ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
THERMIONIC FUEL ELEMENT

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании долгоресурсных термоэмиссионных электрогенерирующих каналов (ЭГК), встроенных в активную зону ядерного реактора-преобразователя, например атомной станции малой мощности (АСММ), используемой в труднодоступных и удаленных районах при минимальном количестве вахтового персонала.
Основной проблемой при разработке термоэмиссионных твэлов, входящих в состав ЭГК, является деформация оболочки, вызванная распуханием тепловыделяющего сердечника. Эта проблема порождается высоким уровнем рабочих температур оболочки.
В варианте наземной АСММ указанный термоэмиссионный твэл в обеспечение радиационной безопасности должен быть выполнен невентилируемым. Однако это условие дополнительно усложняет проблему обеспечения геометрической стабильности твэла, так как вышедшие из топлива газообразные продукты деления (ГПД) также нагружают оболочку.
Растрескивание топливного сердечника в режимах термоциклирования также представляет потенциальную опасность с точки зрения повреждения оболочки и поступления в межэлектродный зазор (МЭЗ) ГПД, снижающих выходные электрические характеристики ЭГК.
2
На начальной стадии разработки долгоресурсных энергонапряженных ЭГК надежда возлагалась на входящие в состав ЭГК термоэмиссионные твэлы с топливным сердечником дисперсионного типа на основе высокотемпературного кермета UO - Mo с оболочкой из тугоплавкого материала. Однако высокая скорость ползучести молибдена и сильная зависимость ее от напряжения  приводили к недопустимо высокому распуханию кермета под действием внутреннего давления газообразных продуктов деления [Термоэмиссионное преобразование энергии. Перевод под редакцией Д.В. Каретникова и др. М., Атомиздат, 1971, с. 181-185].
В дальнейших разработках ЭГК частицы диоксида урана диспергировали в матрицу из более прочного материала, например вольфрама. Однако существенного уменьшения деформации оболочки твэла достичь не удалось [Синявский В.В. Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок. М., Энергоатомиздат, 2000, с. 31-32].
Из предшествующего уровня техники авторами не выявлено техническое решение, которое могло бы служить ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого изобретения.
Перед авторами стояла задача создания термоэмиссионного твэла дисперсионного типа с обеспечением пространственной стабильности оболочки твэла.
Для решения поставленной задачи авторами предложена конструкция термоэмиссионного тепловыделяющего элемента, характеризующегося тем, что он включает герметичную оболочку, выполненную из упрочненного монокристаллического сплава W-Ta или W-Nb, и расположенный внутри дисперсионный сердечник на основе диоксида урана, частицы которого равномерно распределены в матрице из поликристаллического молибдена, при этом в сердечнике выполнен центральный канал, величина которого выбрана из соотношения:
,
где ;
- относительное увеличение объема (распухание) топливного сердечника;
к
d - диаметр центрального канала;
серд
d - наружный диаметр топливного сердечника.
Предпочтительно, чтобы диоксид урана в топливном сердечнике имел пористость до 5%.
Сущность предложенного технического решения иллюстрируется при помощи чертежа, на котором схематически изображен поперечный разрез твэла, где 1 - топливные частицы; 2 - матрица; 3 - оболочка твэла; 4 - центральный канал в сердечнике.
Работа предложенного твэла осуществляется следующим образом. При эксплуатации твэла распухающие топливные частицы (1), а также локализованные в ячейках матрицы (2) вышедшие из топлива газообразные продукты деления нагружают внутренним давлением матрицу (2) и через нее оболочку твэла (3). Достигаемая при этом радиальная деформация оболочки является ресурсоопределяющим фактором термоэмиссиооного твэла, так как жестко ограничена рабочей величиной межэлектродного зазора (МЭЗ) ЭГК (0,3-0,4 мм).
Поскольку в термоэмиссионном твэле при характерных рабочих температурах ≥1400°C механические напряжения в материалах релаксируют по механизму ползучести, то характер взаимодействия в системе сердечник-оболочка определяется соотношением скоростей ползучести материалов сердечника и оболочки, их геометрическими характеристиками и наличием свободного объема в сердечнике, например, в виде центрального канала (4). Если скорость ползучести сердечника выше, чем оболочки, то вызванные облучением объемные изменения сердечника в процессе эксплуатации твэла будут частично или полностью направляться оболочкой в центральный канал сердечника, обеспечивая тем самым пространственную стабильность оболочки твэла.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
В обоснование заявленного технического результата выполнены параметрические расчеты ресурса ЭГК при различном сочетании материалов оболочки и матрицы твэла. Для расчетов приняты характерные для термоэмиссионного твэла исходные данные:
2
топливо - UO;
линейный тепловой поток - 130 Вт/см;
наружный диаметр твэла - ~20 мм;
исходный диаметр центрального канала в сердечнике - 10 мм;
толщина оболочки - 1 мм;
моно
моно
моно
материал оболочки - разработанные с участием авторов монокристаллические сплавы (W-Ta), (W-Nb), а также W [Гонтарь А.С. и др. Конструкционные и топливные материалы твэлов термоэмиссионных ЯЭУ. - Атомная энергия, 2005, т. 99, вып. 5, с. 365-371];
поли
материал матрицы - поликристаллический Мо;
доля материала матрицы в металлокерамическом сердечнике - 0,3.
пл
Выбор монокристаллических сплавов для оболочки твэла связан с необходимостью получения максимального упрочнения при низкой степени легирования [Зубарев П.В., Синцов А.Г. К вопросу о ползучести монокристаллических сплавов вольфрама в диапазоне (0,5-0,6) Т. - Металлы, 1998, №5, с. 85-89]. Выбор материала матрицы из Мо продиктован необходимостью максимальной ползучести, а поликристаллическое состояние - технологическими особенностями производства дисперсионных сердечников.
Результаты расчетов, выполненных по разработанной авторами и используемой в НИИ НПО «Луч» комплексной компьютерной программе KERMET, представлены в таблице.
моно
поли
-5
-6
Из таблицы видно, что наибольший ресурс ЭГК достигается при использовании материала оболочки W+5%Ta (минимальная скорость ползучести). Соотношение скоростей ползучести этого материала и материала матрицы Мо при рабочей температуре оболочки рассматриваемого твэла составляет 10-10 [Гонтарь А.С. и др. Конструкционные и топливные материалы твэлов термоэмиссионных ЯЭУ. - Атомная энергия, 2005, т. 99, вып. 5, с. 365-371].
Из таблицы также видно, что в этом случае вследствие эффективного перераспределения оболочкой объемных изменений распухающего сердечника в центральный канал в сердечнике он практически полностью заполнен материалом сердечника.
моно
В другом крайнем из рассмотренных случаев по соотношению скоростей ползучести оболочки и сердечника (оболочка W) достигается наименьший ресурс, при этом, как видно из таблицы, центральный канал в сердечнике почти не демпфирует распухание и его размер остается поэтому близким к исходному.
Таким образом, в предложенном авторами решении заявленный технический результат достигается за счет одновременного использования материалов с низкой и высокой скоростями ползучести для оболочки твэла и матрицы соответственно при наличии центрального канала в сердечнике.
Представленные выше результаты комплексных расчетов деформационного поведения термоэмиссионного твэла с матричной структурой сердечника, содержащего центральный канал и сочетания различных материалов сердечника и оболочки, позволили получить из баланса массы указанную обобщающую формулу для соотношения диаметра канала и наружного диаметра сердечника, когда реализуется эффект перераспределения распухания сердечника.
Величина объемных изменений (распухания) сердечника может быть определена также по результатам ампульных реакторных испытаний.
2
Выбор величины пористости (≤5%) диоксида урана способствует повышению радиационной стабильности дисперсионного сердечника. Это связано с тем, что при пористости ≤5% поры, как известно, являются преимущественно закрытыми, что приводит к уменьшению выхода ГПД из топливных частиц UO и, следовательно, к снижению газового давления, действующего на материал матрицы. При этом давление ГПД, захваченных такими порами, частично сдерживается диоксидом урана.
Достоинство предложенной конструкции твэла состоит в том, что наряду с решением характерной для ЭГК задачи жесткого ограничения деформации оболочки твэла при длительном ресурсе одновременно снижается возможность попадания в МЭЗ при штатном режиме и аварийных ситуациях продуктов деления, снижающих выходные электрические параметры ЭГК. Это связано с тем, что продукты деления локализованы в несвязанных ячейках матрицы термопрочного сердечника.
Предложенная конструкция твэла расширяет возможности эффективного использования термоэмиссионного преобразования энергии, в частности, для развития инфраструктуры Арктической зоны Российской Федерации, где ввиду большой протяженности границы предпочтительными являются ЯЭУ малой мощности с прямым преобразованием энергии.
Предложенное техническое решение может быть использовано в ЯЭУ на основе усовершенствованной конструкции одноэлементного ЭГК [Гонтарь А.С., Еремин С.А., Лапочкин Н.В. и др. Усовершенствованный одноэлементный электрогенерирующий канал для термоэмиссионных ЯЭУ повышенной мощности. - В сб. докладов международной конференции «Ядерная энергетика в космосе - 2005», Москва - Подольск, 2005, т. 2, с. 279-283].
поли
2
Расчетное исследование по программе KERMET показало, что ресурс ЭГК с материалом эмиттерной оболочки твэла из монокристаллического сплава W+3% Nb и дисперсионным сердечником Мо+UO наружным диаметром 17, 3 мм с долей материала матрицы 0,3, толщине подложки эмиттера 1 мм и диаметре центрального канала ~7 мм, определенном из соотношения, представленного в формуле изобретения, составляет ~90000 ч (~10 лет).