МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИЙ КАНАЛ ТЕРМОЭМИССИОННОГО РЕАКТОРА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2016 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании многоэлементных электрогенерирующих каналов (ЭГК), встроенных в активную зону термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) космического назначения.

Известна конструкция одноэлементного ЭГК, у которого эмиттерная оболочка, содержащая топливный сердечник, коаксиально с радиальным зазором размещена внутри металлокерамического коллекторного пакета. При этом электроды выполнены протяженными на всю длину активной зоны, снабжены дистанционаторами межэлектродного зазора (МЭЗ), а также торцовыми сильфонно-гермовводными узлами и электрическими выводами [Гонтарь А.С. и др. Усовершенствованный одноэлементный электрогенерирующий канал для термоэмиссионных ЯЭУ повышенной мощности // Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе - 2005», Москва - Подольск, 2005, с. 279-283]. В конструкции известного одноэлементного ЭГК эмиттерная оболочка выполнена из жаропрочного конструкционного сплава на основе монокристаллического Мо.

Важным достоинством этой конструкции является естественное разделение полостей топлива и МЭЗ, что предопределяет высокую стабильность выходных электрических параметров ЭГК в ресурсе. Другим существенным достоинством одноэлементного ЭГК является возможность свободного доступа во внутреннюю полость эмиттерной оболочки, что позволяет использовать электронагрев для контроля герметичности ЭГК и проводить его термовакуумную подготовку во внереакторных условиях, а на крит-стенде осуществлять подбор необходимой загрузки топлива.

Основным недостатком одноэлементного ЭГК являются высокие омические потери на протяженных электродах, соответственно высокое межэлектродное напряжение (1,1-1,2В) и, как следствие, относительно низкая эффективность ЭГК. По этой причине мощность реактора на основе одноэлементных ЭГК при приемлемых для космических ЯЭУ массогабаритных характеристиках не превышает 40 кВт [Энциклопедия машиностроения. Машиностроение ядерной техники, т. IV-25, кн. 2, М.: Машиностроение. 2005].

Разрабатываемые реакторы повышенной мощности (>40 кВт) основаны на многоэлементных ЭГК, несмотря на их более сложную конструкцию [Синявский В.В. Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок. М.: Энергоатомиздат, 2000, с. 26-28].

Это предпочтение вызвано тем, что в многоэлементном ЭГК последовательное соединение ЭГЭ позволяет устанавливать межэлектродное напряжение близким к оптимальному (~0,5 В), так как допускается более высокая плотность тока при относительно низких омических потерях на коротких электродах. В результате этого удельная электрическая мощность многоэлементного ЭГК в 2,5-3 раза превышает мощность одноэлементного. Однако при разработке реактора на тепловых и промежуточных нейтронах наличие скважности между ЭГЭ и повышенная доля конструкционного материала в многоэлементном ЭГК вызывают дефицит реактивности на проектирование, что приводит к необходимости ограничивать пористость в диоксиде урана величиной 8-9%. В этом случае в процессе эксплуатации ЭГК формируется неоптимальная столбчатая структура с увеличенной (≥200 мкм) шириной зерна, что приводит к повышенному сопротивлению ползучести диоксида урана и ограничивает возможность перераспределения эмиттерной оболочкой распухающего UO₂ во внутренний свободный объем для сохранения в ресурсе рабочей величины МЭЗ [Гонтарь А.С. и др. Оптимизация структуры диоксида урана применительно к твэлу термоэмиссионного реактора-преобразователя. - Атомная энергия, 2005, т. 99, вып. 4, с. 264-268]. Это обстоятельство вынуждает использовать в конструкции многоэлементных ЭГК сложную в изготовлении и дорогостоящую эмиттерную оболочку из жаропрочного сплава на основе прозрачного для тепловых нейтронов изотопного вольфрама (W¹⁸⁴).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является многоэлементный ЭГК, включающий многослойный металлокерамический коллекторный пакет, внутренний слой которого разделен керамической изоляцией на отдельные участки, образующие коллекторы, и коаксиально размещенные в нем с радиальным зазором электрогенерирующие элементы (ЭГЭ) в виде ответных коллекторам эмиттерных оболочек с топливными сердечниками из пористого диоксида урана. При этом эмиттерные оболочки и коллекторы электрически последовательно соединены при помощи коммутационных шин и электрически изолированы друг от друга дистанционирующими элементами [Выбыванец В.И. и др. Базовый электрогенерирующий канал двухрежимных термоэмиссионных ЯЭУ. Научно-технические проблемы разработки и создания // Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе - 2005», Москва - Подольск, 2005, с. 79-82].

В конструкции известного многоэлементного ЭГК эмиттерная оболочка выполнена из жаропрочного сплава на основе прозрачного для тепловых нейтронов изотопного вольфрама (W¹⁸⁴).

Перед авторами стояла задача создания многоэлементного ЭГК с эмиттерной оболочкой из монокристаллического сплава Мо+(3÷6) % масс. Nb (МН3, МН6) с обеспечением ее пространственной стабильности при работе ЭГК в составе ЯЭУ на тепловых и промежуточных нейтронах в течение длительного (не менее 7 лет) ресурса.

Целесообразность замены вольфрамового сплава на молибденовый связана с существенным снижением стоимости естественного молибдена, имеющего низкое сечение захвата тепловых нейтронов по сравнению с вольфрамом, который для возможного использования, например, в составе указанной ЯЭУ требует обогащения по изотопу W¹⁸⁴, прозрачному для тепловых нейтронов. Другими достоинствами молибденового сплава являются высокая производительность и выход годного продукта при использовании отработанной технологии бестигельной зонной плавки и двукратное снижение удельного веса по сравнению с вольфрамовыми сплавами.

Однако замена вольфрамового сплава на молибденовый в рассматриваемом многоэлементном ЭГК не обеспечивает заданный ресурс из-за более высокой скорости ползучести эмиттерной оболочки на основе менее жаропрочного молибденового сплава, например, МН6 по сравнению с вольфрамовыми сплавами, например, W+(1÷3) % масс. Nb.

Для решения поставленной задачи авторами предложен многоэлементный электрогенерирующий канал (ЭГК), включающий многослойный металлокерамический коллекторный пакет, внутренний слой которого разделен керамической изоляцией на отдельные участки, образующие коллекторы, и коаксиально размещенные в нем с радиальным зазором электрогенерирующие элементы (ЭГЭ) в виде цилиндрических эмиттерных оболочек из жаропрочного конструкционного материала с размещенными в них сердечниками из пористого диоксида урана, в котором согласно изобретению в качестве жаропрочного конструкционного материала использован монокристаллический сплав Мо+(3÷6) % масс. Nb, сердечники крайних ЭГЭ по одному с каждой стороны ЭГК выполнены с пористостью 3÷5% при преимущественном размере пор 5÷10 мкм, сердечники промежуточных ЭГЭ выполнены с преимущественным размером пор 20÷60 мкм, а пористость в них выбрана по формуле

где L_Σ - суммарная длина сердечников ЭГК;

L₁ - суммарная длина сердечников крайних ЭГЭ;

ε₀ - максимально допустимая пористость диоксида урана при равномерном распределении в сердечниках ЭГК;

ε₁ - пористость в сердечниках крайних ЭГЭ;

ε₂ - пористость в сердечниках промежуточных ЭГЭ.

Сущность предложенного технического решения иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 схематически изображен разрез рабочего участка многоэлементного ЭГК.

На фиг. 2 представлена радиальная деформация эмиттерных оболочек ЭГЭ из молибденового сплава по длине ЭГК на конец 7-летнего ресурса.

На фиг. 3 показано распределение тепловыделения по длине ЭГК.

На фиг. 4 - распределение температуры по эмиттерным оболочкам ЭГЭ.

Многоэлементный ЭГК (см. фиг. 1) включает многослойный металлокерамический коллекторный пакет, внутренний слой которого разделен керамической изоляцией на отдельные участки, образующие коллекторы 1. В коллекторном пакете коаксиально расположены электрогенерирующие элементы (ЭГЭ) в виде цилиндрических эмиттерных оболочек 2 из жаропрочного конструкционного материала с размещенными в них сердечниками из пористого диоксида урана. Сердечники 3 крайних ЭГЭ выполнены с пористостью, отличной от пористости сердечников 4 промежуточных ЭГЭ. Эмиттерные оболочки 2 и коллекторы 1 электрически последовательно соединены при помощи коммутационных шин 5 и электрически изолированы друг от друга дистанционирующими элементами (на чертеже не показаны).

На фиг. 2-4 вдоль оси абсцисс схематично показаны относительные длины ЭГЭ выровненного по максимальной температуре эмиттерной оболочки ЭГК на основе теплоэлектрофизического расчета при характерных рабочих параметрах [см. прототип - Выбыванец В.И. и др. Базовый электрогенерирующий канал двухрежимных термоэмиссионных ЯЭУ. Научно-технические проблемы разработки и создания // Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе - 2005», Москва - Подольск, 2005, с. 79-82].

На фиг. 2 показаны: □ - радиальная деформация эмиттерных оболочек из сплава МН6 по длине ЭГК при пористости диоксида урана 9% и ширине столбчатого зерна 200 мкм во всех элементах; ▲ - радиальная деформация эмиттерных оболочек из сплава МН6 при пористости 3% и ширине столбчатого зерна 250÷300 мкм в крайних элементах, а также пористости 14% и ширине столбчатого зерна 100 мкм в остальных элементах.

Решение поставленной задачи основано на разработанной авторами методике расчета деформационного поведения высокотемпературного твэла [Гонтарь А.С., Нелидов М.В. Моделирование высокотемпературного распухания диоксида урана и деформационного поведения твэла. - Атомная энергия, 2007, т. 103, вып. 5, с. 172-179] и экспериментально полученной авторами зависимости ширины столбчатого зерна перестроенной структуры диоксида урана от величины исходной технологической пористости и спектра пор по размерам [Гонтарь А.С. и др. Оптимизация структуры диоксида урана применительно к твэлу термоэмиссионного реактора-преобразователя. - Атомная энергия, 2005, т. 99, с. 264-268].

Как видно на фиг. 2, при равномерном распределении по длине ЭГК исходной пористости (9%) радиальная деформация эмиттерной оболочки в ЭГЭ (за исключением крайних) за ресурс существенно превышает допустимое значение 0,2 мм (которое обычно принимают равным половине величины МЭЗ). Однако, исходя из характерного распределения тепловыделения (фиг. 3) и температуры (фиг. 4) по длине ЭГК, а также указанных экспериментальных исследований авторов, представляется возможным уменьшить деформацию оболочки ниже допустимого предела путем перераспределения пористости в диоксиде урана по длине ЭГК при сохранении в нем неизменной загрузки топлива.

Для этого пористость в крайних ЭГЭ выбирается минимально возможной с точки зрения технологии изготовления таблеток и составляет 3÷5 %, так как в этих ЭГЭ имеет место низкая скорость выгорания топлива и соответственно относительно низкая скорость распухания. Размер пор выбран в диапазоне 5÷10 мкм, так как эти поры имеют минимальную скорость миграции и в течение ресурса остаются в топливном сердечнике, выполняя роль демпфера для распухания, ввиду указанных размеров и относительно низких градиентов температуры, несмотря на высокий уровень температуры оболочки.

Для уменьшения деформации эмиттерной оболочки в промежуточных ЭГЭ пористость в них определяется по предлагаемой формуле с использованием получаемого на основе нейтронно-физических расчетов значения пористости, равномерно распределенной по длине ЭГК, при преимущественном размере пор 20÷60 мкм. В этом случае имеет место относительно быстрая миграция пор, а сопутствующая перестроенная структура характеризуется уменьшенной шириной (≤100 мкм) столбчатого зерна. На фиг. 2 показано, что деформация оболочки в этом случае не достигает предельно допустимой за длительный ресурс.

Пример

Пример конкретного осуществления изобретения приводится для указанного выше выровненного по максимальной температуре эмиттерных оболочек ЭГЭ базового 9-элементного ЭГК на основе диоксида урана.

Известный ЭГК имеет диаметр эмиттерной оболочки из сплава МН6 20 мм, величину МЭЗ 0,4 мм. Коэффициент неравномерности тепловыделения по высоте активной зоны имеет характерное значение 1,3. Допустимая усредненная по длине ЭГК пористость диоксида урана составляет 9%. Суммарная длина всех ЭГЭ равна 500 мм, крайних - 200 мм.

При указанных исходных данных радиальная деформация оболочки за рассматриваемый ресурс 7 лет при равномерном распределении пористости по длине ЭГК превышает допустимое значение ~0,2 мм. При распределенной пористости по соотношению, приводимому в формуле изобретения, радиальная деформация оболочки составляет 0,1÷0,15 мм.

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании многоэлементных электрогенерирующих каналов (ЭГК), встроенных в активную зону термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) космического назначения. Технический результат - повышение пространственной стабильности при работе ЭГК и ресурса его работы . Многоэлементный ЭГК включает многослойный металлокерамический коллекторный пакет, внутренний слой которого разделен керамической изоляцией на отдельные участки, образующие коллекторы, и коаксиально размещенные в нем с радиальным зазором электрогенерирующие элементы (ЭГЭ) в виде цилиндрических эмиттерных оболочек из монокристаллического сплава Мо+(3÷6) % масс. Nb. Внутри оболочек размещены сердечники из пористого диоксида урана. Сердечники крайних ЭГЭ по одному с каждой стороны ЭГК выполнены с пористостью 3÷5% при преимущественном размере пор 5÷10 мкм. Сердечники промежуточных ЭГЭ выполнены с преимущественным размером пор 20÷60 мкм, а пористость в них выбрана по расчетной формуле. 4 ил., 1 пр.

Многоэлементный электрогенерирующий канал (ЭГК) термоэмиссионного реактора-преобразователя, включающий многослойный металлокерамический коллекторный пакет, внутренний слой которого разделен керамической изоляцией на отдельные участки, образующие коллекторы, и коаксиально размещенные в нем с радиальным зазором электрогенерирующие элементы (ЭГЭ) в виде цилиндрических эмиттерных оболочек из жаропрочного конструкционного материала с размещенными в них сердечниками из пористого диоксида урана, отличающийся тем, что в качестве жаропрочного конструкционного материала оболочек использован монокристаллический сплав Mo+(3÷6) % масс. Nb, сердечники крайних ЭГЭ по одному с каждой стороны ЭГК выполнены с пористостью 3-5% при преимущественном размере пор 5÷10 мкм, сердечники промежуточных ЭГЭ выполнены с преимущественным размером пор 20÷60 мкм, а пористость в них выбрана по формуле
,
где L_Σ - суммарная длина сердечников ЭГК;
L₁ - суммарная длина сердечников крайних ЭГЭ;
ε₀ - максимально допустимая пористость диоксида урана при равномерном распределении в сердечниках ЭГК;
ε₁ - пористость в сердечниках крайних ЭГЭ;
ε₂ - пористость в сердечниках промежуточных ЭГЭ.