Тепловыделяющий элемент ядерного ракетного двигателя (варианты)

 

Использование: изобретение относится к тепловыделяющим элементам (твэлам) ядерных ракетных двигателей (ЯРД) и направлено на повышение ресурса эксплуатации твэлов в потоке горячего водорода - рабочем теле ЯРД. Твэл включает матрицу из материала на основе углерода (изотропного графита), в которой диспергированы топливные частицы и выполнены сквозные отверстия для потока водорода. Поверхность матрицы, например выполненной в виде шестигранного призматического блока, и стенки отверстий имеют защитные покрытия из карбидов тугоплавких металлов, причем в отверстиях размещены тонкостенные трубки из карбидографитов ниобия или циркония толщиной 0,2 мм, через которые пропускается поток водорода, а в зазоре между трубками и отверстиями образуется застойная зона водорода, в которой коррозия покрытий замедляется. За счет исключения прямого воздействия потока горячего водорода на покрытия предотвращаются эрозия и унос материалов покрытий и матрицы. Возможность изготовления твэла по длине из отдельных секций с собственными наборами калиброванных трубок и покрытиями на торцах позволяет упростить технологию и повысить качество изготовления, а также обеспечить профилирование гидравлического сопротивления каналов в соответствии с распределением энерговыделения в активной зоне реактора. 2 н.п.ф-лы, 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к тепловыделяющим элементам (твэлам) ядерных ракетных двигателей (ЯРД) и может быть использовано в твэлах, эксплуатируемых в высокотемпературных и высокоскоростных потоках водорода рабочем теле ЯРД.

Известен твэл ЯРД, выполненный в виде гексагонального блока, в котором образованы сквозные отверстия, служащие для прохода водородного теплоносителя. Блок выполнен из композиции, включающей карбид бериллия и графит в мольном соотношении 3:1 и содержит топливо из карбида урана, обогащенного до 90% по ²³⁵U, равномерно диспергированного в объеме блока (см. пат. США N 3212987, НКИ 376-352, опубл. 19.10.65).

Недостатком известного твэла является низкая коррозионная стойкость графитосодержащей композиции блока в потоке горячего водорода, приводящая к ухудшению ресурсных и мощностных характеристик ЯРД.

Также известен твэл ЯРД, выполненный в виде пакета, набранного из плоских или слегка изогнутых пластин, дистанционированных в пакете друг от друга с образованием щелевых каналов для прохода водородного теплоносителя. Каждая пластина выполнена с внутренним слоем матрицей из композиции, включающей изотоп вольфрама ¹⁸⁴W и двуокись урана и наружным слоем тонкой оболочкой, образованной из металлического ¹⁸⁴W (см. пат. США N 3378455, НКИ 376-432, опубл. 16.04.68).

Однако, несмотря на высокую коррозионную стойкость вольфрама в потоке горячего водорода, при нагреве известного твэла до рабочей температуры ≈2500 К и выше, происходит разрушение вольфрамовой оболочки из-за более высокого коэффициента термического расширения внутреннего керметного слоя. В результате интенсифицируется выход двуокиси урана из матрицы в тракт водородного теплоносителя. Кроме того, вследствие низкой пластичности вольфрама и его перехода из пластичного состояния в хрупкое при температуре 400^oС эксплуатационная надежность известного твэла существенно снижается.

Наиболее близким к заявляемому твэлу по технической сущности прототипом является твэл ЯРД типа NERVA (США), включающий призматический блок гексагональной формы, выполненный из графита, со сквозными осевыми отверстиями для прохода водородного теплоносителя, в объеме которого распределены топливные частицы, выполненные из композиции типа ZrC-UC-C, и содержащий коррозионно-стойкие слои защитных покрытий, выполненные из карбидов тугоплавких металлов (карбидов ниобия и циркония) и образованные на поверхностях блока и стенках отверстия (см. Космические двигатели: состояние и перспективы. Пер. с англ. /Под ред. Л. Кейвни. М. Мир, 1988, с. 272-273; см. пат. США N 3406227, НКИ 264-5, опубл. 15.10.68).

Недостатки известного твэла обусловлены возникновением трещин в защитных покрытиях. В результате при протекании водорода с высокой скоростью в отверстиях блока при температуре ≈ 2500 К и выше он под давлением в несколько мегапаскалей проникает в матрицу и вызывает ее высокотемпературную коррозию, сопровождаемую интенсивным уносом материалов матрицы и топлива, способным привести к полному разрушению твэла (см. статью: Характеристики ЯРД, разработанных в рамках программ Rover-NERVA. ЭИ "Астронавтика и ракетодинамика", N 25, 1992 г. с. 17-25, пер. с англ.).

Анализ уровня техники в области твэлов, разрабатываемых для ЯРД, показывает, что наиболее тугоплавкими материалами, пригодными для использования в твэлах, являются графиты, из которых изготавливают матрицу - основу твэла, а также карбиды циркония и ниобия, из которых выполняют защитные покрытия, предохраняющие матрицу от интенсивного химического взаимодействия с высокоскоростным потоком водорода при температурах эксплуатации ЯРД. Однако из-за разных температурных расширений основы и покрытия, обусловленных разными коэффициентами термического расширения и разными средними температурами покрытия и основы, происходит разрушение покрытия либо в результате его растрескивания, либо в результате его отслоения от основы. Кроме того, покрытие разрушается при деформации твэла под воздействием внешних сил, возникающих как при изготовлении твэла, так и при его работе в реакторе. В итоге известные твэлы характеризуются низким ресурсом при эксплуатации в водородном теплоносителе на режимах ЯРД.

Технической задачей изобретения является повышение ресурса эксплуатации твэла путем уменьшения взаимодействия его графитовой матрицы с потоком водорода.

Для решения поставленной задачи автором предлагаются следующие варианты твэла ЯРД.

По первому варианту предлагается твэл, включающий матрицу с отверстиями для прохода водородного теплоносителя, выполненную из материала на основе углерода, в объеме которой распределены топливные частицы, и содержащий слои защитного покрытия, выполненные из карбидов тугоплавких металлов и образованные на поверхностях матрицы и стенках отверстий, причем в каждом отверстии дополнительно размещена тонкостенная трубка, образующая канал для прохода водородного теплоносителя и выполненная из композиционного материала на основе карбида тугоплавкого металла и углерода, например из карбидографита, выбранного из группы, включающей карбидографиты циркония и ниобия.

По второму варианту предлагается твэл, включающий матрицу с отверстиями для прохода водородного теплоносителя, выполненную из материала на основе углерода, в объеме которой распределены топливные частицы, и содержащий слои защитного покрытия, выполненные из карбидов тугоплавких металлов и образованные на поверхностях матрицы и стенках отверстий, причем в каждом отверстии дополнительно размещена тонкостенная трубка, образующая канал для прохода водородного теплоносителя и выполненная из композиционного материала на основе карбида тугоплавкого металла и углерода, например из карбидографита, выбранного из группы, включающей карбидографиты циркония и ниобия, а матрица по длине образована из отдельных секций, содержащих собственные наборы тонкостенных трубок, причем на торцах секций также образованы защитные покрытия из карбидов тугоплавких металлов. А также трубки в секционированных наборах могут быть выполнены с различной шероховатостью внутренней поверхности, обеспечивающей профилирование гидравлического сопротивления каналов для прохода водородного теплоносителя.

Дополнительное размещение тонкостенной трубки в каждом отверстии матрицы позволяет образовать каналы для протока водорода через трубки, а между стенкой отверстия и поверхностью трубки получить кольцевой зазор с застойной водородной средой, постепенно насыщаемой продуктами взаимодействия водорода с покрытием и блоком матрицей твэла. Как показывают эксперименты, коррозионная стойкость в такой застойной среде, содержащей некоторое количество углеводородных компонентов, существенно возрастает вследствие замедления химического взаимодействия материала покрытия и среды. Протекание водорода внутри коррозионностойких трубок предохраняет покрытие от взаимодействия с потоком, от воздействия скоростного напора, исключает эрозию и унос материалов покрытия. Карбидографиты циркония и ниобия обладают в сравнении с графитом повышенной коррозионной стойкостью в потоке горячего водорода, имеют меньший коэффициент термического расширения и меньшую ползучесть при одинаковой с графитом прочностью на изгиб. Это позволяет применять трубки с толщиной стенки ≈0,2 мм, обладающие необходимой термопрочностью и обеспечивающие требуемый ресурс для твэла в целом. Меньшее, чем у матрицы, терморасширение трубок позволяет свободно устанавливать их в отверстиях матрицы с минимальными зазорами, что обуславливает механическую развязку трубок от слоя покрытия на стенках отверстий и в то же время обеспечивает необходимую теплопередачу от матрицы через зазор с застойной водородо-углеводородной средой при допустимом увеличении перепада давления по длине твэла. Выполнение матрицы твэла по длине из отдельных секций, содержащих собственно наборы тонкостенных трубок, позволяет упростить технологию изготовления твэла, получать трубки со строго калиброванными размерами, осуществлять их селективную сборку с отверстиями каждой секции, обеспечивающую минимальные кольцевые зазоры. Нанесение защитных покрытий на торцы секций, позволяет создать между торцами соседних секций условия для образования отмеченных выше застойных зон водородно-углеводородной среды, обеспечивающих снижение химического взаимодействия материала покрытия со средой. В результате при существенном упрощении технологии обеспечивается высокое качество изготовления предлагаемого твэла, что также позволяет повысить его ресурсные характеристики. Выполнение трубок в секционированных наборах с различной шероховатостью внутренней поверхности дает возможность достаточно просто изготавливать предлагаемый твэл с гидравлическими характеристиками, учитывающими распределение энерговыделения по длине и поперечному сечению активной зоны.

В общем случае геометрическая форма матрицы твэла может быть самая разная, например, матрица может набираться из отдельных многогранников, пластин, стержней и т. п. элементов, при сборе которых в ней формируются отверстия, в которых можно разместить тонкостенные трубки.

Наиболее предпочтительной является матрица, выполненная в виде 6-гранного многоканального блока, обеспечивающего плотную упаковку твэлов в активной зоне.

Конструкция предлагаемого твэла с блочной матрицей приведена на следующих чертежах: на фиг.1 общий вид твэла по первому варианту исполнения; на фиг. 2 общий вид твэла по второму варианту исполнения; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 место I фиг. 3.

По первому варианту твэл состоит из цельного топливосодержащего графитового блока 1; по второму варианту топливосодержащий графитовый блок образован из секций 2. Как в цельном блоке, так и в секциях выполнены сквозные осевые отверстия 3. На боковых поверхностях секций, на их торцах и на стенках отверстий образованы защитные покрытия из карбидов 4, 5, 6. В отверстиях с кольцевым зазором 7 установлены тонкостенные карбидографитовые трубки 8. Направление течения водорода обозначено стрелками 9, 10.

Предлагаемый твэл работает следующим образом.

Водород в направлении 9 поступает на входной торец блока 1, проходит через трубки 8, нагревается до высокой температуры и выходит из блока в направлении 10. При этом происходит заполнение зазоров 7 водородом, образующим в них застойную зону (среду). Аналогичная среда также образуется между торцами секций 2, покрытыми защитными слоями 5 и, кроме того, между боковыми поверхностями блоков 1, покрытыми защитными слоями 4, при плотной упаковке блоков в составе активной зоны ЯРД. В предлагаемом твэле между потоком водорода и графитовой матрицей блока 1 образуются три барьера, препятствующих прямому взаимодействию потока с матрицей, трубки 8, зазоры 7 с застойной средой и собственно покрытие 6. Для сравнения в прототипе два первых барьера отсутствуют. При нагреве твэла вследствие химического взаимодействия водорода, образующего застойные зоны, с покрытиями 4, 5, 6 и внешней поверхностью трубок 8, в водороде накапливается некоторое количество углеводородов, что наряду с отсутствием протечек обуславливает снижение химического взаимодействия материалов покрытий с застойной средой. За счет исключения прямого взаимодействия потока водорода с графитовой матрицей, исключения эрозии и уноса защитных покрытий обеспечивается повышение эксплуатационного ресурса предлагаемого твэла.

Пример. Призматический блок гексанональной формы содержит микротвэлы диаметром 200 мкм, имеющие покрытие из пиролитического углерода и диспергированные в матрице блока, выполненной из высокопрочного изотропного графита с равномерной бездефектной структурой. Микротвэлы изготовлены из композиции ZrC-UC-C с 93% обогащением по ²⁹⁵U. Блок по длине набран из отдельных секций высотой 200 мм каждая. Количество секций в блоке 4 шт. Размер секций "под ключ" 20 мм. В каждой секции выполнено по 19 осевых отверстий диаметром 2,1 мм. На боковых гранях и торцах секций, а также на стенках отверстий нанесено многослойное покрытие из карбида циркония (или ниобия) толщиной ≈20 мкм. В отверстиях секций по их длине установлены трубки из карбидографита циркония (или ниобия) с толщиной стенки 0,2 мм. Расчетная величина зазора между трубкой и покрытия стенкой отверстия составляет 5 мкм.

Технология изготовления секций со сквозными отверстиями включает операции прессования графитового порошка с микроотвалами и последующую термообработку заготовок. Карбидографитовые трубки получают методами выдавливания композиционной шликерной массы через калиброванную матрицу и спекания трубчатых заготовок при высокой температуре. Защитные карбидные покрытия на все поверхности секций и отверстий наносят методом химического осаждения из парогазовой фазы.

Как показывают оценки, например, для условий эксплуатации предлагаемого твэла в реакторе ЯРД NERVA, его ресурс в сравнении с прототипом может быть увеличен в 3-5 раз. При этом увеличение температуры графитового блока в зоне максимального энерговыделения при 5 мкм зазоре между трубкой и стенкой отверстия составляет 100-150 К, а увеличение давления водорода на выходе из трубки составляет ≈0,17 МПа при давлении на выходе 5 МПа, что не приводит к снижению параметров ЯРД.

Формула изобретения

1. Тепловыделяющий элемент ядерного ракетного двигателя, включающий матрицу с отверстиями для прохода водородного теплоносителя, выполненную из материала на основе углерода, в объеме которой распределены топливные частицы, и содержащий слои защитного покрытия, выполненные из карбидов тугоплавких металлов и образованные на поверхностях матрицы и стенках отверстий, отличающийся тем, что в каждом отверстии дополнительно размещена тонкостенная трубка, образующая канал для прохода водородного теплоносителя и выполненная из композиционного материала на основе карбида тугоплавкого металла и углерода, например из карбидографита, выбранного из группы, включающей карбидографиты циркония и ниобия.

2. Тепловыделяющий элемент ядерного ракетного двигателя, включающий матрицу с отверстиями для прохода водородного теплоносителя, выполненную из материала на основе углерода, в объеме которой распределены топливные частицы, и содержащий слои защитного покрытия, выполненные из карбидов тугоплавких металлов и образованные на поверхностях матрицы и стенках отверстий, отличающийся тем, что в каждом отверстии дополнительно размещена тонкостенная трубка, образующая канал для прохода водородного теплоносителя и выполненная из композиционного материала на основе карбида тугоплавкого металла и углерода, например из карбидографита, выбранного из группы, включающей карбидографиты циркония и ниобия, матрица по длине образована из отдельных секций, содержащих собственные наборы тонкостенных трубок, причем на торцах секций также образованы защитные покрытия из карбидов тугоплавких металлов.

3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что трубки в секционированных наборах выполнены с различной шероховатостью внутренней поверхности, обеспечивающей профилирование гидравлического сопротивления каналов для прохода водородного теплоносителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4