Синявский В.В.
Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных сборок. — Москва: Энергоатомиздат, 2000.
Обобщен имеющийся в нашей стране опыт экспериментальной отработки термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (каналов) реакторов-преобразователей космических ЯЭУ типа «Топаз». Рассмотрены вопросы создания и эксплуатации реакторных испытательных устройств, экспериментальных лабораторных установок, структура и оборудование стендовых и реакторных испытательных комплексов. Описаны специализированные статические и динамические методы изучения свойств объектов испытаний и диагностики.
Для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области экспериментальных исследований и реакторных испытаний новых устройств ядерной энергетики. Полезна преподавателям и студентам вузов с энергетическим и инженерно-физическим профилем.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время считается общепринятым, что достаточно мощные энергетические установки космических аппаратов должны использовать ядерную энергию и представлять собой устройства преобразования тепла, получаемого в ядерных реакторах, в электрическую энергию. В качестве автономных источников энергии мощностью от нескольких десятков киловатт определенными преимуществами обладают ядерно-энергетические установки (ЯЭУ) термоэмиссионного типа с непосредственным преобразованием тепла в электрическую энергию. Эти преимущества заключаются в простоте схемы преобразования энергии и повышенной устойчивости к точечным отказам, в достигаемой в них высокой объёмной плотности мощности и возможности эксплуатации при высоких рабочих температурах, что является необходимым условием для космических энергоустановок, в которых сброс тепла может быть проведен лишь посредством теплового излучения.
В наибольшей степени достоинства термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) проявляются при их расположении в активной зоне ядерного реактора. При этом термоэмиссионный преобразователь конструкционно объединен с тепловыделяющим элементом. Это устройство получило название электрогенерирующего элемента (ЭГЭ). Последовательное соединение ЭГЭ образует термоэмиссионную электрогенерирующую сборку (ЭГС), или, как ее часто называют, электрогенерирующий канал (ЭГК). Активная зона, набранная из таких ЭГС (ЭГК), с органами регулирования, системами теплосброса, подачи пара цезия и вывода электрической энергии образует термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП). В ТРП происходит генерация тепла, выделяющегося в результате деления ядер урана, и его непосредственное преобразование в электрическую энергию.
В СССР работы по созданию реакторов термоэмиссионного типа электрической мощностью до 10 кВт завершились успешными испытаниями в 1987 г. в космосе первой в мире космической ЯЭУ с реактором-преобразователем «Топаз», а также успешными наземными ядерно-энергетическими испытаниями ЯЭУ «Енисей» с термоэмиссионным реактором-преобразователем «Топаз-2». Опыт, накопленный при разработке этих ЯЭУ, показал, что ключевым этапом при создании реакторных установок такого типа является разработка эффективной и надежно работающей термоэмиссионной ЭГС (ЭГК). Были проведены лабораторные исследования процессов в плазме и на электродах ТЭП, теплофизические исследования ЭГЭ, ампульные и петлевые испытания в ячейках исследовательских реакторов ЭГС в условиях, приближенных к реальным условиям работы в составе ТРП.
Ресурсные испытания ТЭП с электронагревом показали, что в этом устройстве отсутствуют серьезные ограничения срока службы. В то же время достижение длительного ресурса ЭГС в ее характерных конструкционных решениях и в условиях ядерного реактора оказались достаточно сложной проблемой. Соответственно основная задача лабораторных и реакторных испытаний ЭГС и ее элементов и узлов заключается в изучении процессов и факторов, приводящих к изменению энергетических и ресурсных характеристик ЭГС и причин выхода из строя отдельных элементов и сборки в целом. По результатам испытаний должны быть разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции ЭГС и технологии ее изготовления.
Проведение лабораторно-стендовых исследований и испытаний в исследовательских ядерных реакторах потребовало решения ряда вспомогательных, однако достаточно сложных, задач, а именно:
разработки и создания лабораторных установок и стендов для исследований и отработки материалов, элементов и узлов электрогенерирующих сборок;
разработки испытательных реакторных устройств (так называемых петлевых каналов) для отработки и испытаний ЭГС и их узлов и систем;
создания на исследовательских реакторах петлевых установок с газовакуумными, тепловыми и электрическими системами для обеспечения реакторных ампульных и петлевых испытаний;
разработки характерных для данного нового вида технических устройств и их параметров методов лабораторных, стендовых и реакторных исследований и испытаний;
разработки специализированных способов измерений, контроля, управления и диагностики ЭГС и систем испытательных устройств и т.п.
Хотя термоэмиссионному методу преобразования тепла в электрическую энергию посвящено несколько монографий, комплексное рассмотрение взаимосвязанных проблем экспериментальных исследований и стендовых и реакторных испытаний термоэмиссионных ЭГС (ЭГК) и их узлов и систем практически отсутствует. Отдельные из перечисленных выше вопросов рассмотрены в (21, 29). Однако в них обобщены опубликованные к тому времени результаты практически лишь петлевых испытаний на исследовательских реакторах ВВР-К и ВВР- М и почти отсутствует анализ работ по петлевым испытаниям в рамках программ «Топаз» и «Топаз-2», так как основной объем публикаций по ним был сделан в начале 90-х годов в основном на международных конференциях «Ядерная энергетика в космосе» в Обнинске (1990 г.), Сухуми (1991 г.) и в Подольске (1993 г).
В настоящей книге сделана попытка обобщить имеющийся в нашей стране уникальный опыт по экспериментальным и испытательным стендовым и реакторным устройствам и методам исследований, испытаний и диагностики применительно к программе создания и отработки термоэмиссионных электрогенерирующих сборок как для созданных ТРП «Топаз» и «Топаз-2», так и для перспективных термоэмиссионных программ применительно к космическим ЯЭУ большой мощности.
Книга состоит из семи глав. В первой главе кратко описаны отечественные космические ЯЭУ «Топаз» и «Енисей» («Топаз-2»), и проекты термоэмиссионных ЯЭУ большей мощности. Анализируются основные проектно-конструкторские проблемы создания термоэмиссионных ЭГС (ЭГК) и цели, задачи экспериментальных исследований и стендовых и реакторных испытаний в программе создания термоэмиссионных реакторов.
Во второй главе рассмотрены лабораторные установки для экспериментальных исследований термоэмиссионных преобразователей, топливных, электродных и электроизоляционных материалов, стенды с системами электронагрева для испытаний, в том числе ресурсных, одноэлементных и многоэлементных сборок. Рассмотрены методы поддержания и измерения тепловых и электрических режимов в процессе этих испытаний и методология исследований.
В третьей главе анализируются ампульные устройства для реакторных экспериментальных исследований эмиссионно-адсорбционных свойств электродов в условиях облучения, процессов тепломассопереноса в топливно-эмиттерных узлах электрогенерирующих элементов, свойств коллекторного пакета, комплексного исследования проблемных вопросов обеспечения длительной работоспособности термоэмиссионных сборок.
В четвертой главе описаны петлевые установки на исследовательских реакторах, их теплогидравлические и газовакуумные системы, устройства снятия вольтамперных характеристик, автоматизированные системы измерений и проведения испытаний, возможности использования критического стенда реактора, установки нейтронной радиографии и «горячих камер».
В пятой главе рассмотрен состав и особенности конструкций петлевых каналов и проблем проектирования, и отработки их систем, прежде всего теплосброса и источников пара цезия. Описаны встроенные в петлевой канал датчики и системы измерений основных характеристик испытываемой электрогенерирующей сборки и узлов петлевого канала.
В шестой главе рассмотрены основные этапы и методики проведения реакторных петлевых испытаний, стендовые и внутриреакторные термовакуумные испытания ЭГС и систем петлевого канала, изменение тепловой мощности, особенности проведения исследовательских и ресурсных этапов испытаний. Проанализированы возможные аварийные ситуации и особенности методик проведения испытаний при авариях и отказах отдельных систем и узлов петлевого канала.
В седьмой главе рассмотрены особенности методов определения тепловой мощности, температуры эмиттера и топливного сердечника, эмиссионно-адсорбционных и теплофизических свойств электродов термоэмиссионных сборок при петлевых испытаниях. Приведены методы обнаружения, регистрации и идентификации нарушений режимов работы испытываемой ЭГС. Обсуждается применение вычислительного эксперимента для анализа результатов испытаний ЭГС.
Автор признателен ученым и специалистам, чьи опыт, знания и результаты исследований и разработок в той или иной мере синтезированы в настоящей книге, и прежде всего разработчикам из ГНЦ РФ ФЭИ (г. Обнинск). РКК «Энергия» им. С.П. Королева (г. Королев), НИИ НПО «Луч» (г. Подольск), РНЦ «Курчатовский институт» и ГП «Красная звезда» (г. Москва), СФТИ (г. Сухуми), ИЯИ АН Украины (г. Киев), ИЯФ АН Казахстана (г. Алма-Ата), СФ НИКИЭТ (г. Заречный), НИИАР (г. Димитровград), ТПИ (г. Томск) и из других организаций.
За постоянную поддержку и внимание к работе особая благодарность В.С. Васильковскому и Э.И. Белоусову из Департамента по ядерной энергетике Министерства РФ по атомной энергии.
Все критические замечания, касающиеся излагаемого материала, приведенных результатов и другие будут приняты автором с благодарностью.
Автор
