагреватель, снабженный верхним и нижним токоподводами, отличающийся тем, что между таблетками установлены кольцевые центрирующие дистанционаторы из высокотемпературного электроизоляционного материала с тем же, что и у топливных таблеток внешним диаметром и с диаметром центрального отверстия, определяемого из соотношения:
Figure 00000013
,
при этом расстояние между соседними центрирующими дистанционаторами не превышает величину, равную:
Figure 00000014
, где
dН, dТ, dД - соответственно диаметры нагревателя, отверстий таблеток, отверстий центрирующих дистанционаторов;
αН, αТ, αД - соответственно коэффициенты линейного расширения материалов нагревателя, таблеток и дистанционаторов;
Т - температура нагревателя;
К - коэффициент, характеризующий способ заделки концов нагревателя.
1. A simulator of a fuel element of a nuclear reactor containing a shell in which is a pillar of natural fuel pellets with a central hole and an electric heater located with a gap in the holes of the tablets, equipped with upper and lower current leads, characterized in that ring-type centering spacers made of high-temperature electrical insulation are installed between the tablets material with the same as that of fuel pellets with an outer diameter and with a diameter of the central hole, determined from the ratio Nia:
Figure 00000013
,
the distance between adjacent centering spacers does not exceed a value equal to:
Figure 00000014
where
d N , d T , d D - respectively, the diameters of the heater, the holes of the tablets, the holes of the centering spacers;
α H , α T , α D - respectively, the coefficients of linear expansion of the materials of the heater, tablets and spacers;
T is the temperature of the heater;
K is a coefficient characterizing the method of sealing the ends of the heater.
2. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что таблетки выполнены из токопроводящей топливной композиции.2. The simulator according to claim 1, characterized in that the tablets are made of a conductive fuel composition. 3. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что центрирующие дистанционаторы выполнены из оксида бериллия.3. The simulator according to claim 1, characterized in that the centering spacers are made of beryllium oxide. 4. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что нижний токоподвод снабжен гибким элементом в виде токоподводящего жгута, помещенного в электроизоляционные керамические бусы. 4. The simulator according to claim 1, characterized in that the lower current supply is equipped with a flexible element in the form of a current-carrying harness placed in insulating ceramic beads.
RU2013127170/07A 2013-06-17 2013-06-17 Imitator of fuel element of nuclear reactor RU2526856C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013127170/07A RU2526856C1 (en) 2013-06-17 2013-06-17 Imitator of fuel element of nuclear reactor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013127170/07A RU2526856C1 (en) 2013-06-17 2013-06-17 Imitator of fuel element of nuclear reactor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2526856C1 true RU2526856C1 (en) 2014-08-27

Family

ID=51456281

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013127170/07A RU2526856C1 (en) 2013-06-17 2013-06-17 Imitator of fuel element of nuclear reactor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2526856C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022255899A1 (en) 2021-05-31 2022-12-08 Акционерное Общество "Твэл" Fuel element for a water-cooled water-moderated nuclear reactor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3988565A (en) * 1973-06-11 1976-10-26 Varian Associates Nuclear reactor fuel rod thermal simulator
US4326122A (en) * 1980-07-14 1982-04-20 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Electric heater for nuclear fuel rod simulators
RU2214010C2 (en) * 2001-08-09 2003-10-10 Федеральное государственное унитарное дочернее предприятие Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций Fuel assembly

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3988565A (en) * 1973-06-11 1976-10-26 Varian Associates Nuclear reactor fuel rod thermal simulator
US4326122A (en) * 1980-07-14 1982-04-20 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Electric heater for nuclear fuel rod simulators
RU2214010C2 (en) * 2001-08-09 2003-10-10 Федеральное государственное унитарное дочернее предприятие Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций Fuel assembly

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, 1999, с. 104-108. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022255899A1 (en) 2021-05-31 2022-12-08 Акционерное Общество "Твэл" Fuel element for a water-cooled water-moderated nuclear reactor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4863414B2 (en) Thermal fluid phenomenon simulation method and simulation test apparatus
Paffumi et al. Simulation of thermal fatigue damage in a 316L model pipe component
Ajay et al. Experimental investigation of radiation heat transfer in coolant channel under impaired cooling scenario for Indian PHWR
Dutt et al. Experimental and numerical study of phwr specific suspended debris
RU2526856C1 (en) Imitator of fuel element of nuclear reactor
Ajay et al. Experimental study on thermo-chemical behavior of PHWR fuel channel under slumped fuel pin condition
Rempe et al. New sensors for in-pile temperature measurement at the advanced test reactor national scientific user facility
Talarowska et al. Preliminary computational and experimental design studies of the ISHTAR thermostatic rig for the high-temperature reactors materials irradiation
Rempe et al. ATR NSUF instrumentation enhancement efforts
Singh et al. An insight on deformation of pressurized heavy water reactor coolant channel at extreme temperature in an oxidizing environment
Hall Jr et al. Stress state dependence of in-reactor creep and swelling. Part 2: Experimental results
Alaneme et al. Design and performance evaluation of a sustained load dual grip creep testing machine
Murtaza et al. Structural integrity assessment and stress measurement of CHASNUPP-1 Fuel assembly
Vasiliev et al. Application of thermal hydraulic and severe accident code SOCRAT/V3 to bottom water reflood experiment QUENCH-LOCA-1
RU135440U1 (en) DEVICE FOR SIMULATION OF THE MAXIMUM DESIGN ACCIDENT OF REACTORS OF VVER TYPE
Kang et al. Capsule development and utilization for material irradiation tests
Kim et al. Tensile test techniques for a nuclear fuel cladding in a hot cell
Sinha et al. Fitness for service assessment of coolant channels of Indian PHWRs
Goldberg et al. Modeling of Formation and Evolution of Cracks in Zirconium-Based Claddings of Nuclear Fuel Rods Within DIONISIO 3.0
Rao et al. Asymptotic Crack Size of a Prototype Sized Pipe Bend and Comparison With A16 Master Curve
Sharaf Design, Fabrication, and Evaluation of a Novel High-Performance Resistance Heater Rod for Nuclear Thermal Hydraulic Experimentation
Leitch Deformation behaviour of a transversely loaded garter spring
Nicolas et al. Comparison of the predictions relying on coupled/uncoupled damage-viscoplasticity models for creep test analyses
Kang et al. 3D FE simulation of the nuclear fuel rod considering the gap conductance between the pellet and cladding
Ahmadreza et al. Large Scale modelling of damage and failure of nuclear graphite moderated reactor