RU2781552C1

RU2781552C1 - Ampoule irradiation device for reactor research

Info

Publication number: RU2781552C1
Application number: RU2022106870A
Authority: RU
Inventors: Игорь Леонидович Бельтюков; Никита Андреевич Васютин; Александра Анатольевна Зырянова; Константин Николаевич Кощеев; Владислав Юрьевич Литовченко; Евгений Вадимович Шабельников; Андрей Андреевич Мокрушин; Вячеслав Витальевич Кузнецов; Владислав Сергеевич Сериков
Original assignee: Акционерное общество "Институт реакторных материалов" (АО "ИРМ")
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2022-10-13

Abstract

FIELD: ampoule irradiation devices.

SUBSTANCE: invention relates to an ampoule irradiation device that can be used for reactor studies of the properties of fuel elements, namely, microspherical encapsulated nuclear fuel (micro-fuels) for high-temperature gas-cooled reactors. Device for reactor studies includes at least one hermetic ampoule, equipped with gas pipelines for its flow ventilation, with graphite inserts installed in it with a gap and closed end caps. To place the test samples in graphite liners, a lot of regularly spaced vertical channels are made, the diameter of which is comparable to the diameter of the samples (micro-pipes). The graphite liners have a central axial channel, in which at least one of the temperature sensors is installed in a tight fit, and at least one of the temperature sensors is installed in one of the end caps of the graphite liners. In this case, the gas lines are connected to the upper and lower covers of the ampoule.

EFFECT: invention provides the possibility of studying the release of gaseous fission products from a large batch of microfuel while simultaneously ensuring the temperature of the test samples with a given accuracy.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно - к ампульным облучательным устройствам для реакторных исследований свойств тепловыделяющих элементов, а именно - микросферического капсулированного ядерного топлива (микротвэлов) для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР).The invention relates to nuclear engineering, and more specifically to ampoule irradiation devices for reactor studies of the properties of fuel elements, namely, microspherical encapsulated nuclear fuel (micro-fuel) for high-temperature gas-cooled reactors (HTGR).

Микротвэлы являются составной частью топливных компактов, из которых формируется активная зона ВТГР. Необходимость исследования микротвэлов отдельно от топливных компактов возникает при отработке технологии топливных компактов. Экспериментальные исследования выборки из партии микротвэлов позволяют определить качество партии перед изготовлением компактов. Такие исследования позволяют более корректно проводить и анализировать результаты последующих реакторных испытаний компактов и дают представление о качестве технологического процесса изготовления компактов в целом.Microfuels are an integral part of the fuel compacts from which the HTGR core is formed. The need to study microfuel elements separately from fuel compacts arises when developing the technology of fuel compacts. Experimental studies of a sample from a batch of microfuels make it possible to determine the quality of a batch before manufacturing compacts. Such studies make it possible to carry out and analyze the results of subsequent reactor tests of compacts more correctly and give an idea of the quality of the technological process for manufacturing compacts as a whole.

Известно облучательное устройство для реакторных испытаний шаровых твэлов (Еремеев B.C., Черников А.С., Иванов В.Я., Казьмин Ю.М., Кузнецов А.А., Приятнов Ю.М. Методика реакторных испытаний шаровых твэлов ВТГР при импульсном нагружении. Атомная энергия, т. 71, вып. 3, сентябрь 1991). Устройство предназначено для экспериментального исследования поведения шаровых твэлов в аварийных ситуациях в импульсном самогасящемся уран-графитовом исследовательском реакторе (ИГР). В качестве аварийных ситуаций рассматриваются кратковременные высокоэнергетические всплески потока нейтронов, вызывающие быстрый подъем температуры шаровых твэлов, существенный градиент температуры от центра к периферии и, как следствие, возникновение механических напряжений. В устройстве шаровые твэлы располагаются в графитовом стакане со свободной посадкой, что исключает возможность появления напряжений в изделиях за счет их контактного взаимодействия при тепловом расширении. Температура шаровых твэлов измеряется расчетно-экспериментальным способом - в нескольких модельных твэлах на их поверхности и в центре установлены термодатчики, а значения температуры в остальных твэлах, как и температурные градиенты, могут быть получены при помощи расчетов. Данное устройство позволяет контролировать выход газообразных продуктов деления (ГПД) из шаровых твэлов при помощи газовой пробы из устройства после каждого импульса, для этого устройство снабжено газовой магистралью тупикового типа.An irradiation device for reactor testing of spherical fuel rods is known (Eremeev B.C., Chernikov A.S., Ivanov V.Ya., Kazmin Yu.M., Kuznetsov A.A., Pleasant Yu.M. Atomic Energy, vol. 71, issue 3, September 1991). The device is intended for experimental study of the behavior of spherical fuel rods in emergency situations in a pulsed self-extinguishing uranium-graphite research reactor (IGR). Short-term high-energy neutron flux bursts are considered as emergency situations, causing a rapid rise in the temperature of spherical fuel rods, a significant temperature gradient from the center to the periphery and, as a result, the occurrence of mechanical stresses. In the device, spherical fuel rods are located in a graphite cup with a free fit, which eliminates the possibility of stresses in the products due to their contact interaction during thermal expansion. The temperature of spherical fuel elements is measured by the calculation-experimental method - in several model fuel elements, thermal sensors are installed on their surface and in the center, and the temperature values in the remaining fuel elements, as well as temperature gradients, can be obtained using calculations. This device allows you to control the output of gaseous fission products (GFP) from spherical fuel rods using a gas sample from the device after each pulse; for this, the device is equipped with a dead-end gas line.

Однако данное облучательное устройство предназначено для проведения исследований в импульсном реакторе и не позволяет исследовать выход ГПД из исследуемых образцов при длительных испытаниях в ресурсе. Пробы отбираются после короткого импульса реактора при помощи откачки гелия из зазора между шаровыми твэлами и графитовым стаканом. Для проведения отбора пробы на мощности реактора при ресурсных испытаниях требуется замена (продувка) газа в терморегулирующем зазоре при помощи двух газовых магистралей. Кроме того, данное устройство имеет в качестве рабочей зоны для размещения исследуемых объектов графитовый стакан с внутренним диаметром 65 мм, что при испытании в нем засыпки из микротвэлов диаметром 0,8…1,0 мм неизбежно приведет к появлению существенного градиента температур от одного микротвэла к другому.However, this irradiation device is intended for research in a pulsed reactor and does not allow one to study the yield of HPA from the samples under study during long-term tests in the resource. Samples are taken after a short pulse of the reactor by pumping helium from the gap between the spherical fuel rods and the graphite cup. To carry out sampling at the reactor power during life tests, it is necessary to replace (purge) the gas in the thermostatic gap using two gas lines. In addition, this device has a graphite cup with an inner diameter of 65 mm as a working area for placing the objects under study, which, when testing a filling of microfuel elements with a diameter of 0.8 ... 1.0 mm, will inevitably lead to the appearance of a significant temperature gradient from one microfuel to to another.

Известно облучательное устройство для реакторных испытаний микротвэлов (Zoller P. Das Transportverhalten der Spaltprodukte Casium und Strontium in beschichteten Brennstoffteilchen fur Hochtemperatur-Reaktoren unter Bestrahlungsbedingungen, seite 17, abb. 3.1). Устройство состоит из цилиндрического корпуса из нержавеющей стали, внутри которого последовательно размещаются четыре экспериментальные ампулы. Каждая ампула содержит испытуемые объекты в графитовых секциях и снабжена автономными газовыми магистралями для подачи инертного газа или смеси газов и осуществления пробоотбора с целью контроля выхода ГПД из микротвэлов в процессе эксперимента. Для контроля температуры микротвэлов в ампулы установлены термодатчики.Known irradiation device for reactor tests of microfuels (Zoller P. Das Transportverhalten der Spaltprodukte Casium und Strontium in beschichteten Brennstoffteilchen fur Hochtemperatur-Reaktoren unter Bestrahlungsbedingungen, seite 17, abb. 3.1). The device consists of a cylindrical stainless steel case, inside which four experimental ampoules are sequentially placed. Each ampoule contains test objects in graphite sections and is equipped with autonomous gas pipelines for supplying an inert gas or a mixture of gases and sampling in order to control the output of the GPA from the microfuels during the experiment. Thermal sensors are installed in the ampoules to control the temperature of the microfuel elements.

Для данного экспериментального устройства разработаны несколько конструкций ампул, отличающихся размещением микротвэлов и представляющих наибольший интерес с точки зрения решения поставленной задачи.For this experimental device, several designs of ampoules have been developed that differ in the placement of microfuel elements and are of the greatest interest from the point of view of solving the problem.

Конструкция ампулы 1-го типа (Zoller P. Das Transportverhalten der Spaltprodukte Casium und Strontium in beschichteten Brennstoffteilchen fur Hochtemperatur-Reaktoren unter Bestrahlungsbedingungen, seite 21, abb. 3.4) отличается тем, что исследуемые микротвэлы засыпаются в кольцевое пространство, образованное центральным графитовым вкладышем и графитовой оболочкой, размещенной коаксиально вкладышу. Для исключения внешних напряжений в кольцевом пространстве свободно располагаются несколько слоев микротвэлов. Микротвэлы, размещенные в зазоре между вкладышем и внутренней оболочкой из графита, совместно с последними устанавливаются во внешнюю графитовую оболочку и образуют секцию. Секции в количестве двух штук соосно устанавливаются в ампулы. Секции разделены пластиной из молибдена, что позволяет исследовать выход продуктов деления отдельно из каждой части ампулы. В данной конструкции ампулы проблема образования существенных градиентов температур в засыпке микротвэлов решена путем расположения их в узком кольцевом зазоре между деталями из графита, выполняющими роль радиаторов. Таким образом, условия охлаждения для каждого из микротвэлов приблизительно одинаковые. При этом температуры микротвэлов могут быть определены расчетно-экспериментальным путем, т.к. термодатчики могут быть установлены в центральную трубку из ниобия, которая, в свою очередь, вводится в полость секции соосно с последней, и в графитовую оболочку секции.The design of the ampoule of the 1st type (Zoller P. Das Transportverhalten der Spaltprodukte Casium und Strontium in beschichteten Brennstoffteilchen fur Hochtemperatur-Reaktoren unter Bestrahlungsbedingungen, seite 21, abb. 3.4) is distinguished by the fact that the investigated microfuels are filled into the annular space formed by the central graphite insert and graphite shell placed coaxially to the liner. To exclude external stresses, several layers of microfuel elements are freely located in the annular space. The microfuel located in the gap between the liner and the inner shell of graphite, together with the latter are installed in the outer graphite shell and form a section. Sections in the amount of two pieces are coaxially installed in ampoules. The sections are separated by a molybdenum plate, which makes it possible to study the yield of fission products separately from each part of the ampoule. In this ampoule design, the problem of the formation of significant temperature gradients in the filling of microfuel elements is solved by placing them in a narrow annular gap between graphite parts that act as radiators. Thus, the cooling conditions for each of the microfuels are approximately the same. In this case, the temperatures of microfuel elements can be determined by calculation and experiment, since temperature sensors can be installed in the central tube made of niobium, which, in turn, is inserted into the cavity of the section coaxially with the latter, and into the graphite shell of the section.

Конструкция ампулы 2-го типа (Zoller P. Das Transportverhalten der Spaltprodukte Casium und Strontium in beschichteten Brennstoffteilchen fur Hochtemperatur-Reaktoren unter Bestrahlungsbedingungen, seite 25, abb. 3.8) отличается тем, что микротвэлы в виде монослоя засыпаются в три концентрические канавки, выполненные в плоском графитовом пробосборнике в форме диска. Конструкция ампулы позволяет размещать от 10 до 20 пробосборников. При этом свободное пространство по высоте может быть заполнено графитовыми шайбами. Пробосборники насаживаются на центральную трубку из молибдена в графитовом чехле. Сверху и снизу сборка пробосборников подпирается шайбами из графита и фиксируется гайками. Такая сборка размещается коаксиально в графитовую оболочку, образуя секцию с микротвэлами. Секция в свою очередь также коаксиально размещена в оболочке ампулы из нержавеющей стали. Между сборкой пробосборников и оболочкой секции также как между последней и оболочкой ампулы сформированы терморегулирующие зазоры, заполненные инертным газом. В центральную трубку из молибдена, как и в графитовую оболочку, устанавливаются термодатчики для контроля температурных полей. Температуры микротвэлов при этом контролируются расчетно-экспериментальным способом. Перепад температур от микротвэла к микротвэлу сведен к минимуму благодаря организации близких условий теплоотвода вследствие их размещения в графитовых пробосборниках монослоем.The design of the type 2 ampoule (Zoller P. Das Transportverhalten der Spaltprodukte Casium und Strontium in beschichteten Brennstoffteilchen fur Hochtemperatur-Reaktoren unter Bestrahlungsbedingungen, seite 25, abb. flat graphite sample collector in the form of a disc. The design of the ampoule allows you to place from 10 to 20 sample collectors. In this case, the free space in height can be filled with graphite washers. The sample collectors are mounted on a central molybdenum tube in a graphite sheath. The sample collector assembly is supported from above and below by graphite washers and fixed with nuts. Such an assembly is placed coaxially into a graphite shell, forming a section with microfuels. The section, in turn, is also coaxially placed in the shell of the stainless steel ampoule. Between the assembly of sample collectors and the shell of the section, as well as between the latter and the shell of the ampoule, there are thermoregulating gaps filled with an inert gas. Thermal sensors are installed in the central tube made of molybdenum, as well as in the graphite shell, to control temperature fields. The temperatures of the microfuel elements are controlled by the calculation-experimental method. The temperature drop from microfuel to microfuel is minimized due to the organization of similar heat removal conditions due to their placement in graphite sample collectors as a monolayer.

Однако данное облучательное устройство имеет крайне невысокую степень заполнения графитовых секций микротвэлами, что ограничивает его применение при испытаниях сравнительно больших партий микротвэлов в ячейках существующих исследовательских реакторов. Степень заполнения составляет не более 1% и не более 2% от общего объема секции для ампул 1-го и 2-го типа соответственно.However, this irradiation device has an extremely low degree of filling of graphite sections with microfuels, which limits its use in testing relatively large batches of microfuels in the cells of existing research reactors. The degree of filling is no more than 1% and no more than 2% of the total volume of the section for ampoules of the 1st and 2nd type, respectively.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по решаемой задаче и техническому результату является облучательное устройство для реакторных испытаний микротвэлов (Zoller P. Das Transportverhalten der Spaltprodukte Casium und Strontium in beschichteten Brennstoffteilchen fur Hochtemperatur-Reaktoren unter Bestrahlungsbedingungen, seite 23, abb. 3.6). Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.The closest to the claimed technical solution for the problem being solved and the technical result is an irradiation device for reactor tests of microfuel (Zoller P. Das Transportverhalten der Spaltprodukte Casium und Strontium in beschichteten Brennstoffteilchen fur Hochtemperatur-Reaktoren unter Bestrahlungsbedingungen, seite 23, abb. 3.6). This technical solution was chosen as a prototype.

Облучательное устройство содержит три экспериментальные ампулы с автономными газовыми магистралями для подачи инертных газов и осуществления пробоотбора с целью контроля выхода ГПД из микротвэлов в процессе эксперимента. В каждую ампулу через ее верхнюю крышку введены газовые магистрали, при этом для обеспечения циркуляции газа в ампулу установлена центральная трубка малого диаметра из ниобия. Внутри ампулы с зазором размещены графитовые вкладыши, которые установлены на трубку из ниобия с зазором по отношению к последней. Графитовые вкладыши заключены в оболочку из графита и закрыты с обеих сторон торцевыми крышками.The irradiation device contains three experimental ampoules with autonomous gas pipelines for supplying inert gases and sampling to control the output of the GPA from the microfuels during the experiment. Gas pipelines are introduced into each ampoule through its top cover, while a central tube of small diameter made of niobium is installed in the ampoule to ensure gas circulation. Graphite liners are placed inside the ampoule with a gap, which are installed on a niobium tube with a gap in relation to the latter. The graphite liners are encased in graphite and closed on both sides with end caps.

Вопрос температурного градиента между микротвэлами в данном устройстве решен методом размещения микротвэлов в каналах вкладыша столбом диаметром, не превышающим размер одного микротвэла. Такое размещение позволяет обеспечить близкие условия теплоотвода для всех микротвэлов. В то же время, уменьшая толщину графитовой оболочки секции одновременно с увеличением длины вкладышей и количества каналов с микротвэлами, можно добиться высокой степени заполнения графитовой секции микротвэлами.The issue of the temperature gradient between microfuels in this device is solved by placing microfuels in the liner channels with a column with a diameter not exceeding the size of one microfuel. This arrangement makes it possible to provide similar heat removal conditions for all microfuel elements. At the same time, by reducing the thickness of the graphite shell of the section simultaneously with increasing the length of the liners and the number of channels with microfuels, it is possible to achieve a high degree of filling of the graphite section with microfuels.

Внутри ниобиевой трубки установлены термодатчики для контроля температур микротвэлов. Дополнительные термодатчики могут быть установлены в графитовую оболочку вкладышей.Thermal sensors are installed inside the niobium tube to control the temperatures of the microfuel elements. Additional thermal sensors can be installed in the graphite shell of the liners.

Однако данное облучательное устройство имеет недостаток, оно не позволяет в процессе проведения ресурсных испытаний обеспечивать температуру испытуемых образцов с заданной точностью. Для достоверности результатов расчетно-экспериментального определения температуры микротвэлов в процессе испытаний важна точность определения температуры непосредственно испытуемых образцов. Вместе с тем, на точность определения температуры образцов существенное влияние оказывают потоки газа. Установленные в центральной трубке термодатчики омываются охлаждающим газом, протекающим через трубку, кроме этого газ протекает в зазоре между указанной трубкой и вкладышами с микротвэлами. Сложность учета конвективного теплообмена в данных зазорах неизбежно отрицательно скажется на точности определения температур микротвэлов.However, this irradiation device has a drawback, it does not allow to provide the temperature of the tested samples with a given accuracy during the life tests. For the reliability of the results of the computational and experimental determination of the temperature of microfuel elements during testing, the accuracy of determining the temperature of the directly tested samples is important. At the same time, the accuracy of determining the temperature of samples is significantly affected by gas flows. Thermal sensors installed in the central tube are washed by the cooling gas flowing through the tube, in addition, the gas flows in the gap between the said tube and inserts with microfuel elements. The complexity of taking into account convective heat transfer in these gaps will inevitably have a negative impact on the accuracy of determining the temperatures of microfuel elements.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности и достоверности реакторных исследований.The problem to be solved by the present invention is to improve the accuracy and reliability of reactor studies.

Техническим результатом является создание ампульного устройства для реакторных исследований, позволяющего исследовать выход ГПД из больших партий микротвэлов при одновременном обеспечении температуры испытуемых образцов с заданной точностью.The technical result is the creation of an ampoule device for reactor research, which makes it possible to investigate the yield of GPE from large batches of microfuel while simultaneously ensuring the temperature of the test samples with a given accuracy.

Технический результат достигается тем, что в ампульном облучательном устройстве для реакторных исследований, включающем, по меньшей мере, одну герметичную ампулу, снабженную газовыми магистралями для ее проточной вентиляции, с установленными в ней с зазором и закрытыми торцевыми пробками графитовыми вкладышами, в которых для размещения исследуемых образцов выполнено множество регулярно расположенных вертикальных каналов с диаметром, сопоставимым с диаметром исследуемых образцов, согласно заявленному изобретению в графитовых вкладышах выполнен центральный осевой канал, в котором по плотной посадке установлен, по меньшей мере, один из термодатчиков и, по меньшей мере, один из термодатчиков установлен в одной из торцевых пробок графитовых вкладышей, при этом газовые магистрали подсоединены к верхней и нижней крышкам ампулы.The technical result is achieved by the fact that in the ampoule irradiation device for reactor research, which includes at least one sealed ampoule, equipped with gas lines for its flow ventilation, with graphite inserts installed in it with a gap and closed end caps, in which to accommodate the studied samples, a plurality of regularly spaced vertical channels are made with a diameter comparable to the diameter of the samples under study, according to the claimed invention, a central axial channel is made in graphite liners, in which at least one of the temperature sensors and at least one of the temperature sensors is installed in a tight fit installed in one of the end caps of the graphite liners, while the gas lines are connected to the top and bottom caps of the ampoule.

Преимущественно в ампульном облучательном устройстве для реакторных исследований диаметр регулярно расположенных вертикальных каналов, выполненных в графитовых вкладышах, составляет не более 1,1-1,2 диаметра исследуемых образцов.Preferably, in an ampoule irradiation device for reactor research, the diameter of regularly spaced vertical channels made in graphite inserts is not more than 1.1-1.2 of the diameter of the samples under study.

Так же в торцевых пробках графитовых вкладышей ампульного облучательного устройства для реакторных исследований могут быть выполнены сквозные отверстия для контроля утечки газообразных продуктов деления диаметром, не превышающим диаметр исследуемых образцов.Also, in the end caps of the graphite inserts of the ampoule irradiation device for reactor research, through holes can be made to control the leakage of gaseous fission products with a diameter not exceeding the diameter of the samples under study.

Между торцевыми пробками графитовых вкладышей и верхней и нижней крышками ампул преимущественно установлены тарельчатые пружины для компенсации осевых тепловых расширений вкладышей относительно корпуса ампулы.Between the end caps of the graphite liners and the top and bottom covers of the ampoules, belleville springs are mainly installed to compensate for the axial thermal expansion of the liners relative to the body of the ampoule.

Установка термодатчиков непосредственно в центральный осевой канал, выполненный в графитовом вкладыше, и в одной из его торцевых пробок графитовых вкладышей по плотной посадке позволяет избежать влияния потоков газа на точность определения температуры испытуемых микротвэлов, что в свою очередь позволяет в процессе испытаний обеспечивать температурный режим испытуемых образцов с заданной точностью.The installation of thermal sensors directly into the central axial channel, made in a graphite liner, and in one of its end caps of graphite inserts in a tight fit allows you to avoid the influence of gas flows on the accuracy of determining the temperature of the tested microfuel rods, which in turn allows you to ensure the temperature regime of the tested samples during the test with a given accuracy.

Вкладыш, выполненный из графита и имеющий множество регулярно расположенных вертикальных каналов, позволяет обеспечить как минимальный температурный градиент между микротвэлами в процессе испытаний за счет обеспечения близких условий теплоотвода для всех микротвэлов, так и высокую степень заполнения рабочей зоны ампулы микротвэлами за счет минимального шага расположения вертикальных каналов и минимального диаметра центрального осевого канала вкладышей (достаточного для размещения термопары).An insert made of graphite and having a plurality of regularly spaced vertical channels makes it possible to provide both a minimum temperature gradient between microfuels during testing by providing similar heat removal conditions for all microfuels, and a high degree of filling the working area of the ampoule with microfuels due to the minimum spacing of vertical channels and the minimum diameter of the central axial bore of the liners (sufficient to accommodate the thermocouple).

В предлагаемом техническом решении газовые магистрали подсоединены к верхней и нижней крышкам ампулы, благодаря чему изменяется схема протока газа по отношению к прототипу на прямопроточную, что в свою очередь позволило разместить, по меньшей мере, один из термодатчиков в центре графитовых вкладышей с микротвэлами по плотной посадке.In the proposed technical solution, the gas lines are connected to the upper and lower covers of the ampoule, due to which the gas flow pattern changes in relation to the prototype to a straight-through one, which in turn made it possible to place at least one of the temperature sensors in the center of graphite inserts with microfuel elements in a tight fit .

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором схематически изображена конструкция ампульного облучательного устройства.The essence of the claimed invention is illustrated by the drawing, which schematically shows the design of the ampoule irradiation device.

Предлагаемое техническое решение - ампульное облучательное устройство для реакторных исследований, поясняется конкретным исполнением, описанным ниже, однако, приведенный пример не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заявленного технического результата.The proposed technical solution - an ampoule irradiation device for reactor research, is explained by a specific design described below, however, the example given is not the only possible one, but clearly demonstrates the possibility of achieving the claimed technical result by this set of essential features.

Ампульное облучательное устройство в соответствии с изобретением содержит, по меньшей мере, одну герметичную ампулу 1 из нержавеющей стали. Каждая ампула включает в себя исследуемые (испытуемые) образцы 2 микротвэлов, установленные внутри выполненных из графита вкладышей 3, заключенных в тонкостенную графитовую оболочку 4, с двух сторон снабженную верхней 5 и нижней 6 торцевыми пробками графитовых вкладышей 3, также выполненными из графита. При этом образуется терморегулирующий зазор 7 между оболочкой 8 ампулы 1 и оболочкой 4 графитовых вкладышей 3, величина которого выбрана оптимальной для отвода тепла.Ampoule irradiation device in accordance with the invention contains at least one sealed ampoule 1 made of stainless steel. Each ampoule includes test (tested) samples of 2 microfuel elements installed inside liners 3 made of graphite, enclosed in a thin-walled graphite shell 4, equipped on both sides with top 5 and bottom 6 end caps of graphite liners 3, also made of graphite. In this case, a temperature-controlled gap 7 is formed between the shell 8 of the ampoule 1 and the shell 4 of the graphite inserts 3, the value of which is chosen optimal for heat removal.

В центральный осевой канал 9 вкладышей 3 установлен термодатчик 10 канала, а также в одну из его торцевых пробок графитовых вкладышей 3, например, верхнюю торцевую пробку 5, установлен термодатчик 11 пробки соответственно. С обеих сторон от вкладышей 3 с исследуемыми образцами и торцевыми пробками 5 и 6, соответственно, установлены тарельчатые пружины 12. Каждая ампула имеет верхнюю крышку 13 и нижнюю крышку 14 с герметично присоединенными к ним газовыми магистралями верхней 15 и нижней 16, соответственно.The temperature sensor 10 of the channel is installed in the central axial channel 9 of the liners 3, and also in one of its end caps of the graphite liners 3, for example, the upper end cap 5, the temperature sensor 11 of the tube is installed, respectively. On both sides of the inserts 3 with test samples and end caps 5 and 6, respectively, belleville springs 12 are installed. Each ampoule has a top cover 13 and a bottom cover 14 with top 15 and bottom 16 gas lines hermetically attached to them, respectively.

Ампульное устройство имеет корпус 17, внутри которого располагается теплоотводящий радиатор 18, в котором в свою очередь выполнены отверстия для установки ампул 1 и нижних газовых магистралей 16. С обоих торцов корпуса 17 установлены верхняя 19 и нижняя 20 герметизирующие торцевые заглушки. Через верхнюю герметизирующую торцевую заглушку 19 проходят верхняя 15 и нижняя 16 газовые магистрали.The ampoule device has a housing 17, inside of which there is a heat-removing radiator 18, in which, in turn, holes are made for installing ampoules 1 and lower gas lines 16. Upper 19 and lower 20 sealing end caps are installed on both ends of the housing 17. The top 15 and bottom 16 gas lines pass through the top sealing end cap 19.

На чертеже представлен вариант ампульного устройства с тремя ампулами 1, установленными в вертикальных отверстиях теплоотводящего радиатора 18, которые выполнены на одинаковом осевом расстоянии от оси радиатора, что дает возможность проводить испытания образцов при одинаковых потоках нейтронов в реакторе. Однако ампул 1 может быть другое количество.The drawing shows a variant of the ampoule device with three ampoules 1 installed in the vertical holes of the heat sink radiator 18, which are made at the same axial distance from the radiator axis, which makes it possible to test samples at the same neutron fluxes in the reactor. However, ampoules 1 may have a different number.

Работа предложенного ампульного устройства осуществляется следующим образом. Ампульное устройство, в состав которого входят несколько ампул 1 с исследуемыми образцами 2 микротвэлов, присоединяется к газовым коммуникациям реактора. При этом газовые магистрали верхняя 15 и нижняя 16 ампульного устройства соединяются с газовыми коммуникациями реактора, например, при помощи сварки. После выполнения контрольных операций проверки герметичности соединений и работоспособности термодатчиков (электрического сопротивления) полости ампул 1 заполняются гелием. При выходе устройства на номинальный режим фиксируются показания термодатчика 10 канала 9 и термодатчика 11 пробки 5 для каждой из ампул 1. Компенсация тепловых расширений графитовых вкладышей 3 в осевом направлении обеспечивается тарельчатыми пружинами 12. По показаниям термодатчиков 10 канала 9 и 11 пробки 5 и их соотношению с расчетными показаниями происходит выбор концентрации компонентов смеси инертных газов для каждой из ампул 1 с последующим заполнением через верхнюю 15 и нижнюю 16 газовые магистрали. Таким образом, достигается выполнение требований по обеспечению температурных режимов испытаний образцов 2 микротвэлов. Далее в соответствии с программой и методикой эксперимента производятся пробоотборы газовой среды из каждой ампулы 1 с последующим анализом результатов. В процессе выгорания образцов 2 микротвэлов для поддержания заданных температурных режимов испытаний происходит корректировка состава смесей инертных газов в терморегулирующих зазорах 7 каждой из ампул 1.The work of the proposed ampoule device is carried out as follows. The ampoule device, which includes several ampoules 1 with test samples 2 of microfuel elements, is connected to the gas communications of the reactor. In this case, the upper 15 and lower 16 gas lines of the ampoule device are connected to the gas communications of the reactor, for example, by welding. After performing the control operations of checking the tightness of the connections and the operability of the thermal sensors (electrical resistance), the cavities of the ampoules 1 are filled with helium. When the device reaches the nominal mode, the readings of the temperature sensor 10 of channel 9 and the temperature sensor 11 of the tube 5 for each of the ampoules 1 are recorded. with the calculated readings, the concentration of the components of the mixture of inert gases for each of the ampoules 1 is selected, followed by filling through the upper 15 and lower 16 gas lines. Thus, the fulfillment of the requirements for providing temperature conditions for testing samples of 2 microfuel rods is achieved. Further, in accordance with the program and methodology of the experiment, the gaseous medium is sampled from each ampoule 1 with subsequent analysis of the results. In the process of burning out samples 2 of microfuel rods, in order to maintain the specified temperature conditions of testing, the composition of inert gas mixtures in the temperature control gaps 7 of each of the ampoules 1 is adjusted.

Осуществление изобретения.Implementation of the invention.

Разработана конструкция ампульного устройства для испытаний образцов 2 микротвэлов в реакторе ИВВ-2М.The design of an ampoule device for testing samples of 2 microfuels in the IVV-2M reactor has been developed.

Ампульное устройство содержит корпус 17 из нержавеющей стали толщиной 1 мм и диаметром 55 мм, верхнюю и нижнюю герметизирующие торцевые заглушки 19 и 20, которые выполненные из нержавеющей стали, при этом в верхней герметизирующей торцевой заглушке 19 выполнены отверстия для верхней 15 и нижней 16 газовых магистралей, алюминиевый теплоотводящий радиатор 18 с выполненными в нем тремя вертикальными отверстиями, в которых расположены ампулы 1, и тремя отверстиями для нижних газовых магистралей 16.The ampoule device contains a body 17 made of stainless steel with a thickness of 1 mm and a diameter of 55 mm, upper and lower sealing end caps 19 and 20, which are made of stainless steel, while holes for the upper 15 and lower 16 gas lines are made in the upper sealing end cap 19 , an aluminum heat sink radiator 18 with three vertical holes made in it, in which ampoules 1 are located, and three holes for the lower gas lines 16.

Каждая ампула 1 имеет оболочку 8 из нержавеющей стали толщиной 1 мм, в которую помещены исследуемые (испытуемые) образцы 2 микротвэлов в графитовых вкладышах 3. Графитовые вкладыши 3 заключены в оболочку 4 из графита внешним диаметром 14 мм и толщиной 1 мм и снабжены верхней 5 и нижней 6 торцевыми пробками из графита, в которых выполнены отверстия диаметром 0,70…0,75 мм.Each ampoule 1 has a shell 8 made of stainless steel 1 mm thick, in which the studied (tested) samples of 2 microfuel elements are placed in graphite liners 3. Graphite liners 3 are enclosed in a shell 4 made of graphite with an outer diameter of 14 mm and a thickness of 1 mm and are equipped with top 5 and bottom with 6 graphite end caps, in which holes with a diameter of 0.70 ... 0.75 mm are made.

В каждом графитовом вкладыше 3 выполнено 45 регулярно расположенных вертикальных каналов диаметром 0,85…0,90 мм. В каждом канале установлены исследуемые образцы 2 микротвэлов диаметром 0,81 мм. Общая длина графитовых вкладышей 3 составляет 81 мм. Таким образом, в графитовых вкладышах 3 установлено суммарно 4500 микротвэлов.Each graphite insert 3 has 45 regularly spaced vertical channels with a diameter of 0.85…0.90 mm. In each channel, test samples of 2 microfuel rods with a diameter of 0.81 mm are installed. The total length of the graphite inserts 3 is 81 mm. Thus, a total of 4500 microfuels are installed in graphite liners 3.

Между верхней 5 и нижней 6 торцевыми пробками графитовых вкладышей 3 и верхней 13 и нижней 14 крышками ампулы 1 установлены тарельчатые пружины 12 из молибдена.Between the top 5 and bottom 6 end caps of the graphite inserts 3 and the top 13 and bottom 14 covers of the ampoule 1, belleville springs 12 made of molybdenum are installed.

Один термодатчик 10 канала введен в центральный осевой канал 9 графитовых вкладышей 3 по плотной посадке. Второй термодатчик 11 пробки расположен за пределами исследуемых образцов 2 микротвэлов и контактирует с верхней торцевой пробкой 5 графитовых вкладышей 3.One channel temperature sensor 10 is inserted into the central axial channel 9 of graphite inserts 3 in a tight fit. The second temperature sensor 11 of the tube is located outside the studied samples 2 of the microfuel and is in contact with the upper end cap 5 of the graphite inserts 3.

В данном облучательном устройстве, изготовленном и поставленном на испытания в ячейку исследовательского реактора ИВВ-2М, степень заполнения графитовых вкладышей 3 микротвэлами 2 обеспечена на уровне 8% от суммарного объема с пробками. Что позволило в одном устройстве обеспечить проведение испытаний образцов 2 микротвэлов в трех ампулах 1, каждая из которых содержит требуемое количество микротвэлов, сопоставимое с их количеством в разрабатываемых компактах. При этом обеспечены все три уровня среднеобъемных температур испытаний микротвэлов и заданная точность их контроля.In this irradiation device, manufactured and tested in the cell of the IVV-2M research reactor, the degree of filling of graphite liners 3 with microfuel 2 is provided at the level of 8% of the total volume with plugs. This made it possible in one device to provide testing of samples of 2 microfuels in three ampoules 1, each of which contains the required number of microfuels, comparable to their number in the developed compacts. At the same time, all three levels of average volumetric temperatures of microfuel testing and the specified accuracy of their control are provided.

Конструкция ампульного устройства позволяет обеспечивать температуру испытуемых образцов с заданной точностью при проведении реакторных испытаний микротвэлов с выполнением пробоотборов из рабочей полости каждой ампулы с целью определения целостности исследуемых образцов в процессе эксперимента.The design of the ampoule device makes it possible to ensure the temperature of the test samples with a given accuracy during reactor tests of microfuel rods with sampling from the working cavity of each ampoule in order to determine the integrity of the test samples during the experiment.

Claims

1. Ampoule irradiation device for reactor research, including at least one sealed ampoule, equipped with gas lines for its flow ventilation, with graphite liners installed in it with a gap and closed end caps, in which a plurality of regularly spaced vertical channels are made to accommodate the samples under study with a diameter comparable to the diameter of the samples under study, characterized in that the graphite liners have a central axial channel, in which at least one of the temperature sensors is installed in a tight fit, and at least one of the temperature sensors is installed in one of the end caps of the graphite liners, while the gas lines are connected to the top and bottom covers of the ampoule.

2. The device according to claim 1, characterized in that the diameter of regularly spaced vertical channels made in graphite inserts is not more than 1.1-1.2 of the diameter of the samples under study.

3. The device according to claim 1, characterized in that the end caps of the graphite inserts have through holes to control the leakage of gaseous fission products with a diameter not exceeding the diameter of the samples under study.

4. The device according to claim 1, characterized in that belleville springs are installed between the end caps of the graphite inserts and the upper and lower covers of the ampoules.