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.
Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент, перекон-денсация диоксидного топлива, ресурсоспособность, газоотводное устройство, жиклёр, остаточный ресурс
Короткий адрес: https://sciup.org/143180651
IDR: 143180651 | УДК: 621.039.578
Theoretical studies into operating capacity of a thermionic power-generating element with a gas-venting device
This survey (relating to the multi-element thermionic power-generating assemblies with increased electrical power density) addresses the issues of assuring a long-run operating capacity of the fuel-emitting assembly (FEA) of a power-generating element (PGE). It was shown that with the use of dioxide fuel the life of a high- temperature pressure-tight PGE with power density above 7 W/cm2 is less than a thousand hours. To assure its longevity, one needs to set up the removal of gaseous fission products (GFP) through a special gas-venting device (GVD) in the form of a jet tube. Fuel re-condensation process results in a significant transformation of the core thermal field and a possibility of the GVD sealing up and turning FEA into a pressure-tight assembly with limited life. The paper reviews methods for computing the thermal field for a FEA core with a GVD. Theoretical formulas are derived for calculating the possibility of FEA getting sealed up with fuel condensate both outside the jet tube and inside the GVD tube. The need is demonstrated to route the GVD tube to the hot end of the PGE (without switching jumper). Theoretical rationale is provided for developing a jet tube with a high ratio of its length to the orifice diameter, and the feasibility of such a jet tube is demonstrated. Nomograms were obtained for determining the boundaries of the PGE serviceability domain in the generalized variables space as a function of temperature drop along the GVD tube and relative resistance of the jet tube and the space between the ends of adjacent PGEs. Formulas are derived for calculating removal of fuel vapors through GVD together with GFP. Nomogram is obtained for calculating PGE residual life in case of FEA getting sealed off in the course of its operation.
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
