Исследования термоэмиссионных сборок ЯЭУ - Исследование проблемных вопросов обеспечения длительной работоспособности термоэмиссионных сборок

1. Исследование проблемных вопросов обеспечения длительной работоспособности термоэмиссионных сборок при ампульных реакторных испытаниях топливно-эмиттерных узлов с нейтронографическим контролем процессов тепломассопереноса топлива

В силу ряда положительных эксплуатационных свойств в качестве ядерного топлива термоэмиссионных ЭГС в основном рассматривается UO2. Важным преимуществом UO2 является также его универсальность применения в ЭГС разной энергонапряженности. Однако высокая скорость испарения UO2 приводит к тому, что одним из основных ресурсоопределяющих процессов в термоэмиссионных ЭГС являются процессы тепло- и массопереноса топлива на основе диоксида урана. В результате работоспособность, надежность и ресурсоспособность существующих и перспективных технических решений по топливно-эмиттерным узлам и ЭГС в целом определяется комплексом взаимосвязанных процессов, и в сильной степени зависит от схемно-конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов. Это в свою очередь требует тщательного теоретического и экспериментального исследования процессов массопереноса топлива в ТЭУ и трактах вывода ГПД и, по-видимому, может быть подтверждена лишь при реакторных испытаниях ЭГС или их макетов. Здесь может оказаться неоценимым вклад в решение этой проблемы ампульных испытаний как ТЭУ, так и макетов ЭГЭ и ЭГС с использованием нейтронной радиографии как уникального инструмента для неразрушающего контроля работоспособности узлов и элементов испытываемых объектов. При этом могут быть исследованы наиболее важные проблемы длительной работоспособности ТЭУ и, следовательно, ЭГС.
Проблемные вопросы длительной работоспособности топливно-эмиттерных узлов ЭГС. Условно проблемные вопросы длительной работоспособности ЭГС, которые могут быть исследованы при проведении реакторных ампульных испытаний ТЭУ с нейтронографическим контролем, можно разделить на следующие группы [32, 54, 92, 97, 139, 146, 162, 163]:

1. общие вопросы ресурсоспособности ЭГС;
2. исследование работоспособности, надежности и ресурсоспособности существующих и перспективных технических решений по топливно-эмиттерным узлам и ЭГС в целом;
3. исследование характеристик топлив и топливных композиций.

К общим вопросам ресурсоспособности ЭГС можно отнести следующие процессы и факторы:

1. массоперенос оксидного (и возможно других) топлива внутри сердечника ТЭУ в зависимости от рабочих температур эмиттерной оболочки, тепловыделения, спектра нейтронов, стехиометричности и других параметров топливной композиции, а также геометрии сердечника, объемной доли топлива в сердечнике и других параметров;
2. влияние на массопренос топлива внутри сердечника технологии изготовления, условий хранения, режимов термовакуумной подготовки и выхода на мощность, давления рабочего тела (пара цезия) и других эксплуатационных факторов;
3. перенос топлива через ГОУ различных схем, геометрии, размеров и т.п. в зависимости от стехиометричности и других характеристик топлива, режимов эксплуатации ТЭУ и параметров собственно ГОУ;
4. характеристики ГОУ и режимы эксплуатации, при которых происходит забивание ГОУ переконденсировавшимся топливом, выбор и обоснование оптимальной геометрии ГОУ в отношении недопущения неконтролируемой конденсации топлива, приводящей к герметизации ГОУ;
5. перенос и распределение конденсата топлива на конструкционных элементах тракта вывода ГПД;
6. эффективность, оптимальная геометрия и расположение специальных ловушек топлива, где необходимо обеспечить плановую конденсацию допустимого выноса топлива из сердечника ТЭУ;
7. переходные процессы первоначальной переконденсации топлива внутри сердечника, временное забивание жиклера ГОУ при первоначальной переконденсации топлива и условия «самоочищения» жиклера от переконденсировавшегося топлива, время установления стационарной газовой полости и ее форма, выбор оптимального расположения жиклера ГОУ внутри стационарной газовой полости;
8. влияние многорежимности (например, двухрежимности: транспортного режима и режима длительного энергоснабжения на пониженном уровне мощности), а также термоциклирования на процессы массопереноса в топливном сердечнике и в конечном итоге на ресурсоспособность ЭГС;
9. экспериментальное исследование влияния свободного объема в сердечнике твэла (начальной пористости) на распухание топлива и радиальную деформацию ТЭУ;

 10)    определение температурной области применимости в ЭГС диоксида урана с термически стабилизированной открытой пористостью, определение оптимального размера пор и степени пористости.

Длительная работоспособность существующих и перспективных технических решений по топливно-эмиттерным узлам и ЭГС в целом дополнительно к рассмотренным выше при реакторных испытаниях ампульным устройствам с ТЭУ или макетам ЭГЭ может быть исследована в процессе следующих работ:

1. сравнительные реакторные испытания (в одном ампульном устройстве) различных конструкционно-технологических решений как по отдельным узлам, так и по ТЭУ, ЭГЭ и ЭГС в целом;
2. изучение геометрического и ядерного профилирования на предмет протекания процессов массопереноса, определяющих ресурсоспособность ЭГС;
3. испытания вариантов моделей ТЭУ ЭГС с высокой удельной мощностью (например, 10—20 Вт/см²) с целью выбора типа топлива, его структуры, прогноза ожидаемого ресурса и т.п.;
4. определение влияния форсированного выхода на мощность с прогнозируемыми характеристиками, отработка оптимальных режимов форсированных выходов на мощность;
5. исследование ползучести эмиттерной оболочки в зависимости от ее материала и способов его упрочнения, технологии изготовления, типа, структуры и состава топливной композиции для разных эксплуатационных факторов;
6. изучение влияния свободного объема сердечника на диаметральную деформацию ТЭУ (и ЭГЭ) в зависимости от конструкционно-технологических особенностей ЭГС и режимов эксплуатации;
7. комплексное исследование процессов в реальных конструкциях ТЭУ, ЭГЭ (ЭГС) с целью идентификации специализированных математических моделей прогноза ресурса ЭГС;
8. отработка методов ускоренных и утяжеленных испытаний применительно к задаче прогноза работоспособности и ресурсоспособности ЭГС.

Требуемые условия реакторных испытаний топливно-эмиттерных узлов и макетов ЭГЭ. Для определения требуемых условий реакторных испытаний ТЭУ для исследования методом нейтронной радиографии тех или иных ресурсоопределяющих процессов в ТЭУ может быть использован опыт нейтронографических исследований ПК с испытанными ЭГС (138) и выполненные В.А. Корниловым теоретические исследования (163) основных канонических схем ЭГЭ с различными схемами вывода ГПД (рис. 3.22): через осесимметричный канал в торцевой крышке ЭГЭ (вариант 1); через канал в топливном блоке с вольфрамовыми прокладками и далее через отверстие в торцевой крышке (2); через специальное ГОУ, на горячей части которого расположен капиллярный наконечник (жиклер), размещенный в объеме центральной газовой полости (ЦГП) (3). Анализировались также и различные комбинации этих основных схем.
Теоретический анализ процессов тепломассопереноса топливных композиций (рис. 1.9 и 3.23) с совместным анализом процессов распухания топливного сердечника показал, что существуют оптимальные области параметров, материалов топливных композиций, их составов и т. п., для которых предпочтительно исследовать ту или иную конструкционную схему ЭГС с выводом ГПД. Для ЭГС схем 1 и 2 существуют ограничения энергонапряженности и времени работы. Повышение энергонапряженности и ресурса работы для ЭГС возможно лишь при переходе к конструкционной схеме 3 (рис. 3.22) с использованием специальных ГОУ.

Рис. 3.22. 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

Теоретический анализ проблем схемы ЭГЭ с ГОУ в виде трубки с жиклером показал (31, 92, 137, 139, 164), что серьезную опасность при выводе ГПД из ЦГП может вызвать процесс трансформации ее внутренней изотермической поверхности под влиянием ГОУ, по которому тепло отводится из центральной области твэла к периферии, и условий на внешней границе. При стационарном режиме работы ТРП возможны ситуации, когда трубка ГОУ находится вне ЦГП. Таким образом нарушается нормальная эвакуация ГПД из топливного сердечника. В этом случае происходит нарушение размерной стабильности эмиттера под действием ГПД в результате распухания UО2 по схеме герметичного твэла. Для изучения этого процесса целесообразно исследовать при ампульных реакторных испытаниях работоспособность ТЭУ с техническими характеристиками, находящимися в следующих диапазонах:
Плотность объемного тепловыделения, Bt/cm3                          100-400
Температура эмиттерной оболочки, К                                            1900-2300
Максимальный перепад температуры между эмиттерной оболочкой и торцем, к которому подсоединено ГОУ, К Менее 500
Относительная доля топлива в сердечнике, отн. ед.                    0,3-0,8
Отношение длины ТЭУ к диаметру, отн. ед.                                   2—5

Рис. 3.23. Состояние топлива в высокоэффективных ЭГЭ с выводом ГПД через центральный канал в топливном сердечнике с вольфрамовыми прокладками до реакторных испытаний (а) и после них (б)
1 — топливо, 2 — эмиттерная оболочка; 3 — металлическая прокладка; 4 — отверстие в эмиттерной оболочке, 5 — газовая пора; 6 — коммутационная перемычка
Если в стационарном режиме работы ЭГС трубка ГОУ находится в зоне ЦГП, необходимо исследовать переконденсацию UО2 в переходном процессе [164]. Как правило, в сердечник ЭГЭ топливо закладывается в виде таблеток с зазором между оболочкой и трубкой ГОУ. В начальный период вывода ЭГС на рабочий режим зазоры создают большое термическое сопротивление тепловому потоку, идущему из топливного блока к эмиттеру и трубке ГОУ. В результате наблюдается интенсивная переконденсация топлива на внутреннюю поверхность оболочки и на трубку ГОУ, что может привести к временному выводу из строя ГОУ и в течение этого времени работа ЭГЭ будет проходить по схеме герметичного твэла. Таким образом, необходимо исследовать области параметров ЭГЭ и допустимое время, когда ГОУ может быть неработоспособно. Диапазоны характеристик, для которых целесообразно такое экспериментальное исследование, следующие:
Время, ч:
вывода ЭГС на расчетную мощность                                  0,5-10
необходимое для исследования динамики образования
стационарной конфигурации ЦГП в твэле                           10-1000
Плотность тепловыделения в топливе, Вт/см³                                200-500
Температура эмиттера, К                                                                  2000-2300
Диффузия UO2 в ГОУ может приводить к двум нежелательным ситуациям: закупорке ГОУ конденсатом топлива при конденсации его в ГОУ, или к недопустимо большому выходу UО2  из сердечника ЭГЭ. Причем первая из названных ситуаций возвращает нас к упоминавшейся ранее нежелательной схеме герметичного твэла. Расчетно-теоретический анализ процессов массопереноса топливного материала в системе вывода газообразных продуктов деления, в частности через специальное устройство, выполненное в виде осесимметричной трубки с капиллярным участком, позволяющим отделить пары топливного материала от ГПД, выявил области параметров и геометрических характеристик ГОУ для экспериментального исследования:
Отношение длины капилляра к длине трубки ГОУ, отн. ед.                   0-0,5
Относительное сопротивление проходного сечения капилляра 5-225 и трубки ГОУ, отн. ед.
Сопротивление капиллярного канала ГОУ (Iк/rк2),1/мм                           101-105
Суммарное давление парогазовой смеси в системе вывода ГПД, Па До 2660
Моделирование процесса переконденсации UO2 в топливном сердечнике ЭГЭ с ГОУ дает необходимые предпосылки для дальнейшего исследования поведения топлив, и прежде всего в коммутационной камере ЭГЭ и МЭЗ. Очевидно, что в зависимости от температурных условий на границе коммутационной камеры, ее геометрических размеров, энергетических характеристик ЭГЭ (qv, Tэ) и геометрии ГОУ, возможны ситуации недопустимого скопления конденсата UO2 на отдельных участках камеры. Особенно следует опасаться скопления топлива вблизи каналов для прохода Cs в МЭЗ и на коллекторе у входа в МЭЗ. Распределение концентрации паров UO2 в объеме коммутационной камеры ЭГЭ позволит также приступить к дальнейшему исследованию поведения UO2 в МЭЗ. Выполненный расчетно-теоретический анализ массопереноса UO2, вышедшего из ТЭУ в межтвэльное пространство, показывает места максимального скопления конденсата в месте входа в МЭЗ на коммутационной перемычке и на холодном торце твэла, противоположном выходу трубки ГОУ. Целесообразно провести ампульные испытания модели ЭГС из нескольких последовательно соединенных ЭГЭ с последующим нейтронографическим исследованием для технических параметров в интервале:
Максимальная температура топливной композиции, К                2000-2800
Время конденсации, ч                                                                       100-1000
Кислородный коэффициент (для UO2)                                         1,994-2,005
Исследование поведения (JO2 в МЭЗ позволит определить глубину проникновения и толщину конденсата топлива. Эти данные являются необходимыми предпосылками для дальнейшего исследования процессов в плазменном диоде ТЭП.
Конструкционные схемы ампульных устройств. При проектировании ампульного устройства сталкиваются два противоречивых требования: с одной стороны, оно должно быть максимально простым как в изготовлении, так и при обслуживании во время испытаний, с другой стороны, в нем желательно в максимальной степени имитировать реальные условия работы ТЭУ при эксплуатации ЭГС. Это прежде всего связано с необходимостью моделирования наличия пара цезия, так как давление парогазовой смеси на выходе из ГОУ существенно влияет на процессы массопереноса топлива через ГОУ, а следовательно, будет влиять и на результаты реакторного эксперимента. Возможны по крайней мере два решения: моделирование наличия пара цезия нейтральным газом; включение в состав ампулы источника пара цезия.
Схема возможного варианта ампульного устройства для сравнительных реакторных испытаний нескольких ТЭУ с различными схемно-конструкционными решениями может быть следующей. Ампульный канал состоит из двух герметичных полуампул, каждая из которых содержит по три исследуемых ТЭУ, и контейнер с цезием. Днище контейнера с цезием соединено с корпусом легкоплавким припоем, который расплавляется при выходе на рабочий температурный режим. Давление пара цезия поддерживается за счет разогрева контейнера электронагревателем или с помощью гамма-нагрева. Тепло с эмиттерных узлов снимается излучением и электронным охлаждением.
На рис. 3.24 приведена конструкция длительно эксплуатировавшегося ампульного устройства для долгоресурсных реакторных испытаний одного или одновременно трех ТЭУ с ГОУ, возможно различных конструкционных схем (57). С помощью этого ампульного устройства выполнялись многолетние с периодической нейтронографией ресурсные испытания макетов ЭГЭ, конструкция которых приведена на рис. 3.25. Ампула была выполнена герметичной, т.е. не требовала подсоединения к системам петлевой установки и, следовательно, была проста в эксплуатации, но в то же время имела источник пара цезия и системы для сбора и анализа ГПД. Основной задачей испытаний являлось определение деформации ТЭУ в течение всего ресурса работы, измерение деформации проводилось методом неразрушающего контроля — нейтронной радиографией при периодической выгрузке ампульного устройства из ячейки реактора.


Рис. 3.24. Ампула для реакторных испытаний трех топливно-эмиттерных узлов:
1 — пластичная перемычка; 2 — резервуар для газообразных осколков деления; 3 — жиклер (установка не обязательна); 4 — жесткая перемычка; 5 — вентиляционный тракт; 6 — наружный корпус; 7 — термоэмиссионный ЭГЭ, 8 — цезиевый резервуар, 9 — внутренний корпус; 10 — ввод оборудования (диодные, термопарные, манометрические и т.п. линии); 11 —  манометр  
Рис. 3.25. Термоэмиссионный ЭГЭ с топливно-эмиттерным узлом для ампульных испытаний:
1 — токовывод эмиттера; 2 — фланец эмиттера; 3 — изоляционная перемычка; 4 — коллектор; 5 — топливная таблетка; 6 — эмиттерная оболочка; 7 — коллекторная концевая заглушка; 8 — соединительное устройство для токопровода коллектора, 9 — зонд для измерения напряжения; 10 — провода для нагрева цезиевого резервуара, 11 — держатель топливной таблетки

Отметим, что при испытаниях моделировалось и электронное охлаждение эмиттера. Температура эмиттера и топлива определялись расчетным путем из уравнения теплового баланса. Испытания проводились во второй половине 80-х годов, максимальный ресурс составил 39 000 ч.
Близкое к описанному ампульное устройство АК-2 с пятью ЭГЭ испытано в ФЭИ (37). Ампула не содержала источника пара цезия, охлаждение эмиттера за счет электронного охлаждения моделировалось заполнением МЭЗ газом. Для определения деформации эмиттерной оболочки размер МЭЗ в разных ЭГЭ был разным, поэтому в процессе ресурсных испытаний по замыканию отдельных ЭГЭ можно было косвенно судить о деформации эмиттерной оболочки. Испытания проводились в течение 31000 ч при плотности теплового потока на эмиттер 35—50 Вт/см² и оцениваемой температуре эмиттера 1650-1900 °C. Результаты разделки в «горячих» камерах показали, что за указанный ресурс увеличение диаметра отдельных ЭГЭ составило 0,15—0,07 мм.
Если ампульное устройство, выполненное более сложным (типа петлевого канала), содержит собственно ампулу и штангу и подсоединено к газовакуумным системам петлевой установки реактора, то для обеспечения периодической нейтронографии (с извлечением из ячейки реактора всей экспериментальной сборки и помещением ее в нейтронографическую установку) при обеспечении сохранения остаточного вакуума штанга в верхней части должна иметь отсечные клапаны, с помощью которых экспериментальная сборка (ампула и штанга) отстыковывается от систем петлевой установки. При наличии в ампуле нейтронных поглотителей, например, из бора, кадмия и т.п., они должны быть либо съемными, либо иметь возможность передвижения (вверх, вниз) за пределы испытываемых ТЭУ с тем, чтобы было возможно сделать нейтронную радиограмму объектов испытаний.

Рис. 3.26 Схема петлевого ампульного устройства для реакторных испытаний топливно-эмиттерных узлов ЭГЭ с внешним расположением топлива с последующим нейтронографическим контролем процессов переконденсации топлива:
1 — корпус ампульного устройства; 2 — теплоизоляция; 3 — топливно-эмиттерный узел ЭГЭ с внешним расположением топлива; 4 — коммутационная перемычка, 5 — тепловая труба, 6 — внутренний корпус

Для проведения ампульных испытаний ТЭУ нетрадиционных схем ЭГС, например, с внешним расположением топлива (ВРТ), ампульное устройство будет отличаться от рассмотренных выше в основном тем, что в ЭГС с ВРТ непреобразованное тепло термодинамического цикла снимается с внутренней поверхности коллекторной трубки ограниченного диаметра, где традиционные системы охлаждения петлевых каналов не вписываются вследствие несовместимости габаритных размеров. А.К. Альмамбетовым [24] предложены два решения ампульного устройства для испытаний ТЭУ с ВРТ. Первый вариант устройства аналогичен традиционному ПК. Возможна концепция ампульного устройства на базе тепловой трубы (рис. 3.26). Тепло, выделяющееся в ТЭУ, передается на испаритель тепловой трубы и далее — в зону охлаждения, где через гелиевый зазор и вытеснитель сбрасывается на воду теплообменника. Температура тепловой трубы регулируется давлением гелия в гелиевом зазоре. Отметим, что тепловая труба диаметром 10 мм с калием в качестве рабочего тела способна передавать тепловую мощность до 3 кВт.

Рис. 3.27. Внутренняя полость ампульного устройства для реакторных испытаний макета ЭГЭ реактора ITR:
1 — зазор для D2O; 2 — охлаждаемая направляющая труба; 3 — вентиляционная трубка для ГПД, 4 — труба капсулы; 5 — верхний поглотитель нейтронов (Jr), 6 — дистанционатор эмиттера из Мо; 7 — вентиляционный канал ГПД; 8 — тепловые защитные экраны; 9 — гелиевый зазор; 10 — нагреватель; 11 —  столбик таблеток U2O; 12 — эмиттер из Мо; 13 — внутренняя втулка нагреваемого чехла; 14 — центрирующее кольцо; 15 — центрирующая диафрагма; 16 —  дистанционатор эмиттера; 17 — нижний поглотитель нейтронов (Jr); 18 — термопара WRе5-WRe26; 19 — держатель термопары (Nb)
Опишем также отличающееся от отечественных устройство для ресурсных реакторных испытаний ЭГЭ реактора ITR, основной особенностью проекта которого являлось оригинальная конструкция ЭГС с цилиндрическим эмиттером из молибдена, внутрь которого устанавливалось несколько цилиндрических топливных сердечников. Облучение двух таких ЭГЭ проводилось на тяжеловодном реакторе FR2 в Карлсруэ в отпаянной капсуле (166), рабочая часть которой приведена на рис. 3.27. Эмиттерные узлы устанавливались в нагреваемый чехол, которому они отдавали тепло излучением и теплопроводностью через кольцевой зазор шириной 0,6 мм, заполненный гелием. Температура внутренней поверхности чехла может регулироваться дополнительным электрическим нагревателем и поддерживаться в пределах 900-1000 К. Температура эмиттера измерялась вольфрам-рениевой термопарой, температура нагреваемого чехла и других узлов — хромель-алюмелевыми термопарами. В экспериментах тепловой поток с эмиттера достигал 100 Вт/см², что в 2 раза превышало проектные значения реактора ITR. Этим путем достигалось увеличение выгорания за данное время облучения капсулы. В дополнение к двум главным элементам, каждый из которых содержал один топливно-эмиттерный узел и один нагреваемый чехол, облучательная капсула имела два отвакуумированных резервуара для ГПД и нагреваемое геттерное устройство для непрерывной очистки гелия от примесей во время облучения. Тепловая мощность эмиттерного узла определялась из соотношения между температурой нагреваемого чехла и удаляемого тепла, которое было получено вне реактора при помощи нагревателя чехла. По измеренной разности температур чехла и реакторного теплоносителя и полученного соотношения определялась мощность ядерного нагрева. Было испытано шесть таких сборок при температуре эмиттера около 2100 К, максимальная длительность испытаний превысила 6000 ч, а глубина выгорания — 2,8%.