Исследования термоэмиссионных сборок ЯЭУ - Цели и задачи экспериментальных исследований и реакторных испытаний

1. Цели и задачи экспериментальных исследований и реакторных испытаний в программе создания термоэмиссионных электрогенерирующих сборок

Важнейшим этапом создания и отработки одного из самых сложных узлов ТРП космической ЯЭУ служат экспериментальные исследования материалов и процессов в ТЭП и стендовые и реакторные исследования как отдельных узлов и процессов в ЭГЭ и ЭГС, так и испытания термоэмиссионных ЭГС в составе специальных испытательных устройств, называемых обычно ПК.
Применительно к программе создания термоэмиссионных ЭГС условно все виды исследований и испытаний можно разделить на четыре категории:

1. Экспериментальные исследования процессов в ТЭП и в цезиевой плазме, свойств топливных, конструкционных и электродных материалов и т.п. без привязки к конкретному типу ЭГС и ТРП.
2. Лабораторные и реакторные исследования ТЭП, материалов, процессов в узлах и элементах ЭГЭ и ЭГС для обоснования или подтверждения правильности выбора электродных материалов и других проектных параметров ЭГС, экспериментальные исследования эффективности и возможности использования новых технологических решений, получения данных для прогноза ожидаемых энергетических характеристик ЭГС в применении к конкретным проектам ТРП.
3. Стендовые с электронагревом и реакторные испытания узлов, макетов и прототипов ЭГС, в том числе ресурсные, для подтверждения стабильности и воспроизводимости характеристик.
   
4. Исследование путей повышения энергетической эффективности преобразования энергии и ресурсоспособности ТЭП и, соответственно, перспективных ЭГЭ и ЭГС.

Основной целью таких исследований и испытаний является изучение процессов и факторов, приводящих к изменению энергетических и ресурсных характеристик ЭГС и причин выхода из строя элементов и сборки в целом. По результатам стендовых и петлевых реакторных испытаний и послереакторным исследованиям должны быть разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции ЭГС и технологии ее изготовления. Конечная цель экспериментальных исследований и стендовой и реакторной отработки ЭГС — создание надежно работающей термоэмиссионной ЭГС со стабильными в течении заданного времени характеристиками.
Наиболее важным, сложным и дорогостоящим этапом являются реакторные испытания ЭГС и их элементов и узлов.
Задачи петлевых испытаний термоэмиссионных ЭГС определялись конкретными этапами исследований применительно к программам создания соответствующего типа ТРП (21).
На первых этапах петлевых испытаний основное внимание уделяли изучению энергетических характеристик отдельных ЭГЭ, степени «неидеальности» реального реакторного ЭГЭ по сравнению с лабораторным изотермичным ТЭП.
Результаты исследований ЭГЭ позволили перейти к созданию и реакторной отработке многоэлементных ЭГС. При реакторных испытаниях ЭГС наряду с решением перечисленных задач большое внимание уделялось исследованию взаимного влияния последовательно соединенных ЭГЭ при неоднородном вдоль ЭГС тепловыделении, изучению причин изменения энергетических характеристик при длительных испытаниях. Одновременно проводилось совершенствование средств измерений и методов контроля технического состояния испытываемой ЭГС и систем ПК.
Следующий этап — испытания так называемых «штатных» ЭГС конкретного ТРП с целью подтверждения проектных параметров (43, 44).
Одна из важнейших задач реакторных испытаний ЭГС — дальнейшее совершенствование конструкции и технологии изготовления отдельных узлов ЭГС в целях повышения выходных и ресурсных характеристик и надежности ЭГС.
При экспериментальной отработке ЭГС проверяются и новые средства обеспечения требуемых условий проведения испытаний, в частности, различные типы источников пара цезия, устройств для локального регулирования тепловыделения и спектра нейтронов, конструкционного исполнения всех основных узлов ПК.
Одной из главных задач испытаний остается исследование теплофизических особенностей термоэмиссионного генерирования электроэнергии в различных типах ЭГС, изучение влияния различных как измеряемых, так и неконтролируемых параметров и процессов на энергетические характеристики и их ресурсную стабильность. Важнейшей задачей испытаний, в особенности в последнее время, является поиск и отработка путей существенного повышения ресурса ЭГС, а также методов доказательств длительной ресурсоспособности ЭГС при испытаниях на укороченной временной базе.
В задачи испытаний входила верификация разработанных алгоритмов расчета как энергетических характеристик, так и ресурсоопределяющих процессов (45, 46).
В процессе испытаний совершенствовались существующие и отрабатывались вновь разработанные методы и средства контроля и определения характеристик и параметров испытываемой ЭГС и систем ПК. В процессе реакторных испытаний отлаживались информационно- управляющие системы и другие средства оптимизации и автоматизации проведения петлевых реакторных испытаний.
Подтверждением высокой эффективности отработки ЭГС при реакторных испытаниях стало создание и успешные наземные ядерноэнергетические испытания в 1970 г. первой в мире космической ЯЭУ «Топаз» с ТРП на основе многоэлементных ЭГС (47, 48). В табл. 1.4 и 1.5 приведены сводки испытанных на реакторе АМ (ФЭИ) ЭГС по программе «Топаз» (37, 43), а также сводки по перспективным программам, в том числе применительно к ТРП для космической ЯЭУ большой мощности. Как уже отмечалось, всего было испытано семь наземных образцов ЯЭУ, после чего две ЯЭУ «Топаз» были успешно в течении года испытаны в космосе (49).

Таблица 1.4
Петлевые испытания термоэмиссионных ЭГС на реакторе АМ по программе создания ТРП для ЯЭУ «Топаз»

Примечание: (п) — геометрически профилированная ЭГС

Стендовая с электронагревом и реакторная отработки одноэлементных ЭГС также завершились в 1975г. успешными наземными ядерно-энергетическими испытаниями ЯЭУ «Енисей» («Топаз-2») [7, 50]. В ходе отработки было изготовлено и испытано как в стендовых условиях, так и при петлевых реакторных испытаниях, и в составе шести испытанных ЯЭУ «Енисей» более 1000 одноэлементных ЭГС. Экспериментально подтверждены выходные параметры, работоспособность и стабильность характеристик ЭГС в составе испытанных шести наземных образцов ЯЭУ, в петлевых каналах и на тепловых стендах. В качестве примера на рис. 1.16 приведены результаты ресурсных испытаний ЭГС в составе ЯЭУ «Енисей», при испытаниях в петлевом канала «Лазер-14» в реакторе ВВР-2 и на тепловом стенде в СФТИ. К настоящему времени разработана конструкция одноэлементной ЭГС с выходной электрической мощностью от 300 до 400 Вт для термоэмиссионных ЯЭУ типа «Топаз-3» мощностью от 10 до 30—50 кВт с заявляемым ресурсом до 10 лет (см. табл. 1.1). Отметим, что большой объем стендовых испытаний одноэлементных ЭГС позволил начать испытания ТРП и ЯЭУ в целом при существенно меньшем количестве петлевых испытаний ЭГС.

Таблица 1.5
Петлевые испытания термоэмиссионных ЭГС на реакторе АМ по программе создания перспективных ТРП на быстрых нейтронах с повышенной плотностью электрической мощности

Примечания: 1. 2х10 — две ЭГС по 10 ЭГЭ в каждой. 2. (NaK) — испытания проводились в подслое жидкого натрий-калиевого теплоносителя. 3. (Li) — испытания проводились в подслое жидкого литиевого теплоносителя.
Ядерно-энергетические испытания ЯЭУ с полномасштабными испытаниями ТРП следует рассматривать как групповые испытания термоэмиссионных ЭГС. После испытаний ТРП были «разделаны», а испытанные в составе ТРП ЭГС исследованы в «горячих» камерах. Результаты этих исследований приведены в [51, 52].
В отличие от программ испытаний ЭГС применительно к конкретно разрабатываемым ЯЭУ «Топаз» и «Енисей» с достаточно четко заданными параметрами и требуемыми характеристиками, программы петлевых испытаний по перспективным проектам носили ярко выраженный поиско-исследовательский характер. Основными задачами испытаний являлись поиски возможности создания многоэлементной энергонапряженной ЭГС по литиево-ниобиевой технологии с жесткими габаритными ограничениями [41], демонстрация возможности получения в условиях реактора высоких плотностей мощности (5—15 Вт/см²) [53], в том числе при высоких температурах коллектора (750—900 °C), исследование ресурсоопределяющих процессов массопереноса топлива в высокотемпературном вентилируемом топливно-эмиттерном узле энергонапряженных ЭГС [54].

Рис 1.16. Результаты ресурсных испытаний одноэлементных ЭГС в составе ЯЭУ «Енисей» («Топаз-2») (а), в составе петлевого канала «Лазер-14» в реакторе ВВР-2 (б) и на тепловом стенде (в)

Таблица 1.6
Параметры ЭГС проектируемого ТРП большой мощности и испытанных ЭГС

В качестве примера рассмотрим задачи отработки ЭГС с жесткими габаритными ограничениями применительно к космической ЯЭУ с ТРП на быстрых нейтронах электрической мощностью 500—600 кВт для электроракетного транспортного аппарата (космического буксира «Геркулес» (41]). Проектирование ТРП с учетом возможных технологических достижений позволило разработать проект малогабаритной термоэмиссионной ЭГС для такого ТРП с достаточно напряженными параметрами, приведенными в первом столбце табл. 1.6. Особо следует отметить малую толщину коллекторного пакета (менее 1 мм) и малое расстояние между соседними элементами (расстояние между топливными сердечниками около 10 мм).  Все разработанные в то время и испытанные в реакторах ЭГС имели существенно большие параметры. Поэтому первоочередными задачами применительно к спроектированной ЭГС стали:

1. разработка технологий, обеспечивающих возможность создания такой ЭГС с жесткими габаритными ограничениями;
2. подтверждение возможности создания ЭГС и его изготовления на существующих производственных базах;
3. подтверждение работоспособности всех систем ЭГС с практически минимально возможными толщинами и другими размерами ЭГС;
4. обеспечение условий испытаний ЭГС, в максимальной степени приближенных к условиям эксплуатации ЭГС в составе ТРП на быстрых нейтронах;
5. получение при реакторных испытаниях ЭГС, проектных энергетических характеристик (средней плотности мощности 5 Вт/см²) в течение до 1000 ч.

Рассмотренные задачи РКК «Энергия» решала совместно с СФТИ и ФЭИ (разработка уникальных технологий, изготовление ЭГС и ПК для их испытаний) и ИЯИ АН Украины и ИЯФ АН Казахстана (создание уникальной реакторной испытательной базы и проведение реакторных испытаний). В табл. 1.6. приведены также проектные параметры ЭГС для ТРП мощностью до 600 кВт и характеристики трех испытанных практически одинаковых экспериментальных ЭГС.
Испытания энергонапряженных ЭГС по разным программам в целом подтвердили ожидаемые энергетические характеристики. При плотностях электрической мощности 3—5 Вт/см² получен КПД до 10%, при 5—10 Вт/см² — до 10—14% (21, 30, 31, 41, 43, 53—57). Были испытаны также ЭГС при плотности мощности до 15 Вт/см² (53).
Следует особо подчеркнуть, что комплексные лабораторные, стендовые и реакторные исследования и испытания материалов, элементов, узлов ЭГС и петлевые реакторные испытания ЭГС не только с большой уверенностью позволили перейти к созданию и к наземным ядерно-энергетическим испытаниям ЯЭУ с ТРП по программам «Топаз» и «Топаз-2», но и обосновали возможность создания ТРП второго и третьего поколений с электрической мощностью в несколько десятков и сотен киловатт и ресурсом 5—7 лет, а в перспективе не менее 10 лет.