Исследования термоэмиссионных сборок ЯЭУ - Петлевое устройство для реакторных испытаний пакета электрогенерирующих сборок

Петлевое устройство для реакторных испытаний пакета электрогенерирующих сборок с циркуляционным литиевым контуром
Применительно к космическим ЯЭУ большой мощности (от 100—150 кВт до нескольких мегаватт), рассматривается модульное построение активной зоны ТРП на быстрых нейтронах и литиевой системы отвода тепла [12, 17, 220]. Модульное построение ЯЭУ позволяет на основе единых технических решений по ТРП (и ЯЭУ в целом) не только создать семейство ЯЭУ различных мощностей, но и существенно облегчить и сократить время и стоимость создания изделия, так как в комплексном плане экспериментальной отработки основной объем испытаний ложится на отработку унифицированного энергетического модуля [17, 220]. Модуль включает в себя один (или два) ЭГП из 18 или 36 ЭГС, секцию холодильника-излучателя на тепловых трубах, электромагнитный насос (ЭМН), магистральные трубопроводы системы охлаждения с компенсационной емкостью, сепаратором радиогенного гелия и датчиковой аппаратурой, контур разогрева литиевого контура. В состав модуля входят также системы, обеспечивающие вакуумирование МЭЗ ЭГС, подачу пара цезия и удаление ГПД.
На литий-ниобиевом стенде РКК. «Энергия» ведется экспериментальная отработка теплотехнической части модуля, включающего в себя ниобиевый ЭГП с электронагревателями (имитирующими ЭГС), секцию холодильника-излучателя из натриевых тепловых труб, индукционный ЭМН, магистральные трубопроводы, компенсационную емкость, различные варианты пусковой системы и другое оборудование (17, 220, 221).
Для оценки возможностей полномасштабной отработки модуля с испытанием ЭГП с топливом в ядерном реакторе был выполнен комплекс проектных и экспериментальных исследований по обоснованию такой возможности. В [222) изложены результаты проектно-конструкторской разработки специального устройства — литиевого петлевого канала (ЛПК) для ядерно-энергетических испытаний ЭГП применительно к модульной схеме ЯЭУ электрической мощностью до 500-600 кВт. Конструкционная схема одного из вариантов ЭГП приведена на рис. 5.21. Основными задачами испытаний ЛПК должны быть: комплексная отработка в условиях реактора ЭГП со штатными материалами горючего, эмиттера, коллектора, изоляции, теплоносителя, штатными геометрическими размерами ЭГЭ, ЭГС и ЭГП, включая шаг ЭГС в ЭГП, изготовленного по штатной технологии, при проектных удельных тепловых и электрических плотностях мощности, температурах эмиттера, коллектора, топлива, изоляции, теплоносителя, рабочем напряжении, давлении пара цезия на всех режимах работы, включая запуск из «замороженного» состояния литиевого теплоносителя, переход с режима на режим и т.д.
В состав ЛПК должны входить: полномасштабный ЭГП (на первых этапах испытаний возможна установка модели ЭГП с уменьшенным числом ЭГС), включающий в себя коммутационную камеру и тракты теплоносителя; внутриканальный ЭМН для обеспечения прокачки литиевого теплоносителя; систему охлаждения ЭГП и теплосброса на воду реактора; системы вакуумирования МЭЗ ЭГС, подачи пара цезия и удаления ГПД; необходимые измерительные и управляющие системы, аналогичные используемым в обычных ПК.

Рис. 5.21. Конструкционная схема ЭГП из термоэмиссионных ЭГС:
1 — ЭГС; 2 — шестигранный корпус пакета; 3 — торцевой фланец; 4 — система плавления лития; 5 — тракт литиевого теплоносителя; 6 — торцевой отражатель; 7 — коммутационная камера; 8 — токовывод ЭГП, 9 —  наружная изоляция корпуса ЭГП

В качестве реакторной базы для испытаний ЭГП рассматривался реактор ВВР-К, на котором была создана универсальная петлевая установка для испытаний энергонапряженных ЭГС [174]. На этой базе проведено большое число испытаний обычных ПК (в том числе групповых испытаний четырех ЭГС в одном ПК) и с литиевым подслоем, имитирующим литиевый теплоноситель ТРП [41, 54, 148). Эти испытания рассматривались как прототипы планировавшихся испытаний ЭГП. Для проведения испытаний полномасштабного ЭГП необходимо было модернизировать реактор ВВР-К для увеличения высоты активной зоны с 700 до 1200 мм и улучшения ее нейтроннофизических характеристик с целью создания центральной исследовательской ячейки с большим диаметром (до 205 мм). При этом мощность реактора должна быть увеличена с 10 примерно до 30 МВт. Для формирования профиля энерговыделения и спектра нейтронов предусматривалось использование устройства регулирования на основе секционированных камер с поглотителем нейтронов 3Не, аналогичного использованному при проведении петлевых испытаний ЭГС (см. §4.10) (185). В ячейке диаметром 205 мм планировали разместить гелиевое устройство размером 200/165 мм, во внутренней полости которого и должен быть размещен ЛПК. Экспериментальное обоснование характеристик с удвоенной высотой активной зоны было выполнено на критическом стенде реактора [179].
В [222] описана конструкционная схема спроектированного ЛПК. Наружный размер ЛПК на длине активной зоны 1200 мм равен 160 мм, выше активной зоны — 200 мм. ЭГП располагается в нижней части ЛПК, причем центр ЭГП совпадает с центром активной зоны исследовательского реактора. ЭГП окружен несущим разъемным чехлом, предохраняющим оболочку ЭГП от деформации под действием внутреннего давления теплоносителя. С нижней части ЭГП выводятся две сильноточные шины для съема полезной электрической мощности. На верхней части ЭГП расположены подводящий и отводящий литиевые трубопроводы 038x1 мм. Выше ЭГП располагается ЭМН и литий-водяной холодильник для отвода на воду реактора непреобразованного тепла термодинамического цикла. Холодильник представляет собой трубчатую конструкцию, в кольцевом пространстве которой по винтовой линии расположены три параллельно идущих трубопровода, которые по бифилярному принципу возвращаются к выходному коллектору. Пространство между бифилярным пучком трубок и кожухом холодильника заполнено жидким металлом, например, сплавом свинца с висмутом. Далее размещается газовакуумная полость, отделяющая кожух холодильника от корпуса ЛПК. Через внутреннюю полость холодильника проходят магистрали: силовые токопроводы от ЭГП, шины к ЭМН, вакуум цезиевый тракт, провода датчиков температуры, протечки лития и т.п. Выше холодильника располагается газовакуумная система обеспечения межэлектродной среды (вакуумирования и непрерывного удаления десорбирующихся газов и ГПД с одновременной подачей пара цезия требуемого давления). Возможно, потребуется установка между холодильником и ЭМН рекуперативного теплообменника. Проектные характеристики ЛПК для испытаний двух вариантов ЭГП (с 18 и 36 ЭГС) приведены ниже (223):
Геометрические характеристики ЛПК:                                       Значения
Наружный диаметр корпуса, мм:
в активной зоне реактора                                                160x2
выше активной зоны                                                        180-200

Практические работы по подготовке реакторных испытаний фрагментов ЭГП термоэмиссионного реактора-преобразователя на быстрых нейтронах с циркулирующим литиевым теплоносителем в настоящее время проводятся в ФЭИ. На основе опыта создания и реакторных испытаний ПК с застойной литиевой полостью разработан ЛПК для испытаний фрагментов ЭГП в потоке лития [180]. Конструкционная схема ампульной части ЛПК, спроектированной Г.А. Купцовым и И.Х. Меркурисовым, для испытаний двух ЭГС в потоке циркулирующего лития приведена на рис. 5.22. 

Рис. 5.22. Конструкционная схема ампульной части петлевого канала для реакторных испытаний фрагмента ЭГП из двух ЭГС в потоке циркулирующего лития:
1 — переходник ниобий-нержавеющая сталь; 2 — трубки для размещения ДПЗ и термопар, 3 — расширительная емкость, 4 — ампула канала, 5 — ЭГС; 6 — ниобиевый вытеснитель, 7 — теплозащитная диафрагма, 8 — алюминиевый вытеснитель; 9 — регулировочная полость, заполняемая газом; 10 — охранная полость; 11 — ЭМН; 12 — жидкометаллическая петля; 13 — сливной бачок

Проточная часть ампулы, где циркулирует литий, выполнена из ниобиевого сплава НбЦУ и представляет собой стакан диаметром 60x1 мм, во внутренней полости которого размещены две ЭГС, разделительная полость, вытеснитель, трубка для размещения ДПЗ и термопар. К нижней части ампулы подсоединяются две трубы, по которым жидкий литий с помощью электромагнитного насоса подается в активную зону Л ПК. В районе активной зоны ЛПК жидкометаллическая часть петли окружена локальной охранной полостью и регулировочной полостью, заполняемой газом регулируемого давления. Стрелками показано направление циркуляции лития. В размещенный внизу бачок сливается литий после завершения испытаний, что обеспечивается прорезыванием мембраны ножом при подаче давления в сильфонный узел. Макет ампулы рассматриваемого ПК прошел в ФЭИ стендовые испытания с электронагревом в 1997-1998 гг.