Физико-технические основы создания ЭГК для термоэмиссионных ЯЭУ различного назначения

Сентябрь 14, 2022

Главная
Физика
Физико-технические основы создания ЭГК для термоэмиссионных ЯЭУ различного назначения

Содержание

2. Основные типы термоэмиссионных ЯЭУ
3. Основные направления НИОКР для обеспечения требуемых характеристик ЭГК проектные решения по организации рабочего процесса преобразования энергии;
4. Схема многоэлементного ЭГК
5. Электро- изоляция Токовывод коллекторный Токовывод эмиттерный Ядерное топливо Эмиттеры Коллекторы Чехол (корпус) Межэлектродный зазор Электроизоляция Канал
6. Конструкция одноэлементного ЭГК КЯЭУ «ЕНИСЕЙ» 1. Эмиттер 7. Канал подачи цезия в МЭЗ 2. Коллектор (межэлектродный
7. Унифицированный электрогенерирующий канал ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ЭГК НАДСТАВКА ПЕРЕХОДНИК ЭМИТТЕРНАЯ СБОРКА ФРАГМЕНТ КОЛЛЕКТОРНОЙ СБОРКИ ТОКОВЫВОД
8. Схема одноканального многоэлементного ЭГК (а) и ЭГК с внешним расположением топлива (б) a) б)
9. Схема ЭГК с внешним расположением топлива 1 – корпус внутренний, 2 – изоляция охранного электрода, 3
10. Схема ЭГК с вынесенной из активной зоны термоэмиссионной системой преобразования (с двукратным резервированием термоэмиссионных преобразователей)
11. Концепция комбинированного ЭГК Верхний хвостовик ЭГК Нижний хвостовик ЭГК ЭГЭ ТО Cs H2 ГПД ZrH2 ГОТ
12. Обобщенные характеристики ТЭП с различными парами электродных материалов и схемами организации рабочего процесса по результатам НИОКР
13. Принципиальная схема базовых технологий, использующихся при формировании эмиссионных покрытий электродов ЭГЭ и ЭГК
14. Структура поверхности и азимутальное распределение вакуумной работы выхода электронов Wфт. [111] 1 – область с ориентацией
15. Эмиссионные характеристики и схемы эмиттерных оболочек Фасетирование эмиссионной поверхности вольфрамового покрытия на кристаллографическом направлении [121]
16. Зависимости Рейзора перспективных эмиттеров
17. Зависимости Рейзора перспективных коллекторов Ni: 1 - измерение ФС методом обратной эмиссии (TE = =1397 K,
18. Химический состав основных электродных материалов
19. Химический состав основных электродных материалов (продолжение)
20. Концепция специалистов ГНЦ РФ-ФЭИ Низкая энергонапряжённость ЭГК на основе высокоэффективных низкотемпературных ТЭП/ЭГЭ/ЭГК с электродной парой Pt-ВХ2У
21. Выбор платины обусловлен наиболее высокой вакуумной работой выхода для эмиссионных поликристаллических покрытий эмиттера, что обеспечивает: максимальную
22. Электродная пара Pt–сплав ВХ2У НИР по увеличению эффективности и ресурса термоэмиссионных преобразователей проводились по двум основным
23. Освоены технологии создания платинового и ВХ2У-покрытий толщиной 3÷10 мкм, позволяющие формировать покрытия на внутренней и наружной
24. Ресурсные испытания ЭГЭ в энергонапряжённых режимах (qЕ = 40 Вт/см2)
25. Экспериментальные результаты испытаний низкотемпературных ТЭП/ЭГЭ с электродной парой Pt-ВХ2У
26. Основные причины деградации характеристик КЯЭУ «ТОПАЗ» Физические процессы, вызывающие деградацию Каналы влияния на рабочий процесс в
27. а) б) Относительное изменение интенсивности активных процессов влияния примесей из межэлектродной страны ТЭП на эмиттер (а)
28. Влияние водорода ТЕ = 1775 К, ТС = 900 К, PСs = 2.45 торр, d =
29. Влияние углерода Распределение вакуумной работы выхода по поверхности образца с WФТ[111]-покрытием: 1 – "чистая" поверхность; 2
30. Образование эмиссионно-активных ГПД и ЛПД На примере образования изотопов Ва-140 и La-140
31. Щелочноземельные и редкоземельные ПД существуют в топливной матрице UO2 в виде нелетучих оксидов. Активно мигрировать по
32. Наиболее значимые цепочки: Хе138 → Cs138 → Ва138 14,13 мин 33,4 мин Xe139 → Cs139 →
33. Схема миграции атомов ГПД и ЛПД по полостям ЭГЭ: Топливные гранулы ↓ Объем пористости ТК ↓
34. Изменение работы выхода системы Me(110)-Ba в зависимости степени покрытия барием при адсорбции на подложку при T=300
35. Изменение работы выхода коллектора из поликристаллического Мо в цезиевом ТЭП: PBa = 2⋅10-3 – 2⋅10-1 мм.рт.ст.
36. Изменение экспериментальной ВАХ ТЭП в зависимости от величины парциального давления ксенона: TE = 1800 K; PCs
37. Модифицированная топливная композиция на основе UO2 1 – данные из литературы; 2 – штатные таблетки UO2
38. РЕЗЮМЕ Перспективный ЭГК для КЯЭУ нового поколения. С раздельными полостями ТВЭЛ и МЭЗ. С течением пара
40. Скачать презентацию

Слайд 2

Основные типы термоэмиссионных ЯЭУ

Слайд 3

Основные направления НИОКР для обеспечения требуемых характеристик ЭГК
проектные решения

по организации рабочего процесса преобразования энергии;
электродные материалы;
топливные композиции.

Слайд 4

Схема многоэлементного ЭГК

Слайд 5

Электро-
изоляция
Токовывод
коллекторный
Токовывод
эмиттерный
Ядерное топливо
Эмиттеры
Коллекторы
Чехол
(корпус)
Межэлектродный
зазор
Электроизоляция
Канал
теплоносителя
Газоотводное
устройство
(ГОУ)
Схема многоэлементного ЭГК (продолжение)

Слайд 6

Конструкция одноэлементного ЭГК КЯЭУ «ЕНИСЕЙ»
1. Эмиттер 7. Канал подачи цезия в

МЭЗ
2. Коллектор (межэлектродный зазор)
3. Гермовводы 8. Топливо
4. Сильфоны 9. Торцевые отражатели
5. Дистанционаторы 10. Фиксирующее устройство
6. Внешняя электроизоляция 11. Токовыводы

Слайд 7

Унифицированный электрогенерирующий канал
ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ЭГК
НАДСТАВКА
ПЕРЕХОДНИК
ЭМИТТЕРНАЯ СБОРКА
ФРАГМЕНТ КОЛЛЕКТОРНОЙ СБОРКИ
ТОКОВЫВОД

Слайд 8

Схема одноканального
многоэлементного ЭГК (а) и ЭГК с внешним расположением топлива

(б)

б)

Слайд 9

Схема ЭГК с внешним расположением топлива
1 – корпус внутренний, 2

– изоляция охранного электрода, 3 – изоляция токовывода, 4 – токовывод катодный, 5 – коммутация, 6 – эмиттер, 7 – корпус эмиттера, 8 – экраны, 9 –коллектор, 10 – токовывод анодный, 11 – узел эмиттерный, 12 – теплоноситель.

Слайд 10

Схема
ЭГК с вынесенной
из активной зоны термоэмиссионной системой преобразования
(с двукратным
резервированием
термоэмиссионных
преобразователей)

Слайд 11

Концепция комбинированного ЭГК
Верхний хвостовик ЭГК
Нижний хвостовик ЭГК
ЭГЭ
ТО
Cs
H2
ГПД
ZrH2
ГОТ (ГПД)

Слайд 12

Обобщенные характеристики ТЭП с различными парами электродных материалов и схемами организации

рабочего процесса по результатам НИОКР ГНЦ РФ-ФЭИ

Реализовано в ТРП КЯЭУ 1-го поколения

Высокая

энергонапряженность

Низкая

Технология ТРП

ЯЭУ 2-го поколения

Слайд 13

Принципиальная схема базовых технологий, использующихся при формировании эмиссионных покрытий электродов ЭГЭ

и ЭГК

Слайд 14

Структура поверхности и азимутальное распределение вакуумной работы выхода электронов Wфт. [111]
1

– область с ориентацией (110);
2, 3 – переходные области;
4 – область с ориентацией (112).

После длительного отжига в вакууме (Т≈2000 К).

Слайд 15

Эмиссионные характеристики и схемы эмиттерных оболочек
Фасетирование эмиссионной поверхности вольфрамового покрытия на

кристаллографическом направлении [121]

Слайд 16

Зависимости Рейзора перспективных эмиттеров

Слайд 17

Зависимости Рейзора перспективных коллекторов
Ni:
1 - измерение ФС методом обратной эмиссии

(TE = =1397 K, TC=745 - 978 K, TCs=523 K, d = 0.5 мм);
2 - измерение ФС в квазивакуумном режиме (TE = TС = 800 K, TCs = 339 - 532 K, d = 0.1 мм)

Слайд 18

Химический состав основных электродных материалов

Слайд 19

Химический состав основных электродных материалов (продолжение)

Слайд 20

Концепция специалистов ГНЦ РФ-ФЭИ
Низкая энергонапряжённость ЭГК на основе высокоэффективных низкотемпературных ТЭП/ЭГЭ/ЭГК

с электродной парой Pt-ВХ2У и отделением полости ТВЭЛ от МЭЗ – потенциальная физико-техническая возможность увеличения ресурса и надёжности КЯЭУ

Слайд 21

Выбор платины обусловлен наиболее высокой вакуумной работой выхода для эмиссионных поликристаллических

покрытий эмиттера, что обеспечивает:
максимальную эффективность эмиттера;
стабильность его свойств при воздействии рабочей среды МЭЗ.
Исследования и испытания показали, что 3÷5 мкм Pt покрытия при эмиттерных температурах формируют в эмиссионном слое молибденовой или вольфрамовой оболочек приповерхностный сплав, на порядки уменьшающий скорость испарения платины и понижающий приведенную степень черноты электродной пары.

Платина – эффективный эмиттер

Слайд 22

Электродная пара Pt–сплав ВХ2У
НИР по увеличению эффективности и ресурса термоэмиссионных

преобразователей проводились по двум основным направлениям:
исследование преобразователей с эффективной электродной парой - платиновое поликристаллическое покрытие на эмиттере и покрытие из малолегированного хром-ванадиевого сплава ВХ2У на коллекторе;
поиск рабочего процесса, способного формировать и длительно поддерживать на высоком уровне выходные электрические характеристики низкотемпературного термоэмиссионного преобразователя.

Слайд 23

Освоены технологии создания платинового и ВХ2У-покрытий толщиной 3÷10 мкм, позволяющие формировать

покрытия на внутренней и наружной поверхности эмиттерной и коллекторной оболочек.
В обоснование технологий проведен комплекс исследований и испытаний:
экспериментальные исследования температурной эволюции
- элементного состава электродов,
- кристаллографической ориентации рабочей поверхности
электродов;
- работы выхода эмиссионных покрытий для широкого диапазона
температуры электродов;
испытания электродов с покрытиями в лабораторных ТЭП с электронагревом.
Подтвержденный экспериментально к настоящему времени рабочий ресурс термоэмиссионных преобразователей на основе термоэмиссионной пары материалов платина-ВХ2У составляет около одного года.

Электродная пара Pt–сплав ВХ2У (продолжение)

Слайд 24

Ресурсные испытания ЭГЭ в энергонапряжённых режимах (qЕ = 40 Вт/см2)

Слайд 25

Экспериментальные результаты испытаний низкотемпературных ТЭП/ЭГЭ с электродной парой Pt-ВХ2У

Слайд 26

Основные причины деградации характеристик КЯЭУ «ТОПАЗ»
Физические процессы, вызывающие деградацию
Каналы влияния на

рабочий процесс в МЭЗ

В гидрид-
ном заме-
длителе

ΔV=0,15 В·Торр-1 εпр
λ

В ЭГЭ/ТВЭЛ

ϕкол
- Rизол,
PCs,
d

Технические меры компенсации деградации

Результат – деградация ВАХ

Течение Cs в МЭЗ

Упрочненная оболочка Е

Свободный объем в ТВЭЛ

Переход на управление по температур- ному каналу

STOP !

Увеличение QТЕПЛ

Слайд 27

а) б)
Относительное изменение интенсивности активных процессов влияния примесей из межэлектродной страны

ТЭП на эмиттер (а) и коллектор (б) для ЯЭУ типа “ТОПАЗ”.

Влияние примесей ГПД и ЛПД

Слайд 28

Влияние водорода
ТЕ = 1775 К, ТС = 900 К, PСs =

2.45 торр, d = 0,4 мм;
1 - РН2 = 0 торр; 2 – 0.2; 3 – 0.3; 4 – 1.3, 5 – 2.3; 6 – 3.3; 7 – 4.3; 8 – 5.1.

Слайд 29

Влияние углерода
Распределение вакуумной работы выхода по поверхности образца с WФТ[111]-покрытием:
1 –

"чистая" поверхность;
2 – "карбидизированная" поверхность.

Слайд 30

Образование эмиссионно-активных
ГПД и ЛПД
На примере образования изотопов Ва-140 и La-140

Слайд 31

Щелочноземельные и редкоземельные ПД существуют в топливной матрице UO2 в виде

нелетучих оксидов. Активно мигрировать по полостям ЭГК и выходить в газоотводной тракт могут их материнские нуклиды Kr,Xe,Rb и Cs
Kr→Rb→Sr→Y→Zr→Nb→Mo
Xe→Cs→Ba→La→Ce→Pr→Nd

Образование эмиссионно-активных
ГПД и ЛПД (продолжение)

Слайд 32

Наиболее значимые цепочки:
Хе138 → Cs138 → Ва138
14,13 мин 33,4 мин
Xe139

→ Cs139 → Ba139 → La139
40,8 c 9,4 мин 84,4 мин
Xe140→Cs140→Ba140 → La140 → Ce140
13,6 c 65,5 c 12,79 сут 40,22 час

Образование эмиссионно-активных
ГПД и ЛПД (продолжение)

Слайд 33

Схема миграции атомов ГПД и ЛПД по полостям ЭГЭ:
Топливные гранулы
↓
Объем пористости

ТК
↓
Компенсационный объем
↓
Тракт ГОУ
↓
МЭЗ (сумма по всем ЭГЭ)

Образование эмиссионно-активных
ГПД и ЛПД (продолжение)

Слайд 34

Изменение работы выхода системы Me(110)-Ba в зависимости степени покрытия барием при

адсорбции на подложку при T=300 K (принято, что ΘВа = 1 в максимуме ΦBa): 1 – Nb; 2 – Mo; 3 – W

Влияние эмиссионно-активных
ГПД и ЛПД

Слайд 35

Изменение работы выхода коллектора из поликристаллического Мо в цезиевом ТЭП:
PBa =

2⋅10-3 – 2⋅10-1 мм.рт.ст.

Влияние эмиссионно-активных
ГПД и ЛПД (продолжение)

ФC, эВ

TCs, Co

Слайд 36

Изменение экспериментальной ВАХ ТЭП в зависимости от величины парциального давления ксенона:

TE = 1800 K; PCs = opt; d = 0,25 мм.
1 – PXe= 0 мм рт. ст.;
2 – 10;
3 – 20;
4 – 40;
5 – 60;
6 – 90;
7 – 105;
8 – 130;
9 – 145;
10 – 170;
11 – 190.

Влияние эмиссионно-активных
ГПД и ЛПД (продолжение)

Слайд 37

Модифицированная топливная
композиция на основе UO2
1 – данные из
литературы;
2

– штатные таблетки UO2 ОАО "МСЗ";
3 – штатные таблетки UO2 с добавкой Er2O3 ОАО "МСЗ";
4 – модифицированные таблетки UO2+0,05%TiO2;
5 – модифицированные таблетки UO2+0,1%SnO2;
6 – модифицированные таблетки UO2 (с наночастицами)

Для повышения теплопроводности и термостойкости при «мокрой» технологической схеме производства таблеток UO2 улучшена его микроструктура за счет соосаждения мелкодисперсных частиц размером 10 – 20 нм.

Слайд 38

РЕЗЮМЕ
Перспективный ЭГК для КЯЭУ нового поколения.
С раздельными полостями ТВЭЛ и МЭЗ.
С

течением пара Cs в МЭЗ.
С высокоэффективной низкотемпературной электродной парой.
С большой эмиссионной поверхностью (× 1,5-2) в схемах, подобных комбинированному ЭГК.
С ТВЭЛ на основе модифицированного топлива.

Физико-технические основы создания ЭГК для термоэмиссионных ЯЭУ различного назначения

Содержание

Основные типы термоэмиссионных ЯЭУ

Основные направления НИОКР для обеспечения требуемых характеристик ЭГК проектные решения

Схема многоэлементного ЭГК

Конструкция одноэлементного ЭГК КЯЭУ «ЕНИСЕЙ»1. Эмиттер 7. Канал подачи цезия в

Унифицированный электрогенерирующий каналОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ЭГКНАДСТАВКАПЕРЕХОДНИКЭМИТТЕРНАЯ СБОРКАФРАГМЕНТ КОЛЛЕКТОРНОЙ СБОРКИ ТОКОВЫВОД

Схема одноканального многоэлементного ЭГК (а) и ЭГК с внешним расположением топлива

Схема ЭГК с внешним расположением топлива 1 – корпус внутренний, 2

СхемаЭГК с вынесеннойиз активной зоны термоэмиссионной системой преобразования(с двукратнымрезервированиемтермоэмиссионныхпреобразователей)

Концепция комбинированного ЭГК Верхний хвостовик ЭГКНижний хвостовик ЭГКЭГЭТОCsH2ГПДZrH2ГОТ (ГПД)

Обобщенные характеристики ТЭП с различными парами электродных материалов и схемами организации

Принципиальная схема базовых технологий, использующихся при формировании эмиссионных покрытий электродов ЭГЭ

Структура поверхности и азимутальное распределение вакуумной работы выхода электронов Wфт. [111]1

Эмиссионные характеристики и схемы эмиттерных оболочекФасетирование эмиссионной поверхности вольфрамового покрытия на

Зависимости Рейзора перспективных эмиттеров

Зависимости Рейзора перспективных коллекторовNi: 1 - измерение ФС методом обратной эмиссии

Химический состав основных электродных материалов

Химический состав основных электродных материалов (продолжение)

Концепция специалистов ГНЦ РФ-ФЭИНизкая энергонапряжённость ЭГК на основе высокоэффективных низкотемпературных ТЭП/ЭГЭ/ЭГК

Выбор платины обусловлен наиболее высокой вакуумной работой выхода для эмиссионных поликристаллических

Электродная пара Pt–сплав ВХ2У НИР по увеличению эффективности и ресурса термоэмиссионных

Освоены технологии создания платинового и ВХ2У-покрытий толщиной 3÷10 мкм, позволяющие формировать

Ресурсные испытания ЭГЭ в энергонапряжённых режимах (qЕ = 40 Вт/см2)

Экспериментальные результаты испытаний низкотемпературных ТЭП/ЭГЭ с электродной парой Pt-ВХ2У

Основные причины деградации характеристик КЯЭУ «ТОПАЗ»Физические процессы, вызывающие деградациюКаналы влияния на

а) б)Относительное изменение интенсивности активных процессов влияния примесей из межэлектродной страны

Влияние водородаТЕ = 1775 К, ТС = 900 К, PСs =

Влияние углеродаРаспределение вакуумной работы выхода по поверхности образца с WФТ[111]-покрытием:1 –

Образование эмиссионно-активных ГПД и ЛПДНа примере образования изотопов Ва-140 и La-140

Щелочноземельные и редкоземельные ПД существуют в топливной матрице UO2 в виде

Наиболее значимые цепочки:Хе138 → Cs138 → Ва13814,13 мин 33,4 мин Xe139

Схема миграции атомов ГПД и ЛПД по полостям ЭГЭ:Топливные гранулы↓Объем пористости

Изменение работы выхода системы Me(110)-Ba в зависимости степени покрытия барием при

Изменение работы выхода коллектора из поликристаллического Мо в цезиевом ТЭП:PBa =

Изменение экспериментальной ВАХ ТЭП в зависимости от величины парциального давления ксенона:

Модифицированная топливная композиция на основе UO21 – данные из литературы;2

РЕЗЮМЕПерспективный ЭГК для КЯЭУ нового поколения.С раздельными полостями ТВЭЛ и МЭЗ.С

Похожие презентации

Основные направления НИОКР для обеспечения требуемых характеристик ЭГК
проектные решения

Конструкция одноэлементного ЭГК КЯЭУ «ЕНИСЕЙ»
1. Эмиттер 7. Канал подачи цезия в

Унифицированный электрогенерирующий канал
ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ЭГК
НАДСТАВКА
ПЕРЕХОДНИК
ЭМИТТЕРНАЯ СБОРКА
ФРАГМЕНТ КОЛЛЕКТОРНОЙ СБОРКИ
ТОКОВЫВОД

Схема одноканального
многоэлементного ЭГК (а) и ЭГК с внешним расположением топлива

Схема ЭГК с внешним расположением топлива
1 – корпус внутренний, 2

Схема
ЭГК с вынесенной
из активной зоны термоэмиссионной системой преобразования
(с двукратным
резервированием
термоэмиссионных
преобразователей)

Концепция комбинированного ЭГК
Верхний хвостовик ЭГК
Нижний хвостовик ЭГК
ЭГЭ
ТО
Cs
H2
ГПД
ZrH2
ГОТ (ГПД)

Структура поверхности и азимутальное распределение вакуумной работы выхода электронов Wфт. [111]
1

Эмиссионные характеристики и схемы эмиттерных оболочек
Фасетирование эмиссионной поверхности вольфрамового покрытия на

Зависимости Рейзора перспективных коллекторов
Ni:
1 - измерение ФС методом обратной эмиссии

Концепция специалистов ГНЦ РФ-ФЭИ
Низкая энергонапряжённость ЭГК на основе высокоэффективных низкотемпературных ТЭП/ЭГЭ/ЭГК

Электродная пара Pt–сплав ВХ2У
НИР по увеличению эффективности и ресурса термоэмиссионных

Основные причины деградации характеристик КЯЭУ «ТОПАЗ»
Физические процессы, вызывающие деградацию
Каналы влияния на

а) б)
Относительное изменение интенсивности активных процессов влияния примесей из межэлектродной страны

Влияние водорода
ТЕ = 1775 К, ТС = 900 К, PСs =

Влияние углерода
Распределение вакуумной работы выхода по поверхности образца с WФТ[111]-покрытием:
1 –

Образование эмиссионно-активных
ГПД и ЛПД
На примере образования изотопов Ва-140 и La-140

Наиболее значимые цепочки:
Хе138 → Cs138 → Ва138
14,13 мин 33,4 мин
Xe139

Схема миграции атомов ГПД и ЛПД по полостям ЭГЭ:
Топливные гранулы
↓
Объем пористости

Изменение работы выхода коллектора из поликристаллического Мо в цезиевом ТЭП:
PBa =

Модифицированная топливная
композиция на основе UO2
1 – данные из
литературы;
2

РЕЗЮМЕ
Перспективный ЭГК для КЯЭУ нового поколения.
С раздельными полостями ТВЭЛ и МЭЗ.
С