Глава 5.
ПЕТЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАКТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ СБОРОК
- Назначение, состав и особенности конструкции петлевых каналов различных типов
Успех петлевых испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок в значительной мере определяется надежностью функционирования всех систем реакторного испытательного устройства, называемого ПК. Это устройство прежде всего должно обеспечить при испытаниях условия работы ЭГС, максимально приближенные к условиям функционирования ЭГС в составе ТРП.
Конструкция ПК, в котором размещается ЭГС, несмотря на кажущуюся простоту, оказывается достаточно сложной [21, 29, 38, 43, 44, 108]. В конструкции нет подвижных деталей, и, казалось бы, очень просто создать надежную систему, тем не менее добиться четкого взаимодействия систем ПК на длительное время работы оказалось достаточно сложной задачей. Это связано с тем, что в конструкцию ПК входят узлы и детали, различающиеся используемыми материалами, условиями и режимами работы. Так, наружный корпус изготавливается, как правило, из нержавеющей стали, рабочий участок, где размещается ЭГС, выполняется из комплекта разнородных материалов, в том числе из нержавеющей стали, медных и алюминиевых сплавов, которые к тому же могут быть разделены теплопроводящими полостями различной конструкции или зазорами, заполняемыми газом или жидким теплопроводящим металлом, в том числе щелочным (эвтектикой натрий-калий или литием).
ПК имеет вакуумные полости и тракты, в которых функционирует цезий. Электрическая энергия выводится с зажимов ЭГС через медные токовыводы, проходящие через герметичные металло-керамические выводы (гермовводы — МКУ).
Состав и конструкционные особенности ПК могут различаться в зависимости от конструкции и количества ЭГС в одном ПК, задач и режимов испытаний и характеристик испытательной ячейки реактора. При испытаниях на одном реакторе, как правило, оставались неизменными внешние размеры ПК (диаметр, высота), в то же время изменялись источники пара цезия, элементы системы теплосброса, системы вакуумирования, датчики измерения основных характеристик ЭГС.
Петлевые каналы проектируются с учетом конструкционных особенностей испытываемых ЭГС, необходимости обеспечения близких к натурным условий проведения испытаний, возможности измерения и регулирования основных параметров ЭГС и специфики исследовательского реактора, где должны проводится петлевые испытания ЭГС.
Практически все типы ПК содержат следующие системы.
В нижней части ПК размещается так называемый рабочий участок с установленной внутри него испытываемой ЭГС с эмиттерным и коллекторным токовыводами. Иногда для упрощения электрической схемы ПК выполняется с одним изолированным токовыводом, вторым служит несущая трубка (чехол) ЭГС. Рабочий участок, последовательно соединенный с системой откачки, прогревается по всему тракту блока рабочего тела электронагревателями. В узле откачки расположен источник пара цезия, который заполняется жидким цезием из ампулы (как правило, после проведения термовакуумной подготовки ЭГС и систем ПК). Для проведения непрерывной откачки газов из полости МЭЗ — топливно-эмиттерный узел системой петлевого стенда (петлевой установки (ПУ)) и поддержания необходимой межэлектродной среды в узле откачки расположен отделитель пара цезия от газов (например, выполненный в виде шнека), предназначенный для конденсации пара цезия и возврата жидкого цезия в источник пара цезия (например, термостат). Узел откачки может заканчиваться дистанционным пневмоклапаном, который открывается при вакуумировании МЭЗ испытываемой ЭГС. Для сброса тепла с коллекторного пакета на рубашку охлаждения в ПК, как правило, используется газовый зазор между наружной несущей трубкой КП и корпусом рубашки охлаждения. Теплопроводность газового зазора регулируется изменением давления газа (обычно гелия), или состава смеси газов (обычно гелия и азота). Моделирование требуемого распределения температур по КП осуществляется профилированием газового зазора (38]. Отметим, что профилирование газового зазора необходимо не только напротив ЭГС, но и у краев активной части для исключения образования в этих местах так называемой «холодной» точки [198].
В верхней части ПК может быть размещено устройство для регулирования вертикального положения ПК в ячейке реактора для совмещения центра активной части ЭГС с физическим центром активной зоны реактора.
С начала петлевых испытаний до настоящего времени конструкция ПК претерпела существенные изменения. Первые ПК были близки к ампульным испытательным устройствам. Особенностью первых вариантов ПК являлось в какой то мере копирование лабораторных устройств для испытаний обычных ТЭП, в том числе использование обычного термостата, размещенного к тому же в нижней части ПК, наличие клапана (часто даже необогреваемого) в тракте подсоединения к вакуумной системе для герметизации объема термостат — ЭГС, наличие электронагревателя коллектора, введение в ПК или геттерного устройства, или автономного вакуумного насоса и т. п. Конструкционная схема одного из первых вариантов ПК приведена на рис. 5.1.
Совершенствование конструкции ПК происходило в направлении приспособления к программам отработки определенных типов ЭГС, повышения надежности ПК, в том числе для обеспечения ресурсных испытаний, возможности испытания ЭГС с повышенными тепловыми потоками и плотностью генерируемой мощности, возможности испытания в одном петлевом канале нескольких ЭГС (двух, четырех), обеспечения испытаний ЭГС при наличии снаружи несущей трубки коллекторного пакета жидкометаллического теплоносителя (NaK или Li), увеличения числа встроенных в ПК датчиков для повышения информативности испытаний и т.п. В последние годы основной задачей разработчиков конструкции ПК стало создание так называемого УПК, имея в виду его применения для испытаний ЭГС разных модификаций (в том числе разработанных в разных организациях) и использования на разных реакторах (прежде всего на АМ и ИВВ-2М).
Рис. 5.1. Конструкционная схема одного из первых вариантов ПК, испытанных в реакторе ВВР-М:
1 — необогреваемый клапан системы вакуумирования МЭЗ; 2 — электрический разъем, 3 — датчик измерения вакуума, 4 — штепсельный разъем; 5 — гермоввод; 6 — биологическая защита; 7 — встроенный гетеро-ионный насос; 8 — цезиевая ловушка; 9 — шунт; 10 — откачная трубка; 11 — ЭГС; 12 — электронагреватель коллектора; 13 — термостат цезия; 14 — электронагреватель цезиевого термостата, 15 — эмиттер, 16 — коллектор; 17 — дистанционирующее кольцо, 18 — изоляция, 19 — таблетка топлива, 20 — дистанционатор
Рис. 5.2. Конструкционная схема одного из последних вариантов ПК, испытанных в реакторе АМ:
1 — многоштырьковый герморазъем; 2 — силовой токовый герморазъем; 3 — ампула с жидким цезием; 4 — устройство для вскрытия ампулы с цезием; 5 — конденсатор пара цезия, 6 — электронагреватель; 7 — термоэмиссионная ЭГС; 8 — СТС; 9 — токовывод; 10 — источник пара цезия циркуляционного типа; 11 — трубка возврата сконденсировавшегося цезия; 12 — теплообменник в виде трубки Фильда
На рис. 5.2 приведена конструкционная схема одного из последних вариантов ПК, испытанных в реакторе АМ. ПК содержит следующие основные узлы:
теплообменник в виде трубки Фильда (12) как наиболее устойчивой конструкции теплообменных устройств;
ампулу с ЭГС (7) и системой теплосброса (8) [в рассматриваемой конструкции ПК теплосброс осуществляется через многослойную (медь — нержавеющая сталь) трубу и газовый профилированный по высоте зазор для создания заданного температурного режима коллекторов ЭГС]. Отметим, что в ряде ПК вместо медной трубы использовался жидкий металл;
токовыводящие шины, которые, как правило, изготавливаются из медных труб или медных жгутов и изолируются от массы ПК.
Отметим, что для упрощения конструкции используются и однополюсные токовыводы, тогда один из полюсов ЭГС заземляется. Если в задачи испытаний входит контроль поведения электроизоляции коллекторного пакета во время испытаний, требуется изоляция обоих полюсов ЭГС и, следовательно, наличие двух изолированных от массы токовыводов. Токовыводы проходят через гермовводы при выходе из полости ЭГС для герметизации цезий-вакуумной полости. Особо следует подчеркнуть важность таких деталей, как гермовводы, поскольку без обеспечения герметичности полости проведение ресурсных испытаний практически невозможно. Число гермовводов зависит от конструкции ЭГС и ПК. Так, в ЭГС с охранным электродом число гермовводов на один ЭГС может доходить до четырех. Если в одном ПК испытывается несколько ЭГС, число гермовводов возрастает пропорционально числу ЭГС. Отметим, что в настоящее время разработана надежная технология создания высокотемпературных гермовводов (см. рис. 1.15), в том числе и рассчитанных на высокое напряжение (см. рис. 2.15 и 2.16).
