Многослойное трубчатое изделие

 

Изобретение относится к многослойным трубчатым изделиям, которые могут быть использованы в термоэмиссионных реакторах-преобразователях при изготовлении коллекторных пакетов электрогенерирующих каналов. В основу изобретения положена задача создания многослойного трубчатого изделия, обладающего повышенными электроизоляционными характеристиками при высоких рабочих температурах в среде гелия. Согласно изобретению многослойное трубчатое изделие включает металлическую оболочку преимущественно из ниобия, молибдена или их сплавов и двухслойное изоляционное покрытие на оболочке, при этом один из слоев, прилегающий к оболочке, состоит из оксида алюминия или оксида иттрия, а другой - из жаростойкой эмали с толщиной покрытия, составляющей 10 - 20% толщины первого слоя. 2 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к многослойным трубчатым изделиям, которые могут быть использованы в ядерной технике, в частности в термоэмиссионных реакторах-преобразователях (ТРП) при изготовлении коллекторных пакетов электрогенерирующих каналов (ЭГК).

ТРП являются перспективными новыми источниками электроэнергии, по которым в последние годы ведутся широкие исследования и разработки. Основными составными частями ЭГК ТРП являются катодные и анодные узлы. Катодные узлы включают цилиндрические сердечники из высокотемпературного ядерного топлива, помещенного в металлическую оболочку эмиттер. Анодные узлы, или как их чаще называют коллекторные пакеты, работают при 325 1025^оС и представляют собой набор металлических трубок, отделенных друг от друга изоляцией и расположенных коаксиально с катодами через зазор, заполненный парами цезия. С целью исключения замыкания анодов через теплоноситель на их наружную поверхность наносится тонкий слой электроизоляции. Вся сборка помещается в металлическую оболочку, непосредственно контактирующую с теплоносителем (Займовский А.С. и др. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. М. Атомиздат, 1966, с. 469).

Существует ряд проблем, связанных с разработкой и созданием эффективно и надежно работающих ЭГК. При этом вопросы разработки достаточно надежной конструкции коллекторного пакета являются одними из наиболее сложных при создании ЭГК. При изготовлении коллекторных пакетов возникают многочисленные требования по использованию конструкционных материалов и изоляции, достижению малого термического сопротивления коллекторного пакета, высокого электросопротивления изоляции, большой электропроводности анода, простой технологии изготовления, высокой радиационной стойкости и т.д. Одной из актуальных задач является разработка коллекторных пакетов ЭГК ТРП с повышенными электроизоляционными характеристиками, в частности с повышенной электрической прочностью, работоспособных в условиях активной зоны ТРП, где помимо высокой рабочей температуры (600 800^оС) изоляция подвергается также сильному радиационному облучению (доза облучения быстрыми нейтронами ≈ 10²¹ н/см²), резким термокачкам (скорость изменения температуры ≈ 50 100^ос/мин). При этом нейтронно-физические характеристики ТРП налагают жесткие ограничения на размеры изоляции, так, допустимая толщина изоляции составляет обычно несколько сотен микрон.

Известны технические решения, касающиеся повышения электроизоляционных характеристик коллекторных пакетов, используемых в одно- и многоэлементных ЭГК (Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую и топливную элементы. Информационный бюллетень, вып. 8 (97), август 1970).

Так, известен коллекторный пакет для ЭГК с внутренним расположением топлива, выполненный в виде многослойной сборки, состоящей из внешней оболочки (трубка из ниобия с добавкой 1% циркония), слоя окиси алюминия и внутренней трубки из ниобия, покрытой слоем молибдена (Синявский В.В. и др. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов. М. Атомиздат, 1981, с. 23).

Известен также для ЭГК пятислойный коллекторный пакет, изготовленный как единое самостоятельное целое, состоящий из трех металлических слоев и двух расположенных между ними изолирующих, при этом средняя металлическая оболочка защищает от воздействия паров цезия коллекторную изоляцию (Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую и топливные элементы. Информационный бюллетень. Вып. 5 (130), май 1973, с. 109 118).

Электроизоляционные характеристики таких коллекторных пакетов в случае изготовления их методом термокомпрессионной сварки, т.е. когда весь пакет выполняется как единое целое (Синявский В.В. и др. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов. М. Атомиздат, 1981, с. 31), в основном удовлетворяют требуемым условиям эксплуатации. Однако технология изготовления таких изделий достаточна сложна.

Известны технические решения, более простые в технологическом исполнении, когда многослойное трубчатое изделие с внешним электроизоляционным покрытием на металлической оболочке помещается в чехловую трубу ТРП, которая непосредственно контактирует с жидким теплоносителем. При этом между многослойным трубчатым изделием и металлической чехловой трубой имеется гелиевый зазор (Николаев Ю.В. и др. Сравнительный анализ концепций одноэлементного и многоэлементного ЭКГ термоэмисионной ЯЭУ. Доклад на 10 симпозиуме по космическим ЯЭУ и двигателям, США, Альбукерке, январь, 1993. Труды 10 Симпозиума, т. 3, с. 1347 1353).

Недостатком такого коллекторного пакета являются пониженные электроизоляционные характеристиками в рабочих условиях. Этот недостаток обусловлен тем, что нанесенное керамическое покрытие, как правило, обладает значительной пористостью (открытая пористость может достигать 10%). В связи с этим электрическая прочность такого коллекторного пакета в рабочих условиях близка к электрической прочности собственно гелиевого зазора между коллекторным пакетом и чехловой трубой ТРП (180 200 В).

Задача изобретения создание многослойного трубчатого изделия с электроизоляционным покрытием на внешней металлической оболочке, в частности коллекторного пакета ЭГК, с повышенными электроизоляционными характеристиками в рабочих условиях в среде гелия.

Согласно изобретение задача решается тем, что в многослойном трубчатом изделии, включающем металлическую оболочку преимущественно из ниобия, молибдена или их сплавов и изоляционное покрытие на оболочке, изоляционное покрытие выполнено из двух слоев, один из которых, прилежащий к оболочке, состоит из оксида алюминия или оксида иттрия, а другой из жаростойкой эмали с толщиной покрытия, составляющей 10 20% от толщины первого слоя. В качестве жаростойкой эмали используют оксидную стеклоэмаль с температурой размягчения, превышающей 800^оС, и толщиной покрытия слоя эмали 10 50 мкм. Кроме того, жаростойкая эмаль состоит из оксидов кремния, бария, хрома, бора, алюминия, титана, марганца, кобальта, кальция, молибдена.

Предлагаемое многослойное трубчатое изделие с преимущественным использованием коллекторного пакета отличается от известного выполнением изоляционного покрытия из двух слоев, один из которых, прилегающих к оболочке, состоит из оксида алюминия или оксида иттрия, а другой из жаростойкой эмали толщиной, равной 10 20% от толщины первого слоя, а также использованием в качестве второго электроизоляционного слоя жаростойкой эмали с температурой размягчения более 800^оС, выполненной на основе оксидов элементов, перечисленных выше.

На основании проведенной научно-исследовательской и экспериментальной работы выявлено, что повышение электроизоляционных характеристик коллекторного пакета ЭГК ТРП в рабочих условиях достигается за счет устранения открытой пористости основного изоляционного покрытия из оксида алюминия или оксида иттрия и сглаживания наружной поверхности изоляционного покрытия коллекторного пакета. Использование слоя эмали создает более жесткие условия для развития в изоляционном покрытии электроразрядных явлений, повышает его электрическую прочность в среде гелия. Кроме того, затрудняется проникновение вглубь изоляционного покрытия и осаждение на его поверхности различных проводящих загрязнений, что способствует более высокой ресурсной стабильности электроизоляционных характеристик коллекторного пакета в рабочих условиях.

Выбор конкретного типа жаростойкой эмали обусловлен рядом технологических, материаловедческих и рабочих свойств и операций, обеспечивающих последующую эксплуатацию при высоких температурах. Известные электроизоляционные эмали (см. например, Справочник по электротехническим материалам, том 2, М. Энергоатомиздат, 1987, с. 205 206; Эмалирование металлических изделий./Под ред. В. В. Варгина, Л. Машиностроение, 1972, с. 307 308), используют, как правило, для покрытия трубчатых резисторов и для получения электроизоляционных жаростойких покрытий на металлах. Однако прямое использование известных технических решений без изучения и исследования комплекса требуемых эксплуатационных свойств изделий не решало поставленную задачу. Так, большинство трубчатых резисторов с эмалевыми покрытиями имеют низкие электроизоляционные характеристики особенно при повышенных температурах. Легкоплавкие эмали с температурой размягчения ниже 800^оС помимо того, что не могут быть использованы в рабочих условиях ЭГК, обладают низкой химической устойчивостью. Многочисленные испытания показали, что жаростойкая эмаль с температурой размягчения более 800^оС, выполненная на основе оксидов кремния, бария, хрома с добавками оксидов бора, алюминия, титана, марганца, кобальта, кальция и молибдена, обладает комплексом требуемых свойств: по КТР с оксидами алюминия и иттрия, по стойкости к термоударам, термической и механической прочности, радиационной стойкости и т.д. Выполнение слоя эмали толщиной, составляющей 10 20% от керамического изолирующего слоя, оптимально с точки зрения получения качественных покрытий, обладающих прочным сцеплением с первым слоем изоляции из керамики, хорошей стойкостью к термокачкам, требуемыми электроизоляционными характеристиками в рабочих условиях. При этом нижний предел толщины эмалевого слоя ограничен необходимостью получения сплошного покрытия на шероховатой поверхности внутреннего слоя из оксида алюминия или оксида иттрия и эффективного закрытия открытой пористости последнего. Верхний предел толщины эмалевого слоя обоснован, исходя из возможности обеспечения механической прочности данного слоя и его сцепления с внутренним слоем. Более толстый слой эмали, как показали исследования, обладает недостаточной прочностью при термокачках, которые приводят к образованию мелких трещин, а также низким сцеплением с внутренним слоем, что приводит к отделению эмали от данного слоя или шелушению эмалевого покрытия.

Предлагаемое многослойное трубчатое изделие с дополнительным электроизоляционным и газоплотным беспористым покрытием по керамическому слою позволяет повысить его электрическую прочность примерно в два раза в сравнении с известными решениями, что в целом при использовании этого изделия в качестве коллекторного пакета ЭГК приводит к повышению надежности существующих ТРП и обеспечивает достаточный запас по электрической прочности для ЭГК перспективных ТРП с выходными напряжением 100 В и более и повышенным ресурсом работы.

Заявляемое многослойное трубчатое изделие содержит металлическую оболочку из ниобия, молибдена или их сплавов, на внешней поверхности которой последовательно расположены слой изоляции из оксида алюминия или оксида иттрия и слой жаростойкой эмали толщиной 10 20% от толщины первого керамического слоя, который выполнен на основе оксидов кремния, бария и хрома с добавками оксидов бора, алюминия, титана, марганца, кобальта, кальция и молибдена.

Изготовление предложенного изделия осуществляется известными технологическими приемами.

Образцы коллекторных пакетов, выполненные из трубок ниобия (d_нар 24 25 мм) с керамическим слоем из Al₂O₃ и дополнительным слоем жаростойкой оксидной эмали с температурой размягчения ≈ 1050^оС, были испытаны на электрическую прочность (пробивное напряжение) при 650^оС в среде гелия при давлении (1,33 6,65) ˙10⁴ Па. В таблице приведены сравнительные результаты по абсолютным значениям электропрочностных характеристик испытанных изделий без эмали и с нанесенным слоем эмали, состоящей из оксидов кремния, бария, хрома, алюминия, бора, титана, марганца, кобальта, кальция и молибдена.

Результаты испытаний показали, что электрическая прочность предложенного изделия примерно в два раза превышает в рабочих условиях электрическую прочность известного технического решения. Отличительной особенностью изобретения является то, что электрический разряд при электропробое имеет характер затрудненного разряда с ограниченной величиной тока на уровне 0,05 0,01 А, что соизмеримо с обычной омической утечкой через изоляцию. Это имеет важное практическое значение, так как малый ток разряда не способствует развитию мощных режимов пробоя. Изоляционные материалы, предлагаемые в изобретении, как показали испытания, отвечают требованиям, предъявляемым к материалам активной зоны ТРП с точки зрения теплофизических, нейтронно-физических характеристик, а также радиационной стойкости.

Формула изобретения

1. МНОГОСЛОЙНОЕ ТРУБЧАТОЕ ИЗДЕЛИЕ, преимущественно для коллекторного пакета электрогенерирующего канала, включающее металлическую оболочку из ниобия, молибдена или их сплавов и электроизоляционное покрытие, отличающееся тем, что электроизоляционное покрытие выполнено двуслойным, первый от оболочки слой выполнен из оксида алюминия или оксида иттрия, а второй из жаростойкой эмали, при этом толщина второго слоя покрытия составляет 10 20%от толщины первого.

2. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что в качестве жаростойкой эмали используют оксидную стеклоэмаль с температурой размягчения более 800^oС, при этом толщина слоя эмали составляет 10 50 мкм.

3. Изделие по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что жаростойкая эмаль состоит из оксидов кремния, бария, хрома, бора, алюминия, титана, марганца, кобальта, кальция и молибдена.

РИСУНКИ

Рисунок 1