DE2053925A1 - Reactor materials test rig - for use in reactor irradiation facility - Google Patents
Reactor materials test rig - for use in reactor irradiation facilityInfo
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Abstract
Description
Bestrahlungskapsel zum Einsatz in Experimentierkanälen von Kernreaktoren Die Erfindung betrifft eine Bestrahlungskapsel zum Einsatz in Experimentierkanälen von Kernreaktoren, bestehend aus einem geschlossenen Hüllrohr mit Durchführungen für Gas- und elektrische Anschlüsse, in welcher sich eine einseitig in einer Halterung fixierte und beheizte Probe befindet, wobei Längenänderungen der Probe mittels induktiven Wegaufnehmern gemessen werden.Radiation capsule for use in experimental channels of nuclear reactors The invention relates to an irradiation capsule for use in experimental channels of nuclear reactors, consisting of a closed jacket tube with bushings for gas and electrical connections, in which one is on one side in a holder Fixed and heated sample is located, changes in length of the sample by means of inductive Displacement transducers are measured.
Für die Entwicklung von Kernreaktoren sind Untersuchungen der Auswirkungen der Bestrahlung auf Materialien von entscheidender Bedeutung. Zu diesen Zweck werden unterschiedliche Bestrahlungseinrichtungen erforderlich.Impact studies are required for the development of nuclear reactors irradiation on materials is vital. Be for this purpose different irradiation facilities required.
An diese Bestrahlungseinrichtungen werden besonders hohe und differenzierte Anforderungen gestellt, wenn nicht lediglich orientierende Materialtests beabsichtigt sind, sondern während der Bestrahlung von Materialproben die Versuchsparameter (z.B.These irradiation facilities are particularly high and differentiated Requirements made, if only orientational material tests are intended are, but rather during the irradiation of material samples the test parameters (e.g.
Temperatur, Belastung, spezifische Wärmeleistung genau definiert, meßbar und regelbar sein sollen, so daß wissenschaftlich technisch auswertbare und mit anderen Versuchen vergleichbare Ergebnisse gewährleistet sind. Deshalb sind diese Bestrahlungseinrichtungen instrumentiert und meistens mit Regel- und Sicherheitssystemen versehen.Temperature, load, specific heat output precisely defined, should be measurable and controllable, so that scientifically technical evaluable and results comparable to other experiments are guaranteed. That's why these irradiation facilities are instrumented and mostly with control and safety systems Mistake.
Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Bestrahlungseinrichtung zu schaffen, die es erlaubt, in Kernreaktoren während des Betriebes, d.h. unter Bestrahlung, Längenänderungen von Kernbrennstoffpellets und Strukturmaterialien, die unter einer definierten Spannung stehen können, zu messen und daraus Werte für die Kriechgeschwindigkeit ermitteln zu können. Für die Handhabung der Versuchseinrichtung sollen keine nennenswerte zusätzliche Hilfseinrichtungen benötigt werden. Der Aufbau der Kapsel muß dabei möglichst kornpakt sein und auch bei langen Bestrahlungszeiten eine hohe Betriebssicherheit gewährleisten.The object of the invention is to provide an irradiation device create that allows nuclear reactors to operate during operation, i.e. under irradiation, Changes in length of nuclear fuel pellets and structural materials under a defined stress can be measured and from this values for the creep speed to be able to determine. For the handling of the test facility, no noteworthy additional auxiliary equipment is required. The structure of the capsule must be be as compact as possible and a high level of operational reliability even with long irradiation times guarantee.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der, der starren Probenhalterung entgegengesetzten Proben seite ein bewegliches Haltestück befestigt ist, auf welches der Wegaufnehmerkern direkt aufgeschraubt ist. In vorteilhafter Weise ist zwischen der starren Probenhalterung und dem beweglichen Haltestück ein Faltenbalg eingesetzt, der gleichzeitig die Längenänderungen der Probe kompensiert und als elastisches Zwischenglied die Belastung der Probe ermöglicht. Bei einer Bestrahlungskapsel für Brennstoffuntersuchungen mit Thermoelementen zur Ermittlung der Probentemperatur besteht die Probe vorteilhafterweise aus einzelnen Brennstofftabletten, die hintereinander aufgereiht und mittels Zwischenplättchen voneinander getrennt sind, wobei die Brennstoffpellets, in den Reaktor eingebracht, durch Kernspaltung Wärme erzeugen. Dabei befinden sich die Probe und Thermoelemente in einem Behälter, der mit einem Kühlmittel gefüllt ist und in dessen Wand der Faltenbalg als elastischer Kompensator eingesetzt ist, wobei die Behälterwand an der einen Seite des Faltenbalges eine starre Halterung der Probe und der Behälterteil an der anderen Seite des Balges ein bewegliches Haltestück mit dem aufgesetzten Wegaufnehmerkern bildet.This object is achieved according to the invention in that on the, the rigid specimen holder opposite specimen side a movable holding piece is attached, on which the displacement sensor core is screwed directly. In advantageous Way is between the rigid specimen holder and the movable holding piece Bellows are used, which at the same time compensates for changes in length of the sample and, as an elastic intermediate member, enables the sample to be loaded. At a Irradiation capsule for fuel studies with thermocouples for determination the sample temperature, the sample advantageously consists of individual fuel tablets, which are lined up one behind the other and separated from one another by means of intermediate plates are, the fuel pellets, introduced into the reactor, by nuclear fission Generate heat. The sample and thermocouples are in one container, which is filled with a coolant and in the wall of which the bellows is more elastic Compensator is used, the container wall on one side of the bellows a rigid holder of the sample and the Container part to the other Side of the bellows a movable holding piece with the attached displacement transducer core forms.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist dabei das bewegliche Haltestück eine axiale Längsbohrung auf, die an dem Aufschraubzapfen für den Wegaufnehmerkern aus der Kapsel austritt, zur Füllung der Kapsel dient und die durch Abschmelzen des Aufschraubzapfens verschließbar ist.According to a further advantageous embodiment of the invention, it has the movable holding piece has an axial longitudinal bore on the screw-on pin exits the capsule for the displacement transducer core, serves to fill the capsule and which can be closed by melting the screw-on pin.
Die Aufgabenstellung der Erfindung wird weiterhin durch eine Bestrahlungskapsel für Hüllmaterial in vorteilhafter Weise gelöst, bei welcher das bewegliche Haltestück der Probe durch einen Zylinderstift mit einem schalenförmigen Zuganker verbunden ist, der Haltestück, Wegaufnehmer und Wegaufnehmerhalterung längszylindrisch umgreift und der durch einen weiteren Zylinderstift und ein Druckkolben mit einem pneumatischen Belastungssystem in Verbindung steht, wobei einerseits die Kräfte durch den Zuganker und andererseits durch den AbstUtzteller und das Gehäuse vom Belastungssystem auf die Proben übertragen werden.The object of the invention is also achieved by a radiation capsule solved for wrapping material in an advantageous manner, in which the movable holding piece the specimen is connected to a cup-shaped tie rod by means of a cylindrical pin is, the holding piece, displacement transducer and displacement transducer holder engages longitudinally cylindrical and by a further cylinder pin and a pressure piston with a pneumatic one Load system is connected, on the one hand the forces through the tie rod and on the other hand by the support plate and the housing from the loading system the samples are transferred.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.Further details of the invention are given below with reference to FIG Figures 1 and 2 explained in more detail.
Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Bestrahlungskapsel, in welcher Längenänderungen an Brennstoff, z.B. Tabletten, unter Druck oder auch ohne Belastung gemessen werden sollen.1 shows a longitudinal section through an irradiation capsule according to the invention, in what length changes in fuel, e.g. tablets, under pressure or also should be measured without load.
Fig. 2 eine Bestrahlungskapsel, in welcher Strukturmaterialien, wie z.B. korrosionsfeste Stähle, bei Zugbeaufschlagung auf ihre Kriecheigenschaften untersucht werden.Fig. 2 shows a radiation capsule in which structural materials, such as e.g. corrosion-resistant steels, with tensile loading on their creep properties to be examined.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sitzt die eigentliche Probe 1, 2, von einem geeigneten Kühlmittel, z.B. NaK 12, umgeben, in einem inneren Behälter, der aus der Behälterwand 3, dem Faltenbalg 4, einem oberen 5 und einem unteren 6 Endstopfen, sowie aus dem Führungsstück 7 besteht. Die Probe besteht z.B. aus einzelnen Brennstofftabletten 1, die hintereinander aufgereiht und durch Zwischenplättchen 2 aus wärmebestandigem Material, wie z.B.As can be seen from Fig. 1, the actual sample 1, 2, sits from one suitable coolant, e.g. NaK 12, in an inner container which consists of the container wall 3, the bellows 4, an upper 5 and a lower 6 end plug, as well as the guide piece 7. The sample consists e.g. of individual fuel tablets 1 lined up one behind the other and through Intermediate plate 2 off heat-resistant material, e.g.
Molybdän, voneinander getrennt sein können. Die Tabletten 1 und die Zwischenblättchen 2 weisen eine znetrale Bohrung auf und sind auf einem Tauchrohr 8, das im Boden des unteren Endstopfens 6 eingeschweißt ist, aufgefädelt. Dadurch sind sie in radialer Laye fixiert. Durch den unteren Endstopfen 6, den Behälterboden, sind mehrere Tauchrohre 8, 9 zur Aufnahme von Thermoelementen 10, 11 hindurchgefuhrt und dicht eingeschweißt. Ein zentrales Tauchrohr 8 befindet sich in der Mitte, auf dem die eigentliche Probe 1, 2 zentriert ist und weitere (z.B. vier Tauchrohre 9) auf einem bestimmten Lochkreis um die Probe 1, 2 herum. Mit dem zentralen Thermoelement 10 kann die Probenzentraltemperatur und mit den äußeren Thermoelementen 11 kann die Temperatur der Probenumgebung, z.B. des Flüssigmetalls 12 gemessen werden. Die Thermoelemente 10, 11 werden unterhalb der Tauchrohre 8, 9 nach außen umgebogen und in den Nuten des Formkörpers 16 nach oben weitergeführt. Molybdenum, can be separated from each other. The tablets 1 and the Intermediate leaflets 2 have a central bore and are on a dip tube 8, which is welded into the bottom of the lower end plug 6, threaded. Through this they are fixed in a radial layer. Through the lower end plug 6, the container bottom, several immersion tubes 8, 9 for receiving thermocouples 10, 11 are passed through and tightly welded. A central immersion tube 8 is located in the middle which the actual sample 1, 2 is centered and others (e.g. four dip tubes 9) on a certain bolt circle around the sample 1, 2. With the central thermocouple 10 can be the central sample temperature and with the outer thermocouples 11 can the temperature of the sample environment, e.g., of the liquid metal 12, can be measured. the Thermocouples 10, 11 are bent outwards below the immersion tubes 8, 9 and continued upward in the grooves of the molded body 16.
Die Längenändrunoen der Probe 1, 2 infolge thermischer änderung3, Schwellens oder Kriechens der Brennstoffprobe 1 werden von einem Faltenbalg 4 aufgenommen, der unten mit der Behälterwand 3 und oben mit einem Führungsstück 7 gegen seitliches Ausknicken des Faltenbalges 4 verschweißt ist. In diesem Führungsstück 7 ist der ohere Endstopfen S des Innenbehälters, der sogenannte Druckendstopfen 5 eingeschraubt und ebenfalls verschweißt. Mit Hilfe des Gewindes 13 am Druckendstopfen 5 kann vor dem Verschweißen über einen Stempel eine gewisse Druckkraft als Vorspannung auf die Probe 1, 2 aufgebracht werden. Der Druckendstopfen 5 trägt einen Einfüllstutzen 14, der nach dem Einfüllen des Kühlmediums 12 dicht verschweißt wird. Die nehälterwand 3 kann über Zentrierrippen 15 so in dem umgebenen Formkörper 16 zentriert werden, daß während des Betriebs ein konzentrischer Ringspalt 17 bestimmter Breite gewährleistet ist. Durch Veränderuncj dieser Gasspaltbreite 17 ist im wesentlichen eine Einstellung der Probentemperatur möc3-lich. Abt lurch Wahl des Kühlmediums und der Spaltbreiten zwischen Probe 1, 2 und Probenbehälter 3, 4, 5, 6, 7 und zwischen Formkörper 16 und äußerem Kapselrohr 18 ist ein Einfluß auf die Probentemperatur gegeben.The length changes of sample 1, 2 due to thermal change3, Swelling or creeping of the fuel sample 1 are absorbed by a bellows 4, the bottom with the container wall 3 and above with a guide piece 7 against the side Buckling of the bellows 4 is welded. In this guide piece 7 is the The upper end plug S of the inner container, the so-called pressure end plug 5, is screwed in and also welded. With the help of the thread 13 on the pressure end plug 5 can before the welding via a stamp on a certain compressive force as a preload the sample 1, 2 are applied. The pressure end plug 5 carries a filler neck 14, which is welded tightly after the cooling medium 12 has been filled. The container wall 3 can be centered in the surrounding molded body 16 via centering ribs 15, that ensures a concentric annular gap 17 of a certain width during operation is. By changing this gas gap width 17 there is essentially an adjustment the sample temperature possible. By choosing the cooling medium and the gap widths between sample 1, 2 and sample container 3, 4, 5, 6, 7 and between Molded body 16 and outer capsule tube 18 is an influence on the sample temperature given.
Im oberen Teil des Formkörpers 16 ist der Spulenkörper 19 des induktiven Wegaufnehmers fest eingepreßt und verschraubt. Auf den Einfüllstutzen 14, bzw. auf den oberen Endstopfen 5, der das bewegliche Haltestück der Probe 1, 2 bildet, ist der zylindrische Kern 20 des Wegaufnehmers aufgeschraubt und berührungslos im Magnetspulenkörper 19 geführt, wo er eine der Längenänderung proportionale Spannung induziert.In the upper part of the molded body 16 is the coil body 19 of the inductive Position transducer firmly pressed in and screwed. On the filler neck 14 or on the upper end plug 5, which forms the movable holding piece of the sample 1, 2, is the cylindrical core 20 of the displacement transducer is screwed on and without contact in the magnet coil body 19, where it induces a voltage proportional to the change in length.
Der Formkörper 16, in dem der innere Behälter 3, 4, 5, 6, 7 mit der Probe 1, 2 fest verschraubt ist, sitzt zentrisch in einem äußeren Kapselrohr 18, in das der gewünschte Gasdruck (z.B. 40 kp 2 pro cm ) eingespeist wird. Dieser Gasdruck bewirkt über die Fläche des oberen Endstopfens 5 die Ausübung einer bestimmten Kraft auf die Probe. Der durch die Kraft bewirkte Dehnweg wird über den Faltenbalg 4 aufgenommen.The molded body 16, in which the inner container 3, 4, 5, 6, 7 with the Sample 1, 2 is firmly screwed, sits centrally in an outer capsule tube 18, into which the desired gas pressure (e.g. 40 kp 2 per cm) is fed. This gas pressure causes a certain force to be exerted over the surface of the upper end plug 5 to the test. The expansion path caused by the force is absorbed by the bellows 4.
In dem äußeren Kapselrohr 18 können auch mehrere Formkörper 16 mit Probeneinsätzen 1, 2 übereinander angeordnet werden.In the outer capsule tube 18, several molded bodies 16 can also be included Sample inserts 1, 2 are arranged one above the other.
Die als Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 beschriebene Versuchseinrichtung wird in einem wassergekühlten Kernreaktor mit niedriger Wassertemperatur eingesetzt. Die in der Probe 1, 2 durch Kern spaltung erzeugte Wärmemenge wird an das Reaktorwasserabgegeben, das in einem Ringspalt am äußeren Kapselrohr 18 entlanggeführt wird.The experimental device described as an embodiment according to FIG. 1 is used in a water-cooled nuclear reactor with low water temperature. The amount of heat generated in sample 1, 2 by nuclear fission is given off to the reactor water, which is guided along the outer capsule tube 18 in an annular gap.
Der äußere Durchmesser eines Probeneinsatzes kann z.B. 30 mm bei einer Länge von ca. 170 mm betragen, weshalb sich die Bestrahlungskapsel. besonders für den Einsatz in engen Reaktorkanälen eignet.The outer diameter of a sample insert can be, for example, 30 mm for a Length of about 170 mm, which is why the radiation capsule. especially for suitable for use in narrow reactor channels.
Die Fig. 2 zeigt eine andere konstruktive Ausführung der Erfindung, mit welcher Kriechversuche unter Zugbelastung an Strukturmaterialien durchgeführt werden.Fig. 2 shows another structural embodiment of the invention, with which creep tests carried out under tensile load on structural materials will.
Die Zugprobe 30 ist auf der einen Seite mittels einer Halteplatte 31 in der Bohrung 52 eines Gehäuseteiles 32 starr gehalten. Die Halteplatte 31 weist Bohrungen 33 zur DurchfUhrung der Zuleitungen für die um die Probe gewickelten Heizleiter 34, 35, 36 auf. Weitere Öffnungen 37 sind für die Durchführung der Zuleitungskabel von Thermoelementen vorgesehen. Die bewegliche Seite der Probe bildet ein Haltestück 38, welches in einer Bohrung von einem Zylinderstift 39 durchsetzt wird. In der Verlängerung des Haltestückes 38, das gleichzeitig als Führungskolben ausgebildet ist und in dem Gehäuseteil 32 gleitet, ist der zylindrische Kern 40 eines induktiven Wegaufnehmers direkt aufgeschraubt. Der Wegaufnehmerkern 40 gleitet berührungslos in der Bohrung eines Wegaufnehmerspulenkörpers 41, Dabei weist der Kern 40 eine zentrale Längsbohrung 42 auf, die zur Aufnahme von Thermoelementen bestimmt ist.The tensile specimen 30 is on one side by means of a holding plate 31 held rigidly in the bore 52 of a housing part 32. The holding plate 31 has Bores 33 for the implementation of the supply lines for the heating conductors wound around the sample 34, 35, 36 on. Further openings 37 are for the implementation of the supply cable provided by thermocouples. The movable side of the sample forms a holding piece 38, which is penetrated by a cylinder pin 39 in a bore. In the Extension of the holding piece 38, which is also designed as a guide piston is and slides in the housing part 32, the cylindrical core 40 is an inductive Displacement transducer screwed on directly. The displacement transducer core 40 slides without contact in the bore of a position transducer bobbin 41, the core 40 has a central longitudinal bore 42, which is intended to receive thermocouples.
Durch den Gehäuseteil 32 wird der Spulenkörper 41 abgestützt. An der der Probe 30 abgewandten Seite des Spulenkörpers 41 ist ein Druckstück 43 eingesetzt, das an einem Bund 44 des Gehäuses 32 anliegt und den Spulenkörper 41 über die Federscheibe 45 federnd einpreßt. An der anderen Seite des Druckstückes 43 ist ein pneumatisches Belastungssystem in Form eines Faltenbalges 46 angesetzt, welches innerhalb des Gehäuses 32 geführt wird, sich einerseits an dem Gehäuse 32 über das Druckstück 43 abstützt und andererseits die bei Druckaufgabe aber die Zuleitung 47 entstehende Kraft auf ein Flanschstück 48 und einen weiteren Zylinderstift 49 überträgt. Die über ihre Haltestücke 48 bzw. 38 hinausragenden Zylinderstifte 49 bzw. 39 sind durch außerhalb des Gehäuses 32 an dessen Umfang in Nuten laufende , schalenförmige Zuganker 50, welche die gesamte Anordnung zum Teil längszylindrisch umgreifen, miteinander verbunden. Die Zuganker 50 sind in der Fig. 2 schematisch durch strichpunktierte Linien darge'ellt Das Gehäuse 32 mit den Zugankern 50 ist innerhalb eines Rohres 51 angeordnet, welches das Kapsel innere vom Reaktorraum bzw. vom ReaktorkUhlmittel trennt.The coil body 41 is supported by the housing part 32. At the the side of the bobbin 41 facing away from the sample 30, a pressure piece 43 is inserted, which rests against a collar 44 of the housing 32 and the coil body 41 via the spring washer 45 presses in resiliently. On the other side of the pressure piece 43 is a pneumatic one Loading system in the form of a bellows 46 attached, which is within the Housing 32 is guided on the one hand on the housing 32 via the pressure piece 43 and, on the other hand, the supply line 47 which is produced when the printing is performed Force on a flange piece 48 and another cylinder pin 49 transmits. the cylinder pins 49 and 39 protruding beyond their holding pieces 48 and 38 are through outside of the housing 32 on its circumference running in grooves, shell-shaped tie rods 50, which partially encompass the entire arrangement in a longitudinally cylindrical manner, with one another tied together. The tie rods 50 are shown schematically in FIG. 2 by dash-dotted lines Lines shown. The housing 32 with the tie rods 50 is inside a tube 51 arranged, which the capsule interior from the reactor space or from the reactor coolant separates.
Wird nun Druck auf das pneumatische Belastungssystem 46, 47 gegeben, so wird die Probe 30 mit Zug belastet. Mittels der drei Iieizleiter 34, 35, 36 kann die Probe 30 beheizt werden, wobei durch die besondere Aushildung der Heizung ein Ausgleich von Temperaturscllieflagen infolge ungleichmäßiger t-IIeizung und unregelmäßigem Wärmeabfluß ermöglicht wird.If pressure is now applied to the pneumatic loading system 46, 47, so the sample 30 is loaded with tension. By means of the three Iieizleiter 34, 35, 36 can the sample 30 can be heated, whereby due to the special training the heater is a Compensation of temperature fluctuations as a result of uneven and irregular heating Heat flow is enabled.
Die mit der Erfindung beider Ausführungen verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Verwendung eines induktiven Meßsystems eine besonders kompakte Bauweise erreicht wird und damit Längenänderungen mit hoher Genauigkeit ermittelt werden können, da z.B. thermische Längenänderungen klein bleiben.The advantages associated with the invention of both versions exist in particular that by using an inductive measuring system a special compact design is achieved and thus length changes with high accuracy can be determined because e.g. thermal changes in length remain small.
Außerdem können mehrere Proben mit je einem Meßsystem übereinander in einem äußeren Kapselrohr untergebracht werden. Für jeden Prüfling kann eine charakteristische Kriechkurve aufgenommen werden. Die Bestrahlungskosten je Prüfling können entsprechend der Anzahl der Kriechvorrichtungen, die in einen Kanal eingesetzt werden gesenkt und die vorhandene Bestrahlungskapazität besser genutzt werden.In addition, several samples, each with a measuring system, can be stacked on top of one another be housed in an outer capsule tube. A characteristic Creep curve can be recorded. The irradiation costs per test item can be adjusted accordingly the number of creep devices that are inserted into a channel is reduced and the existing irradiation capacity can be better used.
Weiterhin ist die Regelstrecke zur Konstanthaltung und Einregulierung der Prüflinystemperatur bei einer Konstruktion gemäß Fig. 2 mit kleinen Totzeiten behaftet. Wärmedehnungen und Verformungen des Belastungssystems, einschließlich der Zuganker und deren Anlenkung, 7lagen keinen Einfluß auf das Meßergebnis.Furthermore, the controlled system is for keeping constant and regulating the test system temperature in a construction according to FIG. 2 with small dead times afflicted. Thermal expansions and deformations of the loading system, including the tie rods and their linkage have no influence on the measurement result.
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