Способ ускоренных реакторных испытаний многоэлементного электрогенерирующего канала (варианты)

 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к способам ускоренных реакторных испытаний многоэлементных электрогенерирующих каналов (ЭГК) с сообщающимися полостями межэлектродного зазора (МЭЗ) и твэла в петлевых каналах исследовательских реакторов. Способ включает измерение выходных электрических параметров ЭГК, диагностику тепловой мощности и послереакторные исследования состояния поверхностей электродов. При этом в первом варианте способа электрогенерирующие элементы ЭГК снаряжают газоотводными трубками с увеличенным в 1,2-5 раз диаметром капилляров в наконечниках по сравнению со штатным значением. Во втором варианте испытания проводят при увеличенной в 1,2-1,5 раза тепловой мощности ЭГК при одновременном увеличении его тока, обеспечивающем сохранение штатного уровня рабочей температуры эмиттеров. 2 с. и 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к способам ускоренных реакторных испытаний многоэлементных электрогенерирующих каналов (ЭГК) с сообщающимися полостями межэлектродного зазора (МЭЗ) и твэла в петлевых каналах исследовательских реакторов или в составе прототипа реактора-преобразователя с целью обоснования длительных ресурсов ЭГК.

Известен способ испытаний многоэлементного ЭГК, заключающийся в том, что в петлевом канале исследовательского реактора проводят испытания ЭГК штатной конструкции в точном соответствии с условиями его работы в составе реактора-преобразователя в течение заданного ресурса. При этом в процессе испытаний регистрируются выходные электрические характеристики ЭГК и по их стабильности во времени судят о работоспособности ЭГК в течение ресурса. По результатам испытаний принимают меры по усовершенствованию конструкции ЭГК [В. В. Синявский и др. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов. - М.: Атомиздат, 1981, с.65].

Такой способ неприемлем при обосновании рассматриваемых в настоящее время длительных (не менее 7 лет) ресурсов ЭГК: недопустимо затягивается продолжительность испытаний до получения результатов, испытания являются ненадежными, так как сопровождаются отказами неремонтоспособных петлевых каналов, существенно возрастает стоимость разработки ЭГК за счет дорогостоящих реакторных испытаний.

Известен также способ реакторных петлевых испытаний многоэлементного ЭГК, при котором в процессе испытаний наряду с измерением выходных электрических параметров косвенными методами проводят диагностику неизмеряемых характеристик ЭГК, например тепловой мощности [А.А. Давыдов и др. Сравнительный анализ методов определения тепловой мощности термоэмиссионных электрогенерирующих каналов при петлевых реакторных испытаниях. - В сб. "Ракетно-космическая техника" РКК "Энергия им. С.П. Королева, серия XII, выпуск 1-2, 1998, с. 162-173]. Способ позволяет судить об изменении характеристик ЭГК в процессе испытаний и дает необходимые экспериментальные данные для построения математической модели ресурсного поведения ЭГК с целью прогнозирования его ресурса за пределами временной базы испытаний.

Недостатком указанного способа является его нечувствительность к процессам изменения эмиссионных характеристик электродной пары, прежде всего коллектора, и, как следствие, снижения выходной электрической мощности ЭГК из-за поступления в МЭЗ компонентов топлива и продуктов деления (ПД) через газоотводное устройство (ГОУ), соединяющее полости твэла и МЭЗ. Проводимые измерения выходной электрической мощности ЭГК не решают эту проблему, так как деградация эмиссионных характеристик коллектора затягивается на времена, сравнимые с ресурсом, что требует проведения длительных испытаний, но при этом вступают в силу ограничения, свойственные указанному выше аналогу.

Задачей настоящего изобретения является определение на ограниченной временной базе испытаний ресурсной деградации выходных электрических параметров ЭГК с сообщающимися полостями твэла и МЭЗ. Поставленная задача была решена принципиально одним и тем же путем при помощи двух технических решений.

Согласно первому варианту изобретения предложен способ испытаний, включающий облучение ЭГК в петлевом канале или в активной зоне прототипа реактора-преобразователя при увеличенном в 1,2-5 раз относительно номинального значения диаметра капилляра в наконечниках газоотводных устройств электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), измерение выходных электрических параметров ЭГК и диагностику тепловой мощности, а также послереакторные исследования состояния поверхностей электродов. Дополнительное отличие способа состоит в том, что проводимость участка газоотводного тракта между ловушкой и МЭЗ увеличивают в 2-4 раза относительно ее номинального значения.

В соответствии со вторым вариантом при проведении испытаний тепловую мощность ЭГК увеличивают в 1,2-1,5 раза относительно ее номинального значения, причем увеличение тепловой мощности ЭГК сопровождают одновременным увеличением тока ЭГК, обеспечивающим сохранение штатного уровня рабочей температуры эмиттеров. Дополнительное отличие состоит в том, что в процессе испытаний периодически через промежутки времени не менее 500 часов проводят измерения выходных электрических параметров ЭГК при номинальных значениях тепловой мощности и тока.

Достижение цели как в первом, так и во втором вариантах изобретения, осуществляется за счет увеличения скорости поступления в МЭЗ продуктов деления из полости твэла: в первом варианте путем увеличения проводимости капилляра ГОУ (увеличения его диаметра), а во втором путем увеличения темпа генерации ПД и их давления (за счет повышения рабочей температуры топлива) в полости твэла.

Для решения поставленной задачи используется особенность конструкции ЭГК с сообщающимися полостями твэла и МЭЗ: по продольной оси тепловыделяющего сердечника каждого ЭГЭ расположена закрепленная на торцовой крышке, свободной от коммутационной перемычки, между ЭГЭ трубка ГОУ с капиллярным наконечником, обращенным к центру сердечника, для обеспечения отвода газообразных ПД при одновременном ограничении выноса диоксида урана из полости твэла. Выходной участок трубки обращен в сторону коммутационной перемычки соседнего ЭГЭ (торцового отражателя) с ловушкой для паров диоксида урана и конденсирующихся ПД; неконденсирующиеся на ловушке ПД, а также испаряющиеся с ловушки сконденсировавшиеся на ней ПД и пары топлива поступают в МЭЗ через участок газового тракта между торцовой крышкой и коммутационной перемычкой (торцовым отражателем). Характерная температура ловушки составляет 1200 - 1300^oС, а на участке газового тракта ловушка - МЭЗ она снижается до температуры коллектора 500-600^oС (здесь и далее все расчеты проведены применительно к номинальному режиму эксплуатации ЭГК в составе ЯЭУ-50).

При указанном конструктивном исполнении системы отвода газообразных ПД представляется возможным увеличить скорость поступления ПД в МЭЗ путем изменения проводимостей участков газового тракта или скорости генерации и давления насыщенных паров ПД при сохранении штатного распределения температуры по длине коллекторов и эмиттеров и таким образом обеспечить форсирование испытаний по процессам деградации выходных электрических параметров ЭГК.

В обоснование описанной принципиальной возможности проведения форсированных испытаний ЭГК рассмотрены процессы, определяющие деградацию преобразователя за счет поступления в МЭЗ из внутренней полости твэла на основе диоксида урана по газоотводному тракту технологических газов, компонентов топлива и ПД.

Технологические газы СО, SiO образуются за счет примесных (С, Si) компонентов оксидного топлива и в виде карбонатов и силикатов дицезия способны конденсироваться на коллекторе, изменяя его работу выхода. Азот, содержащийся в диоксиде урана как технологическая примесь, может оказывать влияние на ВАХ ЭГК лишь при давлении в МЭЗ 0,23 мм рт.ст. Однако расчетно-экспериментальные исследования показали, что специальными технологическими операциями и режимами термовакуумной подготовки топлива потоки азота, монооксида углерода и оксида кремния снижаются до значений 10^-10 моль/с, 10^-10 моль/с и 10^-12 моль/с соответственно, при которых давление азота в МЭЗ не превышает 0,023 мм рт. ст. и конденсация силикатов и карбонатов дицезия при рабочей температуре коллектора (ниже 600^oС) не происходит [А.С. Гонтарь, Д.Ю. Любимов, А.С. Панов. Анализ процессов массопереноса в межэлектродном зазоре ЭГК. - В сб. докл. 5-й международной конференции "Ядерная энергетика в космосе", Подольск, 1999, часть 1, с.209-228]. Таким образом, выход технологических газов в МЭЗ при удовлетворении указанных требований не является ресурсоограничивающим фактором стабильной работы термоэмиссионных преобразователей ЭГК.

Основные компоненты топлива UO₂, UO, UО₃ преимущественно конденсируются в ловушке (1200^oС) и на участке тракта от ловушки до коллектора (600^oС). В этих условиях их давление в МЭЗ определяется температурой коллектора и составляет 7,7•10^-24мм рт. ст. , что не приводит к заметному покрытию коллектора оксидами за рассматриваемые длительные времена (степень покрытия <<0,001).

Инертные ПД Хе, Кr, не конденсирующиеся в газоотводном тракте и на коллекторе, присутствуют в МЭЗ при давлении не выше 0,1 мм рт.ст., но не оказывают заметного влияния на работу преобразователя при указанном уровне давления [Е. С. Бекмухамедов и др. Работа цезиевого термоэмиссионного преобразователя с добавками инертного газа. ЖТФ, т.36, 8, 1966].

Изменить работу выхода электронов из вольфрама способны Ва, Sr, Nd, Се, Мо, Ru, La, Тс, Y, Те и их оксиды, так как вакуумная работа выхода у них ниже, чем у вольфрама. Давления Ва и Sr при максимальной температуре топлива составляют ~10^-3мм рт.ст., что на порядок ниже, чем их равновесные давления над конденсированными фазами при максимальной температуре коллектора (600^oС). По этой причине Ва и Sr не будут конденсироваться в ловушке, а покрытие ими коллектора может иметь место на низкотемпературных участках коллектора. Парциальные давления оставшихся оксидов продуктов деления при температуре топлива не превышают 2•10^-3 мм рт.ст., они должны конденсироваться в ловушке, а их давление в МЭЗ будет аналогично диоксиду урана определяться давлением насыщенных паров при рабочей температуре коллектора и находится на уровне менее 10^-14 мм рт.ст.

Из приведенного рассмотрения следует, что для увеличения потока неконденсирующихся в ловушке ПД необходимо увеличить проводимость капиллярного наконечника трубки ГОУ, а для конденсирующихся - проводимость тракта между ловушкой и МЭЗ. Проведенные расчеты показывают, что увеличение диаметра капилляра в наконечнике трубки ГОУ в 1,2-5 раз позволяет увеличить поток не конденсирующихся на ловушке ПД, а одновременное увеличение проводимости газового тракта - поток конденсирующихся на ловушке ПД в МЭЗ в 2-4 раза и тем самым во столько же раз форсировать испытания с точки зрения исследования ресурсной стабильности выходных электрических параметров ЭГК. При этом проведение таких форсированных испытаний при увеличении диаметра капилляра без увеличения проводимости участка газового тракта между ловушкой и МЭЗ позволяет раздельное влияние неконденсирующихся на ловушке ПД на стабильность выходных параметров ЭГК. Предельное значение увеличения диаметра капилляра, равное пяти, обусловлено тем, что согласно проведенным оценкам при еще большем увеличении диаметра капилляра возможно переполнение ловушки конденсатом диоксида урана и выход из строя системы газоотвода.

Вторым вариантом увеличения потоков ПД является увеличение тепловой мощности ЭГК и рабочей температуры топлива. Проведенный расчет показал, что увеличение в полтора раза тепловой мощности ЭГК при петлевых испытаниях приводит к повышению температуры топлива на 60-70 градусов по сравнению с его номинальной температурой при сохранении рабочей температуры эмиттеров ЭГК, а это совместно с повышением в полтора раза темпа генерации ПД увеличивает количество ПД, вынесенных через капилляр ГОУ в 5-7 раз. Сохранение рабочей температуры эмиттеров ЭГК достигается при увеличении тока ЭГК от ~ 100 A до ~ 275 A. Таким образом, ЭГК испытывается при этом в неноминальном режиме по выходной электрической мощности. Однако представляется возможность периодически осуществлять контроль штатного значения электрической мощности ЭГК путем кратковременного перехода на номинальные значения тепловой мощности и тока ЭГК. Такие переходы наиболее удобно осуществлять перед плановыми остановами исследовательского реактора. Периодичность таких остановов составляет 500 часов и более.

Следует также отметить, что увеличение тепловой мощности ЭГК в 1,5 раза приводит к увеличению скорости деформации эмиттера под действием распухающего диоксида урана примерно в 2,5 раза, т.е. испытания становятся форсированными и по другому ресурсоопределяющему критерию: продолжительности работы до короткого замыкания электродов преобразователя.

Экспериментальная проверка первого варианта способа была осуществлена при испытаниях унифицированного многоэлементного ЭГК с соединенными полостями МЭЗ и твэла в петлевом канале УПК-3. При этом диаметр капилляра ГОУ в конструкторской документации на ЭГК для петлевых испытаний был выбран 0.2^+0,1 мм, в то время как в штатной конструкции ЭГК для штатной ЯЭУ он составляет 0.1^+0,05мм. Это позволило в процессе примерно полуторагодичных испытаний обосновать стабильность выходных электрических характеристик ЭГК в течение ~ 3 лет номинального режима эксплуатации ЭГК. Второй вариант изобретения обоснован расчетным путем.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет на ограниченной временной базе испытаний исследовать ресурсную деградацию выходных электрических параметров ЭГК с сообщающимися полостями твэла и МЭЗ, которая может иметь место в штатном ЭГК в течение длительных ресурсов.

Формула изобретения

1. Способ ускоренных реакторных испытаний многоэлементного электрогенерирующего канала с сообщающимися полостями твэла и межэлектродного зазора, включающий облучение электрогенерирующего канала, измерение его выходных электрических параметров и диагностику тепловой мощности, а также послереакторные исследования состояния поверхностей электродов, причем электрогенерирующие элементы электрогенерирующего канала снаряжают газоотводными трубками с увеличенным в 1,2-5 раз диаметром капилляров в наконечниках по сравнению со штатным значением.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что испытания проводят с увеличенной в 2-4 раза проводимостью участка газоотводного тракта между ловушкой и межэлектродным зазором по сравнению со штатным значением.

3. Способ ускоренных реакторных испытаний многоэлементного электрогенерирующего канала с сообщающимися полостями твэла и межэлектродного зазора, включающий облучение электрогенерирующего канала, измерение его выходных электрических параметров и диагностику тепловой мощности, а также послереакторные исследования состояния поверхностей электродов, при этом испытания проводят при увеличенной в 1,2-1,5 раза тепловой мощности электрогенерирующего канала при одновременном увеличении его тока, обеспечивающем сохранение штатного уровня рабочей температуры эмиттеров.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что периодически через промежутки времени не менее 500 ч проводят измерения выходных электрических параметров электрогенерирующего канала при номинальных значениях его тепловой мощности и тока.