Исследования термоэмиссионных сборок ЯЭУ - Изменение тепловой мощности электрогенерирующей сборки

1. Изменение тепловой мощности электрогенерирующей сборки, плановый и аварийный остановки

Выход на мощность.

Первый выход на мощность (после загрузки ПК в реактор) осуществляется на этапе «горячего» обезгаживания. Скорость подъема мощности в процессе этого этапа ограничивается требованиями обеспечения таких вакуумных условий в МЭЗ ЭГС, при которых гарантированно отсутствовали бы процессы массопереноса, которые в дальнейшем могут привести к быстрому выходу ЭГС из строя. Количество и состав газов в МЭЗ во время выхода на мощность определяются условиями разогрева прежде всего топливно-эмиттерных узлов, а также коллектора, и темпом откачки десорбирующихся газов.
Определяющими параметрами при выходе на мощность являются температура эмиттера Тэ и вакуум на выходе из ЭГС. Обычно выбирают равномерный прирост Тэ из соображений минимизации термомеханического эффекта деформации деталей ЭГС и умеренного газовыделения при допустимом падении вакуума. Отметим, что вначале равномерное приращение Qэгс дает примерно равномерную прибавку Тэ, пока тепло с эмиттера снимается в основном теплопроводностью (через коммутационные перемычки и дистанционаторы). Далее теплопередача увеличивается вследствие теплоизлучения с эмиттера и скорость нарастания Тэ замедляется при равномерном увеличении Qэгс. Поэтому обычно исходят из равномерной прибавки Тэ при постепенно увеличивающейся прибавке Qэгс и при постоянной выдержке на каждой ступеньке мощности. Так, при петлевых испытаниях на реакторе АМ в начале выхода ступеньки мощности составляют десятые доли процента номинальной мощности реактора, а в конце выхода они увеличиваются до нескольких процентов. Как уже отмечалось в § 6.4, в процессе выхода на мощность в режиме «горячего» обезгаживания выполняется масс-спектрометрический анализ состава откачиваемых газов, регистрируется процесс переконденсации топлива в сердечниках, исследуются вакуумные ВАХ, по которым уточняются значения Тэ, Qэгс, эмиссионно-адсорбционные свойства электродов и вакуумные условия.
Дальнейший подъем мощности с целью выхода на энергетический режим испытаний (иногда этот режим называют методическим пуском) проводится по завершении этапов горячего обезгаживания, уже при подаче пара цезия в МЭЗ ЭГС.
Вскрытие первоначально герметичной ампулы с цезием может осуществляться как на уровне мощности реактора, на котором проводилось горячее обезгаживание, так и на более низком уровне мощности. Уровень мощности реактора, при котором вскрывают ампулу, зависит в основном от технологии заполнения ампулы цезием и соответственно от его чистоты. Так, в ПК серии КЭТ, испытываемых на реакторе АМ, ампула с цезием содержит нейтральный газ (аргон), поэтому для вскрытия ампулы необходимо понижение мощности реактора для того, чтобы уменьшить возможную термокачку топливно-эмиттерных узлов ЭГС при попадании в МЭЗ газа. Для типичных режимов испытаний таких ПК ампулу вскрывают при температурах: эмиттера 800—1000, коллектора примерно 300—400, узлов цезий-вакуумного тракта 60—120 °C.  В испытанных ПК разработки НИИ НПО «Луч», СФТИ, РКК. «Энергия» в ампуле использовали дистиллированный цезий высокой чистоты, поэтому вскрытие ампулы проводят, как правило, на уровне мощности «горячего» обезгаживания, т.е. без ее понижения. Отметим, что в последнем случае не наблюдается каких-либо заметных изменений режимов испытаний. Поэтому после вскрытия ампулы для доказательства успешности этой операции анализируют следующие параметры: вакуум на выходе из ЭГС, электросопротивления цепей, температуры ГПРТ и цезий-вакуумного тракта.
С повышением давления пара цезия постепенно в энергетический баланс включается электронное охлаждение эмиттеров, и значение Тэ в сильной степени определяется генерируемой мощностью, точнее, плотностью генерируемого тока. В общем случае подача пара цезия в МЭЗ приводит к снижению Тэ примерно на 30—50 °C за счет теплопередачи теплопроводностью через цезиевый пар. Посредством электронного охлаждения (в зависимости от плотности тока) Тэ может быть снижена на 100—300 °C. Поэтому дальнейший подъем мощности реактора можно проводить без существенного повышения Тэ, если с ростом Qэгс соответственно увеличивать ток ЭГС. Для этого перед каждым очередным повышением мощности реактора проводят увеличение тока ЭГС до соответствующего расчетного значения, превышающего минимально допустимое значение. Одновременно поддерживают постоянным или увеличивают давление пара цезия pCs. Оно должно быть при любой мощности реактора выше минимально допустимого значенияпри котором возможен слет пленки цезия с эмиттера и перегрев последнего (рис. 6.16). Значениезависит от материала эмиттера, причем чем выше вакуумная работа выхода, тем ниже. Таким образом, изменения мощности должны проводиться при выполнении следующих обязательных условий:

Плановые остановки.

Плановые остановки проводятся регулярно по мере выработки кампании реактора (2-3 недели для реакторов типа ВВР и до 2—3 месяцев для реактора АМ) или для предупредительных ремонтов технологических систем. Основное внимание при этом обращают на то, чтобы скорость снижения давления пара цезия не превышала скорости снижения мощности. Если плановая остановка связана с вскрытием высоковакуумного контура (например, для ревизии оборудования), весь контур, включая ПК с ЭГС, заполняется инертным газом (обычно аргоном, так как он тяжелее воздуха).

Рис 6.16. Минимально допустимое значение температуры цезиевого термостата ТCsдоп, при уменьшении которого возможен слет пленки цезия с эмиттера и перегрев последнего
Эта мера исключает окисление электродов и облегчает повторные пуски с быстрым достижением высокого вакуума.

Рис. 6.17. Выход на мощность после сброса аварийной защиты реактора при короткозамкнутой жидким цезием ЭГС:
— — — — — тепловая мощность реактора ВВР-К;---------------- ток короткого замыкания

Рис. 6.18. Полученное при испытаниях после сброса аварийной защиты изменение температур в двух точках СТС (кривые 1 и 2) и в термостате, когда регулировочная полость термостата вакуумируется (кривая 3) и заполнена гелием (кривая 4)

Аварийные остановки реактора.

Более серьезные проблемы возникают при наличии резких изменений мощности, прежде всего в результате непредвиденного и быстрого снижения мощности реактора в результате срабатывания аварийной защиты реактора. Кроме возможного неблагоприятного влияния появляющихся при этом термических напряжений, особенно на топливно-эмиттерные узлы и коллекторный пакет, возникает опасность конденсации жидкого цезия в наиболее холодном месте цезиевого тракта вследствие неодинаковой скорости охлаждения деталей тракта по сравнению с более теплоинерционным источником пара цезия (термостатом или ГПРТ). Это может привести к короткому замыканию ЭГС, например, при конденсации пара цезия на изоляционных узлах. При этом возможно некоторое время существование короткозамкнутой ЭГС (рис. 6.17) [29]. Для исключения этого сразу же после сброса стержней АЗ должно начаться резкое охлаждение любого источника пара цезия (отключение электронагревателей и заполнение регулировочного зазора источника гелием) и поддержание на возможно более высоком уровне температур коллектора и других узлов цезий-вакуумного тракта (включение нагревателей и вакуумирование регулировочного зазора СТС). Типичное изменение температур в двух точках СТС для этого случая приведено на рис. 6.18. Отметим лишь, что до сброса стержней АЗ регулировочная полость СТС была заполнена гелием при примерно атмосферном давлении и лишь через несколько минут после сброса АЗ началось ее вакуумирование. 
На этом же рисунке приведено изменение температур термостата в двух случаях: когда регулировочная полость термостата вакуумируется (кривая 3) и когда она заполнена гелием (кривая 4). Легко видеть, что для последнего случая (температура термостата выше температур СТС) цезий из термостата будет перегоняться на внутренние элементы СТС (обычно у края ЭГС) и будет реализовываться случай, изображенный на рис. 5.4.
Повторный подъем мощности реактора после плановых и аварийных остановок осуществляется аналогично первоначальному, но в более ускоренном темпе (обычно за 10-30 ч).