Ампула для внутрішньореакторних випробувань конструкційних матеріалів

Изобретение относится к области механических испытаний материалов на растяжение, ползучесть, длительную прочность и трещиностойкость в каналах ядерных реакторов. Известны устройства для исследований физико-механических характеристик конструкционных материалов в условиях интенсивных радиационных полей и больших энерговыделений, достигающих иногда десятки ватт на грамм облучаемого вещества. При таких энерговыделениях довольно сложно проводить испытания образцов, температура которых не должна превышать 700 - 800К. Известны методы и устройства регулировки (уменьшения) температуры образцов за счет вариации мощности реактора или за счет изменения теплоотдачи от элементов испытательной ампулы к стенке реактора путем изменения коэффициента теплопроводности газовой среды, заполняющей испытательный объем. Однако и в том, и в другом случае нарушается стационарное распределение температур во всех узлах ампулы, что вызывает увеличение дополнительных погрешностей при измерении деформации образца, а также увеличение температурного градиента по оси канала, а значит и образца. Известны также испытательные ампулы, конструкция которых позволяет осуществлять практически локальную регулировку температуры образца путем циркуляции теплоносителя, либо путем непосредственного обдува образца охлажденным газом [1]. Наиболее близким техническим решением к предложенному является испытательная ампула [2]. Ампула для механических испытаний в каналах ядерного реактора представляет собой конструкцию одноразового применения и содержит облучаемый образец, устройство для контроля температуры, включающее комплект термопар и вторичный прибор, узел передачи усилия и крепления образца, газопровод и запорнорегулировочную арматуру, расположенную вне активной зоны реактора. Однако такое устройство обладает низкой точностью поддержания температуры, особенно в нестационарных температурных режимах из-за большой инерционности системы регулировки, малую надежность при длительных испытаниях, а также экранировку образца обтекателем, установленным в центре активной зоны напротив образца. Кроме того, сложность конструкции и трудоемкость в ее эксплуатации также заметно сужают область ее применения. В основу изобретения положена задача повышенной точности, надежности и уменьшения инерционности процесса регулировки (поддержания) температуры образца, а также упрощение конструкции ампулы. Технический результат достигается тем, что система регулировки температуры образца выполнена в виде биметаллической пластины, верхний край которой связан с заслонкой, выполненной с возможностью перемещения вдоль направляющих торца щелевого диффузора, расположенного параллельно образцу над его верхней частью, причем биметаллическая пластина установлена в нижней части образца активным слоем навстречу образцу. Щелевой диффузор выполнен в виде сопла Лаваля, а взаимное расположение заслонки и диффузора осуществляется путем регулировки с помощью стопорных винтов, причем заслонка и диффузор изготовлены из материала с малым коэффициентом линейного расширения. Прижим заслонки к направляющим торца диффузора достигается с помощью пружины. На чертеже (фиг.) в двух проекциях изображена ампула для вкутриреакторных исследований механических характеристик материалов. Ампула состоит из образца 1, узла передачи и усилий и крепления образца 2, биметаллической пластины 3 со стопорно-регулировочными винтами 4, штыря 5, заслонки 6 с направляющими 7, насадки щелевого диффузора 11 с направляющими 9, прижимной пружины 10 и газопровода 8. Ампула работает следующим образом. Перед началом испытаний производится сборка ампулы и настройка системы регулировки температуры на стенде предварительных испытаний. Испытываемый образец 1 подсоединяется к активной тяге разрывной машины с помощью узлов крепления и передачи усилий 2. Затем на одной из боковых поверхностей образца в нижней его части крепится биметаллическая пластина 1, к которой с помощью штыря 5 крепится заслонка 6. На конец газопровода 8 надевается керамический щелевой диффузор 11, имеющий направляющие 9. Направляющие 7 заслонки 6 и направляющая 9 диффузора 11 скрепляются с помощью пружины 10, изготовленной из металлической ленты, концы которой свариваются встык. В сжатом состоянии пружина принимает эллипсообразную форму. Затем с помощью стопорных и регулировочных винтов 4 выход щелевого ди ффузора 11 полностью перекрывается заслонкой 6. Собранную ампулу помещают в печь и нагревают до температуры, превышающей рабочую на 50°C, после чего включают циркуляционный обдув образца с последующей регулировкой его температуры. По мере роста температуры происходит деформация биметаллической пластины 1, которая передает перемещение заслонки 6, увеличивая тем самым проходное сечение на выходе из диффузора и охлаждая образец. Известно, что удельный изгиб A (деформация) свободного конца пластины из термобиметалла имеет линейную зависимость от температуры, причем в зависимости от марки материала (подбора пар) можно варьировать величину перемещения свободного конца. Так, термобиметалл марки ТБ 1032 при базовой длине 100мм в диапазоне рабочих температур 580 - 780К имеет изгиб A порядка 0,09мм на 1°C, а ТБ 2013 порядка 0,2мм на 1°C (см.: Справочник по материалам в приборостроении и в автоматике. М.: Машиностроение, 1982. - С.339). После стабилизации заданной температуры производят регулировку температуры образца путем перемещения биметаллической пластины в ту или другую сторону с помощью стопорного устройства 4, перемещение которого вдоль образца 1 изменяет базовое плечо биметаллической пластины 3, тем самым изменяя удельный изгиб A при той же температуре, что, в свою очередь, вызывает адекватное изменение хода заслонки вдоль щели диффузора и температуры образца. Предлагаемая конструкция ампулы для внутриреакторного исследования механических характеристик материалов позволяет по сравнению с прототипом увеличить точность и надежность поддержания температуры образца за счет использования саморегулирующегося теплообмена между образцом и газом. Отсутствие системы контроля за температурой образца, состоящей из термопар и КИП значительно упрощают конструкцию ампулы и ее дальнейшую эксплуатацию.