Исследования термоэмиссионных сборок ЯЭУ - Реакторные испытания теплофизических макетов петлевого канала

1. Реакторные испытания теплофизических макетов петлевого канала с моделями электрогенерирующих элементов или сборок

В практике РКК «Энергия» организации петлевых реакторных испытаний ЭГС одним из обязательных этапов был этап испытаний специальных теплофизических макетов (ТФМ) с моделями ЭГЭ, точнее топливно-эмиттерных узлов, размещенных внутри высокотемпературных калориметров интегрального теплового потока. Испытания ТФМ проводятся до начала петлевых испытаний ЭГС (21, 29, 156).
Основной задачей испытаний ТФМ было определение абсолютного значения и пространственного распределения тепловыделения вдоль ЭГС. Это достигалось с помощью измерения тепловой мощности Qi топливно-эмиттерных узлов нескольких отдельных ЭГЭ при испытаниях ТФМ в сформированной активной зоне реактора.
Метод определения тепловой мощности каждого ЭГЭ Qi заключается в определении коэффициента пропорциональности N измеряемой при испытаниях ТФМ тепловой мощности в топливном сердечнике каждого ЭГЭ к тепловой мощности N(или к плотности нейтронного потока φ в петлевой ячейке) конкретно набранной активной зоны исследовательского реактора:
(6.3)
Задачей испытаний ТФМ является нахождение коэффициента Аi для (6.3) для каждого ЭГЭ в ЭГС, который будет испытываться в этой же ячейке реактора. Зная Qi, легко определить Qэгс.
Для перевода электрических сигналов калориметра в тепловую мощность Q каждый калориметр должен быть отградуирован. Для этого внутри калориметра размещается электронагреватель, который позволяет проводить градуировку калориметра как до установки его в реактор, так и непосредственно во время реакторных испытаний ТФМ.
Зная мощность секций стендового нагревателя или каждого из встроенных нагревателей Wi и электрические сигналы каждой секции Ej, определяют коэффициенты чувствительности (градуировочные характеристики) каждой секции для разных температур
(6.4)
При проведении петлевых испытаний с помощью зондов- термопар измеряют электрический сигнал Ei и среднюю температуру Тi каждой секции калориметра. После этого тепловую мощность каждого элемента определяют по соотношению
(6.5)
Для повышения точности измерений периодически в процессе ресурсных испытаний проводят корректировку градуировочной характеристики (6.4). Для этого токоподводы каждой секции подключают к внешнему источнику тока, измеряют подводимую к каждому нагревателю электрическую мощность Wi измеряют изменение электрического сигнала каждой секции dEi. Повторив это для разных температур секций, соответственно получают новую градуировочную характеристику каждой секции по выражению
(6.6)
После этого тепловую мощность определяют по формуле (6.5) с использованием новой градуировочной характеристики (6.6). Возможно определение Qi и по более сложной формуле с учетом генерируемой ЭГС электроэнергии.
При реакторных испытаниях ТФМ наряду с определением Qi одновременно в тех же исследованиях можно найти многие важные для последующих реакторных испытаний характеристики не только ЭГС, но и системы петлевой канал с ЭГС — исследовательский реактор. Так, дополнительными задачами испытаний ТФМ были [156]:

1. контроль реактивности, вносимой ПК с ЭГС, и определение возможной длительности кампании исследовательского реактора при проведении испытаний конкретного ПК;
2. формирование требуемого профиля тепловыделения Qi(z) по высоте ЭГС, а в некоторых случаях и требуемого спектра нейтронов;
3. измерение радиационного энерговыделения в конструкционных материалах петлевого канала;
4. отработка новых измерительных или испытательных систем ПК и проведение нескольких диагностических экспериментов, которые удобнее или безопаснее провести на макете ЭГС, чем непосредственно на ЭГС при петлевых испытаниях.

Одной из важных задач, которую вряд ли удалось решить без испытаний ТФМ, являлось формирование требуемого профиля тепловыделения Qi(z) по высоте ЭГС, а в некоторых случаях и требуемого спектра нейтронов. Оно осуществлялось с использованием специально разработанного устройства регулирования пространственного распределения тепловыделения в виде секционированной камеры, заполняемой поглотителем нейтронов 3Не [185], описанной в §4.10. Формирование требуемых условий испытаний осуществлялось при проведении испытаний ТФМ путем подбора давления 3Не в секциях устройства, результаты такого подбора приведены на рис. 4.30 [228]. Испытанный ТФМ содержал шесть моделей сердечников диаметром 9 и длиной 30 мм, набранных из таблеток UO2 90-процентного обогащения. Было показано, что при постоянной мощности реактора с ростом давления 3Не от 0 до примерно 1 МПа, мощность ЭГС плавно уменьшалась почти в 2 раза. Подбором давления можно обеспечить полное выравнивание Qi(z) и изменение уровня Qi(z) при сформированном профиле (см. рис. 4.30). При этом существенно выравнивается распределение плотности делений по диаметру сердечника, кадмиевое отношение (по золоту) падает с 12 до 0,6, т. е. спектр нейтронов становится достаточно жестким, приближаясь к спектру ТРП на быстрых нейтронах. Отметим, что для соблюдения условий обеспечения ядерной безопасности изменение давления 3Не в секциях не разрешается проводить при работающем реакторе, т.е. каждое изменение давления 3Не требует остановки реактора.

Рис. 6.6. Распределение плотности объемного тепловидения в топливных сердечниках ЭГС, полученное с помощью передвигающегося по высоте ячейки реактора (ЦАЗ — центр активной зоны)

Измерение радиационного энерговыделенияв конструкционных материалах ПК как внутри активной зоны, так и за ее пределами также наиболее удобно проводить с использованием специального ТФМ, например, с передвигающейся по высоте реактора ВКС с несколькими калориметрами интегрального теплового потока, внутри которых размещались материалы, используемые при изготовлении конструкции ПК (нержавеющая сталь, ниобий и др.). Использовались и ТФМ, которые можно было передвигать по высоте ячейки реактора (рис. 6.6). Испытания ТФМ позволили выявить особенности в поведенииТак, если ПК окружен или испытывается внутри сильного поглотителя нейтронов, например, внутри секционированной камеры с 3Не, который приводит к заметной депрессии нейтронов в активной зоне вблизи петлевой ячейки, то наблюдается заметное снижениеотносительно невозмущенной зоны. Ресурсные испытания специального ТФМ показали, что значениеявляется функцией не только координат, но и времени. При постоянной мощности реактораво всех конструкционных материалах монотонно увеличивается (для нержавеющей стали на 30% за двухнедельный цикл), причем можно выделить два этапа с разным темпом роста первый (до трех суток), характеризующийся относительно быстрым ростом, обусловленный извлечением компенсирующих стержней и накоплением короткоживущих продуктов деления; второй с более медленным ростом, вызванный накоплением долгоживущих источников γ-излучения. При повторных выходах на мощность картина полностью повторяется.
В качестве примера использования ТФМ с макетами ЭГЭ или ЭГС для отработки новых измерительных или испытательных систем ПК и проведения диагностических экспериментов укажем, что описанное в § 5.5 встраиваемое в ПК калориметрическое устройство (БДТ) до петлевых испытаний отрабатывалось на специальном ТФМ. Также на специальном ТФМ с моделями ЭГЭ отрабатывалась встраиваемая в ПК автономная система регулирования тепловыделения на основе пары активированный уголь — кадмий [229].

Загрузка петлевого канала в ячейку ядерного реактора и выгрузка из него

До загрузки ПК в ячейку реактора проводят внешний осмотр, контроль состояния датчиков и электрических цепей. После закрепления ПК в ячейке реактора подсоединяются вакуумные системы, газовые тракты и системы управления. Так, на реакторе АМ, когда ПК не имеет наведенной активности, первоначальная загрузка проводится в следующей последовательности: подсоединение линий охлаждения (в реакторе АМ ПК снабжен автономной системой охлаждения), подсоединение высоковакуумного контура, подсоединение основных токонесущих шин, подсоединение термопар и датчиков. Отметим, что проверка термопар и датчиков выполняется два раза: после монтажа ПК в ячейку реактора и после подсоединения всех разъемов, причем последнюю проводят с пульта управления.
После соответствующих проверок правильности и герметичности подсоединения осуществляется холодная и горячая дегазации ЭГС и полостей ПК в соответствии с программой, описанной ниже.
Как правило, загрузка и выгрузка ПК из реактора бывают однократными. Временное извлечение ПК из реактора нежелательно и обычно не практикуется, так как сопряжено с трудностями повторной (практически дистанционной) загрузки в реактор ПК с наведенной активностью. Однако в целом такие операции отработаны и не представляют технических трудностей. В практике петлевых испытаний автора выгрузка с повторной загрузкой ПК осуществлялись в следующих случаях:

1. в соответствии со специальной исследовательской программой петлевых испытаний, предусматривающей периодическое (в процессе испытаний) извлечение ПК для проведения нейтронографии с целью изучения кинетики процессов массопереноса топлива в сердечниках ЭГЭ и нейтронографического контроля состояния топливно-эмиттерных узлов [141];
2. для анализа с помощью нейтронографической установки аномального поведения испытываемой ЭГС или непонятных результатов испытаний, прежде всего тогда, когда это может быть связано с поведением топлива (например, аномально быстрого выноса топлива через ГОУ и попадания его в межэлементные промежутки и даже в МЭЗ);
3. для замены (или установки) снаружи корпуса ПК специальных вытеснителей с поглощающими нейтроны вставками для изменения уровня мощности или распределения тепловыделения вдоль испытываемой ЭГС;
4. для выполнения мелкого ремонта ПК, например, замены негерметичных прокладок между ампулой ПК и штангой.

ПК демонтируют после проведения испытаний. Как и временное извлечение ПК демонтажные работы являются радиационно опасными и требуют предварительной (в некоторых случаях до двух-трех суток) остановки реактора для расхолаживания и частичного «высвечивания» ПК.
Обычно наибольшая активность сосредоточена в так называемой головке ПК, где температура ниже, чем в остальной конструкции ПК. Здесь оседают мигрирующие изотопы 134Cs (период полураспада 2,3 года), наактивированные из естественного 137Cs источника пара цезия, и осколочный изотоп цезия, а также многие короткоживущие изотопы по цепочкам распада. Они и создают наибольшую активность этой части ПК.
После двух-трех суток выдержки для спада γ-активности конструкции ПК, дистанционно управляя, извлекают ПК из ячейки реактора с помощью крана и тех же приспособлений, что и при извлечении обычных твэлов или кассет реактора и других экспериментальных каналов (облучательных устройств).
Конкретные этапы выгрузки зависят от типа реактора, на котором проводят испытания.  После снижения мощности реактора до нулевого значения и выдержки отключают вакуумные насосы. Полости ПК заполняют чистым инертным газом, обычно аргоном, который предохранит рабочие поверхности электродов от химических реакций при контакте с атмосферным воздухом. ПК извлекают из реактора и при наличии нейтронографической установки выполняют послереакторные нейтронографические исследования испытанной ЭГС и систем ПК, после чего переносят ПК в емкость выдержки, затем его направляют в камеры предварительной разделки. Здесь отрезанную часть ПК, содержащую ЭГС, помещают в легкий переносной контейнер, который дистанционно помещают в транспортный контейнер для транспортировки в горячую лабораторию для послереакторных исследований испытанной ЭГС, если это предусмотрено программой, или в хранилище твэлов.