Оборудование

Разъемное соединение (петлевой разъем)

При проведении экспериментов с разрушением ядерного топлива в реакторе МИР-М1 контур циркуляции теплоносителя очень сильно загрязняется радиоактивными частицами и нахождение вблизи этого контура становится очень опасным. Однако после проведения эксперимента экспериментальный канал приходится выгружать из активной зоны реактора, а для этого необходимо в камере петлевых разъемов отсоединить экспериментальный канал от петлевой остановки, обеспечивающей поддержание необходимых условий проведения эксперимента (параметры теплоносителя, его расход, температура, давление и т.д.). Из за высокой температуры и давления внутри \кспериментальной петлевой установки, а также изза требований к герметичности соединения приходится выполнять на сварке. Поэтому как сварка так и резка такого соединения при замене канала производится в крайне тяжелых и опасных для человека радиационных условиях.

FIG.1 – Расположение камеры петлевого соединителя (красный кружок) на исследовательском реакторе МИР-М1

Для того, чтобы обеспечить снижение дозовых нагрузок на персонал предлагается выполнять это соединение разъемным, а саму процедуру разъема и соединения произодить с использованием электронагрева, приводящего в расплавленное состояние свинец. После оствывания свинца он становится твержым и надежно фиксирует и герметризирует соединение.

Разъемное соединение (рисунок) включает кольцевую чашу 2 с находящимся в ней запорным механизмом и заполненную легкоплавким сплавом 10, а также погружаемые в эту чашу верхний полуразъем 17, являющийся принадлежностью экспериментального канала, и нижний полуразъем 5, являющийся принадлежностью трубопровода петлевой установки. Снаружи разъемного соединения расположен нагреватель 4.

Кольцевая чаша 2 находится вокруг трубопровода петлевой установки на упругом элементе (пружине) 1 и может перемещаться как в осевом, так и в радиальном направлении. Это позволяет компенсировать отклонения верхнего полуразъема относительно нижнего при сборке. На наружной поверхности кольцевой чаши может быть выполнено оребрение 11 с целью ее охлаждения при протекании горячего теплоносителя в трубопроводах и недопущения поднятия температуры легкоплавкого метала до температуры плавления. Для этого же между трубопроводом и кольцевой чашей имеется теплоизолирующая прокладка.

FIG.1 – The Tritium Removal Facility [the TRF]

Запорный механизм погружен в легкоплавкий металл и состоит из упорного кольца 8, перемещающейся внутри него запирающей втулки 6, а так же фиксаторов, выполненных, например, в виде шариков 7, находящихся между конусными поверхностями упорного кольца и запирающей втулки. Фиксаторы могут иметь и другую конструкцию, например, перемещающихся в радиальном направлении секторных элементов. Между упорным кольцом и запирающей втулкой имеется кольцевая полость, образованная кольцевыми выступами на упорном кольце и запирающей втулке. Движение упорного кольца ограничено кольцевым выступом 9 в верхней части наружной стенки кольцевой чаши.

Верхний полуразъем выполнен в виде насадки из трубы большего (по отношению к трубопроводу) диаметра и переходника, причем торец полуразъема имеет вид конусной поверхности, а на наружной поверхности насадки имеется кольцевая канавка для входа в зацепление с фиксаторами и выступ для поджатия упорного кольца.

Нижний полуразъем выполнен так же в виде насадки из трубы большего диаметра и переходника, но в отличии от верхнего полуразъема, эта насадка «охватывает» свой трубопровод снаружи таким образом, что торец трубопровода и торец присоединяемой насадки направлены в противоположные стороны. Этим достигается возможность погружения насадки в кольцевую чашу, расположенную вокруг данного трубопровода. Наружный диаметр насадки нижнего полуразъема меньше внутреннего диаметра насадки верхнего полуразъема на величину допустимой несоосности соединения.

Между переходниками верхнего и нижнего полуразъема может быть установлена тепловая завеса, выполненная, например, из сильфонов и тепоизолирующего кольца 15, и предназначенная для уменьшения перетечек тепла от теплоносителя к легкоплавкому металлу.

Для достижения возможности дистанционного управления всей работой разъемного соединения как в режиме сборки-разборки, так и в режиме охлаждения при протекании горячего теплоносителя, нагреватель может иметь следующую конструкцию. Вокруг кольцевой чаши устанавливается закрытая кольцевая емкость 12, заполненная водой. Между этой емкостью и оребрением 11 кольцевой чаши подвешиваются электоронагревательные элементы 4, выполненные например в виде трех секторов (секций) с независимым электроподводом. Над оребрением кольцевой чаши имеется задвижка 13, соединенная стержнями с находящейся над ней емкостью 16 и выполненная в виде кольца, предназначенного для перекрытия тракта воздушного охлаждения ребер. На стержнях находятся пружины, отжимающие задвижку с емкостью вверх, если она не заполнена водой. Нижние части кольцевой емкости и емкости над задвижкой соединены шлангом 14, не мешающим движению задвижки с емкостью в вертикальном направлении.

Технология сборки и разборки

Работа разъемного соединения происходит следующим образом. Считаем что трубопроводы не соединены. В исходном состоянии кольцевая чаша заполнена легкоплавким металлом, в который погружен нижний полуразъем, электронагревательные элементы не включены, кольцевая емкость заполнена водой, а емкость над задвижкой опорожнена, поэтому пружиной на стержне отжата вверх — задвижка открыта. Для соединения трубопроводов необходимо:

* Включить электронагревательные элементы. При этом сначала происходит нагрев и вскипание воды в кольцевой емкости. Образующийся при этом пар выдавливает жидкость в нижнюю часть, и далее по шлангу в емкость над задвижкой, что приводит к увеличению веса и сжатию пружин на стержнях задвижки, после чего она опускаясь, перекрывает контур охлаждения ребер кольцевой чаши воздушным потоком. Далее идет нагрев через конвекцию в воздушной прослойке и излучение самой кольцевой чаши с легкоплавким металлом. Последний плавится и греется до определенной температуры.

* Опустить верхний полуразъем в кольцевую чашу с расплавом. При этом конусная поверхность на торце верхнего полуразъема и на кольцевой чаше автоматически отцентрируют их взаимное расположение с учетом несоосности. Далее конусная поверхность на торце полуразъема отожмет фиксаторы от центра окружности, и они будут «утопены» между конусными поверхностими упорного кольца и подвижной втулки, при этом из кольцевой полости между упорным кольцом и подвижной втулкой через щели будет выдавлен расплав. Насадка верхнего полуразъема беспрепятственно войдет в кольцевую чашу с расплавом до вхождения в зацепление выступа на насадке и упорного кольца. После этого дальнейшее опускание верхнего полуразъема приведет к выдавливанию конусной поверхностью упорного кольца шариков-фиксаторов к центру, и «утапливанию» их в кольцевой канавке верхнего полуразъема.

Кольцевая полость между упорным кольцом и запирающей втулкой вновь через щели заполняются расплавом. После снятия нагрева и затвердевания легкоплавкого металла, разъем готов к работе при нагрузках.
При этом, легкоплавкий металл выполняет роль
1) обновляемой при каждой сборке металлической прокладки;
2) ключа, позволяющего соединить или отсоединить полуразъемы. В качестве кода этого ключа выступает состояние фазы (жидкая или твердая), в которой находится легкоплавкий металл. От этого зависит возможно ли его перетекание через тонкие щели.

Разборка соединения так же включает две операции:
* Включить электронагревательные элементы.
* Поднять верхний полуразъем из кольцевой чаши с расплавом.

Важно отметить, что прочность соединения определяется не прочностью легкоплавкого металла, а его способностью противостоять выдавливанию в твердой фазе через тонкие щели и прочностью конструктивных элементов: насадок, фиксаторов (закаленных шариков), кольцевой чаши и упорного кольца. Таким образом, для определения рабо¬тоспособности важно определить, сохраняется ли легкоплавкий металл в твердой фазе при максимально возможной температуре теплоносителя. Для этого необходимо посчитать температуру (температурное поле) элементов разъемного соединения при максимально допустимых режимах работы с уче¬том подвода тепла к кольцевой чаше и его отводом через конвекцию.