CC BY
11
УДК 621.311.25(06)
РАЗРАБОТКА МЕТОДИК НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЭЛОВ
С ПЛОТНЫМ топливом
А. Б. Круглов, В. Б. Круглов, П. Г. Стручалин, B.C. Харитонов
Описаны результаты разработки методик определения контактного термического сопротивления, между топливом и оболочкой твэлов и теплопроводности топлива, ориентированны,е на применение в условиях защитной камеры,. Приведена схема лабораторной установки, с помощью которой продемонстрирована работоспособность методик на макете твэла с имитаторами плотного топлива.
Ключевые слова: разработка методик неразрутпающего контроля, тештофизические свойства твэлов. контактное термическое сопротивление, теплопроводность, плотное топливо.
Введение. В быстрых реакторах нового поколения предполагается использование плотных видов топлив£ц в частности нитридного. Обоснование безопасности и экономичности работы активных зон реакторов требует Н<1Д6Жных дшшых по теплофизи-ческим свойствам, в частности по контактному термическому сопротивлению между топливом и оболочкой, по теплопроводности топлива и их изменению в ходе кампании.
Цель работы заключалась в разработке методик неразрутпающего контроля контактного термического сопротивления между топливом и оболочкой (rk) и теплопроводности топлива (\т) для твэлов с плотным топливом, ориентированных на проведение измерений в условиях защитной камеры.
Особенности проведения, исследований теплофизических свойств твэлов в защитной камере. Измерения теплофизических свойств облученных твэлов в защитной камере должны быть неразрутттающими и дистанционными. Разрушение твэла нарушает состав газовой среды под оболочкой твэла. изменяет давление, нарушается контакт между топливом и оболочкой, возможно разрушение целостности топливной таблетки.
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское шоссе, 31; e-mail: pstruchalin@mail.ru.
Полагается, что проведение неразрушающих измерений позволит использовать твэл для дальнейшего использования в активной зоне реактора для достижения более высокого выгорания.
Теплофизические свойства твэлов определяются в измерениях с использованием импульсного нагрева поверхности оболочки. Регистрация температуры в этом случае должна осуществляться бесконтактным способом. Высокая электропроводность плотного топлива исключает применение нагрева оболочки импульсом тока [1]. Для этой цели удобно использовать лазер. Высокая активность облученного топлива предполагает создание специальных оптических вводов для лазера и пирометра, с целью предотвращения выхода аппаратуры из строя.
Разработка методик определения контактного термического сопротивления между топливом и оболочкой и теплопроводности топлива. Контактное термическое сопротивление в разработанной методике определяется по характерному времени уменьшения температуры оболочки твэла в точке нагрева до половины от максимальной величины подогрева т\/2 = т^ после прекращения действия импульсного нагрева (рис. 1(а)).
Теплопроводность топливного сердечника определяется по термограмме тыльной стороны оболочки, в точке, противоположной центральной точке поверхности нагрева. В этом случае в качестве характерного времени также используется время т\/2 = т\ (рис. 1(6)).
т, с т, с
Рис. 1: Термограмма измерения: (а) при измерении контактного термического сопротивления; (б) при измерении теплопроводности топлива.
4
ПК
Рис. 2: Схема лабораторной установки: I - лазер; 2 - быстродействующий затвор; 3 -макет твэла; 4 - пирометр; 5 - селективное зеркало (АЫг = 0.532 мкм или 1.062 мкм); 6 - печь.
Выражения для гк и АТ получаются как эмпирические формулы, описывающие результаты численного расчета.
гк = го -А{Хт )/в {Хт), (1)
Ат = Чс (Гк)) , V
где г0 = 1 (м2-К)/Вт; А0 = 1 Вт/(м-К); А, В, С, Б - константы, зависящие от теплофи-зических свойств топлива и оболочки, определяемые тем же численным расчетом.
Так как характерные времена процессов тк и т\ зависят от определяемых в эксперименте теплопроводности топлива и контактного термического сопротивления, то при вычислении гк и Ат по экспериментальным термограммам используется итерационная схема.
Лабораторная установка. Для отработки методик была создана лабораторная установка (рис. 2).
Рис. 3: Результаты измерения Тк, ♦ - измерения;----расчет тк (1 - неокисленные
поверхности, 2 - окисленные поверхности).
24 22
16
200 250 300 350
Г,°С
Рис. 4: Результаты измерения Хт- ♦ - измерения;----данные [2].
Отработка методик осуществлялась на макете твэла, изготовленном из стали 12Х18Н10Т в виде оболочки 08.1 х 0.35 мм, заполненной цилиндрическими имитаторами топливных таблеток из той же стали. Внутренняя часть твэла заполнялась гелием при давлении 2 атмосферы, зазор между оболочкой и имитаторами в месте измерений составлял 0.01-0.02 мм. Выбор стали 12Х18Н10Т в качестве материала оболочки
и имитаторов топлива объясняется тем. что. во-первых, имеются надежные данные по ее теплофизическим свойствам [2] и. во-вторых, близостью этих свойств к свойствам топлива UX.
Тепловые импульсы создавались лазерами DTL-318 (0.35 Вт) и DTL-423 (2.5 Вт). Температура оболочки твэла регистрировалась пирометром Impac 140 с рабочим диапазоном 50-400 °С. Амплитуды подогревов оболочки при измерении контактного сопротивления составляли 6-8 °С, при измерении теплопроводности - 2-3 °С. Температура твэла и печи перед импульсом контролировалась термопарами хромель-алюмель с точностью ±0.02 °С.
Результаты измерении т^ и на макете твэла. Измерения проводились в диа-
°
Полученньте значения контактного термического сопротивления коррелируют с термическим сопротивлением газового зазора [3]. Экспериментальные значения теплопроводности имитаторов топлива сравнивались с данными для стали 12Х18Н10Т [2]. Максимальные погрешности методик составили 30% для контактного термического сопротивления и 8% для теплопроводности имитаторов топлива. Основной вклад в погрешность вносит погрешность измерения характерных времен Tk и г\ пирометром.
Заключение. В результате выполнения работы созданы методики неразрутттающих измерений контактного термического сопротивления между топливом и оболочкой и теплопроводности топлива тепловыделяющих элементов.
Проведены предварительные эксперименты с использованием макета твэла. демонстрирующие работоспособность предложенных методик.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. Б. Круглов. А. Б. Круглов. И. Г. Поздеева и др.. Известия вузов. Ядерная
энергетика 1. 146 (2010).
[2] Таблицы, стандартных справочных данных. Сталь нержавеющая марки
12X18H10T. Теплопроводность при температурах 340-1100 К (М., Издательство Стандартов. 1994).
[3] Л. С. Кокорев. В. В. Харитонов. Вопросы теплофизики ядерных реакторов, вы~ пуск IV, 17 (1974).
Печатается, по материалам III Международной молодежной научной школы-конференции "'Современные проблемы физики и технологийМосква, МИФИ, апрель 20Ц г.
Поступила в редакцию 7 мая 2014 г.
