Исследования термоэмиссионных сборок ЯЭУ - Использование ампульных испытаний топливно-эмиттерных узлов

О возможности использования ампульных испытаний топливно-эмиттерных узлов или макетов ЭГЭ в качестве предварительного этапа реакторных испытаний ЭГС

Целесообразность ампульных испытаний ТЭУ не вызывает сомнений. В то же время эти испытания могут рассматриваться и как специфический или дополнительный этап петлевых реакторных испытаний собственно ЭГС.
Несмотря на то, что реакторные испытания ЭГС являются основным этапом отработки ТРП, вследствие специфики реакторных испытаний при их проведении измеряется ограниченный круг параметров и характеристик. Не измеряются многие параметры, ответственные за ресурс, работоспособность, совершенство конструкционных и технологических решений по ЭГС и его элементам и узлам. Более того, в ряде случаев даже после проведения испытаний остаются невыясненными причины прекращения испытаний или деградации характеристик. Это приводит к появлению многих иногда противоречивых предположений, которые без документированного экспериментального подтверждения так и остаются «гипотезами» или даже домыслами.
Нейтронографическое сопровождение петлевых испытаний ЭГС, хотя бы в виде испытаний с последующей нейтронографией ТЭУ как образцов-свидетелей, помогло бы идентифицировать происшедшие отказы и нарушения режимов работы и определить ответственные за них процессы или факторы. В результате это позволило бы не только снять возможные противоречия между изготовителями и испытателями, но и дать рекомендации по совершенствованию как конструкции, так и технологии изготовления как ТЭУ, так и ЭГС в целом.
Во время проведения ампульных испытаний могут быть также отработаны методы диагностики ЭГС при петлевых испытаниях, а именно определение некоторых неизмеряемых или полученных с большой погрешностью параметров (распределения тепловыделения по объему топливного сердечника, влияние на тепловыделение и его распределение процессов переконденсации топлива, оценка максимальной температуры топливного сердечника и др.) и идентификации отказов (прежде всего по выносу топлива, растрескиванию эмиттерной оболочки, появлению тепло- и электропроводящих мостиков и т.п.). Отработанные при ампульных испытаниях методы определения параметров и отказов затем могли бы быть перенесены на непосредственно петлевые испытания ЭГС. По-видимому, для этих целей могут быть частично использованы запланированные по другим программам ампульные испытания, а также испытания специально спроектированной «диагностической» ампулы.
При испытаниях ЭГС с различными техническими решениями по ТЭУ практически невозможно выполнить сравнительный анализ этих решений до дорогостоящей и требующей предварительной длительной выдержки «разделки» ЭГС в «горячей» камере. Проведение специальных ампульных сравнительных испытаний ТЭУ различной конструкции и технологии путем оперативной нейтронографии позволит выявить наиболее перспективные решения и тем самым сократить объем собственно петлевых испытаний ЭГС.
Из-за ограниченного объема реакторных испытаний ЭГС представляется важным переход на ускоренные и утяжеленные петлевые реакторные испытания. При этом целесообразна не только отработка методик таких испытаний при проведении ампульных испытаний, но и перевод значительного объема таких испытаний именно на ампульные испытания сначала ТЭУ, а затем и ЭГЭ.
При петлевых испытаниях ЭГС очень важен, в отношении как стабильности энергетических характеристик, так и в особенности его ресурса, этап термовакуумных испытаний. В настоящее время фактически отсутствуют научно обоснованные рекомендации по проведению этого этапа, а также надежные сведения о влиянии этого этапа на эмиссионные характеристики электродов ЭГС. По-видимому, целесообразно проведение цикла специальных ампульных исследований режимов термовакуумной подготовки ТЭУ с контролем эмиссионных свойств эмиттера (желательно и коллектора), в том числе процессов объемной и поверхностной диффузии топлива (или его компонентов) на электроды, а следовательно, и на ресурсное поведение энергетических характеристик.
При проведении реакторных испытаний ЭГС много беспокойства доставляют остановы реактора (как плановые, так, в особенности, при сбросах АЗ реактора). При проведении ампульных испытаний возможно изучение влияния таких остановок на характеристики ТЭУ, а также и отработка устойчивых к термоциклам конструкций ЭГС и режимов выхода на мощность, обеспечивающих воспроизведение характеристик и исключающих потери ресурсоспособности ТЭУ (и возможно других узлов) ЭГС.

Использование ампульных испытаний топливноэмиттерных узлов для идентификации математических моделей прогноза ресурса термоэмиссионных электогенерирующих сборок

Практическая невозможность непосредственной экспериментальной отработки высоких значений ресурса (более 3 лет), выдвигает на первый план требования создания достаточно надежных методов прогноза длительной работоспособности и расчета конкретного ресурса ЭГС и, следовательно, ТРП. Одним из возможных способов решения этой противоречивой задачи может быть создание с соответствующей надежной идентификацией инженерных методов прогноза работоспособности и ресурса как по отдельным ресурсоопределяющим факторам и процессам, так и по их взаимосвязанному комплексу. Создание таких методик невозможно без предварительного выполнения по крайней мере двух работ: создания математических моделей соответствующих ресурсоопределяющих процессов в ЭГС и экспериментального исследования этих процессов или обработки и анализа результатов испытаний объектов, где наблюдались соответствующие процессы.
Ампульные испытания ТЭУ и моделей ЭГЭ и ЭГС совместно с возможностями нейтронной радиографии представляются идеальными в отношении получения непосредственных экспериментальных данных по интересующим процессам и для надежной идентификации как инженерных методик, так и математических моделей.
Применительно к рассмотренным в § 3.7 ресурсоопределяющим процессам в топливно-эмиттерных узлах ЭГС при ампульных испытаниях ТЭУ или макетов ЭГЭ и ЭГС с нейтронографическим контролем представляется возможным выполнение следующего комплекса разработок:

1. идентификация инженерной методики прогноза ресурса ЭГС по фактору ограничения допустимого выноса топлива из сердечника ЭГЭ;
2. идентификация методики оценки ресурса ЭГС по процессам распухания топлива и деформации топливно-эмиттерных узлов при выходе из строя системы удаления ГПД;
3. идентификация методики прогноза ресурса ЭГС по фактору массопереноса топлива в межэлементных промежутках ЭГС;
4. проверка метода расчета ресурса ЭГС по фактору недопустимого количества конденсата топлива в межэлектродном зазоре ЭГС (появление тепло- и электропроводящих мостиков);
5. проверка инженерной методики прогноза ресурса топливно-эмиттерного узла ЭГС с центральным каналом для вывода ГПД (с так называемым «дымоходом»);
6. обоснование методики построения зависимости плотность электрической мощности, Вт/см² — ресурс ЭГС, ч, для различных схем вывода ГПД;
7. то же с учетом разнорежимности или цикличности нагружения;
8. обоснование критериев подобия и комплексной критериальной методики определения необходимых условий работоспособности ЭГС по комплексу процессов массопереноса в ЭГС;
9. проверка методик и программ расчета ресурса тугоплавких электродных и конструкционных материалов по факторам радиационного воздействия и влияния топлива и его продуктов распада.