- Основные проектно-конструкторские проблемы создания термоэмиссионных ЭГС
Проблемы, связанные с созданием надежно работающих ЭГЭ и ЭГС, сложны и разнообразны [11, 21, 29-31].
Прежде всего необходимо отметить возможное изменение геометрических размеров электродов. При малом выгорании ядерного топлива основной причиной этих изменений являются термомеханические процессы, а именно: деформация эмиттерной оболочки из-за разности температурных коэффициентов линейного расширения материалов оболочки и топлива; деформации, связанные с отпуском внутренних напряжений в материалах, возможные деформации из-за неравномерностей температур по длине и радиусу элементов ЭГЭ и т.п. Эти деформации в основном зависят от уровня рабочих температур и проявляются в первые сотни часов работы.
Рис. 1.9. Форма топливно-эмиттерного узла с сердечником из UO2 до (а) и после (б) испытаний:
1 — коммутационная перемычка; 2 — топливо в исходном состоянии; 3 — эмиттерная оболочка; 4 — жиклер ГОУ; 5 — трубка ГОУ; 6 — центральная газовая полость; 7 — топливо после переконденсации
Наиболее существенный вклад в деформацию эмиттерной оболочки дает ползучесть материала оболочки под действием газообразных и твердых осколков деления, накапливающихся в топливе и во внутреннем пространстве топливного сердечника в процессе работы ЭГЭ. В подавляющем большинстве случаев именно этот процесс ограничивает продолжительность работы ЭГЭ и ЭГС. Деформация определяется несколькими факторами, зависящими как от условий работы (прежде всего от уровня тепловыделения и температур), так и от характеристик используемых материалов.
Одной из самых важных задач проектирования и отработки, в том числе реакторной, является обеспечение и обоснование условий, приводящих к снижению темпов деформации эмиттерной оболочки из-за распухания топливной композиции. Были рассмотрены и исследованы различные способы повышения ресурсоспособности топливно-эмиттерного узла ЭГЭ.
Уменьшение деформации эмиттерной оболочки за счет увеличения ее толщины нежелательно из-за уменьшения реактивности ТРП, к тому же оно и малоэффективно. На начальной стадии создания энергонапряженных ЭГС функции обеспечения прочности топливно-эмиттерного узла возлагались на тепловыделяющий сердечник. В этом случае делящееся вещество диспергировалось в матрицу из прочного материала, например, вольфрама (30—32). Суммарная деформация эмиттерной оболочки складывалась из деформации отдельных микрообъемов, заполненных топливом. Несмотря на то, что в такой схеме одновременно снижалась и максимальная температура топлива, существенного уменьшения деформации достичь не удалось. Достигнутый в последние годы прогресс в увеличении прочности материала эмиттерной оболочки за счет создания высокопрочных монокристаллических сплавов вольфрама [31] также не может обеспечить отсутствие заметной деформации при ресурсах свыше 1 года.
Решение проблемы найдено в создании конструкционной схемы ЭГЭ с выводом ГПД из полости твэла и изготовлении эмиттерной оболочки из высокопрочного монокристаллического сплава, на что и были направлены усилия разработчиков перспективных проектов [30—34]. Известно, что при характерных рабочих температурах из топлива выходит значительное количество ГПД и скапливается в центральной газовой полости сердечника, образующейся в результате переконденсации оксида урана внутри сердечника под действием градиента температур (рис. 1.9). Поэтому для обеспечения длительной работоспособности необходимо обеспечить стабильный вывод ГПД из центральной полости. Предлагаемые решения в виде торцевых крышек с отверстиями могут быть использованы лишь в относительно низкотемпературных ЭГЭ с диоксидом урана или в ЭГЭ с карбидным топливом. При повышенных температурах эти отверстия герметизируются конденсатом UO2 и выход ГПД осуществляется лишь в моменты, когда в результате термоциклирования происходит растрескивание монолита UO2 вблизи этого отверстия.
Наиболее надежный способ вывода ГПД из центральной полости обеспечивается специальным ГОУ, которое состоит из газоотводящей трубки с жиклером, герметично соединенной с крышкой эмиттера. Размеры трубки и жиклера выбирают таким образом, чтобы давление пара UO2 в трубке после жиклера было ниже равновесного давления, соответствующего температуре трубки. При соблюдении этого условия конденсация пара UO2 в трубке и, следовательно, ее закупоривание будут исключены [33]. Толщина трубки не должна быть большой, чтобы центральная полость в топливном сердечнике не сместилась за срез жиклера.
Рассматриваются две принципиально различающиеся схемы вывода ГПД: в полость МЭЗ [34, 35] и в специальный тракт [36—38]. При отводе ГПД в МЭЗ с течением времени принципиально возможно ухудшение параметров ЭГС, например, из- за увеличения давления ГПД, снижения давления пара цезия в тупиковой системе подачи пара цезия, из-за конденсации части пара горючего на коллекторе, а также из-за ухудшения эмиссионно-адсорбционных и теплофизических свойств электродов (прежде всего коллектора). Рассматривают две схемы вывода в специальный тракт ГПД, минуя МЭЗ: в коллекторном пакете (рис. 1.10) и внутри топливных сердечников последовательно соединенных ЭГЭ (рис. 1.11), так называемый «дымоход» [37]. При этом достигаются наилучшие условия работы электродов, однако существенно усложняются конструкции ЭГЭ и ЭГС. Кроме того, первая схема не работоспособна для оксидного топлива из-за большой вероятности конденсации топлива в тракте при пониженных (коллекторных) температурах. В то же время для карбидного топлива эта схема приемлема и при реакторных испытаниях обеспечивает высокую стабильность энергетических характеристик 138).
Известно, что выходные характеристик ТЭП улучшаются при уменьшении МЭЗ. Однако уменьшение МЭЗ в ЭГЭ приводит не только к более жесткому ограничению по допустимой деформации эмиттерной оболочки, но и усложняет систему дистанционирования для фиксации взаимного расположения электродов.
Рис. 1.10. Схема ЭГС с выводом газообразных продуктов деления в специальный тракт в коллекторном пакете:
1 — несущая трубка; 2 — изоляция; 3 — коллектор; 4 — канал для ГПД в коллекторе, 5 — керамический изолятор; 6 — керамическая втулка; 7 — эмиттер; 8 — топливо
Рис. 1.11. Конструкция узла ЭГС с выводом ГПД в специальный тракт внутри топливных сердечников последовательно соединенных ЭГЭ («дымоход»):
1 — эмиттер; 2 — компенсатор продольных перемещений, 3 — металлокерамический узел; 4 — коммутационная перемычка; 5 — коллектор, 6 — коллекторная изоляция; 7 — трубка ГОУ; /, // — пайка, электроннолучевая и диффузионная сварка элементов газовыводного тракта из поли- и монокристаллических тугоплавких металлов (Nb, Мо, Та, W), II/ — пайка или диффузионная сварка металлокерамика
Для относительно больших МЭЗ (0,5—0,4 мм) предпочтительны дистанционаторы, которые фиксируют положение эмиттера при помощи устройства, размещенного на торце топливно-эмиттерного узла. В такой конструкции многоэлементной ЭГС достигается минимальное возмущение температурного поля эмиттера и обеспечиваются минимальные тепловые и электрические потери через систему дистанционирования. Малые МЭЗ требуют повышенной точности при изготовлении дистанционирующих деталей. В этом случае, как и в протяженных ЭГЭ (одноэлементных ЭГС), используют дистанционаторы, встроенные в МЭЗ (39, 40).
Существенные проблемы, и прежде всего технологические, возникают при создании коллекторного пакета (КП), включающего в свой состав коллектор, коллекторную изоляцию и несущую трубку (чехол). Основная трудность заключается в создании КП с малым термическим сопротивлением, высокими электрическими сопротивлением и прочностью (на пробой между коллектором и несущей трубкой). Отметим, что при некоторых условиях электрический разряд в паре цезия может возникать при напряжении всего лишь в несколько вольт. В настоящее время трехслойные КП металл-керамика-металл изготавливают двумя принципиально различающимися методами: газостатическим прессованием [41] и пайкой к монокристаллической А12О3 коллекторов высотемпературным припоем и наружной трубки в процессе обжатия методом зонной нормированной деформации [30, 37]. Для трехслойных КП (например, ниобий-А12О3-ниобий) получены удовлетворительные исходные значения термического сопротивления таких КП [до примерно I град/(Вм/см2)]. Обеспечение стабильности этих свойств при высоких температурах, термоциклировании и высоких интегральных потоках излучений реактора требовало экспериментальной отработки, в том числе при реакторных испытаниях ЭГС.
Хотя наиболее существенная роль в обеспечении необходимых параметров КП принадлежит технологическим способам, тем не менее, имеется ряд схемных решений, которые дают возможность удовлетворить требованиям, предъявляемым к конструкции КП. Например, в конструкциях ЭГС, где электрическая изоляция жестко связана с коллекторным пакетом посредством натяга, пайки или сварки, выполнить эту изоляцию в виде единого сплошного тела чрезвычайно трудно. Герметизация коллекторной изоляции в этих случаях осуществляется с помощью межколлекторных вакуумноплотных МКУ, когда металлическая арматура МКУ герметично соединяется с торцами смежных коллекторов [42].
Рис. 1.12. Схема ЭГС первых вариантов ТРП «Топаз»:
1 — эмиттерная оболочка; 2 — топливный сердечник; 3 — коллектор; 4 — коммутационная перемычка; 5 — упругие молибденовые компенсаторы; 6 — пояс штифтов дистанционаторов из ВеО, 7 — керамическая трубка из ВеО (коллекторная изоляция); 8 — стальной корпус (несущая трубка), 9 — керамическая проставка, 10 — упругие теплопроводящие элементы («ерши»)
В первых ЭГС по технологии «Топаз» в качестве электроизоляции применялся оксид бериллия в виде трубки толщиной примерно 0,55 мм. В качестве материала наружной оболочки (несущей трубки) использовались ферритно-мартенситные стали ЭИ-852 и ЭП-823. Упругий разрезной или просечной коллектор запрессовывался в отверстие трубчатой изоляции. Тепловой контакт между слоями коллекторного пакета осуществлялся с помощью упругих элементов (так называемых «ершей»), которые паялись к коллектору и несущей трубке ЭГС (рис. 1.12). Для увеличения электрической прочности изоляции в районе стыков керамических трубок применялись керамические проставки. При этом КП удовлетворял относительно невысоким требованиям к ЭГС этой программы.
Развитием данной технологии КП явилось использование трубчатой электроизоляции из оксида алюминия и затем создание КП с паянными или диффузионно-сваренными металлическими и керамическими слоями с использованием в качестве припоя систем на основе палладия, ванадия, никеля, хрома, титана и в качестве диффузионных слоев никеля и ванадия с температурами пайки и диффузионной сварки 1230—1720 °C (30, 37). Нанесение указанных слоев осуществлялось методами ионно-плазменного или магнетронного напыления. Процессы пайки и диффузионной сварки осуществляются одновременно с высокотемпературным обжатием в газостате.
Исключение электрического пробоя между коллекторами ЭГЭ и несущей трубкой решается введением промежуточной электропроводящей оболочки (охранного электрода) между коллекторами и несущей трубкой (35), делящей изоляцию на два слоя. Слой, примыкающий к несущей трубке, защищен от пара цезия (так называемой «сухой» изоляцией) и может выдерживать при рабочих параметрах значительные напряжения (не менее 100—150 В). Второй слой изоляции работает в паре цезия (так называемая «мокрая» изоляция), но напряжение на нем не превышает напряжения ЭГС, что значительно снижает вероятность электрического пробоя КП. Изготовление таких пятислойных КП производится обычно методами газостатической технологии (23, 37, 38). На основе таких пятислойных КП могут быть созданы ЭГС для высоковольтных ТРП (рис. 1.13).
Несущая трубка рассмотренных трех- и пятислойных КП выполняется из ниобиевого сплава и ЭГС с такими КП, которые совместимы с литиевым теплоносителем и конструкцией ТРП по литий-ниобиевой технологии (ТРП для ЯЭУ «Геркулес» (12, 41). В то же время существенные трудности связаны с использованием такого ЭГС в ТРП, основным конструкционным материалом которого является жаропрочная сталь (ТРП по технологии «Топаз»), коэффициент линейного расширения которой существенно отличается от аналогичного коэффициента ниобиевых сплавов. Для «сопряжения» этих двух материалов используются различные способы В одноэлементных ЭГС ТРП «Топаз-2» (рис. 1.14), а также в ТРП типа РП повышенной мощности используют ЭГС с наружным корпусом из жаропрочной стали, внутрь которого с зазором в несколько десятков микрон, заполненным гелием, вставлен собственно ЭГС с трех или пятислойным КП с ниобиевой несущей трубкой.
Рис. 1.13. Современная модификация универсальной многоэлементной электрогенерирующей сборки:
1 — общая система подвода пара цезия; 2 — верхушка ЭГС; 3 — адаптер; 4 — токоподводящая шина, 5 — элемент верхнего торцевого отражателя, 6 — пятислойный коллекторный пакет, 7 — топливный сердечник, 8 — газовыводное устройство; 9 — дистанционирующая шайба; 10 — элемент нижнего торцевого отражателя, 11 — токоподводящая шина; 12 — перемычка с коммутационной шиной, 13 — охранный электрод коллекторного пакета, 14 — коллектор, 15 — термоэмиссионный ЭГЭ
Торцевые зазоры приводят к увеличению вероятности пробоя изоляции между коллектором и несущей трубкой. Решение этой проблемы найдено в виде использования разработанных в НИИ НПО «Луч» (42) высоковольтных МКУ (рис. 1.15).
В заключение следует отметить, что в связи со сложностью технологии изготовления и в особенности с длительной и дорогостоящей стадией отработки ЭГС, считается целесообразным применение одной унифицированной ЭГС для нескольких проектов ТРП разных типоразмеров. Схема разработанной в НИИ НПО «Луч» унифицированной многоэлементной ЭГС с пятислойным коллекторным пакетом и вентилируемым сердечником приведена на рис. 1.13.
Рис.1.14. Схема сопряжения одноэлементных ЭГС с жидкометаллической системой охлаждения ТРП «Топаз-2»: 1 — эмиттер из молибдена с вольфрамовым покрытием диаметром 20 мм; 2 — межэлектродный зазор; 3 — ниобиевый коллектор с молибденовым покрытием; 4 — слой изоляции из А12О3; 5 — зазор, заполненный гелием, о — топливный сердечник из таблеток UO2, 7 — центральная полость в топливном сердечнике; 8 — кольцо из ниобия; 9 — дистанционатор в виде шайбы из Sc2О3; 10 — полость для теплоносителя (NaK); 11 — нержавеющая сталь
Проблемы сборки ЭГС наиболее тесно связаны с вопросами обеспечения работоспособности КП. Зазоры, которые неизбежны при любом способе сборки, должны оказывать влияние на процессы, происходящие в КП во время работы ЭГС.
Отметим, что такая унифицированная ЭГС может быть использована и в ТРП по технологии «Топаз» с NaK в качестве теплоносителя и конструкционным материалом на основе жаропрочной стали (типа РП для ЯЭУ второго поколения) и в ТРП с литиевым теплоносителем и ниобиевым сплавом в качестве конструкционного материала (для ЯЭУ третьего поколения типа «Геркулес»). В последнем случае наружная трубка (чехол) ЭГС непосредственно охлаждается потоком литиевого теплоносителя, а в первом случае из-за разных коэффициентов термического расширения КП и стали необходимо введение промежуточной полости с малым зазором, заполненным в рабочем состоянии высокотеплопроводным газом (гелием), что аналогично схеме, изображенной на рис. 1.14.
Рис. 1.15. Конструкционные схемы низковольтного (а) и высоковольтного (б) МКУ: 1 — манжеты; 2 — основной изолятор, 3 — винтовая вставка, 4 — элемент крепления вставки
