В процессе разработки и изготовления головных зон проводят различные испытания твэлов вне реактора, и хотя эти испытания не обеспечивают полной гарантии работоспособности в реакторных условиях в течение всей кампании, все же они дают возможность своевременно выявить слабые места конструкции, качества изготовления и контроля твэлов и внести необходимые коррективы.
Механические испытания.
При работе в реакторе твэлы подвергаются вибрационным нагрузкам. Причиной вибраций являются флуктуации потока теплоносителя, завихрения турбулентного потока теплоносителя у торцов твэлов. В твэлах судовых реакторов возникают вибрации вследствие вибрации самого судна. Во избежание вибраций на концевых частях ТВС реактора атомного судна «Саванна» предусмотрены специальные демпфирующие пружины. Кроме вибраций в судовых реакторах возможны ударные нагрузки, например при столкновении ледокола со льдами или другим судном. Поэтому обязательно следует проверять способность твэлов выдерживать вибрационные и ударные нагрузки.
При гидравлических испытаниях сборок с пластинчатыми твэлами реакторов MTR и ETR с топливом U — А1 и оболочками из алюминия при скоростях теплоносителя, превышающих на 40% максимальную скорость теплоносителя в реакторах, 18 из 421 сборки не выдержали испытания. На рис. 7.22 показана типичная сборка с пластинчатыми твэлами, не выдержавшая гидравлических испытаний.
Весьма эффективным и быстрым испытанием механической прочности твэла является испытание на отрыв оболочки от топливных сердечников. Недостатком метода является качественный, а не количественный характер данных, т. е. большую роль играет субъективная оценка лица, производящего испытание. Однако, несмотря на простоту испытания, метод позволяет судить о качестве диффузионной связи между сердечником и оболочкой твэла.
Тепловые испытания.
Во время работы в твэлах возникают температурные перепады, вызывающие термические напряжения; общий разогрев твэла также приводит к возникновению напряжений вследствие разницы коэффициентов термического расширения материалов твэла. Успешная работа твэла в реакторе зависит от правильно выбранного режима эксплуатации. Поэтому значительное внимание уделяется различным тепловым испытаниям твэлов.
Рис. 7.22. Сборка с пластинчатыми твэлами, не выдержавшая гидравлических испытаний
Одним из них является испытание на тепловой удар: твэл нагревают до определенной температуры и затем резко охлаждают в воде. При таком испытании, повторяемом несколько раз, р твэле возникают напряжения, обусловленные различием коэффициентов термического расширения материалов твэла и температурными перепадами при охлаждении. Такие напряжения могут вызвать растрескивание, коробление, нарушение диффузионного сцепления, отслоение оболочки, ее вспучивание и другие повреждения.
Были проведены испытания на тепловой удар трубчатых твэлов с топливным сердечником из двуокиси урана и нержавеющей стали и оболочкой из нержавеющей стали. Твэлы нагревали до 1000 °С и резко охлаждали в воде комнатной температуры; операцию проводили до 10 раз и все твэлы выдержали испытания без нарушения диффузионного сцепления вследствие небольшой разницы коэффициентов термического расширения сердечника и оболочки.
Стержневые твэлы реактора «Энрико Ферми» диаметром 4 и длиной 775 мм с топливным сердечником U—10% Мо и оболочкой из циркония толщиной 0,102 мм испытывали следующим образом: 25 циклов в температурном интервале 110—815°С, нагревание проводилось в натрии; 100 циклов в интервале 40—580 °С в вакууме; 98 циклов в интервале 145—605 °С в вакууме.
Для оценки работоспособности твэлов необходимо знать распределение температур по сечению твэла в рабочих условиях, так как максимальная температура определяющим образом влияет на совместимость материалов твэла, а температурные перепады обусловливают термические напряжения. С учетом этих условий проводят тепловые испытания твэлов.
Для определения температурного распределения по сечению твэла используют моделирование. Наиболее удобным методом моделирования тепловых процессов является метод электрических аналогий. Этот метод основан на том, что распределение тепла и электрического потенциала в объекте описываются одними и теми же дифференциальными уравнениями. Метод электрического моделирования может быть использован в двух видах — моделирование с помощью электрических сеток и моделирование с помощью электропроводящей бумаги.
При первом способе сечение твэла моделируется совокупностью сосредоточенных электрических элементов.
При втором способе сечение твэла моделируется с помощью электропроводящей бумаги. При этом переходное сопротивление от поверхности твэла к теплоносителю моделируется дополнительными длинными полосками бумаги. Сопротивление бумаги можно менять в довольно широких пределах путем пробивания в ней отверстий.
Для проведения теплотехнических испытаний (при определении критических тепловых потоков, гидравлического сопротивления, гидродинамической устойчивости) создают теплотехнические стенды. На этих стендах определяют критические тепловые потоки как для одиночных твэлов, так и для ТВС. Момент наступления кризиса теплосъема можно фиксировать визуально по изменению цвета образца во время наблюдения или определять термоэлектрическим прибором, состоящим из поверхностной термопары и быстродействующего автоматического электронного потенциометра; на стендах также измеряют расход и температуру теплоносителя. Принципиальная схема стенда приведена на рис. 7.23.
На таком стенде определяли критические тепловые нагрузки в режиме кипения при принудительном движении пароводяной смеси в интервале давления 10—20 МПа для каналов с шестью параллельно соединенными кольцевыми твэлами; изучали возможность возникновения и развития пульсаций пароводяной смеси в пароперегревательных твэлах, временное ухудшение теплоотвода в момент замены пароводяной смеси сухим насыщенным паром, исследовали «зависание» смеси в одном из твэлов вследствие неравномерного распределения ее по другим твэлам канала при выходе на паровой режим, а также исследовали Другие режимы, которые могут возникнуть при эксплуатации.
Коррозионные испытания твэлов.
Коррозионную стойкость твэлов проверяют в специальных петлях с циркуляцией теплоносителя в режиме, близком к рабочим условиям, или испытаниями в автоклавах. Испытание твэлов в петлях более представительно, так как кроме коррозионной стойкости проверяется также и эрозионная стойкость.
Рис. 7.23. Принципиальная схема теплотехнического стенда:
1 — контактная колонка с рабочим участком, нагрузочным трансформатором и регулировочным автотрансформатором; 2 — расходомерная диафрагма; 3 — главный теплообменник; 4 — циркуляционный насос; 5 — холодильник циркуляционного насоса; 6 — вспомогательный теплообменник; 7 — электроподогреватель; 8 — фланцевое соединение с электроизоляцией; 9 — электрообогреватель; 10 — сливная воронка для дренажа воды; 11— пробоотборник для анализа проб воды па газосодержание; 12 — компенсатор давления; 13 — бак с водой для подпитки; 14 — поршневой подпитывающий насос; 15 — газовый баллон с азотом
Такие испытания, хотя и в отсутствие нейтронного поля дают достаточно хорошие сведения для предварительной оценки коррозионной и эрозионной стойкости твэлов.
