Исследования термоэмиссионных сборок ЯЭУ - Особенности проведения исследований во время испытаний

Особенности проведения исследований во время испытаний электрогенерирующих сборок

В процессе реакторных испытаний термоэмиссионных ЭГС, как правило, проводят различного рода исследования для изучения характеристик в целях диагностики. Кратко остановимся на особенностях некоторых методик таких исследований.
Изучение влияния на характеристики ЭГС тепловой мощности. Исследования влияния тепловой мощности на энергетические характеристики ЭГС чаще всего проводят в процессе плановых подъемов и снижений мощности реактора. Однако в ряде случаев, например, для определения числа работоспособных ЭГЭ в ЭГС и определения составляющих теплового баланса, необходимо регулируемое изменение мощности, контролируемой по датчикам [ДПЗ и (или) ТНД], установленным в ПК или в ячейке реактора вблизи ПК. При повышении мощности необходимо следить за выполнением условий (6.7) и (6.8). Отметим также, что на ВАХ качественно влияют в равной мере тепловая мощность и изменение температуры коллектора (эквидистантный сдвиг изотепломощностных ВАХ), что также надо учитывать в процессе проведения этих исследований.
Изучение влияния температуры коллектора. Прежде всего отметим, что в многоэлементных ЭГС непосредственное измерение температуры коллектора Тк невозможно, в лучшем случае измеряется температура несущей трубки Тнт напротив отдельных ЭГЭ. В этом случае Тк определяют по формуле

где— перепад на коллекторном пакете, зависящий от проходящего теплового потока qF. В значительной степени определяется технологией изготовления коллекторного пакета, а в некоторых случаях и режимами испытаний, прежде всего термокачками. При исследованиях регулирование Тнт осуществляют изменением давления газа в газовом зазоре системы теплосброса ПК.
При исследованиях влияния Тк на характеристики ЭГС следует опасаться чрезмерного перегрева коллектора из-за возможности появления обратных разрядов электронного тока с коллектора (или коммутационной перемычки) на эмиттер.

Рис. 6.19. Зависимость выходной электрической мощности пятиэлементной ЭГС от температуры цезиевого термостата при различных мощностях реактора ИВВ-2М

Исследование влияния давления пара цезия.

Исследования влияния давления пара цезия pCs (точнее температуры жидкой фазы источника пара цезия TCs) наиболее интересны в отношении физики термоэмиссионного преобразования энергии в ЭГС и наиболее результативны для диагностики ЭГС. Наиболее полные исследования проводят после вскрытия ампулы с цезием в процессе первого подъема температуры источника пара цезия при относительно невысокой тепловой мощности ЭГС. Основной задачей исследований является определение оптимального значения pCs, которое, как правило, известно заранее и поэтому по получаемому значению судят о нормальном ходе испытаний (рис. 6.19). В дальнейшем при повышенной мощности допускается лишь ограниченное измерение pCs из-за опасности перегрева эмиттеров и срыва с них пленки цезия. Общее правило: чем выше плотность теплового потока с эмиттера, тем меньше допустимое снижение pCs относительно оптимального значения. Так, для плотности электрической мощности 5 Вт/см² срыв пленки цезия с поверхности эмиттера возможен при TCs начиная с температур 330-340 °C.

Исследование нестационарных процессов.

Исследование нестационарных процессов проводят в целях изучения динамических характеристик ЭГС и проведения диагностики. Обычно исследуют переходные процессы при переключении электрической нагрузки, а также тепловой мощности. Отклики на возмущение регистрируются с помощью быстродействующих самопишущих приборов и осциллографов.

1. Проведение ресурсных испытаний электрогенерирующих сборок

Важнейшим этапом создания работоспособной и надежной ЭГС, а следовательно, и проектируемого ТРП, являются ресурсные испытания ЭГС в условиях, максимально приближенных к реальным (21). Задача таких испытаний — экспериментальным путем установить время эффективной работы ЭГС при номинальных параметрах и выявить причины, приводящие к тем или иным изменениям выходной электрической мощности.
Испытания проводят в стабильных условиях (насколько это возможно) при постоянных в процессе испытаний номинальном тепловыделении и температуре эмиттеров, оптимальных или заданных температурах коллектора и давлении пара цезия. При стабильном значении тепловой мощности температура эмиттера определяется значением тока, т. е. рабочей точкой статической ВАХ. В этом случае, как правило, не допускаются изменения нагрузки в крайние положения (короткого замыкания и холостого хода), возможно лишь тонкое регулирование нагрузки для оптимизации параметров и диагностики. Допускается снятие лишь динамических ВАХ.
Вакуумные условия в МЭЗ должны оставаться неизменными. Это достигается непрерывным отводом ГПД в вакуумную систему или встроенный в ПК сорбционный насос.
Одновременно с исследованиями стабильности энергетических характеристик изучается электрическое сопротивление коллекторной изоляции.
Часто в реакторном эксперименте решаются разнородные задачи нескольких потребителей. Поэтому не всегда в течение длительного времени удается сохранять постоянным уровень мощности реактора. В этом случае ресурсное время учитывается, несмотря на разный уровень мощности.

Рис. 6.20. Ресурсное изменение ВАХ шестиэлементной ЭГС при последовательном ухудшении термического сопротивления коллекторного пакета после сбросов аварийной защиты реактора (τ — ресурсное время испытаний)
Условно можно выделить три типа ресурсного поведения характеристик испытываемых ЭГС, которые наблюдались в практике проведения реакторных испытаний, а именно:

1. практически неизменные во времени воспроизводимые энергетические и другие характеристики, коррелирующие с заданным уровнем тепловой мощности и температурами коллектора и источника пара цезия;
2. деградируемые во времени и неподдающиеся восстановлению энергетические и другие характеристики, причем деградация электрических характеристик может быть как плавной, так и скачкообразной, в том числе коррелирующей с регистрируемыми измеряемыми внешними (например, сбросом АЗ реактора, нарушением режима работы цезиевой системы и др.) или регистрируемыми внутренними параметрами (например, короткими замыканиями отдельных ЭГЭ в ЭГС). В качестве примера на рис. 6.20 приведено ресурсное изменение ВАХ испытываемой ЭГС при последовательном ухудшении термического сопротивления коллекторного пакета после сбросов АЗ реактора;
3. деградируемые во времени, но поддающиеся восстановлению энергетические и другие характеристики, например, за счет повышения тепловой мощности реактора, снижения температуры чехла ЭГС, повышения давления пара цезия выше оптимального или изменения комбинации этих параметров.

О возможности проведения ускоренных и утяжеленных испытаний электрогенерирующих сборок

Как было отмечено выше, обычные ресурсные испытания проводятся длительное время, что связано не только с значительными трудностями собственно проведения петлевого эксперимента, но и с большими финансовыми затратами. Максимально достигнутый ресурс собственно петлевых испытаний не превышает 1,5—2 лет и вряд ли возможны более длительные испытания по традиционной схеме [30, 37, 38, 44, 50]. Ресурс ампульных испытаний отдельных ЭГЭ или топливно-эмиттерных узлов ЭГС, а также коллекторных пакетов реализован примерно до 3 лет [37, 57]. Поэтому во всех организациях, проводящих петлевые испытания, в той или иной мере рассматривались возможности проведения ускоренных испытаний ЭГС и ее отдельных элементов и узлов. Задача состоит в том, чтобы предусмотреть возможность обеспечения таких форсированных параметров и режимов испытаний, когда время испытаний можно значительно сократить, получив такой же технологический эффект, как и при нормальных ресурсных испытаниях за более длительное время.
В простейшем случае задачу ускоренных испытаний можно представить следующим образом. Пусть из теоретических или иных предпосылок ресурсное изменение выходной электрической мощности ЭГС можно представить как комплексное воздействие ряда факторов, действие которых можно отразить определенными коэффициентами, например, показателями экспоненты. Тогда в первом приближении выходную мощность ЭГС можно представить в виде

где к и с — технологические коэффициенты, подобранные из дополнительных специальных экспериментов; Т — некоторое эффективное значение рабочей температуры, причем к и с также могут зависеть от времени работы т. В предельном случае ЭГС можно считать работающей до того момента, пока выходная мощность не станет равной нулю. Поэтому можно подобрать вариацию коэффициентов к и с таким образом, чтобы при ускоренных испытаниях в течение разумного времени и тем самым получить экстраполированное значение прогнозируемого ресурса в номинальных режимах работы.
Проблема ускоренных испытаний к настоящему времени не решена, и требует ряда специальных дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. В то же время она остро стоит на повестке дня как из-за ограниченного финансирования и технологических трудностей проведения длительных испытаний, так и из-за непрерывного увеличения требуемого ресурса космических ЯЭУ на основе ТРП.

Обеспечение радиационной безопасности на всех этапах подготовки, проведения и завершения реакторных испытаний ЭГС

Проведение петлевых испытаний ЭГС связано с радиационной опасностью. Источником радиоактивности является топливный материал сердечников ЭГЭ с радиоактивными осколками деления и наактивированный в нейтронном поле реактора естественный изотоп цезия l34Cs — рабочего тела источника пара цезия.
В отличие от обычных реакторных твэлов, где делящийся материал, а следовательно, и радиоактивные продукты деления, находятся в герметичной оболочке (обычно из нержавеющей стали или алюминиевого сплава), в ЭГС, наоборот, принимаются все меры, чтобы удалить из топливного сердечника газообразные осколки деления, для чего топливно-эмиттерные узлы делаются негерметичными и при испытаниях проводится непрерывное вакуумирование МЭЗ ЭГС. Тем самым осуществляется извлечение и вынос из ЭГС активных продуктов деления.
В связи с этой особенностью испытаний ЭГС были выполнены специальные исследовательские и технологические проработки для исключения неконтролируемого выхода осколочных продуктов деления и тем самым обеспечения безопасности персонала. В результате общепринятыми мерами обеспечения радиационной безопасности на всех этапах проведения петлевых испытаний ЭГС являются следующие.
Все технологическое оборудование высоковакуумного контура откачки МЭЗ и вакуумные линии размещаются в необслуживаемых помещениях. Так как петлевые установки на всех исследовательских реакторах, включая реактор АМ, создавались на уже действующих реакторных установках, то, как правило, для размещения так называемых «петель» использовались имеющиеся помещения, предусмотренные ранее для других целей. Для исключения попадания газообразных продуктов деления (в основном изотопов ксенона и криптона) в атмосферу, весь вакуумный контур, начиная от ПК и заканчивая ресивером выдержки, обычно находится под разрежением, а для очистки ресиверов используются форвакуумные насосы. Активное оборудование обслуживается дистанционно, а ремонт его проводится после дезактивации.

Таблица 6.1
Распределение по изотопам активности испытанной ЭГС после годовой выдержки

Что касается твердых осколков деления урана и наведенной активности конструкционных материалов ПК, то они остаются в топливно-эмиттерных или других узлах ЭГС и после испытаний направляются в емкости выдержки или дезактивируются при разделке ПК в «горячих» камерах. В качестве примера в табл. 6.1 приведены синтезированные В.Г. Петровским значения абсолютной активности и ее распределения по изотопам для типичной испытанной ЭГС после годовой выдержки ПК в емкости хранения [21, 32, 43, 194]. При расчетах учтены все цепочки распада. Общая активность ПК рассматриваемого примера равна примерно 300 Ки.