№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2009
УДК 629.7.064.53/.55:621.039
© 2009 г. БЕКМУХАМБЕТОВ Е.С., МЕРКУРИСОВ И.Х., СИНЯВСКИЙ В.В.*
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ РЕАКТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОДНОМ ПЕТЛЕВОМ УСТРОЙСТВЕ ЧЕТЫРЕХ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ СБОРОК С РАЗЛИЧАЮЩИМИСЯ ТОПЛИВНО-ЭМИТТЕРНЫМИ И ГАЗООТВОДНЫМИ УЗЛАМИ
Приведены результаты реакторных исследований петлевого канала с четырьмя термоэмиссионными электрогенерирующими каналами, каждый из которых содержал восемь электрогенерирующих элементов (ЭГЭ). Изучены влияние объемного содержания топлива, длины эмиттерной оболочки и величины тепловыделения на процессы переконденсации топлива. Проверена эффективность работы газоотводных устройств (ГОУ) трех типов. В результате нейтронографических исследований показана работоспособность трубчатых ГОУ с дросселирующим отверстием (жиклером), расположенным в центре сердечника ЭГЭ в течение 700 ч.
Вследствие ряда положительных эксплуатационных свойств в качестве ядерного топлива термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС), называемых обычно электрогенерирующими каналами (ЭГК), термоэмиссионных реакторов-преобразователей (ТРП) космических ядерно-энергетических установок (ЯЭУ) рассматривается использование диоксида урана UO2 [1]. Такое топливо применялось в ТРП на тепловых нейтронах космических ЯЭУ электрической мощностью до 10 кВт: "Топаз", испытанных в космосе в 1987-1988 гг. [2, 3], и "Енисей ("Топаз-2") [4], прошедшей цикл наземной отработки. В проектируемых по этой технологии ЯЭУ с ТРП на промежуточных нейтронах электрической мощностью от 25 до 100 кВт [5] рассматривается такое же топливо. В разрабатываемой в РКК "Энергия" космической ЯЭУ с ТРП на быстрых нейтронах электрической мощностью в сотни киловатт для межорбитального буксира "Геркулес" также планируется использование UO2 [6-8]. Одно из важных свойств UO2 - универсальность его применения в ЭГК разной энергонапряженности, т.е возможность использования в ТРП на тепловых и быстрых нейтронах электрической мощностью от десятков до сотен и тысяч киловатт.
Однако высокая скорость испарения UO2 приводит к тому, что одним из основных процессов, определяющих ресурс термоэмиссионных ЭГК, являются процессы тепло-и массопереноса топливных композиций на основе диоксида урана [7]. В результате работоспособность, надежность и ресурс существующих и перспективных технических решений по топливно-эмиттерным узлам (ТЭУ) в ЭГК в целом определяется комплексом взаимосвязанных процессов, зависящих от схем, конструкции, технологических и эксплуатационных факторов. Это требует теоретического и экспериментального исследования процессов массопереноса топлива в ТЭУ и трактах вывода газообразных продуктов деления (ГПД) и может быть подтверждено лишь в реакторных испытаниях ЭГК или их макетов. Инструментом контроля процессов массопереноса топ-
* Бекмухамбетов Е.С. - ИЯФ НЯЦ РК; Меркурисов И.Х. - ГНЦ РФ-ФЭИ; Синявский В.В. - РКК "Энергия" им. С.П. Королева.
лива может быть лишь нейтронография, как уникальный способ неразрушающего контроля работоспособности испытанных в реакторе элементов и узлов, содержащих UO2. При этом может быть исследована длительная работоспособность ТЭУ и термоэмиссионных ЭГК в целом [9].
В настоящей статье приведены результаты нейтронографического исследования процессов массопереноса оксидного топлива внутри ТЭУ в процессе и после реакторных испытаний ЭГК с различными конструкционными решениями системы вывода ГПД в ячейке исследовательского реактора со специально сформированным быстрым спектром нейтронов.
Технические решения топливно-эмиттерных узлов термоэмиссионных ЭГК
При разработке термоэмиссионных ЭГК были предложены различные схемы ТЭУ [7, 9, 10]. В многоэлементных ЭГК космической ЯЭУ "Топаз" с ресурсом до 1 г. использовались герметичные ТЭУ, в которых выделяющиеся ГПД накапливались внутри герметичной эмиттерной оболочки из молибдена. При низких плотностях объемного тепловыделения, соответствующих плотности электрической мощности ~1 Вт/см2, и ресурсе ~1 г. давление выделяющихся ГПД было незначительным, радиальная деформация эмиттерной оболочки была заметно меньше межэлектродного зазора (МЭЗ), равного 0.4 мм, в результате этого такая схема ТЭУ была работоспособной [10, 11]. Однако необходимость увеличения ресурса работы и увеличения плотности электрической мощности привели к необходимости вывода ГПД из ТЭУ для недопущения деформации эмиттерной оболочки под действием давления накапливающихся ГПД [12]. В результате появилось несколько технических решений ТЭУ с выводом ГПД. Условно предложенные конструкционные решения организованного вывода ГПД из ТЭУ в МЭЗ ЭГК можно свести к трем каноническим схемам электроге-нерирующего элемента (ЭГЭ), приведенным на рис. 1 [7]: через осесимметричный канал в торцевой крышке ЭГЭ (вариант а), через канал в топливном блоке с вольфрамовыми прокладками и далее через отверстие в торцевой крышке (вариант б); через специальное газоотводное устройство (ГОУ), на самой нагретой части которого расположен капиллярный наконечник (жиклер), размещенный в объеме центральной газовой полости (ЦГП), образующейся из-за достаточно интенсивных процессов массопереноса топлива из диоксида урана (вариант в). Было предложено больше технических решений, но они комбинируют те или иные решения канонических схем.
Применительно к ЭГК с плотностью электрической мощности 4-5 Вт/см2 и выше показано в [13], что приемлем ГОУ в виде трубочки с жиклером, размещенным внутри топливного сердечника ЭГЭ (вариант в на рис. 1). Малый диаметр жиклера обеспечивает вывод ГПД и препятствует заметному выносу из топливного сердечника пара топлива. В РКК "Энергия" была разработана технология изготовления из монокристалла вольфрама трубки ГОУ с жиклером диаметром 30-40 мкм и длиной 2-3 мм, т.е. отверстия с отношением длины к диаметру 50-100 в самом тугоплавком металле [14]. Были предложены и другие способы обеспечения требуемого отношения диаметра к длине жиклера.
Кроме трубочки с жиклером рассматриваются и другие конструкционные решения ГОУ. Изучается возможность использования в ЭГК с невысокой плотностью мощности схемы вывода ГПД через центральный канал в топливном сердечнике с теплопе-редающими прокладками в топливе, что должно обеспечить работу ЭГК в течение од-ного-полутора лет при плотности электрической мощности ~1 Вт/см2. Рассматривается также вывод ГПД через встроенный в каждый ЭГЭ клапан дроссельного типа или через лабиринтное устройство.
При разработке ТРП на быстрых нейтронах с повышенными значениями плотности мощности, следовательно, и температурами эмиттера и топливного сердечника, было показано, что при проектных параметрах в сердечнике достаточно быстро (в течение сотен часов) происходит переконденсация диоксида урана с образованием цен-
а б в
12 3 4 1 2 5 4 1 2
Рис. 1. Конструкционные схемы ЭГЭ с выводом ГПД: 1 - топливная таблетка; 2 - отверстие в эмиттерной оболочке для выхода ГПД; 3 - мембрана; 4 - эмиттерная оболочка; 5 - металлическая прокладка; 6 - ГОУ; 7 - жиклер
тральной газовой полости [12, 13]. При этом происходит герметизация всех типов газоотводных устройств (ГОУ), кроме ГОУ в виде трубочки с жиклером, выведенным в центр топливного сердечника, но требовались доказательства преимуществ этой схемы при реакторных испытаниях. Требовалось также экспериментально обосновать разработанные методики проектирования ГОУ и определить условия их работоспособности в разных режимах работы ЭГК, включая режимы вакуумного обезгажива-ния и пуска.
Достоверные данные о работоспособности рассмотренных выше схем ГОУ могут быть получены при длительных реакторных испытаниях ЭГК [7]. Но некоторую информацию о работоспособности ГОУ можно получить при относительно кратковременных испытаниях (~1000 ч) оперативным контролем состояния топлива в сердечниках ЭГЭ и элементов ГОУ любой конструкции.
Конструкции испытанных термоэмиссионных ЭГК
Для изучения работоспособности различных конструкционных решений систем вывода ГПД был изготовлен специальный петлевой канал (ПК) с четырьмя геометрически профилированными ЭГК, каждый из которых содержал по восемь ЭГЭ разной длины, в которых реализовались различные конструкторские исполнения ГОУ и ЭГЭ. Так, ЭГК-1 и ЭГК-2 содержали трубчатые ГОУ с жиклером (вариант в, рис. 1), ЭГК-4 - ГОУ с устройствами лабиринтного и клапанного типа у торца ЭГЭ (варианты а, б, рис. 1), в ЭГК-3 использовались различные комбинации всех трех указанных типов ГОУ.
ПК испытывался на универсальной петлевой установке реактора ВВР-К Института ядерной физики Казахстана [15] с использованием нейтронной радиографии [16]. Целью реакторных испытаний и послереакторных нейтронографических исследований было изучение:
- влияния длины топливного сердечника ЭГЭ (25-60 мм) на конечное распределение топлива в сердечнике;
1 2 3 4 5 6 7
I II III IV V VI VII IV
9 10 17 14 15 II III
20 21
V
21
VII
16 18 19 14 20 17 13 22
Рис. 2. Принципиальная схема четырех ЭГК и варианты исполнения топливно-эмиттерных узлов: 1-8 - топ-ливно-эмиттерный узел; 9 - оболочка корпуса; 10 - коллекторная изоляция; 11 - металло-керамический узел; 12 - токовывод; 13 - коммутационная перемычка; 14 - коллектор; 15 - дистанционатор; 16 - топливная таблетка; 17 - газоотводное устройство; 18 -экран; 19 - вольфрамовые диски; 20 - торцевая крышка; 21 - клапанное ГОУ; 22 - экраны лабиринтного ГОУ
14
< ЭГК Топливно-эмиттерный узел Элемент V■jVn
1 1, 2, 3,4 I 75%
5, 6, 7, 8 I 80%
2 1, 2, 3,4 I 85%
5, 6, 7, 8 II
1, 2, 3,4 III
3 7, 8 IV 80%
5, 6 V
1, 2, 3,4
VI
5, 6, 7, 8
VII
80%
Примечание: Vт - объем топлива в эмиттере; Vп - объем внутренней полости эмиттера.
I
4
- влияния содержания объемной доли топлива (75-85%) внутри эмиттерной оболочки, имеющей разную длину, на возможность герметизации ГОУ переконденсировавшимся топливом;
- эффективности работы ГОУ трех типов и их комбинаций;
- выноса топлива через ГОУ;
- влияния тепловыделения на конфигурацию газовой полости.
На рис. 2 показаны схемы четырех ЭГК, испытанных в составе ПК. Каждый ЭГК содержал восемь ЭГЭ, имеющих н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.