Исследования термоэмиссионных сборок ЯЭУ - Экспериментальные установки и используемые методы исследований термоэмиссионных преобразователей

Глава 2.
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МАТЕРИАЛОВ, ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, А ТАКЖЕ УЗЛОВ И СИСТЕМ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ СБОРОК

1. Экспериментальные установки и используемые методы исследований термоэмиссионных преобразователей

Лабораторные исследования ТЭП условно можно разделить на три категории:

1. Экспериментальные исследования процессов в плазме МЭЗ и на электродах ТЭП как физического прибора.
2. Лабораторные исследования ТЭП как элементарной ячейки преобразования энергии для обоснования или подтверждения правильности выбора электродных материалов и других проектных параметров ЭГС, экспериментального исследования эффективности и возможности использования новых материалов и технологических решений, получения набора изотермичесих ВАХ ТЭП для прогноза ожидаемых энергетических характеристик ЭГС и соответственно ТРП.
3. Поиска путей повышения энергетической эффективности преобразования энергии и ресурсоспособности ТЭП и соответственно ЭГЭ и ЭГС.

 Исследования по первому направлению интенсивно проводились в 60-х и начале 70-х годов во многих институтах АН, вузах и научно-исследовательских организациях промышленных министерств, но прежде всего в ФТИ АН СССР им. А.Ф. Иоффе и ФЭИ, в результате которых была изучена физика термоэмиссионного преобразования, подробно изложенная в первоклассных монографиях (61-62). В эти же годы большой объем экспериментальных исследований по термоэмиссионной тематике, в том числе прикладного характера, был выполнен за рубежом, прежде всего в США.
Второе и третье направления носили в значительной степени прикладной характер, и в той или иной мере были «привязаны» к конкретным программам создания ЭГС, ТРП и ЯЭУ на их основе Практически в каждой из ведущих организаций (или коопераций организаций), разрабатывающих ЭГС и ТРП, были специализированные термоэмиссионные лаборатории для обслуживания программ создания ЭГС и ТРП. Наиболее широкий размах работ по этим направлениям был в 70-х и 80-х годах. Укрупнено их можно характеризовать следующим образом.
По программе ТРП «Топаз» задачами прикладных исследований ТЭП, проводимых в основном в ФЭИ, были исследования эмиссионно-адсорбционных свойств материалов электродов, в том числе различного рода их покрытий (например, так называемых «осветляющих» для понижения приведенной степени черноты электродов и др.), изучение влияния водорода (ТРП «Топаз» содержит гидридный замедлитель) и других газообразных примесей на характеристики ТЭП, экспериментальные специализированные исследования для объяснения наблюдаемой при испытания ЭГС и ТРП деградации энергетических характеристик и др.
По программе ТРП «Топаз-2» с одноэлементными ЭГС исследования ТЭП выполнялись в СФТИ, а также в НИИ НПО «Луч» и РНЦ «Курчатовский институт». Они также включали в себя исследования свойств применяемых электродных материалов и возможных способов повышения их эмиссионно-адсорбционных свойств, влияния водорода (ТРП «Енисей» также содержит гидридный замедлитель) и других газов, в том числе ГПД, находящихся в МЭЗ, получение набора экспериментальных ВАХ для расчета ожидаемых энергетических характеристик разработанных и перспективных ЭГС и др.

Рис. 2.1. Принципиальная схема используемых методов и систем измерения характеристик электродов ТЭП:
ЭОС — электронная Оже-спектроскопия; ЭИС — электронная ионизационная спектроскопия; ФЭС — фотоэлектронная спектроскопия, СПТВР — спектроскопия полного тока высокого разрешения; КРП — контактная разность потенциалов; ДМЭ — дифракция медленных электронов; ТЭМ — термоэлектронная эмиссионная микроскопия; КИТ — комплексные испытания ТЭП (методы исследования поверхности электродов совместно со съемом ВАХ), ИИК —  информационно-измерительный комплекс; Э — эмиттер, К — коллектор; Cs — источник пара цезия
В РКК «Энергия» экспериментальные работы проводились применительно к энергонапряженному ТРП на быстрых нейтронах с высокими удельными характеристиками для ЯЭРДУ «Геркулес». Поэтому основными направлениями исследований были демонстрационные эксперименты возможности получения высоких плотностей электрической мощности при использовании монокристалла вольфрама в качестве эмиттера и малых МЭЗ, исследования влияния «горячего» коллектора, детальное изучение энергетического баланса высокоэффективных ТЭП и др.
Современные экспериментальные установки для комплексного исследования ТЭП. К началу 1999 г. в России осталась лишь специализированная лаборатория в ФЭИ, оснащенная современным оборудованием и эффективно работающая над прикладными проблемами термоэмиссионного направления. Основным направлением работ лаборатории являются исследования перспективных электродных материалов и поиск путей повышения эффективности ТЭП, а также исследования по обоснованию технических решений перспективных проектов ЭГС разработок как ФЭИ, так и НИИ НПО «Луч» (63). Принципиальные схемы используемых методов и техники измерений приведены на рис. 2.1.

Рис. 2.2. Схема лабораторной установки для исследований плоского ТЭП: 1,5 — охранная изолирующая керамика; 2 — нагреватель электронной пушки, 3 — полость черного тела; 4 — эмиттер; 6 — коллектор; 7 — нагреватель коллектора, 8 — охладитель коллектора; 9 — тяга механизма перемещения; 10 —  смотровые окна; 11, 14 — «горячие» вентили; 12 — загрузочный цезиевый резервуар; 13 — цезиевый термостат; 15 — вакуумно-цезиевый тракт; 16 — геттер, 17 — корпус ТЭП, 18 — термопары; 19 — электронагреватели

Для экспериментального исследования процессов, происходящих в ТЭП, и поиска путей повышения эффективности преобразования используются лабораторные изотермичные и изопотенциальные ТЭП с плоскопараллельными электродами, площади рабочих поверхностей которых относительно невелики (1—2 см²), и ТЭП с цилиндрической геометрией электродов с площадью поверхности электродов, близкой к площади поверхности эмиттеров ЭГЭ (до 10 см²). На рис. 2.2 и 2.3 приведены используемые лабораторные ТЭП соответственно с плоской и цилиндрической геометрией электродов, а также основные элементы лабораторных установок для исследований этих ТЭП. Особенностью этих стендов является использование безмасляных средств вакуумирования внутренних полостей ТЭП и их вакуумно-цезиевых трактов (магниторазрядные насосы типов НОРД-100 и НОРД-250). Подготовка ТЭП и трактов к экспериментам включает в себя термовакуумную подготовку с контролем массового состава остаточного газа с помощью масс-спектрометров типа МХ-7303, дистилляцию и перегонку цезия в цезиевый термостат и другие общепринятые процедуры.

Рис. 2.3. Схема лабораторной установки для исследований цилиндрического ТЭП — макета ЭГЭ:
1 — эмиттерная оболочка; 2 — коллектор; 3 — термопары; 4 — нагреватель эмиттера, 5 — система нагрева и охлаждения коллектора, 6 — защитная вакуумная камера; 7-10 — прогреваемые вентили; 11 — цезиевый термостат; 12 — система дистилляции цезия; 13 — датчики масс-спектрометра
Современные методы исследований ТЭП. Основную информацию об исследуемом ТЭП дает его ВАХ, снятая совместно с измеренными температурами электродов и источника пара цезия (термостата). Следует отметить, что при исследовании одной электродной пары необходимо провести измерения ВАХ ТЭП в широком диапазоне таких внешних параметров, как температура эмиттера Тэ, коллектора Тк, цезиевого термостата TCs, а также определить давление пара цезия pCs, ширины МЭЗ d, плотность теплового потока через эмиттер qF и выполнить серию исследований свойств электродов. На рис. 2.1 показан современный арсенал методических и технических средств исследования процессов на поверхности электродов при измерении работы выхода электродов, определение элементного состава на поверхности и в приповерхностной области (при послойном анализе), электронного состояния некоторых примесей (карбида, графита, оксида углерода), кристаллографической ориентации и структуры монокристаллического эмиссионного слоя, дефектности монокристаллов и др. При этом могут быть использованы следующие методы: электронная Оже-спектроскопия, электронная ионизационная спектроскопия, фотоэлектронная спектроскопия, спектроскопия полного тока высокого разрешения, контактная разность потенциалов, дифракция медленных электронов, термоэлектронная эмиссионная микроскопия, комплексные испытания ТЭП (методы исследования поверхности электродов совместно со съемом ВАХ). Создан и эксплуатируется информационноизмерительный комплекс (ИИК) с методиками оперативной обработки получаемой информации.
На рис. 2.4 и 2.5 приведены примеры результатов комплексных исследований по поиску путей повышения эффективности ТЭП.

30            34            38            42 Вт/см²
Рис. 2.5. Результаты экспериментальных исследований шестигранных ТЭП с электродной парой W(110)—W(110)

Рис. 2.6. Схема макета ЭГЭ с эмиттером и коллектором шестигранной формы:
1 — эмиттер, 2 — коллектор; 3 — МЭЗ; 4 — нагреватель эмиттера; 5 — токоподвод нагревателя

На рис. 2.4 представлены обобщенные результаты экспериментальных исследований ТЭП в виде зависимости барьерного индекса VB и электродного КПД ηэ от работы выхода φκ коллектора. Отметим, что применительно к тематике настоящей книги, интересе представляют две области характеристик. Первая (VB=2,2 эВ) относится к характеристикам электродных пар ТРП «Топаз» (эмиттер с полигранным монокристаллическим вольфрамовым эмиссионным покрытием на монокристаллических молибденовых эмиттерных оболочках, ориентированных по кристаллографической оси [111) (Wфт[111] и поликристаллическим коллектором из ниобия ВН-2) и электродных пар ТРП «Топаз-2 (Енисей)» (Wхл [111] —  молибденовый сплав СМ-4). Здесь достигнутый уровень начального этапа ресурсных испытаний соответствует VB= 2,2 эВ и ηэ = 12% при Тэ = 1800 К. Вторая область с VB = 2,0эВ (ηэ= 15% при Тэ = 1800 К) относится к электродным материалам, полученным по усовершенствованным технологиям и исследованным применительно к ТРП на быстрых нейтронах, а также возможном использовании в перспективных разработках по технологиям «Топаз» и «Енисей».
Представляют интерес результаты, полученные в ТЭП с цилиндрической геометрией моногранных W [110] эмиттерных и коллекторных электродов (рис. 2.6). Они подтверждены в большом количестве экспериментов на ТЭП с цилиндрической геометрией, в том числе в процессе ресурсных испытаний в течении одного года при высоких плотностях тепловых потоков (45 Вт/см²) [64, 65]. Следует подчеркнуть, что к началу 90-х годов в нашей стране разработаны и адаптированы применительно к энергонапряженным ЭГС технологии формирования моногранных электродных оболочек (или покрытий) различными способами: в ФЭИ — на базе газофазных фторидных методов осаждения, в НИИ НПО «Луч» — на базе газотранспортных хлоридных методов (рис. 2.7). По-видимому, эти технологии являются наиболее привлекательными для проектов ТРП XXI века.
Результаты выполненных в разных организациях исследований различных параметров на выходные характеристики ТЭП содержатся также в [66—70].

Рис .2.7. Схема базовых технологий изготовления эмиттеров (или формирования покрытий на них) перспективных ЭГС