Теоретические исследования работоспособности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с газоотводным устройством

Автор: Корнилов В.А., Синявский В.В.

Журнал: Космическая техника и технологии @ktt-energia

Рубрика: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Статья в выпуске: 2 (41), 2023 года.

Бесплатный доступ

В настоящей обзорной (применительно к многоэлементным термоэмиссионным электрогенерирующим сборкам с повышенной плотностью электрической мощности) статье рассмотрены вопросы обеспечения длительной работоспособности топливно-эмиттерного узла (ТЭУ) электрогенерирующего элемента (ЭГЭ). Показано, что при использовании топлива на основе диоксида урана ресурс высокотемпературного герметичного ТЭУ с удельной электрической мощностью более 7 Вт/см2 составляет менее тысячи часов. Для обеспечения длительной ресурсоспособности необходим организованный вывод газообразных продуктов деления (ГПД) через специальное газоотводное устройство (ГОУ) в виде трубки с жиклёром. Процесс переконденсации топлива приводит к существенной трансформации температурного поля сердечника и возможности герметизации ГОУ с превращением ТЭУ в герметичный с ограниченным ресурсом. Рассмотрены методы расчёта температурного поля сердечника ТЭУ с ГОУ. Получены теоретические формулы для расчёта возможности герметизации ТЭУ конденсатом топлива как снаружи жиклёра, так и внутри трубки ГОУ. Показана необходимость вывода трубки ГОУ в «горячий» торец ЭГЭ (без коммутационной перемычки). Теоретически обоснована необходимость создания жиклёра с оптимальным отношением длины к диаметру отверстия, показана возможность создания такого жиклёра. Получены номограммы для определения границ области работоспособности ЭГЭ в пространстве обобщённых переменных в зависимости от относительного перепада температуры по трубке ГОУ и относительного сопротивления жиклёра и пространства между торцами соседних ЭГЭ. Получены формулы для расчёта выноса через ГОУ вместе с ГПД паров топлива. Получена номограмма для расчёта остаточного ресурса ЭГЭ в случае герметизации ТЭУ в процессе работы.

Еще

Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент, перекон-денсация диоксидного топлива, ресурсоспособность, газоотводное устройство, жиклёр, остаточный ресурс

Короткий адрес: https://sciup.org/143180651

IDR: 143180651

Список литературы Теоретические исследования работоспособности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с газоотводным устройством

Островский В.Г., Синявский В.В., Сухов Ю.И. Межорбитальный электроракетный буксир «Геркулес» на основе термоэмиссионной ядерно-энергетической установки // Космонавтика и ракетостроение. 2016. № 2(87). С. 68-74. EDN: VWDJXL
Грязное Г.М. Космическая ядерная энергетика и новые технологии (Записки директора). М.: ФГУП «ЦНИИАтом-информ», 2007. 136 с.
Ярыгин В.И., Ружников В.А., Синявский В.В. Космические и наземные ядерные энергетические установки прямого преобразования энергии: монография. М.: Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2016. 364 с.
Выбыванец В.И., Гонтарь А.С., Ерёмин С.А., Лапочкин Н.В., Николаев Ю.В., Федик И.И., Цецхладзе Д.Л., Ястребков А.А. Базовый электрогенери-рующий канал двухрежимных термоэмиссионных ЯЭУ. Научно-технические проблемы разработки и создания» // Труды межд. конф. «Ядерная энергетика в космосе-2005», 1-3 марта 2005 г. М.: НИКИЭТ, 2005. Т. 1. С. 79-82.
Кухаркин Н.Е., Пономарёв-Степной Н.Н., Усов В.А. Космическая ядерная энергетика (ядерные реакторы с термоэлектрическим и термоэмиссионным преобразованием — «Ромашка» и «Енисей»): Монография. М.: ИздАТ, 2008. 228 с. EDN: QNYLKZ
Синявский В.В. Обзор результатов экспериментальных исследований нейтронно-физических характеристик термоэмиссионных реакторов-преобразователей на быстрых нейтронах // Космическая техника и технологии. 2020. № 2(29). С. 61-83. EDN: YRVBGJ
Савлов Н.А., Рыжков А.Н., Купцов Г.А., Иевлева Ж.И., Прилежаева И.Н., Понимиаш И.Д., Русанов А.К., Девятченков Г.С. Разработка и экспериментальное обоснование конструкции и технологии ЭГК повышенных эффективности и ресурса // Избранные труды ФЭИ - 1996. Обнинск: Изд-во ФЭИ, 1997. С. 193-199.
Дегальцев Ю.Г., Кузнецов В.Ф., Косточка В.В., Пономарёв-Степной Н.Н., Слабский В.Д., Гонтарь А.С., Николаев Ю.В. Послереакторные исследования процессов в топливе из диоксида урана одноэлементного ТЭПа // Тез. докл. конф. «Ядерная энергетика в космосе». Обнинск: Изд-во ФЭИ, 1990. Т. 1. С. 207-209.
Дегальцев Ю.Г., Кузнецов В.Ф., Пономарёв-Степной Н.Н. Поведение высокотемпературного ядерного топлива при облучении. M.: Энергоатомиздат, 1987. 208 с.
Андреев П.В., Васильковский В. С., Зарицкий Г.А., Галкин А.Я. Космическая ядерная энергетика: перспективы и направления развития // Полёт. 2006. № 4. С. 19-25.
Синявский В.В. Проектные исследования термоэмиссионных ЯЭУ, созданных по литий-ниобиевой технологии, электрической мощностью 5-10 МВт // Космическая техника и технологии. 2016. № 4(15). С. 31-42. EDN: YHCWJF
Корнилов В.А., Юдицкий В.Д. Моделирование тепло- и массопереноса в сердечнике термоэмиссионного твэла // Атомная энергия. 1982. Т. 53. Вып. 2. С. 74-76.
Alekseev S.V., Vybyvanets V.I., Gontar' A.S., Sotnikov V.N. Particulars of uranium dioxide mass transfer in high-temperature unvented fuel element // Atomic Energy. Vol. 115. № 6. April 2014. P. 422-426. (Russian Original Vol. 115, № 6, December 2013).
Ярыгин В.И. Петлевые испытания термоэмиссионных электрогенерирующих каналов в реакторе АМ (60-летию первой в мире АЭС посвящается) // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2014. № 4. С. 21-31. EDN: TSMKHD
Бекмухамбетов Е.С., Бержатый В.И., Грицаенко В.П., Данилов Ю.И., Джай-мурзин А.А., Ибрагимов Ш.Ш., Карнаухов А.С., Кириенко В.П., Кузнецов И.М., Любимцев О.И., Маевский В.А., Мельников М.В., Морозов В.К., Рыжих В.И., Синявский В.В. Ресурсные испытания термоэмиссионного преобразователя // Атомная энергия. 1973. Т. 35. Вып. 6. С. 387-390.
Батырбеков Г.А., Бекмухамбетов Е.С., Бержатый В.И., Ерматов С.Е., Ибрагимов Ш.Ш., Кириенко В.П., Курмангалиев Б.С., Мельников М.В., Синявский В.В., Соболев Ю.А., Сухов Ю.И. Некоторые результаты послереакторных исследований шестиэлементной термоэмиссионной сборки, проработавшей 2 670 ч // Атомная энергия. 1976. Т. 40. Вып. 5. С. 382-384.
Синявский В.В. Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 184 с.
Корнилов В.А., Сухов Ю.И., Юдицкий В.Д. Метод расчёта температурных полей гетерогенного топливного сердечника термоэмиссионного электрогенерирующего элемента // Атомная энергия. 1980. Т. 49. Вып. 6. С. 393-394.
Выбыванец В.И., Любимов Д.Ю., Корюкин В.А. Моделирование работы долгоресурсного термоэмиссионного преобразователя с ядерным нагревом // Атомная энергия. 2015. Т. 118. Вып. 4. С. 233-236.
Синявский В.В. Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных сборок. М.: Энергоатомиздат, 2000. 375 с.
Грязнов Г.М., Жаботинский Е.Е., Зродников А.В., Николаев Ю.В., Пономарёв-Степной Н.Н., Пупко В.Я., Сербин В.И., Усов В.А. Термоэмиссионные реакторы-преобразователи космических ЯЭУ // Атомная энергия. 1989. Т. 66. Вып. 6. С. 375-378.
Юдицкий В.Д. Особенности поведения высокотемпературного ядерного топлива в термоэмиссионном реакторе при длительном ресурсе // Тез. докл. на конф. «Ядерная энергетика в космосе. Материалы. Топливо». Подольск: ПНИТИ, 1993. C. 99-102.
Гонтарь А.С., Давыдов А.А., Королёв В.У., Модин В.А., Нелидов М.В., Сотников В.Н. Влияние ресурсного изменения величины межэлектродного зазора на выходные параметры многоэлементного электрогенерирующего канала // Вопросы атомной науки и техники. Серия: физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2011. № 2. C. 50-53.
Синявский В.В., Бержатый В.И., Маевский В.А., Петровский В.Г. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов. М.: Атомиздат, 1981. 96 с.
Корнилов В.А., Рожкова Н.М., Синявский В.В. Самосогласованное определение тепловых потоков с тепловыделяющего сердечника и температурного поля эмиттерной оболочки термоэмиссионного ЭГЭ с системой вывода газообразных осколков деления // Тез. докл. на конф. по термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую. Обнинск. 1979. С. 27-30.
Корнилов В.А. Процессы тепло-и массопереноса в высокотемпературных твэлах термоэмиссионных электро-генерирующих каналов // Ракетно-космическая техника: труды РКК «Энергия». Королёв: РКК «Энергия», 1996. Вып. 2-3. С. 99-112.
Синявский В.В., Цецхладзе Д.Л., Бекмухамбетов Е.С., Карагозян Р.М., Карнаухов А.С., Кривоносов С.Д., Ме-набде Н.Е. Разработка, создание и реакторные испытания ЭГС с жёсткими габаритными ограничениями для ТРП на быстрых нейтронах с высокой плотностью электрической мощности // Ракетно-космическая техника: труды РКК «Энергия». Королёв: РКК «Энергия», 1995. Вып. 3-4. С. 96-105.
Бекмухамбетов Е.С., Карнаухов А. С., Корнилов В.А., Сатпаев Н.Н., Синявский В.В. Нейтронографические исследования термоэмиссионных ЭГК при петлевых реакторных испытаниях // Ракетно-космическая техника: труды РКК «Энергия». Королёв: РКК «Энергия», 1996. Вып. 2-3. С.113-131.
Корнилов В.А. Некоторые проблемы обеспечения работоспособности вентилируемого твэла термоэмиссионного реактора-преобразователя // Ракетно-космическая техника: труды РКК «Энергия». Королёв: РКК «Энергия», 1998. Вып. 1-2. С. 79-85.
Синявский В.В. Графоаналитический метод определения длины элементов по высоте многоэлементной термоэмиссионной сборки // Атомная энергия. 1979. Т. 45. Вып. 3. С. 169-172.
Корнилов В.А. Исследование областей работоспособности системы вывода газообразных продуктов деления из термоэмиссионных твэлов в координатах обобщённых переменных // Ракетно-космическая техника: труды РКК «Энергия». Королёв: РКК «Энергия», 1998. Вып. 1-2. С. 99-104.
Какабадзе А.К., Корнилов В.А. Вентилируемый твэл термоэмиссионного реактора // Ракетно-космическая техника: труды РКК «Энергия». Королёв: РКК «Энергия», 1998. Вып. 1-2. С. 116-121.
Корнилов В.А. Инженерная методика оценки ресурсоспособности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента в случае выхода из строя системы удаления газообразных продуктов деления // Ракетно-космическая техника: труды РКК «Энергия». Королёв: РКК «Энергия», 1998. Вып. 1-2. С. 192-197.
Бекмухамбетов Е.С., Мерку рисов И.Х., Синявский В.В. Сравнительные реакторные исследования в одном петлевом устройстве четырёх термоэмиссионных электрогенерирующих сборок с различающимися топливно-эмиттерными и газоотводными устройствами // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 4. С. 120-136. EDN: KWXLIP
Синявский В.В. Моделирование температурных и электрических полей многоэлементных термоэмиссионных электрогенерирующих сборок при возникновении утечек тока // Известия РАН. Энергетика. 2019. № 5. С. 98-110. Режим доступа: https://doi.org/10.1134/ S0002331019050133 (дата обращения 01.03.2023).
Патент RU 2151440 С1. Н 01J 45/00. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка / Корнилов В.А.; заявитель и патентообладатель — ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва». Заявка № 98105901/09 от 26.03.1998 // Изобретения. 2000. №17.
Патент RU 2198438 C2. G 21 C 3/02, 21/02, Я 01 J 45/00. Способ определения скорости выноса топливного материала из вентилируемого твэла / Корнилов В.А.; заявитель и патентообладатель — ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва». Заявка № 2001111731/06 от 28.04.2001 // Изобретения. 2003. № 4.
Синявский В.В. Научно-технический задел по ядерному электроракетному межорбитальному буксиру «Геркулес» // Космическая техника и технологии. 2013. № 3. С. 25-45. EDN: SMYBLX

Еще

Статья научная